分子蒸馏法脱除油脂中3-氯丙醇酯和缩水甘油酯

黄会娜，刘玉兰,，杨争光，王戬东，王月华

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001；2.河北玉星食品有限公司，河北 邢台 055550；3.山东三星玉米产业科技有限公司，山东 邹平 256209）

3-氯丙醇（3-monochloro-1,2-propanediol，3-MCPD）酯是甘油酯的sn-3位被氯取代的一类化合物，缩水甘油酯（glycidyl esters，GEs）可以看成是甘油的2 个羟基脱水缩合并与1 个脂肪酸酯化形成的一类化合物。3-MCPD酯和GEs能在人体肠道脂肪酶的作用下水解为三氯丙醇和缩水甘油[1-2]，造成肾脏毒性、遗传毒性甚至致癌性[3-5]。对我国市售食用植物油的调查发现，3-MCPD酯和GEs广泛存在于常见食用油脂中，3-MCPD酯检出率达83%，含量范围为0.104～8.580 mg/kg[6]；GEs检出率为86%，含量范围为0.17～45.71 mg/kg[7]。虽然国内对食用植物油中3-MCPD酯和GEs的限量尚未有明确规定，但近年来业界已热点关注食用植物油中3-MCPD酯和GEs的安全风险问题。目前，国际上已有多个国家及地区的研究机构对3-MCPD酯和GEs的限量进行评估[3,8]，欧洲食品安全局对3-MCPD及其酯类的限量（以每千克体质量计）为0.8 μg/kg，马来西亚棕榈油署限定棕榈油中3-MCPD酯为2 mg/kg，2018年欧盟委员会发布了修订后的EU 1881/2006号法规，规定食用植物油中GEs的限量为1 mg/kg，婴儿食品用油中GEs限量为0.5 mg/kg[8]。2019年7月23日，著名的OFI（Oils & Fats International）杂志披露，欧盟委员会建议设定食用植物油中3-MCPD酯的限量为1.25 mg/kg。

研究发现3-MCPD酯和GEs主要是在油脂精炼的脱臭过程生成[9-11]。待脱臭油脂中甘一酯、甘二酯含量、脱臭系统的氯离子含量以及脱臭条件尤其是脱臭温度对3-MCPD酯和GEs的形成产生重要影响[12-15]。虽然可以通过对上述因素的控制防范和消减这2 种风险成分的产生，但无法杜绝其在脱臭过程中形成，即脱臭成品油中总会含有这2 种风险成分，甚至含量很高。因此，需要对油脂中3-MCPD酯和GEs的脱除方法进行研究。目前有利用吸附法脱除油脂中3-MCPD酯和GEs的研究，结果表明在常用的固体吸附剂中活性炭对GEs的吸附脱除效果最好（脱除率可达95%），但对3-MCPD酯的脱除效果很差[16-17]。最近也有用分子蒸馏法脱除油脂中3-MCPD酯和GEs的报道[18]，但可能受工艺条件未进行优化的限制，其结果显示对3-MCPD酯的脱除率仅有39%。分子蒸馏是利用不同物质的分子运动平均自由程的差别进行组分分离的方法，具有操作温度低、受热时间短、分离程度高等优点[19]。刘玉兰等[20]利用分子蒸馏实现了对油脂中塑化剂的可靠脱除。本实验旨在通过对分子蒸馏工艺条件的优化，提高对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果，为食用植物油中3-MCPD酯和GEs的脱除方法的确立提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

成品玉米油，取样于玉米油加工企业。

油酸缩水甘油酯、油酸缩水甘油酯-D5、1,2-二油酸-3-氯丙醇酯、1,2-二油酸-3-氯丙醇酯-D5（纯度均≥98%）加拿大Toronto Research Chemicals公司；α-、β-、γ-、δ-生育酚和α-、β-、γ-、δ-生育三烯酚标准品（纯度≥99%） 北京三区生物技术有限公司；胆甾烷醇（纯度≥95%） 美国Sigma公司；苯基硼酸（纯度≥97%）、正己烷、甲醇、异丙醇、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯均为色谱纯；乙醚、溴化钠、硫酸（质量分数98%）、硫酸钠、碳酸氢钠、无水硫酸镁均为分析纯。

