紫外光下4種抗氧化劑在豬油中的抗氧化效果

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(曲靖師范學院化學與環境科學學院,云南曲靖 655011)

油脂是人體所需的七大營養素之一,含人體必需脂肪酸,熱能較高,具有重要的生理功能。日光中有365 nm長波紫外光及少量254 nm中波紫外光。企業使用最多的熒光燈其光譜組成中包含了300～400 nm的紫外光波段[1]。有研究報道,500 nm以下的光對油脂氧化影響極大[2]。油脂或含油脂食品在加工、銷售、貯藏等過程中難免會受到日光和熒光燈所產生的紫外光影響,導致氧化酸敗,降低油脂及其制品的營養價值、感官質量和食用安全性。為防止油脂氧化,BHA(丁基羥基茴香醚)、BHT(2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚)、TBHQ(特丁基對苯二酚)、PG(沒食子酸丙酯)等合成酚類抗氧化劑被廣泛應用到油脂工業中,但短波光對其抗氧化效果的影響缺乏相關的研究報道。

因此本實驗選擇天然抗氧化劑含量較低、穩定性較差、保質期相對較短[3],在餐飲、烘焙、家庭等領域廣泛使用[4-7],而加工使用過程易受短波光照射的豬油(Lard)為對象(豬油中脂肪酸14∶0、16∶0、16∶1、18∶0、18∶1、18∶2、18∶3的含量分別為2.2%、25.9%、1.8%、14.6%、43.6%、8.3%、0.2%),研究不同波長(254、365 nm)紫外光照射時4種常用抗氧化劑的抗氧化效果,旨在探討紫外光對添加抗氧化劑后油脂氧化酸敗的影響,研究油脂及含油脂食品中使用抗氧化劑后,在加工、存儲、銷售、檢測等受紫外光照射情況下相關指標的變化,也為開發抑制短波光照射油脂引起氧化酸敗的抗氧化劑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豬肥膘 曲靖某農貿市場購買;BHA 98%,阿拉丁試劑有限公司;BHT(AR) 99%,山東西亞化學股份有限公司;TBHQ 98%,山東西亞化學股份有限公司;PG(AR) 99%,山東西亞化學股份有限公司;1,1,3,3-四乙氧基丙烷 98%,成都貝斯特試劑有限公司;其它試劑 均為AR級。

AL204-IC電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;TU-1810紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;29SN-DP-501恒溫培養箱 天津試驗儀器廠;365 nm紫外燈、254 nm紫外燈 8 W/T5廣東三雄極光照明股份有限公司;自制紫外光照裝置 實驗室自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 油樣的制備 按參考文獻[8-10]的方法適當修改。豬肥膘經絞肉機絞碎后,裝于不銹鋼鍋中,放置在電爐上熬煉,溫度控制在不超過160 ℃,過濾油渣,靜置沉降,取上層清油備用。取備用豬油加熱熔化后混勻,分別稱取400 g到口徑為9 cm同一批次生產的5個500 mL的燒杯中(確保光照面積和與空氣接觸面積一致)。在3個盛有豬油的燒杯中分別加入濃度為0.04 g/mL的BHA、BHT、TBHQ乙酸乙酯溶液2 mL,1個加入濃度為0.02 g/mL的PG乙酸乙酯溶液2 mL,1個加入2 mL乙酸乙酯作為空白對照樣。加熱并攪拌到溫度為85 ℃除去乙酸乙酯,得到符合GB 2760中規定的最大使用量(即BHA、BHT、TBHQ為0.2 g/kg,PG為0.1 g/kg)的試驗油樣和對照樣。

1.2.2 紫外光法試驗 為保證每份試驗油樣的光照時間和強度一致,所以設計光照裝置為,在一個可以旋轉的儀器臺上放上直徑約為25 cm的鐵圓盤,再在鐵圓盤中按“梅花狀”放入5個盛有試驗油樣的燒杯,用無級調速電動攪拌機帶動鐵圓盤旋轉,控制旋轉速度為5～6 s/轉。盛有油樣的燒杯上方放置365 nm波長,8 W的紫外燈燈管,燈管到燒杯底部距離約為12 cm,開始光照時燈管與豬油表面距離為5 cm。照射一定時間后取樣檢測。每間隔約20 h取樣一次檢測。更換254 nm波長紫外燈同法進行光照試驗。裝置簡圖見圖1。

