不同貯藏溫度下豬油品質變化及氧化動力學模型構建

劉姍姍 沈 玥 黃現青 孟少華 宋蓮軍 趙建生 喬明武

(1. 河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2. 河南雙匯投資發展股份有限公司，河南 漯河 462000)

豬油脂作為豬肉制品的主要脂質，其氧化過程中產生的氧化產物不僅直接影響產品的外觀、質地和營養品質等[1]，還能進一步與蛋白質發生反應，導致蛋白質變性，甚至產生有害組分[2-4]。因此，從加工工藝、產品感官品質、營養和生命健康角度而言，對豬油氧化進行深入系統研究為構建有效控制技術提供理論指導顯得尤為必要。

影響豬油氧化的因素較多，如光照、氧氣、微生物和金屬離子等[5-6]，其中最主要的因素是溫度[7]。監測脂質氧化的常見指標有過氧化值、酸價、硫代巴比妥酸值等，而應用動力學理論和阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程建立的模型可以模擬油脂氧化指標隨時間—溫度變化的規律[8]，從而建立基于溫度的氧化模型，探究貯藏溫度對油脂氧化指標的影響。袁博等[9]建立了DHA藻油過氧化值、共軛二烯值和丙二醛值與貯藏溫度和貯藏時間的氧化動力學模型。龍婷等[10]利用動力學和人工神經網絡模型進行擬合，建立了貯藏過程中油茶籽油品質指標變化及預測模型。Tan等[11]通過測定不同溫度下10種花生油的熱氧化曲線，利用Arrhenius公式分析了其貯藏穩定性。已有的有關豬油的研究主要集中于以豬油為載體或參照對象，比較其抗氧化劑和抗氧化性能[12]，但關于豬油貯藏過程中的氧化動力學模型的研究尚未見報道。

文章擬測定不同貯藏溫度下豬油的氧化指標(過氧化值、硫代巴比妥酸值和酸價)隨貯藏時間的變化趨勢，建立基于貯藏溫度的豬油氧化動力學模型，掌握其氧化過程中的動力學參數，旨在對豬油氧化指標的未來狀態進行定量預測，從而為豬肉制品的貯藏提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

新鮮豬肥膘、板油：市售；

無水乙醇、冰乙酸：分析純，天津市富宇精細化工有限公司；

氫氧化鈉、2-硫代巴比妥酸(TBA)：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

可溶性淀粉、乙二胺四乙酸(EDTA)、無水碳酸鈉、可溶性淀粉、硫代硫酸鈉：分析純，天津市永大化學試劑有限公司；

碘化鉀：分析純，天津市津北精細化工有限公司；

三氯乙酸：分析純，西隴科學股份有限公司。

1.1.2 主要儀器與設備

電子天平：FA224型，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；

紫外可見分光光度計：UV200型，尤尼柯(上海)儀器有限公司；

高速冷凍離心機：Neofuge1600R型，上海力康有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：DFD-700型，北京市長風儀器儀表公司；

電熱鼓風干燥箱：101-1ABS型，北京市永光明醫療儀器廠；

人工氣候培養箱：ZRQ-250型，上海喆圖科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 豬油制備流程

精選→清洗→切碎→火煉熬制(最高溫度140 ℃)→油渣過濾

1.2.2 過氧化值(POV)測定 按GB/T 5009.227—2016執行。

1.2.3 硫代巴比妥酸值(TBARS)測定 按GB/T 8937—2006執行。

1.2.4 酸價(AV)測定 按GB/T 5009.229—2016執行。

1.2.5 Schaal烘箱加速試驗 采用烘箱加速加熱試驗，將樣品置于100 mL帶刻度棕色玻璃瓶中，在有限空氣和避光條件下于設定貯藏溫度(50，60，70 ℃)下連續氧化36 d。每12 h更換一次樣品位置，每4 d取樣測定其過氧化值、硫代巴比妥酸值和酸價，重復3次取平均值。

1.3 豬油的氧化預測模型及動力學模型建立

1.3.1 零級和一級模型 依據化學動力學原理[13]，貯藏期間豬油氧化的動力學模型可以表示為：

dB/dt=kBn。

(1)

將n=0代入式(1)，得零級動力學方程：

B=B0+kt。

(2)

將n=1代入式(1)，得一級動力學方程：

B=B0ekt，

(3)

