羅 晶,顏夢(mèng)婷,李培旭,張翠平,傅 紅
(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建 福州 350108)
12-羥基硬脂酸(12-hydroxystearic acid,12-HSA)在油脂中因其凝膠劑量低[1]、相對(duì)無毒[2]和易獲得,被認(rèn)為是一種理想的低分子質(zhì)量有機(jī)凝膠劑[3],其凝膠化油脂已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥和化妝品中[4-5]。2009年,為了在食品中降低由飽和脂肪及反式脂肪引起的健康隱患,12-HSA首次作為新型的結(jié)構(gòu)化凝膠劑應(yīng)用于如涂抹醬、巧克力糖果及保健食品的食用油脂體系[6-9]。研究表明12-HSA具有獨(dú)特的纖維狀晶體,常作為研究凝膠化油脂在不同環(huán)境下晶型變化的典型代表[10],同時(shí)其還能減緩巧克力因油遷移引起的脂肪起霜[8],控制部分食品基質(zhì)中生物活性化合物的釋放速率并提高生物利用度[9],因此發(fā)展前景廣闊。目前,對(duì)12-HSA的研究主要集中于其凝膠化油脂的機(jī)械性能及晶體結(jié)構(gòu)等方面[11-12],但不可忽略的是,抑制凝膠化油脂的氧化對(duì)保障油脂品質(zhì)安全具有重要意義[13]。由于有機(jī)凝膠化食用油脂的研究起步較晚,目前對(duì)12-HSA的氧化議題尚鮮有具體的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。
12-HSA是分子結(jié)構(gòu)上含有一個(gè)12位羥基取代的十八碳脂肪酸。同其他脂肪酸相比,12-HSA羥基和羧基兩種官能團(tuán)的相互作用能夠形成分子間氫鍵,有助于自組裝成分子聚集態(tài)并形成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使液態(tài)油脂結(jié)構(gòu)化,并促使其凝膠化油脂的效率加倍[14-15]。在氧化機(jī)理方面,已有研究發(fā)現(xiàn)含有一個(gè)羧基的硬脂酸能顯著增加油脂的頂空耗氧量,有明顯的促氧化作用[16];同時(shí),其他凝膠化油脂的氧化研究結(jié)果表明,固態(tài)凝膠結(jié)構(gòu)能一定程度地減少氧氣進(jìn)入油相,從而減緩氧化的發(fā)生[17-18]。鑒于上述機(jī)理,同時(shí)考慮到凝膠劑官能團(tuán)對(duì)油脂真實(shí)氧化指標(biāo)的檢測(cè)干擾[19]及其對(duì)氧化的潛在影響[20],本研究圍繞12-HSA凝膠劑對(duì)油脂熱氧化的作用機(jī)理,討論12-HSA凝膠劑對(duì)油脂氧化指標(biāo)的影響;對(duì)比硬脂酸、硬脂醇和十八烷分子,探究12-HSA的羥基或羧基官能團(tuán)對(duì)油脂氧化的作用;在此基礎(chǔ)上通過室溫及熱加工時(shí)凝膠狀態(tài)的不同,研究凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)油脂氧化的影響;并利用核磁共振氫譜(1H-nuclear magnetic resonance,1H-NMR)法對(duì)12-HSA凝膠化油脂的熱氧化狀態(tài)進(jìn)行分析。以期為提高12-HSA凝膠化食用油脂的氧化品質(zhì)和規(guī)?;瘧?yīng)用提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。
金龍魚一級(jí)大豆油 上海嘉里特種油脂有限公司;12-HSA、硬脂酸(均為工業(yè)級(jí)) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;硬脂醇、十八烷(均為分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鉀(分析純) 西隴科技股份有限公司;氘代氯仿(光譜純,含體積分?jǐn)?shù)0.03%四甲基硅烷) 美國CIL公司。
