低温锡箔烘烤和微波处理对南瓜籽油脂肪酸组成变化及货架期影响的研究

薛 山

(闽南师范大学生物科学与技术学院;菌物产业福建省高校工程研究中心;漳台休闲食品与茶饮料研究所,漳州 363000)

南瓜籽是南瓜加工的副产物,油脂含量丰富,占南瓜籽干质量的35%～64%[1]。诸多研究已证实,南瓜籽油富含单不饱和脂肪酸(MUFA,如油酸)和多不饱和脂肪酸(PUFA,如亚油酸和亚麻酸),是一种食用价值的较高油脂[2]。然而,PUFA和MUFA对氧化十分敏感,且加热过程中比饱和脂肪酸(SFA)更易氧化[3],可见,过高温度的剧烈加热会引发南瓜籽油的氧化反应,从而也影响油脂储藏品质与货架期限。

南瓜籽的处理方法可粗略分为炒制和烘烤,炒制是南瓜籽的传统加工方式,但炒制过程极易导致南瓜籽油发生氧化酸败,而烘烤加工后的南瓜籽油储藏时间较炒制更长,且还能够含有更多的多酚、维生素E等具有抗氧化活性的油脂伴随物[4,5]。烘制南瓜籽预处理常用的方式有高温烘烤、低温锡箔烘烤和微波处理等[6]。其中,低温烘焙(100～130 ℃)作为一种相对健康、环保的烹饪加工方式近年来得到了广泛关注。低温烘焙技术是利用真空原理,将食品在低温条件下迅速加热的技术手段,较之传统高温烘焙(180～200 ℃),不仅更少破坏食品中的营养成分,不产生或少产生有害物质,还能够实现低含水量、口感酥脆、保留食品原汁原味等优势[7],目前已应用于豆类、谷物类粮食加工。同时,采用锡箔包裹烘烤,不仅更清洁卫生,也能够使食品受热更均匀[8]。与此同时,微波辅助萃取作为一种高效的油脂提取技术受到了广泛的关注[9]。微波加热具有提取时间短、提取率高、能耗低等优点[10,11],微波处理已广泛应用于许多食用种子和坚果加工中,能引起各种物化变化,如油脂的脂质组分(脂肪酸、生育酚)[12,13]。孔凡等[14]报道称适当的微波预处理能够显著增加南瓜籽油中油脂伴随物含量,提高油脂的氧化稳定性与抗氧化能力。目前鲜有低温锡箔烘烤和微波处理对南瓜籽油中性、极性脂肪酸组成影响的相关研究。

研究比较低温锡箔烘烤和微波处理2种加工方式对南瓜籽油储藏期间中性脂肪酸、磷脂脂肪酸与总脂肪酸组成的影响,同时,通过测定不同处理后南瓜籽油酸价(AV)与过氧化值(POV)的变化差异,结合一级化学反应动力学方程和Arrhenius方程基于总脂肪酸中PUFA占比建立南瓜籽油储藏动力学模型预测其货架期变化,以期为南瓜籽油及其产品的生产研发及安全储藏提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

南瓜籽(裸仁),品种为东引一号,产自中国新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市。乙醚、石油醚、苯、氯化钠、无水硫酸钠、酚酞指示剂、乙醚、异丙醇、氢氧化钠、三氯甲烷、冰乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠、硫代巴比妥酸、三氯乙酸、丙二醛(分析纯)、正已烷(色谱纯)、三氟化硼甲醇溶液、三十七种脂肪酸甲酯混标(标准品)。

1.2 实验仪器

US6180D微波反应器,DZF-6034A真空烤箱,DGG-9140B电热恒温鼓风干燥箱,AR124CN电子天平,HH-2数显恒温水浴锅,XW-80A漩涡混合器,RE-52AA旋转蒸发器,SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵,7890B气相色谱仪。

