復煉菜籽廢油的紫外光譜辨識指標

余蓋文，劉 曄,*，王明明，李云雁，劉大川

（1.武漢輕工大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023；2.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023）

近年來，食用油加工和消費領域受到餐飲廢油回流問題的影響，不僅導致行業信譽嚴重受損，而且對產業升級形成重大阻礙，成為公眾廣泛關注的食品安全問題[1-3]。為此，人們開發了眾多餐飲廢油辨識方法。根據辨識指標來源，可分為基于外源性指標物（包括金屬離子[4]、芳烴[5]、真菌毒素[6]、外源基因片段[7]等）的辨識方法和基于內源性指標物（包括游離脂肪酸[8]、單/二甘油酯[9]、脂肪酸氫過氧化物及其分解產物[10]等）的辨識方法。然而，絕大部分上述指標物可通過常規油脂精煉處理而去除或消減，往往導致相關辨識方法失效[11]；而基于反式脂肪酸或聚甘油三酯等穩定指標的辨識方法往往使用氣相色譜[12]、液相色譜[13]、紅外光譜[14]等高級分析儀器，難以推廣應用。因此，現有餐飲廢油辨識方法對于實現食用油脂加工、流通及消費等各環節的常態化、臨場化監管而言仍存在較大局限性。

正規成品油與餐飲廢油存在一個重要且穩定差異，前者經歷了制油及精煉加工中的熱處理，而后者則進一步經歷了不同程度的高溫氧化熱過程（包括煎炸、烘烤、蒸煮等）。高溫氧化熱過程是否會在油脂中留下某種不因精煉而消減的印記成為值得關注的問題，若存在該印記，且能夠被快速識別并定量，將可作為餐飲廢油快速辨識的可靠的指標。在本研究中，以加工方式及產品等級最為多樣的菜籽油為典型大宗油品樣本，對比考察精煉加工、高溫氧化及復煉處理對其紫外吸收光譜的影響規律，提取其熱處理特征信號并建立多指標分支辨識流程，以期獲得對于高溫氧化及其復煉菜籽油的有效辨識。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽由安陸天星糧油機械有限公司提供，為當年產油料；活性白土 江西永平元昶膨潤土有限公司；氮氣（純度99.99%） 武漢市明輝龍祥特氣營銷部；氫氧化鈉、丙酮、無水乙醇、異辛烷等均為分析純。

1.2 儀器與設備

QX-FD506小型榨油機 惠州群興科技有限公司；DF-1集熱式磁力攪拌器 常州國華電器有限公司；NC-2064高速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；SZCL-2數顯智能控溫磁力攪拌電熱套 鞏義市予華儀器有限責任公司；V-i120SV真空泵 浙江飛越機電有限公司；TU-1901雙光束紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司。

光譜薄膜樣品池為自制儀器（圖1），由精密墊片、石英片、夾持片等構成。精密墊片中部設有圓形樣品孔，與其兩側石英片構成的薄膜狀空間用以承載待測油樣。樣品池光程可通過精密墊片厚度（本研究選擇0.05 mm）調節，組合后插入紫外-可見光分光光度計光路中即可采集光譜信號。

圖1 油脂薄膜樣品池Fig. 1 Schemetic drawing of the thin fi lm chamber

1.3 方法

1.3.1 油脂樣本制備工藝流程

1.3.2 壓榨毛油的制備

稱取一定量菜籽置于60 ℃烘箱中預熱20 min后入榨，油相經過濾除雜后得壓榨毛油。

1.3.3 油脂精煉

將所得壓榨毛油于水浴中加熱到90 ℃，在120 r/min攪拌條件下均勻緩慢滴加油質量的5%去離子水并持續攪拌至設定時間后，以1 750×g離心20 min并取上清液，在90 ℃和-0.1 MPa真空干燥即得脫膠油。將所得脫膠油置于水浴中加熱到90 ℃，在120 r/min攪拌下均勻緩慢滴加油質量5%的NaOH溶液（質量分數為5%），并持續攪拌至設定時間，取油體積分數5%的去離子水洗滌直至水相pH值達中性，然后離心分離并真空干燥，即得堿煉油；在堿煉油中加入質量分數5%的活性白土，抽真空并加熱到82 ℃，以200 r/min攪拌至設定時間，離心分離廢白土得脫色油；在-0.1 MPa真空下，將對脫色油通N2加熱至230 ℃，至設定時間后用水浴冷卻至60 ℃以下得脫臭油。