式中：

B——貯藏過程的氧化指標數值；

k——速率常數，d-1；

n——反應的動力學順序；

B0——氧化指標的初始值。

建立樣品氧化指標與貯藏時間的回歸方程，得到方程的決定系數R2，選擇R2越高的方程來確定動力學反應級數。

1.3.2 Arrhenius方程 利用50，60，70 ℃(323,333,343 K)下測得的豬油過氧化值、硫代巴比妥酸值和酸價作圖，確定化學反應級數，計算反應速率k。Arrhenius方程可以用來反映不同氧化速率與貯藏溫度之間的函數關系[14]，并遵循阿倫尼烏斯方程：

k=Ae-Ea/RT，

(4)

式中：

A——指前因子；

R——通用氣體常數，8.314 J/(mol·K)；

T——絕對溫度，K；

Ea——活化能，kJ/mol。

對式(4)取對數得

lnk=lnA-(Ea/RT)。

(5)

將lnk與1/T作圖，由方程的斜率求得活化能Ea，截距求得指前因子A。

1.3.3 氧化指標變化動力學模型構建 將式(4)代入式(2)，得氧化指標的零級動力學模型：

B=B0+Ate(-Ea/RT)。

(6)

將式(4)代入式(3)，得氧化指標的一級動力學模型：

B=B0eAtexp(-Ea/RT)。

(7)

1.4 數據統計分析

采用IBM SPSS Statistics 19軟件和Excel 2016軟件進行數據處理，OriginPro 8.6軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 過氧化值變化動力學模型的構建

2.1.1 貯藏溫度對豬油過氧化值變化的影響 由圖1可知，同一貯藏溫度下，過氧化值隨貯藏時間的延長逐漸增大，且差異顯著(P<0.05)，0～15 d增長緩慢，15 d后增長速度逐漸變大；同一貯藏時間下，豬油的過氧化值隨貯藏溫度的升高逐漸變大，且差異顯著(P<0.05)，其中，70 ℃下豬油的過氧化值增長較快，貯藏第36天，50，60，70 ℃下過氧化值從(2.10±0.08)mmol/kg分別增加至(12.01±0.84)，(22.07±0.67)，(36.89±1.60)mmol/kg，分別增加了471.90%，950.95%，1 656.67%。說明溫度越高，過氧化值變化越明顯，可能是因為油脂受熱引發自動氧化，產生游離基，不飽和脂肪酸雙鍵斷裂，促進游離基產生，從而加快氧化反應的進行[15]。這與漢麻籽油[16]、葵花籽油[17]氧化過程中過氧化值的規律相似，與López-Duarte等[18]的結論相似。貯藏溫度對油脂的變化趨勢類似，均符合Arrhenius方程。但不飽和脂肪酸含量高的油脂(如亞麻籽油)的氧化速度明顯快于飽和脂肪酸(如豬油)的。

2.1.2 過氧化值的變化速率及反應級數 過氧化值與零級和一級動力學方程擬合結果分別見圖2、圖3和表1。由表1可知，不同貯藏溫度下過氧化值一級模型的R2均高于零級模型，且所有一級模型的R2>0.90，說明試驗數據與方程的一級模型擬合較好，一級模型對應的反應速率常數k在50，60，70 ℃下分別為0.0477 6，0.0707 4，0.075 6，表明油脂氧化速率與貯藏溫度呈正相關，溫度越高，氧化速率越快。

大寫字母不同表示同一貯藏時間下不同貯藏溫度間差異顯著(P<0.05)；小寫字母不同表示同一貯藏溫度下不同貯藏時間差異顯著(P<0.05)圖1 不同貯藏溫度下過氧化值隨貯藏時間的變化Figure 1 The value of peroxide varies with storage time at different temperatures

2.1.3 過氧化值變化反應的指前因子和活化能 將lnk與1/T作圖，結果見圖4，獲得方程y=-2 536.532 6x+4.906 7(R2=0.929 7)。由線性方程的斜率求得活化能Ea=21.255 0 kJ/mol，從截距求得指前因子A=135.594 7。過氧化值反應過程中其活化能較小，說明反應較易進行。油脂氧化動力學參數與其脂肪酸組成等其他生物活性化合物有關[19]。

2.1.4 過氧化值的變化動力學模型 豬油過氧化值在不同貯藏溫度下隨貯藏時間的變化符合一級動力學反應，將其活化能、指前因子代入式(7)得：

圖2 不同貯藏溫度下過氧化值隨貯藏時間的變化規律及零級模型擬合結果Figure 2 The results of zero-level model fitting of the law of peroxide change in the peroxide value of lard at

圖3 不同貯藏溫度下過氧化值隨貯藏時間的變化規律及一級模型擬合結果Figure 3 The results of first-level model fitting of the law of peroxide change in the peroxide value of lard at different storage

表1 過氧化值動力學模型的參數及相關系數Table 1 Parameters and related coefficient values of the dynamic model of peroxide values

