劉志明，唐彥君，孫清瑞

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319）

大豆油是我國的主要食用植物油，富含不飽和脂肪酸[1-2]，營養(yǎng)價值高，具有多重生理作用，保健功能強[1-4]，價廉物美，在國民生活和食品工業(yè)中占有重要地位。然而，其中的不飽和脂肪酸易發(fā)生氧化[5-6]，給其保質(zhì)貯存和食品加工帶來困惑，其變質(zhì)后也產(chǎn)生食品安全問題[5，7-11]。目前，大豆油氧化的影響因素很多，但缺乏貯存容器頂空率（Headspace Ratio，HSR。指容器中大豆油試樣體積與容器容積的百分比）對其氧化影響的研究報道。一些與“頂空”有關(guān)的名詞僅限于頂空分析及有關(guān)測試技術(shù)，如頂空氣相色譜法，主要用于生活飲用水中揮發(fā)性鹵代烴和工業(yè)污水中揮發(fā)性有機物的檢測、藥物中有機溶劑殘留的檢測、油脂鑒別及其貯存期間質(zhì)量跟蹤分析等方面。香蕉、薄荷油、烤咖啡、釀造產(chǎn)品（白蘭地酒、威士忌酒等）揮發(fā)性組分的HS-GC 分析，可由色譜圖識別其風(fēng)味物質(zhì)。對食用油而言，與HSR 略有關(guān)聯(lián)的只有市售瓶裝食用植物油（葵花籽油、調(diào)和油、大豆油、菜籽油、玉米油、花生油）反復(fù)開、封情況下氧化酸敗的研究[12]和常溫下開口、封口放置對大豆油酸值（Acid Value，AV）與過氧化值（Peroxide Value，POV）的影響[13]。馮怡[14]以頂空氣體分析法為基礎(chǔ)，初步定性討論了包裝容器頂空氣體（空氣、二氧化碳）對粉體食品、固體藥物及液體飲料貨架期的影響問題。CHO E E 等[6]曾在綜述文獻中對HSR、氧分壓和試樣表面積/體積比對食用植物油氧化的影響闡述了觀點。所有這些均未涉及HSR 影響食用植物油氧化的定量試驗研究，亦未見到同時用多個表征參數(shù)（Characterization Parameters，CP）綜合描述HSR 影響食用植物油氧化的試驗研究文獻。有關(guān)大豆油氧化的研究文獻中CP 多為單一的，用兩種或多種CP 同時描述大豆油氧化的情況較少。即便如此，也是各自獨立表征，缺乏相互之間的聯(lián)系與比較。因此，從化學(xué)動力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)角度入手，采用它們的耦合技術(shù)，探討多CP 綜合描述大豆油的氧化十分必要。

針對HSR 對大豆浸出油（Extracted Soybean Oil，ESO）氧化的影響，采用電導(dǎo)率（κ）、POV、AV、等容燃燒熱值（Qv）和折光率（n）5 個CP 同時綜合描述其氧化過程，探究規(guī)律性及同一性，為全面而深入地認(rèn)識大豆油氧化問題提供參考。

1 試驗方法

1.1 材料與試劑

大豆浸出油：市售新品，符合GB 1535 三級油要求。國產(chǎn)分析純試劑：冰乙酸、異辛烷、石油醚（沸程60～90 ℃）、碘化鉀、無水硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、水楊酸、氫氧化鉀、無水乙醇、酚酞、0.1 mol·L-1鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、苯甲酸；蒸餾水：符合GB/T 6682[15]二級水要求；一次性注射器（2 mL）及針式過濾膜（有機型，0.45 μm 孔徑）。

1.2 儀器與設(shè)備

FE30 型電導(dǎo)率儀：梅特勒-托利多儀器有限公司；SHR-15B 型數(shù)顯氧彈式熱量計（含配件）：南京桑力電子設(shè)備廠；2WAJ 型阿貝折光儀：上海光學(xué)儀器一廠；其他儀器和設(shè)備有FA1204B 型分析天平、AR847+型溫濕度計、TES-1336A 型數(shù)位式照度計、DGG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HJ-3 型恒溫磁力攪拌器，還有試樣氧化容器（自組裝的套裝容器[16]、自加工的2 L 透明PC 容器和購置的2 L 不銹鋼容器）及小器鬼牌系列LED 燈。

