低溫錫箔烘烤和微波處理對南瓜籽油脂肪酸組成變化及貨架期影響的研究

薛 山

(閩南師范大學生物科學與技術學院;菌物產業福建省高校工程研究中心;漳臺休閑食品與茶飲料研究所,漳州 363000)

南瓜籽是南瓜加工的副產物,油脂含量豐富,占南瓜籽干質量的35%～64%[1]。諸多研究已證實,南瓜籽油富含單不飽和脂肪酸(MUFA,如油酸)和多不飽和脂肪酸(PUFA,如亞油酸和亞麻酸),是一種食用價值的較高油脂[2]。然而,PUFA和MUFA對氧化十分敏感,且加熱過程中比飽和脂肪酸(SFA)更易氧化[3],可見,過高溫度的劇烈加熱會引發南瓜籽油的氧化反應,從而也影響油脂儲藏品質與貨架期限。

南瓜籽的處理方法可粗略分為炒制和烘烤,炒制是南瓜籽的傳統加工方式,但炒制過程極易導致南瓜籽油發生氧化酸敗,而烘烤加工后的南瓜籽油儲藏時間較炒制更長,且還能夠含有更多的多酚、維生素E等具有抗氧化活性的油脂伴隨物[4,5]。烘制南瓜籽預處理常用的方式有高溫烘烤、低溫錫箔烘烤和微波處理等[6]。其中,低溫烘焙(100～130 ℃)作為一種相對健康、環保的烹飪加工方式近年來得到了廣泛關注。低溫烘焙技術是利用真空原理,將食品在低溫條件下迅速加熱的技術手段,較之傳統高溫烘焙(180～200 ℃),不僅更少破壞食品中的營養成分,不產生或少產生有害物質,還能夠實現低含水量、口感酥脆、保留食品原汁原味等優勢[7],目前已應用于豆類、谷物類糧食加工。同時,采用錫箔包裹烘烤,不僅更清潔衛生,也能夠使食品受熱更均勻[8]。與此同時,微波輔助萃取作為一種高效的油脂提取技術受到了廣泛的關注[9]。微波加熱具有提取時間短、提取率高、能耗低等優點[10,11],微波處理已廣泛應用于許多食用種子和堅果加工中,能引起各種物化變化,如油脂的脂質組分(脂肪酸、生育酚)[12,13]。孔凡等[14]報道稱適當的微波預處理能夠顯著增加南瓜籽油中油脂伴隨物含量,提高油脂的氧化穩定性與抗氧化能力。目前鮮有低溫錫箔烘烤和微波處理對南瓜籽油中性、極性脂肪酸組成影響的相關研究。

研究比較低溫錫箔烘烤和微波處理2種加工方式對南瓜籽油儲藏期間中性脂肪酸、磷脂脂肪酸與總脂肪酸組成的影響,同時,通過測定不同處理后南瓜籽油酸價(AV)與過氧化值(POV)的變化差異,結合一級化學反應動力學方程和Arrhenius方程基于總脂肪酸中PUFA占比建立南瓜籽油儲藏動力學模型預測其貨架期變化,以期為南瓜籽油及其產品的生產研發及安全儲藏提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

南瓜籽(裸仁),品種為東引一號,產自中國新疆維吾爾自治區烏魯木齊市。乙醚、石油醚、苯、氯化鈉、無水硫酸鈉、酚酞指示劑、乙醚、異丙醇、氫氧化鈉、三氯甲烷、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、硫代巴比妥酸、三氯乙酸、丙二醛(分析純)、正已烷(色譜純)、三氟化硼甲醇溶液、三十七種脂肪酸甲酯混標(標準品)。

1.2 實驗儀器

US6180D微波反應器,DZF-6034A真空烤箱,DGG-9140B電熱恒溫鼓風干燥箱,AR124CN電子天平,HH-2數顯恒溫水浴鍋,XW-80A漩渦混合器,RE-52AA旋轉蒸發器,SHZ-D(Ⅲ)循環水式多用真空泵,7890B氣相色譜儀。

