基于特級初榨橄欖油兩種不同特性的DSC摻假分析方法研究

魏燕,宋志強(qiáng),武衛(wèi)東*

1(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海,200093)2(上海理工大學(xué),能源動力工程國家級實(shí)驗(yàn) 教學(xué)示范中心,上海,200093)

橄欖油是一種由成熟的油橄欖果實(shí)低溫壓榨得到的食用油[1],營養(yǎng)價(jià)值豐富[2],得到了越來越多人的青睞。由于制作工藝不同,橄欖油可分為許多種類,其中品質(zhì)最高的是特級初榨橄欖油(extra virgin olive oil,EVOO)[3]。該類橄欖油國內(nèi)產(chǎn)量較少,主要依賴進(jìn)口,價(jià)格十分昂貴[4],因此對EVOO的摻假行為變得有利可圖。常見的摻假方式是在EVOO中直接摻入價(jià)格較低且色清味淺的植物油[5]。大豆油在我國是一種很常見的植物油,價(jià)格便宜[6],顏色氣味都不突出,是一種理想的摻假原料,且大豆油摻偽EVOO的消息也時(shí)常出現(xiàn)[7]。

橄欖油的摻假檢測方法主要有3類,分別是物理檢測法、化學(xué)檢測法和生物檢測法[8]。其中物理檢測法具有方便、無損、高效等特點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛,常見物理檢測方法包括1)紅外光譜法:利用不同油脂接收紅外光照射產(chǎn)生紅外光譜的不同來進(jìn)行摻假判定[9];2)電子鼻技術(shù):應(yīng)用氣敏器件對不同成分氣體響應(yīng)各不相同的特性來鑒定摻假[10];3)同位素技術(shù):通過檢測不同油樣的某種同位素差異來判定摻假[11];4)同步熒光法:同時(shí)掃描并發(fā)射兩單色器波長得到熒光強(qiáng)度信號及發(fā)射波長,構(gòu)成光譜圖來分析是否摻假[12]。以上物理檢測方法或多或少存在檢測時(shí)間較長、成本較高、操作復(fù)雜等問題,不利于橄欖油摻假方法的進(jìn)一步推廣。

差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry, DSC)是一種重要的檢測食用油摻假的物理方法[13]。它主要側(cè)重于油脂物理特性[14]與氧化穩(wěn)定性[15]2個(gè)方面來對摻假油進(jìn)行判定。物理特性主要是考慮不同油樣加熱熔融與冷卻結(jié)晶過程中油樣吸熱量與放熱量的差異,這種差異體現(xiàn)在DSC加熱冷卻曲線的不同[16]。趙瑾等[17]利用EVOO與葵花籽油在DSC加熱冷卻曲線上的差異,利用結(jié)晶峰起始溫度和峰值溫度與摻假比例建立了相關(guān)性良好的回歸方程,從而實(shí)現(xiàn)精確快速鑒定摻假的EVOO。而氧化穩(wěn)定性主要是考慮油樣中不飽和脂肪酸與抗氧化物質(zhì)種類與含量不同[18],通過DSC測量誘導(dǎo)氧化時(shí)間體現(xiàn)。邵薇等[19]利用偽劣大豆油與精煉大豆油氧化穩(wěn)定性的差異,通過DSC測得不同油樣的誘導(dǎo)氧化時(shí)間來快速判斷出大豆油是否摻假。由于誘導(dǎo)氧化時(shí)間的測量所需溫度低于EVOO或大豆油煙點(diǎn)[20-21],用于鑒別特級橄欖油中大豆油的摻假更為便捷。目前基于氧化穩(wěn)定性的橄欖油DSC摻假研究較少,值得嘗試研究。

本文采用DSC對市面上常見的EVOO摻假問題進(jìn)行研究,選取的摻假油為大豆油。從物理特性與氧化穩(wěn)定性兩個(gè)方面采用DSC對EVOO、大豆油以及不同比例摻假質(zhì)量比的混合油進(jìn)行評測,得到DSC加熱冷卻曲線上相關(guān)熱力參數(shù)與誘導(dǎo)氧化時(shí)間并建立對摻假質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一元回歸方程,建立以誘導(dǎo)氧化時(shí)間為指標(biāo)的EVOO摻假鑒別模型,并與以往常用的基于DSC加熱冷卻曲線建立的橄欖油摻假鑒別模型做對比,分析基于不同特性所建立摻假模型的特點(diǎn),為DSC鑒定EVOO摻假研究提供更多思路與數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