1.2 仪器与设备

KDL-5分子蒸馏仪 德国UIC GmbH公司；Trace1310-ISQ气相色谱-质谱联用仪 美国Thermo Fisher公司；MTN-2800W氮吹浓缩仪 天津奥得赛恩斯仪器有限公司；SHA-C水浴恒温振荡器 天津市塞得利斯实验分析仪器制造厂；LD5-10台式大容量离心机北京京立离心机有限公司；2695高效液相色谱仪 美国Waters公司；7890B气相色谱仪 美国 Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 油脂中3-MCPD酯和GEs的分子蒸馏脱除

向分子蒸馏仪的进料器中加入玉米油，旋紧进料阀，依次打开旋片泵、扩散泵，使系统真空度达到0.1 Pa，抽真空过程中冷阱中装入液氮保持冷阱的强制冷。打开加热器升温至设定的蒸馏温度，调节刮膜转速和进料速率，对油脂进行分子蒸馏。检测分子蒸馏前后油脂中3-MCPD酯和GEs含量，计算脱除率，分析脱除效果。

分子蒸馏脱除3-MCPD酯和GEs条件优化：刮膜转速230 r/min，进料速率50 滴/min，蒸馏温度分别为180、200、220、240 ℃；蒸馏温度220 ℃，进料速率50 滴/min，刮膜转速分别为150、190、230、270、310 r/min；蒸馏温度220 ℃，刮膜转速230 r/min，进料速率分别为30、50、70、90、110 滴/min。

1.3.2 油脂中3-MCPD酯和GEs含量的测定

参照GB 5009.191—2016《食品中氯丙醇及其脂肪酸酯含量的测定》中第三法及苗雨田等[21]、任我行[15]的方法。采用酸水解间接测定的方法，同位素内标法进行定量。

色谱条件：色谱柱为HP-5MS毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为高纯氦气（纯度≥99.999%），流速1 mL/min；升温程序为85 ℃保持12 min，以20 ℃/min升至165 ℃，保持10 min，再以20 ℃/min升至300 ℃，并保持8 min；进样口温度250 ℃；不分流进样，进样量1 μL。

质谱条件：传输线温度280 ℃，离子源温度250 ℃；电子电离源，电离能量70 eV；扫描方式为离子监测模式。

1.3.3 油脂中VE含量的测定

VE含量测定参照GB/T 26635—2011《动植物油生育酚及生育三烯酚含量测定 高效液相色谱法》和温运启等[22]测定方法。取0.50 g油于10 mL棕色容量瓶中，用正己烷定容，经0.22 μm有机滤膜过滤后，进高效液相色谱测定。

色谱条件：Waters NH2柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流速0.8 mL/min；柱温40 ℃；Waters 2475荧光检测器，激发波长298 nm，发射波长325 nm。

1.3.4 油脂中甾醇含量的测定

甾醇含量测定参照GB/T 25223—2010《动植物油脂甾醇组成和甾醇总量的测定 气相色谱法》及魏佳丽等[23]测定方法。

取1 mL 2 mg/mL的内标置于50 mL圆底烧瓶中，氮吹干，称取样品油进行皂化。用正己烷提取不皂化物，水洗至中性，旋蒸出溶剂。用0.4 mL三氯甲烷复溶点板，跑板后刮出甾醇带用三氯甲烷、乙醚分次萃取，旋转蒸干后进行衍生并用氮气吹干；正己烷溶解后经0.22 μm滤膜进入进样小瓶，进气相色谱分析。

气相色谱条件：HP-5毛细管色谱柱（30.0 m×250 μm，0.25 μm）；进样口温度300 ℃；载气为高纯氮气，分流比20∶1，柱流速1.0 mL/min；升温程序为285 ℃保持30 min，以10 ℃/min的速率升温至300 ℃，保持5 min；氢火焰离子检测器温度360 ℃；进样量1 μL。