1.3 測定方法

1.3.1 南瓜籽加工處理方式

人工選擇完整的種子,去除破碎或破損的種子,于(30.0±1.0)℃鼓風干燥箱中干燥48 h(水分質量分數在4%以下),裝入聚乙烯袋,4 ℃保存備用[1]。基于前期實驗,低溫錫箔烘烤處理條件為:將南瓜籽樣品用錫箔紙包裹,放入125 ℃烤箱烘烤15 min,此時南瓜籽粗油得率為(26.50±0.25)%;微波預處理條件選擇中功率(500 W)處理6 min,此時南瓜籽粗油得率為(27.93±0.27)%。

1.3.2 儲藏實驗

將低溫錫箔烘烤處理和微波處理后的南瓜籽粗油分別于4、25 ℃將南瓜籽儲藏0、3、6、9 d和 0、1、2、3 d,對樣品進行相關理化指標的測定。

1.3.3 南瓜籽油脂肪酸組成分析

1.3.3.1 南瓜籽粗油提取

南瓜籽粗油的提取參照Moo-Huchin等[15]方法略微修改:分別稱取約20 g經處理后的南瓜籽,粉碎后過30目篩(0.59 mm),按液料比12∶1 mL/g加入石油醚于45 ℃索式萃取4 h,之后于45 ℃真空旋轉蒸發器中揮干溶劑,即得南瓜籽粗油。

1.3.3.2 油脂的分離

中性油脂和極性磷脂的分離薛山等[16,17]的方法,將提取的油脂用2 mL氯仿溶解后,用硅膠柱吸附,然后分別用5倍體積的氯仿和3倍體積的甲醇溶液洗脫,分別得到含中性油脂和磷脂的溶液,旋蒸揮干后即分別得到中性油脂和磷脂。

1.3.3.3 脂肪酸組成分析

向各油脂組分加入3 mL苯和石油醚溶液(體積比為1∶1),轉移至10 mL具塞試管中,加入2 mL三氟化硼-甲醇溶液,混勻振蕩,封口,放入50 ℃恒溫水浴鍋中水浴2 h,放入4 ℃冰箱過夜。氣相分析前加入1 mL正己烷(色譜純),漩渦振蕩后靜置分層,吸取上清液1 mL過0.45 μm有機相濾膜后裝瓶備用[3]。

脂肪酸甲酯的測定采用7890B氣相色譜儀,使用FID 檢測器和SH-RtTM-2560氣相色譜柱(100.00 m×0.25 mm×0.20 μm),分流比10∶1,進樣量1 μL,載氣為氮氣,流速為 1.5 mL/min,進樣口和檢測器的溫度均為250 ℃。柱箱的升溫程序為:起始溫度為140 ℃,保持1 min,以4 ℃/min升到240 ℃并保持 5 min。脂肪酸的定性分析采用與37種混合脂肪酸甲酯標準品的保留時間進行對比,定量分析采用面積歸一化。脂肪酸含量用單個脂肪酸占總脂肪酸的相對比例表示。

1.3.4 南瓜籽粗油的品質變化

1.3.4.1 酸價(AV)

參考GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》。

1.3.4.2 過氧化值(POV)

參考GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》。

1.3.5 南瓜籽粗油儲藏品質動力學模型構建

1.3.5.1 一級動力學方程

一級動力學方程可以體現儲藏品質指標變化與時間t之間的關系,也可對產品的貨架期進行預測。一級反應動力學方程見式(1):

A=A0ekt

(1)

式中:A和A0分別為儲藏至第t天和0 d時的觀測品質指標值;k為儲藏品質指標變化速率常數;t為樣品的儲藏時間/d。

1.3.5.2 Arrhenius方程

阿倫尼烏斯方程可以反映變化速率常數k與熱力學溫度T之間的關系。當計算出不同溫度條件下速率常數后,以lnk對1/T作圖可擬合出斜率為-Ea/R的直線,Y軸截距為lnk0的線性方程,即可計算出反應活化能Ea和前因子k0。Arrhenius方程見式(2):

