光誘導乳脂肪氧化的研究進展

譚冬飛，王少雷，張清陽，蘇美丞，賈 曼，陳 剛*

（中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，北京 100081）

乳脂肪是牛乳的重要成分，也是人類飲食中營養和能量的重要來源。乳脂肪由甘油和大量脂肪酸組成，含有400多種脂肪酸，其中包含66%飽和脂肪酸、30%單不飽和脂肪酸和4%多不飽和脂肪酸[1-2]。不飽和脂肪酸，尤其是多不飽和脂肪酸具有抗癌和減少脂肪沉積的功效，但是很容易被氧化產生酸敗，不僅會導致牛乳營養品質的下降，而且會嚴重影響牛乳的風味，對人體健康產生不良影響[3-4]。隨著消費者對乳制品品質及美觀的需求，大量乳制品選用透明包裝，而在貨架陳列過程中不可避免地會暴露在光照下，容易造成光氧化問題。因此，了解乳脂肪光氧化機理、抑制乳脂肪光氧化的發生是保證牛乳營養品質和延長牛乳保質期的關鍵因素，也是保障乳制品安全、降低企業成本的重要因素。

1 乳脂肪光氧化的主要機理

光誘導是導致不飽和脂肪酸氧化的主要因素之一，乳脂肪中的色素可以吸收紫外光或可見光，激發光敏劑使其達到激發態，一方面，激發態的光敏劑從底物中獲得1 個氫離子或1 個電子產生自由基，直接與不飽和脂肪酸產生的脂肪酸游離基直接反應，發出磷光或產生自由基，從而發生氧化反應，這類反應被稱為Ⅰ類光敏反應，這類反應的氧化速率取決于光敏劑和底物的類型和濃度，被激發的光敏劑被稱為Ⅰ類光敏劑，如核黃素；另一方面，激發態光敏物質不會直接與脂肪酸游離基發生反應，而是與基態氧3O2發生反應，將三線態氧3O2轉化為高能的單線態1O2，單線態的1O2具有更強的吸電子能力，會攻擊不飽和脂肪酸的高密度電荷區域（—C＝C—），從而形成過渡態的六元環，然后通過雙鍵的位移形成氫過氧化物，但是氫過氧化物化學性質不穩定，會進一步分解生成醛、酮、醇、酸等羰基化合物，這些產物也是導致牛乳味道和氣味發生改變的主要原因，這類反應被稱為Ⅱ類光敏反應，這類反應的氧化速率取決于體系中氧氣的溶解度和濃度，被激發的光敏物質被稱為Ⅱ類光敏劑，如核黃素、葉綠素、四吡咯等化合物[4-6]。

2 乳脂肪光氧化的感官影響

光照射會在牛乳中誘導產生2 種不同的異味，一種是“陽光”味，經光照2～3 d時，牛乳中會有燒焦味和氧化氣味，這種味道產生的主要原因是二甲基二硫醚和蛋氨酸等含硫氨基酸氧化產生的甲烷造成的；另一種味道為“金屬味或紙板味”，這種味道隨著光照時間的延長而形成，來自于脂質氧化的次級產物，包括羰基化合物（己醛、戊醛、庚醛和酮）、醇和碳氫化合物，其含量隨著照射時間的延長而顯著增加，由于這些不飽和的醛和酮感官閾值很低，因此經常被認為是氧化酸敗的主要原因[7-9]。盡管目前光誘導揮發性化合物的機理尚不清楚，但是研究發現，這些化合物的形成與牛乳中脂肪光氧化密切相關。

