美藤果油和普洱茶籽油的主要脂肪酸組成及氧化動力學(xué)研究

張麗，楊志，鄒維，熊華斌，高云濤，2，3，*

（1.云南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650500；2.云南民族大學(xué)云南省跨境民族地區(qū)生物質(zhì)資源清潔利用國際聯(lián)合研究中心，云南昆明650500；3.云南民族大學(xué)生物基材料綠色制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南昆明650500）

美藤果（sacha inchi），又名星油果、星油藤、印加果，屬大戟科多年生木質(zhì)藤本植物。美藤果原產(chǎn)于南美洲的安第斯山脈地區(qū)，如秘魯和厄瓜多爾[1]。我國云南普洱、西雙版納于2006年開始引進(jìn)種植美藤果，已在西雙版納建成世界最大的美藤果油工廠。美藤果主要用于榨制美藤果油，美藤果油因其不飽和脂肪酸（ω-3、6、9）含量可達(dá)90%以上，是目前已知不飽和脂肪酸含量最高的植物油之一[2]，攝入美藤果油具有預(yù)防心腦血管疾病、降低血糖和血脂的作用，因此日益受到關(guān)注。此外，當(dāng)?shù)鼐哂胸S富的普洱茶籽資源，普洱茶籽是山茶科植物普洱茶（Camellia Sinensis O.Ktze.）的果實，從普洱茶籽中榨制的普洱茶籽油的油酸含量超過60%，其脂肪酸組成與橄欖油相似，被譽為“東方橄欖油”[3]。它具有抗凝血、調(diào)節(jié)血脂、防止動脈粥樣硬化斑塊形成、降低膽固醇等作用[4]，越來越受到人們的青睞。目前，當(dāng)?shù)匾呀ǔ赡戤a(chǎn)達(dá)10萬噸以上的普洱茶籽油生產(chǎn)基地。

由于植物油中含有較多的不飽和脂肪酸，因此在光照和氧氣的作用下，植物油容易發(fā)生氧化、裂解、聚合等反應(yīng)而氧化酸敗[5]。如果人體攝入氧化酸敗的油脂，會對人體消化系統(tǒng)、生物膜、心臟等造成損害[6]。目前，國內(nèi)外研究油脂氧化程度的方法主要有Schall烘箱法、Rancimat法、氣相色譜法（gas chromatography，GC）等[7]。劉付英等[8]用過氧化值和酸值研究了美藤果油的氧化過程，發(fā)現(xiàn)在低溫、干燥、黑暗環(huán)境中貯藏可降低美藤果油的氧化程度。Vicente J[9]、張和平等[10]用Schall烘箱法測定美藤果油不同貯藏條件下的過氧化值，推算了美藤果油的貨架期，并研究了外加抗氧化劑的影響。

熱重分析法（thermogravimetric analysis，TGA）是一種在程控下，測量溫度升高，溫度下降或恒溫期間樣品重量變化的方法?？捎糜谠u估油脂的熱氧化穩(wěn)定性，具有操作簡單快速、所需樣品量少、可精確記錄樣品的重量變化等優(yōu)點，張巧智等[5]用熱重分析法研究了橄欖油、葡萄籽油、大豆油等常見植物油的氧化過程，并推導(dǎo)出其動力學(xué)方程，美藤果油和普洱茶籽油氧化動力學(xué)的熱重分析法鮮見報道。本文以版納和普洱等地產(chǎn)的美藤果油和普洱茶籽油為研究對象，采用熱重分析法測定兩種植物油在不同升溫速率下的起始氧化溫度和氧化峰值溫度，計算動力學(xué)參數(shù)如活化能、前指數(shù)因子，并結(jié)合氣相質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS） 測定兩種植物油的脂肪酸組成。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

美藤果油：云南省西雙版納印奇生物資源開發(fā)有限公司；普洱茶籽油：云南省普洱健源油脂有限公司。正己烷（色譜級）、無水甲醇（色譜級）、氫氧化鉀（分析純）：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；蒸餾水：云南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院實驗室自制。

STA449 F3型同步熱分析儀：德國耐馳儀器制造有限公司；KO733B730000080氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物油脂肪酸組成的分析

