基于中紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法快速檢測油炸食品用油品質(zhì)

寧海花 周啟佳 杜 枘 苗軍艦,2 賴克強(qiáng),2

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海海洋大學(xué)食品熱加工工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

油炸食品在生活中隨處可見，因其香酥可口，深受消費(fèi)者喜愛。然而，油炸時用的食用油因長時間處于高溫狀態(tài)，易發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[1-2]。這些化學(xué)反應(yīng)不僅會使食用油本身產(chǎn)生異味、影響貨架期，還會降油炸低食品的營養(yǎng)價(jià)值，甚至產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)，如反式脂肪酸、丙烯酰胺、苯并芘等[3-5]。目前檢測油脂品質(zhì)的常規(guī)方法多為根據(jù)油脂氧化過程中1～2項(xiàng)指標(biāo)的變化，如酸價(jià)、過氧化值、羰基價(jià)、極性組分等來評價(jià)油脂品質(zhì)，而油脂氧化反應(yīng)過程的復(fù)雜多樣性，若要全面評價(jià)油脂的品質(zhì)，則需要同時檢測多項(xiàng)指標(biāo)，增加了對油脂品質(zhì)監(jiān)控的難度[6]。

近紅外因具有快速、簡便、高效、成本低等優(yōu)點(diǎn)，常被用于樣品分析，但近紅外光譜存在光譜特征性不強(qiáng)、光譜強(qiáng)度低等缺陷，且其光譜信息主要由合頻、泛頻振動引起，對含量低于0.1%的物質(zhì)檢測的靈敏度欠佳[7-8]。中紅外光譜信息是由分子的基頻振動引起的，較近紅外更靈敏，而基于衰減全反射(attenuated total reflectance, ATR)附件采集中紅外譜圖，對液體樣品前處理無特殊要求，具有非破壞性、操作簡單的特點(diǎn)，因此結(jié)合ATR附件的中紅外光譜檢測法在液態(tài)或半固態(tài)食品快速分析中的應(yīng)用前景將越來越廣泛[9-11]。

酸價(jià)、過氧化值和羰基價(jià)為評價(jià)食用油質(zhì)量安全的重要指標(biāo)。酸價(jià)用來衡量油脂中游離脂肪酸以及油脂氧化分解產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸，油脂酸價(jià)一般隨其質(zhì)量的下降而增加[12]。過氧化值則用來表示油脂中氫過氧化物含量[13]，是油脂氧化的初級產(chǎn)物，其進(jìn)一步分解可生成小分子的醛、酮等脂肪氧化的次級產(chǎn)物，因此測量油脂中總的羰基化合物(羰基價(jià))，常用于評價(jià)油脂劣變程度[14]。

研究擬基于傅里葉變換中紅外光譜(fourier transform mid-infrared, FT-IR)-ATR技術(shù)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對油炸食品用油的酸價(jià)、過氧化值、羰基價(jià)進(jìn)行定量分析，以其達(dá)到快速、同時檢測多項(xiàng)油脂品質(zhì)指標(biāo)的目的，為加強(qiáng)對油炸食品用油品質(zhì)的監(jiān)控以保障最終油炸食品的安全提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試劑與儀器

硫代硫酸鈉、甲醇、異丙醇等：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

正丁醇、己醛：色譜純，美國Sigma-Aldrich公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Nicolet 6700型，美國Thermofisher公司；

紫外分光光度計(jì)：UV3000型，上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.1.2 試驗(yàn)原料

(1) 控制油樣：在上海某大學(xué)食堂，使用8 L左右該食堂常用的市購一級大豆油連續(xù)油炸麻球，麻球重量約2.5 kg，每鍋炸20 min，共18鍋，油炸溫度控制在120～150 ℃。油炸過程中，第一鍋每隔2 min取一次油樣，共取11個樣品；此后17鍋每隔5 min取一次油樣，共取68個樣品，總油炸時間360 min，加上未加熱豆油，共計(jì)80個油樣。

(2) 隨機(jī)油樣：以1，4，7，15 d為取樣周期，在同一食堂連續(xù)6個月對當(dāng)天所用炸油進(jìn)行取樣，每天油炸時間約90 min，油炸溫度120～220 ℃，每隔3～6 min取約40 mL油，共取136個樣品，加2個未加熱油樣，共計(jì)138個油樣。