3 影響乳脂肪光氧化的主要因素

3.1 促氧化因素

3.1.1 脂肪酸的種類

牛乳含有400多種脂肪酸，其中飽和脂肪酸約占70%，主要包括棕櫚酸（C16:0，43.7%）、肉豆蔻酸（C14:0，12.8%）和硬脂酸（C18:0，11.3%），不飽和脂肪酸約占30%，主要包括單不飽和脂肪酸，如油酸（C18:1，23.8%），以及多不飽和脂肪酸，如亞油酸（C18:2，1.5%）和亞麻酸（C18:3，0.7%）等。由于從不飽和脂肪酸雙鍵上脫氫所需的能量更低，因此不飽和脂肪酸更容易發生氧化反應，而氧化速率取決于不飽和程度，如油酸、亞油酸和亞麻酸的氧化速率比為3∶4∶7。Liu Qingsheng等[10]研究發現，提高牛乳中不飽和脂肪酸（尤其是n-3脂肪酸）的含量，降低了乳脂肪的氧化穩定性。Lee等[7]在不同含量乳脂肪牛乳（脫脂乳、部分脫脂乳、全脂乳）的光氧化實驗中發現，氧化產物戊醛、己醛和庚醛的形成與脂肪含量呈正相關（P＜0.05）。Lee[7]、Dalsgaard[8]等研究發現，乳制品中己醛、戊醛的形成與牛乳中n-6多不飽和脂肪酸（如亞油酸）含量密切相關，戊醛是Ⅰ類光氧化反應的主要產物，而己醛是Ⅱ類光氧化反應的產物，因此二者的反應動力學不盡相同。己醛是牛乳脂肪成分的主要氧化產物，經常用于評價n-6多不飽和肪酸的氧化水平和新鮮牛乳的質量[9,11]。Timm-Heinrich等[12]研究表明，庚醛是不飽和氧化酸亞油酸（C18:2）和油酸（C18:1）產生的主要揮發物之一。而丙醛在黑暗條件下的樣品中達到較高含量，在光照條件下被耗盡，說明丙醛為光氧化的前體物質[9]，另一方面，丙醛可以用來監測n-3多不飽和肪酸的氧化[13-14]。目前，牧場為提高牛乳產量，常用超量的精飼料喂養奶牛，導致大量的多不飽和脂肪酸進入乳脂，降低了牛乳的氧化穩定性[15-16]。因此，牛乳中不飽和脂肪酸的種類和數量是影響乳脂肪光氧化的重要因素之一。

3.1.2 光敏劑

核黃素又被稱為VB2，是一種水溶性的光敏劑，也是目前普遍認為對牛乳光氧化和乳制品光誘導異味的形成起重要作用的光敏劑之一。核黃素在可見光譜的紫色和藍色區域（λ=400～500 nm）有明顯吸收，吸收紫外或可見光光能后，可以與底物發生反應（Ⅰ類），也可以與三線態氧3O2反應產生單線態氧1O2（Ⅱ類）。核黃素的光敏作用導致蛋白質和脂質的氧化，使氨基酸、脂質、維生素等重要營養素含量下降[17-18]。全脂牛乳中核黃素含量為0.17 mg/100 g，是牛乳中含量最多的一類光敏劑。核黃素主要參與牛乳中亞油酸體系的氧化反應，Lee等[7]研究發現，當牛乳中添加的核黃素質量濃度0～50 μg/mL時，戊醛和己醛的峰面積在2 h內分別增加35%和150%，核黃素與揮發性的己醛和戊醛的形成有關。

四吡咯，如原卟啉、葉綠素等是一類脂溶性光敏劑，與脂質含量密切相關，當牛乳中的脂肪含量為3.5 g/100 mL時，四吡咯的含量約為0.8 ng/mL，約為核黃素含量的1/250，這類化合物不僅對藍光和紫光（400～500 nm）有較強的吸收，而且對于波長大于500 nm的光也有一定的吸收能力，因此較長波長引起的牛乳中的光氧化更多歸因于這類化合物[4,6]。熒光光譜實驗發現，四吡咯類化合物被橙光（590～610 nm）降解的程度大于被藍光（505～470 nm）降解的程度，并且其降解程度與感官異味的形成密切相關，感官實驗也發現，波長大于575 nm的光比波長小于500 nm的光引起的異味更加明顯[6]。研究發現，卟啉類與卟吩的降解與乳制品的氧化味、陽光味和酸味的相關性較好（r＞0.9），而核黃素的降解僅與氧化味相關性較好，而與陽光味和酸味的相關性較差（r=0.65～0.69）[19]。

