刘志明，唐彦君，孙清瑞

（黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319）

大豆油是我国的主要食用植物油，富含不饱和脂肪酸[1-2]，营养价值高，具有多重生理作用，保健功能强[1-4]，价廉物美，在国民生活和食品工业中占有重要地位。然而，其中的不饱和脂肪酸易发生氧化[5-6]，给其保质贮存和食品加工带来困惑，其变质后也产生食品安全问题[5，7-11]。目前，大豆油氧化的影响因素很多，但缺乏贮存容器顶空率（Headspace Ratio，HSR。指容器中大豆油试样体积与容器容积的百分比）对其氧化影响的研究报道。一些与“顶空”有关的名词仅限于顶空分析及有关测试技术，如顶空气相色谱法，主要用于生活饮用水中挥发性卤代烃和工业污水中挥发性有机物的检测、药物中有机溶剂残留的检测、油脂鉴别及其贮存期间质量跟踪分析等方面。香蕉、薄荷油、烤咖啡、酿造产品（白兰地酒、威士忌酒等）挥发性组分的HS-GC 分析，可由色谱图识别其风味物质。对食用油而言，与HSR 略有关联的只有市售瓶装食用植物油（葵花籽油、调和油、大豆油、菜籽油、玉米油、花生油）反复开、封情况下氧化酸败的研究[12]和常温下开口、封口放置对大豆油酸值（Acid Value，AV）与过氧化值（Peroxide Value，POV）的影响[13]。冯怡[14]以顶空气体分析法为基础，初步定性讨论了包装容器顶空气体（空气、二氧化碳）对粉体食品、固体药物及液体饮料货架期的影响问题。CHO E E 等[6]曾在综述文献中对HSR、氧分压和试样表面积/体积比对食用植物油氧化的影响阐述了观点。所有这些均未涉及HSR 影响食用植物油氧化的定量试验研究，亦未见到同时用多个表征参数（Characterization Parameters，CP）综合描述HSR 影响食用植物油氧化的试验研究文献。有关大豆油氧化的研究文献中CP 多为单一的，用两种或多种CP 同时描述大豆油氧化的情况较少。即便如此，也是各自独立表征，缺乏相互之间的联系与比较。因此，从化学动力学、化学热力学角度入手，采用它们的耦合技术，探讨多CP 综合描述大豆油的氧化十分必要。

针对HSR 对大豆浸出油（Extracted Soybean Oil，ESO）氧化的影响，采用电导率（κ）、POV、AV、等容燃烧热值（Qv）和折光率（n）5 个CP 同时综合描述其氧化过程，探究规律性及同一性，为全面而深入地认识大豆油氧化问题提供参考。

1 试验方法

1.1 材料与试剂

大豆浸出油：市售新品，符合GB 1535 三级油要求。国产分析纯试剂：冰乙酸、异辛烷、石油醚（沸程60～90 ℃）、碘化钾、无水硫代硫酸钠、可溶性淀粉、水杨酸、氢氧化钾、无水乙醇、酚酞、0.1 mol·L-1盐酸标准溶液、苯甲酸；蒸馏水：符合GB/T 6682[15]二级水要求；一次性注射器（2 mL）及针式过滤膜（有机型，0.45 μm 孔径）。

1.2 仪器与设备

FE30 型电导率仪：梅特勒-托利多仪器有限公司；SHR-15B 型数显氧弹式热量计（含配件）：南京桑力电子设备厂；2WAJ 型阿贝折光仪：上海光学仪器一厂；其他仪器和设备有FA1204B 型分析天平、AR847+型温湿度计、TES-1336A 型数位式照度计、DGG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱、HJ-3 型恒温磁力搅拌器，还有试样氧化容器（自组装的套装容器[16]、自加工的2 L 透明PC 容器和购置的2 L 不锈钢容器）及小器鬼牌系列LED 灯。

1.3 试样氧化

按照文献[17]方法设定和调控试样氧化温度（T）、照度（I），试样容器内的相对湿度（RH）、氧分压，调控试样容器内HSR 分别为20%、35%、50%、65%和80%，在电热恒温鼓风干燥箱内对ESO 试样连续密闭氧化515 h，每个HSR 条件下做3 个平行样。到设计的氧化时间（t）时取出试样容器，摇匀，冷却至室温，同时分别测定κ、POV、AV、Qv 和n（取3 次测定相近数据的平均值）。

