基于特級初榨橄欖油兩種不同特性的DSC摻假分析方法研究

魏燕,宋志強,武衛東*

1(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海,200093)2(上海理工大學,能源動力工程國家級實驗 教學示范中心,上海,200093)

橄欖油是一種由成熟的油橄欖果實低溫壓榨得到的食用油[1],營養價值豐富[2],得到了越來越多人的青睞。由于制作工藝不同,橄欖油可分為許多種類,其中品質最高的是特級初榨橄欖油(extra virgin olive oil,EVOO)[3]。該類橄欖油國內產量較少,主要依賴進口,價格十分昂貴[4],因此對EVOO的摻假行為變得有利可圖。常見的摻假方式是在EVOO中直接摻入價格較低且色清味淺的植物油[5]。大豆油在我國是一種很常見的植物油,價格便宜[6],顏色氣味都不突出,是一種理想的摻假原料,且大豆油摻偽EVOO的消息也時常出現[7]。

橄欖油的摻假檢測方法主要有3類,分別是物理檢測法、化學檢測法和生物檢測法[8]。其中物理檢測法具有方便、無損、高效等特點,應用較為廣泛,常見物理檢測方法包括1)紅外光譜法:利用不同油脂接收紅外光照射產生紅外光譜的不同來進行摻假判定[9];2)電子鼻技術:應用氣敏器件對不同成分氣體響應各不相同的特性來鑒定摻假[10];3)同位素技術:通過檢測不同油樣的某種同位素差異來判定摻假[11];4)同步熒光法:同時掃描并發射兩單色器波長得到熒光強度信號及發射波長,構成光譜圖來分析是否摻假[12]。以上物理檢測方法或多或少存在檢測時間較長、成本較高、操作復雜等問題,不利于橄欖油摻假方法的進一步推廣。

差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry, DSC)是一種重要的檢測食用油摻假的物理方法[13]。它主要側重于油脂物理特性[14]與氧化穩定性[15]2個方面來對摻假油進行判定。物理特性主要是考慮不同油樣加熱熔融與冷卻結晶過程中油樣吸熱量與放熱量的差異,這種差異體現在DSC加熱冷卻曲線的不同[16]。趙瑾等[17]利用EVOO與葵花籽油在DSC加熱冷卻曲線上的差異,利用結晶峰起始溫度和峰值溫度與摻假比例建立了相關性良好的回歸方程,從而實現精確快速鑒定摻假的EVOO。而氧化穩定性主要是考慮油樣中不飽和脂肪酸與抗氧化物質種類與含量不同[18],通過DSC測量誘導氧化時間體現。邵薇等[19]利用偽劣大豆油與精煉大豆油氧化穩定性的差異,通過DSC測得不同油樣的誘導氧化時間來快速判斷出大豆油是否摻假。由于誘導氧化時間的測量所需溫度低于EVOO或大豆油煙點[20-21],用于鑒別特級橄欖油中大豆油的摻假更為便捷。目前基于氧化穩定性的橄欖油DSC摻假研究較少,值得嘗試研究。

本文采用DSC對市面上常見的EVOO摻假問題進行研究,選取的摻假油為大豆油。從物理特性與氧化穩定性兩個方面采用DSC對EVOO、大豆油以及不同比例摻假質量比的混合油進行評測,得到DSC加熱冷卻曲線上相關熱力參數與誘導氧化時間并建立對摻假質量分數的一元回歸方程,建立以誘導氧化時間為指標的EVOO摻假鑒別模型,并與以往常用的基于DSC加熱冷卻曲線建立的橄欖油摻假鑒別模型做對比,分析基于不同特性所建立摻假模型的特點,為DSC鑒定EVOO摻假研究提供更多思路與數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

EVOO,西班牙原裝進口,品渥食品有限公司。大豆油,益海嘉里食品有限公司。

1.2 儀器與設備

DSC 200 F3差示掃描量熱儀,德國NETZSCH耐馳公司;恒平FA1604電子天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.3 油樣制備

按大豆油/EVOO為5%、10%、20%、30%、40%的不同摻假質量分數混合,在振蕩器上充分搖晃和混合后轉移到儲存容器中,密封并在常溫下避光貯存以供實驗。

1.4 實驗方法

1.4.1 DSC加熱冷卻曲線

準確稱取15～25 mg樣品,放入氧化鋁坩堝中。設定程序掃描溫度范圍為-80～30 ℃,升降溫速率為10 ℃/min。檢測過程采用N2保護,氣體流速50 mL/min。每個樣品重復測量3次。