圖1 光照試驗裝置Fig.1 Illumination test device

1.2.3 檢測項目及方法

1.2.3.1 過氧化值(POV) 按照GB/T5009.227-2016中第一法進行測定。

1.2.3.2 酸價 按照GB5009.229-2016中第三法進行測定。

1.2.3.3 丙二醛 按照GB5009.181-2016中第二法進行測定。試驗得丙二醛回歸方程Y=1.2217X+0.0028,R2=0.9990。(Y為吸光度,A;X為丙二醛濃度,μg/mL)。

1.2.3.4 共軛二烯類(K232)、共軛三烯類(K270)測定方法[11]準確稱取 0.05～0.20 g油樣于25 mL容量瓶中,加入正已烷溶解油樣并稀釋至刻度,將制備的溶液用1 cm石英比色皿,正己烷作空白對照,測定波長232、270 nm下的吸光度Ai,并按下式計算Ki值:

式中:Ki為共軛二烯或共軛三烯的相對含量;Ai為吸光度(波長為i=232 nm或270 nm);c為溶液的濃度,以g/100 mL溶液計;d為比色皿的長度,cm。

1.2.3.5 POV抑制率 參考文獻[12-15]進行測定。

注：POVY1是油脂中添加抗氧化劑試驗開始時的過氧化值;POVY2是油脂添加抗氧化劑并進行強制氧化一定時間后的過氧化值;POVK1是未加抗氧化劑油脂開始試驗時的過氧化值,POVK2是未加抗氧化劑油脂進行強制氧化試驗一定時間后的過氧化值。POV抑制率越大,說明抗氧化劑的抗氧化效果越好。

1.3 數據處理

過氧化值、酸價、丙二醛精密度按照標準要求,采用在重復性條件下獲得的兩次獨立測定結果的絕對差值不超過算術平均值的10%。計算結果以重復性條件下獲得的兩次獨立測定結果的算術平均值表示。

以空白樣的試驗結果作為對照,考查不同抗氧化劑抗氧化效果與空白樣的組間差異性。采用Excel軟件進行z檢驗,z檢驗所得的單側p值越小,說明抗氧化劑的抗氧化性能越顯著,即紫外光對抗氧化劑性能影響越小。

2 結果與分析

2.1 不同紫外光條件下4種抗氧化劑對豬油POV的影響

氫過氧化物的含量是評價油脂氧化程度的重要指標。光氧化是油脂自動氧化的關鍵和直接的誘因[16]。光線可以提高自由基的生成速度,引發自由基的鏈式反應,加速油脂的氧化,通常光波長越短,油脂氧化速度越快,其中紫外線作用最為強烈[17]。油脂的光氧化機制分為兩類:Ⅰ類是在光的作用下,光敏劑吸收能量被激活,然后直接把油脂中的反應物活化成游離基,進而開始鏈氧化反應。Ⅱ類是光照后,基態氧(三重態氧3O2)在光敏劑的作用下激發成反應性極強的激發態氧(單重態氧1O2),直接進攻不飽和脂肪酸的雙鍵,使雙鍵發生位移并生成相應的氫過氧化物[18-19]。

從表1、表2的POV值及表3的POV抑制率比較可知,在試驗時間范圍內,254 nm光照下,4種抗氧化劑抑制過氧化物的能力很弱,BHT基本沒有抗氧化作用。并且隨著照射時間的增加,POV抑制率下降,表明抑制過氧化值的能力逐漸減弱;365 nm光照下4種抗氧化劑抑制過氧化物的能力也明顯較低,TBHQ略好于其它3種,194 h時POV抑制率值最大,為86.1%,BHA、BHT、PG的抗氧化效果基本相當,194 h時POV抑制率值最大,約為72～75%;POV抑制率對比可知,4種抗氧化劑受紫外光照時,254 nm光照射的影響明顯大于365 nm光照射的影響。由此說明,4種抗氧化劑在豬油中抑制過氧化物的效果與受光照射的波長有關,波長越短,抑制過氧化物效果就越差。主要原因是,單重態(1O2)與酚型抗氧化劑的反應速度常數最高,為1×106m-1s-1,而與油酸酯及亞油酸酯的反應速度常數約為1×105m-1s-1,過氧自由基的傳遞反應速度常數約為1×104m-1s-1[20]。所以試驗研究的4種酚型抗氧化劑能有效抑制自由基的傳遞,但不能淬滅單重態(1O2),抑制光氧化的進行。只有能有效淬滅單重態氧分子的淬滅劑,才能有效地抑制油脂的光氧化。有報道表明,維生素E、類胡蘿卜素、酚類雙萜能夠產生酚氧基淬滅單線態氧,抑制光敏氧化物的生成,還可以釋放活潑氫,與脂氧自由基或脂過氧化自由基結合,形成較穩定的生育酚游離基,使不飽和油脂免受自由基、單重態氧攻擊,從而起到抗氧化效果[21-22]。