1.3 試樣氧化

按照文獻[17]方法設(shè)定和調(diào)控試樣氧化溫度（T）、照度（I），試樣容器內(nèi)的相對濕度（RH）、氧分壓，調(diào)控試樣容器內(nèi)HSR 分別為20%、35%、50%、65%和80%，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)對ESO 試樣連續(xù)密閉氧化515 h，每個HSR 條件下做3 個平行樣。到設(shè)計的氧化時間（t）時取出試樣容器，搖勻，冷卻至室溫，同時分別測定κ、POV、AV、Qv 和n（取3 次測定相近數(shù)據(jù)的平均值）。

1.4 試樣表征參數(shù)（CP）測定

κ 測定采用水作萃取溶劑，石油醚作萃取助劑，經(jīng)嚴(yán)格控制條件攪拌萃取后，靜止分離，用電導(dǎo)率儀測定水相電導(dǎo)率，具體操作按文獻[17]方法進行；POV測定以GB 5009.227-2016[18]為基礎(chǔ)，在探索基礎(chǔ)上對測定方法進行了改進，對測定條件進行了優(yōu)化[16]；AV 測定參照GB 5009.229-2016[19]方法進行，測定時對方法和條件亦進行了改進與優(yōu)化[16]；n 用阿貝折光儀按說明書所述方法測定；Qv 測定按文獻[20]方法進行，用鎳鉻絲外加棉線作引燃物，控制量熱計內(nèi)筒水溫與室溫的溫差小于1 ℃，溫升測準(zhǔn)至0.001 ℃，試樣量1 g（稱準(zhǔn)至0.000 1 g），Qv 算式中放熱物質(zhì)增加棉線項，棉線Qv 為21.668 kJ·g-1，量熱計比熱容為14.450 kJ·℃-1。CP 測定數(shù)據(jù)用SPSS Statistics 17.0 軟件處理，試驗曲線用Microsoft excel 2007 軟件繪制。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 大豆浸出油（ESO）氧化過程的化學(xué)動力學(xué)規(guī)律

ESO 試樣在各HSR 條件下的5 種CP 測定數(shù)據(jù)如表1 所示。將表1 數(shù)據(jù)繪成X～t 曲線（以X 代表κ、POV、AV、QV 和n）分別如圖1、圖3、圖5、圖7 和圖9 所示。圖2 是用κ～t 曲線方程的二項式系數(shù)（在κ～t 二項式關(guān)系中，t2的系數(shù)對κ 的影響最大）與HSR 關(guān)系曲線，圖4、圖6、圖8、圖10 分別是以POV、AV、QV、n 為CP 時的k～HSR 曲線（k 為速率常數(shù)）。

表1 各頂空率（HSR）下試樣的表征參數(shù)（CP）測定數(shù)據(jù)Table 1 Characterization parameters（CP）determination data of test sample under five headspace ratio（HSR）

數(shù)據(jù)表明：（1）5 種CP 的數(shù)值均隨t 的延長而增大。除圖1 中的κ～t 關(guān)系為二項式曲線，不具有簡單級數(shù)化學(xué)反應(yīng)特征，無法得出速率常數(shù)kκ（以κ 為CP 時的速率常數(shù)）外，其余X～t 曲線都是直線，所描述的反應(yīng)符合零級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特征（油脂氧化反應(yīng)絕大多數(shù)都是簡單級數(shù)反應(yīng)[21]），且相關(guān)性較好，說明ESO 氧化可用數(shù)學(xué)關(guān)系或化學(xué)動力學(xué)方程定量描述，由相應(yīng)曲線斜率即可求得k（kPOV、kAV分別是以POV、AV 為CP 時的k，等于各自曲線的斜率；kQV、kn分別是以QV、n 為CP 時的k，等于各自曲線的負(fù)斜率）；（2）k 隨HSR 增大而升高。相同條件下HSR 越大，容器中氧氣含量越多，試樣氧化越充分，可加快ESO 氧化反應(yīng)速率；（3）相同條件下同一氧化試樣用不同CP 所揭示的k 值相差較大。圖11 比較了POV、AV、QV、n 作CP 時，ESO 氧化反應(yīng)的k 值受HSR 影響的差異。這些曲線的回歸方程定量地反映了HSR 對ESO 氧化的影響。

圖1 各頂空率（HSR）下κ 與t 關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of κ and t under five headspace ratio（HSR）

