复合抗氧化剂对油茶籽油的氧化稳定性研究
2016-12-26李世科李春阳曾晓雄
李世科 李春阳 曾晓雄
(江苏省农业科学院农产品加工所1，南京 210014)(南京农业大学食品科技学院2，南京 210095)(江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室3，南京 210014)
复合抗氧化剂对油茶籽油的氧化稳定性研究
李世科1,2,3李春阳1,3曾晓雄2
(江苏省农业科学院农产品加工所1，南京 210014)(南京农业大学食品科技学院2，南京 210095)(江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室3，南京 210014)
研究了水酶法油茶籽油的脂肪酸组成以及TBHQ、PG、BHT对其抗氧化作用的影响。用气相色谱-质谱联用仪对油茶籽油进行脂肪酸组成的分析；并采用Schaal烘箱法，以过氧化值(POV)为指标，在单因素试验的基础上，应用二次通用旋转组合设计优化抗氧化剂组合，同时比较柠檬酸和VC的协同增效作用。结果表明，该油脂主要由油酸(C18∶1)、棕榈酸(C16∶0)、亚油酸(C18∶2)组成，不饱和脂肪酸质量分数高达86.84%；使用0.02%TBHQ、0.009%PG和0.012%BHT为油茶籽油的复合抗氧化剂，0.02%VC为增效剂，能使其在20 ℃的预期贮藏时间从2个月延长到16个月，抗氧化效果显著。
油茶籽油 抗氧化剂 优化 二次通用旋转组合
油茶(Camelliaoleifera)又叫茶子树，是我国特有的木本油料，与油棕、油橄榄、椰子并称为世界四大木本油料树种，在我国南方广泛种植，面积约为400万hm2。油茶籽油系从油茶种子中提取获得的油脂，又名茶籽油、茶树油或山茶油[1]。茶籽油营养丰富，具有降血压、降血脂和抑制动脉粥样硬化等保健功效[2]。但是在光、热、氧、金属和自由基的影响下，茶籽油极易发生氧化，导致营养价值降低。此外，水酶法提取油茶籽油属于浸出油，相对压榨油等其他制油方法所得油脂稳定性差，容易发生氧化酸败[3]。因此，对水酶法油茶籽油氧化稳定性进行研究，无疑具有重要的意义。目前国内外对油茶籽油的研究大多集中在油脂提取、脂肪酸组成等方面[2-4]，对采用添加抗氧化剂提高其抗氧化性能的研究鲜见报道。
常用油脂抗氧化剂如二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、特丁基对苯二酚(TBHQ)等酚类物质对防止油脂氧化酸败有一定效果，但是单独使用时往往不能满足要求且成本较高，因此需要通过复配发挥其协同增效作用[5]。本试验针对水酶法油茶籽油，选用TBHQ、PG、BHT为抗氧化剂，利用“二次通用旋转组合设计法”优化抗氧化剂组合，并建立相关数学模型，旨在为油茶籽油的加工与贮藏提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
油茶籽：安徽省六安市，去壳风干粉碎后过60目筛，含水量6.62%、脂肪53.84%。
果胶酶NCB-PE40(最适pH 3.0～5.5，最适温度45～55 ℃，酶活力30 000 U/g)、纤维素酶AE80(最适pH 4.0～6.5，最适温度30～70 ℃，酶活力2 000 U/g)：湖南尤特尔生化有限公司；Acalase 2.4L(最适pH 6.5～8.5，最适温度55～70 ℃，酶活力275 800 U/g)：诺维信公司。
硫代硫酸钠、三氯甲烷、冰醋酸、碘化钾、可溶性淀粉、柠檬酸等均为分析纯；二丁基羟基甲苯(BHT)、特丁基对苯二酚(TBHQ)、没食子酸丙酯(PG)、抗坏血酸(VC)均为食用级。
202-0型电热恒温鼓风干燥箱：上海沪南科学仪器联营厂；AL-104电子分析天平：梅特勒托利多仪器有限公司；7890A气相色谱仪：美国Agilent；以及测定油脂过氧化值(POV)所需的玻璃仪器等。
1.2 试验方法
1.2.1 茶籽油制取方法
油茶籽→破壁酶水解→灭酶→冷却→离心→乳化油→碱提→蛋白酶水解→灭酶→离心→茶籽清油
破壁酶水解：复合破壁酶(果胶酶∶纤维素=2∶1)，加酶量1.2 %，料液比1∶6，酶解温度50 ℃，pH 4.5, 酶解时间3 h；
碱提：料液比1∶1，pH 9.0，温度60 ℃，时间40 min；
蛋白酶水解：Acalase 2.4L，加酶量1.0%，酶解温度60 ℃，pH 9.0，酶解时间1 h；
灭酶：85 ℃水浴10 min；
离心：10 000 r/min条件下离心15 min。
1.2.2 脂肪酸组成分析
采用气-质联用色谱法。气相色谱条件：PEG-20M弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，载气为He，流量0.8 mL/min，分流比1∶50，进样口温度260 ℃，程序升温：180 ℃保持1.5 min，然后以3 ℃/min升至230 ℃。质谱条件：电离方式EI，电子能量70 eV，离子源温度200 ℃，检测器电压350 V，质量扫描范围33～450 amu。
