1、 基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费课题（ 201303072）： 油料产地加工关键装备研究与示范； 收稿日期： 2017-11-02 作者简介：余盖文，男， 1993 年出生，硕士研究生，化学工程 通信作者：刘晔，男， 1974 年出生，副教授，农产生物质资源的开发及利用 菜籽油精炼热处理对紫外光谱的影响 余盖文 1 刘晔 *1 王明明 1 李云雁 1 刘大川 2 (1.武汉轻工大学化学与环境工程学院，湖北武汉， 430023； 2.武汉轻工大学食品学院，湖北武汉， 430023) 摘 要 考察各阶段精炼热处理对菜籽油紫外光谱的影响， 为 油脂 精炼危害物 的形成 风险 探索快速评估
2、方案 。 采用 0.05mm 光程薄膜样品池采集菜籽油的紫外吸收光谱 并 提取 D245和 R272两个参数 ，分别 用以 表征 油中二元和三元共轭结构的 多寡 ，进而 评估 精炼 危害物的 形成 风险。结果表明，脱胶、脱酸、脱色 操作 热处理 均 可导致 油中 二元和三元 共轭结构缓慢累积；而在脱臭 操作中，油中 二元和三元共轭结构的累积速率 分别可达之前三个操作的 11 倍和 33 倍以上。 二元和三元共轭结构的累积 与精炼热处理程度及异构、聚合产物生成具有密切关联，因此 D245和 R272两个参数可用 作 精炼危害 物的快速定量评估指标。 关键词 精炼 热处理 紫外光谱 共轭 结构 危
3、害物 中图分类号： TS224.6;TQ644.4 文献标识码： A 文章编号： 1003-0174（ ） Effects of Heat Treatment on the Ultraviolet Spectra of Rapeseed Oil During Refining Yu Gaiwen1, Liu Ye*1, Wang Mingming1, Li Yunyan1, Liu Dachuan2 (1. School of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University , Wuhan Hubei 4
4、30023; 2. College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University , Wuhan Hubei 430023) Abstract To achieve efficient risk assessment of hazardous substances formation during oil refining process, the effects of heat treatment on ultraviolet (UV) spectra of Rapeseed Oil (RO) were inves
5、tigated. A thin-film sample chamber with optical lenghth of 0.05mm was used to collect UV spectra of refined RO samples and parameters of D245 and R272 were selected to characterize the accumulation of di- and tri- conjugated products in RO respectively, thus to evalutate the risk of hazardous subst
6、ances formation. The results shown that di- and tri- conjugated products accumulated steadily under heat treatment of deguming, deacidification and bleaching; while the formation speed of di- and tri- conjugated products in deordorization had up to 11-fold and 33-fold increase respectively as compar
7、ed to that of deguming, deacidification and bleaching. The formation of di- and tri- conjugated structure was closely relevant to extent of oil heat treatment and formation of isomerization or polymerization products in oil, therefore D245 and R272 were easily accessible quantifying parameters for r