1.4 试样表征参数（CP）测定

κ 测定采用水作萃取溶剂，石油醚作萃取助剂，经严格控制条件搅拌萃取后，静止分离，用电导率仪测定水相电导率，具体操作按文献[17]方法进行；POV测定以GB 5009.227-2016[18]为基础，在探索基础上对测定方法进行了改进，对测定条件进行了优化[16]；AV 测定参照GB 5009.229-2016[19]方法进行，测定时对方法和条件亦进行了改进与优化[16]；n 用阿贝折光仪按说明书所述方法测定；Qv 测定按文献[20]方法进行，用镍铬丝外加棉线作引燃物，控制量热计内筒水温与室温的温差小于1 ℃，温升测准至0.001 ℃，试样量1 g（称准至0.000 1 g），Qv 算式中放热物质增加棉线项，棉线Qv 为21.668 kJ·g-1，量热计比热容为14.450 kJ·℃-1。CP 测定数据用SPSS Statistics 17.0 软件处理，试验曲线用Microsoft excel 2007 软件绘制。

2 结果分析与讨论

2.1 大豆浸出油（ESO）氧化过程的化学动力学规律

ESO 试样在各HSR 条件下的5 种CP 测定数据如表1 所示。将表1 数据绘成X～t 曲线（以X 代表κ、POV、AV、QV 和n）分别如图1、图3、图5、图7 和图9 所示。图2 是用κ～t 曲线方程的二项式系数（在κ～t 二项式关系中，t2的系数对κ 的影响最大）与HSR 关系曲线，图4、图6、图8、图10 分别是以POV、AV、QV、n 为CP 时的k～HSR 曲线（k 为速率常数）。

表1 各顶空率（HSR）下试样的表征参数（CP）测定数据Table 1 Characterization parameters（CP）determination data of test sample under five headspace ratio（HSR）

数据表明：（1）5 种CP 的数值均随t 的延长而增大。除图1 中的κ～t 关系为二项式曲线，不具有简单级数化学反应特征，无法得出速率常数kκ（以κ 为CP 时的速率常数）外，其余X～t 曲线都是直线，所描述的反应符合零级化学反应动力学特征（油脂氧化反应绝大多数都是简单级数反应[21]），且相关性较好，说明ESO 氧化可用数学关系或化学动力学方程定量描述，由相应曲线斜率即可求得k（kPOV、kAV分别是以POV、AV 为CP 时的k，等于各自曲线的斜率；kQV、kn分别是以QV、n 为CP 时的k，等于各自曲线的负斜率）；（2）k 随HSR 增大而升高。相同条件下HSR 越大，容器中氧气含量越多，试样氧化越充分，可加快ESO 氧化反应速率；（3）相同条件下同一氧化试样用不同CP 所揭示的k 值相差较大。图11 比较了POV、AV、QV、n 作CP 时，ESO 氧化反应的k 值受HSR 影响的差异。这些曲线的回归方程定量地反映了HSR 对ESO 氧化的影响。

图1 各顶空率（HSR）下κ 与t 关系曲线Fig.1 Relation curves of κ and t under five headspace ratio（HSR）

图2 二项式系数与顶空率（HSR）关系曲线Fig.2 Relation curve of binomial coefficient and headspace ratio（HSR）

图3 各顶空率（HSR）下POV 与t 关系曲线Fig.3 Relation curves of POV and t under five headspace ratio（HSR）

图5 各顶空率（HSR）下AV 与t 关系曲线Fig.5 Relation curves of AV and t under five headspace ratio（HSR）

图6 kAV 与顶空率（HSR）关系曲线Fig.6 Relation curve of kAV and headspace ratio（HSR）

图7 各顶空率（HSR）下Qv 与t 关系曲线Fig.7 Relation curves of Qv and t under five headspace ratio（HSR）

图8 kQv 与顶空率（HSR）关系曲线Fig.8 Relation curve of kQv and headspace ratio（HSR）

以POV 为CP 的试样氧化的k 最大，其次是Qv为CP 的k，再次是AV 和n 为CP 的k。在油脂的氧化过程中，POV 是试样中原有或氧化试验产生的过氧化物量的化学表征参数，作为油脂氧化过程的初级产物，过氧化物的积蓄性强于其转化性[17]，其值理应最大；AV 是衡量氧化试样中游离脂肪酸多少的化学表征参数，且测得的主要是可溶性游离脂肪酸量，难以反映游离脂肪酸的实际总量，其值必然小于POV；Qv是反映油脂化学键能变化的热力学表征参数，其值的变化与试样的结构变化有关，与试样总含氧量关系更为密切，在油脂氧化进程中，试样总含氧量变化较大，但试样的初级氧化产物转化为次级产物后，其含氧量要小于过氧化物，故Qv变化幅度要小于POV；n 是一个光学物理量，能反映液体有机物纯度，影响因素较多，主要有试样的结构、性质、入射光线波长、环境温度与压力等，ESO 作为混合物，这些因素虽在试验期间有变化，但试样的主要结构及性质的变化幅度并不大，故n 值变化较小。该结果说明不同的CP 对ESO 贮存的环境条件敏感度相差悬殊。油脂氧化速率快、慢（对应k 的大、小）不能孤立地判断，要用多种CP 相互结合，综合分析，才能正确描述。

