油脂热加工产生醛类的机理及影响因素研究进展

李文娟 吴 彦 李从虎 徐义庆 汪美凤 朱亮亮

(安庆师范大学生命科学学院1，安庆 246133 ) (安徽科技学院食品工程学院2，滁州 233100 ) (皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室3，安庆 246133 )

油脂高温加工食品具有悠久的历史，比如传统的油煎、油炸、油脂高温炒制菜肴等，特别是煎、炸方式可以使食物快速熟化、获得多孔酥松结构、令人愉快的香味、并使表皮呈现诱人的金黄色，是许多家庭喜爱又经常食用的食品。高温会促使油脂这种化学性质不稳定的加热介质发生一系列的下游反应，特别是不饱和脂肪酸含量高的植物油。在高温情况下，油脂会形成大量自由基，油脂上的三酰基甘油可能会水解产生游离脂肪酸，裂解生成单甘酯、甘油二酯、烃类化合物等，聚合产生大分子聚合物，氧化产生脂质氢过氧化物、醛酮类化合物、醇和酸等，以及环化反应[1]。在油脂热加工产生的各种物质中，醛类化合物反应活性高，如跟蛋白质或氨基酸、遗传物质DNA、膜脂发生加成反应，从而导致食品营养价值降低；醛类被人体摄入后，会产生细胞毒性，并引发一系列如动脉粥状硬化、阿尔茨海默病、癌症等慢性疾病发生。本文主要对油脂热加工产生醛类的机理、醛类化合物的分子特征及影响因素等方面展开综述，旨在为其进一步开发利用提供参考。

1 油脂热加工产生醛的种类

但是这些醛类并不是存在于所有油脂热加工或热烹调食物中，酰基种类及比例决定了产生醛的种类及浓度，如果原始油中一些酰基缺失或浓度过低，则该酰基所可能产生的醛类化合物就不存在。

2 油脂热加工产生醛类化合物的机理

饱和脂肪酸无氧下热裂解产生烯醛和热氧化产生烷醛是油脂热劣变产生醛类化合物的一小部分来源。饱和脂肪酸常温下性质稳定，但是在高温加热下，也能产生醛类化合物。高温无氧下饱和脂肪酸可以通过热分解产生烯醛类化合物(如丙烯醛)，而在有氧高温下(如在150 ℃以上)也会发生氧化产生醛类化合物。饱和脂肪酸的热氧化机制也是先形成过氧化物，且其上所有亚甲基都可能受到氧攻击形成氢过氧化物，但易于在哪个部位形成尚无定论，由于其产生的氧化产物与母体脂肪酸链长接近，因此目前认为可能在α、β、γ位易于形成氢过氧化物，然后进一步发生分解产生醛类[3,4]，如图1所示。

图1 饱和脂肪酸热氧化反应

图2 脂质氢过氧化物β裂解

此外，高温也会导致两个过氧基自由基生成两分子烷氧自由基、一分子氧气，新生成的烷氧自由基发生β-均裂，也可直接生成醛类物质[7]。

支链不含氧的醛类除了油脂热裂解和热氧化直接产生之外，还有一部分是由先产生的醛再发生后续变化转变过来的。因为油脂热处理后产生的一部分醛相对比较稳定，比如说饱和醛，但是有一些醛很不稳定，比如说不饱和醛，在热条件下还会进一步发生反应，生成下游新的醛类。比如4 μmol的2-烯醛(2-戊烯醛和2-辛烯醛)和2,4-二烯醛(2,4-庚二烯和2,4-癸二烯醛)单独或者加入到200 μL的50 mmol/L的缓冲溶液(磷酸钠或硼酸钠，pH 8)，200 ℃下，分别在空气中和在氮气中加热1 h，结果烯醛和二烯醛在溶液中和空气中很容易生成甲醛、乙醛和原始醛类物质碳碳双键断裂之后所形成的相应的醛类物质：比如丙醛、己醛、2-戊烯醛、2-辛烯醛、乙二醛、丁二醛，碳碳双键断裂的键能比较低(25 kJ/mol)，生成饱和醛的数量远高于2-烯醛的数量。在同样的反应条件下，大概有10%～18%左右的原始的2-烯醛和2,4-二烯醛在200 ℃加热1 h后会转变为饱和醛，而只有大概1%的2,4-二烯醛在同样的反应条件下会转变为2-烯醛。2-烯醛检测到数目比较少的另外一个原因可能是，2,4-二烯醛分解产生的2-烯醛会进一步发生热降解，生成相应的饱和醛[8]。