1.3.4 油脂高溫氧化

取一定量的堿煉油于250 mL三口燒瓶中放入油浴鍋中，在設定溫度油浴下恒溫并通入0.4 L/min的空氣鼓泡至設定時間，隨后冷卻至室溫即得高溫氧化油。

1.3.5 油脂復煉

以上述高溫氧化油為原料，依次按照1.3.3節中所述各步實施精煉操作，制得復煉脫膠油、復煉堿煉油、復煉脫色油、復煉脫臭油。

1.3.6 油脂摻雜

將脫臭油和復煉脫臭油按照不同質量百分比勾兌混和，得到系列摻雜油樣。

1.3.7 油脂紫外光譜采集

將薄膜樣品池的光程設置為0.05 mm，滴加待測油品于樣品孔中，組合樣品池并置于紫外分光光度計光路上。在波長分辨率1 nm和掃描速率120 nm/min的條件下采集樣本在200～350 nm波段間的吸收光譜信號，再以350 nm波長處吸光度為基準，采用雙波長法校正油品紫外吸收光譜曲線。

參照GB/T 22500—2008《動植物油脂紫外吸光度的測定》，以異辛烷為稀釋劑制備質量濃度0.5 g/100 mL的油脂樣本溶液，用10 mm光程比色皿采集油樣的稀釋法吸收光譜，其他信號采集和處理參數與上述薄膜法相同。

1.3.8 光譜信號處理

油品薄膜樣品池紫外光譜在不同波段分別經一階導數變換及雙波長差處理得到D245nm和R272nm兩個特征參數。分別按式（1）、（2）計算：

式中：A243nm和A247nm分別為243 nm和247 nm處吸光度，則D245nm值為245 nm處吸光度隨波長變化率的絕對值放大100 倍。

式中：A272nm和A282nm分別為樣本在272 nm和282 nm波長處的吸光度。

1.4 化學分析及數據統計[15]

所有樣本的光譜數據以不少于3 次平行測定的平均值為準。摻雜油的最低檢測濃度根據國際理論與應用化學聯合會的方法計算，其中未摻雜油樣的標準偏差根據20 次平行測定值計算，最低檢測濃度根據該標準偏差的3 倍（置信水平90%）計算。

2 結果與分析

2.1 菜籽油熱處理的紫外光譜特征

紫外吸收光譜設備成本低、操作便捷，易于推廣應用。而對于食用油脂品質表征，無論是歐盟的標準方法，還是已報道的其他方法均需采用環己烷、己烷或異辛烷等溶劑對油樣實施大比例稀釋（100～1 000 倍）才能采集紫外光譜，其不僅操作復雜而且引入稀釋誤差及溶劑干擾，影響了方法的可靠性和易用性[16-18]。在本研究中，采用薄膜樣品池直接采集油品紫外光譜信息，光程僅有標準比色皿（10 mm）的1/200，無需稀釋操作即可在5 min內獲得油品吸收光譜特征。多個熱處理階段的菜籽油紫外光譜如圖2所示。

如圖2所示，所有樣本均在210 nm波長附近出現最強吸收信號，但無法體現出差異；在230 nm波長附近，各樣本的光譜中出現強弱差異極大的窄吸收峰，主要由二元共軛結構產物產生[19]；而在270～285 nm波段，各油品顯現強弱不一的寬幅吸收，主要歸因于三元共軛結構[20]；此外，高溫氧化油（160 ℃、有氧）和復煉脫臭油（230 ℃、-0.1 MPa）還在305 nm和320 nm波長處開始出現吸收信號，表明生成更為多元的共軛產物[21]。需要說明，天然菜籽油的脂肪酸中并不含有共軛結構，因此在紫外波段并無特征吸收。正是由于熱處理才導致氧化誘導烯鍵重排、熱重排、氫過氧化物分解或氧化甘油三酯聚合等反應發生而生成上述共軛結構[22-24]。除此之外，采用稀釋法（0.5 g/mL、10 mm光程）和采用薄膜法（0.05 mm光程）所得壓榨毛油光譜曲線大部重疊，說明兩種方法吸收信號接近，均可反映油脂樣本的特征吸收。

圖2 經歷不同熱處理階段的菜籽油紫外光譜Fig. 2 UV spectra of rapeseed oil at different stages of heat treatment

課題組之前研究發現直接利用吸光度反映油脂化學特征存在較大局限性。其中230 nm波長處吸光度變異范圍極大，往往超出定量測定范圍。而經一階導數處理，在245 nm波長附近獲得吸光度隨波長變化的增量數值，可反映230 nm波長處二元共軛吸收峰的陡峭程度和吸收強度，并能避免因210 nm波長處強吸收拖尾信號導致的重疊干擾。此外，270～285 nm波段的吸光度雖變化趨勢穩定但變化幅度偏低，易于受到基線擾動及臨近吸收峰的重疊干擾，而采用雙波長差可消減上述影響。為此采用D245nm和R272nm兩個特征參數分別用于表征油品中二元共軛結構和三元共軛結構的多寡。