8、isk evalutation of hazardous substances formation during oil refining process. Key words Refining ,Heat treatment,UV spectra,Conjugated products, Hazardous substances 精炼加工是去除毛油杂质、保障 油品质量 的关 键环节，对于 食用油 的营养价值及加工性能产生重要影响 1-2。然而，过度精炼加工不仅造成毛油中营养成分的损失和能耗物耗增加3， 还会导致有害物的生成 4。因此，掌握油脂精炼过程中有害物的形成规律，探索有害物的 防控方法
9、 ， 发展 轻简化的适度精炼工艺成为当前研究热点 之一 4-6。 常规油脂精炼加工中，脱胶、脱酸、脱色和脱臭等操作均不可避免地涉及一定程度的热处理，而绝大部分危害物的形成均与热处理相关。在受热条件下，油脂可发生氧化、水解、异构化以及聚合等变化 7，形成包括 反式脂肪酸、聚氧化甘油酯、氯丙醇酯等在内的多种危害物 7-9。 因此，建立对于油脂受热处理程度的综合表征 指标及方法 ，对于油脂精炼加工危害物的防控具有重要价值。 考虑到 油脂 经历 热处理后，脂肪酸 碳 链 上引入杂原子、烯键重排共轭化、聚合及环化等行为均 能 为紫外吸收光谱所表征，故在本研究中以菜籽油为 典型大宗油品 样本， 考察 精炼
10、加工操作对 油品 紫外吸收光谱的影响， 提取 可用以表征油脂热处理程度的特征信息， 为油脂精炼热处理进程的表征及危害物形成风险的评估提供快捷灵敏的技术手段 。 1 材料与方法 1.1 材料 与试剂 菜籽： 由安陆天星粮 油机械有限公司 提供 ，为当年产油料； 活性 白土： 产自 江西永平元昶膨润土有限公司；氮气：购自武汉市明辉龙祥特气营销部 ，纯度 99.99%； 所用 化学试剂均 为分析纯。 1.2 设备与仪器 主要实验仪器： HJ-L-20 榨油机（武汉好机汇机械设备制造有限公司）； DF-1 集热式磁力搅拌器（常州国华电器有限公司）； NC-2064高速离心机 (安徽中科中佳科学仪器有限
11、公司 )； RE-52AA 旋转蒸发器（上海垒固仪器有限公司）； SZCL-2 数显智能控温磁力搅拌电热套（巩义市予华仪器有限责任公司）； V-i120SV 真空泵（浙江飞越机电有 限公司）； TU-1901 双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）。 光谱 薄膜样品池为自制仪器（如图 1 所示），由精密垫片、石英片、夹持片等构成。其中精密垫片中部设有圆形样品孔，与其两侧的石英片构成的薄膜状空间用以承载待测油样。样品池光程可通过精密垫片厚度（在 0.01-0.1 mm 可选）调节，组合后插入紫外 -可见光分光光度计光路中即可采集光谱信号。 图 1 薄膜样品池 示意图 1.3 实验方
12、法 1.3.1 菜籽油精炼 称取一定量菜籽置于 60C 烘箱中 预热 20 min 后入榨，油相经过滤除杂后得菜籽毛油。将所得菜籽毛油于水浴中加热到 90C，在 120 r/min 搅拌条件下均匀缓慢滴加油重 5%(w/w)的去离子水 并持续搅拌至设定时间后，以 1750 g 离心 20 min 并取上清液 ， 在 90C 和 -0.1 MPa 下 真空干燥 得 菜籽脱胶油。将所得菜籽脱胶油 置 于 水浴中加热到 90C，在上述搅拌速度下均匀缓慢滴加油重 5%(w/w)的 5%(w/w)NaOH 溶液，并持续搅拌至设定时间，取油体积5%(v/v)的去离子水洗涤直 至 水相 pH 值 达中性 ，
13、然后在上述相同条件下离心分 离并真空干燥得 菜籽脱酸油； 在 菜籽脱酸油 中加入 5%(w/w)的白土，抽真空并 加热到 82C ，以 200 r/min搅拌至设定时间， 离心分离废白土 得菜籽脱色油；在 -0.1 MPa 真空下，将 对 菜籽脱色油 通N2 加热至 230C，至设定时间后 用水浴 冷却至 60C 以下 得 菜籽脱臭油。 1.3.2 油品紫外光谱采集 将薄膜样品池的光程设置为 0.05 mm，滴加待测油品于样品孔中，组合样品池并置于紫外分光光度计光路上。以 1 nm 的波长分辨率和 120 nm/min 的扫描速度采集样本在 200-350 nm 波段间的吸收光谱信号，再以 3