1.3 测定方法

1.3.1 南瓜籽加工处理方式

人工选择完整的种子,去除破碎或破损的种子,于(30.0±1.0)℃鼓风干燥箱中干燥48 h(水分质量分数在4%以下),装入聚乙烯袋,4 ℃保存备用[1]。基于前期实验,低温锡箔烘烤处理条件为:将南瓜籽样品用锡箔纸包裹,放入125 ℃烤箱烘烤15 min,此时南瓜籽粗油得率为(26.50±0.25)%;微波预处理条件选择中功率(500 W)处理6 min,此时南瓜籽粗油得率为(27.93±0.27)%。

1.3.2 储藏实验

将低温锡箔烘烤处理和微波处理后的南瓜籽粗油分别于4、25 ℃将南瓜籽储藏0、3、6、9 d和 0、1、2、3 d,对样品进行相关理化指标的测定。

1.3.3 南瓜籽油脂肪酸组成分析

1.3.3.1 南瓜籽粗油提取

南瓜籽粗油的提取参照Moo-Huchin等[15]方法略微修改:分别称取约20 g经处理后的南瓜籽,粉碎后过30目筛(0.59 mm),按液料比12∶1 mL/g加入石油醚于45 ℃索式萃取4 h,之后于45 ℃真空旋转蒸发器中挥干溶剂,即得南瓜籽粗油。

1.3.3.2 油脂的分离

中性油脂和极性磷脂的分离薛山等[16,17]的方法,将提取的油脂用2 mL氯仿溶解后,用硅胶柱吸附,然后分别用5倍体积的氯仿和3倍体积的甲醇溶液洗脱,分别得到含中性油脂和磷脂的溶液,旋蒸挥干后即分别得到中性油脂和磷脂。

1.3.3.3 脂肪酸组成分析

向各油脂组分加入3 mL苯和石油醚溶液(体积比为1∶1),转移至10 mL具塞试管中,加入2 mL三氟化硼-甲醇溶液,混匀振荡,封口,放入50 ℃恒温水浴锅中水浴2 h,放入4 ℃冰箱过夜。气相分析前加入1 mL正己烷(色谱纯),漩涡振荡后静置分层,吸取上清液1 mL过0.45 μm有机相滤膜后装瓶备用[3]。

脂肪酸甲酯的测定采用7890B气相色谱仪,使用FID 检测器和SH-RtTM-2560气相色谱柱(100.00 m×0.25 mm×0.20 μm),分流比10∶1,进样量1 μL,载气为氮气,流速为 1.5 mL/min,进样口和检测器的温度均为250 ℃。柱箱的升温程序为:起始温度为140 ℃,保持1 min,以4 ℃/min升到240 ℃并保持 5 min。脂肪酸的定性分析采用与37种混合脂肪酸甲酯标准品的保留时间进行对比,定量分析采用面积归一化。脂肪酸含量用单个脂肪酸占总脂肪酸的相对比例表示。

1.3.4 南瓜籽粗油的品质变化

1.3.4.1 酸价(AV)

参考GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定》。

1.3.4.2 过氧化值(POV)

参考GB 5009.227—2016《食品中过氧化值的测定》。

1.3.5 南瓜籽粗油储藏品质动力学模型构建

1.3.5.1 一级动力学方程

一级动力学方程可以体现储藏品质指标变化与时间t之间的关系,也可对产品的货架期进行预测。一级反应动力学方程见式(1):

A=A0ekt

(1)

式中:A和A0分别为储藏至第t天和0 d时的观测品质指标值;k为储藏品质指标变化速率常数;t为样品的储藏时间/d。

1.3.5.2 Arrhenius方程

阿伦尼乌斯方程可以反映变化速率常数k与热力学温度T之间的关系。当计算出不同温度条件下速率常数后,以lnk对1/T作图可拟合出斜率为-Ea/R的直线,Y轴截距为lnk0的线性方程,即可计算出反应活化能Ea和前因子k0。Arrhenius方程见式(2):