圖4 不同貯藏溫度下豬油過氧化值變化的Arrhenius方程Figure 4 Arrhenius equation for changes in the peroxide value of lard at different storage temperatures

BPOV=BPOV,0e135.594 7texp(-2.125 5×104/RT)。

(8)

對豬油過氧化值在不同貯藏溫度下隨貯藏時間變化的實測值和預測值進行相關性分析，結果如圖5所示。由圖5可知，50，60，70 ℃下過氧化值實測值與預測值的相關系數分別為0.952 5，0.995 2，0.968 6，試驗數據和擬合模型之間相關性好、擬合度高，說明該模型可以在一定貯藏溫度下預測豬油的過氧化值。

2.2 硫代巴比妥酸值變化動力學模型的構建

2.2.1 貯藏溫度對豬油硫代巴比妥酸值的影響 由圖6可知，同一貯藏溫度下，硫代巴比妥酸值隨貯藏時間的延長而增大，且差異顯著(P<0.05)；同一貯藏時間下，硫代巴比妥酸值隨貯藏溫度的升高而變大，且差異顯著(P<0.05)，貯藏第36天，50，60，70 ℃下硫代巴比妥酸值分別為4.46，5.03，6.21 mg/kg。與過氧化值增長趨勢類似，豬油中的硫代巴比妥酸值隨貯藏時間的延長不斷增加，且貯藏溫度增高，硫代巴比妥酸值變化越明顯。這可能取決于脂肪酸結構和脂質氧化敏感性的增加，較高的不飽和脂肪酸含量導致較高的氧化變化，氫過氧化物也可能在熱效應下分解引發脂質氧化最終產物的形成，醛類等次級氧化產物還可能發生聚合反應或者與其他聚合物(如蛋白質)相互作用[20]，但硫代巴比妥酸值總體呈上升趨勢，說明氫過氧化物分解產生的丙二醛含量大于丙二醛與其他產物的聚合反應。貯藏溫度越高，脂質氧化程度越高，與Lee等[21]的結論相似。

2.2.2 硫代巴比妥酸值的變化速率及反應級數 硫代巴比妥酸值的零級或一級動力學方程擬合結果見圖7、圖8和表2。不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值一級模型的R2均高于零級模型的，且R2>0.90，表明硫代巴比妥酸值變化與一級模型擬合較好，隨著貯藏溫度的升高，速率常數k逐漸增加。

2.2.3 硫代巴比妥酸值變化反應的指前因子和活化能

對硫代巴比妥酸值的一級反應模型的lnk與1/T作圖，獲得方程y=-276.594 7x-2.006 12(R2=0.974 7)，求得其活化能Ea=2.299 6 kJ/mol和指前因子A=0.134 5。硫代巴比妥酸值反應活化能較小，說明反應易進行。

圖5 不同貯藏溫度下過氧化值實測值與預測值之間的關系Figure 5 The relationship between the measured and predicted values of acid price at different storage temperatures

大寫字母不同表示同一貯藏時間下不同貯藏溫度間差異顯著(P<0.05)；小寫字母不同表示同一貯藏溫度下不同貯藏時間差異顯著(P<0.05)圖6 不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值隨貯藏時間的變化Figure 6 The change of thiobarbituric acid value with storage time at different temperatures

圖7 不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值隨貯藏時間的變化規律及零級模型擬合結果Figure 7 The results of the zero-stage model fitting of the TBARs variation law of lard at different storage temperatures

2.2.4 豬油的硫代巴比妥酸值變化動力學模型 將活化能Ea和指前因子A代入式(7)，得硫代巴比妥酸值變化的一級動力學模型：

BTBARS=BTBARS,0e0.134 5texp(2.299 6×103/RT)。

(9)

圖8 不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值隨貯藏時間的變化規律及一級模型擬合結果Figure 8 The results of the first-level model fitting of TBARs with the law of change over time at different storage temperatures of lard

對豬油硫代巴比妥酸值變化的實測值和預測值進行相關性分析，結果如圖10所示。50，60，70 ℃下硫代巴比妥酸值實測值與預測值之間的相關系數分別為0.989 4，0.988 2，0.980 0，試驗數據和擬合模型之間相關性好、擬合度高。

