最優(yōu)混料設(shè)計(jì)法優(yōu)化牡丹籽油的抗氧化劑配方

張媛媛，程偉峰，楊雄偉，宋春麗

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，食品安全與品質(zhì)分析團(tuán)隊(duì)，河北 保定071000； 2.河北雅果食品有限公司，河北 保定 071000； 3.保定美森乳業(yè)有限公司，河北 保定071500)

食用油是維持人體健康必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)之一。我國是人口大國，油脂消耗量大，但油料資源短缺，大部分依賴進(jìn)口[1],此外，隨著人們生活水平的提高及消費(fèi)觀念的增強(qiáng)，對食用油的品質(zhì)要求提高，植物油消費(fèi)逐漸趨向多元化、品質(zhì)化、健康化[2]。2011年，我國衛(wèi)生部批準(zhǔn)“鳳丹”和“紫斑”兩個(gè)品種的牡丹籽油為新資源食品[3]。牡丹籽油是一種健康優(yōu)質(zhì)的食用油，其不飽和脂肪酸含量高達(dá)90%，其中α-亞麻酸含量可達(dá)40%左右[4]。但牡丹籽油在加工及貯存過程中受外界環(huán)境中光、熱、微生物等的影響，易氧化酸敗形成各種有害物質(zhì)，如氧化物、醛類、酮類等，導(dǎo)致營養(yǎng)成分損失、口感下降、產(chǎn)生不愉快的氣味，并對人體健康有一定的損害。

添加抗氧化劑是抑制油脂氧化酸敗、延長油脂貨架期的有效途徑。傳統(tǒng)的化學(xué)合成抗氧化劑丁基羥基茴香醚(BHA)、2,6-二叔丁基對甲基苯酚(BHT)、特丁基對苯二酚(TBHQ)具有較好的抗氧化效果，但有潛在的毒性和致癌作用；天然抗氧化劑在油脂中的抗氧化效果雖低于化學(xué)合成抗氧化劑，但安全性高，容易被消費(fèi)者接受[5]。有研究表明，復(fù)合抗氧化劑的抗氧化能力顯著高于單一抗氧化劑[6]。本文以金屬離子螯合劑茶多酚棕櫚酸酯、氧吸收劑L-抗壞血酸棕櫚酸酯、自由基清除劑VE、單線態(tài)氧猝滅劑β-胡蘿卜素為研究對象，通過最優(yōu)混料設(shè)計(jì)法，以過氧化值(POV)、丙二醛(MDA)值為指標(biāo)，篩選出牡丹籽油的最優(yōu)抗氧化劑配方，并通過測定牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期，將復(fù)合天然抗氧化劑與傳統(tǒng)化學(xué)合成抗氧化劑TBHQ進(jìn)行比較，確定其抗氧化效果，以期為工業(yè)化生產(chǎn)中延長牡丹籽油貨架期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

牡丹籽油，河北圣丹農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司。TBHQ(純度98%)，食品級，源葉生物科技有限公司；L-抗壞血酸棕櫚酸酯、β-胡蘿卜素，食品級，晨光食品生物科技有限公司；茶多酚棕櫚酸酯，食品級，陽匯生物科技有限公司；VE，食品級，匯泉生物科技有限公司。冰乙酸、三氯乙酸、異辛烷、碘化鉀、乙二胺四乙酸二鈉、硫代硫酸鈉、無水碳酸鈉、可溶性淀粉、硫代巴比妥酸、濃硫酸、重鉻酸鉀，均為分析級;丙二醛乙縮醛標(biāo)準(zhǔn)品。

1.1.2 儀器與設(shè)備

THZ-82恒溫振蕩水浴鍋，金壇市杰瑞爾電器有限公司；DH6000 AB型電熱恒溫培養(yǎng)箱，天津泰斯特儀器有限公司；紫外分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；KQ5200B型超聲波清洗機(jī)，中國玉環(huán)曙峰企業(yè)；BS214D精密分析天平，上海雙旭電子有限公司；Oxitest油脂氧化分析儀，意大利Velp公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 加速氧化試驗(yàn)

取200.00 g牡丹籽油，按一定比例加入抗氧化劑，室溫下用超聲波清洗機(jī)(40 kHz，160 W)輔助抗氧化劑溶解30 min，并將油樣裝于帶蓋棕色玻璃瓶中，貼好標(biāo)簽。采用Schaal烘箱加速氧化法[7]，將油樣放置在(60±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱中加速氧化，固定時(shí)間取樣測定牡丹籽油的POV和MDA值，考察抗氧化劑對牡丹籽油氧化穩(wěn)定性的影響。

