PDSC法實(shí)驗研究山核桃油的氧化穩(wěn)定性

孫小芹，周國燕

(上海理工大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)熱科學(xué)研究所，上海，200093)

山核桃(CaryacathayensisSarg.) 又名核桃，是胡桃科山核桃屬植物，國家3級保護(hù)瀕危植物[1]。核桃在國際市場上與扁桃、腰果、榛子并稱“四大堅果”[2]，原產(chǎn)于古波斯，由中國漢朝張騫出使西域后帶回[3]。我國山核桃資源豐富，品種繁多，廣泛分布于遼寧、天津、安徽、廣西、云南等22個省份，栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位[4]。山核桃油中富含多不飽和脂肪酸以及生育酚、黃酮、植物甾醇等活性成分，具有預(yù)防心腦血管疾病、促進(jìn)嬰兒大腦發(fā)育和視網(wǎng)膜發(fā)育的功效[5]。因此山核桃油作為一種功能性的植物油脂，正受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

ARRANZ等[6]研究發(fā)現(xiàn)，核桃油的綜合抗氧化能力要優(yōu)于花生油和杏仁油，但核桃油的氧化誘導(dǎo)時間(4.7 h)明顯短于花生油(14.6 h)、杏仁油(21.8 h)、開心果油(44.6 h)以及榛子油(52.7 h)，這是由于核桃油中不飽和脂肪酸占88.38%～95.78%，核桃油在貯藏過程中極易發(fā)生氧化。不同貯藏條件如溫度、氧氣、光照和濕度等都會影響油脂的氧化穩(wěn)定性。張良等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣壓力的增大，油脂的氧化速率也隨之增大；MATE等[8]研究發(fā)現(xiàn)，高氧與低氧條件下貯存的核桃仁的過氧化值有顯著性差異；王煒等[9]研究了不同貯藏溫度對核桃油氧化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明低溫能有效抑制脂肪酸氧化。但系統(tǒng)性地研究3個因素對山核桃油氧化穩(wěn)定性的綜合影響還未見報道。

食用油氧化穩(wěn)定性的評價方法有很多，有活性氧法、schaal烘箱法、熱重法、氧彈法[10]、化學(xué)發(fā)光法[11]、Rancimat法以及差示掃描量熱法等[12]。這些方法都存在樣品用量大、實(shí)驗時間長、操作繁瑣、實(shí)驗誤差大等缺點(diǎn)。高壓差示掃描量熱法(pressure differential scanning calorimetry,PDSC) 是指在程序控溫下，儀器測量輸入到被測樣品和參比物的功率差和溫度(或時間)的關(guān)系。具有用樣少、快速檢測、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。PDSC法可用于測定油脂氧化誘導(dǎo)溫度和氧化誘導(dǎo)時間，其原理是油脂樣品在程序溫度的控制下發(fā)生氧化反應(yīng)放出熱量，測定輸入到被測樣品和參比物兩端產(chǎn)生的熱流速率差對溫度(或時間)的關(guān)系，由放熱峰起始端引出的最大斜率切線與外推基線的交點(diǎn)即為油脂的氧化誘導(dǎo)溫度(或時間)[13]。目前PDSC法主要應(yīng)用于工業(yè)油的研究當(dāng)中，用于評價食用油氧化穩(wěn)定性的研究相對較少。CIEMNIEWSKA-ZYTKIEWICZ等[14]使用PDSC法與Rancimat法研究了橄欖油、榛子油和菜籽油的氧化穩(wěn)定性；LOPEZ-BECEIRO等[15]用PDSC法評價了橄欖油、玉米油、大豆油以及葵花籽油的氧化穩(wěn)定性；RATUSZ等[16-17]用PDSC法和Ranciamt法研究了亞麻籽油和亞麻薺油的氧化穩(wěn)定性；ADHVAYUA等[18]使用PDSC法和核磁共振光譜法研究了不同油脂的氧化動力學(xué)；張奧君等[19]使用PDSC法對南瓜籽油的氧化穩(wěn)定性以及氧化動力學(xué)進(jìn)行了研究。目前還沒有使用PDSC法評價山核桃油氧化穩(wěn)定性的研究報道。

本文使用PDSC法研究了環(huán)境壓力、氧氣含量以及溫度對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間的影響，從而為改善山核桃油的加工條件、包裝方式以及貯存條件以延長貨架期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山核桃油自制，選用產(chǎn)自吉林長白山的野生山核桃經(jīng)低溫壓榨得原油，精煉后置于棕色瓶冷藏保存，樣品未添加任何抗氧化劑。

101-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海慧泰儀器制造有限公司；韓皇全自動榨油機(jī)，韓皇電器科技有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技有限公司；電子分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；DSC 8500型高壓差示掃描量熱儀，鉑金埃爾默PerkinElmer公司。

