在單甘油酯、硬脂酸和鐵的存在下大豆油氧化動力學(xué)的研究

在單甘油酯、硬脂酸和鐵的存在下大豆油氧化動力學(xué)的研究摘要對含有1％（w/w）單甘油酯，1％（w/w）硬脂酸和0.005％（w/w）鐵的大豆油在55℃下進(jìn)行氧化動力學(xué)的研究。它的氧化速率取決于該過程當(dāng)中氧氣的消耗量和氫過氧化物的含量。單甘油酯，硬脂酸和鐵的添加會促進(jìn)油脂在貯藏過程中的加速氧化。隨著鐵促過氧化物的分解速率的增加，單甘油酯的耗氧率的也相應(yīng)的增加了。通過研究發(fā)現(xiàn)大豆油反應(yīng)級數(shù)附合一級反應(yīng)動力學(xué)，但不受單甘油酯，硬脂酸或鐵的影響。速率常數(shù)分別為2.55×10-2，2.94×10-2，2.91×10-2，3.02×10-2每小時(shí)，單甘油酯，硬脂酸和鐵的半衰期分別為27.18，23.58，23.82，22.95小時(shí)關(guān)鍵詞：大豆油；脂質(zhì)氧化；鐵；單甘油酯；硬脂酸；動力學(xué)

1.概述

脂質(zhì)氧化，作為一個(gè)不飽和脂肪酸雙鍵飽和的過程，是個(gè)主要的變質(zhì)反應(yīng)，它限制了食品的質(zhì)量和產(chǎn)品的接受程度。通過自由基鏈反應(yīng)的氧化的進(jìn)行，所謂的自動氧化，這可能是由光照、熱能、金屬催化、酶、或激發(fā)態(tài)氧和活性氧（1O2,O3,H2O2,ROOH,,OH,RO,ROO）誘發(fā)的。

植物油氧化直接影響到消費(fèi)者可接受度，并影響脂肪，蛋白質(zhì)，碳水化合物，色素和脂溶性維生素，導(dǎo)致異味，營養(yǎng)價(jià)值損失，變色和生產(chǎn)潛在的有毒化合物（Chungetal.,2004andNawar,1996）。這些變化的程度取決于食品的性質(zhì)（脂肪酸組成，數(shù)量，位置，幾何形狀和雙鍵，促氧化劑，螯合劑，共軛性和抗氧化劑）和它在加工、包裝和存儲（Love,1985,MinandJung,1989,MinandLee,1996,MistryandMin,1987,MistryandMin,1988,Nawar,1996andSimicetal.,1992）過程中的物理化學(xué)環(huán)境（氧氣，水分，溫度，光照）。

經(jīng)過長時(shí)間暴露并在像金屬離子一樣的催化劑存在下植物油在空氣中會迅速變質(zhì)。另外徹底消除植物油中的氧氣是不可能的，因?yàn)橛椭锌赡芤呀?jīng)含有促進(jìn)油脂氧化的氧氣了（Smouse，1995年）。油脂的溶氧在在幾分鐘內(nèi)就被消耗并使氧變成決定速率的因子（Labuza，1971）。

而向植物油中加入一種促氧化劑則改變了該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制和動力學(xué)過程。這些變化的程度取決于促氧化劑的類型，即其目標(biāo)分子與其周圍環(huán)境的類型。大多數(shù)食品中含有的重金屬（銅，鎳，鐵）的量足以催化脂質(zhì)氧化。擁有合適的氧化還原電位的過渡金屬會縮短誘導(dǎo)期，并提高氧化速度。它們還促使過氧化物均裂并產(chǎn)生催化氧化反應(yīng)的自由基（Decker&Hultin,1992）。

大豆油含有0.02-0.07％的游離脂肪酸、約0.1％甘油一酯和1.2％甘油二酯（Mistry&Min,1987）。這些分子中含有親水性和疏水性基團(tuán)的化合物集中在豆油表面氧氣濃度較高的地方。所以在這些化合物的存在下，氧氣在油中溶解得就更多，從而加快了氧化速率（MinandJung,1989,MistryandMin,1988andMiyashitaandTakagi,1986）。

