天然抗氧化剂对玉米油热致异构体的影响

我国是全球第二大玉米油生产国,2022年玉米油产量为51.4万t[1],产业规模大,其健康发展事关国计民生。玉米油甘油三酯链上的不饱和脂肪酸(主要为油酸和亚油酸)在加工贮藏过程,易发生异构化生成反式和共轭脂肪酸异构体[2]。反式脂肪酸已被证实使患心脏病风险增加21%,死亡率增加28%[3-4];共轭脂肪酸具有显著抗癌、代谢调节等作用[5],其中共轭亚油酸(C18∶2-9c, 11t和C18∶2-10t, 12c)异构体已被批准为新食品原料。2023年1月23日,世界卫生组织发表了《倒计时2023:世卫组织关于2022年全球消除反式脂肪的报告》,发出严厉警告,称全球80亿人口中,有50亿人健康正受到反式脂肪酸的威胁。因此,开展玉米油反式和共轭亚油酸的调控研究对保障消费者安全和营养健康至关重要。

食用油在加热(180～240 ℃)过程,反式和共轭脂肪酸含量呈先增加后降低趋势[6],现有研究从优化热加工工艺[7]、改进加工技术[8]和设备等方面降低食用油反式脂肪酸,其中控制加热温度和时间是降低反式脂肪酸含量最直接的有效方法。但实际加热温度过低或加工时间不够,会降低油脂及油脂食品的质地、风味、色泽、口感等。添加抗氧化剂是一种简单有效的控制反式脂肪酸的方法[9],由于丁基羟基茴香醚、特丁基对苯二酚(tert-butylhydroquinone,TBHQ)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚等合成抗氧化剂的毒性问题,已被瑞典、日本、欧洲等国禁止使用或严格限量添加[10-11];维生素E等天然抗氧化剂已开始引起人们的高度关注,并被证实具有抑制食用油反式脂肪酸的作用[12]。但目前关于常见的天然抗氧化剂对反式和共轭脂肪酸影响的系统研究尚无。

为此,本文以玉米油为研究对象,系统分析维生素E(vitamin E)、鼠尾草酸(carnosic acid,CA)、茶多酚(tea polyphenols,TP)、L-抗坏血酸棕榈酸酯(L-ascorbyl palmitate,L-AP)对其热致异构体(反式脂肪酸和共轭脂肪酸)的影响,探明不同天然抗氧化剂的抗异构和诱导异构作用,以其为食用油反式脂肪酸的精准控制和共轭脂肪酸的高效转化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米油,益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司;维生素E(纯度>98%),生工生物工程(上海)股份有限公司;CA(纯度>98%),西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;TP(纯度98%),北京索莱宝科技有限公司;十一酸甲酯(C11∶0,纯度99%),NU-CHEK公司;二甲基硅油(黏度500),北京顶业有限公司;TBHQ(纯度>98%),上海源叶生物科技有限公司;L-AP(纯度>98%),上海吉至生化科技有限公司;异辛烷(色谱纯),美国Fisher Scientific公司;其他试剂均为分析纯。天然抗氧化剂的结构见图1。

1.2 仪器与设备

ME104型电子天平,梅特勒托利多科技(中国)有限公司;CR30 NX型高速离心机,德国eppendorf公司;Vortex-5涡旋振荡器,海门市其林贝尔仪器制造有限公司;N-EVAP型氮吹仪,美国Organomation公司;GC-2010 Pro型气相色谱仪,日本岛津公司;氢氧焰安瓿瓶封熔机,北京卡斯特默科技发展有限公司;HH-S型数显恒温油浴锅,北京莱伯沃德科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米油的加热方法

将200 mg天然抗氧化剂(维生素E、CA、TP和L-AP)及3种复配抗氧化剂(组合A:维生素E∶CA∶TP∶L-AP=1∶1∶1∶1;组合B:CA∶TP∶L-AP=1∶1∶1;组合C:CA∶L-AP=1∶1)分别置于去除内源性抗氧化剂的玉米油安瓿瓶中;添加人工合成抗氧化剂TBHQ的玉米油为对照;不添加抗氧化剂的玉米油为空白对照,氮吹5 min去除安瓿瓶中O2,封口冷却后置于180 ℃和240 ℃油浴锅中加热12 h,待测。

1.3.2 气相色谱检测方法

采用LI等[13]的气相色谱方法检测玉米油脂肪酸、反式脂肪酸及共轭脂肪酸的含量。称取0.2 g玉米油,加入2 mL异辛烷(内标物C11∶0质量浓度为4.0 g/L)和0.1 mL KOH/甲醇溶液(2 mol/L),旋涡混匀5 min,4 000 r/min离心10 min。取上清液用异辛烷稀释50倍后用于气相色谱检测。

1.4 数据处理

每组重复5次,用SPSS 16.0软件对数据进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 玉米油中脂肪酸的种类和含量

