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脱臭温度下油脂成分对3-氯丙醇酯和缩水甘油酯形成的影响及其形成机理的推测

发布日期:2021-06-10 15:24来源:未知作者:本站编辑点击次数:

李利君1,2,李加辛1,马传国1


(1.河南工业大学粮油食品学院,郑州450001;2.小麦和玉米深加工国家工程实验室,郑州450001)


摘要:以甘油一酯(MAG)、1,2-甘油二酯(1,2-DAG)、1,3-甘油二酯(1,3-DAG)、甘油三酯(TAG)和四丁基氯化铵(TBAC)纯品作为前体物质,正十六烷为基质模拟化学体系,于氮气保护下240℃加热2h以模拟油脂脱臭过程,考察甘油酯类型和游离脂肪酸对3-氯丙醇酯(3-MCPDE)和缩水甘油酯(GEs)形成的影响。结果表明:3-MCPDE和GEs含量与MAG、DAG含量呈正相关,而与TAG含量关系不大,其中MAG的影响最大;在MAG体系中,3-MCPDE和GEs含量与游离脂肪酸含量呈正相关,在1,2-DAG和1,3-DAG体系中,游离脂肪酸含量对3-MCPDE和GEs含量的影响较小,而在TAG体系中,游离脂肪酸含量对3-MCPDE和GEs含量基本无影响;除TAG体系外,在添加脂肪酸的MAG和DAG体系中,3-MCPDE含量远高于未添加脂肪酸的体系;在游离脂肪酸含量相同时,不同甘油酯类型的体系中3-MCPDE和GEs含量大小分别为MAG>1,2-DAG>1,3-DAG>TAG和MAG>1,3-DAG>1,2-DAG>TAG。


关键词:3-氯丙醇酯;缩水甘油酯;酰基甘油酯;脂肪酸;脱臭温度


中图分类号:TS224.6;TS201.6文献标识码:A


文章编号:1003-7969(2021)05-0097-06


3-氯丙醇酯(3-MCPDE)和缩水甘油酯(GEs)是食品热加工过程的污染物,主要存在于精炼植物油中,也存在于其他食品中,如巧克力、人造黄油、炸鱼产品、炸薯片和婴儿配方食品等[1-3]。1983年,西班牙科学家首次在被污染的菜籽油中检出3-MCPDE[4-5]。3-MCPDE随食物被摄入人体后,可在胰脂酶作用下水解为3-氯丙醇(3-MCPD)。3-MCPD具有致癌性、致突变性、肾脏毒性和生殖毒性等,危害人体健康,被国际癌症组织(IARC)归为2B类致癌物[6-7]。GEs本身并不具致癌性,但在人体中易分解代谢产生具有致癌性的缩水甘油,缩水甘油被国际癌症组织(IARC)列为2A类致癌物[8]。据OFI(Oils&FatsInternational)杂志披露,欧盟委员会建议对未精制油和精制大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油等中的3-MCPD和3-MCPDE限量为1250μg/kg,对于其他精炼果渣油、鱼油和海洋生物油以及它们的混合物的3-MCPD和3-MCPDE限量为2500μg/kg[9]。欧盟(EU)1881/2006号法规对于GEs的最大限值为:植物油脂1000μg/kg,婴儿食品用植物油500μg/kg[10]。3-MCPDE和GEs对人类的健康都有一定的威胁,在油脂精炼过程中,高温脱臭极易产生3-MCPDE和GEs[11-12]。李昌[13]研究花生油精炼工艺对3-MCPDE形成的影响时发现,脱胶和脱色后3-MCPDE含量没有增加,脱臭后3-MCPDE含量显著增加。刘玉兰等[14]研究玉米油精炼过程中3-MCPDE和GEs含量的变化时发现,脱臭后3-MCPDE和GEs含量大幅度升高。随着研究的深入,国内外诸多学者已对这两种物质的形成机理进行了阐述[15-17]。现有的关于3-MCPDE形成机理的推测主要包括3种途径,分别为氯离子对羟基或酯基的亲核取代机理、氯离子对甘油酯形成的环氧或环酰氧鎓离子亲核进攻的机理和以甘油酯形成的自由基为中间体的自由基机理[18-20]。研究发现,3-MCPDE和GEs生成的前体物质为甘油一酯(MAG)、甘油二酯(DAG)、甘油三酯(TAG)和氯离子,3-MCPDE和GEs生成量与前体物质含量相关,而游离脂肪酸则是3-MCPDE和GEs生成的重要影响因素[21]。但研究者对MAG、1,2-DAG、1,3-DAG、TAG与氯离子反应生成3-MCPDE和GEs的难易程度的报道结果不一致。Shimizu等[22]将酰基甘油纯品和氯盐进行反应模拟脱臭实验,结果表明MAG是形成3-MCPDE类物质最具活性的前体。Freudenstein等[23]模拟脱臭实验,将棕榈油在240℃下加热2h,研究前体成分如MAG、DAG和含氯化合物对3-MCPDE和GEs形成的影响,发现最有效的一类组分是DAG。Smidrkal等[17]在葵花籽油精炼过程中发现,高的游离脂肪酸含量会引起较高的3-MCPDE含量,且游离脂肪酸含量相同时,DAG生成3-MCPDE的能力大于MAG。程威威[24]在植物油精炼过程中采用核磁共振氢谱(1HNMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR),确定植物油中GEs生成的前体物质为MAG和DAG,且MAG生成GEs的能力大于DAG。研究者关于MAG和DAG对3-MCPDE和GEs形成的影响大小没有一致的结论,造成这一结果的原因可能是实验条件不同。本文使用甘油酯和四丁基氯化铵作为前体物质,研究实验室氮气保护下模拟油脂脱臭过程中MAG、1,2-DAG、1,3-DAG、TAG以及游离脂肪酸对3-MCPDE和GEs形成的影响,进一步探究其形成机理,为工厂油脂精炼过程中制订3-MCPDE和GEs的减缓策略提供理论参考。