1.2.3 过氧化值(POV)的测定
参照GB/T 5538—2005测定。
1.2.4 油脂加速氧化试验
参照文献[6]，将100 g油茶籽油分别盛放于棕色广口瓶中，先将3种抗氧化剂分别溶于乙醇中，再按照二次通用旋转正交试验设计的各抗氧化剂的量，将其添加于油脂中混匀，同时置于60 ℃的恒温烘箱中进行强制氧化，6 d后取样，测定POV值。
1.2.5 不同抗氧化剂对油茶籽油POV值的影响
按照1.2.4方法，以不加抗氧化剂的油样为对照组，比较0.02% BHT、0.02%PG、0.02%TBHQ及复合抗氧化剂(0.02%TBHQ+0.01%PG+0.02%BHT)对油茶籽油的抗氧化效果。
1.2.6 单因素试验
1.2.6.1 BHT添加量对油茶籽油POV值的影响
按照1.2.4方法，比较不同添加量0.005%、0.010%、0.015%、0.020% BHT对油茶籽油抗氧化效果。
1.2.6.2 PG添加量对油茶籽油POV值的影响
按照1.2.4方法，比较不同添加量0.002%、0.004%、0.006%、0.008%、0.010% PG对油茶籽油抗氧化效果。
1.2.6.3 TBHQ添加量对油茶籽油POV值的影响
按照1.2.4方法，比较不同添加量0.005%、0.010%、0.015%、0.020% TBHQ对油茶籽油抗氧化效果。
1.2.7 二次通用旋转正交组合设计
二次通用旋转试验设计能使回归预测值Y的方差是在球心为原点，半径为r的球内的1个常数。该设计的一致精度和需要试验次数较少等优点广泛应用于科学试验中[7]。以TBHQ、BHT和PG为试验因子，以油茶籽油的POV值(Y)为目标，做三因素五水平的二次通用旋转组合设计，共计20个试验点，用以确定最佳抗氧化剂组合。每个因素水平值的设计参考文献资料和GB2760—2007中对各因素在油脂中使用限量的规定。
表1 因素水平表
1.2.8 增效剂的筛选
参照文献[8]，采用Schaal烘箱试验，比较柠檬酸、VC对复合抗氧化剂的协同增效作用。
1.2.9 油茶籽油货架寿命的预测
参照文献[8]，采用Schaal烘箱试验，得出油茶籽油在60 ℃条件下的贮藏时间，并根据温度与油脂货架寿命系数的关系，外推得出20 ℃条件下油茶籽油的预期贮藏时间，作为油茶籽油的预期货架寿命。
1.2.10 统计分析
二次通用旋转正交组合设计的试验结果分析在DPS数据处理软件上运行，响应面分析在Design Expert软件上运行。
2 结果与分析
2.1 油茶籽油的脂肪酸组成分析
由表2可知，油茶籽油中脂肪酸由饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸组成，不饱和脂肪酸质量分数高达86.84%，其中油酸质量分数达到78.00%，因此油茶籽油容易发生氧化。
表2 油茶籽油的脂肪酸组成
2.2 不同抗氧化剂对油茶籽油POV值的影响
由图1可知，BHT、PG、TBHQ、复合抗氧化剂试验组的POV值均低于对照组，尤其是TBHQ组和复合抗氧化剂组的POV值远低于对照组。结果表明，BHT、PG、TBHQ均对油茶籽油具有显著的抗氧化效果，抗氧化作用的大小顺序为：复合抗氧化剂>TBHQ>PG>BHT。这可能因为TBHQ与油脂过氧化自由基作用后，产生的半醌式自由基，可通过分子内部的共振而重新排列，呈稳定结构，这种半醌式自由基不再具备夺取油脂氢原子所需的能量，从而起到保护油脂的作用；BHT与油脂过氧化自由基作用后，不能生成半醌式结构，而是产生具有中等程度的共轭离域自由基中间体，这可能是BHT抗氧化性能不如TBHQ的主要原因；PG的抗氧化性能源于它能自身氧化，降低食品内部及环境的氧含量，还能与蛋白质结合抑制某些氧化酶活性，提供氢原子与脂肪自由基结合，中止油脂的自动氧化连锁反应；复合抗氧化剂优于单一抗氧化剂，可能因为抗氧化剂在发挥抗氧化作用的同时，其相互之间产生的游离基生成了新的酚类化合物，可进一步与过氧化自由基结合而成为相对稳定的物质，继续发挥抗氧化作用，使其抗氧化性能得以加强[9-10]。
图1 不同抗氧化剂对油茶籽油POV值的影响
2.3 单因素试验
2.3.1 BHT添加量对油茶籽油POV值的影响
由图2可看出，随着BHT添加量的增加，油茶籽油的POV值在下降。BHT对油茶籽油POV值影响显著(P<0.05)，相邻浓度除空白和0.005%2组之间POV值差异显著(P<0.05)，其余相邻2组之间POV差异不显著(P>0.05)。
2.3.2 PG添加量对油茶籽油POV值的影响
由图3可看出，随着PG添加量的增加，油茶籽油的POV值在下降，添加量为0.008%时POV下降趋于平缓。PG对油茶籽油POV值影响显著(P<0.05)，0.008%、0.010% 2组之间POV值差异不显著(P>0.05)。