1.4.2 DSC誘導氧化時間

準確稱重(10±0.5) mg樣品,并放在氧化鋁坩堝中并開孔。設定不同氧化溫度140、160、180 ℃保持恒定,選取合適的氧化溫度進行實驗。升溫至氧化溫度這一過程采用N2保護,達到氧化溫度時先保持3 min再切換空氣氣氛保持一段時間。氣體流量為50 mL/min,每個樣品重復測量3次。

1.5 實驗數據獲取與處理

1.5.1 DSC加熱冷卻曲線

應用DSC熱分析軟件Proteus 5.0.x(NETZSCH Proteus thermal analysis)對DSC圖像上的冷卻結晶峰或加熱熔融峰進行峰的綜合分析并從中獲得的焓值ΔH、峰值溫度TP、起始溫度TO和終止溫度TE等熱力參數。用Excel 2016擬合出各熱力參數對摻假質量比的一元回歸方程,并求得決定系數R2[22]。

1.5.2 DSC誘導氧化時間

誘導氧化時間為放熱峰起始端引出的最大斜率切線與外推基線的交點時間[23],該值可在DSC加熱氧化曲線圖上直接取得。用Excel 2016擬合出誘導氧化時間對摻假質量比的一元回歸方程,并求得R2。

2 結果與分析

2.1 DSC加熱冷卻曲線

2.1.1 EVOO與純大豆油DSC加熱冷卻曲線對比

3組實驗重復性較好,選取一組EVOO與純大豆油的DSC加熱冷卻實驗將數據導出并用Origin 2018整合,得到EVOO與純大豆油DSC曲線對比圖,如圖1所示。

圖1 大豆油與EVOO加熱冷卻DSC對比圖Fig.1 DSC contrast between soybean oil and EVOO heated and coo

由于DSC加熱冷卻實驗是先在30 ℃條件下保持2 min再冷卻,冷卻開始時保護氣體溫度與坩堝內樣品溫度不一致,導致DSC值在實驗初始階段并不穩定。待傳熱逐漸穩定后,DSC值變得平坦。可以明顯看出,EVOO在DSC值穩定一段時間后在-40～-60 ℃出現一個窄而尖的結晶峰,而純大豆油并未呈現明顯的結晶峰。雖然大豆油內同樣含有許多脂肪酸,但種類、含量、形態都與EVOO存在差異,這導致在DSC冷卻曲線中與EVOO呈現明顯不同的結晶特性。因此該結晶峰是EVOO獨有的特征,可以用結晶峰的起始溫度TP、峰值溫度TO、終止溫度TE、焓值ΔH這些熱力參數來表征該結晶峰形態,作為鑒定摻假的依據。而DSC加熱曲線上EVOO與純大豆油都有明顯熔融峰的存在,位置存在交叉且差異不如DSC冷卻曲線明顯。因此后續實驗以冷卻結晶曲線分析EVOO摻假。

2.1.2 DSC冷卻曲線結果與分析

在3組實驗重復性較好的情況下,將各摻假比例混合油DSC冷卻數據導出并用Origin 2018整合,如圖2所示。隨著大豆油摻假比例的升高,冷卻結晶峰整體左移,峰型逐漸變得平坦。結晶起始溫度、峰值溫度、終止溫度整體變低,結晶峰面積變小,整體與摻假比例線性相關。使用DSC專用分析軟件對各摻假比例混合油的結晶峰進行分析,得到相關熱力參數如表1所示。隨著大豆油摻假比例升高,各熱力參數均減小。與EVOO相比,40%摻假油焓值ΔH從29.78 J/g下降至6.133 J/g,峰值溫度TP從-49.2 ℃下降至-62.7 ℃,起始溫度TO從-43.8 ℃下降至-53.7 ℃,終止溫度TE從-55.7 ℃下降至-71.3 ℃。

圖2 各摻假比例混合油冷卻DSC曲線對比圖Fig.2 Comparison chart of DSC curves of mixed oil cooled by each adulteration ratio

