國內外脂質氧化檢測方法研究進展

孫月娥 王衛東

(徐州工程學院食品學院,徐州 221008)

國內外脂質氧化檢測方法研究進展

孫月娥 王衛東

(徐州工程學院食品學院,徐州 221008)

脂質氧化不僅使食品的營養、味道、質構和外觀發生變化,而且縮短了產品的貨架期,降低其食用品質,是造成含脂食品品質劣變的重要原因之一。脂質氧化與炎癥、免疫力低下、心腦血管疾病以及衰老等許多疾病密切相關,給食品工業帶來極大挑戰。概述了油脂氧化的機理和評價指標,對物理法、化學法和儀器分析法等國內外檢測脂質氧化初級產物、次級產物以及氧化底物變化的各種方法和存在問題進行系統綜述,并展望了脂質氧化測定技術與方法的發展趨勢。

脂質氧化 氧化機理 評價指標 檢測方法

脂質的化學本質是脂肪酸和醇形成的酯,作為人類六大營養素之一,油脂除提供熱量、賦予食品良好口感和風味外,還提供人體無法自身合成的必需脂肪酸和作為各種脂溶性維生素的載體。脂質很容易發生氧化,對含脂食品的風味、色澤以及組織產生不良的影響,并且產生多種自由基、氫過氧化物和有毒聚合物,對生物膜、酶、蛋白質和核酸造成破壞,誘發許多疾病,嚴重危害人體健康[1-2]。因此了解脂質氧化的基本過程和機理,及時檢測脂質的氧化進程,采取有效措施防止油脂氧化十分重要。脂類氧化是一個非常復雜的過程,包括氧化引起的許多化學和物理變化,這些反應往往同時進行、相互競爭,每種變化的性質和程度受到多種因素影響,沒有一個簡單的測試方法能應用于各種食品及加工條件,能適用于氧化過程的各個階段,可以同時測定所有的氧化產物,因此,一個試驗只能測定在特定條件下特定體系的一些變化。通過對國內外脂質氧化檢測技術的分類綜述,為油脂相關從業人員選擇適合的油脂檢測方法、改良并發現新的檢測技術提供參考。

1 油脂自動氧化過程和機理

油脂氧化實際上是其結構中不飽和脂肪酸的氧化,可通過光氧化、自動氧化和酶促氧化 3種途徑進行,光氧化是不飽和雙鍵與單線態氧發生的非酶、非自由基的直接反應;酶促氧化是由脂氧酶參加的氧化反應;自動氧化是活化的含烯底物 (如不飽和脂肪酸)與基態氧在室溫下,未經任何直接光照、未加任何催化劑等條件下發生的非酶、自由基引發的鏈式反應。其中油脂自動氧化是食用油脂和油基食品品質劣變最主要的原因,與所有的鏈反應一樣,其歷程可以分成 3個階段來討論:引發反應,即自由基的生成(式 1～式 3);自由基的傳遞,即一種自由基轉變成另一種自由基(式 4、式 5);終止反應,即兩種自由基結合生成一種穩定的產物(式 6～式 8)。

其中,RH-為不飽和脂肪酸分子;ROOH-為脂類氫過氧化物;R·、H·、RO·、ROO·-為自由基; ROO-為脂類過氧化自由基;M-為過渡金屬。

飽和脂肪酸是穩定的,油脂的氧化變質是從不飽和脂肪酸的氧化開始的。首先是與雙鍵相連的α-CH2上活潑的 H原子裂解,形成的碳原子團與氧反應生成過氧化原子團,隨后進入鏈反應,形成初級產物過氧化物。過氧化物作為脂類自動氧化的主要初期產物是不穩定的,它經過許多復雜的分裂和相互作用,導致產生次級產物,最終形成小分子揮發性物質,如醛、酮、酸、醇、環氧化物或聚合成聚合物,產生強烈的刺激性氣味,同時促進色素、香味物質和維生素等的氧化,導致油脂完全酸敗。