图2 不同添加量BHT对油茶籽油抗氧化效果
图3 不同添加量PG对油茶籽油抗氧化效果
2.3.3 TBHQ添加量对油茶籽油POV值的影响
由图4可看出，随着TBHQ添加量的增加，油茶籽油的POV值在下降。TBHQ对油茶籽油POV值影响显著(P<0.05)，相邻2组之间POV值差异显著(P<0.05)。
图4 不同添加量TBHQ对油茶籽油抗氧化效果
2.4 二次通用旋转组合试验
根据单因素试验结果，以TBHQ(X1)、PG(X2)、BHT(X3)为3个试验因数，以油茶籽油POV值为目标，设计三因素五水平的二次通用旋转组合试验设计，用以优化抗氧化的复配组合。试验设计及结果如表3。由TBHQ、PG、BHT 3个因素对油茶籽油POV值影响相互作用所得结果见表4，同时根据多项式回归方程Y=b0+∑biXi+∑bijXiXj+∑Xii2按试验结果计算出拟合方程的各项系数，从而得到回归方程：
Y=-6.67+1 303.45X1-430.54X2+2 320.05X3+15 833.33X1X2-114 444X1X3+28 055.55X2X3-30 593.07X12-2 308.80X22-94 480.85X32。
表3 二次通用旋转组合设计试验方案及结果
由表4可知，回归方程失拟检验F1=3.45
表4 试验结果方差分析表
2.4.1 主因子效应分析
从所建立的回归方程的偏回归系数绝对值的大小可判明因子的重要程度，系数的正负表示因子效应作用的方向。因此，各因素在试验取值范围内对油茶籽油POV值作用大小依次为：X1(TBHQ)>X3(PG)>X2(BHT)，其中X1、X2、X3均为负效应。
2.4.2 单因子效应分析
将三因素中的2个固定在零水平，对数学模型进行降维分析，得到以其中1个因素为决策变量的偏回归模型，结果见表5和图5。
表5 单因子效应分析
图5 各因子与油茶籽油POV值关系图
由表5和图5可以看出，TBHQ对油茶籽油POV值影响最大，其次是PG，BHT的影响最小，与2.2中结果吻合。由于TBHQ是一种二酚类抗氧化剂，可提供2个氢而成醌，而PG、BHT只有1个活性羟基。在相同添加量的情况下，TBHQ能提供更多的氢给油脂中的自由基，延缓油脂的氧化，故TBHQ抗氧化效果优于PG和BHT。BHT的抗氧化效果不如PG有效，主要原因是BHT 2个叔丁基的存在，使其空间位阻更大[10]。
2.4.3 影响油茶籽油POV值响应面分析
以油茶籽油POV值为响应值，对TBHQ、PG、BHT 3个因素进行响应面分析，各因素交互作用，其等高线如图6所示。由图6可知，TBHQ和PG对油茶籽油POV值影响最显著，变现为圆弧半径最大，故TBHQ和PG添加量对油茶籽油POV值影响更大。BHT与其他2个因素的交互作用不如TBHQ和PG的交互作用明显。
图6 TBHQ、BHT、PG三因素响应面分析
2.4.4 最佳复合抗氧化剂组合的选择
由于试验因素不但存在着单因素效应，而且还存在着各因素之间各种复杂的交互效应，很难从单因素和交互效应分析中找到最佳优化组合[11]，因此采用响应面分析法寻找最佳复合抗氧化剂配方。根据软件分析，得到油茶籽油复合抗氧化剂最佳组合：0.02%TBHQ+0.009%PG+0.012%BHT，此时油茶籽油POV值预测中的最小值：2.515。
2.5 增效剂筛选
由图7可知，在试验范围内，2#和3#的POV值始终低于1#，且3#低于2#。这说明柠檬酸和VC均对复配抗氧化剂均表现出较强的协同作用，是良好的增效剂，且抗坏血酸的协同效果优于柠檬酸。这是因为VC具有强还原性，可降低油脂中氧的浓度，还可以捕获过氧化自由基，阻断自由基链式反应，抑制油脂氧化；柠檬酸可将金属离子螯合，降低金属离子对油脂氧化的催化活性[12]。
图7 不同增效剂对复合抗氧化剂的协同作用效果
2.6 油茶籽油货架寿命的预测
在60 ℃下，以不加抗氧化剂油样为对照组，以添加0.02%TBHQ+0.009%PG+0.012%BHT+0.02%VC的油样为试验组，进行油茶籽油贮藏试验，结果见表6。以油脂的过氧化值6 mmol/kg为上限，根据Arrhenius经验公式计算60 ℃条件下贮藏时间并预测20 ℃条件下预期贮藏时间，计算结果四舍五入取整。结果表明，0.02%TBHQ+0.009%PG+0.012%BHT为抗氧化剂，0.02%VC为增效剂，在60 ℃条件下，可使油茶籽油的贮藏时间从4 d延长到30 d；而在20 ℃条件下，可使油茶籽油的预期贮藏时间由2个月延长至16个月。
表6 60 ℃条件下油茶籽油贮藏试验
3 结论
3.1 单因素效应分析表明，对油茶籽油抗氧化能力TBHQ>PG>BHT。
