在单甘油酯硬脂酸和铁的存在下大豆油氧化动力学的研究

在单甘油酯、硬脂酸和铁的存在下大豆油氧化动力学的研究摘要对含有1％（w/w）单甘油酯，1％（w/w）硬脂酸和0.005％（w/w）铁的大豆油在55℃下进行氧化动力学的研究。它的氧化速率取决于该过程当中氧气的消耗量和氢过氧化物的含量。单甘油酯，硬脂酸和铁的添加会促进油脂在贮藏过程中的加速氧化。随着铁促过氧化物的分解速率的增加，单甘油酯的耗氧率的也相应的增加了。通过研究发现大豆油反应级数附合一级反应动力学，但不受单甘油酯，硬脂酸或铁的影响。速率常数分别为2.55×10-2，2.94×10-2，2.91×10-2，3.02×10-2每小时，单甘油酯，硬脂酸和铁的半衰期分别为27.18，23.58，23.82，22.95小时。关键词：大豆油；脂质氧化；铁；单甘油酯；硬脂酸；动力学1.概述脂质氧化，作为一个不饱和脂肪酸双键饱和的过程，是个主要的变质反应，它限制了食品的质量和产品的接受程度。通过自由基链反应的氧化的进行，所谓的自动氧化，这可能是由光照、热能、金属催化、酶、或激发态氧和活性氧（1O2,O3,H2O2,ROOH,,OH,RO,ROO）诱发的。植物油氧化直接影响到消费者可接受度，并影响脂肪，蛋白质，碳水化合物，色素和脂溶性维生素，导致异味，营养价值损失，变色和生产潜在的有毒化合物（Chungetal.,2004andNawar,1996）。这些变化的程度取决于食品的性质（脂肪酸组成，数量，位置，几何形状和双键，促氧化剂，螯合剂，共轭性和抗氧化剂）和它在加工、包装和存储（Love,1985,MinandJung,1989,MinandLee,1996,MistryandMin,1987,MistryandMin,1988,Nawar,1996andSimicetal.,1992）过程中的物理化学环境（氧气，水分，温度，光照）。经过长时间暴露并在像金属离子一样的催化剂存在下植物油在空气中会迅速变质。另外彻底消除植物油中的氧气是不可能的，因为油中可能已经含有促进油脂氧化的氧气了（Smouse，1995年）。油脂的溶氧在在几分钟内就被消耗并使氧变成决定速率的因子（Labuza，1971）。而向植物油中加入一种促氧化剂则改变了该反应的反应机制和动力学过程。这些变化的程度取决于促氧化剂的类型，即其目标分子与其周围环境的类型。大多数食品中含有的重金属（铜，镍，铁）的量足以催化脂质氧化。拥有合适的氧化还原电位的过渡金属会缩短诱导期，并提高氧化速度。它们还促使过氧化物均裂并产生催化氧化反应的自由基（Decker&Hultin,1992）。大豆油含有0.02-0.07％的游离脂肪酸、约0.1％甘油一酯和1.2％甘油二酯（Mistry&Min,1987）。这些分子中含有亲水性和疏水性基团的化合物集中在豆油表面氧气浓度较高的地方。所以在这些化合物的存在下，氧气在油中溶解得就更多，从而加快了氧化速率（MinandJung,1989,MistryandMin,1988andMiyashitaandTakagi,1986）。以前对促氧化剂对脂质氧化的影响研究主要集中在氧化速率方面而在促氧化剂对动力学参的影响认识不足。因此，本研究的目的就是要确定在55°C光照下单甘油酯，硬脂酸和铁等对大豆油氧化动力学的影响程度。2.材料和方法2.1.材料经精炼、漂白和脱臭（RBD）后的大豆油取自theACHUMCO(Columbus,OH)。单甘油酯（90％纯度）取自ABITECCo.(Columbus,OH)。硫代硫酸钠和硬脂酸（95％纯度）均购自SigmaChemicalCo.(St.Louis,MO)。三氯化铁购自FisherScientific(Pittsburgh,PA)。淀粉和氯仿均购自J.T.BakerInc.,(Philipsburg,NJ)。碘化钾和冰醋酸购自MallinkrodtInc.,(Paris,KY)。氦气是取自于thechemicalstoreattheOhioStateUniversity。