3.1.3 氧氣

在光照條件下，脂肪酸的光氧化主要包括自由基氧化（Ⅰ類）和單線態氧氧化（Ⅱ類）2 種類型，這2 種氧化反應是相互競爭的[4]。研究發現，自由基氧化初期，單線態氧氧化是主要誘因，氧化速率取決于體系中氧的溶解度和濃度，并且單線態氧氧化不受貯藏溫度的影響，即使在很低溫度下，單線態氧的反應速率也比基態氧的反應速率快，單線態氧對亞油酸的氧化作用是游離基氧化作用的1 450 倍以上[15]。因此，食物中單線態氧是造成脂肪氧化的直接原因，添加單線態氧淬滅劑（如疊氮化鈉）的實驗發現，牛乳中己醛和庚醛含量明顯降低，這意味著己醛和庚醛可以通過單線態氧或Ⅱ型光敏劑氧化形成[7]。食物中單線態氧形成最重要的機制是光敏氧化，牛乳中常見的光敏劑包括核黃素、四吡咯、葉綠素和卟啉等，在氧氣和光照存在的條件下，1 分子光敏劑可以產生103～105分子單線態氧[4,20]。Wold等[4]在光氧化實驗中發現，放置在空氣中保存的牛乳樣品比保存在氬氣或氮氣中的樣品己醛含量更高。Mestdagh等[21]在研究不同包裝材料對牛乳光氧化的影響實驗中發現，黑暗環境貯藏60 d條件下，溶解氧含量從6 μg/mL下降至4 μg/mL，而光照條件下，溶解氧含量降低更明顯，說明自發氧化和光氧化均存在氧氣消耗。

氧氣影響光敏劑的降解，研究發現，不同貯藏條件對核黃素的降解影響不大，但對四吡咯類化合物影響較大，原卟啉和葉綠素類化合物在空氣中貯藏比在N2中貯藏有更大程度的降解[22]。感官評價方面，Veberg等[23]在研究黃油的光氧化實驗中發現，在一定范圍內，氧氣濃度越高，樣品的感官劣變程度越高，在低氧氣濃度下紫光導致的光氧化普遍比綠光和紅光嚴重，而在高氧氣濃度下差異不大。

3.1.4 光照波長、光照強度和光照時間

乳制品暴露在可見光下會被氧化，與光照的波長有關，特別是紫光和藍光，但也會受到綠光、黃光和紅光的氧化，這是由不同光敏劑引發的光敏氧化所致[24]。核黃素的吸收波長在可見光譜的紫色和藍色區域（λ=400～500 nm），而四吡咯類化合物的吸收波長涉及整個可見光區域。光照強度也是影響脂肪光氧化的重要因素之一，張海容等[25]在研究光照對牦牛乳脂肪氧化的實驗中發現，光照強度20 lx條件下的氧化程度與964 lx和1 550 lx條件下相比有15 d的滯后期，說明光照強度在一定程度上能加快氧化反應速率。Intawiwat等[22]研究發現，對于貯藏在空氣中的巴氏乳樣品，入射光的總體強度降低會導致較少腐爛味道的產生，其中通過紅色濾光片和綠色濾光片的光照強度最低，其誘導巴氏乳的光氧化作用較小。在室溫、30 min熒光照射下，核黃素的損失率高達30%，而煮沸過程中核黃素的損失率僅為12%[26]。Huang等[20]研究也證實，光照條件下貯藏在4、20 ℃溫度下的豆乳樣品中，核黃素的降解沒有顯著差異，因此溫度對脂肪光氧化的影響較小，而光照強度和光照時間對脂肪光氧化作用的影響更大。

3.2 抗氧化因素

3.2.1 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是牛乳中一種重要的抗氧化劑，尤其是含有共軛雙鍵的類胡蘿卜素抗氧化效果最好，其中β-胡蘿卜素作為一種高活性的單線態1O2淬滅劑，在全脂牛乳中含量為20 μg/L，并且與核黃素存在相同的吸收波長，因此會在一定程度上通過競爭吸收光而抑制核黃素的降解，從而在一定程度上抑制脂肪光氧化的發生[27]。

3.2.2 生育酚類

生育酚是VE的主要成分，是天然的自由基清除劑，具有抗氧化作用，可以通過阻止光氧化物分解，從而抑制乳脂肪的氧化，其中最主要的是α-生育酚，在全脂牛乳中含量為20 mg/g，牛乳中的α-生育酚主要來源于奶牛日糧，研究發現，在奶牛日糧中添加α-生育酚可以有效降低牛乳的氧化速率[28-29]。

3.2.3 蛋白質類

蛋白質類是牛乳及乳制品的主要營養成分之一，可以直接吸收光能以及被光敏劑誘導產生光氧化，另一方面，牛乳中蛋白質經酶水解產生抗氧化活性肽，其對乳脂肪的氧化具有一定抑制作用[30-31]。研究發現，牛乳中的乳清蛋白和酪蛋白均具有一定的抗氧化能力，但酪蛋白比乳清蛋白抗氧化能力更強[32]。牛乳中含硫氨基酸經熱處理后，產生硫醇等化合物，尤其是β-乳球蛋白，在一定程度上具有抗氧化作用，Tong等[33]比較不同殺菌溫度全脂乳粉的氧化穩定性發現，低溫處理全脂乳粉的氧化穩定性比中高溫加熱處理的全脂乳粉弱，感官評價更差，游離的硫醇基更少，說明高溫加熱在一定程度上產生更多的硫醇基，具有更強的抗氧化作用。