DYT-PC01電位滴定儀 中科譜創(chuàng)儀器有限公司;MCR302流變儀 奧地利安東帕有限公司;BK-POLR偏振光顯微鏡 重慶奧特光學(xué)儀器有限公司;Q2000差示掃描量熱儀 美國TA公司;7890B氣相色譜儀(配有7697A頂空進(jìn)樣器和CP7538毛細(xì)色譜柱) 美國Agilent有限公司;NMR波譜儀(氫譜,500 MHz) 德國布魯克儀器有限公司。
1.3.1 凝膠化油脂制備與實(shí)驗(yàn)分組
選取大豆油作為基料油,稱取一定質(zhì)量的大豆油加熱攪拌,溫度升至61 ℃時(shí)分別添加相應(yīng)質(zhì)量的12-HSA、十八烷、硬脂醇和硬脂酸(溶劑為大豆油),繼續(xù)加熱攪拌至融化完全,加熱總時(shí)長(zhǎng)(包括升溫時(shí)間)為7 min,制備完成后倒入樣品瓶中儲(chǔ)藏于25 ℃下冷卻備用??瞻捉M只含有大豆基料油,其余加熱步驟相同。
第一組:分別將含有添加量0.2%(以大豆油質(zhì)量計(jì),下同)、0.4%、0.6%和0.8%的十八烷、12-HSA、硬脂醇及硬脂酸油脂產(chǎn)品(6 g,下同)的頂空瓶(規(guī)格為12 mL,下同)置于45 ℃下儲(chǔ)存5 d,冷卻至室溫后測(cè)定其頂空耗氧量。
第二組:分別將含有添加量1%、2%、3%、4%和5%的12-HSA凝膠化油脂的頂空瓶置于25 ℃下儲(chǔ)存15 d后,測(cè)定其頂空耗氧量、流變學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)。
第三組:將含有添加量2%的12-HSA凝膠化油脂的頂空瓶分別置于30、60、90、120、150 ℃中加熱2 h,冷卻至室溫后測(cè)定其頂空耗氧量。
第四組:將含有添加量2%的12-HSA凝膠化油脂置于70 ℃下避光儲(chǔ)存35 d。在氧化0~6 d階段每隔3 d取樣,氧化6~35 d階段,每天取樣。每次均取20 g油樣,進(jìn)行氧化指標(biāo)及1H-NMR測(cè)定。
1.3.2 凝膠化油脂氧化指標(biāo)的測(cè)定
酸價(jià)的測(cè)定參照GB 5009.229—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測(cè)定》;過氧化值的測(cè)定參照GB 5009.227—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測(cè)定》;茴香胺值的測(cè)定參照GB/T 24304—2009《動(dòng)植物油脂 茴香胺值的測(cè)定》;總氧化值(total oxidation value,TOTOX)為茴香胺值與4 倍過氧化值之和[21]。
1.3.3 頂空耗氧量的測(cè)定
采用7890B氣相色譜儀(熱導(dǎo)檢測(cè)器):檢測(cè)器溫度230 ℃;載氣He,流速5 mL/min;進(jìn)樣口溫度120 ℃;柱溫25 ℃;尾吹氣為He,流速為3 mL/min;分流比50∶1[17]。頂空瓶中的氧氣剩余量會(huì)因油脂氧化而發(fā)生變化,頂空耗氧量根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算[22]。
1.3.4 流變性質(zhì)的測(cè)定
采用MCR302流變儀測(cè)定流變性質(zhì),振蕩頻率為0.1~100 Hz,振蕩應(yīng)力為0.1%(線性黏彈區(qū)內(nèi)),測(cè)定在25 ℃下添加量1%、2%、3%、4%和5% 12-HSA凝膠化油脂儲(chǔ)能模量隨振蕩頻率的變化[23]。
1.3.5 偏振光顯微鏡觀察
