富含高溶性β-胡蘿卜素油脂體系氧化穩定性及降解動力學研究

孫新怡, 孫清瑞,2, 李秀波, 金麗梅,2

(黑龍江八一農墾大學食品學院1,大慶 163319) (國家雜糧工程技術中心2,大慶 163319)

β-胡蘿卜素(C40H56)是一種常食用的類胡蘿卜素,主要存在于胡蘿卜、南瓜等果蔬中[1]。其分子結構中含有大量的共軛雙鍵可起到猝滅單線態氧作用,從而具有高抗氧化活性,使其在防癌抗癌、心血管疾病、動脈粥樣硬化等方面具有一定功效[2, 3]。作為一種脂溶性的色素,食品工業常選用價格較低的全化學合成或生物發酵法的β-胡蘿卜素為原料,但其大多以全反式構型存在[4],且其在油脂基溶解度(不足1 mg/mL)和生物利用度普遍較低,而轉化成順式異構體后,其分子結構從晶態變為無定形分散態,其油脂基溶解度和生物利用度顯著提高[5, 6]。因此,為達到其油脂基增溶增濃目的,可通過提高其順式異構體的占比制得富含高溶性β-胡蘿卜素油脂,并作為食品配料或功能食品原料,進一步應用于食品行業,這可極大地提高β-胡蘿卜素的市場應用價值。

現有對全反式-β-胡蘿卜素的研究表明,油脂基β-胡蘿卜素在加工儲藏過程中極易受到光照、氧氣、溫度等影響而降解[7, 8],Yang等[9]發現富含類胡蘿卜素的油脂在光照和加熱條件下儲藏,類胡蘿卜素降解規律符合一級動力學模型,且高溫和光照會加速類胡蘿卜素氧化。尹浩等[10]將β-胡蘿卜素添加到油脂中進行分析,發現類胡蘿卜素可提高油脂穩定性和延長其儲藏期,但提高儲藏溫度,會加速油脂氧化。有關富含高溶性β-胡蘿卜素油脂體系氧化規律及其降解動力學研究、以及組成體系(β-胡蘿卜素和油脂)相互作用的研究鮮見報道。

以富含高溶性β-胡蘿卜素油脂體系為研究對象,考察在不同儲藏溫度(-18、4、20、37 ℃)下,對不同油脂(大豆油、橄欖油、月見草油、魚油)的抗氧化效果,同時通過建立降解動力學模型探討橄欖油中β-胡蘿卜素及其異構體在儲藏過程中的氧化降解規律,考察β-胡蘿卜素降解和油脂氧化之間的相互關系,旨在為β-胡蘿卜素在保健油脂及食品配料行業的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

β-胡蘿卜素(BC)晶體(純度≥96%),精煉一級大豆油、特級壓榨橄欖油、月見草油、魚油(乙酯產品)(自測其過氧化值均值分別為3.11、6.52、5.03、3.84 mmol/kg;其中大豆油和魚油分別被添加了TBHQ和維生素E;大豆油、橄欖油和月見草的β-胡蘿卜素含量遠小于0.1 mg/mL);無水乙醇、三氯甲烷、冰乙酸,均為分析純;甲醇、乙腈、甲基叔丁基醚(MTBE),均為色譜純。

YT-MS-100ML小型壓力反應器,HPX-9052MBE電熱恒溫培養箱,1260 Infinity LC 高效液相色譜儀(DAD 檢測器),液相色譜柱(C30柱250 mm×4.6 mm,5 μm)。

1.2 試驗方法

1.2.1 富含高溶性β-胡蘿卜素油脂的制備

準確稱取150 mg β-胡蘿卜素,將其置于含有15 mL油脂(大豆油、月見草油、橄欖油、魚油)和15 mL乙醇的100 mL反應釜中,經CO2排氧后密封,繼續通入CO2控制初始表壓為0.8 MPa,加熱攪拌反應(120 ℃,30 min,400 r/min),反應結束后冷卻至室溫,經緩慢泄壓得到樣品混合液,再經負壓旋蒸脫除乙醇得到富含高溶性β-胡蘿卜素油脂,所得樣品用CO2排氧后-18 ℃冷凍備用,待使用時室溫解凍且混勻。