1材料与方法


1.1实验材料顺式3-氯-1,2-丙二醇棕榈酸二酯、顺式3-氯-1,2-丙二醇棕榈酸二酯-d5、油酸缩水甘油酯、油酸缩水甘油酯-d5,上海安谱实验科技股份有限公司;rac-1,2-二棕榈酰甘油酯(≥99%)、1,3-二棕榈酸甘油酯(≥99%)、DL-α-甘油棕榈酸酯(≥99%)、三棕榈酸甘油酯(≥99%)、四丁基氯化铵(≥97.0%)、苯硼酸(纯度≥97%)、亚油酸(≥99%),西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。色谱级甲醇、异丙醇,山东禹王实业有限公司化工分公司;色谱级四氢呋喃(THF)、异辛烷,天津市科密欧化学试剂有限公司;色谱级正庚烷,上海麦克林生化科技有限公司;无水硫酸钠(分析纯)、碳酸氢钠,天津市科密欧化学试剂有限公司;溴化钠,天津市凯通化学试剂有限公司。S25涡旋仪,德国IKA公司;SHA-CA数显水浴恒温振荡器,上海华燕医疗器械有限公司;MTN-2800W氮吹仪,天津奥特赛恩斯仪器有限公司;TDL-80-2P离心机,上海安亭科学仪器厂;KQ-100DE型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;Agilent7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪,美国Agilent公司。


1.2实验方法


1.2.1甘油酯含量对3-MCPDE和GEs生成的影响取0.3g正十六烷于反应管中,以正十六烷的质量为基准(下同),加入0.1%四丁基氯化铵(TBAC),再分别加入0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%的MAG(或1,2-DAG/1,3-DAG/TAG),室温下超声20min,在氮气保护下于240℃油浴锅中加热2h,取样分析3-MCPDE和GEs含量。


1.2.2游离脂肪酸含量对3-MCPDE和GEs生成的影响取0.3g正十六烷于反应管中,加入0.1%TBAC、10%MAG(或1,2-DAG/1,3-DAG/TAG),再分别加入0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的亚油酸,室温下超声20min,在氮气保护下于240℃油浴锅中加热2h,取样分析3-MCPDE和GEs含量。


1.2.33-MCPDE和GEs含量的测定参考AOCSCd29a-13采用GC-MS测定。结果以3-氯丙醇和缩水甘油的含量来分别表示3-MCPDE和GEs的含量。GC条件:HP-5MS色谱柱(30m×250μm×0.25μm);不分流进样;进样量1μL;载气为氦气,流量为1.2mL/min;程序升温为60℃保持1min,以6℃/min上升至150℃,保持2min,再以30℃/min上升至300℃并保持10min。MS条件:EI+,SIM模式;EI离子源温度230℃;EI电离能量70eV;进样口温度250℃;传输线温度280℃;溶剂延迟7min。


