基于中红外光谱结合化学计量法快速检测油炸食品用油品质

宁海花 周啟佳 杜 枘 苗军舰,2 赖克强,2

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海海洋大学食品热加工工程技术研究中心，上海 201306)

油炸食品在生活中随处可见，因其香酥可口，深受消费者喜爱。然而，油炸时用的食用油因长时间处于高温状态，易发生一系列复杂的化学反应[1-2]。这些化学反应不仅会使食用油本身产生异味、影响货架期，还会降油炸低食品的营养价值，甚至产生有毒有害的物质，如反式脂肪酸、丙烯酰胺、苯并芘等[3-5]。目前检测油脂品质的常规方法多为根据油脂氧化过程中1～2项指标的变化，如酸价、过氧化值、羰基价、极性组分等来评价油脂品质，而油脂氧化反应过程的复杂多样性，若要全面评价油脂的品质，则需要同时检测多项指标，增加了对油脂品质监控的难度[6]。

近红外因具有快速、简便、高效、成本低等优点，常被用于样品分析，但近红外光谱存在光谱特征性不强、光谱强度低等缺陷，且其光谱信息主要由合频、泛频振动引起，对含量低于0.1%的物质检测的灵敏度欠佳[7-8]。中红外光谱信息是由分子的基频振动引起的，较近红外更灵敏，而基于衰减全反射(attenuated total reflectance, ATR)附件采集中红外谱图，对液体样品前处理无特殊要求，具有非破坏性、操作简单的特点，因此结合ATR附件的中红外光谱检测法在液态或半固态食品快速分析中的应用前景将越来越广泛[9-11]。

酸价、过氧化值和羰基价为评价食用油质量安全的重要指标。酸价用来衡量油脂中游离脂肪酸以及油脂氧化分解产生的小分子有机酸，油脂酸价一般随其质量的下降而增加[12]。过氧化值则用来表示油脂中氢过氧化物含量[13]，是油脂氧化的初级产物，其进一步分解可生成小分子的醛、酮等脂肪氧化的次级产物，因此测量油脂中总的羰基化合物(羰基价)，常用于评价油脂劣变程度[14]。

研究拟基于傅里叶变换中红外光谱(fourier transform mid-infrared, FT-IR)-ATR技术，结合化学计量学方法，对油炸食品用油的酸价、过氧化值、羰基价进行定量分析，以其达到快速、同时检测多项油脂品质指标的目的，为加强对油炸食品用油品质的监控以保障最终油炸食品的安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试剂与仪器

硫代硫酸钠、甲醇、异丙醇等：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

正丁醇、己醛：色谱纯，美国Sigma-Aldrich公司；

傅里叶变换红外光谱仪：Nicolet 6700型，美国Thermofisher公司；

紫外分光光度计：UV3000型，上海美谱达仪器有限公司。

1.1.2 试验原料

(1) 控制油样：在上海某大学食堂，使用8 L左右该食堂常用的市购一级大豆油连续油炸麻球，麻球重量约2.5 kg，每锅炸20 min，共18锅，油炸温度控制在120～150 ℃。油炸过程中，第一锅每隔2 min取一次油样，共取11个样品；此后17锅每隔5 min取一次油样，共取68个样品，总油炸时间360 min，加上未加热豆油，共计80个油样。

(2) 随机油样：以1，4，7，15 d为取样周期，在同一食堂连续6个月对当天所用炸油进行取样，每天油炸时间约90 min，油炸温度120～220 ℃，每隔3～6 min取约40 mL油，共取136个样品，加2个未加热油样，共计138个油样。

该食堂主要使用万家宴转基因四级大豆油(上海帝海粮油有限公司)及烹饪佳精致转基因大豆油(嘉吉粮油有限公司)，油炸的食物包括麻球、素鸡、虾、大排、排条、小黄鱼、土豆、鲫鱼、白鱼块、牛肉、鲳鱼等十余种，每日炸5～8种食物，每种食物重量约2 kg。油炸过程中，根据实际情况，不定时、不定量添加不同品牌的新油或简单过滤后的陈油。采集到的油样盛于50 mL玻璃烧杯，待冷却后，转移到60 mL具塞样品瓶，贴好标签于4 ℃冰箱贮藏。

1.2 试验方法

1.2.1 油脂指标的测定 所有采集的218个油样均用于酸价分析，因油样过氧化值和羰基价的测试方法耗时较长，且经比较同一锅控制油样过氧化值和羟基价之间相差较小，因此只对控制油样的第1锅选择3个样品，其余17锅选择2个样品，加未加热油样，共38个样品以及随机油样的第1月17个样品，其余月份选择15个样品，2个未加热油样，共94个样品进行过氧化值和羰基价分析。

(1) 酸价：参照GB 5009.229—2016。

(2) 过氧化值：参照GB 5009.227—2016。

(3) 羰基价：参照GB 5009.230—2016。

1.2.2 红外谱图的采集 采用傅里叶变换光谱仪采集油样的红外谱图，其扫描波数范围为500～4 000 cm-1，扫描次数为16次，分辨率为4 cm-1。以空气参比作为空白背景，用滴管滴加油样，使其充满整个11点反射槽式ATR硒化锌晶体表面。每次样品测试结束后，用异丙醇清洗干净。