1.2.2 POV和MDA值的測定

POV的測定參考 GB 5009.227—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測定》中的滴定法[7]；MDA值的測定參考GB 5009.181—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中丙二醛的測定》中的分光光度法[8],得到丙二醛標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.975 1x+0.007 7，R2=0.999 4(x為丙二醛的質(zhì)量濃度，μg/mL；Y為吸光度)。

1.2.3 氧化誘導(dǎo)期的測定

通過Oxitest油脂氧化分析儀測定牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期，設(shè)置溫度為90℃，壓力為0.6 MPa，取樣量為5.00 g。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)指標(biāo)重復(fù)測定3次，以”平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。通過Excel、IBM SPSS Statistics 20及Design Expert 8.0.6軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同抗氧化劑對牡丹籽油POV和MDA值的影響

POV在一定程度上可以反映食用油的品質(zhì)，是判定食用油是否變質(zhì)的重要指標(biāo)之一。但是，油脂在貯藏過程中產(chǎn)生的過氧化物不穩(wěn)定，會(huì)裂解產(chǎn)生醛、酮等小分子物質(zhì)，使油脂的顏色、氣味改變，營養(yǎng)價(jià)值降低，對機(jī)體產(chǎn)生不良影響，危害極大。MDA是脂質(zhì)過氧化的降解產(chǎn)物之一，不僅會(huì)影響油脂的品質(zhì)，還具有細(xì)胞毒性，能抑制細(xì)胞增殖，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，影響人體健康[7]。

在添加量均為0.02%的條件下，以添加TBHQ的牡丹籽油為陽性對照，未添加抗氧化劑的牡丹籽油為空白對照，觀察分別添加了L-抗壞血酸棕櫚酸酯、茶多酚棕櫚酸酯、VE、β-胡蘿卜素的牡丹籽油的POV和MDA值的變化情況，結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 不同抗氧化劑對牡丹籽油POV的影響

圖2 不同抗氧化劑對牡丹籽油MDA值的影響

由圖1可知，各試驗(yàn)組的POV隨時(shí)間的延長均呈上升趨勢。與空白對照組相比，各抗氧化劑組牡丹籽油的POV均有不同程度的降低。其中，L-抗壞血酸棕櫚酸酯、茶多酚棕櫚酸酯、VE、β-胡蘿卜素這4種抗氧化劑在牡丹籽油中的抗氧化能力均低于TBHQ。在4種抗氧化劑中，茶多酚棕櫚酸酯降低牡丹籽油POV的能力最高，在0～6 d時(shí)茶多酚棕櫚酸酯組的POV變化與TBHQ組相近，6 d后茶多酚棕櫚酸酯組的POV上升速率加快，略高于TBHQ組；L-抗壞血酸棕櫚酸酯組、VE組和β-胡蘿卜素組牡丹籽油的POV在0～6 d時(shí)略高于茶多酚棕櫚酸酯組，8～10 d時(shí)POV上升速率加快，顯著高于茶多酚棕櫚酸酯組。通過觀察牡丹籽油POV的變化可知，5種抗氧化劑在牡丹籽油中的抗氧化能力為TBHQ>茶多酚棕櫚酸酯>L-抗壞血酸棕櫚酸酯>VE>β-胡蘿卜素。

由圖2可知，0 d時(shí)試驗(yàn)組的MDA值略有不同，這是由于MDA值在測定過程中需要高溫加熱，一定程度上會(huì)提高牡丹籽油的MDA水平，各抗氧化劑組牡丹籽油的MDA值與空白對照組相比均有不同程度的降低，初步說明添加抗氧化劑可以抑制牡丹籽油MDA值的增高。加速氧化后，各試驗(yàn)組的MDA值隨時(shí)間的延長基本均呈上升趨勢。其中：茶多酚棕櫚酸酯可以明顯抑制牡丹籽油MDA值的增長，其對MDA值的抑制能力與TBHQ相近；L-抗壞血酸棕櫚酸酯組的MDA值在4 d內(nèi)呈下降趨勢，4～10 d 呈上升趨勢，在8 d時(shí)MDA值與空白對照組相近；VE組和β-胡蘿卜素組的MDA值上升趨勢與空白對照組相近，在8 d時(shí)VE組的MDA值與空白對照組相近，β-胡蘿卜素組的MDA值略高于空白對照組。通過觀察牡丹籽油MDA值的變化可知，5種抗氧化劑在牡丹籽油中的抗氧化能力為TBHQ≈茶多酚棕櫚酸酯>VE≈L-抗壞血酸棕櫚酸酯>β-胡蘿卜素。