以前對促氧化劑對脂質(zhì)氧化的影響研究主要集中在氧化速率方面而在促氧化劑對動力學(xué)參的影響認(rèn)識不足。因此，本研究的目的就是要確定在55°C光照下單甘油酯，硬脂酸和鐵等對大豆油氧化動力學(xué)的影響程度。

2.材料和方法

2.1.材料

經(jīng)精煉、漂白和脫臭（RBD）后的大豆油取自theACHUMCO(Columbus,OH)。單甘油酯（90％純度）取自ABITECCo.(Columbus,OH)。硫代硫酸鈉和硬脂酸（95％純度）均購自SigmaChemicalCo.(St.Louis,MO)。三氯化鐵購自FisherScientific(Pittsburgh,PA)。淀粉和氯仿均購自J.T.BakerInc.,(Philipsburg,NJ)。碘化鉀和冰醋酸購自MallinkrodtInc.,(Paris,KY)。氦氣是取自于thechemicalstoreattheOhioStateUniversity。

2.2.樣品制備

一個(gè)百分點(diǎn)（w/w）單甘油酯，1％（w/w）硬脂酸和0.005％（w/w）鐵分別加入到RBD的大豆油中作為促氧化劑。每份樣品（15g）轉(zhuǎn)移到30ml血清瓶，用聚四氟乙烯涂層橡膠隔膜和鋁蓋（SupelcoInc.,Bellefonte,PA）密封。樣品瓶存放在一個(gè)有200w，光照強(qiáng)度在4000lux的鎢燈(GeneralElectronicCo.,Cleveland,OH)的鏡像燈箱（70×50×70cm）中24小時(shí)。樣本瓶放置在旋轉(zhuǎn)的塑料盤上（60

rpm），以確保均勻照射。

所有樣品準(zhǔn)備一式三份。處理完成后等樣品達(dá)到室溫，，測量每0，6，12，18和24小時(shí)的樣品氧消耗量和過氧化物形成量。以沒有促氧化劑的（RBD）大豆油作為對照。

2.3.測定耗氧量和氫過氧化物的形成

用氣相色譜頂空氧氣發(fā)分析確定樣品中的氧含量。將血清瓶（100μl）中的頂空氣體注入裝有熱導(dǎo)檢測器和一個(gè)不銹鋼分子篩柱（13X,80/100;Altech,Deerfield,IL）的氣相色譜儀（Hewlett–Packard5890;Avondale,PA）中。以高純度（99.995％）流速為30

ml/min的氦氣作為載體和輔助氣體。烘箱，噴射器和檢測器溫度分別為40，120和150°C。房間空氣氧含量作為參考，以避免每日色譜變化。用Hewlett–Packard3390A電子積分器（Avondale,PA）來記錄峰值。這種電子計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為μmole氧含量的方法基于Parker(1982)的方法。最初氧含量計(jì)算為118μmol。

過氧化值測定法依據(jù)AmericanOilChemists’Societymethod(Cd8-53,AOCS,1989)。

2.4.測定氧化速率常數(shù)（k）及半衰期（t1/2為）

一般反應(yīng)的脂質(zhì)氧化反應(yīng)動力學(xué)速率方程可以寫成：

其中[O2]是氧氣含量的頂空量化值，k為反應(yīng)速率常數(shù)，n為反應(yīng)級數(shù)。

植物油氧化遵循已發(fā)現(xiàn)的半級反應(yīng)。然而，促氧化劑和抗氧化劑的添加改變了半級反應(yīng)和一級反應(yīng)，但有時(shí)在復(fù)雜的食品系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)卻滿足零級動力學(xué)（Labuza,1971andLabuzaandBergquist,1983）?？紤]一級（n=1）反應(yīng)，速率方程是：