3.2 采用二次通用旋转组合设计试验方法，建立影响油茶籽油POV值的TBHQ、BHT、PG组合优化数学模型为：Y=-6.67+1 303.45X1-430.54X2+2 320.05X3+15 833.33X1X2-114 444X1X3+28 055.55X2X3-30 593.07X12-2 308.80X22-94 480.85X32。
3.3 使用0.02%TBHQ+0.009%PG+0.012%BHT作为油茶籽油抗氧化剂，0.02%VC为增效剂，使其在60 ℃条件下的贮藏时间由4 d延长到30 d，在20 ℃条件下的预期贮藏时间从2个月延长到16个月，抗氧化效果明显。
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Lipid Oxidative-Controlling Effects of Multiple Antioxidants on Camellia Oleifera Seed Oil
Li Shike1,2,3Li Chunyang1,3Zeng Xiaoxiong2
(Institute of Agro-Food Science and Technology, Jiangsu Academy of Agriculture Science1, Nanjing 210014)(College of Food Science and Technology, Nanjing Agriculture University2, Nanjing 210095)(Jiangsu Cereals and Oil Quality Control and Processing Technology Important Laboratory3, Nanjing 210014)
Camellia oleifera seed oil fatty acid composition and TBHQ, PG and BHT on anti-oxidative protection of camellia oleifera seed oil have been studied. Fatty acid composition of camellia oleifera seed oil has been detected by gas chromatography-mass spectrometry. The rotary unitized design principles were applied to optimize the combination of antioxidants on the basis of single factor experiments according to the peroxide value of the oil with Schaal experiment; citric acid (CA) and VC have been compared by synergistic effect to the optimized compound antioxidants. The results indicated that the oil was mainly composed of oleic acid (C18∶1), palmitic acid (C16∶0), linoleic acid (C18∶2); the total content of unsaturated fatty acid was up to 86.84%; on condition with addition of compound of 0.02% TBHQ, 0.009% PG and 0.012% BHT as multiple antioxidants, 0.02%VC as synergist could effectively inhibit the oxidation. The assurance period of the camellia oleifera seed oil could be prolonged from 2 months to 16 months at 20 ℃ to display a marked improving effect on anti-oxidation performance．
camellia oleifera seed oil, antioxidant, optimization, quadratic general rotary unitized design
TS225
A
1003-0174(2016)02-0081-06
江苏省粮油品质控制及深加工重点实验室开放性课题(LYPK2012002)，国家人力资源和社会保障部留学人员科技活动择优资助([2010]412号)
2014-06-19
李世科，女，1989年出生，硕士，食品科学
李春阳，男，1966年出生，研究员，博士，营养与活性物质、农产品精深加工