(2)

式(2)取对数后:

(3)

式中:k0为方程的前因子(频率因子);Ea为储藏品质指标变化反应的活化能/(J/moL);T为绝对温度/K;R为气体常数[8.314 4 J/(mol·K)];k0和Ea都是与反应系统物质本性有关的经验常数。

将一级动力学方程和Arrhenius方程结合起来,只要确定感官评定终点对应的储藏品质指标值以及某一储藏温度,即可对产品货架期进行理论预测。

1.3.6 数据处理方法

每组处理重复3次,数据结果用均值±标准差表示。采用SPSS Statistics 24.0软件对结果进行单因素显著性分析,P<0.05表示结果显著。PLSR分析采用Unscrambler 9.7软件,所有数据在分析前均用SPSS软件进行标准化。

2 结果与分析

2.1 储藏期间南瓜籽油脂肪酸组成变化

2.1.1 GC分析南瓜籽油脂肪酸组成

经气相分析,低温锡箔烘烤处理后南瓜籽总脂肪酸主要由棕榈酸(C16∶0,23.52%)、硬脂酸(C18∶0,5.29%)、油酸 (C18∶1,cis-9,26.6%)、亚油酸(C18∶2,cis-9,12,44.59%)组成;微波预处理后南瓜籽总脂肪酸主要由棕榈酸(C16∶0,25.81%)、硬脂酸(C18∶0,6.86%)、油酸(C18∶1,cis-9,15.79%)、亚油酸(C18∶2,cis-9,12)(51.54%)组成。2种不同处理后南瓜籽脂肪酸组成相同,但含量不同,微波组中PUFA(C18∶2,cis-9,12)含量较低温锡箔烘烤组更高。2种处理的南瓜籽中性脂肪酸和磷脂脂肪酸与总脂肪酸组成一致,且PUFA(C18∶2)都显示了较高的含量。低温锡波烘烤组南瓜籽中性脂肪酸中C18∶2相对质量分数占41.96%,极性脂肪酸中C18∶2相对质量分数占48.06%,均低于微波预处理组(中性C18∶2相对质量分数占49.93%,极性C18∶2相对质量分数占52.17%)。这可能是因为高含量的PUFA不仅较大程度上决定油脂的生物活性和营养价值,也能显著影响油脂的稳定性[18]。

2.1.2 储藏期间南瓜籽油脂肪酸组成变化

低温锡箔烘烤和微波预处理南瓜籽于4 ℃和25 ℃储藏期间的总脂肪酸、中性脂肪酸及磷脂脂肪酸变化,4 ℃和25 ℃储藏期间南瓜籽油脂肪酸组成变化见表1。

表1 4 ℃和25 ℃储藏期间南瓜籽油脂肪酸组成变化

2种处理的南瓜籽总脂肪酸中SFA(C16∶0和C18∶0)以及MUFA(C18∶1)在0～9 d储藏期显著升高(P<0.05);而PUFA(C18∶2)呈下降趋势(P<0.05),中性脂肪与极性磷脂的变化趋势与总脂肪酸类似。

在4 ℃储藏期间(表1),微波组总脂肪酸中C16∶0在变化较低温锡箔烘烤组更显著(P<0.05),尤其是6～9 d阶段升高更明显;低温烘烤组中性油脂中SFA整体变化不显著(P>0.05),而微波组SFA升高显著((P<0.05);低温烘烤组极性油脂中SFA和MUFA升高以及PUFA的下降均较微波组显著。

25 ℃储藏期间,2组南瓜籽总脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸的相对含量变化趋势与4 ℃基本一致,各组分中SFA(C16∶0和C18∶0)和MUFA(C18∶1)显著升高,其中,中性脂肪酸中的C16∶0和MUFA(C18∶1)的升高较磷脂中升高更为显著(P<0.05),而PUFA(C18∶2)显著下降,磷脂PUFA(C18∶2)相对含量的下降较中性脂肪变化更显著(P<0.05)。