4 乳脂肪氧化檢測的主要方法

4.1 化學方法

目前評估食品氧化酸敗的方法包括量化初級氧化和次級氧化產物2 種方法。量化初級氧化，包括量化不飽和脂肪酸損失和初級氧化產物（過氧化物、共軛雙烯）的生成。目前過氧化值（peroxide value，POV）法測定脂質初級氧化產物是測定初級氧化的傳統方法之一，但是由于初級氧化產物分解成二次產物的速率較快，所以POV可能會導致對氧化程度的低估，因此該方法被認為更適合于測量低溫貯藏的未煮熟產品中的低水平氧化[34]。次級氧化產物的測定，包括羰基和碳氫化合物的測定，目前硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARs）值是評估脂質氧化最常用的方法之一，主要通過硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）與次級氧化產物丙二醛的反應評估，該方法操作簡單，但是對丙二醛的檢測特異性和靈敏度較差，如其他與脂質氧化無關的化合物也能與TBA反應，因此該方法容易導致對氧化程度的高估[35-36]，而且實驗發現TBARs值的測定結果與感官評價的相關性較差[21]。

4.2 感官評價

感官評價作為評估脂肪光氧化的重要手段之一被廣泛應用，通常由有經驗的專業人員組成品嘗小組，采用風味打分的方式進行，操作簡單且直觀，最能直接反映食品的可接受程度，研究表明，感官評價對乳制品中的光氧化屬性分析比傳統的儀器方法（如POV、氣相色譜法和TBARs值）更敏感，而儀器方法能夠測定更具體的化合物。另外，感官評價受評價人員的主觀因素影響較大，可重復性較差[20,23]。

4.3 物理方法

低分子質量醛及碳氫化合物作為脂肪光氧化的重要次級產物之一，與感官評價密切相關，因此逐漸成為測定乳脂肪氧化程度的重要手段。己醛作為脂肪氧化生成的主要醛類已成為檢測脂肪氧化的重要指標之一[37-38]，戊醛和己醛可以用來監測高n-6 PUFA含量乳及乳制品中的氧化變化，而丙醛可以用來監測高n-3 PUFA含量乳及乳制品中的氧化變化，戊烷含量與感官評價密切相關，相比于己醛，戊烷的優點是其穩定性[39]。氣相色譜已經被廣泛用于揮發性化合物的檢測，但是由于揮發性成分以微量形式存在，因此對其進行分析必須進行分離和濃縮，目前常用的方法有固相萃取、液-液萃取、蒸餾、頂空分析等方法[34,39]。固相微萃取技術由于操作簡便、重現性好并且能夠消除樣品基體的干擾，而且具有很好的選擇性，被廣泛用于脂肪氧化的檢測，其通過纖維吸附樣品中的分析物，使基體和涂覆纖維的固定相達到動態平衡，集采樣、萃取、濃縮和進樣為一體，目前固相微萃取結合頂空進樣技術已經被廣泛用于檢測不同食物和飲料的揮發性成分組成[35]。Sandoval-Copado等[40]利用頂空固相微萃取法對新鮮瓦哈卡干酪22 d貯藏期內的揮發性有機化合物進行定量分析，Fenaille等[41]利用頂空固相微萃取技術對嬰兒乳粉中主要揮發性成分飽和醛類進行鑒定，評價其氧化水平。

5 結 語

乳制品質量安全已經成為我國食品及農產品最受關注的問題之一，牛乳在貨架陳列過程中不可避免會暴露在光照下，抑制牛乳的脂肪光氧化過程是保持牛乳營養品質和延長牛乳保質期的關鍵因素，而目前對于乳脂肪光氧化的研究還是主要集中在氧化和抗氧化等因素方面，乳品企業把更多的注意力投放在包裝材料方面的研究，對于乳脂肪光氧化及代謝物變化機理及其對感官的影響尚且沒有系統的報道，缺乏必要的理論基礎指導。因此，研究乳脂肪光氧化對于保障乳制品安全、指導乳業生產及銷售具有重要意義。