14、50 nm 处吸光度为基准，采用双波长法校正油品紫外吸收光谱曲线 。 1.3.3 光谱信号处理 油品紫外光谱在不同波段分别经一阶导数变换及双波长差处理得到 D245 和 R272 两个特征参数。其中 D245值采 用下式计算： D245= |A247-A243| / 4 100 式中 A243 和 A247 分别为 243 nm 和 247 nm 处吸光度值， D245 值为 245 nm 处吸光度随波长变化率的绝对值放大 100 倍。 而 R272则采用下式计算： R272 = (A272-A282) / A282 100 式中 A272和 A282分别为样本在 272 nm 和 282 n
15、m 处的吸光度。 2 结果与讨论 2.1 菜籽油的紫外光谱特征 由于紫外分光光度计广泛普及且操作简便，因此许多研究者采用紫外光谱 表征 食用油脂化学特征 10-12，欧盟也在橄榄油品质标准中列入 K232和 K270等指标 11。然而，在 采集 紫外吸收信号前，往往需采用环己烷、己烷或异辛烷等溶剂对油品实施大比例稀释 (100-1000倍 )10-12，不仅操作复杂而且引入稀释误差及溶剂干扰，降低了光谱分析的可靠性和通用性，因此油脂的紫外吸收信号往往只被用作一种参考性指标。在本研究 中，采用薄膜样品池直接采集油品紫外光谱信息，光程仅有标准比色皿 (10 mm)的数百分之一，可避免稀释操作的局限
16、且能在 5 min 内完成采样分析，有利于准确刻画油脂经历精炼热处理时的化学变化。 图 2 菜籽毛油及各阶段精炼油的紫外光谱曲线 图 2 显示了菜籽低温压榨毛油及其经历各阶段精炼加工后的紫外吸收光谱。所有油品均在 210 nm 附近出现最强吸收信号，但无法体现出差异；在 230 nm 附近，各油品的光谱中出现强弱动态范围极大的吸收峰，是脂肪 酸上共轭二烯及 ， -不饱和醛酮两类二元共轭结构的共有吸收特征 13；在 270-285 nm 波段，各油品显现强弱不一的宽幅吸收，则主要与脂肪酸碳链上的 共轭三烯 有关 13；脱臭菜籽油还在 305 nm 和 320 nm 开始出现吸收信号，显示更为多元
17、的共轭结构生成 14。由此可见，在经历不同阶段精炼加工后，菜籽油的吸收光谱在 230 nm 和 272 nm 附近 凸显 差异，分别反映二元和三元共轭结构的形成及累积。 需要说明，天然菜籽油 的脂肪酸中 并不含有共轭 结构 ， 但在经历热处理时可发生多种形式的共轭化转变：（ 1） 热 诱导 烯键 重排 形成 共轭烯键 结构， 并 随机生成 多种顺反异构混和 产物 15； （ 2） 氧化重排 导致 烯键迁移并形成共轭烯键产物，其中反式结构 因 热 稳定性 较高 而更易积累 16；（ 3）初级氧化 所 生成的氢过氧化物分解产生次级氧化产物， 产生 ， -不饱和醛酮 等共轭化产物 2；（ 4） 氢过
18、氧化物分解产生烯醇结构，进而发生分子内脱水环化而生成共轭烯键 17。上述 （ 2） 、 （ 3）类 共轭化产物还 将 进一步参与 氧化聚甘油酯的 生成 7。由此可知，利用 紫外特征信号表征脂肪酸共轭化信息，对于油脂精炼 危 害物 ，尤其是反式脂肪酸以及氧化聚甘油酯 的生成及积累 具有明确指向性。 2.2 油脂紫外特征信号的提取 利用薄膜样品池可快速采集油脂紫外吸收光谱信号，但直接利用吸光度值反映油脂化学特征存在较大局限性。其中 230 nm 附近的吸收信号变异范围极大，往往超出分光光度计定量测定范围，此外还易于受到 210 nm 吸收拖尾信号的重叠干扰；而 270-285 nm 波段的吸收信号
19、虽变化趋势稳定但变化幅度偏低，易于受到基线扰动及临近吸收峰的重叠干扰。针对上述局限性，经对比分析发现分别采用一阶导数和双波长差处理，可较好地提取上述两个波段的烯键共轭结构的特征信号。 图 3 二元共轭吸收特征信号的提取 图 4 三元共轭吸收特征信号的提取 由前节图 2 可知，在 230 nm 菜籽油吸光度信号变化幅度极大，往往超出光谱定量测定范围；而图 3 则显示，经过一阶导数处理，在 245 nm 附近获得吸光度随波长变化的增量数值，可反映 230 nm 处二元共轭吸收峰的陡峭程度和吸收强度，并能避免因 210 nm 强吸收拖尾信号导致的重叠干扰。由于一阶导数数值较小，将优 选波长下导数值放
20、大 100 倍并记为D245，用于表征油品中二元共轭结构的多寡。 由图 4 可见，热处理油脂在 270-285 nm 区间的吸收区存在 272 nm 和 282 nm 两个吸收峰，在油脂受热处理后二者均可稳定地上升，但 272 nm 信号上升幅度显著大于 282 nm 信号。利用这一特性，采用双波长差可消减临近峰重叠干扰；进而以 282 nm 吸光值为基准引入波长比处理，又可消除基线波动的影响，所得比值放大 100 倍记为 R272，用于表征油品中三元共轭结构的多寡。 2.3 脱胶操作的影响 脱胶是去除毛油中水溶性及水合性杂质的常 规操作，根据不同的脱胶工艺，油脂可在60-90C 范围内与水、