低温锡箔烘烤组总脂中PUFA(C18∶2)下降较微波组显著,且其C18∶2在1～2 d变化较其他阶段显著,而微波组2～3 d变化较其他阶段显著。低温烘烤组的MUFA(C18∶1)整体较微波组高,且储藏期间升高较微波组更显著(P<0.05);同时,低温烘烤组中性PUFA(C18∶2)相对含量的下降较微波组显著(P<0.05);储藏期间磷脂脂肪酸组成变化与中性脂肪酸组成变化类似,其中低温烘烤组磷脂中PUFA(C18∶2)在1～2 d储藏期间下降幅度较其他区间明显,这与其总脂组成变化趋势类似。

2.2 储藏期间南瓜籽油脂肪酸组成变化的PLSR分析

各指标相关性的荷载图如图1所示。为了更清楚地描述不同处理对南瓜籽储藏期间脂肪酸组成变化的影响,采用PLSR建立多元统计数学模型。PLSR结合了主成分分析、典型相关分析以及多元线性回归分析这3种方法的优势[3,16,19,20],目前已有报道应用于Hyla兔系热加工条件下脂肪酸组成变化[3]、Inra兔系生长期间脂肪酸沉积规律变化[16]、低脂和全脂酸奶的区分[19]、猪肉香肠检测[20]等领域。

注:X轴代表2种处理的不同储藏条件(LB4-0 d,LB4-3 d,LB4-6 d,LB4-9 d,LB25-1 d,LB25-2 d,LB25-3 d,MW4-0 d,MW4-3 d,MW4-6 d,MW4-9 d,MW25-1 d,MW25-2 d,MW25-3 d)和LB-SFA, LB-MUFA, LB-PUFA, MW-SFA, MW-MUFA, MW-PUFA,20个0/1样品变量(LB4和LB25分别代表低温锡箔烘烤后于4 ℃和25 ℃储藏,MW4和MW25分别代表微波处理后于4°和25 ℃储藏);Y轴代表南瓜籽油总脂肪酸(T)、中性脂肪酸(Z)、磷脂脂肪酸(L)组成;内圆和外圆分别代表相关系数R2为0.5、1.0;编号1～4分别代表C16∶0、C18∶0、C18∶1、C18∶2。

经PLSR,得到2个主成分,低温锡箔烘烤和微波预处理组南瓜籽总脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸各样本储藏期间的载荷图,第1和2主成分分别解释了Y变量的87%和10%。可见,不同处理方式、储藏条件(温度和时间)对南瓜籽脂肪酸的影响主要体现在第1主成分上。

在第1主成分上,在储藏初期不同处理组南瓜籽总脂肪酸,中性脂肪酸以及磷脂脂肪酸中的PUFA(C18∶2)都有着较高的相对含量,且随着储藏时间的延长而逐渐下降;储藏时间越短,温度越低,则P4(C18∶2)、T4(C18∶2)、N4(C18∶2)含量越高,而饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸的变化与之相反,尤其是T-SFA和 N-SFA。根据各样品在第一主成分上的间距分布,微波组样品在4 ℃储藏和25 ℃储藏时脂肪酸组成变化幅度相对均匀;而低温锡箔烘烤组脂肪酸在4 ℃储藏后期和25 ℃储藏1～2 d期间变化幅度较大。整体来看,低温锡箔烘烤组的脂肪酸组成较微波组变化更显著,这可能与低温锡箔烘烤组储藏初期PUFA较微波组高,且储藏期间N1(C16∶0)、P2(C18∶0)、P3(C18∶1)、T3(C18∶1)相对含量的大幅升高有关。