2 油脂氧化的評價指標

不飽和脂質因含有不飽和雙鍵極易氧化,油脂氧化首先使油脂中的氫過氧化物增多,過氧化物進一步分解產生丙二醛等小分子化合物,導致其組成成分、誘導期和氧化期的某些理化性質變化,因此可以通過測定某一性質的變化情況和某種特定的指示信號的變化情況,來反映油脂的氧化情況。脂質氧化可以測定氧化初級產物過氧化物的變化,也可以測定醛類、酮類、酸類等過氧化物分解的次級產物,或者氧化過程中的氧吸收量、脂肪酸減少量等脂質氧化底物的變化,此外,還可以測定氧化過程中產生的自由基。

3 國內外測定脂類氧化的方法

3.1 脂質氧化初級產物的檢測

氫過氧化物是脂質氧化早期的主要產物,可以通過氧化值法、硫氰酸鐵法、活性氧法和二甲酚橙法等化學方法,共軛二氫法和紅外光譜等物理方法,氣相色譜和高效液相等方法進行檢測。

3.1.1 過氧化值法[3]

油脂氧化是一個非常復雜、動態的過程,中間產物的組成不僅取決于油脂本身,而且與氧化條件有關,過氧化物是脂類自動氧化的主要初級產物[4]。美國化學協會 (AOCS)和美國官方分析化學師協會(AOAC)有許多反映油脂氧化狀態的方法,其中應用最廣的是過氧化值,一直用碘量法測定。碘量法測定過氧化值法是根據油脂在氧化過程中產生的氫過氧化物與碘化鉀反應產生游離的碘,反應完成后以硫代硫酸鈉標準溶液滴定可以計算碘的含量,從而反映油脂的過氧化程度。過氧化值定義為 1 kg脂肪或油脂中氫過氧化物的含量,用過氧化物的物質的量來表示。

過氧化值是判斷油脂新鮮程度和質量等級的重要標準,是在氧化初期衡量油脂酸敗程度的主要指標,一般來說過氧化值越高其酸敗就越嚴重,它僅能表征脂質氧化的第一階段。滴定法的誤差來源于碘添加到不飽和脂肪酸的雙鍵上以及碘化物在空氣中氧化釋放出碘。測定過程中不飽和鍵對碘的吸收導致測定結果偏低[5]。光和過氧化物可以使樣品溶液中存在的氧氣氧化碘化物生成碘的反應加速,也稱氧誤差,導致測定值偏高[6]。當過氧化物含量很低時,由于難以判斷滴定的終點,故不適合用此方法。由于過氧化化物不穩定,隨時會分解,因此過氧化值只能粗略的反應脂質氧化程度。碘量法檢測過氧化值的方法需要花費大量的時間、玻璃儀器、溶劑和油脂,此外,此法還具有檢測成本高、使用氯代烴類溶劑具有潛在的危害,并且靈敏度較低等缺點。

3.1.2 硫氰酸鐵法法[7-8]

原理是亞鐵離子在酸性介質中可被氫過氧化物氧化成三價鐵離子,其反應式為:Fe2++2H++O→Fe3++H2O,然后加入硫氰酸銨與 Fe3+形成紅色的硫氰酸鐵.通過比色即可測出氫過氧化物的含量。該法雖然簡便易于操作,但是溶液中氧氣的存在會對測定結果產生干擾。

3.1.3 活性氧法[9-10]

測定原理是將油脂樣品不間斷地通入 100～150℃的空氣流,然后定時測定油脂樣品的過氧化值。誘導時間是油脂樣品過氧化值小于 30μmol/kg (例如 35μmol/kg)和大于 50μmol/kg(例如 75 μmol/kg)兩個試驗點之間用插值法計算出來的。油脂越穩定,誘導時間越長。對于不是純油脂的其他樣品,必須先用溶劑將其中所含的脂類萃取出來再測定。盡管活性氧法是測定油脂穩定性的經典方法,但是比較耗費時間,對于穩定性較高的油脂,常常需要很長時間才能達到設定的過氧化值水平。

3.1.4 二甲酚橙法[11]

其原理是在酸性介質中亞鐵離子可被氫過氧化物氧化成三價鐵離子,三價鐵離子與二甲酚橙染料形成藍 -紫復合物,該復合物在550～600 nm處有最大吸光值。這種分光光度法簡便快捷靈敏,但需要了解樣品中過氧化物的特性并要嚴格控制試驗條件,試驗條件在不同測試場合不同[12]。針對此方法,后來又提出了兩種改良的方法[13],第一種改良方法用于水緩沖溶液中低含量過氧化氫的檢測,第二種改良方法適用于脂氫過氧化物的檢測并且已經用于血漿中低密度脂蛋白和可食用植物油的過氧化過程中氫過氧化物的檢測。

