核磁共振氫譜法在食用油研究中的應用

楊登輝，江秀明*

（河南工業(yè)大學化學化工與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001）

食用油是含有多種化合物的混合物，主要由多種脂肪酸甘油酯與少量游離脂肪酸和其它非極性化合物構成。這些脂肪酸主要為不飽和的油酸、亞油酸和亞麻酸與飽和的棕櫚酸、硬脂酸。油脂的測定方法有很多，傳統(tǒng)測定油脂指標的方法主要集中在氣相色譜[1]、液相色譜[2]及其聯(lián)用技術。氣相色譜法，也是國家標準方法，該方法在測定前需要先進行甲酯化，且測定耗時較長。在液相色譜法中，油脂同樣也需要進行衍生化處理。然而，這些方法繁瑣，具有破壞性，并且通常需要復雜的樣品預處理。因此，為了克服這些缺點，最近應用了許多快速、非侵入性和可重復的技術，包括紅外光譜[3]和近紅外光譜[4]、拉曼光譜[5]等。紅外光譜是根據(jù)各個官能團的特征吸收峰進行定性、定量分析，具有快速簡便的優(yōu)勢。而近紅外光譜則是通過采集光譜信息，結合化學計量學方法進行油脂的分析。紅外光譜法需要進行樣品的預處理，近紅外光譜法幾乎無需樣品前處理，但后期建立模型較為繁瑣。與上述方法相比較而言，核磁共振氫譜法顯示出較多優(yōu)勢。它利用不同的質子氫與相應的脂肪酸建立起來的對應關系，利用峰面積進行分析，不依賴標準物質。因此核磁共振技術在油脂研究中越來越受到重視，也成為傳統(tǒng)色譜方法潛在的良好替代法。

1 油脂指標的1H NMR 分析

油脂是由長鏈的脂肪酸甘油三酯組成，核磁共振氫譜能夠提供油脂中化合物的氫原子信息，由于受到不同基團的影響，油脂中各種質子氫化學位移不同（如圖1 所示）。甘油三酯中甘油骨架及其脂肪酰基骨架共有10 種不同類型的質子氫，為便于表述，分別用符號A～J 表示。峰B 僅與亞麻酰基中的甲基氫有關，峰A 和B 由甘三酯中的甲基產(chǎn)生，峰C 與酰基鏈上亞甲基有關，峰D 為羰基β 位質子氫，峰E 位烯丙基質子氫，峰F 為羰基α 位質子氫，峰G 由亞麻酰基和亞油酰基的雙烯中間的亞甲基氫產(chǎn)生，峰H 和I 分別為甘油骨架sn-1 和sn-2 位置中質子氫產(chǎn)生，峰J由不飽和酰基中的烯氫產(chǎn)生。為方便對照，將關系列入表1 中。

根據(jù)各峰與質子氫之間的關系，計算油脂的指標有多種不同表述方法。先將采集的1H NMR譜圖校正基線并進行峰面積積分，然后根據(jù)積分面積去進行指標的計算。在早些時候，Georgia Vigli 等人[6]觀察到B 峰與亞麻酸(linolenic)甲基質子有關，A 峰是除亞麻酸外所有甲基質子的信號，而油酸(oleic)、亞油酸(linoleic)、所有飽和酸(SFA)含量與A、E、G 峰的峰面積有關，得出如下關系式（公式(1～4)）：

圖1 食用油核磁共振氫譜(1H NMR)譜圖

表1 食用油核磁共振氫譜各峰歸屬

由于B 峰僅與亞麻酸有關，且A 峰和B 峰包含了所有甘油三酯中的甲基，故用公式(1)表示亞麻酸含量；雙烯丙基質子(G 峰)主要存在于亞油酸和亞麻酸中，且一分子亞油酸含有兩個雙烯丙基質子，一分子亞麻酸含有四個雙烯丙基質子，因此可用公式(2)計算亞油酸含量；不飽和酸中均存在烯丙基質子，因此用不飽和酸總量減去亞油酸和亞麻酸的量得到油酸總量。

另外，峰A、峰B 與峰F 三者峰面積之間的存在以下關系：因此上述表示方法還可變?yōu)橐韵陆Y果：

油脂中的烯烴含量可直接油I 峰的面積確定，在此基礎上，María Dolores Guillén[7]得到碘價（IV）與烯烴質子的百分比(%OP)的關系。

David Castejón[8]團隊也利用了相似的方法，得出了類似的公式，并進行了分類整理。同時，他們對提出的六種不同的表達式也進行了評估比較，并對出現(xiàn)偏差的可能的原因進行了分析。