將適量12-HSA凝膠化油脂樣品置于載玻片上,蓋上蓋玻片輕壓成透明薄片,用連接Canon數(shù)碼相機(jī)的偏振光顯微鏡觀察樣品的結(jié)晶形態(tài),放大倍數(shù)為100[12]。
1.3.6 差示掃描量熱儀測(cè)定熱穩(wěn)定性
分別稱取適量添加量2%的12-HSA凝膠化油脂樣品置于坩堝內(nèi),壓緊密封。采用程序控溫,先以10 ℃/min的速率將樣品從室溫加熱至150 ℃,再以20 ℃/min的速率降至室溫,測(cè)定其熱力學(xué)曲線[13]。
1.3.71H-NMR圖譜的測(cè)定
將1 mL凝膠化油脂樣品溶解于5 mL氘代氯仿(CDCl3)混勻后,取0.6 mL混合液裝入核磁管中,在室溫下平衡5 min進(jìn)行測(cè)定。以四甲基硅烷(δ=0)為內(nèi)標(biāo),譜寬δ0~20、掃描次數(shù)16 次、脈沖間隔2 s、脈沖序列zg30,測(cè)定樣品的1H-NMR圖譜。利用Bruker TOPSPIN2.1軟件對(duì)1H-NMR圖譜進(jìn)行基線校正與相位校正,然后進(jìn)行后續(xù)積分處理[24]。
所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)測(cè)定3 次,采用Origin 2019軟件作圖,采用SPSS 19軟件通過單因素方差分析和Tukey's多重比較分析樣品之間的顯著性差異(P<0.05)。
12-HSA作為新型的食用油脂凝膠劑,其分子官能團(tuán)可能參與油脂氧化指標(biāo)檢測(cè)過程中的滴定反應(yīng)或比色反應(yīng),進(jìn)而無法準(zhǔn)確反映油脂的氧化狀態(tài)。本研究在過氧化值、茴香胺值及丙二醛值的氧化指標(biāo)測(cè)定中,未發(fā)現(xiàn)12-HSA凝膠劑能夠參與或干擾上述指標(biāo)的檢測(cè)過程,且發(fā)現(xiàn)上述指標(biāo)均與頂空耗氧量呈良好的正相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)未顯示)。但是在酸價(jià)的測(cè)定中,發(fā)現(xiàn)油脂的實(shí)測(cè)酸價(jià)和凝膠化油脂中12-HSA的質(zhì)量(大豆油質(zhì)量(10 g)×添加量/%)呈正相關(guān)關(guān)系,具體如圖1A所示。同時(shí)結(jié)果還表明,單獨(dú)的12-HSA凝膠劑在滴定過程中消耗KOH滴定液(圖1B),導(dǎo)致實(shí)測(cè)酸價(jià)比油脂中游離脂肪酸所反映的真實(shí)酸價(jià)更高。這是由于12-HSA含有能電離出氫離子的羧基或羥基,氫離子消耗了KOH滴定液。因此在測(cè)定12-HSA凝膠化油脂的游離脂肪酸真實(shí)酸價(jià)時(shí),應(yīng)扣除12-HSA凝膠劑對(duì)KOH滴定液的消耗[19](公式(2))。
圖1 12-HSA凝膠劑對(duì)大豆油脂酸價(jià)的影響Fig.1 Effect of 12-HSA on acid value of soybean oil
綜上,大部分傳統(tǒng)氧化測(cè)定方法只能研究氧化的部分產(chǎn)物,但是頂空耗氧法能動(dòng)態(tài)地反映油脂氧化中氧氣消耗的量,對(duì)氧化的評(píng)價(jià)更直觀且更加準(zhǔn)確[17-19],因此本研究選用頂空耗氧法作為后續(xù)的氧化測(cè)定方法。
12-HSA是分子結(jié)構(gòu)上含有12位羥基及頭端羧基兩種官能團(tuán)的脂肪酸。同12-HSA相比,十八烷缺少了12位羥基和頭端羧基,而硬脂醇及硬脂酸分別只含有這兩個(gè)官能團(tuán)中的羥基和羧基。