1.2 實(shí)驗方法

本實(shí)驗利用PDSC法測定山核桃油的氧化穩(wěn)定性。PDSC有程序升溫法和恒溫法2種，本實(shí)驗采用恒溫法。稱取(2.5±0.5) mg山核桃油樣于直徑為6 mm開口鋁皿中，置于實(shí)驗爐中。通入一定壓力的高純氧，初始溫度為50 ℃，在氧氣氛圍下以40 ℃/min的升溫速率升溫至實(shí)驗溫度，恒溫至樣品完全氧化。實(shí)驗指標(biāo)取的是氧化誘導(dǎo)時間(tonset)。實(shí)驗前對儀器進(jìn)行校正。

1.2.1 單因素實(shí)驗

1.2.1.1 壓力對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗氧氣體積分?jǐn)?shù)為60.5%、溫度為120 ℃，控制壓力分別為15、52.5、107.5、162.5、200和217.5 psi，分別測定山核桃油的tonset。

1.2.1.2 氧氣濃度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗溫度為120 ℃、壓力為107.5 psi，在氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為21%、37%、60.5%、84%和100%的條件下測定山核桃油的tonset。

1.2.1.3 溫度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗壓力為107.5 psi、氧氣體積分?jǐn)?shù)為60.5%的條件下，溫度分別控制為100、110、120、130和140 ℃，測定山核桃油的tonset。

1.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗

通過單因素實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)3個因素對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間都有極顯著影響。為了研究3個因素之間的交互作用對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間的影響，使用Design-Expert.8.0軟件設(shè)計3因素5水平中心設(shè)計(central composite design,CCD)響應(yīng)面實(shí)驗，以tonset為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所得PDSC放熱曲線使用Pyris Manager軟件進(jìn)行處理得到實(shí)驗結(jié)果。響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計和結(jié)果分析使用Design-Expert.8.0軟件來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗結(jié)果

2.1.1 壓力對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

如圖1所示，壓力對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間有極顯著影響(P<0.01)，隨著壓力的增大，山核桃油的氧化誘導(dǎo)時間縮短。在壓力低的范圍內(nèi)，改變壓力，氧化誘導(dǎo)時間顯著縮短；而162.5 psi以上，增大壓力對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間沒有顯著的影響。這可能是因為在壓力增大到一定程度時，壓力對反式脂肪酸和飽和脂肪酸的增加有抑制作用，即有助于油脂氧化反應(yīng)的逆向進(jìn)行[20]。

2.1.2 氧氣濃度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，氧氣濃度對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間有極顯著的影響(P<0.01)，且組間都有顯著性差異，在21%～100%氧氣體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，提高氧氣體積分?jǐn)?shù)，山核桃油氧化誘導(dǎo)時間逐漸縮短，氧化反應(yīng)速率逐漸加快。

2.1.3 溫度對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間的影響

如圖3所示，溫度對油脂的氧化誘導(dǎo)時間有極顯著的影響(P<0.01)，組間均有顯著性差異，隨著溫度的升高，山核桃油的氧化誘導(dǎo)時間在逐漸縮短。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗

2.2.1 建立模型與顯著性檢驗

根據(jù)單因素實(shí)驗結(jié)果，即3個因素對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間均有極顯著影響，設(shè)計3因素5水平CCD實(shí)驗。具體因素水平見表1，響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計和結(jié)果見表2。

tonset=2 019.496-0.833A-1.935B-28.105C+5.040×10-3AC+1.470×10-2BC+6.621×10-4×A2+9.859×10-2×C2

(1)

A、B、C、AC、BC、A2、C2對山核桃油tonset均有極顯著影響(P<0.01)。由回歸方程可知，隨著壓力升高、氧氣體積分?jǐn)?shù)增大和溫度升高，山核桃油tonset均縮短。3個因素對山核桃油tonset的影響程度排序為:溫度(C) >氧氣濃度(A) >壓力(B)。MEXIS等[21]研究發(fā)現(xiàn)溫度對核桃仁貯藏氧化穩(wěn)定性的影響大于包裝透氧性即氧氣濃度對其的影響，這與本文研究結(jié)果一致。

注:*表示顯著(P<0.05)；**表示極顯著(P<0.01)。

隨著溫度升高，tonset縮短，是因為溫度升高，氧分子運(yùn)動性增強(qiáng)，氧化速率加快導(dǎo)致。朱冉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在60～180 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，核桃油氧化逐漸加快；陸浩等[1]使用Rancimat法測定核桃油氧化穩(wěn)定性，結(jié)果表明在100、110、120、130、140 ℃條件下，氧化反應(yīng)速率隨溫度升高而加速，這些研究結(jié)論都與本文實(shí)驗結(jié)果一致。由公式(1)計算可知溫度每升高10 ℃，tonset縮短約一倍，符合溫度與油脂氧化酸敗的規(guī)律，孫曙慶等[23]的研究結(jié)果也與該結(jié)果一致；Arrhenius方程也表明反應(yīng)速率隨溫度升高呈指數(shù)型增長，與本實(shí)驗結(jié)論相一致。因此在山核桃油的保存和貯藏期間，應(yīng)嚴(yán)格控制食用油存放的溫度，這有利于延緩油脂的氧化變質(zhì)，延長保質(zhì)期。