圖2 二項式系數(shù)與頂空率（HSR）關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of binomial coefficient and headspace ratio（HSR）

圖3 各頂空率（HSR）下POV 與t 關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of POV and t under five headspace ratio（HSR）

圖5 各頂空率（HSR）下AV 與t 關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of AV and t under five headspace ratio（HSR）

圖6 kAV 與頂空率（HSR）關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of kAV and headspace ratio（HSR）

圖7 各頂空率（HSR）下Qv 與t 關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of Qv and t under five headspace ratio（HSR）

圖8 kQv 與頂空率（HSR）關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of kQv and headspace ratio（HSR）

以POV 為CP 的試樣氧化的k 最大，其次是Qv為CP 的k，再次是AV 和n 為CP 的k。在油脂的氧化過程中，POV 是試樣中原有或氧化試驗產(chǎn)生的過氧化物量的化學(xué)表征參數(shù)，作為油脂氧化過程的初級產(chǎn)物，過氧化物的積蓄性強于其轉(zhuǎn)化性[17]，其值理應(yīng)最大；AV 是衡量氧化試樣中游離脂肪酸多少的化學(xué)表征參數(shù)，且測得的主要是可溶性游離脂肪酸量，難以反映游離脂肪酸的實際總量，其值必然小于POV；Qv是反映油脂化學(xué)鍵能變化的熱力學(xué)表征參數(shù)，其值的變化與試樣的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，與試樣總含氧量關(guān)系更為密切，在油脂氧化進程中，試樣總含氧量變化較大，但試樣的初級氧化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為次級產(chǎn)物后，其含氧量要小于過氧化物，故Qv變化幅度要小于POV；n 是一個光學(xué)物理量，能反映液體有機物純度，影響因素較多，主要有試樣的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、入射光線波長、環(huán)境溫度與壓力等，ESO 作為混合物，這些因素雖在試驗期間有變化，但試樣的主要結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的變化幅度并不大，故n 值變化較小。該結(jié)果說明不同的CP 對ESO 貯存的環(huán)境條件敏感度相差懸殊。油脂氧化速率快、慢（對應(yīng)k 的大、?。┎荒芄铝⒌嘏袛?，要用多種CP 相互結(jié)合，綜合分析，才能正確描述。

圖9 各頂空率（HSR）下n 與t 關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves of n and t under five headspace ratio（HSR）

圖10 kn 與頂空率（HSR）關(guān)系曲線Fig.10 Relation curve of kn and headspace ratio（HSR）

由于試驗條件下以κ 為CP 描述的ESO 氧化不是簡單級數(shù)的化學(xué)反應(yīng)，故未將κ 隨HSR 變化情況繪入圖11。但從圖2 可知，HSR 對κ 的影響較大。HSR 的增大可能對ESO 氧化產(chǎn)生極性物質(zhì)較有利。κ 是間接反映ESO 氧化過程中極性物質(zhì)含量的電化學(xué)表征參數(shù)，而極性物質(zhì)的水溶性和電導(dǎo)性差異很大，只有水溶性好、導(dǎo)電性強的極性物質(zhì)才對κ 增大起決定作用。油脂氧化過程及其氧化產(chǎn)物均十分復(fù)雜，極性物質(zhì)隨氧化程度的深化而增多，其水溶性、電導(dǎo)率的增幅或劇或緩均屬正常。

圖11 k 與頂空率（HSR）關(guān)系曲線Fig.11 Relation curves of k and headspace ratio（HSR）

2.2 測定數(shù)據(jù)的相關(guān)性與顯著性分析

在五種HSR 單因素條件下測得的各CP 數(shù)據(jù)的方差分析情況如表2 所示。數(shù)據(jù)表明，各CP 與HSR都有較好的相關(guān)性，調(diào)整相關(guān)系數(shù)在0.910 5～0.999 5之間，且各HSR 下CP 的測定數(shù)據(jù)差異顯著（P 基本小于0.05，P 在0.05～0.06 之間的情況較少，而P≤0.01 的情況居多）。圖1、圖3、圖5、圖7 和圖9 曲線表明，各CP 的動力學(xué)模型也具有較好的相關(guān)性，CP預(yù)測價值較高，滿足ESO 氧化過程的描述需求。