3.1.5 共軛二烯法

紫外光譜法是測定脂類氧化程度的一種常用方法,即共軛二烯氫過氧化物法。不飽和脂肪酸在氧化過程中會形成共軛雙鍵,這種結構可以吸收波長為 230～235 nm的紫外光,通常在 234 nm處有很強的特征吸收[14],可以用紫外分光光度計直接測定,簡單快捷。由于其摩爾消光系數較大,檢測前需要稀釋,適用于純脂的過氧化研究,未氧化的脂質成分和非脂質過氧化會干擾檢測。此外,共軛二烯反映活潑自由基的數量,而自由基不穩定,在生成的同時也會快速與其它化合物反應生成穩定的物質,因此共軛二烯的量反映的只是氧化早期階段脂質氧化的程度,除脂肪氧化初期外,吸收值的變化和脂肪的氧化程度沒有多大關系。該法不適合測量飽和脂肪酸含量高的油。

3.1.6 紅外光譜法

近紅外 (N I R)的電磁波長位于 750～2 500 nm,相應的波數為 12 900～4 000 cm-1。N I R可用于含有在N IR區具有吸收的功能基團化合物 (如 -OH、-CH、-NH和其它包含氫原子的化學鍵等功能基團)的常規分析。Takamura等[15]報道 2 084 nm是利用近紅外光譜法檢測可食用油脂過氧化物的重要波長。Li等[16]也用傅里葉近紅外(FT-N IR)光譜法對PV進行了定量分析。由于可以提供快速的定量、定性信息,近紅外光譜法被用作農業、食品、化學和醫藥等許多領域的非破壞性分析方法。在近紅外光譜范圍內樣品不經稀釋就可直接在常規樣品池中進行測定,此法可檢測過氧化值在 0～100 mmol/Kg油脂,為油脂質量控制的自動化提供了方便。中紅外光譜也被用于檢測油脂氧化,Sinelli等[17]用中紅外光譜對橄欖油的新鮮度進行了評價。Guillèn等[18]用 FT-IR光譜的頻率信息評價了可食用油脂的氧化程度。

3.1.7 氣相色譜

氣相色譜是在許多領域里用于分析脂肪酸及其衍生物的微量分析手段,用于揮發性物質的測定。Antonelli等[19]通過對不同品種牛奶中游離脂肪酸和脂肪酶的水解活性進行定量分析,來控制牛奶的風味并監控牛奶何時開始酸敗。由于脂質氧化的初級產物氫過氧化物不穩定、易分解,上柱前必須要甲酯化。但是,氣相色譜分析前樣品的衍生化處理可能會引起不飽和樣品物性變化,從而帶來檢測誤差。

3.1.8 液相色譜法[20-21]

近年來,高效液相色譜(HPLC)法也已經用于脂質過氧化物的檢測,操作簡單,靈敏度高。與氣相色譜相比,不同揮發性、不同分子質量、不同極性的氫過氧化物都可以用 HPLC法進行測定。此外,紫外檢測器、蒸發光檢測器、電化學檢測器、二極管陣列檢測器等不同檢測系統可以用于不同樣品的分析檢測。

3.2 脂質氧化次級產物的檢測

3.2.1 酸價

油脂氧化的初級產物氫過氧化物非常不穩定,易分解為醛、酮、酸等,因此酸價也是評價油脂氧化變質程度的一個重要指標。一般情況下,酸價略有升高不會對人體健康產生損害。但如發生嚴重的變質,所產生的醛、酮、酸會破壞脂溶性維生素,并可能對人體的健康產生不利影響。酸價的測定方法有滴定法、試紙法、比色法、色譜法、近紅外光譜法、電位滴定法、伏安法等[22]。

3.2.2 硫代巴比妥酸反應物測定法[23]