(2)

式(2)取對數后:

(3)

式中:k0為方程的前因子(頻率因子);Ea為儲藏品質指標變化反應的活化能/(J/moL);T為絕對溫度/K;R為氣體常數[8.314 4 J/(mol·K)];k0和Ea都是與反應系統物質本性有關的經驗常數。

將一級動力學方程和Arrhenius方程結合起來,只要確定感官評定終點對應的儲藏品質指標值以及某一儲藏溫度,即可對產品貨架期進行理論預測。

1.3.6 數據處理方法

每組處理重復3次,數據結果用均值±標準差表示。采用SPSS Statistics 24.0軟件對結果進行單因素顯著性分析,P<0.05表示結果顯著。PLSR分析采用Unscrambler 9.7軟件,所有數據在分析前均用SPSS軟件進行標準化。

2 結果與分析

2.1 儲藏期間南瓜籽油脂肪酸組成變化

2.1.1 GC分析南瓜籽油脂肪酸組成

經氣相分析,低溫錫箔烘烤處理后南瓜籽總脂肪酸主要由棕櫚酸(C16∶0,23.52%)、硬脂酸(C18∶0,5.29%)、油酸 (C18∶1,cis-9,26.6%)、亞油酸(C18∶2,cis-9,12,44.59%)組成;微波預處理后南瓜籽總脂肪酸主要由棕櫚酸(C16∶0,25.81%)、硬脂酸(C18∶0,6.86%)、油酸(C18∶1,cis-9,15.79%)、亞油酸(C18∶2,cis-9,12)(51.54%)組成。2種不同處理后南瓜籽脂肪酸組成相同,但含量不同,微波組中PUFA(C18∶2,cis-9,12)含量較低溫錫箔烘烤組更高。2種處理的南瓜籽中性脂肪酸和磷脂脂肪酸與總脂肪酸組成一致,且PUFA(C18∶2)都顯示了較高的含量。低溫錫波烘烤組南瓜籽中性脂肪酸中C18∶2相對質量分數占41.96%,極性脂肪酸中C18∶2相對質量分數占48.06%,均低于微波預處理組(中性C18∶2相對質量分數占49.93%,極性C18∶2相對質量分數占52.17%)。這可能是因為高含量的PUFA不僅較大程度上決定油脂的生物活性和營養價值,也能顯著影響油脂的穩定性[18]。

2.1.2 儲藏期間南瓜籽油脂肪酸組成變化

低溫錫箔烘烤和微波預處理南瓜籽于4 ℃和25 ℃儲藏期間的總脂肪酸、中性脂肪酸及磷脂脂肪酸變化,4 ℃和25 ℃儲藏期間南瓜籽油脂肪酸組成變化見表1。

表1 4 ℃和25 ℃儲藏期間南瓜籽油脂肪酸組成變化

2種處理的南瓜籽總脂肪酸中SFA(C16∶0和C18∶0)以及MUFA(C18∶1)在0～9 d儲藏期顯著升高(P<0.05);而PUFA(C18∶2)呈下降趨勢(P<0.05),中性脂肪與極性磷脂的變化趨勢與總脂肪酸類似。

在4 ℃儲藏期間(表1),微波組總脂肪酸中C16∶0在變化較低溫錫箔烘烤組更顯著(P<0.05),尤其是6～9 d階段升高更明顯;低溫烘烤組中性油脂中SFA整體變化不顯著(P>0.05),而微波組SFA升高顯著((P<0.05);低溫烘烤組極性油脂中SFA和MUFA升高以及PUFA的下降均較微波組顯著。

25 ℃儲藏期間,2組南瓜籽總脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸的相對含量變化趨勢與4 ℃基本一致,各組分中SFA(C16∶0和C18∶0)和MUFA(C18∶1)顯著升高,其中,中性脂肪酸中的C16∶0和MUFA(C18∶1)的升高較磷脂中升高更為顯著(P<0.05),而PUFA(C18∶2)顯著下降,磷脂PUFA(C18∶2)相對含量的下降較中性脂肪變化更顯著(P<0.05)。