樣品甲酯化[11]：分別稱取0.3 g美藤果油和普洱茶籽油置于兩個25mL比色管中，加入10 mL正己烷溶解油脂，再加入0.5 mL濃度為0.112 g/mL的KOH-CH3OH溶液，搖勻，萃取3 h，取正己烷相進(jìn)行分析。

色譜條件：色譜柱：DB-WAX（30m×0.25m×0.25μm）毛細(xì)管色譜柱；進(jìn)樣口溫度：250℃；柱初始溫度80℃，以20℃/min升到200℃，8℃/min升到217℃，0.5℃/min升到220℃，最后以15℃/min升至250℃，保留3 min；進(jìn)樣量 1.0 μL；載氣流速 1.5 mL/min；分流比為 60 ∶1；高純氦氣（純度＞99.999%）。質(zhì)譜條件：使用電子轟擊離子源（electron bombardment ion source，EI）的電離方法；傳輸線溫度280℃；離子源溫度260℃；電子能量70 eV；質(zhì)量掃描范圍 30 m/z～500 m/z。

1.2.2 起始氧化溫度（Ton）和氧化峰值溫度（Tp）的測定

準(zhǔn)確稱量3.0 mg樣品置于坩堝中，放入同步熱分析儀加熱爐，以O(shè)2為吹掃氣氛，N2為保護(hù)氣氛，氣體流速為 100 mL/min。分別以不同升溫速率（5、10、15、20℃/min）升至600℃，測得熱重曲線，記錄溫度或時間的一階導(dǎo)數(shù)可以獲得相應(yīng)的微商熱重曲線，曲線偏離基線時的溫度是起始氧化溫度Ton，在曲線出峰后第一次下降到最低點時的溫度是氧化峰值溫度Tp[12]。

1.2.3 動力學(xué)參數(shù)的推導(dǎo)

參照SouLtani S等[13]研究中的Ozawa-Flynn-Wall和Arrhenius方程，對美藤果油和普洱茶籽油的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 8.5軟件擬合動力學(xué)曲線，SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

圖1 美藤果油和普洱茶籽油的總離子流圖Fig.1 Total ion current spectrum of sacha inchi oil and Puer tea seed oil

2 結(jié)果與討論

2.1 美藤果油和普洱茶籽油脂肪酸組成的分析

通過GC-MS法分析兩種植物油，獲得美藤果油和普洱茶籽油的總離子流色譜圖，結(jié)果如圖1所示。

人工解析每個色譜峰對應(yīng)的質(zhì)譜圖，并進(jìn)行計算機檢索，確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)，分別鑒定出7種主要的脂肪酸，并通過峰面積歸一化法來確定其相對含量，結(jié)果見表1。

表1 兩種植物油的脂肪酸組成及相對含量Table 1 Composition of fatty acid and relative content of two vegetable oils

從表1可以看出，美藤果油主要由亞麻酸（46.97%）、亞油酸（35.72%）、棕櫚酸（3.68%）和硬脂酸（1.64%）等脂肪酸組成，不飽和脂肪酸含量為92.89%，顯著高于其他常見植物油，如橄欖油（83.20%）和芝麻油（80.17%）[14]。棕櫚酸（15.46%）、亞油酸（23.91%）、油酸（53.44%）是普洱茶籽油的主要脂肪酸組成。美藤果油中亞麻酸含量最高，為46.97%，普洱茶籽油中油酸含量最高，為53.44%。亞麻酸和亞油酸是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，具有提高智力、促進(jìn)營養(yǎng)吸收、抗癌和降血壓的作用，油酸在軟化血管和調(diào)節(jié)人體的生理功能中起重要作用。對于植物油，其氧化速度與脂肪酸的不飽和程度有關(guān)，不飽和程度越高，油脂越容易發(fā)生氧化。