由圖2可知,12-HSA、硬脂醇及硬脂酸對(duì)油脂均表現(xiàn)出促氧化作用,而十八烷油脂的頂空耗氧量與空白組無明顯差異。表明羥基及羧基的存在均能促進(jìn)油脂的氧化,且羥基與羧基單獨(dú)作用下的促氧化作用要強(qiáng)于同時(shí)含有羥基與羧基的12-HSA。從官能團(tuán)上看,硬脂醇的羥基和硬脂酸的羧酸均為疏油性基團(tuán),分子結(jié)構(gòu)中端基的疏油基團(tuán)與它們的親油性烴尾組合,能增強(qiáng)分子的空氣-油界面濃縮效應(yīng),并且因在空氣-油界面聚集而加速氧的擴(kuò)散速率[25],同時(shí)吸引促進(jìn)氧化的過渡金屬[26]。另外,由于硬脂酸的親水親油平衡(hydrophile lipophilic balance,HLB)值大于硬脂醇,高HLB值具有更大的疏油性,導(dǎo)致硬脂酸更易向空氣-油界面移動(dòng),通過其氫鍵作用使羧基相互靠近,界面排列更加緊密,因此比硬脂醇更易降低界面的表面張力并增加溶氧量[16],導(dǎo)致其促進(jìn)油脂氧化的效果更加明顯。但是,12-HSA雖然同時(shí)具有羥基和羧基,其促氧化能力卻不如硬脂酸和硬脂醇,這暗示羥基和羧基的位置對(duì)促氧化作用有較大影響。已有研究表明,線性的脂肪酸更容易進(jìn)入空氣-油脂界面[27],和硬脂酸及硬脂醇的線性結(jié)構(gòu)相比,12-HSA由于12位羥基的存在減弱了其分子結(jié)構(gòu)的線性特征,同時(shí),碳鏈中部的羥基通過相互作用形成的分子間氫鍵,不僅增加了分子聚集體積,而且使其在油相中的移動(dòng)速率低于硬脂酸和硬脂醇;此外,氫鍵導(dǎo)致頭端羧基的遠(yuǎn)離使12-HSA無法像硬脂酸和硬脂醇一樣在空氣-油脂界面緊密排列,溶氧能力降低;因此12-HSA促氧化作用弱于硬脂酸和硬脂醇。
圖2 不同添加量的十八烷、12-HSA、硬脂醇和硬脂酸油脂產(chǎn)品在45 ℃下氧化5 d的頂空耗氧量Fig.2 Headspace oxygen consumption for different additions of octadecane, 12-HSA, stearyl alcohol and stearic acid oil products oxidized at 45 ℃ for 5 d
室溫25 ℃儲(chǔ)藏條件下,12-HSA凝膠化油脂的流變學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)儲(chǔ)能模量與振蕩頻率表現(xiàn)出無關(guān)性時(shí),表明流體已經(jīng)形成了穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28]。由圖3A可知,添加量1%的12-HSA凝膠化油脂在10-1~100Hz和10 Hz處的儲(chǔ)能模量均表現(xiàn)出頻率相關(guān)性,說明其并未形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。添加量2%以上的12-HSA凝膠化油脂的儲(chǔ)能模量均表現(xiàn)出頻率無關(guān)性,表明已經(jīng)形成了穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí),圖3B為25 ℃時(shí)偏振光顯微鏡觀察的添加量2% 12-HSA凝膠化油脂的纖維狀晶體結(jié)構(gòu),顯示出其良好的束縛液態(tài)油脂的特性。結(jié)合圖4的頂空耗氧量測(cè)定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不同添加量的12-HSA凝膠化油脂頂空耗氧量均顯著高于空白組,但是12-HSA添加量2%~5%的凝膠化油脂頂空耗氧量無顯著差異,這和圖3的流變學(xué)性質(zhì)具有一致性,說明此時(shí)形成的穩(wěn)定凝膠化油脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制了分子流動(dòng)性[29],使凝膠內(nèi)部形成致密的保護(hù)膜,阻礙氧氣進(jìn)入油相體系引發(fā)氧化。