該食堂主要使用萬家宴轉(zhuǎn)基因四級大豆油(上海帝海糧油有限公司)及烹飪佳精致轉(zhuǎn)基因大豆油(嘉吉糧油有限公司)，油炸的食物包括麻球、素雞、蝦、大排、排條、小黃魚、土豆、鯽魚、白魚塊、牛肉、鯧魚等十余種，每日炸5～8種食物，每種食物重量約2 kg。油炸過程中，根據(jù)實(shí)際情況，不定時、不定量添加不同品牌的新油或簡單過濾后的陳油。采集到的油樣盛于50 mL玻璃燒杯，待冷卻后，轉(zhuǎn)移到60 mL具塞樣品瓶，貼好標(biāo)簽于4 ℃冰箱貯藏。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油脂指標(biāo)的測定 所有采集的218個油樣均用于酸價(jià)分析，因油樣過氧化值和羰基價(jià)的測試方法耗時較長，且經(jīng)比較同一鍋控制油樣過氧化值和羥基價(jià)之間相差較小，因此只對控制油樣的第1鍋選擇3個樣品，其余17鍋選擇2個樣品，加未加熱油樣，共38個樣品以及隨機(jī)油樣的第1月17個樣品，其余月份選擇15個樣品，2個未加熱油樣，共94個樣品進(jìn)行過氧化值和羰基價(jià)分析。

(1) 酸價(jià)：參照GB 5009.229—2016。

(2) 過氧化值：參照GB 5009.227—2016。

(3) 羰基價(jià)：參照GB 5009.230—2016。

1.2.2 紅外譜圖的采集 采用傅里葉變換光譜儀采集油樣的紅外譜圖，其掃描波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為16次，分辨率為4 cm-1。以空氣參比作為空白背景，用滴管滴加油樣，使其充滿整個11點(diǎn)反射槽式ATR硒化鋅晶體表面。每次樣品測試結(jié)束后，用異丙醇清洗干凈。

1.2.3 建模方法及模型的評價(jià)參數(shù) 應(yīng)用Delight 3.2軟件，選擇偏最小二乘回歸法(PLS)將油樣的紅外光譜圖與控制油樣、隨機(jī)油樣、所有油樣(二者加起來)的酸價(jià)、過氧化值、羰基價(jià)建立數(shù)學(xué)模型，基于留一交叉驗(yàn)證法對模型的預(yù)測性進(jìn)行評估，并確定模型的最佳參數(shù)(如潛變量個數(shù))。模型的評價(jià)指標(biāo)包括預(yù)測值與真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)(R2)，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差(SEP)，樣品集的標(biāo)準(zhǔn)偏差與預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值(RPD)[15]。R2越大、SEP越小，模型的效果越好，RPD>5.0說明模型具有良好的預(yù)測性；RPD為2.5～5.0說明模型具有一定的預(yù)測性，適合低、中、高濃度的篩選；RPD<2.5，說明模型預(yù)測能力較差[16]。建立PLS模型前，紅外光譜圖進(jìn)行平滑(smooth)、二階導(dǎo)(2ndderivative)預(yù)處理，以消除噪音和背景干擾來獲得預(yù)測性好的模型[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品信息

由表1可知，控制油樣的酸價(jià)、過氧化值和羰基價(jià)分別為0.09～0.59 mg KOH/g，22.02～106.70 meq/kg和 4.08～11.99 meq/kg，而隨機(jī)油樣的酸解、過氧化值和羰基價(jià)分別為0.12～2.00 mg KOH/g，1.14～47.27 meq/kg和 1.18～9.53 meq/kg。油樣的酸價(jià)和羰基價(jià)均在GB 5009.229—2016和GB 5009.230—2016允許的范圍內(nèi)，而控制油樣的過氧化值均超過GB 5009.227—2016規(guī)定的20 meq/kg，16個隨機(jī)油樣的過氧化值也超標(biāo)。對3個指標(biāo)進(jìn)行線性分析，發(fā)現(xiàn)其中任何兩個指標(biāo)之間無明顯的線性關(guān)系，表明3個指標(biāo)是獨(dú)立的。

表1 油炸食品所用油樣的酸價(jià)、過氧化值和羰基價(jià)

2.2 FT-IR譜圖特征

圖1 代表性油樣的紅外譜圖

2.3 酸價(jià)模型

由圖2可知，對于酸價(jià)的分析，當(dāng)控制油樣、隨機(jī)油樣、所有油樣模型的潛變量個數(shù)分別為6，12，13時，若繼續(xù)增加模型的潛變量數(shù)目，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差無明顯的減低，由此判斷3種油樣酸價(jià)模型的最優(yōu)潛變量個數(shù)分別為6，12，13。由于食用油中游離脂肪酸、過氧化物和羰基化合物含量較少，其對應(yīng)的FT-IR光譜特征被油脂中的主要成分甘油三酯的光譜特征掩蓋。因此，酸價(jià)模型的建立需要較多的潛變量個數(shù)。此外，由于控制油樣的油炸食物和所用油品種相對簡單，同一種油反復(fù)炸一種食品，所以控制油樣的酸價(jià)模型需要用的潛變量數(shù)目相對較少；而隨機(jī)油樣的油炸食物品種較多，所用油的品種多樣，所含成分復(fù)雜，因此隨機(jī)油樣的酸價(jià)模型需要較多的潛變量個數(shù)。