2.2.样品制备一个百分点（w/w）单甘油酯，1％（w/w）硬脂酸和0.005％（w/w）铁分别加入到RBD的大豆油中作为促氧化剂。每份样品（15g）转移到30ml血清瓶，用聚四氟乙烯涂层橡胶隔膜和铝盖（SupelcoInc.,Bellefonte,PA）密封。样品瓶存放在一个有200w，光照强度在4000lux的钨灯(GeneralElectronicCo.,Cleveland,OH)的镜像灯箱（70×50×70cm）中24小时。样本瓶放置在旋转的塑料盘上（60rpm），以确保均匀照射。所有样品准备一式三份。处理完成后等样品达到室温，，测量每0，6，12，18和24小时的样品氧消耗量和过氧化物形成量。以没有促氧化剂的（RBD）大豆油作为对照。2.3.测定耗氧量和氢过氧化物的形成用气相色谱顶空氧气发分析确定样品中的氧含量。将血清瓶（100μl）中的顶空气体注入装有热导检测器和一个不锈钢分子筛柱（13X,80/100;Altech,Deerfield,IL）的气相色谱仪（Hewlett–Packard5890;Avondale,PA）中。以高纯度（99.995％）流速为30ml/min的氦气作为载体和辅助气体。烘箱，喷射器和检测器温度分别为40，120和150°C。房间空气氧含量作为参考，以避免每日色谱变化。用Hewlett–Packard3390A电子积分器（Avondale,PA）来记录峰值。这种电子计数转换为μmole氧含量的方法基于Parker(1982)的方法。最初氧含量计算为118μmol。过氧化值测定法依据AmericanOilChemists’Societymethod(Cd8-53,AOCS,1989)。2.4.测定氧化速率常数（k）及半衰期（t1/2为）一般反应的脂质氧化反应动力学速率方程可以写成：其中[O2]是氧气含量的顶空量化值，k为反应速率常数，n为反应级数。植物油氧化遵循已发现的半级反应。然而，促氧化剂和抗氧化剂的添加改变了半级反应和一级反应，但有时在复杂的食品系统中的数据却满足零级动力学（Labuza,1971andLabuzaandBergquist,1983）。考虑一级（n=1）反应，速率方程是：r=-d[O2]/dt=k[O2]整理得：积分得：以ln[O2]与t作图产生斜率为-k的直线。得到一级反应的半衰期（t1/2）为：t1/2=ln2/k2.5.统计分析用方差分析法（ANOVA,SASInst.Inc.,1990）和LSD对比法（SAS,Inst.Inc.,2000）一起分析数据来确定氧耗量和氢过氧化物形成量与时间关系是否密切。差异化定义在当p0.05时。用最小二乘线性回归（MicrosoftExcel2000）来确定每个样品的动力学参数和用于决定最适当模型的相关系数（R2）上。3.结果与讨论3.1.耗氧量和氢过氧化物的形成量脂质氧化引发的过程是先在不饱和脂肪酸的中形成自由基，再由其致使氢过氧化物的形成，并有氧气参与的一系列反应组成。所有样本氧气消耗量随着储存时间单甘油酯硬脂酸≤铁不断增加而增加，并且除了硬脂酸与铁的样本各样本都有明显差异（p0.05）。类似结果在氢过氧化物形成也被证实，但没有发现的单甘油酯和硬脂酸之间（p0.05）有明显变化（数据没有提交）。图1显示了大豆油在55℃贮藏过程中氧消耗和氢过氧化物在有或没有单甘油酯，硬脂酸或铁。对所有样品脂形成率在氧的消耗和过氧化物的形成率在储存后6小时大幅上升。耗氧量的增加直接由烷基自由基（R）氧化产生过氧自由基（ROO）的反应引起的。空气存在下，R与氧气的反应几乎不需要激活能，反应速率非常快（Min,1998andSimicetal.,1992）。光也能加快速度，可能由光敏氧分子催化产生过氧化物自由基的原因。图1图1动力学曲线耗氧量（——）和氢过氧化物的形成（---）在大豆油脂的氧化在55°C单甘油酯（1％），硬脂酸（1％）和铁（5mg/kg）的存在下。