表1 254 nm紫外光照下豬油過氧化值的變化Table 1 The change of peroxidation value of lard under 254 nm UV light

表2 365 nm紫外光照下豬油過氧化值的變化Table 2 The change of peroxidation value of lard under 365 nm UV light

表3 不同紫外光照下過氧化值抑制率的變化(%)Table 3 The change of inhibition rate of peroxidation value under different UV light(%)

2.2 不同紫外光條件下4種抗氧化劑對豬油酸價的影響

油脂氧化的初級氫過氧化物產物非常不穩定,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。由表4、表5可知,在試驗范圍內,254 nm光照的酸價上升速度明顯大于365 nm光照的速度。有研究發現,大豆油被UV-365照射的酸價比VIS-450照射的酸價高,原因是UV-365光比VIS-450光能量高[23],說明波長越短,越容易導致酸價升高;表4數據表明,254 nm光照下4種抗氧化劑都沒有起到抑制酸價的作用。添加BHT的酸價略大于空白對照樣,這是因為,BHT苯環上4號位碳上有甲基,其結構與丙烯類似,甲基上的α-氫原子受δ,π-超共軛的影響比較活潑,在紫外光照射下,甲基易被氧化為羧酸基，導致酸價上升;表5數據表明,365 nm波長光照下,4種抗氧化劑抑制酸價的作用不顯著(p>0.05)，說明沒有起到抑制油脂酸價的作用。

表4 254 nm紫外光照下豬油酸價的變化Table 4 The change of acid value of lard under 254 nm UV light

表5 365 nm紫外光照下豬油酸價的變化Table 5 The change of acid value of lard under 365 nm UV light

2.3 不同紫外光條件下4種抗氧化劑對豬油丙二醛值的影響

油脂中不飽和脂肪酸氧化可以產生大量的短鏈和長鏈的不飽和醛和酮,其中2-烯醛和2,4-二烯醛的生成量較多[24]。二烯醛與兩分子硫代巴比妥酸(TBA)在一定條件下發生反應,產物顯紅色,在532 nm波長下有特征性吸收,吸收強度和丙二醛等的濃度在一定范圍內存在線性關系[25]。因此通過測定丙二醛的含量,可判斷油脂氧化酸敗的情況。由表6可知,254 nm波長光照下空白樣與添加4種抗氧化劑的差異不顯著(p>0.05),其中BHT的變化與基本空白一致,表明BHT沒有抑制作用。由表7可知,365 nm波長光照下空白樣與添加4種抗氧化劑的差異極顯著(p<0.01),添加過4種抗氧化劑的丙二醛值隨照射時間的延長,反而呈下降趨勢,所以添加過BHA、BHT、TBHQ、PG的油脂在用丙二醛值評價光照油脂酸敗時,要注意365 nm波長光照的影響。

表6 254 nm紫外光照下豬油丙二醛含量的變化Table 6 The change of content of malondialdehyde of lard under 254 nm UV light

表7 365 nm紫外光照下豬油丙二醛含量的變化Table 7 The change of content of malondialdehyde of lard under 365 nm UV light