圖3 室溫下12-HSA凝膠化油脂的流變學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Rheological properties and microstructure of 12-HSA-containing oleogels at room temperature
圖4 不同添加量的12-HSA凝膠化油脂在25 ℃儲(chǔ)存15 d后的頂空耗氧量Fig.4 Headspace oxygen consumption for oleogels with different additions of 12-HSA oxidized at 25 ℃ for 15 d
凝膠化油脂在不同的食品加工條件下需要經(jīng)歷不同的加熱狀態(tài),加工溫度會(huì)影響12-HSA凝膠化油脂的氧化程度。差示掃描量熱儀分析結(jié)果顯示,12-HSA的熔融溫度為60.23 ℃。添加量2%的12-HSA凝膠化油脂熱力學(xué)曲線如圖5所示,49.56 ℃時(shí)12-HSA凝膠化油脂出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰,此時(shí)油脂開始熔化;60 ℃時(shí)出現(xiàn)12-HSA的吸熱峰,兩處峰圖重疊形成一個(gè)寬的熔融峰,表示凝膠結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。由圖6可知,添加量2%的12-HSA凝膠化油脂與空白大豆基料油的氧化程度均隨溫度的升高而增大;當(dāng)溫度低于60 ℃時(shí),12-HSA凝膠化油脂的氧化程度略低于大豆基料油,此時(shí)12-HSA凝膠化油脂仍處于凝膠狀態(tài),較低溫度的短時(shí)間內(nèi)凝膠網(wǎng)絡(luò)能減緩油脂氧化;當(dāng)溫度大于60 ℃時(shí),12-HSA凝膠化油脂的凝膠結(jié)構(gòu)雖然開始被破壞,但由于12-HSA凝膠體系的黏度仍較大,分子向空氣-油脂界面的移動(dòng)受到限制[29],促氧化作用不明顯;當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí),12-HSA凝膠化油脂的頂空耗氧量相比空白大豆基料油增加了0.65%;隨著溫度繼續(xù)上升,12-HSA油脂凝膠結(jié)構(gòu)完全被破壞,樣品黏度隨溫度的升高而降低[30],導(dǎo)致氧化速率加快、促氧化作用明顯;120 ℃時(shí)12-HSA凝膠化油脂的頂空耗氧量相比空白組增加了1.78%;隨后頂空耗氧量急劇增加,150 ℃時(shí)12-HSA凝膠化油脂的頂空耗氧量比空白對(duì)照組增加了6.8%。以上結(jié)果提示,12-HSA凝膠化油脂食品的加工溫度應(yīng)盡量避免高于90 ℃,且120 ℃以上的高溫將促使產(chǎn)品急劇氧化。
圖5 添加量2%的12-HSA凝膠化大豆油脂熱力學(xué)曲線Fig.5 Thermodynamic curve of 2% 12-HSA-containing oleogels
圖6 添加量2%的12-HSA凝膠化大豆油脂在不同溫度下氧化2 h后的頂空耗氧量Fig.6 Headspace oxygen consumption for 2% 12-HSA-containing oleogels oxidized at different temperatures for 2 h