2.3 討論

除了上述CP 外，現(xiàn)有描述油脂氧化的CP 還有很多，如羰基價、極性組分（PC）含量、TBA 值、介電常數(shù)、共軛二烯酸含量、穩(wěn)定性指數(shù)、茴香胺值、二烯值、碘值、皂化值等，但未見用Qv作CP 的研究報道。大豆油的不飽和脂肪酸含有C＝C 鍵，其氧化活性高，從氧化初期形成不穩(wěn)定的氫過氧化物，到氫過氧化物分解為次級產(chǎn)物（醇、醛、酮、酸、環(huán)狀含氧化合物、聚合物等）[7]的過程中，試樣總C、H 數(shù)并未增加，但O不斷增多，可燃性變差。大豆油及其氧化初、次級產(chǎn)物，完全燃燒都生成CO2和H2O，CO2中C＝O 鍵（608 kJ·mol-1）和H2O 中O-H（424.7 kJ·mol-1）的鍵能[22]雖不很高，但CO2和H2O 的分子量很小，其物質(zhì)的量具有加合性，故終極產(chǎn)物的總鍵能很高。大豆油氧化后生成的氫過氧化物或過氧化物的鍵能并不高（EC-O=384.93 kJ·mol-1、EO-O=199.2 kJ·mol-1、EO-H=468.6 kJ·mol-1），但其化學(xué)活性很高，自其產(chǎn)生始，氧化逐漸加重，氧化的各狀態(tài)產(chǎn)物的總鍵能有隨氧化程度的加深而增大（-COOR 中EC=O=803 kJ·mol-1、羧基中EC=O=598 kJ·mol-1、脂肪酸中EC-O=404.2 kJ·mol-1） 的趨勢，與完全氧化產(chǎn)物的總鍵能差值將越來越小。故大豆油及其氧化過程中任何狀態(tài)的產(chǎn)物完全燃燒的Qv與其前一氧化狀態(tài)對應(yīng)的產(chǎn)物Qv比較應(yīng)有所降低。自動氧化的初始階段，油脂要吸氧生成過氧化物，致使氧化油脂增重。評價油脂氧化穩(wěn)定性的熱重分析法已證實油脂氧化期內(nèi)重量有顯著增加[23-24]；測定氧吸收量的實踐也證明油脂氧化期內(nèi)盛油密閉容器內(nèi)氧濃度顯著下降[23，25-26]。這些都為油脂氧化過程中Qv趨于降低提供了依據(jù)。劉曉庚等[27]的研究認(rèn)為，Qv是描述生物質(zhì)貯存狀態(tài)的指標(biāo)，氧化是生物質(zhì)貯藏過程的重要表現(xiàn)。對于油脂而言，貯藏氧化是個增氧過程。

表2 五種頂空率（HSR）條件下試樣測定數(shù)據(jù)的方差分析bTable 2 Measurement data ANOVA of test samples under five headspace ratio（HSR）

用Qv表征大豆油的氧化過程具有首創(chuàng)性，其是否能成為一種公認(rèn)的CP 還有很多工作要做，甚至需要一個較長的認(rèn)識過程。但該表征方法在揭示油脂氧化過程中結(jié)構(gòu)變化的作用是獨一無二和無可替代的。5 種CP 所揭示的ESO 氧化反應(yīng)的視角不同，故CP 要根據(jù)表征的目的來選擇（CP 的選用會影響對ESO 氧化的認(rèn)識，進而影響貯存條件的選擇），無目的要求時，要盡量選擇測定簡便而準(zhǔn)確度高，變化幅度明顯的CP。由于試驗條件下以κ 為CP 描述的ESO 氧化不是簡單級數(shù)的化學(xué)反應(yīng)，故未將κ 隨HSR 變化情況繪入圖11。但從圖2 可知，HSR 對κ的影響較大。HSR 的增大可能對ESO 氧化產(chǎn)生極性物質(zhì)較有利。κ 是間接反映ESO 氧化過程中極性物質(zhì)含量的電化學(xué)表征參數(shù)，而極性物質(zhì)的水溶性和電導(dǎo)性差異很大，只有水溶性好、導(dǎo)電性強的極性物質(zhì)才對κ 增大起決定作用。油脂氧化過程及其氧化產(chǎn)物均十分復(fù)雜，極性物質(zhì)隨氧化程度的深化而增多，其水溶性、電導(dǎo)率的增幅或劇或緩均屬正常。