\o"ClicktoviewtheMathMLsource"r=-d[O2]/dt=k[O2]整理得：

積分得：

以ln[O2]與t作圖產(chǎn)生斜率為-k的直線。得到一級反應(yīng)的半衰期（t1/2）為：\o"ClicktoviewtheMathMLsource"t1/2=ln2/k2.5.統(tǒng)計(jì)分析

用方差分析法（ANOVA,SASInst.Inc.,1990）和LSD對比法（SAS,Inst.Inc.,2000）一起分析數(shù)據(jù)來確定氧耗量和氫過氧化物形成量與時(shí)間關(guān)系是否密切。差異化定義在當(dāng)p

<

0.05時(shí)。用最小二乘線性回歸（MicrosoftExcel2000）來確定每個(gè)樣品的動力學(xué)參數(shù)和用于決定最適當(dāng)模型的相關(guān)系數(shù)（R2）上。

3.結(jié)果與討論

3.1.耗氧量和氫過氧化物的形成量

脂質(zhì)氧化引發(fā)的過程是先在不飽和脂肪酸的中形成自由基，再由其致使氫過氧化物的形成，并有氧氣參與的一系列反應(yīng)組成。所有樣本氧氣消耗量隨著儲存時(shí)間<單甘油酯<硬脂酸≤鐵不斷增加而增加，并且除了硬脂酸與鐵的樣本各樣本都有明顯差異（p

<

0.05）。類似結(jié)果在氫過氧化物形成也被證實(shí)，但沒有發(fā)現(xiàn)的單甘油酯和硬脂酸之間（p

<

0.05）有明顯變化（數(shù)據(jù)沒有提交）。

圖1顯示了大豆油在55℃貯藏過程中氧消耗和氫過氧化物在有或沒有單甘油酯，硬脂酸或鐵。對所有樣品脂形成率在氧的消耗和過氧化物的形成率在儲存后6小時(shí)大幅上升。耗氧量的增加直接由烷基自由基（R）氧化產(chǎn)生過氧自由基（ROO）的反應(yīng)引起的?？諝獯嬖谙拢琑與氧氣的反應(yīng)幾乎不需要激活能，反應(yīng)速率非?？欤∕in,1998andSimicetal.,1992）。光也能加快速度，可能由光敏氧分子催化產(chǎn)生過氧化物自由基的原因。圖1

圖1動力學(xué)曲線耗氧量（——）和氫過氧化物的形成（---）在大豆油脂的氧化在55°C單甘油酯（1％），硬脂酸（1％）和鐵（5mg/kg）的存在下。

當(dāng)氧氣充足時(shí)，ROO或RO轉(zhuǎn)化為非自由基氧化的物質(zhì)具有低活化能（4

kcal/mol）（Frankel,1985andLabuza,1971）。因此，氧的消耗率增加是因?yàn)镽自由基與氧發(fā)生反應(yīng)。

方差分析（ANOVA）表明，向豆油中加入的硬脂酸和單甘油酯在其儲存的前6小時(shí)對氧的消耗和氫過氧化物形成起到了作用（p

<

0.05）。結(jié)果顯示硬脂酸比單甘油酯效果更明顯。據(jù)了解，游離脂肪酸比甘油三酯更容易被氧化（Nawar，1996）。MinandJung,1989andMiyashitaandTakagi,1986報(bào)告說，游離脂肪酸被氧化的速度比其相應(yīng)的脂肪酸甲酯和碳?xì)浠衔锔?。他們證實(shí)，促氧化劑的活動是由于脂肪酸的極性羧基的存在。MistryandMin(1988)研究了不同單甘油酯對大豆油氧化穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)在含有單甘油酯的油中氧消失率比對照樣品更迅速。他們把這種狀態(tài)歸咎于同一分子中親水和疏水基團(tuán)的存在。親水基團(tuán)使促氧化劑分布于油的表面，從而增大了氧氣在油中的溶解度，這反過來又增加了氧化率。