2.2 精煉操作對菜籽油紫外特征參數的影響

油脂精煉是脫除毛油雜質、保障油品質量的關鍵加工環節，涉及一系列不同化學環境、不同溫度和時間的油脂熱處理[25-26]。在本研究中，采集了菜籽油經歷常規油脂精煉處理后的紫外吸收信息，所得紫外特征參數與精煉處理時間的關系如圖3所示。

圖3 菜籽毛油不同精煉程度熱處理的特征參數Fig. 3 Characteristic parameters of rapeseed oil with different refining degrees

由圖3可見，在常規油脂精煉條件下，菜籽油的D245nm值隨脫膠時間的延長呈現持續緩慢增長，而R272nm則在120 min前持續增長隨后趨于平穩，表明在脫膠熱處理條件下二元和三元共軛結構均有少量累積。堿煉油的D245nm和R272nm值的變化趨勢與脫膠油相同，且總體上均較同期脫膠油參數值更高，顯示油脂在堿性環境中其共軛結構累積更快。脫色處理導致D245nm值先下降0.35 個單位，然后才逐步上升，表明活性白土對堿煉油中積累的α、β-不飽和醛酮產物產生吸附脫除作用，但隨著熱處理的持續又開始產生新的共軛結構；而其R272nm值則顯示了持續緩慢上升的趨勢。脫臭處理可導致D245nm和R272nm值增長速率分別達到前述3 種精煉處理最大值的11 倍和33 倍以上，而且超過25 min之后還將急速上述，顯示油中二元和三元共軛結構都可快速積累。

在正常的菜籽油精煉操作中，各階段熱處理時長都不會超過本研究的觀測范圍，因此經歷脫膠、堿煉和脫色的菜籽油D245nm和R272nm值不會超過3.9和4.0；而通常脫臭處理時長也不宜超過25 min，否則將因過度精煉而在油中累積大量有害物[27-29]，因此其D245nm和R272nm值不會超過4.8和12.9。上述數值可視為菜籽油正常精煉處理后的特征參數邊界值。

2.3 高溫氧化處理的影響

在食品加工過程中，油脂主要充當傳熱介質為其他化學組分熟化或水分汽化提供熱量，這些操作通常與空氣接觸而屬于高溫氧化過程，由此導致油脂參與一系列復雜反應[30-32]。在本研究中，采集不同時間、溫度下氧化油的紫外信號，進而計算其特征參數的定量數值，為油品辨識提供依據。

圖4 高溫氧化溫度對菜籽堿煉油紫外光譜的影響（30 min）Fig. 4 Effect of high-temperature oxidation on ultraviolet spectrumof rapeseed oilon

圖5 高溫（160 ℃）氧化時間對菜籽堿煉油紫外光譜的影響Fig. 5 Effect of oxidation time on UV spectrum of rapeseed oil

如圖4A、5A所示，堿煉油吸收光譜受到高溫氧化溫度和時間的顯著影響。當受熱溫度升高或熱處理時間延長時，230、272 nm以及305 nm幾個波長附近的信號增幅顯著增加，表明共軛結構產物迅速積累。當氧化溫度高達180 ℃時，R272nm值在30 min內可上升27.89 個單位（圖4B），較之脫臭操作（230 ℃）同期增加57%，說明氧的存在大幅促進了三元共軛結構產物的生成。需要說明，在180 ℃以上氧化30 min或160 ℃氧化超過45 min，都將使245 nm波長附近的吸光度超過光譜儀量程（A≥9.9）而無法顯示差異，從而使一階導數計算值為0，顯示此時油中二元共軛產物含量極高（圖5B）。根據上述光譜變化規律可推測，在經歷更為劇烈的高溫氧化處理（如高溫煎炸，油溫可高達200 ℃以上）后，油樣的R272nm值還將進一步增加，成為區分高溫氧化油與正常加工油的一個顯著指標。

2.4 復煉操作的影響

前述研究表明，D245nm和R272nm作為光譜特征參數可指示油脂經歷熱處理時二元和三元共軛結構產物的累積量及形成規律。為研究上述參數及其所代表的化學成分在精煉操作中的消減情況，采用經歷160 ℃氧化30 min的氧化油模擬餐飲廢油樣本，對其再次實施脫膠、堿煉、脫色及脫臭等精煉操作（稱作復煉處理），以考察上述特征參數的穩定性和可靠性，結果如圖6所示。

圖6 復煉操作對菜籽油紫外光譜的影響Fig. 6 Effect of repetitive refining on UV spectrum of rapeseed oil