綜上可知，5種抗氧化劑在牡丹籽油中的抗氧化能力為TBHQ>茶多酚棕櫚酸酯>L-抗壞血酸棕櫚酸酯>VE>β-胡蘿卜素。

2.2 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)

2.2.1 不同添加量抗氧化劑對牡丹籽油POV和MDA值的影響

以不添加抗氧化劑的牡丹籽油為空白對照，比較了加速氧化8 d，各抗氧化劑分別在添加量為0.001%、0.005%、0.01%、0.015%、0.02%條件下對牡丹籽油POV和MDA值的影響，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 不同添加量茶多酚棕櫚酸酯對牡丹籽油POV、MDA值的影響

圖4 不同添加量L-抗壞血酸棕櫚酸酯對牡丹籽油POV、MDA值的影響

圖5 不同添加量VE對牡丹籽油POV、MDA值的影響

圖6 不同添加量β-胡蘿卜素對牡丹籽油POV、MDA值的影響

由圖3可知:在0.001%～0.02%范圍內(nèi)，隨著茶多酚棕櫚酸酯添加量的增加，牡丹籽油的POV先平緩上升，當(dāng)添加量為0.01%時(shí)開始下降；MDA值隨著茶多酚棕櫚酸酯添加量的增加逐漸減?。辉诓瓒喾幼貦八狨ヌ砑恿繛?.02%時(shí)，牡丹籽油的POV、MDA值最小。綜合考慮，選擇茶多酚棕櫚酸酯添加量范圍為0.01%～0.02%。

由圖4可知，不同添加量的L-抗壞血酸棕櫚酸酯均能夠降低牡丹籽油的POV，但是MDA值卻大于空白對照組。這可能是由于L-抗壞血酸棕櫚酸酯自身吸收氧氣，分子中的烯二醇結(jié)構(gòu)被氧化為二酮基，對丙二醛含量的測定產(chǎn)生了干擾。在0.001%～0.02%范圍內(nèi)，隨著L-抗壞血酸棕櫚酸酯添加量的增加，牡丹籽油的POV先緩慢降低，在添加量為0.01%時(shí)最小，然后上升，當(dāng)添加量為0.02%時(shí)最大；牡丹籽油的MDA值隨著L-抗壞血酸棕櫚酸酯添加量的增加逐漸降低，但均大于空白對照組。故選擇L-抗壞血酸棕櫚酸酯的添加量范圍為0～0.01%。

由圖5可知：不同添加量的VE均能夠降低牡丹籽油的POV，其中在VE添加量0.001%～0.015%范圍內(nèi)POV較低，變化趨于平緩，添加量為0.01%時(shí)POV最小，添加量為0.02%時(shí)POV最大；在0.001%～0.02%范圍內(nèi)，隨著VE添加量的增加，牡丹籽油的MDA值呈上升趨勢，添加量為0.001%和0.005%時(shí)MDA值顯著低于空白對照組，添加量為0.01%和0.015%時(shí)MDA值與空白對照組相近，添加量為0.02%時(shí)MDA值高于空白對照組。由此可知，適宜的VE添加量范圍為0.001%～0.015%，但是在相同添加量下，VE在牡丹籽油中的抗氧化能力均顯著低于茶多酚棕櫚酸酯，并且復(fù)合抗氧化劑的總添加量為0.02%，故選擇VE的添加量范圍為0～0.01%。

由圖6可知：β-胡蘿卜素能夠抑制牡丹籽油POV的增長，其中添加量為0.005%時(shí)，POV最低；不同添加量β-胡蘿卜素的牡丹籽油MDA值均高于空白對照組，其中添加量為0.005%時(shí)MDA值最低。故選擇β-胡蘿卜素的添加量范圍為0～0.005%。

2.2.2 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

通過預(yù)試驗(yàn)，將A(茶多酚棕櫚酸酯)、B(L-抗壞血酸棕櫚酸酯)、C(VE)、D(β-胡蘿卜素)4種抗氧化劑的配方添加量進(jìn)行了限制，添加量分別為0.01%～0.02%、0～0.01%、0～0.01%和0～0.005%，各抗氧化劑添加量總和為0.02%；然后通過Design Expert 8.0.6軟件的最優(yōu)混料設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)配方，在牡丹籽油中加入各復(fù)合抗氧化劑，進(jìn)行加速氧化試驗(yàn)，并測定加速氧化8 d的牡丹籽油的POV和MDA值，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，分別建立POV(VP)和MDA值(VM)的Special Cubic回歸方程：VP=338.312 01A+387.343 60B+5.293 50C-1 740.630 96D+6 196.003 25AB+59 056.361 24AC+(1.682 09E+005)AD+(1.404 44E+005)BC+63 860.905 70BD+(1.844 86E+006)CD-(2.313 69E+007)ABC+(3.178 71E+006)ABD-(1.766 17E+008)ACD+(4.656 21E+005)BCD；VM=300.088 67A+1 397.660 52B+822.400 53C-3 173.564 00D-95 857.345 06AB-41 326.969 79AC+(2.110 45E+005)AD+(1.780 02E+005)BC-(1.535 58E+005)BD-59 756.025 28CD-(3.015 62E+007)ABC+(3.976 46E+007)ABD+(2.920 78E+007)ACD-(4.476 55E+007)BCD。