尽管油脂热加工产生的大部分不含支链的醛类化合物产生机理得到广泛认同，但是另外还有一些支链含氧的α,β-不饱和醛的形成机理仍不十分明了且存在争议，对这些化合物形成机理的研究仍是一个挑战。比如4-羟基-2-壬烯醛(4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE)的形成机理就有好几个观点，有一种观点认为它来自2,4-癸二烯醛继续反应所生成；也有认为含有9个碳原子的HNE应该是来自ω-6不饱和脂肪酸或其酰基上最后9个碳原子；还有认为来自13-氢过氧基-9,11(Z,E)-十八碳二烯酸经过一系列的氧化、裂解之后先得到4(S)-氢过氧基-2-(E)-壬烯醛(hydroperoxy-2(E)-nonenal)，该物质随后转变为相应的4-羟基或4-氧代-反式2-烯醛(4-oxo-trans-2-alkenals)，如图3所示。

图3 4-羟基(或氧代)-壬烯醛的形成

除了氢过氧基、羟基和氧代烯醛之外，4,5-环氧-2-烯醛也是其中一类脂质氧化产生的醛类，这个物质通常在高温加热的食品中产生，会引发血管内皮细胞剂量和时间依赖性凋亡。亚油酸热氧化过程中产生等量的9-氢过氧基-t,10-c,12-十八碳二烯酸(9-hydroperoxy-trans,10-cis,12-octadecadienoic)和13-氢过氧化物衍生物(13-hydroperoxyderivatives) 被认为是4,5-环氧-2-癸烯醛(4,5-epoxy-trans-2-decenal)的前体，并以前者更为主要；氢过氧化物衍生物继续反应中先生成2,4-癸二烯醛，之后再经过一系列步骤生成4,5-环氧-2-癸烯醛，如图4所示。而13-氢过氧化物继续反应中先生成12,13-环氧-9-过氧-10(E)-十八碳烯酸(12,13-epoxy-9-hydroperoxy-10(E)-

图4 4,5-环氧-2(E)-癸烯醛的形成

octadecenoic acid)，之后再生成4,5-环氧-2-癸烯醛[9]。

3 油脂热加工产生醛类的反应活性及危害

3.1 反应活性

油脂热氧化早些的研究报道主要关注某些酰基所产生的饱和烷醛、烯醛、二烯醛。通常情况下，相同链长的饱和醛活性不如(E)-2-烯醛，后者活性又不如(E,E)-2,4-二烯醛。近年来，发现除了这些醛之外，油脂热氧化还会产生支链上含氧的α,β-不饱和醛(OαβUAs)，它们的反应活性更高，因为该物质分子中至少存在三个不同的具有高反应活性的官能团[11]。

醛分子碳链上的取代基存在也会影响其反应活性，比如在生物学上广泛研究的HNE，由于与β位相邻的C原子上还连接了一个羟基，使β位的亲核性进一步加强，反应活性进一步提高。HNE同时含有醛基与亲电子的碳原子，它与蛋白质分子中的巯基以1,2-或1,4-Micheal加成反应，形成硫醚加合物(Thioether adducts)，此产物不稳定会进一步环化形成环状半缩醛结构(Cyclic hemiacetals)[13]，此外它还能与组氨酸的咪唑基、赖氨酸的氨基发生Micheal加成，且产物还可以进一步环化生成其他化合物如2-戊基吡咯类(2-pentylpyrroles)，脱水形成环状甲醇胺结构；此外，HNE上的羰基又能够与赖氨酸残基以Schiff加成。4-氧代-2-壬烯醛(ONE)是C4上还有酮基的不饱和醛，其2位碳、3位碳能够与组氨酸、赖氨酸和半胱氨酸残基发生迈克尔加成反应(Michael adducts)，然后发生闭环反应生成呋喃结构。

3.2 危害

油脂热加工产生的醛可以与食物中的成分发生反应，导致食品质构特性、色泽、气味甚至口感发生改变，比如与蛋白质的加成反应会导致必需氨基酸的破坏，食品营养价值降低，甚至形成新的加合物(也称高级脂质氧化终末产物，Advanced Lipoxidation End Products，ALEs)，该物质经人体摄入后被认为和氧化应激、多种慢性疾病发生以及人体衰老等具有密切关系[14]。