1.2.2 富含高溶性β-胡蘿卜素油脂氧化穩定性的評價

參考孫清瑞等[11]研究方法并進行適當修改,具體為:首先取1.2.1中備用樣品,將其注滿于3 mL的棕色樣品瓶并密封,然后將該樣品分別置于-18、4、20、37 ℃條件下避光儲藏30 d,每隔6 d取樣1次,分別按本文所列方法測定油脂的過氧化值和β-胡蘿卜素含量。

1.2.2.1 過氧化值的測定

過氧化值(POV)測定參照GB 5009.227—2016。

1.2.2.2 β-胡蘿卜素含量的測定

為準確測定β-胡蘿卜素及其異構體含量,參考Jing等[12]測定方法并進行適當修改,具體為:準確稱取適量富含高溶性β-胡蘿卜素油脂樣品,用乙酸乙酯定容至5 mL,用0.22 m濾膜過濾后,采用高效液相色譜(HPLC)法測定β-胡蘿卜素的含量。

液相條件:乙腈100%,B相:甲基叔丁基醚100%,C相:甲醇100%;梯度條件:0～20 min,A相由25%減少到15%,C相由75%減少到35%,B相由0增加到50%,20～25 min,A、B、C三相保持不變,25 min時A相為25%,B相為0,C相為75%,25～35 min保持不變。樣品處理溶劑:乙酸乙酯;流速:1 mL/min;柱溫20 ℃;進樣量5 μL;DAD測定波長為450 nm,掃描波長范圍300～600 nm。

通過比對β-胡蘿卜素標準品的保留時間、文獻中各異構體的全波長掃描的特征峰[13],確定β-胡蘿卜素順、反異構體的結構。以面積歸一化法定量檢測β-胡蘿卜素各異構體相對百分含量,以全反式β-胡蘿卜素標準品的外標法定量產品中β-胡蘿卜素總含量并計算其保留率,標準曲線方程:y=67.158x-159.53,R2=0.999 8

式中:y為峰面積;x為樣品的質量濃度/μg/mL;線性范圍為5～50 μg/mL。

1.2.3 油脂氧化動力學模型建立

以油脂的POV值為氧化動力學研究評價指標,其模型擬合方程[14]:

一級氧化反應動力學模型:lnSt=-kt+lnS0

(1)

零級氧化反應動力學模型:-St=kt-S0

(2)

式中:t為反應時間/d;k為比例系數S=1/[POV] /(mmol/kg)-1;S0和St分別對應開始和時間t時的S值。

通過Arrhenius方程,對油脂氧化速率常數的自然對數(lnk)和熱力學溫度的倒數(1/T)進行線性回歸,其方程可改寫為:

式中:A為指前因子;Ea為活化能/kJ/mol,R為理想氣體常數8.314 J·K/mol;T為絕對溫度/K;k為一級反應速率常數/d-1。

1.2.4 β-胡蘿卜素降解動力學模型建立

β-胡蘿卜素異構體含量隨溫度、時間的變化遵循一級反應動力學模型,其降解速率常數k和半衰期t1/2可通過式(4)、式(5)計算得出[15]。

式中:C為β-胡蘿卜素異構體的油脂基質量濃度/μg/mL;C0為β-胡蘿卜素油脂基初始質量濃度/μg/mL;t為反應時間/d。

β-胡蘿卜素降解反應的活化能Ea同樣可以使用Arrhenius方程進行線性回歸,見式(3)。

1.3 數據處理

每個試驗重復3次,結果取平均值,以均值±標準偏差(SD)表示。使用 Excel 2016 軟件處理數據,Origin 8 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 高溶性β-胡蘿卜素結構及組成分析

