基于中紅外光譜結合化學計量法快速檢測油炸食品用油品質

寧海花 周啟佳 杜 枘 苗軍艦,2 賴克強,2

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海海洋大學食品熱加工工程技術研究中心，上海 201306)

油炸食品在生活中隨處可見，因其香酥可口，深受消費者喜愛。然而，油炸時用的食用油因長時間處于高溫狀態，易發生一系列復雜的化學反應[1-2]。這些化學反應不僅會使食用油本身產生異味、影響貨架期，還會降油炸低食品的營養價值，甚至產生有毒有害的物質，如反式脂肪酸、丙烯酰胺、苯并芘等[3-5]。目前檢測油脂品質的常規方法多為根據油脂氧化過程中1～2項指標的變化，如酸價、過氧化值、羰基價、極性組分等來評價油脂品質，而油脂氧化反應過程的復雜多樣性，若要全面評價油脂的品質，則需要同時檢測多項指標，增加了對油脂品質監控的難度[6]。

近紅外因具有快速、簡便、高效、成本低等優點，常被用于樣品分析，但近紅外光譜存在光譜特征性不強、光譜強度低等缺陷，且其光譜信息主要由合頻、泛頻振動引起，對含量低于0.1%的物質檢測的靈敏度欠佳[7-8]。中紅外光譜信息是由分子的基頻振動引起的，較近紅外更靈敏，而基于衰減全反射(attenuated total reflectance, ATR)附件采集中紅外譜圖，對液體樣品前處理無特殊要求，具有非破壞性、操作簡單的特點，因此結合ATR附件的中紅外光譜檢測法在液態或半固態食品快速分析中的應用前景將越來越廣泛[9-11]。

酸價、過氧化值和羰基價為評價食用油質量安全的重要指標。酸價用來衡量油脂中游離脂肪酸以及油脂氧化分解產生的小分子有機酸，油脂酸價一般隨其質量的下降而增加[12]。過氧化值則用來表示油脂中氫過氧化物含量[13]，是油脂氧化的初級產物，其進一步分解可生成小分子的醛、酮等脂肪氧化的次級產物，因此測量油脂中總的羰基化合物(羰基價)，常用于評價油脂劣變程度[14]。

研究擬基于傅里葉變換中紅外光譜(fourier transform mid-infrared, FT-IR)-ATR技術，結合化學計量學方法，對油炸食品用油的酸價、過氧化值、羰基價進行定量分析，以其達到快速、同時檢測多項油脂品質指標的目的，為加強對油炸食品用油品質的監控以保障最終油炸食品的安全提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試劑與儀器

硫代硫酸鈉、甲醇、異丙醇等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

正丁醇、己醛：色譜純，美國Sigma-Aldrich公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Nicolet 6700型，美國Thermofisher公司；

紫外分光光度計：UV3000型，上海美譜達儀器有限公司。

1.1.2 試驗原料

(1) 控制油樣：在上海某大學食堂，使用8 L左右該食堂常用的市購一級大豆油連續油炸麻球，麻球重量約2.5 kg，每鍋炸20 min，共18鍋，油炸溫度控制在120～150 ℃。油炸過程中，第一鍋每隔2 min取一次油樣，共取11個樣品；此后17鍋每隔5 min取一次油樣，共取68個樣品，總油炸時間360 min，加上未加熱豆油，共計80個油樣。

(2) 隨機油樣：以1，4，7，15 d為取樣周期，在同一食堂連續6個月對當天所用炸油進行取樣，每天油炸時間約90 min，油炸溫度120～220 ℃，每隔3～6 min取約40 mL油，共取136個樣品，加2個未加熱油樣，共計138個油樣。

該食堂主要使用萬家宴轉基因四級大豆油(上海帝海糧油有限公司)及烹飪佳精致轉基因大豆油(嘉吉糧油有限公司)，油炸的食物包括麻球、素雞、蝦、大排、排條、小黃魚、土豆、鯽魚、白魚塊、牛肉、鯧魚等十余種，每日炸5～8種食物，每種食物重量約2 kg。油炸過程中，根據實際情況，不定時、不定量添加不同品牌的新油或簡單過濾后的陳油。采集到的油樣盛于50 mL玻璃燒杯，待冷卻后，轉移到60 mL具塞樣品瓶，貼好標簽于4 ℃冰箱貯藏。

1.2 試驗方法

1.2.1 油脂指標的測定 所有采集的218個油樣均用于酸價分析，因油樣過氧化值和羰基價的測試方法耗時較長，且經比較同一鍋控制油樣過氧化值和羥基價之間相差較小，因此只對控制油樣的第1鍋選擇3個樣品，其余17鍋選擇2個樣品，加未加熱油樣，共38個樣品以及隨機油樣的第1月17個樣品，其余月份選擇15個樣品，2個未加熱油樣，共94個樣品進行過氧化值和羰基價分析。

(1) 酸價：參照GB 5009.229—2016。

(2) 過氧化值：參照GB 5009.227—2016。

(3) 羰基價：參照GB 5009.230—2016。

1.2.2 紅外譜圖的采集 采用傅里葉變換光譜儀采集油樣的紅外譜圖，其掃描波數范圍為500～4 000 cm-1，掃描次數為16次，分辨率為4 cm-1。以空氣參比作為空白背景，用滴管滴加油樣，使其充滿整個11點反射槽式ATR硒化鋅晶體表面。每次樣品測試結束后，用異丙醇清洗干凈。