21、酸、无机盐以及空气等发生接触 18。在本研究中，选择常规水化脱胶工艺，考察高温水化脱胶条件下 (90C )菜籽油紫外光谱的变化规律，结果如图 5 所示。 图 5 脱胶时间对菜籽油紫外光谱的影响 （ A 紫外光谱曲线； B 特征参数曲线） 由图 5A 可见，在脱胶热处理条件下，菜籽油紫外吸收总体变化并不明显；但在 220-240 nm 以及 270-285 nm 两个波段仍呈现小幅变化。图 5B 则通过 D245和 R272两个参数清晰地反映出这两个波段的变化趋势，其中 D245呈现持续 缓慢 增长，而 R272则在 120 min 前持续增长随后趋于平稳，表明在脱胶热处理条件下二 元和三元共轭
22、结构均有少量累积。实际工业操作中，脱胶 可采用更低的温度及较短的时间，危害物的形成 风险不高 。 2.4 脱酸操作对紫外光谱图的影响 对于游离脂肪酸含量不高或不饱和度较高的油品，碱炼脱酸操作较为适宜，因此在工业上应用更为普遍。在本研究中，选择高温碱炼操作考察菜籽油紫外光谱的变化规律，结果如图 6 所示。 图 6 碱炼时间对菜籽油紫外光谱的影响 （ A 紫外光谱曲线； B 特征参数曲线） 图 6A 显示，在碱炼脱酸热处理条件下菜籽油紫外光谱总体变化仍不明显。而从图 6B中则可看出， D245先经历短暂的快速上升，随后即趋于稳定； R272则在 120 min 内上升 5.0个单位，然后趋于稳定
23、； 较之脱胶处理 R272同期仅上升 2.1 个单位 ， 显示 菜籽油在碱炼中共轭结构累积 更快。 这是由于碱对烯键重排有催化促进作 用，因此即便处理温度相同，脂肪酸烯键共轭化趋势也更为明显。 2.5 脱色操作对紫外光谱图的影响 脱色操作对于控制油品色泽十分重要，主要通过物理吸附去除色素成分 15。由于脱色操作通常在真空下实施，故因氧化引发的脂肪酸烯键迁移风险较低。在本研究中，选择典型的菜籽油脱色温度考察脱色时间对油脂紫外光谱的影响，结果如图 7 所示。 图 7 脱色 时间对菜籽油紫外光谱的影响 （ A 紫外光谱曲线； B 特征参 数曲线） 由图 7A 可见，脱色操作对于菜籽油紫外吸收的影响主
24、要仍然体现在 230 nm 和 272 nm附近波段。图 7B 显示，脱色操作中 D245 值先下降了 0.35 个单位，然后才逐步上升，表明活性白土对脱酸油中积累的 ， -不饱和醛酮产物产生吸附和脱除作用，但随着热处理的持续又开始产生新的二元共轭结构。 而 R272 值则持续上升，显示三元共轭结构是不断累积且不易为白土所吸附的。 2.6 脱臭操作对紫外光谱图的影响 脱臭是在高温高真空条件下分离油脂中挥发性成分的解吸操作，不仅可脱除异味和提高烟点，也可用于游离脂肪酸的脱除 (物理精炼 )。通常，脱臭操作温度高达 200 以上，对于精炼危害物防控而言是最为值得关注的环节。脱臭操作时间对于菜籽油紫
25、外光谱的影响如图8 所示。 图 8 脱臭时间对菜籽油紫外光谱的影响 （ A 紫外光谱曲线； B 特征参数曲线） 由图 8A 可见，脱臭操作对菜籽油紫外光谱 产生 大范围影响，在 230 nm 和 272 nm 附近均出现大幅且有规律的吸收信号增长，而在 305 nm 和 320 nm 也开始出现小幅的吸收增强。图 8B 显示随脱臭时间的延长， D245在开始阶段显示缓慢增长，但 25 min 后急速上升， 5 min内 D245的增幅即高达 7.2 个单位，分别达到脱胶和脱酸 D245值同期增幅的 11.3 和 15.2 倍 ;而在 30 min 内 R272值增长了 18.2 个单位，是脱胶
26、和脱酸 R272值同期增幅的 33.4 和 77.8 倍。该现象表明，脱臭操作中，二元和三元共轭结构都可快速积累，尤其当脱臭时间超过 25 min将导致精炼危害物的形成 风险急剧增加。 3 结论 (1) 采用 0.05 mm光程薄膜样品池能快速采集菜籽油紫外吸收光谱并计算 D245 和 R272两个特征参数值，可分别反映油中二元和三元共轭结构的多寡，进而指示油脂受热处理程度及危害物形成风险 ； (2) 菜籽油精炼热处理温度对菜籽油中共轭双键结构的形成具有重要影响，脱胶、脱酸和脱色条件下，菜籽油中可持续缓慢累积共轭化产物；脱臭条件下 25 min 后共轭化产物急剧上升，显示精炼危害物形成风险较高
27、 。 参考文献 1 VAN DUIJN G. Fate of contaminants during the refining process of vegetable oils and fats: A calculation modelJ. European Journal of Lipid Science & Technology. 2016 ,118(3): 353-360. 2 SNCHEZ-MACHADO D I, LPEZ-CERVANTES J, NEZ-GASTLUM J A, et al. Effect of the refining process on Moringa o