低溫錫箔烘烤組總脂中PUFA(C18∶2)下降較微波組顯著,且其C18∶2在1～2 d變化較其他階段顯著,而微波組2～3 d變化較其他階段顯著。低溫烘烤組的MUFA(C18∶1)整體較微波組高,且儲藏期間升高較微波組更顯著(P<0.05);同時,低溫烘烤組中性PUFA(C18∶2)相對含量的下降較微波組顯著(P<0.05);儲藏期間磷脂脂肪酸組成變化與中性脂肪酸組成變化類似,其中低溫烘烤組磷脂中PUFA(C18∶2)在1～2 d儲藏期間下降幅度較其他區間明顯,這與其總脂組成變化趨勢類似。

2.2 儲藏期間南瓜籽油脂肪酸組成變化的PLSR分析

各指標相關性的荷載圖如圖1所示。為了更清楚地描述不同處理對南瓜籽儲藏期間脂肪酸組成變化的影響,采用PLSR建立多元統計數學模型。PLSR結合了主成分分析、典型相關分析以及多元線性回歸分析這3種方法的優勢[3,16,19,20],目前已有報道應用于Hyla兔系熱加工條件下脂肪酸組成變化[3]、Inra兔系生長期間脂肪酸沉積規律變化[16]、低脂和全脂酸奶的區分[19]、豬肉香腸檢測[20]等領域。

注:X軸代表2種處理的不同儲藏條件(LB4-0 d,LB4-3 d,LB4-6 d,LB4-9 d,LB25-1 d,LB25-2 d,LB25-3 d,MW4-0 d,MW4-3 d,MW4-6 d,MW4-9 d,MW25-1 d,MW25-2 d,MW25-3 d)和LB-SFA, LB-MUFA, LB-PUFA, MW-SFA, MW-MUFA, MW-PUFA,20個0/1樣品變量(LB4和LB25分別代表低溫錫箔烘烤后于4 ℃和25 ℃儲藏,MW4和MW25分別代表微波處理后于4°和25 ℃儲藏);Y軸代表南瓜籽油總脂肪酸(T)、中性脂肪酸(Z)、磷脂脂肪酸(L)組成;內圓和外圓分別代表相關系數R2為0.5、1.0;編號1～4分別代表C16∶0、C18∶0、C18∶1、C18∶2。

經PLSR,得到2個主成分,低溫錫箔烘烤和微波預處理組南瓜籽總脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸各樣本儲藏期間的載荷圖,第1和2主成分分別解釋了Y變量的87%和10%。可見,不同處理方式、儲藏條件(溫度和時間)對南瓜籽脂肪酸的影響主要體現在第1主成分上。

在第1主成分上,在儲藏初期不同處理組南瓜籽總脂肪酸,中性脂肪酸以及磷脂脂肪酸中的PUFA(C18∶2)都有著較高的相對含量,且隨著儲藏時間的延長而逐漸下降;儲藏時間越短,溫度越低,則P4(C18∶2)、T4(C18∶2)、N4(C18∶2)含量越高,而飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸的變化與之相反,尤其是T-SFA和 N-SFA。根據各樣品在第一主成分上的間距分布,微波組樣品在4 ℃儲藏和25 ℃儲藏時脂肪酸組成變化幅度相對均勻;而低溫錫箔烘烤組脂肪酸在4 ℃儲藏后期和25 ℃儲藏1～2 d期間變化幅度較大。整體來看,低溫錫箔烘烤組的脂肪酸組成較微波組變化更顯著,這可能與低溫錫箔烘烤組儲藏初期PUFA較微波組高,且儲藏期間N1(C16∶0)、P2(C18∶0)、P3(C18∶1)、T3(C18∶1)相對含量的大幅升高有關。