当氧气充足时，ROO或RO转化为非自由基氧化的物质具有低活化能（4kcal/mol）（Frankel,1985andLabuza,1971）。因此，氧的消耗率增加是因为R自由基与氧发生反应。方差分析（ANOVA）表明，向豆油中加入的硬脂酸和单甘油酯在其储存的前6小时对氧的消耗和氢过氧化物形成起到了作用（p0.05）。结果显示硬脂酸比单甘油酯效果更明显。据了解，游离脂肪酸比甘油三酯更容易被氧化（Nawar，1996）。MinandJung,1989andMiyashitaandTakagi,1986报告说，游离脂肪酸被氧化的速度比其相应的脂肪酸甲酯和碳氢化合物更快。他们证实，促氧化剂的活动是由于脂肪酸的极性羧基的存在。MistryandMin(1988)研究了不同单甘油酯对大豆油氧化稳定性的影响，发现在含有单甘油酯的油中氧消失率比对照样品更迅速。他们把这种状态归咎于同一分子中亲水和疏水基团的存在。亲水基团使促氧化剂分布于油的表面，从而增大了氧气在油中的溶解度，这反过来又增加了氧化率。方差分析表明，含铁的大豆油在耗氧量和氢过氧化物的形成速率明显不同于其他样品(p0.05)。据报道，含量小于1mg/kg铜或铁就可大幅度降低油脂的稳定性（Sherwin,1978）。虽然铁的主要作用是在诱导期减少活化能15kcal/mol以下，但是它也影响链反应，氢过氧化物分解和反应终止。尤其是在高价态的铁（Fe+3）一般活性更高，作为自由基引发剂失去一个电子变为亚价态的铁（Fe+2），它激活分子氧（3O2），生成单线态氧（1O2）和氢过氧化自由基（OOH）（Love,1985）。这些反应是类似于FentonandHaber–Weiss反应，所形成的自由基能够激发脂肪在极性或在非极性溶剂中氧化。近年来，铁氧的组合，即三价和二价铁离子，通过Fe+2/O2或产生的，作为自动氧化反应的因素(DeckerandHultin,1992,QianandBuettner,1999andSimicetal.,1992)。经6小时储存，除了加入单甘油酯的样品外，所有样品的氧气消耗量都减少，因此单甘油酯是降低氧消耗率的因素。当油表面的氧含量低时，R与ROO,RO或其它R基团的反应降低了重复反应（Frankel,1985）。加入单甘油酯的豆油储存18小时时氧的消耗速率增加，这明显不同于其它样品。这可能是由于随着储存时间的增加氧气溶解度的亲水基团的作用。氧气在油中的溶解度大约是在水中3倍以上（McClements&Decker,2000）。经6小时储存后，除了加入铁的样品外所有样品的过氧化物形成率也明显降低，这种现象表明过氧化物在形成的同时也分解。光可能也增加过氧化物的分解（Mistry&Min,1987）。含有铁的大豆油的实验现象显示氢过氧化物形成率降低后，经过6小时和12小时后又开始增加。它的减少可能是由于通过Fe+2氧化成Fe+3催化氢过氧化物分解成RO。Fe+2催化氢过氧化物分解是Fe+3的10倍（KilicandRichards,2003andLove,1985）。Fe+3也能催化氢过氧化物分解形成ROO。然而，Min(1998)报告说，最可能的氢过氧化物分解方式应该是RO和OH而不是ROO和H。因为破坏氧氧键的能量(44kcal/mol)要比破坏氢氧键的(90kcal/mol)低。因此，Simicetal.(1992)报告说，RO与脂肪酸的反应要比ROO的快并且反应速率常数分别是106–107和10−3–102M−1s−1。表1显示了氧的消耗率和豆油中氢过氧化物形成的比率。平均为3.69，3.03，3.72，2.63，分别是对照，单甘油酯，硬脂酸，铁的样本。该比率在都加和硬脂酸样本增加，但在单甘油酯和铁的样品下降。不过这样的结果业界还存在争论！表1在55°C大豆中含有单甘油酯（1％），硬脂酸（1％）和铁（5mg/kg）氧的消耗和氢过氧化物形成率之间的比例时间(h)对照组单甘油酯组硬脂酸组铁组62.602.623.023.201