采用气相检测未加热的新鲜玉米油中脂肪酸的种类和含量(表1),新鲜玉米油中总脂肪酸含量为(96.65±1.04)%,不饱和脂肪酸的含量为(83.02±0.91)%,其中不饱和油酸(C18∶1-9c)、亚油酸(C18∶2-9c,12c)及其他脂肪酸(C16∶1-9c、C18∶1-11c、C18∶3-9c,12c,15c)分别占总脂肪酸含量的32.61%、52.68%及0.6%。新鲜玉米油中未检测到反式和共轭脂肪酸,表明玉米油不饱和脂肪酸未发生异构化,该结果也与前人研究一致,表明检测方法准确[14]。

2.2 天然抗氧化剂对玉米油热致异构反式脂肪酸的影响

考察了不同温度下,不同天然抗氧化剂对玉米油加热过程反式脂肪酸形成的影响(图2)。新鲜玉米油在180 ℃和240 ℃加热12 h后,主要生成1种反式油酸(C18∶1-9t)、2种反式亚油酸(C18∶2-9c,12t和C18∶2-9t,12c)及3种反式亚麻酸(C18∶3-9c,12c,15t、C18∶3-9c,12t,15c、C18∶3-9t,12c,15c)异构体,皆为单反式脂肪酸,且反式脂肪酸及其异构体的含量随着加热温度的增加明显增加,这也与LI等[15-16]研究结果一致。其中,反式亚油酸C18∶2-9c,12t含量略高于C18∶2-9t,12c(0.026 8～0.028 8 g/100 g),表明亚油酸C18∶2-9c,12c异构首先12位双键异构形成C18∶2-9c,12t,随后9位双键异构形成C18∶2-9t,12c。反式亚麻酸C18∶3-9c,12c,15t和C18∶3-9c,12t,15c含量几乎相当,皆略高于C18∶3-9t,12c,15c,表明亚麻酸首先发生12和15位双键异构,最后9位双键异构。与空白对照相比,不同抗氧化剂都能显著抑制180 ℃加热12 h玉米油反式脂肪酸(5.48%～6.59%)的生成,且抑制作用大小为:CA>TBHQ>L-AP>TP>维生素E;与人工合成抗氧化剂TBHQ相比,仅CA的抑制率高于TBHQ,这可能是由于CA的羟基数为3个,多于TBHQ(2个)。

随着加热温度(240 ℃,12 h)的增加,玉米油反式脂肪酸及异构体含量逐渐增加,较180 ℃增加了2倍多,但不同天然抗氧化剂对反式脂肪酸作用不同(图3)。与空白对照相比,L-AP(1.83%)、CA(0.49%)及维生素E(0.28%)对玉米油热致异构反式脂肪酸生成具有一定的抑制作用,但TBHQ和TP对玉米油反式脂肪酸的生成无抑制作用,说明高温(240 ℃)对天然抗氧化剂的影响较大,且影响大小为:TP>TBHQ>维生素E>CA>L-AP,抗氧化剂对各个反式脂肪酸异构体的作用规律与总反式脂肪酸一致。在180 ℃和240 ℃下加热12 h,天然抗氧化剂L-AP、CA及维生素E始终具有抗异构作用,且综合抗异构作用大小为CA>L-AP>维生素E。这可能与其含有的羟基数目相关,CA、L-AP及维生素E的羟基数目分别为3、3、2个。

现有研究报道了合成(TBHQ、丁基羟基茴香醚和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚)和天然(δ-生育酚、迷迭香提取物、植物甾醇、抗坏血酸、没食子酸及白藜芦醇等)抗氧化剂,除了自身具有优异的抗氧化效果,也被证明能显著降低反式脂肪酸的生成[11, 14,17-21],并且这些抗氧化剂对反式脂肪酸的抑制作用与其自身抗氧化能力、结构、环境(加热温度或时间)等密切相关,与本研究的结果一致。根据以上天然抗氧化剂的结构分析可知(图1),其具有的共同特点是含有酚羟基和羟基,且含有酚羟基和羟基多的分子结构的成分(如CA、TBHQ、L-AP及TP),其抗异构活性越好,但TP热稳定性低(160 ℃),在实际烹饪过程中会随着温度的升高不断降解[22],抗异构作用不断降低。抗异构机理可能是抗氧化剂中的羟基自由基活性较高,易解离,优先与不饱和脂肪酸链双烯丙基(亚油酸-C11·和亚麻酸-C11·/C14·)位点结合,再与单烯丙基(油酸-C8·/C11·、亚油酸-C8·/C14·及亚麻酸-C8·/C17·)位点结合,增大了分子空间位阻,提高了双键(C9