2结果与讨论


2.1甘油酯含量对3-MCPDE和GEs含量的影响在油脂精炼过程中,脱臭是产生3-MCPDE和GEs的关键环节,油脂加工厂一般采用240℃作为油脂脱臭温度,因此本文以正十六烷为基质,分别将MAG/1,2-DAG/1,3-DAG/TAG纯品和TBAC作为反应物,在240℃下加热2h模拟油脂脱臭过程,考察甘油酯含量对3-MCPDE和GEs含量的影响,结果如图1所示。


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由图1可以看出:随着MAG、1,2-DAG和1,3-DAG含量的增加,3-MCPDE含量呈上升趋势,这与王风艳等[21]在研究前体物质对3-MCPDE的影响时发现随着MAG和DAG含量增加,3-MCPDE含量明显增加的研究结果一致;1,3-DAG含量超过8%时,3-MCPDE含量才显著增加;而随TAG含量的增加,3-MCPDE含量无显著性变化;不同甘油酯对3-MCPD含量的整体影响顺序为MAG>1,2-DAG>1,3-DAG>TAG。Shimizu等[22]将MAG、DAG、TAG标准品和TBAC反应,在240℃下加热2h模拟油脂脱臭实验,结果发现MAG是3-MCPDE类最具活性的前体,与本文研究结果一致。由图1还可以看出,随着MAG、1,2-DAG和1,3-DAG含量的增加,GEs含量总体呈上升趋势,而随TAG含量的增加,GEs含量无明显变化。MAG含量为12%时,GEs含量最高为12.92mg/kg,3-MCPDE含量(当甘油酯含量为12%时,3-MCPDE含量最高为176.25mg/kg)远高于GEs含量。朱梦云[25]在研究油脂精炼过程对3-MCPDE和GEs影响中发现,脱臭过程中3-MCPDE和GEs含量与MAG、DAG的含量呈正相关,且GEs的增加量远大于3-MCPDE增加量,其中DAG对GEs含量的影响大于MAG的影响,本文研究结果与其不一致,这可能是因为实验脱臭体系不同造成的。


2.2游离脂肪酸含量对3-MCPDE和GEs含量的影响一般来说脂肪酸不是3-MCPDE和GEs生成的前体物质,不能直接生成3-MCPDE和GEs,因此在研究游离脂肪酸含量对3-MCPDE和GEs的影响时,在体系中添加10%MAG(或1,2-DAG/1,3-DAG/TAG)和0.1%TBAC这两种前体物质,然后向该体系中再分别添加不同量的亚油酸,在240℃下加热2h模拟油脂脱臭过程,考察游离脂肪酸(FFA)含量对3-MCPDE和GEs含量的影响,结果如图2所示。


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由图2可看出,在游离脂肪酸含量为0%时,经过高温加热体系中都会生成一定量的3-MCPDE和GEs。在含MAG的体系中,随着游离脂肪酸含量的增加,3-MCPDE增加趋势较为明显,GEs增加趋势较为缓慢,证实了脂肪酸是影响3-MCPDE含量的重要因素。在含MAG的体系中,脂肪酸含量由0%增加到2.0%时,3-MCPDE含量从142.05mg/kg增至439.79mg/kg,GEs含量从9.26mg/kg增至13.61mg/kg,3-MCPDE的增加量远高于GEs的增加量。在含1,2-DAG/1,3-DAG/TAG的体系中,3-MCPDE和GEs含量变化趋势均不太明显。总体而言,随着游离脂肪酸含量的增加,在MAG体系中,3-MPCDE含量明显增加,GEs含量缓慢增加,在1,2-DAG和1,3-DAG体系中,3-MPCDE和GEs含量变化趋势较小,而在TAG体系中,3-MPCDE和GEs含量基本无变化。在游离脂肪酸含量相同时,甘油酯类型生成3-MCPDE的能力大小整体为MAG>1,2-DAG>1,3-DAG>TAG,生成GEs的能力大小为MAG>1,3-DAG>1,2-DAG>TAG。程威威[24]研究植物油中GEs生成时发现,MAG生成GEs的能力大于DAG,本文结果与其结论一致。