為明確β-胡蘿卜素熱處理前后的構型轉化及異構體組成,通過HPLC對樣品進行分析,結果如圖1所示。由圖1a可知,β-胡蘿卜素原料中只含有全反式異構體,其質量分數為95.44%。圖1b顯示β-胡蘿卜素經熱致異構化反應后,含有明顯的2個峰,與圖1a中全反式異構體保留時間和閆紅曉等[13]研究對照可知,該2個峰分別為全反式異構體(相對質量分數59.41%)和13Z-異構體(相對質量分數33.83%)。由分析可知,β-胡蘿卜素共混于橄欖油-乙醇體系并經熱處理后,促進了全反式β-胡蘿卜素向油脂基溶解度更高的順式異構體轉化。

圖1 β-胡蘿卜素異構體的HPLC分析

通過1.2.1方法制備的不同油脂中β-胡蘿卜素含量及順式占比情況(表1)表明,該方法可制得富含高溶性β-胡蘿卜素的油脂體系,其β-胡蘿卜素質量濃度約為10 mg/mL,且β-胡蘿卜素總順式質量分數約為40%(其中BC-魚油的略低),盡管所用油脂的脂肪酸組成不同,但對所制備的油脂基β-胡蘿卜素含量及異構體順占比的影響不顯著,這可能歸因于這些食用油分子的極性差異極小所致。

表1 不同油脂中高溶性β-胡蘿卜素含量分析

2.2 富含高溶性β-胡蘿卜素的油脂儲藏氧化穩定性

2.2.1 儲藏溫度和時間對油脂POV的影響

分別在-18、4、20、37 ℃溫度下,測定大豆油、橄欖油、月見草油和魚油4種油脂的POV,結果如表2所示。富含高溶性β-胡蘿卜素的橄欖油、大豆油、月見草油、魚油的初始POV均值分別為6.63、3.28、5.16、4.01 mmol/kg。隨著儲藏時間的延長,4種油脂的POV均呈上升趨勢,以大豆油為例,在溫度為37 ℃時儲藏30 d,其POV從4.02 mmol/kg增加到4.99 mmol/kg。并且儲藏溫度越高,油脂的過氧化值也越大,以月見草油為例,在-18、4、20、37 ℃ 4種不同溫度下儲藏30 d后,其氧化值分別為5.99、6.35、6.91、7.70 mmol/kg,其中37 ℃的POV 是-18 ℃的1.3倍左右。試驗結果表明,盡管所制備的不同油脂體系富含β-胡蘿卜素(約10mg/mL),但其也不能完全抑制試驗條件下的油脂氧化。綜合現有數據來看,以高溶性β-胡蘿卜素為抗氧化劑可有效降低油脂的氧化劣變。市售4種油脂試驗原料不可避免含有天然或合成的抗氧化劑,這些抗氧化劑對試驗結果的影響,已在隨后的2.2.2中的未含有高溶性β-胡蘿卜素的油脂(空白油脂,即實驗原料)加以討論。

表2 儲藏溫度和時間對富含高溶性β-胡蘿卜素油脂的POV影響

2.2.2 氧化動力學

為更好研究富含高溶性β-胡蘿卜素油脂的氧化降解規律,分別用零級反應和一級反應動力學方程對4種油脂在不同溫度條件下POV進行擬合。結果發現氧化過程同時具備零級和一級特征(R2>0.9),但是一級反應方程的回歸系數普遍大于零級反應方程,擬合度更高,說明該試驗更符合一級動力學方程,該結果與龍婷等[16]研究相符。在相同溫度下,富含高溶性β-胡蘿卜素油脂氧化速率常數均明顯低于未添加β-胡蘿卜素的空白油脂,如在37 ℃下,橄欖油空白樣的氧化速率k為0.014 5,而BC-橄欖油k為0.004 6,明顯低于空白樣,說明β-胡蘿卜素的加入有助于抑制油脂的氧化變質。隨著氧化溫度的升高,其速率常數隨之增大,從-18 ℃到37 ℃,BC-大豆油的氧化速率k從0.006 2提升到0.009 5,說明β-胡蘿卜素的抗氧化的效能隨著油脂貯藏溫度的升高而降低。