最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方案和結(jié)果如表1所示。

表1 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方案和結(jié)果

2.3 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方差分析

分別對POV和MDA值的回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2和表3。

表2 POV的回歸模型方差分析

續(xù)表2

表3 MDA值的回歸模型方差分析

2.4 配方優(yōu)化

通過Design Expert 8.0.6軟件對牡丹籽油中添加的抗氧化劑配方進(jìn)行了優(yōu)化，得到了幾組較優(yōu)的配方，配方中各抗氧化劑添加量以及響應(yīng)值的預(yù)測值和實(shí)際值如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，3組抗氧化劑配方的響應(yīng)值的實(shí)際值與回歸模型預(yù)測值基本吻合，偏差較小。與空白對照組相比，添加了復(fù)合抗氧化劑1、2、3的牡丹籽油的POV和MDA值分別降低了45.67%、45.53%、52.24%和67.26%、53.86%、44.88%，說明復(fù)合抗氧化劑能顯著提高牡丹籽油的氧化穩(wěn)定性。

2.5 氧化誘導(dǎo)期比較

氧化誘導(dǎo)期是樣品在高溫、氧氣條件下開始發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應(yīng)的時(shí)間。氧化誘導(dǎo)期可以反映油脂的氧化穩(wěn)定性，氧化誘導(dǎo)期越長則油脂氧化穩(wěn)定性越好[8]。Oxitest法是在高溫、高氧分壓條件下對樣品進(jìn)行加速氧化，通過Oxitest氧化分析儀測定吸氧速度來計(jì)算氧化誘導(dǎo)期的一種方法，該方法可以直接進(jìn)行分析，不需要處理樣品或使用化學(xué)試劑；當(dāng)反應(yīng)達(dá)到頂設(shè)條件時(shí)，樣品開始消耗氧氣，導(dǎo)致整體壓力下降，Oxitest氧化分析儀會(huì)自動(dòng)記錄氧化過程中壓力的變化并根據(jù)壓力變化曲線快慢部分的切線的交點(diǎn)計(jì)算得到氧化誘導(dǎo)期[9]。各組牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期如表5所示。

表5 牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期

由表5可知，各組氧化誘導(dǎo)期的大小依次為復(fù)合抗氧化劑1組>復(fù)合抗氧化劑3組>0.02%TBHQ組>復(fù)合抗氧化劑2組>空白對照組，優(yōu)化所得的3組復(fù)合抗氧化劑均能夠提高牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期，其中復(fù)合抗氧化劑1組和復(fù)合抗氧化劑3組的氧化誘導(dǎo)期略高于TBHQ組。

3 結(jié) 論

以茶多酚棕櫚酸酯、L-抗壞血酸棕櫚酸酯、VE、β-胡蘿卜素4種抗氧化作用機(jī)制不同的抗氧化劑為主要研究對象，采用Schaal烘箱加速氧化法研究了其對牡丹籽油POV和MDA值的影響。以加速氧化8 d牡丹籽油的POV和MDA值為評價(jià)指標(biāo)，采用最優(yōu)混料設(shè)計(jì)法，得到了3組較優(yōu)的抗氧化劑配方，分別為0.012%茶多酚棕櫚酸酯+0.005%L-抗壞血酸棕櫚酸酯+0.003%VE(復(fù)合抗氧化劑1)，0.010%茶多酚棕櫚酸酯+0.005%L-抗壞血酸棕櫚酸酯+0.005%VE(復(fù)合抗氧化劑2)，0.013%茶多酚棕櫚酸酯+0.003%L-抗壞血酸棕櫚酸酯+0.003%VE+0.001%β-胡蘿卜素(復(fù)合抗氧化劑3)，在3組配方下牡丹籽油的POV和MDA值分別比空白對照組降低了45.67%、45.53%、52.24%和67.26%、53.86%、44.88%。其中，添加了復(fù)合抗氧化劑1和復(fù)合抗氧化劑3的牡丹籽油的氧化誘導(dǎo)期大于TBHQ組。