2.4 不同紫外光條件下4種抗氧化劑對豬油Ki值的影響

油脂自動氧化會生成十八碳二烯氫過氧化物和共軛二烯產物,在232 nm處會產生明顯的吸收峰,測定油脂K232,就可以衡量油脂初期自動氧化的程度。油脂自動氧化的二級氧化產物二烯酮類和共軛三烯類在270 nm 處有吸收峰,檢測K270可判斷油脂氧化產生二級氧化產物積累的多少。比較表8、表9中的K232、K270可知,254 nm紫外光照條件下,隨時間延長導致的K232、K270增加速度大于365 nm紫外光照。254 nm紫外光照射下抑制共軛二烯類、二烯酮類、共軛三烯類的作用不顯著(p>0.05),其變化趨勢與POV的變化基本一致;365 nm光照射下TBHQ對二烯氫過氧化物和共軛二烯產物的抑制差異顯著(p<0.05),其它的均不顯著(p>0.05)。由此表明,油脂受到254、365 nm波長光照時，4種抗氧化劑抑制酸敗生成共軛二烯、二烯酮類和共軛三烯類的作用很小。

表8 254 nm紫外光照下豬油在波長232、270 nm處的Ki值Table 8 The Ki at λ232 and λ270of lard irradiated by 254 nm UV light

表9 365 nm紫外光照豬油在波長232、270 nm處的Ki值Table 9 The Ki at λ232 and λ270of lard irradiated by 365 nm UV light

油脂的光氧化速度很快,一旦激發態氧(1O2)生成,反應速度是自動氧化的千倍,且只與油脂的雙鍵數成正比,而與雙鍵的位置和類型無關[26]。高能量的短波光還可直接氧化酚類抗氧化劑,使其降低抗氧化的作用。1O2可與烯丙基自由基作用,也可直接與C=C鍵作用，然后進行π鍵轉移,生成烯丙基氫過氧化合物,引發自由基鏈反應。由于光氧化的機理不同,與自動氧化的區別主要在于其氧化速率和氧化產物的不同。BHA、BHT、TBHQ、PG等皆屬于酚類抗氧化劑,易釋放H·,自身在形成自由基后，由于氧原子上的單電子能與苯環上的大π電子云發生共軛效應,從而變的穩定,不再引發鏈式反應,起到了抗氧化作用。也有學者認為，BHT的抗氧化作用是由于其自身發生自動氧化而實現的,在一定條件下會發生轉化。PG的抗氧化作用是吸收氧化產生的自由基,阻斷自由基鏈鎖反應起到抗氧化作用,同時因為 PG 苯環上酚羥基多于BHT,所以淬滅清除活性1O2的作用比BHT高[27]，與本實驗結果一致。

在254、365 nm光照試驗中,TBHQ抑制油脂過氧化物的效果相對另外3種好,但在抑制酸價方面則基本一樣。與有研究報道的TBHQ是由于與油脂過氧化自由基作用,分子共軛大π鍵重新排列形成穩定的半醌式自由基結構,這種半醌式自由基不再具備奪取油脂氫原子所需的能量[28],從而對油脂過氧化值的升高有一定的抑制作用,但是對于酸價升高具有促進作用[29]的觀點相仿。

有研究表明,多聚不飽和脂肪酸的氧化伴隨著紫外吸收的增加,共軛二稀與共軛三烯分別在232、270 nm處有吸收峰,紫外吸收的增加與氧的吸收和氧化前期階段過氧化物的含量成正比[30],與本文的結果基本一致。也有報道稱,由于其他物質的生成,影響檢測的峰值,使峰值鈍化或偏移，另外由于不同油脂的特性,在光照下，兩值均呈大幅波動上升,且重復性不高[31]，除了氧化早期階段,吸光度的大小與氧化程度的相關性不太好[32],所以不建議將這2個值作為油脂氧化程度的評價指標。

3 結論

本實驗結果表明,照射豬油的紫外光波長越短,導致的氧化酸敗速度越快。254 nm波長紫外光會讓BHA、TBHQ、PG基本失去抗氧化能力,BHT完全沒有抗氧化作用。365 nm波長光線也會導致BHA、BHT、TBHQ、PG抗氧化能力明顯下降。254、365 nm光照豬油時，POV與酸價的變化規律類似,用POV、酸價評價油脂氧化酸敗程度是合理的。光強度對加入抗氧化劑油脂的影響及二烯醛類在365 nm光照下不穩定的原因有待進一步研究。高效、安全的天然抗氧化劑是食用油脂抗氧化研究的新趨勢[33],研究開發能有效淬滅單重態氧分子,同時也能有效終止自由基鏈式反應的油脂抗氧化劑是解決光氧化問題的重要途徑。