1.4 数据处理

实验结果均为3 次实验的平均值，采用Excel 2016软件处理数据，用Origin 9.0.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 蒸馏温度对3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响

图1 蒸馏温度对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响Fig.1 Effect of molecular distillation temperature on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil

如图1所示，玉米油样品中3-MCPD酯和GEs含量分别为2.686、5.909 mg/kg，GEs含量远超欧盟限量标准（1 mg/kg），3-MCPD酯含量高于文献[6]中玉米油含量的平均值1.160 mg/kg。由图1可知，蒸馏温度对油脂中3-MCPD酯和GEs的脱除效果影响较明显。在分子蒸馏系统中，蒸馏温度是影响分离效果的关键因素之一[19]。蒸馏温度越高，物质的分子平均自由程越大，轻重组分物质的分离效果越好。3-MCPD酯和GEs的脱除率均随温度的升高而逐渐提高。经180、200、220 ℃分子蒸馏，油脂中3-MCPD酯的脱除率持续上升，之后趋势变缓；油脂中GEs在180 ℃蒸馏温度下脱除效果显著，之后随蒸馏温度升高GEs脱除率呈缓慢升高趋势。在蒸馏温度为240 ℃时，3-MCPD酯和GEs的脱除率分别为80.8%、85.9%，含量分别降低至0.516、0.833 mg/kg，其中GEs含量低于欧盟限量。在220、240 ℃时，3-MCPD酯和GEs的脱除率相差不大，考虑到较高温度可能会形成反式脂肪酸并引起VE和甾醇的较大损失[24]，因此选取蒸馏温度为220 ℃，此时油脂中3-MCPD酯和GEs的含量分别降低至0.556、0.885 mg/kg。

由图1可以看出，分子蒸馏的温度条件优化过程中3-MCPD酯和GEs达到较好脱除效果分别在220 ℃和200 ℃，并不是在同一温度条件下，其原因是GEs与3-MCPD酯的分子质量有差异，油脂中GEs的相对分子质量为338（脂肪酸以油酸计），3-MCPD酯（包括3-MCPD单酯和3-MCPD双酯）的相对分子质量为375～639（脂肪酸以油酸计），根据分子运动平均自由程公式λm=KT/分子蒸馏过程物质分子质量越大，分子有效直径越大，其分子自由程越短，因此相比GEs，3-MCPD酯需要更高的温度才能达到较好的分离效果。

2.2 刮膜转速对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响

图2 刮膜转速对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响Fig.2 Effect of scraper rotation speed on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil

分子蒸馏筒内刮膜辊轮的旋转使油脂在筒壁上均匀分布形成薄的液膜，如果转速过小，物料无法在加热面形成均匀的液膜，导致分离效率降低。提高转速能减小液膜厚度，提高转热、传质效率，而提高分离效率[25]。由图2可知，刮膜转速对3-MCPD酯和GEs的脱除效果也有影响，在一定范围内，3-MCPD酯和GEs的脱除率随着刮膜转速的升高而提高。在刮膜转速为230 r/min时，3-MCPD酯的脱除率最高，为79.3%，含量降低至0.556 mg/kg；之后随着转速的升高3-MCPD酯的脱除率又有所降低。GEs在刮膜转速为190 r/min时脱除率最高，为85.5%，含量降低至0.860 mg/kg，之后再随刮膜转速的升高，GEs脱除率呈降低趋势。这可能是因为当刮膜转速过高时，会形成雾沫飞溅[19]，辊轮高速旋转使得分子蒸馏蒸发面上油料液膜非常薄，3-MCPD酯和GEs分子能更快的从油料主体扩散至蒸发表面，3-MCPD酯和GEs剧烈的分子运动可能会使分子与雾沫液滴碰撞而返回到液面中，从而导致分离效率降低，这也与刘玉兰[20]、宋志华[24]等的研究结果一致。综合考虑，选择刮膜转速为230 r/min，此时GEs脱除率为85.0%，含量降低至0.885 mg/kg；3-MCPD酯脱除率为79.3%，含量降至0.556 mg/kg。