图9 各顶空率（HSR）下n 与t 关系曲线Fig.9 Relation curves of n and t under five headspace ratio（HSR）

图10 kn 与顶空率（HSR）关系曲线Fig.10 Relation curve of kn and headspace ratio（HSR）

由于试验条件下以κ 为CP 描述的ESO 氧化不是简单级数的化学反应，故未将κ 随HSR 变化情况绘入图11。但从图2 可知，HSR 对κ 的影响较大。HSR 的增大可能对ESO 氧化产生极性物质较有利。κ 是间接反映ESO 氧化过程中极性物质含量的电化学表征参数，而极性物质的水溶性和电导性差异很大，只有水溶性好、导电性强的极性物质才对κ 增大起决定作用。油脂氧化过程及其氧化产物均十分复杂，极性物质随氧化程度的深化而增多，其水溶性、电导率的增幅或剧或缓均属正常。

图11 k 与顶空率（HSR）关系曲线Fig.11 Relation curves of k and headspace ratio（HSR）

2.2 测定数据的相关性与显著性分析

在五种HSR 单因素条件下测得的各CP 数据的方差分析情况如表2 所示。数据表明，各CP 与HSR都有较好的相关性，调整相关系数在0.910 5～0.999 5之间，且各HSR 下CP 的测定数据差异显著（P 基本小于0.05，P 在0.05～0.06 之间的情况较少，而P≤0.01 的情况居多）。图1、图3、图5、图7 和图9 曲线表明，各CP 的动力学模型也具有较好的相关性，CP预测价值较高，满足ESO 氧化过程的描述需求。

2.3 讨论

除了上述CP 外，现有描述油脂氧化的CP 还有很多，如羰基价、极性组分（PC）含量、TBA 值、介电常数、共轭二烯酸含量、稳定性指数、茴香胺值、二烯值、碘值、皂化值等，但未见用Qv作CP 的研究报道。大豆油的不饱和脂肪酸含有C＝C 键，其氧化活性高，从氧化初期形成不稳定的氢过氧化物，到氢过氧化物分解为次级产物（醇、醛、酮、酸、环状含氧化合物、聚合物等）[7]的过程中，试样总C、H 数并未增加，但O不断增多，可燃性变差。大豆油及其氧化初、次级产物，完全燃烧都生成CO2和H2O，CO2中C＝O 键（608 kJ·mol-1）和H2O 中O-H（424.7 kJ·mol-1）的键能[22]虽不很高，但CO2和H2O 的分子量很小，其物质的量具有加合性，故终极产物的总键能很高。大豆油氧化后生成的氢过氧化物或过氧化物的键能并不高（EC-O=384.93 kJ·mol-1、EO-O=199.2 kJ·mol-1、EO-H=468.6 kJ·mol-1），但其化学活性很高，自其产生始，氧化逐渐加重，氧化的各状态产物的总键能有随氧化程度的加深而增大（-COOR 中EC=O=803 kJ·mol-1、羧基中EC=O=598 kJ·mol-1、脂肪酸中EC-O=404.2 kJ·mol-1） 的趋势，与完全氧化产物的总键能差值将越来越小。故大豆油及其氧化过程中任何状态的产物完全燃烧的Qv与其前一氧化状态对应的产物Qv比较应有所降低。自动氧化的初始阶段，油脂要吸氧生成过氧化物，致使氧化油脂增重。评价油脂氧化稳定性的热重分析法已证实油脂氧化期内重量有显著增加[23-24]；测定氧吸收量的实践也证明油脂氧化期内盛油密闭容器内氧浓度显著下降[23，25-26]。这些都为油脂氧化过程中Qv趋于降低提供了依据。刘晓庚等[27]的研究认为，Qv是描述生物质贮存状态的指标，氧化是生物质贮藏过程的重要表现。对于油脂而言，贮藏氧化是个增氧过程。

表2 五种顶空率（HSR）条件下试样测定数据的方差分析bTable 2 Measurement data ANOVA of test samples under five headspace ratio（HSR）