由圖6可見，對于高溫氧化油，復煉脫膠和堿煉可顯著增大D245nm值，而脫色可顯著降低前一階段的D245nm值，表明D245nm值可經復煉脫色消減；復煉脫臭則將使該波段吸收超過量程而使D245nm計算值為0。表明D245nm值這一指標存在不確定性，但該指標對于熱處理過程非常靈敏，因此作為判別依據仍有較大價值。而對于高溫氧化油的R272nm值，所有復煉處理均不能顯著消減，復煉脫臭甚至進一步增大該數值，說明油中的三元共軛產物穩定性較高且不易為復煉操作所去除，是一種十分穩定的油脂熱處理指標。

2.5 菜籽高溫氧化或復煉油的辨識流程

前述研究表明，菜籽油的R272nm值顯示其中三元共軛結構的多寡，伴隨熱處理強度的增加和時間的延長而穩定上升；而D245nm值則可靈敏地反映油脂初級氧化產物及其分解產物的含量。可見，結合運用上述兩個特征參數建立辨識流程，可將經歷常規精煉、高溫氧化或復煉處理的菜籽油分別判定歸屬。

圖7顯示了基于紫外吸收特征參數建立的油品分支判別流程。其中，當油品R272nm＞12.9時，其受熱程度超過油脂精煉加工熱處理的正常范圍，可歸屬長時高溫氧化油、復煉油或過度精煉（脫臭）油；而當R272nm≤12.9且D245nm＞4.8時，可判別為短時高溫氧化油；當油品R272nm≤12.9且D245nm≤4.8時，可歸屬于正常加工的菜籽油，其中，D245nm不大于3.9的油品未經高溫脫臭處理。上述兩個參數值越低表明油脂受熱程度越低，有利于其天然營養和風味成分的保留。利用該分支判別流程，可將高溫氧化油及其復煉油與正常加工菜籽油產品快速區分開來，而且能在一定范圍內辨識過度精煉油，為精煉工藝的改善和精煉危害物的防控提供簡便易行的方法。

圖7 菜籽油熱處理階段及模式分支判別圖Fig. 7 Branch discrimination of rapeseed oil at different stages of heat treatment

2.6 摻雜驗證實驗結果

將復煉后的餐飲廢油與正常加工油品勾兌可大幅降低復煉油本身的特征信號，從而對辨識方法的有效性提出更大的挑戰。通常，不經脫臭復煉的餐飲廢油難以滿足氣味和煙點標準，易于被辨識。為此，選擇菜籽脫臭油-復煉脫臭油摻雜系列油樣，用以模擬餐飲廢油復煉后再與正常加工油勾兌的情況，進而驗證本研究所述辨識流程及指標的靈敏度和可靠性。采用菜籽脫臭油-復煉脫臭油摻雜系列油樣的光譜曲線及特征參數如圖8所示。

由圖8可見，純菜籽脫臭油和復煉脫臭油光譜曲線差異明顯，后者的R272nm值高達27.9，采用前述分支判別流程可有效辨識。然而在摻雜系列中，隨著復煉脫臭油摻雜比例的下降，摻雜油的光譜曲線與純菜籽脫臭油逐步接近，且R272nm和D245nm值與摻雜比呈現規律性變化。以前述D245nm和R272nm邊界值為判別指標，復煉脫臭油的最低檢出限分別為2.3%和4.6%。其中，D245nm指標靈敏度較高，但在高濃度摻雜時（可能導致245 nm附近波段吸光度達到儀器量程而致一階導數值為0）R272nm指標將更為可靠。

圖8 復煉油摻雜量對脫臭油紫外光譜的影響Fig. 8 Effect of addition of repeatedly refined oil on UV spectrum of deodorized oil

需要說明，本研究僅以菜籽油為樣本考察了多種熱處理對油脂紫外光譜的影響，其特征參數的邊界值并不通用于其他種類的油脂。然而，熱處理導致各類油脂中累積二元或三元共軛結構產物，進而引起D245nm和R272nm值兩個特征參數變化的趨勢一致，僅將因脂肪酸組成的差異而影響判別邊界的取值。因此，考察熱處理對多種油脂D245nm和R272nm值的影響進而確定判別邊界，將拓展該方法的應用范圍。

3 結 論

菜籽油經歷正常精煉熱處理后，其紫外光譜特征參數D245nm和R272nm值分別在4.8和12.9以內，高溫氧化可導致特征參數的顯著上升，而復煉處理則不能降低R272nm值，由此利用特征參數邊界值可將正常加工的菜籽油與高溫氧化油、復煉油或過度精煉油區分開來。采用0.05 mm薄膜樣品池采集油樣紫外吸收光譜，結合D245nm和R272nm值的分支判別流程可在5 min內完成油樣歸屬判別，對于復煉脫臭油對菜籽脫臭油摻雜的檢出限可達2.3%。