2.3 进料速率对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响

图3 进料速率对油脂中3-MCPD酯和GEs脱除效果的影响Fig.3 Effect of feeding rate on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil

如图3所示，在进行分子蒸馏时，进料速率决定物料在蒸发面的停留时间，加大进料速率，物料在蒸发面的停留时间缩短，当刮膜转速一定时，进料速率增大，蒸发面上物料的量增加，蒸发面上形成的液膜厚度增加。因此选择合适的进料速率对3-MCPD酯和GEs的分离脱除效果有重要影响[19,25]。由图3可知，进料速率为30 滴/min时3-MCPD酯的脱除率最高，为84.4%，含量降低至0.418 mg/kg；再随进料速率的增加，3-MCPD酯的脱除率逐渐降低，原因是随着进料速率增大，油脂在蒸发表面的受热时间变短，且液膜厚度增大，增加了传热、传质阻力，不利于目标物的分离，这与刘玉兰[20]及Moraes[26]等的研究结果相似。GEs脱除率随着进料速率的增大呈现先升高后缓慢降低的变化，主要原因可能是在进料速率较低时，物料在蒸发面上停留时间较长，受热充分，与3-MCPD酯相比较小分子质量的GEs受热大量馏出，脱除率升高[27]。进料速率为70 滴/min时GEs脱除率最高，为87.6%，含量降低至0.736 mg/kg，然后随着进料速率的增大，GEs脱除率也呈降低的趋势。综合考虑，选取进料速度为50 滴/min，在此条件下，3-MCPD酯和GEs的脱除率分别为79.3%、85.0%，其含量分别降低至0.885、0.556 mg/kg。

2.4 分子蒸馏对油脂中甾醇和VE含量的影响

采用优化的分子蒸馏条件（蒸馏温度220 ℃，刮膜转速230 r/min，进料速率50 滴/min）对油样进行蒸馏脱除3-MCPD酯和GEs，对蒸馏前后油样中甾醇和VE含量进行检测，分析分子蒸馏对油脂中这2 种营养成分的影响。

表1 分子蒸馏前后油脂中甾醇组分含量变化Table 1 Changes in sterols contents in corn oil after molecular distillation

从表1可以看出，玉米油中主要有菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇、谷甾烷醇4 种甾醇组分，其中β-谷甾醇含量最高（62.68%），豆甾醇含量最低（5.711%）。经分子蒸馏后油脂中甾醇含量降至563.7 mg/100 g，损失率为38.2%。造成甾醇损失的原因可能蒸馏过程甾醇随馏出物逸出[28]或过高的蒸馏温度导致甾醇结构发生异构化[29]。

表2 分子蒸馏前后油脂中VE组分含量变化Table 2 Changes in vitamin E content in corn oil after molecular distillation

由表2可以看出，蒸馏前玉米油中VE含量为407.8 mg/kg，除含有α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚之外，还含有一定量的（β＋γ）-生育三烯酚，其中γ-生育酚的含量最高（45.0%）。分子蒸馏后玉米油中VE含量降至291.3 mg/kg，损失率为28.6%。其中γ-生育酚、α-生育酚的损失率均在40%以上。造成VE损失的原因可能与甾醇损失的原因相同[28,30]。由此可见分子蒸馏在脱除3-MCPD酯和GEs的同时，也会造成甾醇和VE不同程度的损失。

3 结 论

采用蒸馏温度220 ℃、刮膜转速230 r/min、进料速率50 滴/min的优化分子蒸馏条件，玉米油中3-MCPD酯和GEs的脱除率可分别达到79.3%和85.0%，含量分别从5.909、2.686 mg/kg降低至0.516、0.833 mg/kg，GEs含量达到欧盟要求食用油中≤1 mg/kg的限量规定，3-MCPD酯含量也降低至≤1.25 mg/kg，这是目前所能查阅到的公开报道的最好脱除效果指标。但分子蒸馏会造成油脂中甾醇、维生素不同程度的损失（甾醇、VE损失率分别为38.2%、28.6%）。分子蒸馏法可以作为脱除油脂中3-MCPD酯和GEs的可靠方法。