油脂热加工后产生的醛可以通过直接摄入或者食物吸附进入人体，比如HNE不饱和醛是最为人所熟知的化合物，它与帕金森症、亨廷顿氏症、低密度脂蛋白氧化、动脉粥状硬化等疾病密切相关[15]。醛类化合物与遗传物质DNA形成加合产物而未能得到适当修复，将会成为癌症发生的重要因素[16]。醛类化合物还能抑制遗传物质DNA合成和蛋白质翻译，导致细胞死亡或者诱发遗传物质突变[17]。比如富含亚油酸的植物油热加工后通常会产生大量的2,4-癸二烯醛，该物质被证明在几十微克/克低浓度下就具有明显细胞毒性并诱发DNA氧化损伤[18]。

4 不同因素对油脂热加工产生醛类的影响

影响油脂高温产生醛的种类和浓度的因素很多，比如油脂酰基成分和加热温度、时间是决定醛种类和浓度的主要因素；油脂热加工方式(比如传统的加工方式煎、炸、炒、焙烤)；热加工中油脂的体积和油/空气接触面积；产生醛类的沸点(这会决定其油脂热处理后是否会挥发进入空气中)；促氧化或抗氧化因子的存在；油脂热加工的食物对象(因为这决定了油脂热加工产生的醛是否会与食物发生羰胺反应，或者被食物所吸附，此外，如果所处理的食物中富含油脂如禽畜肉、鱼类，会同时产生醛类化合物)也是决定醛种类和浓度的因素[11]。

4.1 食用油类型、脂肪酸组成对油脂热加工产生醛类的影响

影响油脂热加工产生醛类物质的影响因素中，以脂肪酸种类和食用油类型更受关注，关于这方面的报道也更为丰富。食物中组成甘油三酯常见的脂肪酸有硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸等。一般来说，热处理过程中，多不饱和脂肪酸的氧化稳定性<单不饱和脂肪酸<饱和脂肪酸；而多不饱和脂肪酸的氧化稳定性又与不饱和双键数目成反比。由于脂肪酸种类、以及热处理方式不同，醛类化合物产生数量多而复杂，加之检测手段多样，因此不同的研究报道所检测到的目标醛类和检测结果也不尽相同。

由于热加工后产生的醛种类、数量与油中酰基比例密切相关，选择典型的食用油(通常选择酰基比例覆盖范围相当广的油脂)，可以推测其油脂(特别是具有不饱和脂肪酸如油酸、亚油酸、亚麻酸组成的油脂)在相同热处理后产生的醛种类及数量，并进行醛类化合物产生的模型预测。Guillén等[19]对三种有典型不同酰基比的油脂进行热处理后产生的醛类进行了分析，其中试验选择的橄榄油富含油酸，葵花籽油富含亚油酸，亚麻籽油富含亚麻酸(方法：190 ℃加热，8 h/d至极性化合物含量达25%，后对油样进行SPME-GC-MS检测)；总的来说，热处理后所产生的各种醛类化合物种类和数量依赖于原始油的酰基比例；相对而言，橄榄油热处理后产生的10～11个碳原子的饱和醛、烯醛量较高，且烯醛增加量随着加热时间延长缓慢增长；向日葵油热处理后富含(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛和2,4-癸二烯醛；亚麻籽油热处理后富含(E)-2-丙烯醛、(E)-2-丁烯醛和2,4-庚二烯醛，且这些醛很快达到最大值；橄榄油和葵花籽油中具有类似种类的含氧饱和醛(oxygenated saturated aldehydes)，但葵花籽油中浓度要更高，其中4-氧代壬醛(4-oxononanal)是两种植物油热处理后产生的主要含氧醛。而亚麻籽油热处理后产生的含氧醛种类和浓度则要小很多，且不同于其他两种植物油，它以4-氧代己醛(4-oxohexanal)为主。毒性较高的支链含氧的α,β-不饱和醛则出现在这三种热处理后的植物油中，并以葵花籽油中更高。

在油脂热氧化产生的2-烯醛，4-羟基-2-烯醛和酮醛中，4-羟基-2-烯醛由于其高活性，是其中比较突出的特征性醛类产物。这些4-羟基-2-烯醛主要有四种，分别是4-羟基-2-反式己烯醛(4-hydroxy-2-trans-hexenal，HHE)、4-羟基-2-反-辛烯醛(4-hydroxy-2-trans-octenal，HOE)、4-羟基-2-反-壬烯醛(4-hydroxy-2-trans-nonenal，HNE) 和 4-羟基-2-反-癸烯醛(4-hydroxy-2-trans-decenal，HDE)，这四种醛基本结构相同，但是链长不同[20]。