1.2.3 建模方法及模型的評價參數 應用Delight 3.2軟件，選擇偏最小二乘回歸法(PLS)將油樣的紅外光譜圖與控制油樣、隨機油樣、所有油樣(二者加起來)的酸價、過氧化值、羰基價建立數學模型，基于留一交叉驗證法對模型的預測性進行評估，并確定模型的最佳參數(如潛變量個數)。模型的評價指標包括預測值與真實值的相關系數(R2)，預測標準差(SEP)，樣品集的標準偏差與預測標準偏差的比值(RPD)[15]。R2越大、SEP越小，模型的效果越好，RPD>5.0說明模型具有良好的預測性；RPD為2.5～5.0說明模型具有一定的預測性，適合低、中、高濃度的篩選；RPD<2.5，說明模型預測能力較差[16]。建立PLS模型前，紅外光譜圖進行平滑(smooth)、二階導(2ndderivative)預處理，以消除噪音和背景干擾來獲得預測性好的模型[15]。

2 結果與討論

2.1 樣品信息

由表1可知，控制油樣的酸價、過氧化值和羰基價分別為0.09～0.59 mg KOH/g，22.02～106.70 meq/kg和 4.08～11.99 meq/kg，而隨機油樣的酸解、過氧化值和羰基價分別為0.12～2.00 mg KOH/g，1.14～47.27 meq/kg和 1.18～9.53 meq/kg。油樣的酸價和羰基價均在GB 5009.229—2016和GB 5009.230—2016允許的范圍內，而控制油樣的過氧化值均超過GB 5009.227—2016規定的20 meq/kg，16個隨機油樣的過氧化值也超標。對3個指標進行線性分析，發現其中任何兩個指標之間無明顯的線性關系，表明3個指標是獨立的。

表1 油炸食品所用油樣的酸價、過氧化值和羰基價

2.2 FT-IR譜圖特征

圖1 代表性油樣的紅外譜圖

2.3 酸價模型

由圖2可知，對于酸價的分析，當控制油樣、隨機油樣、所有油樣模型的潛變量個數分別為6，12，13時，若繼續增加模型的潛變量數目，預測標準差無明顯的減低，由此判斷3種油樣酸價模型的最優潛變量個數分別為6，12，13。由于食用油中游離脂肪酸、過氧化物和羰基化合物含量較少，其對應的FT-IR光譜特征被油脂中的主要成分甘油三酯的光譜特征掩蓋。因此，酸價模型的建立需要較多的潛變量個數。此外，由于控制油樣的油炸食物和所用油品種相對簡單，同一種油反復炸一種食品，所以控制油樣的酸價模型需要用的潛變量數目相對較少；而隨機油樣的油炸食物品種較多，所用油的品種多樣，所含成分復雜，因此隨機油樣的酸價模型需要較多的潛變量個數。

圖2 油樣酸價模型的潛變量個數與預測標準差的關系

由圖3可知，控制油樣、隨機油樣、所有油樣酸價的模型預測值與真實值之間的相關系數R2均≥0.980，SEP為0.02～0.08 mg KOH/g，RPD為6.98～8.73，表明3種油樣的酸價模型均有很好的預測性。

圖3 油樣酸價的PLS校正模型及預測值與真實值的關系

2.4 過氧化值模型

過氧化值PLS模型最優潛變量個數的確定方法與酸價模型類似，控制油樣、隨機油樣、所有油樣的過氧化值模型潛變量個數分別為9，10，11，若繼續增加模型的潛變量數目，預測標準差并未明顯減小，由此判斷3種油樣過氧化值模型的最優潛變量個數分別為9，10，11。由圖4可知，過氧化值的模型預測值與真實值之間的R2為0.716～0.909，SEP為4.41～6.86 meq/kg，RPD為1.87～3.32，模型的預測性較差，尤其是隨機油樣模型對應的RPD只有1.87，對于實際抽檢油樣中過氧化值的定量分析幾乎無應用價值。

圖4 油樣過氧化值的PLS校正模型及預測值與真實值的關系

2.5 羰基價模型

羰基價模型最優潛變量數目的確定方法與酸價、過氧化值模型類似，控制油樣、隨機油樣、所有油樣的羰基價模型最優潛變量數分別為5，10，4。由圖5可知，控制油樣和隨機油樣的PLS模型有一定的預測能力，模型預測值與真實值之間的R2分別為0.936，0.881，SEP分別為0.66，0.73 meq/kg，RPD分別為3.95，2.90，但是對于所有油樣，模型的預測能力較差，對應的R2為0.763，SEP為1.31 meq/kg，RPD為2.05。

圖5 油樣羰基價的PLS校正模型及預測值與真實值的關系

3 結論

試驗表明，隨機油樣中，酸價與羰基價均在國家標準范圍內，但是部分樣品的過氧化值已超過了油炸食品關于食用油所含油脂含量的衛生標準，反映出油炸食品中可能存在食品安全問題。隨機油樣油炸時間比控制油樣油炸時間更長，且油炸食物的量更多，但其過氧化值與羰基價總體上比控制油樣的要低，主要是由于控制油樣與隨機油樣所使用的食用油品種不同。此外，中紅外光譜圖中，反式碳碳雙鍵的特征吸收峰強度增加，說明油炸過程中不飽和脂肪酸可能經異構化生成了反式脂肪酸，油炸用油中反式脂肪酸含量的測定有待后續研究。

通過酸價、過氧化值和羰基價3種指標的PLS模型比較，發現模型對油脂酸價的預測能力較強(RPD≥6.98)，但對過氧化值的預測能力較弱，尤其對于隨機油樣幾乎無實際應用價值(RPD=1.87)。此外，控制油樣模型比隨機油樣模型的預測性更強，其主要原因是隨機油樣炸的食物種類多、油炸溫度差異性大，使得油樣的成分更為復雜，從而影響其模型預測的準確性。綜上，采用衰減全反射附件的傅里葉變換中紅外光譜結合化學計量法有望實現快速、同時檢測油炸用油的酸價、過氧化值和羰基價。