將添加量2%的12-HSA凝膠化油脂置于70 ℃下35 d進(jìn)行加速氧化實(shí)驗(yàn),并根據(jù)油脂中H質(zhì)子1H-NMR分析結(jié)果反映油脂的熱氧化狀態(tài)。如圖7A所示,δ7.26處為氘代氯仿的溶劑峰,未經(jīng)熱氧化的12-HSA凝膠化油脂的1H-NMR圖譜在δ0~5.5范圍內(nèi)出現(xiàn)9 個(gè)信號(hào)峰[31],這些信號(hào)峰主要由油脂中甘油三酯的不同結(jié)構(gòu)中H質(zhì)子產(chǎn)生。圖7B、C分別為12-HSA凝膠化油脂在熱氧化過程中形成氫過氧化物及共軛烯等初級(jí)氧化產(chǎn)物(δ5.7~6.7)和形成醛類物質(zhì)等次級(jí)氧化產(chǎn)物(δ9.5~9.8)的1H-NMR譜圖[32-33]。數(shù)據(jù)顯示,12-HSA凝膠化油脂在70 ℃下,隨著時(shí)間延長(zhǎng),初級(jí)氧化產(chǎn)物和次級(jí)氧化產(chǎn)物的量均逐漸增加,其中峰4(與過氧化氫基團(tuán)雙鍵相關(guān)的質(zhì)子)、峰5(順,反-共軛二烯)、峰6(反,反-共軛二烯)和峰9(n-烷醛)信號(hào)增強(qiáng)明顯。
圖7 2% 12-HSA凝膠化油脂氧化的1H-NMR譜圖Fig.7 1H-NMR spectra of oxidized 2% 12-HSA-containing oleogels
Rao為脂肪族質(zhì)子(δ0.6~2.5)與烯質(zhì)子(δ5.1~5.4)的峰面積積分的比值,Rad為脂肪族質(zhì)子(δ0.6~2.5)與二烯丙基亞甲基質(zhì)子(δ2.6~2.9)的峰面積積分的比值[18]。隨著12-HSA凝膠化油脂熱氧化的加劇,Rao及Rad均有所增加。這是因?yàn)樵?2-HSA凝膠化油脂在氧化過程中,二烯丙基會(huì)被自由基攻擊,且烯族類發(fā)生分子內(nèi)重排,因此二烯丙基、烯族類(不飽和雙鍵)的信號(hào)峰出現(xiàn)不同程度的降低,飽和脂肪族上質(zhì)子信號(hào)峰則相應(yīng)增加,這些底物信號(hào)峰的變化隨著油脂氧化程度的增加而加劇。如圖8所示,Rao、Rad與TOTOX相關(guān)性較高,其中圖8A的斜率大于圖8B的斜率,表明烯族(一個(gè)雙鍵)質(zhì)子到脂肪族質(zhì)子的相對(duì)轉(zhuǎn)化速率要慢于二烯丙基(兩個(gè)雙鍵)質(zhì)子。高場(chǎng)NMR分析為凝膠化油脂提供了一種快速、無損氧化穩(wěn)定性評(píng)估方法。
圖8 添加量2%的12-HSA凝膠化油脂在70 ℃儲(chǔ)藏過程中的TOTOX和Rao、Rad相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis between total oxidation value of 2%12-HSA-containing oleogels stored at 70 ℃ and their Rao and Rad
本實(shí)驗(yàn)研究了12-HSA凝膠劑對(duì)凝膠化大豆油氧化的影響。結(jié)果表明,在傳統(tǒng)氧化指標(biāo)測(cè)定中,12-HSA凝膠劑能與酸價(jià)測(cè)定中的KOH滴定液反應(yīng),油脂中游離脂肪酸的真實(shí)酸價(jià)應(yīng)為含有12-HSA油脂的實(shí)測(cè)酸價(jià)減去因12-HSA消耗KOH所產(chǎn)生的酸價(jià);12-HSA的促氧化能力低于硬脂醇及硬脂酸;添加量2% 12-HSA凝膠化油脂的穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)能減緩氧化反應(yīng);當(dāng)凝膠結(jié)構(gòu)在高溫下被破壞時(shí),體系向促氧化方向進(jìn)行并在溫度高于120 ℃時(shí)促氧化作用明顯加速;1H-NMR圖譜顯示,12-HSA凝膠化油脂的初級(jí)氧化產(chǎn)物和次級(jí)氧化產(chǎn)物分別集中在化學(xué)位移δ5.7~6.7及δ9.5~9.8處,信號(hào)峰強(qiáng)度均隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增強(qiáng),并且1H-NMR的Rao和Rad與TOTOX相關(guān)性較好。