EVOO,西班牙原裝進(jìn)口,品渥食品有限公司。大豆油,益海嘉里食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DSC 200 F3差示掃描量熱儀,德國NETZSCH耐馳公司;恒平FA1604電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.3 油樣制備

按大豆油/EVOO為5%、10%、20%、30%、40%的不同摻假質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合,在振蕩器上充分搖晃和混合后轉(zhuǎn)移到儲存容器中,密封并在常溫下避光貯存以供實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 DSC加熱冷卻曲線

準(zhǔn)確稱取15～25 mg樣品,放入氧化鋁坩堝中。設(shè)定程序掃描溫度范圍為-80～30 ℃,升降溫速率為10 ℃/min。檢測過程采用N2保護(hù),氣體流速50 mL/min。每個(gè)樣品重復(fù)測量3次。

1.4.2 DSC誘導(dǎo)氧化時(shí)間

準(zhǔn)確稱重(10±0.5) mg樣品,并放在氧化鋁坩堝中并開孔。設(shè)定不同氧化溫度140、160、180 ℃保持恒定,選取合適的氧化溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。升溫至氧化溫度這一過程采用N2保護(hù),達(dá)到氧化溫度時(shí)先保持3 min再切換空氣氣氛保持一段時(shí)間。氣體流量為50 mL/min,每個(gè)樣品重復(fù)測量3次。

1.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與處理

1.5.1 DSC加熱冷卻曲線

應(yīng)用DSC熱分析軟件Proteus 5.0.x(NETZSCH Proteus thermal analysis)對DSC圖像上的冷卻結(jié)晶峰或加熱熔融峰進(jìn)行峰的綜合分析并從中獲得的焓值ΔH、峰值溫度TP、起始溫度TO和終止溫度TE等熱力參數(shù)。用Excel 2016擬合出各熱力參數(shù)對摻假質(zhì)量比的一元回歸方程,并求得決定系數(shù)R2[22]。

1.5.2 DSC誘導(dǎo)氧化時(shí)間

誘導(dǎo)氧化時(shí)間為放熱峰起始端引出的最大斜率切線與外推基線的交點(diǎn)時(shí)間[23],該值可在DSC加熱氧化曲線圖上直接取得。用Excel 2016擬合出誘導(dǎo)氧化時(shí)間對摻假質(zhì)量比的一元回歸方程,并求得R2。

2 結(jié)果與分析

2.1 DSC加熱冷卻曲線

2.1.1 EVOO與純大豆油DSC加熱冷卻曲線對比

3組實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,選取一組EVOO與純大豆油的DSC加熱冷卻實(shí)驗(yàn)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并用Origin 2018整合,得到EVOO與純大豆油DSC曲線對比圖,如圖1所示。

圖1 大豆油與EVOO加熱冷卻DSC對比圖Fig.1 DSC contrast between soybean oil and EVOO heated and coo

由于DSC加熱冷卻實(shí)驗(yàn)是先在30 ℃條件下保持2 min再冷卻,冷卻開始時(shí)保護(hù)氣體溫度與坩堝內(nèi)樣品溫度不一致,導(dǎo)致DSC值在實(shí)驗(yàn)初始階段并不穩(wěn)定。待傳熱逐漸穩(wěn)定后,DSC值變得平坦?？梢悦黠@看出,EVOO在DSC值穩(wěn)定一段時(shí)間后在-40～-60 ℃出現(xiàn)一個(gè)窄而尖的結(jié)晶峰,而純大豆油并未呈現(xiàn)明顯的結(jié)晶峰。雖然大豆油內(nèi)同樣含有許多脂肪酸,但種類、含量、形態(tài)都與EVOO存在差異,這導(dǎo)致在DSC冷卻曲線中與EVOO呈現(xiàn)明顯不同的結(jié)晶特性。因此該結(jié)晶峰是EVOO獨(dú)有的特征,可以用結(jié)晶峰的起始溫度TP、峰值溫度TO、終止溫度TE、焓值ΔH這些熱力參數(shù)來表征該結(jié)晶峰形態(tài),作為鑒定摻假的依據(jù)。而DSC加熱曲線上EVOO與純大豆油都有明顯熔融峰的存在,位置存在交叉且差異不如DSC冷卻曲線明顯。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)以冷卻結(jié)晶曲線分析EVOO摻假。