2.3 儲藏期間不同處理南瓜籽油AV變化

油脂在儲藏過程中,會因為水分、光線、脂肪酶、溫度等因素發生分解,AV代表油脂分解后產生游離脂肪酸的量,它是衡量油脂酸敗品質一項重要指標。經低溫錫箔烘烤處理(LB組)和微波處理(MW組)南瓜籽粗油在4、25 ℃儲藏條件下AV的變化,不同處理組南瓜籽油在4 ℃和25 ℃儲藏條件下AV變化如圖2所示。

圖2 不同處理組南瓜籽油在4 ℃和25 ℃儲藏條件下AV變化

在4 ℃和25 ℃儲藏期間,2組處理南瓜籽粗油的AV值都有顯著升高,其中LB組在4 ℃儲藏3 d之后和25 ℃儲藏2 d之后較MW組有更顯著的升高,這可能是由于LB在此期間部分不飽和脂肪酸發生了較明顯的氧化所致,尤其是PUFA組分。這是由于熱處理確實影響了油脂的穩定性,同時油脂在儲藏過程中受微生物、溫度、氧氣等作用發生水解,產生游離脂肪酸,因此AV由于游離脂肪酸的積累不斷增大[18],而另一方面,不同處理方式提得油脂中的油脂伴隨物也有所差異,會對油脂氧化有一定影響[21]。

根據GB/T 1.1—2009起草發布的LS/T 3250—2017中規定浸出成品南瓜籽油的酸值應當≤2.0mg KOH/g[22],本研究中樣品的酸值都在1.4～2.6 mg KOH/g之間,故微波預處理南瓜籽粗油在4 ℃ 0～3 d和25 ℃ 0～1 d儲藏期間品質符合要求。

2.4 儲藏期間不同處理南瓜籽油POV變化

食品在儲藏期間,初期南瓜籽油脂富含的PUFA組分會發生氧化反應進而生成氫過氧化物,POV是衡量油脂變質腐敗的重要參照指標之一[23]。在不同儲藏條件下LB組和MW組南瓜籽的過氧化值變化趨勢,不同處理組南瓜籽油在4、25 ℃儲藏條件下POV變化如圖3所示,都呈現出隨著儲藏時間的延長,POV顯著升高的規律。4 ℃儲藏時LB組POV在6～9 d期間顯著的升高,而MW組在3～9 d期間有了大幅升高,且升高幅度較低溫錫箔烘烤組更顯著。25 ℃儲藏時,LB組在儲藏期間變化幅度相對均勻,而MW組POV在整個儲藏期間都有著更為顯著的增長,且整體高于LB組。這可能是由于微波組在此期間脂類氧化產生了較多的氫氧化物所致。

圖3 不同處理組南瓜籽油在4 ℃和25 ℃儲藏條件下POV變化

GB 2716—2005規定,食用植物油和植物原油的POV都必須≤0.25 g/100 g,在國家其他標準中實行質量分級管理。樣品POV在0.06～0.22 g/100 g之間,故微波預處理所得南瓜籽油在4 ℃ 0～3 d和25 ℃ 0～9 d儲藏期間品質同樣符合要求。

2.5 南瓜籽油儲藏過程中品質變化動力學模型的建立與驗證

2.5.1 儲藏期間不同處理南瓜籽油PUFA相對含量與AV和POV的相關性

諸多研究顯示,南瓜籽的PUFA對其功效發揮起著重要的作用,比如預防濕疹、抗過敏、降血糖和血脂、抑制血栓形成和血小板聚集、預防及治療前列腺疾病等[14,24,25],因此選用南瓜籽油總脂肪酸中PUFA占比與AV和POV進行相關性分析,不同處理南瓜籽油PUFA相對含量與AV和POV的相關性見表2,南瓜籽油總脂肪酸中PUFA(C18∶2)相對質量分數與過氧化值、酸價的變化呈現了較好的相關性(P<0.05),且pearson相關系數均大于0.9,且在25 ℃儲藏時與AV變化的相關性極顯著(P<0.01)。鑒于此,選擇POV進行粗南瓜籽油儲藏過程中貨架期預測模型的構建。