方差分析表明，含鐵的大豆油在耗氧量和氫過氧化物的形成速率明顯不同于其他樣品(p

<

0.05)。據(jù)報(bào)道，含量小于1

mg/kg銅或鐵就可大幅度降低油脂的穩(wěn)定性（Sherwin,1978）。雖然鐵的主要作用是在誘導(dǎo)期減少活化能15

kcal/mol以下，但是它也影響鏈反應(yīng)，氫過氧化物分解和反應(yīng)終止。尤其是在高價(jià)態(tài)的鐵（Fe+3）一般活性更高，作為自由基引發(fā)劑失去一個(gè)電子變?yōu)閬唭r(jià)態(tài)的鐵（Fe+2），它激活分子氧（3O2），生成單線態(tài)氧（1O2）和氫過氧化自由基（OOH）（Love,1985）。這些反應(yīng)是類似于FentonandHaber–Weiss反應(yīng)，所形成的自由基能夠激發(fā)脂肪在極性或在非極性溶劑中氧化。近年來，鐵氧的組合，即三價(jià)和二價(jià)鐵離子，通過Fe+2/O2或產(chǎn)生的，作為自動氧化反應(yīng)的因素(DeckerandHultin,1992,QianandBuettner,1999andSimicetal.,1992)。經(jīng)6小時(shí)儲存，除了加入單甘油酯的樣品外，所有樣品的氧氣消耗量都減少，因此單甘油酯是降低氧消耗率的因素。當(dāng)油表面的氧含量低時(shí)，R與ROO,RO或其它R基團(tuán)的反應(yīng)降低了重復(fù)反應(yīng)（Frankel,1985）。加入單甘油酯的豆油儲存18小時(shí)時(shí)氧的消耗速率增加，這明顯不同于其它樣品。這可能是由于隨著儲存時(shí)間的增加氧氣溶解度的親水基團(tuán)的作用。氧氣在油中的溶解度大約是在水中3倍以上（McClements&Decker,2000）。經(jīng)6小時(shí)儲存后，除了加入鐵的樣品外所有樣品的過氧化物形成率也明顯降低，這種現(xiàn)象表明過氧化物在形成的同時(shí)也分解。光可能也增加過氧化物的分解（Mistry&Min,1987）。

含有鐵的大豆油的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示氫過氧化物形成率降低后，經(jīng)過6小時(shí)和12小時(shí)后又開始增加。它的減少可能是由于通過Fe+2氧化成Fe+3催化氫過氧化物分解成RO。Fe+2催化氫過氧化物分解是Fe+3的10倍（KilicandRichards,2003andLove,1985）。Fe+3也能催化氫過氧化物分解形成ROO。然而，Min(1998)報(bào)告說，最可能的氫過氧化物分解方式應(yīng)該是RO和OH而不是ROO和H。因?yàn)槠茐难跹蹑I的能量(44

kcal/mol)要比破壞氫氧鍵的(90

kcal/mol)低。因此，Simicetal.(1992)報(bào)告說，RO與脂肪酸的反應(yīng)要比ROO的快并且反應(yīng)速率常數(shù)分別是106–107和10?3–102

M?1

s?1。表1顯示了氧的消耗率和豆油中氫過氧化物形成的比率。平均為3.69，3.03，3.72，2.63，分別是對照，單甘油酯，硬脂酸，鐵的樣本。該比率在都加和硬脂酸樣本增加，但在單甘油酯和鐵的樣品下降。不過這樣的結(jié)果業(yè)界還存在爭論！表1在55°C大豆中含有單甘油酯（1％），硬脂酸（1％）和鐵（5

mg/kg）氧的消耗和氫過氧化物形成率之間的比例時(shí)間(h)對照組單甘油酯組硬脂酸組鐵組62.602.623.023.20123.492.963.352.96183.594.224.282.01245.102.324.242.36

3.2。氧化反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期

Labuza(1971)報(bào)道，脂質(zhì)氧化動力學(xué)符合半級反