不飽和脂質過氧化反應的最終產物有丙二醛(Malondialdehyde,MDA),它的性質比較穩定,便于檢測,測定MDA的含量,在一定程度上可以反映脂質過氧化損傷的程度,是目前公認的反映脂質過氧化的指標之一。其原理是在酸性條件下兩分子硫代巴比妥酸 (thiobarbituric acd,TBA)與丙二醛 (MDA)起縮合反應,生成紅色化合物,在 532 nm處有最大吸收峰[24],其值與丙二醛的含量呈化學計量關系,根據它的大小可以判定油脂是否氧化以及氧化的程度,測定 TBA值有多種方法,例如蒸餾法和萃取法[25]。

當 TBA與除了MDA以外的其他醛類反應時生成黃色化合物,在 450 nm處有最大吸收。由于 TBA不僅可以和MDA反應生成紅色物質,而且可以和氧化的蛋白質、核酸等物質反應生成類似的紅色物質,故現在人們也稱此法為硫代巴比妥酸反應物 (Thio2 harhituric acid reactive substances,TRARS)。Hodges等[26]對原始的 TRARS測定法進行了修改,從而減少了花色苷及其他干擾物質對植物組織中脂質氧化測定結果的影響。一般說來,只有含三個或更多個雙鍵的脂肪酸才能產生足夠量與 TBA反應的物質。雖然其他化合物和 TBA試劑反應生成的色素會干擾測定。但是,在很多情況下,TBA檢驗法仍可用來對一種試樣的不同氧化狀態進行比較。

3.2.3 茴香胺值法[27]

食用油脂中醛類化合物的含量,一般用茴香胺值來表示,其數值越大,油脂的劣變程度越嚴重。其測定原理是在醋酸溶液中,使油脂中的醛類化合物和 p-茴香胺反應,然后在 350 nm處測定其吸光度,由此得到 p-茴香胺值。目前國際上常采用總氧化值指標,即 2倍的過氧化值與茴香胺值之和來評價食用油脂的氧化劣變程度。

3.2.4 電導試驗法[28]

油脂穩定系數(OSI)測定時,將一定溫度的熱空氣通入油樣中,加速甘油脂肪酸脂的氧化,產生揮發性有機酸。空氣將揮發性有機酸帶入一個導電室,室內的水將揮發性有機酸溶解,電離出離子,從而改變水的導電性,計算機連續測量導電室的電導率,當電導率急劇上升時,表示誘導期終點的到來,在此之前的這段時間稱為 OSI時間。應用此原理,瑞士Metrchm公司研制出Rancimat儀,用來測量油脂的誘導期及不同抗氧化劑對油脂的抗氧化效果。

需要特別指出的是,Ranci mat儀是通過在高溫下往油脂中通入大量氧氣進行強制氧化來評價脂質的氧化穩定性,而油脂的氧化機理在高溫下會發生變化,隨著溫度升高氧氣的溶解度降低,油脂的氧化速度將依賴于氧氣的濃度[29]。此外,在高溫下副反應將會對脂質氧化產生更大的影響,因此需要尋找更有效的方法來研究脂質的氧化行為。

3.2.5 熒光法

熒光法也可以用于脂質的氧化分析,脂質過氧化產生的羰基化合物如丙二醛可以和蛋白質、氨基酸反應生成含有N-C=C-C=N結構并發熒光的烯夫堿 (Schifbase)[30]。此堿具有典型的熒光激發光譜和發射光(420～470 nm)。因此用熒光分光光度計測定其熒光的相對強度,即可間接反映脂質過氧化的水平。此法高度靈敏,并且此法可以反映丙二醛與體內蛋白質的相互作用,具有重要的生物學意義。醛類的一個共性是聚合形成大分子,即使沒有氨基化合物存在,它們本身就具有熒光性。因此這一檢測方法的機理很復雜,但靈敏度高,通常需要與標準熒光物質進行比較,以相對熒光強度作為脂質過氧化程度的表示。

3.2.6 氣相色譜法

氣相色譜是常用的儀器分析手段,可以直接分離測定油脂中醛、烴等揮發性的小分子含量,用以判斷油脂氧化的程度[31-32]。此法可以選擇戊烷、己醛、戊醛等單一成分測定其含量,也可以測定總揮發物的含量,該測定值與感官評價有良好的對應關系。該法不僅靈敏度高,還可以反映油脂風味的變化情況。揮發性油脂氧化產物的形成與風味的劣變緊密相關,比如已醛,它是過氧化物的降解產物,與油脂氧化后產生的不良風味有關,已醛含量越高,油脂的氧化程度越大,風味越差。