2.1.2 DSC冷卻曲線結(jié)果與分析

在3組實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好的情況下,將各摻假比例混合油DSC冷卻數(shù)據(jù)導(dǎo)出并用Origin 2018整合,如圖2所示。隨著大豆油摻假比例的升高,冷卻結(jié)晶峰整體左移,峰型逐漸變得平坦。結(jié)晶起始溫度、峰值溫度、終止溫度整體變低,結(jié)晶峰面積變小,整體與摻假比例線性相關(guān)。使用DSC專用分析軟件對各摻假比例混合油的結(jié)晶峰進(jìn)行分析,得到相關(guān)熱力參數(shù)如表1所示。隨著大豆油摻假比例升高,各熱力參數(shù)均減小。與EVOO相比,40%摻假油焓值ΔH從29.78 J/g下降至6.133 J/g,峰值溫度TP從-49.2 ℃下降至-62.7 ℃,起始溫度TO從-43.8 ℃下降至-53.7 ℃,終止溫度TE從-55.7 ℃下降至-71.3 ℃。

圖2 各摻假比例混合油冷卻DSC曲線對比圖Fig.2 Comparison chart of DSC curves of mixed oil cooled by each adulteration ratio

表1 DSC冷卻曲線熱力參數(shù)Table 1 Thermodynamic parameters of DSC cooling curves

表2 DSC冷卻曲線相關(guān)熱力參數(shù)的回歸方程與決定系數(shù)Table 2 Regression equations and determination coefficients of thermodynamic parameters related to DSC cooling curves

以表1中各熱力參數(shù)為橫坐標(biāo),EVOO所占質(zhì)量比為縱坐標(biāo)建立一元回歸方程并求出決定系數(shù)R2,結(jié)果如表2所示。ΔH所得到的一元回歸方程決定系數(shù)R2為0.997,而TP、TO、TE得到的一元回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.992、0.980和0.950,對比來看前者精度更高,所建立摻假模型相關(guān)性更好,因此以ΔH所建立的摻假模型作為摻假鑒定的依據(jù)更為合理。

同時(shí),對于結(jié)晶焓值ΔH所建立摻假模型可以從摻假檢測極限角度驗(yàn)證其精確性。由結(jié)晶焓值ΔH所建立的一元回歸方程Y=57.556X-28.44可知,當(dāng)EVOO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.4%即對應(yīng)摻假質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.6%時(shí)焓值為0,因此定量摻假分析的檢測極限也在51.6%附近。50%摻假百分比混合油的DSC冷卻曲線如圖3所示,圖上并未出現(xiàn)明顯結(jié)晶峰,結(jié)晶焓值為0,兩者基本接近,但存在一定誤差。且熱分析軟件Proteus對峰進(jìn)行綜合分析時(shí)需要取點(diǎn),當(dāng)摻假比例靠近檢測極限時(shí)結(jié)晶峰過小,取點(diǎn)存在困難,無法得到有效結(jié)果,因此需要縮小定量摻假檢測的范圍。綜上所述,基于DSC冷卻曲線上結(jié)晶峰焓值ΔH所建立的摻假模型在定性分析EVOO摻假方面有著明顯效果,也可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的定量摻假分析并通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值的方法減小誤差。