表1 DSC冷卻曲線熱力參數Table 1 Thermodynamic parameters of DSC cooling curves

表2 DSC冷卻曲線相關熱力參數的回歸方程與決定系數Table 2 Regression equations and determination coefficients of thermodynamic parameters related to DSC cooling curves

以表1中各熱力參數為橫坐標,EVOO所占質量比為縱坐標建立一元回歸方程并求出決定系數R2,結果如表2所示。ΔH所得到的一元回歸方程決定系數R2為0.997,而TP、TO、TE得到的一元回歸方程的決定系數R2分別為0.992、0.980和0.950,對比來看前者精度更高,所建立摻假模型相關性更好,因此以ΔH所建立的摻假模型作為摻假鑒定的依據更為合理。

同時,對于結晶焓值ΔH所建立摻假模型可以從摻假檢測極限角度驗證其精確性。由結晶焓值ΔH所建立的一元回歸方程Y=57.556X-28.44可知,當EVOO質量分數為49.4%即對應摻假質量分數為51.6%時焓值為0,因此定量摻假分析的檢測極限也在51.6%附近。50%摻假百分比混合油的DSC冷卻曲線如圖3所示,圖上并未出現明顯結晶峰,結晶焓值為0,兩者基本接近,但存在一定誤差。且熱分析軟件Proteus對峰進行綜合分析時需要取點,當摻假比例靠近檢測極限時結晶峰過小,取點存在困難,無法得到有效結果,因此需要縮小定量摻假檢測的范圍。綜上所述,基于DSC冷卻曲線上結晶峰焓值ΔH所建立的摻假模型在定性分析EVOO摻假方面有著明顯效果,也可以進行一定范圍內的定量摻假分析并通過重復實驗取平均值的方法減小誤差。

圖3 50%摻假比例混合油冷卻DSC曲線圖Fig.3 50% adulteration ratio mixed oil cooling DSC plot

2.2 DSC誘導氧化時間

2.2.1 DSC誘導氧化時間實驗氧化溫度

在DSC誘導氧化時間實驗中需要實驗樣品在空氣氣氛下保持恒定溫度一段時間,該恒定溫度即為氧化溫度,而氧化溫度的選擇對DSC加熱氧化曲線圖有著顯著影響。氧化溫度過大則氧化時間過短影響數據記錄,過小則實驗耗時很長,不利于摻假油的快速鑒定,因此選取140、160、180 ℃為氧化溫度分別對EVOO進行實驗,結果如圖4所示。

以圖4-a為例,DSC曲線為一個完整實驗過程,實線為DSC隨時間的變化曲線,虛線為溫度隨時間的變化曲線。由虛線可知整個氧化過程,首先在初始溫度下以20 ℃/min的加熱速率升溫,到140 ℃時保持3 min隨后切換空氣氣氛并繼續維持140 ℃,在140 ℃的空氣氣氛下持續30 min后降溫結束實驗。

a-140 ℃ DSC氧化曲線圖;b-160 ℃ DSC氧化曲線圖;c-180 ℃ DSC氧化曲線圖圖4 不同氧化溫度下的氧化曲線圖Fig.4 Oxidation curves at different oxidation temperatures

由圖4-a可知,在空氣氣氛下EVOO氧化曲線幾乎保持一條直線,說明EVOO在140 ℃空氣中恒溫30 min的條件下并未發生氧化,誘導氧化時間無法測得,因此需要采用更高的氧化溫度與更長的恒溫時間。圖4-b中氧化溫度變為160 ℃,切換空氣氣氛后恒溫時間變為40 min,在25.8 min左右EVOO發生氧化,誘導氧化時間可以測得且相對合理。圖4-c中氧化溫度變為180 ℃,在剛切換空氣氣氛后EVOO立刻發生氧化,氧化溫度過高導致誘導氧化時間過短無法測量。因此160 ℃的氧化溫度較為合適。同時對大豆油在氧化溫度160 ℃,恒溫時間40 min的條件下進行誘導氧化時間實驗,由圖5可知,大豆油在15.2 min左右發生氧化,誘導氧化時間也可以得到且比較合理,因此后續各摻假比例混合油的誘導氧化時間實驗以氧化溫度160 ℃,恒溫時間40 min條件進行。