3.3 檢測脂質氧化底物的變化

3.3.1 氧吸收量

以靜態法為例,裝于密封容器中的油脂樣品在一定溫度、濕度及光照條件下貯存,定期抽取頂孔中的氣樣,用分子篩填充的不銹鋼柱分離后,進行氣相色譜分析。頂空中氧氣含量下降越快,說明樣品吸氧越多,其抗氧性越差。

3.3.2 脂肪酸含量的變化

利用氣相色譜可以測定油脂中脂肪酸的含量。氧化使油脂中不飽和脂肪酸的相對含量下降,而飽和脂肪酸的相對含量上升,因此脂肪酸的組成隨貯存時間變化的快慢可以從一定程度反映油脂的抗氧化能力,油脂抗氧化能力越高,其脂肪酸的組成變化越慢。Minemoto等[33]通過測定微膠囊中亞油酸含量的變化來評定阿拉伯膠和環糊精對其包埋抗氧化的效果。利用液相色譜法跟蹤氧化底物脂肪酸的變化可以減少氣相色譜中某些樣品衍生化帶來的誤差。

3.4 其他方法

3.4.1 重量變化

測定原理是將油脂樣品等溫地保持在流動的空氣流或氧氣流中,采用高靈敏度的記錄電子天平連續地檢測到重量的變化,在氧化期可觀測到重量顯著的增長。Wanasundara等[34-35]用這種方法比較了抗氧化劑對植物油和動物油貯存穩定性的影響,實驗受溫度、樣品大小等影響,重復性較差,但節約了儀器成本。

3.4.2 氧化起始溫度

用壓力差示掃描量熱法 (PDSC)[36-37],可觀察油脂的氧化穩定性和熱穩定性。PDSC圖中樣品的氧化起始溫度可用于預測油脂的氧化穩定性。氧化起始溫度越低,油脂越容易降解,其穩定性越差。反之,其穩定性越好。

4 結語

脂質氧化可采用化學法、物理法、色譜法等進行檢測,這些檢測脂質氧化的方法各有優缺點,檢測的手段不同,反映的側面也不同,試驗中應該根據試驗條件和目的進行選擇。一般來說,常規分析這些方法所需要的檢測樣品量都較大,當受檢樣品量很少時只能采用色譜法進行測定。目前液相色譜和氣相色譜等多種色譜技術已用于測定油脂和含脂類食品的氧化程度,但是氣相色譜分析前需要對樣品進行衍生化,此步操作可能會引起穩定性較差的不飽和樣品物性變化,從而帶來檢測誤差。此外,許多常規測定方法只適合實驗室檢測,難以滿足生產中現場化測定的要求,因此,應該研究如何簡化樣品預處理程序和檢測步驟,縮短檢測時間,實現樣品用量少、無試劑檢測、結果獲取精確、快速和在線測定。

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Domestic and Foreign Research Progress on AnalysisMethods ofLipid Oxidation

Sun Yue′e WangWeidong
(College of Food Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221008)

Oxidation of lipids isone of the major causesof quality deterioration in food,which results in changes of nutrition,taste,texture,appearance,and may shorten food shelf life and decrease food quality.Lipid oxidation is closely relative with some diseases,such as inflammation,autoimmune disease,cardiovascular disease,aging,etc., which would bring about hazard and make the application of lipids in food a challenge for the food industry.This arti2 cle covers a brief introduction aboutoxidation mechanis m and evaluating indicator;Subsequently,the review systemat2 ically expounds the present status,advantage and limits of various analytical technique and methods,including physi2 calmethods,chemicalmethods and instrumental methods,in the deter mination of primary products,secondary prod2 ucts and oxidation substrates.The development trend and prospectof the detecting technique andmethodsof lipidsox2 idation is indicated.

lipids oxidation,oxidation mechanis m,evaluating indicator,detection technique

TS201.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)09-0123-06

2009-10-08

孫月娥,女,1973年出生,博士,食品脂質氧化

王衛東,男,1971年出生,博士,功能性食品配料與添加劑