2.3 储藏期间不同处理南瓜籽油AV变化

油脂在储藏过程中,会因为水分、光线、脂肪酶、温度等因素发生分解,AV代表油脂分解后产生游离脂肪酸的量,它是衡量油脂酸败品质一项重要指标。经低温锡箔烘烤处理(LB组)和微波处理(MW组)南瓜籽粗油在4、25 ℃储藏条件下AV的变化,不同处理组南瓜籽油在4 ℃和25 ℃储藏条件下AV变化如图2所示。

图2 不同处理组南瓜籽油在4 ℃和25 ℃储藏条件下AV变化

在4 ℃和25 ℃储藏期间,2组处理南瓜籽粗油的AV值都有显著升高,其中LB组在4 ℃储藏3 d之后和25 ℃储藏2 d之后较MW组有更显著的升高,这可能是由于LB在此期间部分不饱和脂肪酸发生了较明显的氧化所致,尤其是PUFA组分。这是由于热处理确实影响了油脂的稳定性,同时油脂在储藏过程中受微生物、温度、氧气等作用发生水解,产生游离脂肪酸,因此AV由于游离脂肪酸的积累不断增大[18],而另一方面,不同处理方式提得油脂中的油脂伴随物也有所差异,会对油脂氧化有一定影响[21]。

根据GB/T 1.1—2009起草发布的LS/T 3250—2017中规定浸出成品南瓜籽油的酸值应当≤2.0mg KOH/g[22],本研究中样品的酸值都在1.4～2.6 mg KOH/g之间,故微波预处理南瓜籽粗油在4 ℃ 0～3 d和25 ℃ 0～1 d储藏期间品质符合要求。

2.4 储藏期间不同处理南瓜籽油POV变化

食品在储藏期间,初期南瓜籽油脂富含的PUFA组分会发生氧化反应进而生成氢过氧化物,POV是衡量油脂变质腐败的重要参照指标之一[23]。在不同储藏条件下LB组和MW组南瓜籽的过氧化值变化趋势,不同处理组南瓜籽油在4、25 ℃储藏条件下POV变化如图3所示,都呈现出随着储藏时间的延长,POV显著升高的规律。4 ℃储藏时LB组POV在6～9 d期间显著的升高,而MW组在3～9 d期间有了大幅升高,且升高幅度较低温锡箔烘烤组更显著。25 ℃储藏时,LB组在储藏期间变化幅度相对均匀,而MW组POV在整个储藏期间都有着更为显著的增长,且整体高于LB组。这可能是由于微波组在此期间脂类氧化产生了较多的氢氧化物所致。

图3 不同处理组南瓜籽油在4 ℃和25 ℃储藏条件下POV变化

GB 2716—2005规定,食用植物油和植物原油的POV都必须≤0.25 g/100 g,在国家其他标准中实行质量分级管理。样品POV在0.06～0.22 g/100 g之间,故微波预处理所得南瓜籽油在4 ℃ 0～3 d和25 ℃ 0～9 d储藏期间品质同样符合要求。

2.5 南瓜籽油储藏过程中品质变化动力学模型的建立与验证

2.5.1 储藏期间不同处理南瓜籽油PUFA相对含量与AV和POV的相关性

诸多研究显示,南瓜籽的PUFA对其功效发挥起着重要的作用,比如预防湿疹、抗过敏、降血糖和血脂、抑制血栓形成和血小板聚集、预防及治疗前列腺疾病等[14,24,25],因此选用南瓜籽油总脂肪酸中PUFA占比与AV和POV进行相关性分析,不同处理南瓜籽油PUFA相对含量与AV和POV的相关性见表2,南瓜籽油总脂肪酸中PUFA(C18∶2)相对质量分数与过氧化值、酸价的变化呈现了较好的相关性(P<0.05),且pearson相关系数均大于0.9,且在25 ℃储藏时与AV变化的相关性极显著(P<0.01)。鉴于此,选择POV进行粗南瓜籽油储藏过程中货架期预测模型的构建。