Han等[21]通过对硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸这四种脂肪酸甲酯在常用的油炸温度下(185 ℃)进行长时间加热(0～6 h)，采用DNPH进行衍生化、薄层色谱粗分离、HPLC检测所产生的4-羟基-2-烯醛；发现硬脂酸甲酯和油酸甲酯在热氧化过程中未检测到α,β-不饱和-4-羟基-烯醛；HHE在亚油酸甲酯和亚麻酸甲酯热氧化过程中均被检测到，且以亚麻酸甲酯产生量更高，但是高峰出现的时间有所不同；HOE在热处理后的亚油酸/亚麻酸甲酯中均被检测到，且以亚油酸甲酯产生量更高，且高峰出现时间也不同；在这四种羟基醛中，又以HNE最引人注目，其在热处理的亚油酸甲酯中被检测到，最高浓度是在加热后3 h(84.82 μg HNE/g亚油酸甲酯)；HDE则在四种热处理的脂肪酸甲酯中均未检测到。

4.2 加热温度、时间对油脂热加工产生醛类的影响

除了脂肪酸组成之外，加热温度和时间无疑会决定油脂热劣变反应程度和强度，所以也是影响醛类产生的重要因素。Wang等[1]研究了大豆油在45、65、85、105、125、145、165、185 ℃下加热5、15、30 min 和1、2、4、6 h产生的醛类化合物(热处理后的油脂采用HQ衍生化，然后采用LC-MS分析醛类组成)；首先对最高温度185 ℃处理后生成的醛结构进行确认(因为一般温度越高，醛生成的种类越多，相对较高的温度处理不同时间之后的醛类化合物种类基本能涵盖温度相对低的所产生的醛种类)，结果发现分别为2,4-癸二烯醛(Ⅰ)、2-十一碳烯醛(Ⅱ)、2-癸烯醛(Ⅲ)、2,4-十一烷二烯醛 (Ⅳ)、4-HNE(Ⅴ)、2-辛烯醛 (Ⅵ)、戊醛(Ⅶ)、己醛(Ⅷ)、丙烯醛(Ⅸ)、2,4-庚二烯醛(Ⅹ)和2-庚烯醛(Ⅺ)，还有第十二种，根据质谱分子质量确定醛的分子式为C9H16O2，推测是 4-氧代壬醛(4-oxononanal)；然后采用PCA法和HCA法对不同温度和加热时间处理后的大豆油产生的醛类进行聚类分析，聚类为A1、A2、B三类，结果发现，(1)2,4-癸二烯醛 (Ⅰ) 是生成量最大的一种醛；(2)聚类为B的醛为2,4-庚二烯醛 (Ⅹ)、2-庚烯醛(Ⅺ)、和丙烯醛(Ⅳ), 在185 ℃加热30 min时候，产生量为最大，之后下降；(3)与B类醛不同的是，在185 ℃加热时，A1和A2类的(Ⅰ-Ⅷ)产生量持续增加。

4.3 比表面积、加热方式对油脂热加工产生醛类的影响

除了脂肪酸组成、加热温度和时间等重要因素之外，油脂热加工时与大气中氧气的接触面积也是影响醛类物质产生、逸出速率及再发生进一步反应(如氧化成相应的酸或者转变成其他物质)的重要因素。Da等[22]比较了棕榈油和大豆油加热时间、比表面积、加热方式(连续或者间歇)对产生羰基化合物的影响。发现几乎所有处理方式都能产生乙醛、丙烯醛、丙醛、丁醛、己醛、2-庚烯醛、2-辛烯醛，且在两种油所有比面积处理下，丙烯醛是主要产生的羰基化合物，其次是己醛和2-庚烯醛。大豆油比棕榈油表现出更高的丙烯醛排放率。 醛的产生速率与热处理时比表面积直接相关，但是饱和醛和不饱和醛的氧化规律不同，间歇加热时，饱和醛的产生速率增加，而不饱和醛正好相反，这可能与不饱和醛的双键的高活性有关。