將一級油脂氧化速率常數的對數lnk與熱力學溫度的倒數(1/T)作圖,如圖2所示,并根據Arrhenius方程計算富含β-胡蘿卜素油脂的活化能,結果如表3所示。4種富含高溶性β-胡蘿卜素油脂的活化能不同,活化能越大,其氧化穩定性越高,從而推得其氧化穩定性順序為BC-橄欖油>BC-大豆油>BC-月見草油>BC-魚油,并且發現富含高溶性β-胡蘿卜素油脂的活化能遠高于空白油脂,其穩定性更好。有研究表明,油脂的氧化穩定性與油脂的脂肪酸組成密切相關[17]。其中富含高溶性β-胡蘿卜素的橄欖油氧化最為緩慢,其活化能達到7.40 kJ/mol,這可能是由于橄欖油中飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸(如油酸)含量高,因此在其貯藏過程中具有更高的穩定性;而魚油的活化能最小為5.04kJ/mol,只有橄欖油的2/3左右,這是因為魚油含有大量的多不飽和脂肪酸(如DHA、EPA),易被氧化生成大量氫過氧化物[18],同時氫過氧化物可能會進一步分解成醛、醇、酮及低級脂肪酸等揮發性成分,導致其氧化穩定性變差[18]。

圖2 溫度對富含β-胡蘿卜素油脂氧化速率的影響

表3 不同儲藏溫度下富含β-胡蘿卜素油脂的氧化動力學參數

2.3 油脂中高溶性β-胡蘿卜素的儲藏穩定性

2.3.1 高溶性β-胡蘿卜素熱降解動力學

為探究在儲藏過程中β-胡蘿卜素在不同溫度下的熱降解情況,選擇氧化穩定性最佳的橄欖油進行試驗,將富含高溶性β-胡蘿卜素的橄欖油分別置于-18、4、20和37 ℃溫度下避光儲藏,經檢測并統計分析得到β-胡蘿卜素及其異構體的降解動力學曲線,因其曲線的趨勢相同,這里僅給出總的β-胡蘿卜素(Total BC)降解動力學曲線,如圖3所示。結果表明,橄欖油中的β-胡蘿卜素降解規律符合一級反應降解動力學模型,這與徐媛等[20]研究結論一致。隨著儲藏溫度的升高,β-胡蘿卜素及其異構體的降解速率常數成增加的趨勢,表明高溫儲藏條件下,實驗所用的高溶性β-胡蘿卜素(順式異構體質量分數約為40%)在橄欖油中易被氧化降解,這可能是油脂基高溶性β-胡蘿卜素體系中所存微量氧作用所致,或有可能是油脂或β-胡蘿卜素氧化降解產物的促氧化作用導致,這有待深入研究。

圖3 β-胡蘿卜素在不同溫度下降解動力學曲線

β-胡蘿卜素異構體在各溫度下的降解動力學參數,如表4所示,結果發現在-18、4、20、37 ℃條件下總的β-胡蘿卜素降解的半衰期分別為68.63、53.52、34.83、17.84 d,表明-18 ℃條件下β-胡蘿卜素降解最緩慢,而37 ℃降解最快,且37 ℃條件下的降解速率最大,其k值是-18 ℃條件下3.85倍。β-胡蘿卜素順式或反式異構體也具有類似降解變化規律。根據Arrhenius方程,得到高溶性β-胡蘿卜素(Total BC)降解速率隨溫度變化的回歸方程為:y=-197 3.284 7x+2.913 3(y和x分別代表lnk和1/T),推得順式異構體質量分數約為40%的β-胡蘿卜素的活化能為16.41 kJ/mol。進一步地可推得β-胡蘿卜素異構體活化能大小為All-E>TotalZ>13Z(表4),一般認為,一個化學反應的活化能越高,該化學反應越難以進行,所以β-胡蘿卜素異構體中全反式異構體穩定性最好,不易被降解,這與文獻報道結果一致[21]。該研究也表明,富含高溶性β-胡蘿卜素橄欖油作為保健油使用,宜低溫儲藏。