2.2 確定起始氧化溫度（Ton）和氧化峰值溫度（Tp）

通過程序升溫法在不同的升溫速率（5、10、15、20℃/min）下測定兩種植物油的氧化分解溫度，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，熱解過程的變化分為3個階段：第一階段曲線比較平坦，在溫度升高的情況下，質(zhì)量幾乎不變化，這個主要是飽和與不飽和脂肪酸鏈的降解，在此階段，植物油還未能充分進(jìn)行氧化[7]。第二階段變化非常快，迅速失重，說明達(dá)到分解溫度時它就快速分解，對應(yīng)揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)與氧化。第三階段曲線變化較小，較為平穩(wěn)，主要是碳質(zhì)殘渣的反應(yīng)[15]。根據(jù)圖2a和圖2b，利用基線外推計算法[16]求得美藤果油和普洱茶籽油在不同升溫速率下的分解溫度，以美藤果油在升溫速率為5℃/min的曲線為例，結(jié)果如圖3所示。

圖2 美藤果油的熱重曲線與普洱茶籽油的熱重分析曲線Fig.2 The TGA curve of sacha inchi oil and Puer tea seed oil

圖3 美藤果油起始（峰值）氧化溫度的確定Fig.3 Determination of onset（peak）oxidation temperature of sacha inchi oil

從圖3可以看出，美藤果油的起始氧化溫度Ton為368.1℃，氧化峰值溫度Tp為408.7℃。以此類推，可以獲得兩種植物油在不同升溫速率下的起始氧化溫度Ton和氧化峰值溫度Tp，結(jié)果見表2。

表2 不同升溫速率下植物油的起始（峰值）氧化溫度Table 2 Onset（peak）oxidation temperature of vegetable oil at different heating rates

從表2可以看出，兩種油的起始（峰值）氧化溫度，隨著升溫速率的增加而增加，以起始氧化溫度Ton為例：美藤果油：368.1℃（5℃/min）＜391.0℃（10℃/min）＜397.7℃（15℃/min）＜406.9℃（20℃/min），普洱茶籽油：371.1℃（5℃/min）＜388.5℃（10℃/min）＜397.9℃（15℃/min）＜410.2℃（20℃/min），但在個別高升溫速率（15℃/min）下，美藤果油的Tp值反而降低，造成這種現(xiàn)象是因為植物油的熱分解速率較快，產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)沒有及時排到坩堝外，使樣品質(zhì)量變化沒有規(guī)律。根據(jù)已有文獻(xiàn)報道，Ton可以表征植物油對熱氧化分解的耐受性，Tp與氧化終止過程有關(guān)[17]。在相同的升溫速率下，兩種植物油的氧化分解溫度幾乎一致，升溫速率越快，分解溫度越高，氧化穩(wěn)定性逐漸增強。

2.3 動力學(xué)參數(shù)的求解

在非等溫條件下，吹掃氣氛O2始終處于過量的狀態(tài)，可以忽略油脂氧化過程中O2的消耗。兩種植物油的動力學(xué)參數(shù)計算采用Ozawa-Flynn-Wall等[18]轉(zhuǎn)化率方程，將植物油在不同升溫速率下的Ton或Tp分別代入方程：

式中：β 為升溫速率，℃/min；T 為 Ton或 Tp，K。

式中：R摩爾氣體常數(shù)，為8.314 J/（mol.k）。

以log β對起始氧化溫度1/Ton或氧化峰值溫度1/Tp作圖，得到相應(yīng)植物油的線性曲線。以美藤果油為例，圖4為log β與1/Ton之間的關(guān)系曲線。

圖4 美藤果油起始氧化溫度與升溫速率之間的線性關(guān)系Fig.4 Relationship between onset oxidation temperature and heating rates of sacha inchi oil

可以看出，美藤果油具有很好的線性關(guān)系。對擬合曲線中的每個點進(jìn)行回歸擬合，log β與1/Ton之間的關(guān)系可以用方程y=-6.7813 x+11.264來表示，決定系數(shù)為0.972 8（表3）。除個別情況外，普洱茶籽油的R2也大于0.94（表4），根據(jù)公式，求解得到的動力學(xué)參數(shù)見表3和表4。

表3 美藤果油的動力學(xué)參數(shù)計算值Table 3 Value of kinetic parameters of sacha inchi oil

表4 普洱茶籽油的動力學(xué)參數(shù)計算值Table 4 Value of kinetic parameters of Puer tea seed oil

兩種植物油在Ton處的活化能（Ea）分別為：美藤果油，123.5 kJ/mol；普洱茶籽油，125.7 kJ/mol。在 Tp處的活化能（Ea）分別為：美藤果油 150.9 kJ/mol；普洱茶籽油127.6 kJ/mol。這與Ton處的活化能高低略有差異。