2 油脂產(chǎn)地及摻偽的1H NMR 分析

部分油脂（如橄欖油等）具有豐富的營養(yǎng)、較高的品質，但由于氣候差異、樹種的不同、種植管理等因素影響，油脂的化學成分可能會發(fā)生變化，因此油脂的產(chǎn)地和質量等級也成為人們關心的一個方面。對產(chǎn)自土耳其不同地區(qū)的多種橄欖油，īlker ün 等人[9]利用核磁共振氫譜法進行了分析。通過將核磁共振譜圖對應的各個質子氫進行歸屬，計算各脂肪酸含量。他們得出以下結論：不同地區(qū)的橄欖油亞油酰基含量有著明顯的變化，據(jù)此可進行橄欖油產(chǎn)地的鑒別。油脂保質期的確定，主要通過量化脂肪酰基的含量、檢測一些次要成分（如甾醇、酚類化合物、醇衍生物等）。因此，可觀察NMR 譜圖上這些微量成分的共振峰變化，確定橄欖油的保質期。

食用油的來源十分廣泛，多種油料作物均可為人類提供植物油，食用油的商業(yè)價值和營養(yǎng)品質取決于它們的成分組成，但不同植物來源的食用油有著相似的主要成分，因此使用廉價的植物油混合昂貴的植物油也成為了商家以次充好的常用手段。為了尋找食用油種類鑒別的可行性方法，Yan Zhang 等人[10]利用核磁共振氫譜結合多變量統(tǒng)計分析，成功地用于鑒別七種植物來源的精制食用油（包括葵花籽、油菜籽、芝麻、大豆、花生、玉米和橄欖油）。該團隊通過1H NMR 圖譜測量來量化食用油中的各種脂肪酸（包括油酸，亞油酸，亞麻酸，飽和脂肪酸）和相應的碘值，并且使用主成分分析來區(qū)分它們的植物來源。結果表明，葵花籽油、玉米油、芝麻油、大豆油等食用油成分相互接近，橄欖油，花生油等成分差別較大；且相較于其他植物油，橄欖油具有更高的酪醇、1,3-甘油二酯和更低水平的酚類化合物、β-谷甾醇、β-胡蘿卜素。

通過以上研究可知，三酰基甘油是食用油的主要成分，但不同油中的含量差別較大，利用食用油主要成分和次要成分的差異的比較，加之主成分分析和其他的化學計量學技術，為油脂產(chǎn)地的區(qū)分和油脂種類及油脂摻偽的鑒別提供了新的分析方法。

3 油脂氧化過程的1H NMR 分析

脂質氧化通常通過氧化穩(wěn)定性指數(shù)來評估，是影響食用油的應用和儲存性能的最重要因素之一。在氧化過程中，幾乎所有指數(shù)，包括過氧化值(POV)，總極性物質(TPM)，酸值(AV)，脂肪酸(FA)成分等指標都會有明顯變化[11]。高溫會加速油脂的氧化，在高溫油炸過程中，油脂和食物均會經(jīng)歷非常復雜的化學和物理變化，并且還可能形成對健康具有重要影響的有害化合物。Andrea Martínez-Yusta 等人[12]使用特級初榨橄欖油作為原始油炸介質，對三種組成不同的食物進行了三個系列的十四次油炸實驗，通過1H 核磁共振監(jiān)測油炸過程中油脂組成隨時間的演變。他們根據(jù)先前的研究與發(fā)現(xiàn)的新信號，與不同標準品（不同類型的甘油三酯、甘油二酯和不同類型的醛）進行比較，用于油脂氫譜的定性與定量。結果表明，在氧化過程中，雙鍵的含量在不斷減少，其直觀結果是油酸、亞油酸、亞麻酸含量都在減少，飽和酸含量在不斷增加，其中油酸的降低速率高于亞油酸和亞麻酸。在加熱過程中甘油三酯結構保持完整的同時，油脂鏈會發(fā)生改變，引入新的含氧官能團（氫過氧基，羥基，環(huán)氧基等）或新的不飽和度（共軛二烯或三烯體系），同時油脂也會發(fā)生聚合反應，通過打開的雙鍵形成二聚體或者多聚體。

4 結語

隨著人們生活水平提高，近些年來，食品安全問題越來越受到人們的重視，油脂作為人們飲食中的重要組成部分，其安全性也不可忽略。傳統(tǒng)的檢測方法大都存在檢測時間長、試劑消耗量大、操作繁瑣等問題，核磁共振技術因其高效快速、靈敏精確等特點迅速崛起，使其在各個行業(yè)應用越來越廣泛。雖然目前核磁共振成本較高，但隨著低成本、高靈敏度核磁的研發(fā)，核磁共振技術必將會在油脂檢測領域取得長效持久的應用與發(fā)展。