圖5 大豆油在160 ℃下氧化曲線圖Fig.5 Oxidation curve of soybean oil at 160 ℃

2.2.2 DSC氧化穩定性實驗結果與分析

以160 ℃的氧化溫度維持40 min的條件,對各個不同摻假比例混合油進行實驗,實驗結果如圖6所示,隨著大豆油摻假比例增加,通入空氣氣氛后DSC曲線發生彎折時間變快,彎折后的DSC曲線也越來越靠下。具體數據如表3所示,隨著大豆油摻假比例增加,誘導氧化時間逐漸變短,由EVOO的25.8 min減小到40%摻假比例混合油的17.8 min。而誘導氧化時間主要與油脂內的不飽和脂肪酸種類與含量有關,不飽和脂肪酸越多則誘導氧化時間越短,雖然EVOO內不飽和脂肪酸含量豐富,但同時也有酚類物質、角鯊烯、維生素E[24]等抗氧化物質的存在,因此所得結果較為合理,EVOO氧化穩定性比大豆油好。同時以表3數據擬合出誘導氧化時間對摻假百分比的一元回歸方程并求出決定系數R2,所得回歸方程為Y=-19.4X+25.64(R2=0.996)。利用大豆油的誘導氧化時間為15.2 min代入回歸方程可大致得出摻假檢測極限為53.8%。綜上所述,基于誘導氧化時間所建立的摻假檢驗模型可較為準確地對摻假橄欖油進行定性分析,也可在一定范圍內對摻假橄欖油進行定量分析。

圖6 不同摻假比例混合油的誘導氧化時間Fig.6 Induced oxidation time of mixed oil with different adulteration ratio

2.3 DSC冷卻結晶實驗與誘導氧化時間實驗對比分析

基于誘導氧化時間所建立的回歸方程與基于DSC冷卻曲線所建立的回歸方程相關性R2都很高且很接近,都可在一定程度上作為分析EVOO中大豆油摻假的依據,但二者原理不同且各有優缺點。DSC冷卻曲線差異主要取決于脂肪酸種類、含量、形態的不同,在曲線上能得到多個熱力參數建立回歸方程,可選取最優的熱力參數來檢驗摻假,檢驗速度相對較快。但在摻假比例接近檢測極限的情況下,結晶峰過小導致熱分析軟件Proteus取點進行峰的綜合分析存在困難,無法得到準確數據。而誘導氧化時間的差異主要考慮不飽和脂肪酸與抗氧化物質種類與含量的不同,在DSC氧化曲線上可較為直接、清楚獲得,且定量摻假分析時在各個摻假比例都能獲得有效的結果。但DSC實驗需要選取合適的氧化溫度才能得到有效的結果,耗時相對較長,且也有著摻假檢測極限的存在。因此可以根據實際情況選取相應的DSC檢測方法鑒定EVOO是否摻假。

表3 不同摻假比例混合油的誘導氧化時間Table 3 Induced oxidation time of mixed oils with different adulteration ratios

3 結論

EVOO與大豆油冷卻結晶DSC曲線有明顯區別,隨著摻假油中大豆油比例升高結晶峰逐漸變小左移,結晶開始溫度TO、峰值溫度TP、終止溫度TE、結晶焓值ΔH均變小。由結晶峰焓值ΔH對EVOO質量百分比所建立回歸方程Y=57.556X-28.44(R2=0.997),但由于模型摻假極限與熱分析軟件Proteus的限制,僅能在一定范圍內對EVOO中大豆油的摻假做定量分析。

EVOO與大豆油誘導氧化時間也存在一定差異,在選取合適的實驗條件后,隨著大豆油摻假比例升高,油樣誘導氧化時間變短。由誘導氧化時間對摻假質量比建立的回歸方程Y=-19.4X+25.64相關性較好(R2=0.996),能夠有效鑒定EVOO中大豆油的摻假,但定量摻假分析在摻假比例53.8%附近存在檢測極限。

兩種基于油脂不同特性的DSC摻假鑒別方法都能較好地鑒別EVOO中大豆油的摻假,且各有優劣,可對比分析選取更符合實際情況的方法。其中利用誘導氧化時間鑒別EVOO摻假也為DSC鑒定橄欖油摻假提供了更多思路,今后的研究中也可嘗試利用DSC測量不同的體現氧化穩定性的參數如起始氧化時間[25]來完成對摻假橄欖油的鑒定,以進一步擴展EVOO的摻假檢測方法。