28、leifera seed oil qualityJ. Food Chemistry, 2015, 187(3): 53-57. 3 方冰 , 王瑛瑶 , 栾霞 ,等 . 生育酚及甾醇含量对大豆油氧化稳定性及贮藏稳定性的影响 J. 中国粮油学报 , 2016, 31(11): 69-73. FANG Bing, WANG Yingyao, LUAN Xia, et al. Effect of tocopherol and sterol content on the oxidation stability and storage stability of soybean oilJ. Journal
29、 of the Chinese Cereals and Oils Association, 2016, 31(11): 69-73. ( in Chinese with English abstract) 4 王兴国 , 金青哲 , 白长军 ,等 . 大豆油精准适度加工关键新技术开发与示范 J. 中国油脂 , 2015, 40(9): 7-12. WANG Xingguo, JIN Qingzhe, BAI Changjun, et al. Exploitation and demonstration of novel and key technology of accurate and mo
30、derate processing of soybean oilJ. China Oils and Fats, 2015, 40(9): 7-12.( in Chinese with English abstract) 5 胡新娟 , 张正茂 , 邢沁浍 ,等 . 小麦胚芽油精炼工艺优化及对其品质的影响 J. 中国油脂 , 2016, 41(9): 7-12. HU Xinjuan, ZHANG Zhengmao, XING Qinhui, et al. Optimization of refining process and its effect on quality of wheat ge
31、rm oilJ. China Oils and Fats, 2015, 40(9): 7-12. ( in Chinese with English abstract) 6 罗凡 , 费学谦 , 李康雄 ,等 . 加工工艺对油茶籽油氧化稳定性及酚类物质含量的影响 J. 农业工程学报 , 2016, 32(14): 293-299. LUO Fan, FEI Xueqian, LI Kangxiong, et al. Effect of refining process on phenolic compounds and oxidation stabilities in oil-tea came
32、llia seed oilJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(14): 293-299. ( in Chinese with English abstract) 7 ZHANG Q, SALEH A S, CHEN J, et al. Chemical alterations taken place during deep-fat frying based on certain reaction products: A reviewJ. Chemistry & Physics
33、of Lipids, 2012, 165(6): 662. 8 常明 , 朱晋萱 , 刘睿杰 , 等 . 油脂精炼对茶叶籽油品质变化的影响 J. 中国油脂 , 2014, 39(6): 31-34. CHANG Ming, ZHU Jinxuan， LIU uijie, et al. Impact of refining process on quality of tea seed oilJ. China Oils and Fats, 2014, 39(6): 31-34. ( in Chinese with English abstract) 9 欧阳剑 , 王维曼 , 胡志雄 ,等 . 油