2.4 美藤果油和普洱茶籽油與其他植物油動力學(xué)參數(shù)的比較

比較美藤果油和普洱茶籽油與其他常見植物油的 Ton、Tp、Ea，結(jié)果見表 5。方差分析見表 6。

表5 美藤果油和普洱茶籽油與其他植物油[5]動力學(xué)參數(shù)的比較Table 5 Comparison of kinetic parameters of sacha inchi oil and Puer tea seed oil with other vegetable oils[5]

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

上述動力學(xué)參數(shù)的比較和方差分析的研究表明，不同品種的植物油存在明顯差異。無論在哪一升溫速率下，美藤果油和普洱茶籽油的起始氧化溫度Ton和氧化峰值溫度Tp均明顯高于其他植物油。例如：在升溫速率為5℃/min時，美藤果油和普洱茶籽油的起始氧化溫度Ton分別為368.1℃和371.1℃，均是橄欖油、芝麻油、玉米油、葵花籽油和大豆油的兩倍多。美藤果油和普洱茶籽油的氧化峰值溫度Tp分別為408.7℃和398.5℃，也明顯高于橄欖油（266.06℃）、玉米油（310.07℃）、葵花籽油（308.15℃）、芝麻油（313.18℃）、大豆油（329.07℃）。從表5可以看出，升溫速率越快，上述7種植物油的分解溫度越高，氧化穩(wěn)定性逐漸增強。對于植物油的氧化過程，活化能可評價其氧化穩(wěn)定性，以活化能的高低評價植物油的氧化穩(wěn)定性從高到低排序，Ea（Ton）為：普洱茶籽油＞美藤果油＞芝麻油＞橄欖油＞葵花籽油＞玉米油＞大豆油；Ea（Tp）為：美藤果油＞普洱茶籽油＞芝麻油＞大豆油＞橄欖油＞葵花籽油＞玉米油，普洱茶籽油和美藤果油與其他常見植物油相比，具有更好的熱穩(wěn)定性。雖然美藤果油含有較高的不飽和脂肪酸，如亞麻酸（46.97%）和亞油酸（35.72%），容易導(dǎo)致氧化酸敗，但是，根據(jù)已有文獻(xiàn)報道，其抗氧化活性成分維生素E含量高達(dá)177.9 mg/100 g～208.12 mg/100 g，明顯高于大豆油（80.45 mg/100 g～124.66 mg/100 g）、玉米油（68.46 mg/100 g～109.77 mg/100 g）[19]。茶籽油主要含油酸（53.44%）、亞油酸（23.91%），而維生素E的含量也同樣高達(dá)180 mg/100 g[20]。維生素E是重要的天然抗氧化劑，能有效預(yù)防和減緩植物油的氧化，起到協(xié)同增效的作用，因此兩種植物油呈現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性可能與其含有較高的維生素E有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究表明，美藤果油主要成分為亞麻酸46.97%、亞油酸35.72%，不飽和脂肪酸達(dá)92.89%，明顯高于橄欖油（83.20%）、芝麻油（80.17%）等常見植物油。普洱茶籽油主要成分為油酸53.44%、亞油酸23.91%，有助于增強人體免疫力、防治心血管疾病等作用。從熱重分析結(jié)果得出，隨著升溫速率的增加，氧化起始（峰值）溫度也隨之增高，Ton處的活化能分別為：美藤果油123.5 kJ/mol；普洱茶籽油125.7 kJ/mol。在Tp處的活化能分別為：美藤果油150.9 kJ/mol；普洱茶籽油127.6 kJ/mol，均明顯高于其他常見植物油。雖然這兩種植物油含有較高的不飽和脂肪酸，但具有較好的熱穩(wěn)定性，可能是由于其維生素E的含量較高，起到協(xié)同保護(hù)作用。美藤果油和普洱茶籽油不僅亞麻酸、油酸、維生素E等營養(yǎng)物質(zhì)含量高，而且熱氧化穩(wěn)定性較強，在化妝品、食品等領(lǐng)域都具有較好的開發(fā)應(yīng)用前景。