表4 不同儲藏溫度下β-胡蘿卜素異構體降解動力學參數

2.4 儲藏過程中油脂氧化和β-胡蘿卜素降解的相互關系

為探究富含高溶性β-胡蘿卜素油脂體系中總的β-胡蘿卜素降解與油脂氧化的相互關系,將兩者變化進行線性擬合,設定St/S0=k1(C/C0)+k2,其中k1和k2為線性關系中的系數,S為橄欖油的[POV]-1。以油脂的St/S0對β-胡蘿卜素的C/C0作圖,如圖4所示,發現不同溫度條件下的線性相關系數R2均大于0.98,說明此模型線性特征非常明顯,擬合直線能基本涵蓋試驗數據,具有一般性。同時發現不同溫度下β-胡蘿卜素含量與橄欖油S都呈正相關線性關系,即富含高溶性β-胡蘿卜素(質量濃度約為10 mg/mL,順式異構體占比約為40%)油脂體系中,隨儲藏時間的延長,總的β-胡蘿卜素含量的不斷減少,油脂POV逐漸增大。這說明,為提高富含高溶性β-胡蘿卜素油脂體系氧化穩定性,應采取氣調排氧、輔助添加其他抗氧化劑等措施。

圖4 儲藏過程中油脂過氧化值和β-胡蘿卜素含量的相互關系

儲藏過程中油脂氧化與β-胡蘿卜素降解的相關性方程系數如表5所示,可以看出在不同儲藏溫度下其線性方程的k1和k2值均有較大差異,且隨著溫度升高,k1呈現增大趨勢,這說明油脂氧化與β-胡蘿卜降解關系隨著溫度的變化而改變,這可能是由于隨著儲藏溫度的升高,β-胡蘿卜素表現出更高的溫度敏感性,使其易氧化降解,含量降低,對油脂氧化的抑制效果減弱。

表5 不同貯藏溫度下油脂過氧化值和β-胡蘿卜素含量線性關系的相關系數

3 結論

在富含高溶性β-胡蘿卜素的不同油脂體系中,高溶性β-胡蘿卜素對油脂抗氧化能力各不相同,其油脂氧化穩定性順序為:橄欖油>大豆油>月見草油>魚油,其中橄欖油氧化降解活化能最高,富含高溶性β-胡蘿卜素的橄欖油穩定性最好。以高溶性β-胡蘿卜素為抗氧化劑可有效降低油脂的氧化速率,抑制其劣變;在富含高溶性β-胡蘿卜素的橄欖油體系中,隨儲藏時間延長,不僅橄欖油發生氧化反應,也同時伴隨β-胡蘿卜素的降解,其降解規律滿足一級降解動力學模型,且隨著儲藏溫度的升高,高溶性β-胡蘿卜素降解越顯著,從活化能角度來看,高溶性β-胡蘿卜素中各異構體活化能高低依次為:All-E>TotalZ>13Z,表明全反式β-胡蘿卜素的氧化穩定性最好;在探討β-胡蘿卜素降解與橄欖油氧化的相互關系的結果還發現,隨著β-胡蘿卜素的氧化降解,油脂的POV增大,其規律滿足一定線性關聯,且溫度越高,該線性相關系數k1越大,表明富含高溶性β-胡蘿卜素油脂宜低溫儲藏。在儲藏過程中β-胡蘿卜素的降解產物是否會加速油脂體系氧化,有待進一步研究。