34、脂精炼工艺条件对 3-MCPD 形成的影响 J. 中国油脂 , 2014, 39(7): 58-61. OU YANG Jian， WANG Weiman， HU Zhixiong, et al. Effect of oil refining conditions on the formation of 3-MCPDJ. China Oils and Fats, 2014, 39(7): 58-61. ( in Chinese with English abstract) 10 ROTONDI A, BENDINI A, CERRETANI L, et al. Effect of Olive
35、Ripening Degree on the Oxidative Stability and Organoleptic Properties of Cv. Nostrana di Brisighella Extra Virgin Olive OilJ. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2004, 52(11): 3649-3654. 11 APARICIO R, MORALES M T, APARICIO-RUIZ R, et al. Authenticity of olive oil: Mapping and comparing offic
36、ial methods and promising alternativesJ. Food Research International, 2013, 54(2): 2025-2038. 12 SAKAR E H, YAMANI M E, RHARRABTI Y. Variability of oil content and its physico-chemical traits from five almond (Prunisdulcis) cultivars grown in Northern MoroccoJ. Journal of Materials & Environmental S
37、cience, 2017, 8(8): 2679-2686. 13 NZALI H G, TCHIEGANG C, MIGNOLET E, et al. Study of Bioconversion of Conjugated Linolenic Acid (CLNA) of Ricinodendron heudelotii (Bail.) Seed in Male Rats into Conjugated Linoleic Acid (CLA) Using UV-Vis Spectrometry and Gas ChromatographyJ. Asian Journal of Bioche
38、mistry, 2012, 7(4): 194-205. 14 THAIS M. F. MARISA A B. Stability of oils heated by microwave: UV- Spectrophotometric evaluationJ. Cincia E Tecnologia De Alimentos, 1998, 18(4): 433-437. 15 TSUZUKI W, MATSUOK A, USHIDA K. Formation of trans fatty acid in edible oils during the frying and heating pro
39、cess. Food Chemistry, 2010, 123(4): 976-982. 16 LIU W H, INBARAI B S, CHEN B H. Analysis and formation of trans fatty acids in hydrogenated soybean oil during heating. Food Chemistry, 2007, 104(4): 1740-1749. 17 CHOE E, MIN D B. Mechanisms and factors for edible oil oxidation. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2006, 5(4): 169-186 18 何东平 , 闫子鹏 . 油脂精炼与加工工艺学 M. 第 二 版 .北京： 化学工业出版社 , 2012:19-116. HE Dongping, YAN Zipeng. Oil refining and processing technologyM.second edition. Beijing: Chemical Industry Press, 2012:19-116. ( in Chinese with English abstract)