4.4 金属离子对油脂热加工产生醛类的影响

金属离子对油脂热氧化速率影响较大，其中铁离子、铝离子和铜离子是食用油中通常会存在的几种痕量重金属，它们也同样存在于油脂热加工对象和加工容器中。金属离子通过在链引发阶段传递电子，并在链增长阶段促进脂质过氧化物的分解而发挥其对脂质催化氧化作用。Bastos等[23]研究了不同浓度的(9.2、27.5、46.0 μg/L)金属离子( Fe3+、 Cu2+、Al3+)对菜籽油在180 ℃下产生醛类化合物的影响(采用DNPH衍生化、LC-MS检测油脂热处理后的挥发物)，且主要针对以下几种醛：甲醛、乙醛、丙烯醛、丙醛、丁醛、己醛、(E)-2-庚烯醛和辛醛进行检测，并采用标样作为对比。在加热油时，形成速率较高的几种醛分别是丙烯醛、己醛和乙醛。金属离子加剧这八种化合物的形成，并对甲醛、乙醛、丙醛和庚醛形成的促进作用更为明显。从对羰基化合物的催化作用来看，以铜离子最为明显，其次是铁离子和铝离子。

4.5 其他因素对油脂热加工产生醛类的影响

除了上述对油脂热加工产生醛类化合物的各影响因素单独研究之外，还有对影响因素进行综合研究的。Katragadda等[24]研究了一些综合因素如加热时间、温度、油脂类型、油脂的发烟点对产生醛的影响。所选用的食用油分别是：菜籽油(室温下为液体，发烟点238 ℃左右；分别含有58%和32%的单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸)、特级初榨橄榄(室温下为液体；72%的单不饱和脂肪酸，发烟点195 ℃左右)、红花油(室温下为液体；75%的多不饱和脂肪酸，发烟点212 ℃左右)和椰子油(室温下为固体，91%的饱和脂肪酸，发烟点175 ℃左右)，得出发烟点越高的油脂适合用来油炸，发烟点在200 ℃以下的不适合进行深度油炸。醛的产生量与温度升高、时间延长成正比，而且特别是在油脂达到发烟点的时候。在低于发烟点下的温度，也能产生毒性比较大的醛，如丙烯醛、乙醛。当油温达到燃点时，醛产生量则急剧增加。

此外，油脂热加工过程中所处理的食物对象也是影响醛类产生的因素之一。Peng等[25]对三种烹饪方法(炒、煎、炸)，四种烹饪油脂(大豆油、葵花籽油、菜籽油、棕榈油)，两种类型的食物(富含淀粉的马铃薯和富含蛋白质和油脂的猪里脊肉)进行热加工实验，发现对烹调土豆而言，醛总释放量是炒的方法最少，大豆油和葵花籽油烹调后释放醛的总量大于菜籽油和棕榈油，且释放的醛中，己醛和反,反-2,4-癸二烯醛量最大，壬醛和反-2庚烯醛量也比较大；对烹调猪里脊肉而言，炸的方式释放的醛量最大(可能是与这种方式的温度最高有关)，且以葵花籽油炸的方式释放醛量最大，己醛和反,反-2,4-癸二烯醛仍是产生量最大的，乙醛、丙醛、戊醛、反-2庚烯醛、壬醛释放量要低一些，而其他的醛在不同组合之间被检测到的量在10%以下。

抑制剂存在与否也是影响醛类产生的因素之一，Mostaghimi 等[26]在不同温度下进行真空下油炸，发现添加3%的胶原蛋白对产生醛类的清除效果较好。

5 总结和存在的问题

油脂种类不同、加工条件和加工方式多样、加工对象来源丰富等众多内外因导致油脂热加工产生醛类产物繁多、机理复杂，再加上醛类不稳定，检测手段不一，因此这方面的研究仍不深入，其形成机理到目前为止仍未得到全面而深入的阐释。存在的主要问题如下：

由于影响因素众多，油脂热加工产生醛的种类非常繁多、性质不一，且产生的醛类化合物又非稳定存在，检测较困难，哪种检测手段都无法对产生的全部种类的醛进行精确分析。因此，有些报道只能根据其检测目标需要而选择相应手段。一些检测缺少容易获得的标样，如环氧醛等等。因此，如何进行有效分析仍是一个挑战。

一些油脂热加工报道所用的体系比较复杂，食物中有很多成分，产生的醛会跟食物中很多物质发生反应，因此如何采用简单体系，对醛类产生机理进行深刻阐述，也是以后要努力的方向；比如把原始油脂进行模型化、简单化，并同时与自由基产生、初级产物的检测等等联系起来，有利于二级产物醛类物质产生的机理阐述。

油脂高温加工产生的醛类化合物形成动力学仍不十分明确，以及它们产生的数量与原始油及加工食物之间的关系，仍未得到很好阐释[1]。