C10、C12

C13及C15

C16)质子转移异构化速控步骤(过渡态)的能垒,降低了反式脂肪酸反应速率,从而抑制反式脂肪酸的形成[18, 23]。

2.3 天然抗氧化剂对玉米油热致异构共轭脂肪酸的影响

新鲜玉米油在180 ℃和240 ℃加热12 h后,主要生成C18∶2-9c,11t、C18∶2-10t,12c及tt-CLAs(C18∶2-9t,11t和C18∶2-10t,12t)异构体,且这些共轭亚油酸异构体含量随着加热温度的增加明显增加(图4)。在180 ℃加热下,主要共轭脂肪酸产物为tt-CLAs,未检测到C18∶2-9c,11t和C18∶2-10t,12c异构体,这可能是由于亚油酸C18∶2-9c,12c异构首先11位双烯丙基处氢可迁移至9位和13位,从而诱导形成C18∶2-9t,11t和C18∶2-10t,12t,即tt-CLAs[6]。与空白对照相比,不同抗氧化剂对玉米油共轭亚油酸异构体的生成具有显著的诱导作用(1.05%～7.74%),且诱导作用大小为维生素E>TP>TBHQ>L-AP>CA。与人工合成抗氧化剂TBHQ相比,维生素E和TP的诱导率更高,结合反式脂肪酸的抑制效果综合分析,CA、L-AP及维生素E可作为有效的天然抗异构和诱导异构剂。

随着加热温度(240 ℃)的增加,共轭亚油酸异构体含量逐渐增加,在240 ℃加热条件下(图5),玉米油除了生成tt-CLAs,也生成了C18∶2-9c,11t和C18∶2-10t,12c,这可能是由于tt-CLAs的累积和温度的升高导致双键进一步发生质子转移,反式异构为顺式结构,形成C18∶2-9c,11t、C18∶2-10t,12c。诱导作用为TP(16.42%)>CA(0.86%)>L-AP(0.53%),而TBHQ和维生素E则表现出一定的抑制作用。天然抗氧化剂对各个共轭脂肪酸的变化规律与总反式脂肪酸的一致。对反式脂肪酸的抑制作用和共轭脂肪酸的诱导作用综合考量,天然抗氧化剂CA和L-AP效果最好。

2.4 复配天然抗氧化剂对玉米油热致异构反式和共轭脂肪酸的影响

根据抗异构效果,复配不同类型的抗氧化剂探究其是否具有协同增效作用(图6)。在180 ℃加热条件下,组合C对玉米油的抑制作用优于组合A和B,反式脂肪酸含量仅为1.785 g/100g,抑制率高达5.00%,但是低于单独使用任一一种抗氧化剂,表明3种组合中维生素E、CA、TP和L-AP互相影响,在抑制反式脂肪酸形成中有拮抗作用。复配抗氧化剂对共轭脂肪酸的作用与反式脂肪酸作用规律相似,共轭脂肪酸诱导作用最高为组合B(0.590 g/100g),诱导率为23.43%,远高于维生素E、CA、TP和L-AP,表明在诱导共轭脂肪酸形成上4种天然抗氧化剂具有协同作用。

在240 ℃加热条件下,3种复配天然抗氧化剂反式脂肪酸含量皆高于无抗氧化剂的空白对照,表明4种抗氧化剂在此温度下会导致反式脂肪酸的加速形成,远低于单独使用效果。这可能是随着温度的升高,天然抗氧化剂发生高温热降解,导致其抑制作用降低。3种复配下共轭脂肪酸含量变化不明显,其中,组合C略高于组合A和B,仅低于单独使用TP的诱导效果,诱导率为11.99%,表明CA和L-AP在诱导共轭脂肪酸形成方面具有协同增效作用。综合考量组合天然抗氧化剂对反式脂肪酸和共轭脂肪酸的作用效果,组合B(CA、TP和L-AP)更适用于玉米油的高温烹饪加工,组合C(CA和L-AP)更适用于玉米油的低温贮藏与加工。结合单独使用抗氧化剂的抗异构和诱导异构作用,单独使用抗氧化剂效果优于复配效果。

3 结论与讨论

天然抗氧化剂对不同加热条件下玉米油反式脂肪酸和共轭脂肪酸的形成具有不同的作用,180 ℃条件下的抑制和诱导作用较好,且抑制作用CA>TBHQ>L-AP>TP>维生素E,诱导作用维生素E>TP>TBHQ>L-AP>CA,随着加热温度(240 ℃)的增加,不同天然抗氧化剂的抗异构和诱导异构作用降低,且抑制作用L-AP>CA>维生素E,诱导作用TP>CA>L-AP,综合分析CA和L-AP可作为有效的天然抗异构和诱导异构剂。复配不同种类的天然抗氧化剂,组合B(CA、TP和L-AP)更适用于玉米油的高温烹饪加工,组合C(CA和L-AP)更适用于玉米油的低温贮藏与加工,为反式脂肪酸的精准调控和共轭脂肪酸的高效转化提供理论支持。

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