圖3 50%摻假比例混合油冷卻DSC曲線圖Fig.3 50% adulteration ratio mixed oil cooling DSC plot

2.2 DSC誘導(dǎo)氧化時(shí)間

2.2.1 DSC誘導(dǎo)氧化時(shí)間實(shí)驗(yàn)氧化溫度

在DSC誘導(dǎo)氧化時(shí)間實(shí)驗(yàn)中需要實(shí)驗(yàn)樣品在空氣氣氛下保持恒定溫度一段時(shí)間,該恒定溫度即為氧化溫度,而氧化溫度的選擇對DSC加熱氧化曲線圖有著顯著影響。氧化溫度過大則氧化時(shí)間過短影響數(shù)據(jù)記錄,過小則實(shí)驗(yàn)耗時(shí)很長,不利于摻假油的快速鑒定,因此選取140、160、180 ℃為氧化溫度分別對EVOO進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

以圖4-a為例,DSC曲線為一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)線為DSC隨時(shí)間的變化曲線,虛線為溫度隨時(shí)間的變化曲線。由虛線可知整個(gè)氧化過程,首先在初始溫度下以20 ℃/min的加熱速率升溫,到140 ℃時(shí)保持3 min隨后切換空氣氣氛并繼續(xù)維持140 ℃,在140 ℃的空氣氣氛下持續(xù)30 min后降溫結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

a-140 ℃ DSC氧化曲線圖;b-160 ℃ DSC氧化曲線圖;c-180 ℃ DSC氧化曲線圖圖4 不同氧化溫度下的氧化曲線圖Fig.4 Oxidation curves at different oxidation temperatures

由圖4-a可知,在空氣氣氛下EVOO氧化曲線幾乎保持一條直線,說明EVOO在140 ℃空氣中恒溫30 min的條件下并未發(fā)生氧化,誘導(dǎo)氧化時(shí)間無法測得,因此需要采用更高的氧化溫度與更長的恒溫時(shí)間。圖4-b中氧化溫度變?yōu)?60 ℃,切換空氣氣氛后恒溫時(shí)間變?yōu)?0 min,在25.8 min左右EVOO發(fā)生氧化,誘導(dǎo)氧化時(shí)間可以測得且相對合理。圖4-c中氧化溫度變?yōu)?80 ℃,在剛切換空氣氣氛后EVOO立刻發(fā)生氧化,氧化溫度過高導(dǎo)致誘導(dǎo)氧化時(shí)間過短無法測量。因此160 ℃的氧化溫度較為合適。同時(shí)對大豆油在氧化溫度160 ℃,恒溫時(shí)間40 min的條件下進(jìn)行誘導(dǎo)氧化時(shí)間實(shí)驗(yàn),由圖5可知,大豆油在15.2 min左右發(fā)生氧化,誘導(dǎo)氧化時(shí)間也可以得到且比較合理,因此后續(xù)各摻假比例混合油的誘導(dǎo)氧化時(shí)間實(shí)驗(yàn)以氧化溫度160 ℃,恒溫時(shí)間40 min條件進(jìn)行。

圖5 大豆油在160 ℃下氧化曲線圖Fig.5 Oxidation curve of soybean oil at 160 ℃

2.2.2 DSC氧化穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以160 ℃的氧化溫度維持40 min的條件,對各個(gè)不同摻假比例混合油進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,隨著大豆油摻假比例增加,通入空氣氣氛后DSC曲線發(fā)生彎折時(shí)間變快,彎折后的DSC曲線也越來越靠下。具體數(shù)據(jù)如表3所示,隨著大豆油摻假比例增加,誘導(dǎo)氧化時(shí)間逐漸變短,由EVOO的25.8 min減小到40%摻假比例混合油的17.8 min。而誘導(dǎo)氧化時(shí)間主要與油脂內(nèi)的不飽和脂肪酸種類與含量有關(guān),不飽和脂肪酸越多則誘導(dǎo)氧化時(shí)間越短,雖然EVOO內(nèi)不飽和脂肪酸含量豐富,但同時(shí)也有酚類物質(zhì)、角鯊烯、維生素E[24]等抗氧化物質(zhì)的存在,因此所得結(jié)果較為合理,EVOO氧化穩(wěn)定性比大豆油好。同時(shí)以表3數(shù)據(jù)擬合出誘導(dǎo)氧化時(shí)間對摻假百分比的一元回歸方程并求出決定系數(shù)R2,所得回歸方程為Y=-19.4X+25.64(R2=0.996)。利用大豆油的誘導(dǎo)氧化時(shí)間為15.2 min代入回歸方程可大致得出摻假檢測極限為53.8%。綜上所述,基于誘導(dǎo)氧化時(shí)間所建立的摻假檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂奢^為準(zhǔn)確地對摻假橄欖油進(jìn)行定性分析,也可在一定范圍內(nèi)對摻假橄欖油進(jìn)行定量分析。