2.3 酸價變化動力學模型的構建

2.3.1 貯藏溫度對豬油酸價的影響 由圖11可知，同一貯藏溫度下，酸價隨貯藏時間的延長逐漸增加，且差異顯著(P<0.05)；同一貯藏時間下，貯藏溫度越高，酸價增加得越快，且差異顯著(P<0.05),貯藏第36天，50，60，70 ℃下酸價從(0.36±0.01)mg/g分別升高至(0.86±0.01)，(0.96±0.04)，(1.23±0.50)mg/g，分別提高了138.89%,166.67%，241.67%。說明豬油中不飽和脂肪酸在高溫作用下分解產生游離脂肪酸，溫度越高，氧化反應進行得越快，游離脂肪酸產生得越多[22]，另一方面，油脂經復雜的氧化反應產生的醛酸類小分子也會使酸價升高[23]。酸價變化與過氧化值和硫代巴比妥酸值變化趨勢一致，均隨貯藏溫度的升高而變大，因此豬油應盡量低溫貯藏。

表2 硫代巴比妥酸值動力學模型的參數及相關系數Table 2 Parameters and related coefficient values of the TBARs dynamics model

圖9 不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值變化的Arrhenius方程Figure 9 Arrhenius equation for changes in lard TBARs at different storage temperature

2.3.2 酸價的變化速率及反應級數 酸價的模型擬合結果如圖12、圖13和表3所示。不同貯藏溫度下酸價一級動力學方程的R2均明顯優于零級動力學方程的，表明一級動力學方程具有較好的擬合度。50，60，70 ℃下，一級模型下的反應速率常數k分別為0.023 49，0.026 97，0.033 07，表明油脂氧化速率與貯藏溫度緊密相關，貯藏溫度越高，氧化速率越快。

2.3.3 酸價變化反應的指前因子和活化能 根據式(5)對酸價一級反應速率常數的對數lnk與貯藏溫度的倒數1/T作圖，得到圖14，獲得方程y=-1 890.564 3x+2.089 67(R2=0.983 7)。

2.3.4 酸價變化的動力學模型與驗證 將活化能Ea和指前因子A代入式(7)，得

BAV=BAV,0e8.082 2texp(-1.571 8×104/RT)。

(10)

對豬油酸價變化的實測值和預測值進行相關性分析，結果如圖15所示。50，60，70 ℃下酸價實測值與預測值之間的相關系數分別為0.998 8，0.991 7，0.989 0，說明模型擬合度高，在一定貯藏溫度下，此模型可行有效。

3 結論

研究表明，不同貯藏溫度下豬油的氧化指標(過氧化值、硫代巴比妥酸值和酸價等)隨貯藏時間的延長而不斷增加；隨著貯藏溫度的升高，氧化指標變化幅度增大，且差異顯著(P<0.05)，反應速率隨貯藏溫度的升高而增大。豬油各氧化指標變化均符合一級動力學模型，過氧化值、硫代巴比妥值和酸價變化的活化能分別為21.255 0，2.299 6，15.718 2 kJ/mol。由于3個氧化指標中，過氧化值的變化幅度最大，因此以過氧化值為10 mmol/kg為貯藏終點，通過模型計算得到50，60，70 ℃下豬油貯藏時間分別為31.42，24.76，19.81 d，企業在貯藏豬油制品及豬肉制品時應低于這些貯藏時間。此外，企業可以通過測定某個樣品的過氧化指標，通過模擬的動力學方程快速便捷地預測已貯藏的時間、還能貯藏的時間和保質期。經驗證表明各預測模型均能很好地預測不同貯藏溫度下豬油的氧化變化，關于豬油脂質氧化動力學的研究方向后續應考慮結合不同的貯藏溫度范圍，以更好地理解脂質氧化機理和相關的活化能來預測保質期。

圖10 不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值實測值與預測值之間的關系Figure 10 The relationship between the measured TBARS and the predicted value at different storage temperatures

大寫字母不同表示同一貯藏時間下不同貯藏溫度間差異顯著(P<0.05)；小寫字母不同表示同一貯藏溫度下不同貯藏時間差異顯著(P<0.05)圖11 不同貯藏溫度下酸價隨儲藏時間的變化Figure 11 Acid value varies with storage time at different temperatures

圖12 不同貯藏溫度下酸價隨貯藏時間的變化規律及零級模型擬合結果Figure 12 The results of the zero-stage model fitting of the acid value change law over time at different storage temperatures of lard

圖13 不同貯藏溫度下酸價隨貯藏時間的變化規律及一級模型擬合結果Figure 13 The first-level model fitting results of the acid value of lard change over time at different storage temperatures

圖14 不同貯藏溫度下豬油酸價變化的Arrhenius方程Figure 14 Arrhenius equation of acid value of lard under different storage temperatures

表3 酸價動力學模型的參數及相關系數Table 3 Parameters and related coefficient values of theacid value dynamics model

圖15 不同貯藏溫度下酸價實測值與預測值之間的關系Figure 15 Relationship between acid value measured and predicted values at different storage temperatures