圖2 油樣酸價(jià)模型的潛變量個數(shù)與預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系

由圖3可知，控制油樣、隨機(jī)油樣、所有油樣酸價(jià)的模型預(yù)測值與真實(shí)值之間的相關(guān)系數(shù)R2均≥0.980，SEP為0.02～0.08 mg KOH/g，RPD為6.98～8.73，表明3種油樣的酸價(jià)模型均有很好的預(yù)測性。

圖3 油樣酸價(jià)的PLS校正模型及預(yù)測值與真實(shí)值的關(guān)系

2.4 過氧化值模型

過氧化值PLS模型最優(yōu)潛變量個數(shù)的確定方法與酸價(jià)模型類似，控制油樣、隨機(jī)油樣、所有油樣的過氧化值模型潛變量個數(shù)分別為9，10，11，若繼續(xù)增加模型的潛變量數(shù)目，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差并未明顯減小，由此判斷3種油樣過氧化值模型的最優(yōu)潛變量個數(shù)分別為9，10，11。由圖4可知，過氧化值的模型預(yù)測值與真實(shí)值之間的R2為0.716～0.909，SEP為4.41～6.86 meq/kg，RPD為1.87～3.32，模型的預(yù)測性較差，尤其是隨機(jī)油樣模型對應(yīng)的RPD只有1.87，對于實(shí)際抽檢油樣中過氧化值的定量分析幾乎無應(yīng)用價(jià)值。

圖4 油樣過氧化值的PLS校正模型及預(yù)測值與真實(shí)值的關(guān)系

2.5 羰基價(jià)模型

羰基價(jià)模型最優(yōu)潛變量數(shù)目的確定方法與酸價(jià)、過氧化值模型類似，控制油樣、隨機(jī)油樣、所有油樣的羰基價(jià)模型最優(yōu)潛變量數(shù)分別為5，10，4。由圖5可知，控制油樣和隨機(jī)油樣的PLS模型有一定的預(yù)測能力，模型預(yù)測值與真實(shí)值之間的R2分別為0.936，0.881，SEP分別為0.66，0.73 meq/kg，RPD分別為3.95，2.90，但是對于所有油樣，模型的預(yù)測能力較差，對應(yīng)的R2為0.763，SEP為1.31 meq/kg，RPD為2.05。

圖5 油樣羰基價(jià)的PLS校正模型及預(yù)測值與真實(shí)值的關(guān)系

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，隨機(jī)油樣中，酸價(jià)與羰基價(jià)均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但是部分樣品的過氧化值已超過了油炸食品關(guān)于食用油所含油脂含量的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，反映出油炸食品中可能存在食品安全問題。隨機(jī)油樣油炸時間比控制油樣油炸時間更長，且油炸食物的量更多，但其過氧化值與羰基價(jià)總體上比控制油樣的要低，主要是由于控制油樣與隨機(jī)油樣所使用的食用油品種不同。此外，中紅外光譜圖中，反式碳碳雙鍵的特征吸收峰強(qiáng)度增加，說明油炸過程中不飽和脂肪酸可能經(jīng)異構(gòu)化生成了反式脂肪酸，油炸用油中反式脂肪酸含量的測定有待后續(xù)研究。

通過酸價(jià)、過氧化值和羰基價(jià)3種指標(biāo)的PLS模型比較，發(fā)現(xiàn)模型對油脂酸價(jià)的預(yù)測能力較強(qiáng)(RPD≥6.98)，但對過氧化值的預(yù)測能力較弱，尤其對于隨機(jī)油樣幾乎無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值(RPD=1.87)。此外，控制油樣模型比隨機(jī)油樣模型的預(yù)測性更強(qiáng)，其主要原因是隨機(jī)油樣炸的食物種類多、油炸溫度差異性大，使得油樣的成分更為復(fù)雜，從而影響其模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。綜上，采用衰減全反射附件的傅里葉變換中紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法有望實(shí)現(xiàn)快速、同時檢測油炸用油的酸價(jià)、過氧化值和羰基價(jià)。