氧氣濃度增大，山核桃油氧化反應(yīng)速率加快，從而縮短tonset。脂肪酸的自動氧化是由于核桃油中的游離基吸收了環(huán)境中的O2從而發(fā)生了一系列的反應(yīng)，在其他條件一定時，高氧條件會加速游離基對O2的吸收，因此核桃油氧化變質(zhì)的速率隨氧氣濃度增大而加快，楊春燕等[24]的研究得到同樣的結(jié)論；MATE等[8]發(fā)現(xiàn)低氧儲藏可以有效減緩核桃仁氧化；楊媛媛等[5]研究發(fā)現(xiàn)真空和充氮貯藏有利于減緩核桃油氧化；王煒等[25]的研究證明，對核桃油進(jìn)行低氧貯藏可以減少環(huán)境中的可吸收基態(tài)氧，從而減弱了游離基對O2的吸收，可有效抑制油脂的氧化酸敗。這些研究結(jié)論都表明氧濃度變化會影響油脂氧化反應(yīng)速率，從而改變氧化誘導(dǎo)時間。這為食用油及含油量高的食品的氣調(diào)包裝和貯藏提供理論依據(jù)。

增大壓力會使氧化反應(yīng)速率加快，tonset縮短。這是由于在有氣體參加反應(yīng)的體系中，當(dāng)其他條件不變時，增大壓力，氣體濃度增大，單位體積內(nèi)總分子數(shù)增加，分子間的有效碰撞次數(shù)增加，故反應(yīng)速率加快。陳發(fā)慶等[26]研究證明壓力會誘導(dǎo)油脂氧化；WANG[27]和MA等[28]研究證明高壓會加速不飽和脂肪酸的氧化分解，也有研究證明，增大壓力會導(dǎo)致反應(yīng)物的活化能降低，從而加速反應(yīng)[29]。

2.2.2 山核桃油貨架期的預(yù)測

山核桃油的回歸方程模型可用于不同壓力、氧氣體積分?jǐn)?shù)、溫度的條件下山核桃油氧化誘導(dǎo)時間的預(yù)測。根據(jù)模型(1)，預(yù)測在常壓常氧(即壓力為15 psi，氧氣含量為21%)條件下不同溫度所對應(yīng)的氧化誘導(dǎo)時間如表4所示，溫度從105 ℃升高到135 ℃,山核桃油tonset從142.796 min縮短到21.023 min。通過對lgtonset與溫度(T)的關(guān)系作圖，發(fā)現(xiàn)lgtonset與T呈線性相關(guān)(圖4)，回歸分析后得到二者之間的關(guān)系如公式(2)所示:

lgtonset=-0.027 9T+5.102

(2)

相關(guān)系數(shù)r=0.998，表明此方程擬合程度好，兩者之間線性關(guān)系很強(qiáng)。由公式(2)可推導(dǎo)出山核桃油在常壓、常氧、20 ℃條件下貨架期為24 d。為驗證此方程對山核桃油貨架期預(yù)測的準(zhǔn)確性，將山核桃油貯存在常壓、常氧、20 ℃條件下，測定其過氧化值，得到山核桃油的貨架期為18～30 d，這與公式(2)的預(yù)測結(jié)果一致。盧付清等[30]的研究結(jié)果(16～32 d)也與本文結(jié)果一致。由公式(2)可知，山核桃油氧化誘導(dǎo)時間隨溫度升高呈指數(shù)型縮短，因此建議山核桃油在加工、運(yùn)輸、貯藏過程中應(yīng)避免高溫。

2.2.3 壓力、氧氣濃度、溫度交互作用分析

由表3回歸模型方差分析結(jié)果可知，壓力與溫度、氧氣濃度與溫度之間都有交互性，其中氧氣體積分?jǐn)?shù)和溫度的交互作用對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響更大，壓力和溫度次之。這可能是由于溫度變化會改變氧分子活躍程度，從而交互影響了氧化反應(yīng)速率，壓力在某種程度上體現(xiàn)了氧分壓，從而也會產(chǎn)生交互作用，壓力和氧氣濃度的交互影響則不顯著。因此建議盡量避免油脂在處于高溫、多氧、高壓條件下處理。

3 結(jié)論

本文使用PDSC法研究了壓力、氧氣濃度和溫度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響。單因素實(shí)驗結(jié)果表明，壓力、氧氣濃度和溫度對山核桃油的氧化誘導(dǎo)時間都有極顯著性影響，隨著壓力升高、氧氣濃度的增大和溫度升高，山核桃油的氧化誘導(dǎo)時間縮短，油脂的氧化穩(wěn)定性下降。通過響應(yīng)面實(shí)驗得到回歸方程模型：tonset=2 019.496-0.833A-1.935B-28.105C+5.040×10-3AC+1.470×10-2BC+6.621×10-4×A2+9.859×10-2×C2。該模型極顯著,置信度高,擬合性好。實(shí)驗結(jié)果表明氧氣濃度與溫度、溫度與壓力之間的交互作用對山核桃油氧化誘導(dǎo)時間都有極顯著性影響，這為山核桃油的保藏提供有效依據(jù)，同時也根據(jù)響應(yīng)面模型和推算公式預(yù)測出在常壓、常氧、20 ℃條件下山核桃油的貨架期是24 d，因此建議山核桃油在低溫、密封條件下貯藏。