用Qv表征大豆油的氧化过程具有首创性，其是否能成为一种公认的CP 还有很多工作要做，甚至需要一个较长的认识过程。但该表征方法在揭示油脂氧化过程中结构变化的作用是独一无二和无可替代的。5 种CP 所揭示的ESO 氧化反应的视角不同，故CP 要根据表征的目的来选择（CP 的选用会影响对ESO 氧化的认识，进而影响贮存条件的选择），无目的要求时，要尽量选择测定简便而准确度高，变化幅度明显的CP。由于试验条件下以κ 为CP 描述的ESO 氧化不是简单级数的化学反应，故未将κ 随HSR 变化情况绘入图11。但从图2 可知，HSR 对κ的影响较大。HSR 的增大可能对ESO 氧化产生极性物质较有利。κ 是间接反映ESO 氧化过程中极性物质含量的电化学表征参数，而极性物质的水溶性和电导性差异很大，只有水溶性好、导电性强的极性物质才对κ 增大起决定作用。油脂氧化过程及其氧化产物均十分复杂，极性物质随氧化程度的深化而增多，其水溶性、电导率的增幅或剧或缓均属正常。

在大豆油的贮存、销售、食用过程中，容器中的HSR 随着大豆油的不断消耗而逐渐增大，而且HSR的增大是不可避免的，其影响也难以消除。大豆油在容器中HSR 大且贮存时间长、消耗速率慢的情况下，其氧化受到HSR 的影响很大。采用小包装可在一定程度上避免大豆油长期处于较大的HSR 状态下，有利于其快速消费和减轻其氧化，但增加包装、贮存、运输的成本与难度。采用绝氧、避光、隔潮的特殊包装[28]可能是解决这一问题的有效方法。

大豆油容器内的氧分压是与其氧化关系密切的另一个重要因素，它反映的是容器内氧气浓度问题，而HSR 反映的是容器中氧气体积问题，两者联系起来反映的是容器中总氧含量问题。大豆油是在有氧存在时发生自动氧化的，氧量充足与否是其能否发生显著氧化反应及所发生的氧化反应速率快慢、程度大小的关键条件。HSR 与氧分压既不可分割，又对立统一[6]，各自都可能成为主要矛盾，前者足够大时会削弱后者的影响，后者足够大时也削弱前者的影响，只有在两者都不占主导地位时，才凸显出其协同作用。实际情况下，与HSR 总是由小变大不同的是，氧分压的变化错综复杂。在密闭时间较长的贮存条件下，容器内的氧分压由大变小，但在贮存容器频繁开、闭情况下，氧分压时大时小，并且能相对及时地给容器内补充充足的氧气，使大豆油的氧化在源源不断地增加氧气的情况下持续地进行，直至大豆油彻底氧化酸败（大豆油的氧化也伴有酸败发生）。所以，能够有效地控制大豆油贮存容器内HSR 的大小及其变化速率，减小顶空内的氧分压（如气调，或在包装容器顶盖内侧装有安全的除氧剂、使用特殊包装[28]、小包装等）是今后大豆油保质贮存的主要研究方向之一。

ESO 试样的氧化程度、速率与试样氧化试验方法和条件关系很大。试验是在部分模拟与部分加速相结合的条件下完成的，试样容器的规格、氧化条件及CP 测定方法的改变都会对试验数据产生影响，但不会改变HSR 对ESO 氧化的影响规律。除了HSR和氧分压因素外，T、I、RH、试样氧化容器的规格（决定油-氧接触面积）也是影响试验结果的主要因素。大豆油贮存不存在优化条件，某些（HSR、T、I、RH、氧分压、单位体积油在容器中的油-氧接触面积）条件的数值越小，大豆油的氧化越慢。因受试验难度限制，试验周期相对较短，若延长氧化时间，HSR 对ESO 氧化程度的影响会更突出。试验研究目的是揭示HSR 对ESO 氧化影响的规律及各CP 描述的异同，各CP 的测定方法之不足在此不做探讨。

3 结论

HSR 对ESO 的氧化有显著影响，其影响在贮存容器中具有必然性和动态性，它是油脂贮存时既应重点控制又难以实施控制的技术参数。油脂氧化速率随其贮存容器HSR 的增大而升高，两者之间有较好的数学对应关系。从X～t 曲线形状看，虽然κ～t 曲线用二项式回归的相关性更好，但亦可进行直线回归，故从某种意义上讲，5 种CP 随t 的变化基本符合零级反应动力学规律。5 种CP 反映的大豆油氧化本质存在差异，用不同的CP 描述同一大豆油试样在相同试验条件下的氧化，得出的速率、程度差异较大。各CP 虽可在应用时灵活选用，但如何用其独立地或综合地描述食用植物油的氧化，并对氧化程度、速率及规律给出统一判断，是值得深入研究的问题。