圖6 不同摻假比例混合油的誘導(dǎo)氧化時(shí)間Fig.6 Induced oxidation time of mixed oil with different adulteration ratio

2.3 DSC冷卻結(jié)晶實(shí)驗(yàn)與誘導(dǎo)氧化時(shí)間實(shí)驗(yàn)對比分析

基于誘導(dǎo)氧化時(shí)間所建立的回歸方程與基于DSC冷卻曲線所建立的回歸方程相關(guān)性R2都很高且很接近,都可在一定程度上作為分析EVOO中大豆油摻假的依據(jù),但二者原理不同且各有優(yōu)缺點(diǎn)。DSC冷卻曲線差異主要取決于脂肪酸種類、含量、形態(tài)的不同,在曲線上能得到多個(gè)熱力參數(shù)建立回歸方程,可選取最優(yōu)的熱力參數(shù)來檢驗(yàn)摻假,檢驗(yàn)速度相對較快。但在摻假比例接近檢測極限的情況下,結(jié)晶峰過小導(dǎo)致熱分析軟件Proteus取點(diǎn)進(jìn)行峰的綜合分析存在困難,無法得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。而誘導(dǎo)氧化時(shí)間的差異主要考慮不飽和脂肪酸與抗氧化物質(zhì)種類與含量的不同,在DSC氧化曲線上可較為直接、清楚獲得,且定量摻假分析時(shí)在各個(gè)摻假比例都能獲得有效的結(jié)果。但DSC實(shí)驗(yàn)需要選取合適的氧化溫度才能得到有效的結(jié)果,耗時(shí)相對較長,且也有著摻假檢測極限的存在。因此可以根據(jù)實(shí)際情況選取相應(yīng)的DSC檢測方法鑒定EVOO是否摻假。

表3 不同摻假比例混合油的誘導(dǎo)氧化時(shí)間Table 3 Induced oxidation time of mixed oils with different adulteration ratios

3 結(jié)論

EVOO與大豆油冷卻結(jié)晶DSC曲線有明顯區(qū)別,隨著摻假油中大豆油比例升高結(jié)晶峰逐漸變小左移,結(jié)晶開始溫度TO、峰值溫度TP、終止溫度TE、結(jié)晶焓值ΔH均變小。由結(jié)晶峰焓值ΔH對EVOO質(zhì)量百分比所建立回歸方程Y=57.556X-28.44(R2=0.997),但由于模型摻假極限與熱分析軟件Proteus的限制,僅能在一定范圍內(nèi)對EVOO中大豆油的摻假做定量分析。

EVOO與大豆油誘導(dǎo)氧化時(shí)間也存在一定差異,在選取合適的實(shí)驗(yàn)條件后,隨著大豆油摻假比例升高,油樣誘導(dǎo)氧化時(shí)間變短。由誘導(dǎo)氧化時(shí)間對摻假質(zhì)量比建立的回歸方程Y=-19.4X+25.64相關(guān)性較好(R2=0.996),能夠有效鑒定EVOO中大豆油的摻假,但定量摻假分析在摻假比例53.8%附近存在檢測極限。

兩種基于油脂不同特性的DSC摻假鑒別方法都能較好地鑒別EVOO中大豆油的摻假,且各有優(yōu)劣,可對比分析選取更符合實(shí)際情況的方法。其中利用誘導(dǎo)氧化時(shí)間鑒別EVOO摻假也為DSC鑒定橄欖油摻假提供了更多思路,今后的研究中也可嘗試?yán)肈SC測量不同的體現(xiàn)氧化穩(wěn)定性的參數(shù)如起始氧化時(shí)間[25]來完成對摻假橄欖油的鑒定,以進(jìn)一步擴(kuò)展EVOO的摻假檢測方法。