1.2.3 建模方法及模型的评价参数 应用Delight 3.2软件，选择偏最小二乘回归法(PLS)将油样的红外光谱图与控制油样、随机油样、所有油样(二者加起来)的酸价、过氧化值、羰基价建立数学模型，基于留一交叉验证法对模型的预测性进行评估，并确定模型的最佳参数(如潜变量个数)。模型的评价指标包括预测值与真实值的相关系数(R2)，预测标准差(SEP)，样品集的标准偏差与预测标准偏差的比值(RPD)[15]。R2越大、SEP越小，模型的效果越好，RPD>5.0说明模型具有良好的预测性；RPD为2.5～5.0说明模型具有一定的预测性，适合低、中、高浓度的筛选；RPD<2.5，说明模型预测能力较差[16]。建立PLS模型前，红外光谱图进行平滑(smooth)、二阶导(2ndderivative)预处理，以消除噪音和背景干扰来获得预测性好的模型[15]。

2 结果与讨论

2.1 样品信息

由表1可知，控制油样的酸价、过氧化值和羰基价分别为0.09～0.59 mg KOH/g，22.02～106.70 meq/kg和 4.08～11.99 meq/kg，而随机油样的酸解、过氧化值和羰基价分别为0.12～2.00 mg KOH/g，1.14～47.27 meq/kg和 1.18～9.53 meq/kg。油样的酸价和羰基价均在GB 5009.229—2016和GB 5009.230—2016允许的范围内，而控制油样的过氧化值均超过GB 5009.227—2016规定的20 meq/kg，16个随机油样的过氧化值也超标。对3个指标进行线性分析，发现其中任何两个指标之间无明显的线性关系，表明3个指标是独立的。

表1 油炸食品所用油样的酸价、过氧化值和羰基价

2.2 FT-IR谱图特征

图1 代表性油样的红外谱图

2.3 酸价模型

由图2可知，对于酸价的分析，当控制油样、随机油样、所有油样模型的潜变量个数分别为6，12，13时，若继续增加模型的潜变量数目，预测标准差无明显的减低，由此判断3种油样酸价模型的最优潜变量个数分别为6，12，13。由于食用油中游离脂肪酸、过氧化物和羰基化合物含量较少，其对应的FT-IR光谱特征被油脂中的主要成分甘油三酯的光谱特征掩盖。因此，酸价模型的建立需要较多的潜变量个数。此外，由于控制油样的油炸食物和所用油品种相对简单，同一种油反复炸一种食品，所以控制油样的酸价模型需要用的潜变量数目相对较少；而随机油样的油炸食物品种较多，所用油的品种多样，所含成分复杂，因此随机油样的酸价模型需要较多的潜变量个数。

图2 油样酸价模型的潜变量个数与预测标准差的关系

由图3可知，控制油样、随机油样、所有油样酸价的模型预测值与真实值之间的相关系数R2均≥0.980，SEP为0.02～0.08 mg KOH/g，RPD为6.98～8.73，表明3种油样的酸价模型均有很好的预测性。

图3 油样酸价的PLS校正模型及预测值与真实值的关系

2.4 过氧化值模型

过氧化值PLS模型最优潜变量个数的确定方法与酸价模型类似，控制油样、随机油样、所有油样的过氧化值模型潜变量个数分别为9，10，11，若继续增加模型的潜变量数目，预测标准差并未明显减小，由此判断3种油样过氧化值模型的最优潜变量个数分别为9，10，11。由图4可知，过氧化值的模型预测值与真实值之间的R2为0.716～0.909，SEP为4.41～6.86 meq/kg，RPD为1.87～3.32，模型的预测性较差，尤其是随机油样模型对应的RPD只有1.87，对于实际抽检油样中过氧化值的定量分析几乎无应用价值。

图4 油样过氧化值的PLS校正模型及预测值与真实值的关系

2.5 羰基价模型

羰基价模型最优潜变量数目的确定方法与酸价、过氧化值模型类似，控制油样、随机油样、所有油样的羰基价模型最优潜变量数分别为5，10，4。由图5可知，控制油样和随机油样的PLS模型有一定的预测能力，模型预测值与真实值之间的R2分别为0.936，0.881，SEP分别为0.66，0.73 meq/kg，RPD分别为3.95，2.90，但是对于所有油样，模型的预测能力较差，对应的R2为0.763，SEP为1.31 meq/kg，RPD为2.05。

图5 油样羰基价的PLS校正模型及预测值与真实值的关系

3 结论

试验表明，随机油样中，酸价与羰基价均在国家标准范围内，但是部分样品的过氧化值已超过了油炸食品关于食用油所含油脂含量的卫生标准，反映出油炸食品中可能存在食品安全问题。随机油样油炸时间比控制油样油炸时间更长，且油炸食物的量更多，但其过氧化值与羰基价总体上比控制油样的要低，主要是由于控制油样与随机油样所使用的食用油品种不同。此外，中红外光谱图中，反式碳碳双键的特征吸收峰强度增加，说明油炸过程中不饱和脂肪酸可能经异构化生成了反式脂肪酸，油炸用油中反式脂肪酸含量的测定有待后续研究。

通过酸价、过氧化值和羰基价3种指标的PLS模型比较，发现模型对油脂酸价的预测能力较强(RPD≥6.98)，但对过氧化值的预测能力较弱，尤其对于随机油样几乎无实际应用价值(RPD=1.87)。此外，控制油样模型比随机油样模型的预测性更强，其主要原因是随机油样炸的食物种类多、油炸温度差异性大，使得油样的成分更为复杂，从而影响其模型预测的准确性。综上，采用衰减全反射附件的傅里叶变换中红外光谱结合化学计量法有望实现快速、同时检测油炸用油的酸价、过氧化值和羰基价。