2.3游离脂肪酸存在条件下,甘油酯含量对3-MCPDE和GEs含量的影响按照1.2.1的方法,在加入甘油酯前加入1%的亚油酸进行实验,考察游离脂肪酸存在条件下甘油酯含量对3-MCPDE和GEs含量的影响,结果如图3所示。


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由图3可看出,在游离脂肪酸含量1%条件下,3-MCPDE和GEs的含量与MAG、1,2-DAG和1,3-DAG含量呈正相关,与TAG含量无太大相关性,不同类型的甘油酯体系中3-MCPDE和GEs含量大小均为MAG>1,3-DAG>1,2-DAG>TAG,同时3-MCPDE增加量远高于GEs增加量。在游离脂肪酸含量为1%、甘油酯含量为12%时,MAG体系中3-MCPDE含量为488.76mg/kg,远高于未添加脂肪酸的体系中的176.25mg/kg(图1);1,3-DAG体系中3-MCPDE含量为421.09mg/kg,远高于未添加脂肪酸的体系中的137.03mg/kg(图1);1,2-DAG体系中3-MCPDE含量为150.48mg/kg,高于未添加脂肪酸的体系中的8718mg/kg(图1);TAG体系中,添加脂肪酸与否,3-MCPDE含量无明显变化。GEs在MAG含量为12%(游离脂肪酸含量为1%)时达到最高,为19.48mg/kg,而未添加脂肪酸的体系中GEs最高为12.92mg/kg(图1),总体来说相差不大。在模拟脱臭温度240℃下加热2h,游离脂肪酸含量为1%时,1,2-DAG、1,3-DAG和TAG的体系中GEs含量均在5mg/kg以下。Pudel等[26]在研究食用油精炼过程中GEs形成的原因和条件时发现,脱臭温度在240℃时GEs含量低于5mg/kg,在240℃以上GEs明显生成。任我行[27]在研究脱臭条件对大豆油和玉米油中GEs含量的影响时发现,脱臭温度达到250℃时,脱臭油中GEs含量显著增加。本文实验结果与这两位研究者研究结论一致。


2.43-MCPDE和GEs形成机理的推测从上文实验结果来看,MAG最易生成3-MCPDE和GEs,脂肪酸促进3-MCPDE和GEs的生成,推测机理如图4所示。


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MAG上的羟基通过邻位效应参与反应失去一分子H2O后形成环氧离子Ⅰ或者环酰氧鎓离子中间体Ⅱ,然后氯离子进攻形成3-MCPDE;DAG可能失去一分子羧基后形成环酰氧鎓离子中间体Ⅱ,也可能失去一分子H2O后形成环酰氧鎓离子中间体Ⅲ;TAG失去一分子羧基后形成环酰氧鎓离子中间体Ⅲ。相对于脂肪酸来说,H2O更易离去,会使MAG更易与氯离子发生酯化反应,从而促使3-MCPDE和GEs生成量增加[28-29]。


3结论在氮气保护下,240℃加热2h,模拟油脂脱臭过程中油脂成分(甘油酯和游离脂肪酸)对3-MCPDE和GEs含量的影响。结果发现,甘油酯含量在0%~12%时,不同甘油酯类型体系中3-MCPDE和GEs含量大小为MAG>DAG>TAG。在含有MAG与四丁基氯化铵(TBAC)的体系中,添加0%~2.0%的游离脂肪酸(亚油酸),3-MCPDE和GEs含量与游离脂肪酸含量呈正相关,且不同甘油酯对3-MCPDE含量影响大小整体为MAG>1,2-DAG>1,3-DAG>TAG,对GEs含量影响大小为MAG>1,3-DAG>1,2-DAG>TAG。在含有甘油酯与TBAC的体系中,添加1%的游离脂肪酸与未添加游离脂肪酸的样品相比较,3-MCPDE含量明显升高,此时在不同甘油酯类型体系中,MAG对3-MCPDE和GEs含量影响最大,其次为1,3-DAG和1,2-DAG,且两者效果相差不大,而TAG对3-MCPDE和GEs含量基本无影响。上述结果说明MAG是形成3-MCPDE和GEs的最具有活性的前体物质,较高的MAG、DAG和游离脂肪酸会使3-MCPDE和GEs的含量显著增加,因此在食用油实际生产过程中,应控制原料中形成3-MCPDE和GEs的前体物质的含量,如MAG、DAG,也要相应地控制游离脂肪酸的含量,以达到减少3-MCPDE和GEs生成的目的。


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