表2 不同處理南瓜籽油PUFA相對含量與AV和POV的相關性

2.5.2 不同儲藏方式下南瓜籽粗油POV變化的回歸方程

利用Origin 8.0對不同儲藏溫度條件下過氧化值變化曲線進行線性擬合,得到擬合線性回歸方程和回歸系數R2及變化速率常數k值,不同儲藏方式下南瓜籽粗油POV變化的回歸方程見表3,4 ℃(277.15 K)和25 ℃(298.15 K)儲藏條件下所分別建立回歸方程的復相關系數R2均大于0.95,表明回歸方程具有較高的擬合度;同時,得到過氧化值的變化速率常數k。

表3 不同儲藏方式下南瓜籽粗油POV變化的回歸方程

以lnk對儲藏溫度的倒數1/T作圖,得到線性方程y=-6.566 952 73x+19.147 85。由該方程計算得到過氧化值的活化能Ea為5.460 03×104J/mol,前因子k0為206 921 489.2。在此基礎上建立粗南瓜籽油儲藏過程中過氧化值變化速率常數k與儲藏溫度T之間的Arrhenius方程、動力學方程以及貨架期預測方程分別為:

Arrhenius方程:

一級動力學方程:

貨架期預測公式:

據所得到的POV值貨架期預測方程,當確定了儲藏溫度、初始POV值及終點POV值,即可計算出某一確定的溫度條件下南瓜籽油的儲藏時間,可對其貨架期進行預測。此外,也可以通過南瓜籽油的儲藏溫度、初始POV值以及儲藏時間,計算出確定的儲藏溫度條件下儲藏一定時間后的POV值,對油脂品質的變化進行監控。

2.5.3 不同處理南瓜籽油品質變化動力學模型的預測

根據國標限量(POV值為0.25 g/100 g),得出4、25 ℃儲藏溫度下,LB組南瓜籽油的貨架期預測值分別為128.5、24.2 d,MW組南瓜籽油的貨架期預測值分別為94、28 d,與實際值差異不顯著(P<0.05),不同處理南瓜籽油的貨架壽命預測值與實際值比較見表4。2種處理的南瓜籽油耐儲性均良好,LB組的貨架期較MW組更長。此外,南瓜籽油儲藏品質受加工處理方式、儲藏環境條件、包裝材料、微生物菌群等多因素影響[4,12],不同處理后南瓜籽中油脂伴隨物的組成與含量對南瓜籽油儲藏安全性的影響也將是后續進一步探索的方向。

表4 不同處理南瓜籽油的貨架壽命預測值與實際值比較

3 結論

低溫錫箔烘烤和微波處理后的南瓜籽油均由棕櫚酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)、油酸(C18∶1,cis-9)、亞油酸(C18∶2,cis-9,12)4種主要脂肪酸組成,其中PUPA(C18∶2,cis-9,12)在總脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸種相對含量豐富。在4、25 ℃儲藏過程中,2種處理南瓜籽總脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸中總SFA(C16∶0和C18∶0)和MUFA(C18∶1)呈整體升高趨勢(P<0.05),而PUFA(C18∶2)呈下降趨勢(P<0.05)。微波組樣品在4 ℃儲藏和25 ℃儲藏時脂肪酸組成變化幅度較之低溫錫箔烘烤組相對均勻,低溫錫箔烘烤組儲藏初期PUFA較微波組高,其脂肪酸組成較微波組變化更顯著。在4、25 ℃儲藏期間,2種處理后南瓜籽油AV和POV值都呈現顯著升高趨勢(P<0.05),微波組較LB組增長幅度更大。儲藏動力學模型預測錫箔烘烤后南瓜籽油在4、25 ℃儲藏溫度下貨架期分別為129、24 d;微波組分別為94、28 d,預測值與實際值差異不顯著(P>0.05)。低溫錫箔烘烤和微波預處理的南瓜籽PUFA相對含量都豐富,從南瓜籽油總脂肪酸中PUFA角度來看耐儲性良好,低溫錫箔烘烤組較微波組貨架期更長。