表2 不同处理南瓜籽油PUFA相对含量与AV和POV的相关性

2.5.2 不同储藏方式下南瓜籽粗油POV变化的回归方程

利用Origin 8.0对不同储藏温度条件下过氧化值变化曲线进行线性拟合,得到拟合线性回归方程和回归系数R2及变化速率常数k值,不同储藏方式下南瓜籽粗油POV变化的回归方程见表3,4 ℃(277.15 K)和25 ℃(298.15 K)储藏条件下所分别建立回归方程的复相关系数R2均大于0.95,表明回归方程具有较高的拟合度;同时,得到过氧化值的变化速率常数k。

表3 不同储藏方式下南瓜籽粗油POV变化的回归方程

以lnk对储藏温度的倒数1/T作图,得到线性方程y=-6.566 952 73x+19.147 85。由该方程计算得到过氧化值的活化能Ea为5.460 03×104J/mol,前因子k0为206 921 489.2。在此基础上建立粗南瓜籽油储藏过程中过氧化值变化速率常数k与储藏温度T之间的Arrhenius方程、动力学方程以及货架期预测方程分别为:

Arrhenius方程:

一级动力学方程:

货架期预测公式:

据所得到的POV值货架期预测方程,当确定了储藏温度、初始POV值及终点POV值,即可计算出某一确定的温度条件下南瓜籽油的储藏时间,可对其货架期进行预测。此外,也可以通过南瓜籽油的储藏温度、初始POV值以及储藏时间,计算出确定的储藏温度条件下储藏一定时间后的POV值,对油脂品质的变化进行监控。

2.5.3 不同处理南瓜籽油品质变化动力学模型的预测

根据国标限量(POV值为0.25 g/100 g),得出4、25 ℃储藏温度下,LB组南瓜籽油的货架期预测值分别为128.5、24.2 d,MW组南瓜籽油的货架期预测值分别为94、28 d,与实际值差异不显著(P<0.05),不同处理南瓜籽油的货架寿命预测值与实际值比较见表4。2种处理的南瓜籽油耐储性均良好,LB组的货架期较MW组更长。此外,南瓜籽油储藏品质受加工处理方式、储藏环境条件、包装材料、微生物菌群等多因素影响[4,12],不同处理后南瓜籽中油脂伴随物的组成与含量对南瓜籽油储藏安全性的影响也将是后续进一步探索的方向。

表4 不同处理南瓜籽油的货架寿命预测值与实际值比较

3 结论

低温锡箔烘烤和微波处理后的南瓜籽油均由棕榈酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)、油酸(C18∶1,cis-9)、亚油酸(C18∶2,cis-9,12)4种主要脂肪酸组成,其中PUPA(C18∶2,cis-9,12)在总脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸种相对含量丰富。在4、25 ℃储藏过程中,2种处理南瓜籽总脂肪酸、中性脂肪酸、磷脂脂肪酸中总SFA(C16∶0和C18∶0)和MUFA(C18∶1)呈整体升高趋势(P<0.05),而PUFA(C18∶2)呈下降趋势(P<0.05)。微波组样品在4 ℃储藏和25 ℃储藏时脂肪酸组成变化幅度较之低温锡箔烘烤组相对均匀,低温锡箔烘烤组储藏初期PUFA较微波组高,其脂肪酸组成较微波组变化更显著。在4、25 ℃储藏期间,2种处理后南瓜籽油AV和POV值都呈现显著升高趋势(P<0.05),微波组较LB组增长幅度更大。储藏动力学模型预测锡箔烘烤后南瓜籽油在4、25 ℃储藏温度下货架期分别为129、24 d;微波组分别为94、28 d,预测值与实际值差异不显著(P>0.05)。低温锡箔烘烤和微波预处理的南瓜籽PUFA相对含量都丰富,从南瓜籽油总脂肪酸中PUFA角度来看耐储性良好,低温锡箔烘烤组较微波组货架期更长。