在大豆油的貯存、銷售、食用過程中，容器中的HSR 隨著大豆油的不斷消耗而逐漸增大，而且HSR的增大是不可避免的，其影響也難以消除。大豆油在容器中HSR 大且貯存時間長、消耗速率慢的情況下，其氧化受到HSR 的影響很大。采用小包裝可在一定程度上避免大豆油長期處于較大的HSR 狀態(tài)下，有利于其快速消費和減輕其氧化，但增加包裝、貯存、運輸?shù)某杀九c難度。采用絕氧、避光、隔潮的特殊包裝[28]可能是解決這一問題的有效方法。

大豆油容器內(nèi)的氧分壓是與其氧化關(guān)系密切的另一個重要因素，它反映的是容器內(nèi)氧氣濃度問題，而HSR 反映的是容器中氧氣體積問題，兩者聯(lián)系起來反映的是容器中總氧含量問題。大豆油是在有氧存在時發(fā)生自動氧化的，氧量充足與否是其能否發(fā)生顯著氧化反應(yīng)及所發(fā)生的氧化反應(yīng)速率快慢、程度大小的關(guān)鍵條件。HSR 與氧分壓既不可分割，又對立統(tǒng)一[6]，各自都可能成為主要矛盾，前者足夠大時會削弱后者的影響，后者足夠大時也削弱前者的影響，只有在兩者都不占主導(dǎo)地位時，才凸顯出其協(xié)同作用。實際情況下，與HSR 總是由小變大不同的是，氧分壓的變化錯綜復(fù)雜。在密閉時間較長的貯存條件下，容器內(nèi)的氧分壓由大變小，但在貯存容器頻繁開、閉情況下，氧分壓時大時小，并且能相對及時地給容器內(nèi)補充充足的氧氣，使大豆油的氧化在源源不斷地增加氧氣的情況下持續(xù)地進行，直至大豆油徹底氧化酸?。ù蠖褂偷难趸舶橛兴釘“l(fā)生）。所以，能夠有效地控制大豆油貯存容器內(nèi)HSR 的大小及其變化速率，減小頂空內(nèi)的氧分壓（如氣調(diào)，或在包裝容器頂蓋內(nèi)側(cè)裝有安全的除氧劑、使用特殊包裝[28]、小包裝等）是今后大豆油保質(zhì)貯存的主要研究方向之一。

ESO 試樣的氧化程度、速率與試樣氧化試驗方法和條件關(guān)系很大。試驗是在部分模擬與部分加速相結(jié)合的條件下完成的，試樣容器的規(guī)格、氧化條件及CP 測定方法的改變都會對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，但不會改變HSR 對ESO 氧化的影響規(guī)律。除了HSR和氧分壓因素外，T、I、RH、試樣氧化容器的規(guī)格（決定油-氧接觸面積）也是影響試驗結(jié)果的主要因素。大豆油貯存不存在優(yōu)化條件，某些（HSR、T、I、RH、氧分壓、單位體積油在容器中的油-氧接觸面積）條件的數(shù)值越小，大豆油的氧化越慢。因受試驗難度限制，試驗周期相對較短，若延長氧化時間，HSR 對ESO 氧化程度的影響會更突出。試驗研究目的是揭示HSR 對ESO 氧化影響的規(guī)律及各CP 描述的異同，各CP 的測定方法之不足在此不做探討。

3 結(jié)論

HSR 對ESO 的氧化有顯著影響，其影響在貯存容器中具有必然性和動態(tài)性，它是油脂貯存時既應(yīng)重點控制又難以實施控制的技術(shù)參數(shù)。油脂氧化速率隨其貯存容器HSR 的增大而升高，兩者之間有較好的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系。從X～t 曲線形狀看，雖然κ～t 曲線用二項式回歸的相關(guān)性更好，但亦可進行直線回歸，故從某種意義上講，5 種CP 隨t 的變化基本符合零級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。5 種CP 反映的大豆油氧化本質(zhì)存在差異，用不同的CP 描述同一大豆油試樣在相同試驗條件下的氧化，得出的速率、程度差異較大。各CP 雖可在應(yīng)用時靈活選用，但如何用其獨立地或綜合地描述食用植物油的氧化，并對氧化程度、速率及規(guī)律給出統(tǒng)一判斷，是值得深入研究的問題。