基于fir技術(shù)的食用油過(guò)氧化值建模與驗(yàn)證分析

基于fir技術(shù)的食用油過(guò)氧化值建模與驗(yàn)證分析

當(dāng)食用油氧化時(shí)，氫氧化鉀的含量逐漸增加。含量越高，食用油的氧化程度就越深。氫過(guò)氧基中的過(guò)氧原子十分活潑,易攻擊食用油中的雙鍵,裂解成小分子物質(zhì),如醇、醛、酸和酮等,它們具有強(qiáng)烈的刺激氣味(哈喇味),影響油脂的風(fēng)味,不宜食用;氫過(guò)氧化物繼續(xù)氧化生成的二級(jí)產(chǎn)物在人體及動(dòng)物內(nèi)很難代謝,對(duì)肝臟造成損害。因此,監(jiān)測(cè)油脂氧化程度顯得十分重要。食用油中氫過(guò)氧化物用過(guò)氧化值(PV)表示。在國(guó)際專業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中,過(guò)氧化值的測(cè)定方法為碘量法。雖然該方法具有一定的靈敏度,但其操作過(guò)程繁瑣,化學(xué)試劑用量大,易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。許多研究者采用FTIR光譜法測(cè)定油脂指標(biāo),旨在取代傳統(tǒng)的化學(xué)方法,從而實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)化檢測(cè)。VandeVoort等人采用FTIR光譜法,基于食用油中氫過(guò)氧化物的O-H基團(tuán)在3444cm-1處的伸縮振動(dòng)特征吸收,建立測(cè)定模型,實(shí)現(xiàn)了油脂過(guò)氧化值的定量檢測(cè),但由于基質(zhì)效應(yīng)的影響,該模型無(wú)法通用于不同油脂,限制了其應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題,Ma等人利用三苯磷(TPP)與氫過(guò)氧化物反應(yīng)生成三苯氧磷(TPPO),當(dāng)TPP過(guò)量時(shí),根據(jù)TPPO在542cm-1處的特征吸收建立模型,實(shí)現(xiàn)了過(guò)氧化值的測(cè)定,解決了基質(zhì)效應(yīng)。傳統(tǒng)FTIR光譜分析所用流通池在分析高黏度液體樣品時(shí),遇到的最大問(wèn)題是樣品難以裝進(jìn)狹窄的流通池中,以及流通池的清洗問(wèn)題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)樣品的快速檢測(cè)。FTIR光譜重組(SR)技術(shù)可解決樣品預(yù)處理的系列問(wèn)題,在潤(rùn)滑油及食用油檢測(cè)中得到成功的應(yīng)用,取得良好效果。本文采用FTIR光譜重組技術(shù),基于TPP定量反應(yīng)生成TPPO的原理檢測(cè)食用油的過(guò)氧化值,以期為該指標(biāo)的自動(dòng)化快速檢測(cè)提供參考。1材料和方法1.1過(guò)氧化值的驗(yàn)證食用油樣品,市購(gòu),其中菜籽油用于制備模型標(biāo)樣。其它食用油,用已氧化的花生油(過(guò)氧化值約60mmol/kg)按照比例混合配制不同過(guò)氧化值的驗(yàn)證樣品。不含過(guò)氧化物的油樣,通過(guò)活化硅膠柱除去活性氧等物質(zhì)獲得,并通過(guò)碘量法(GBT5538-2005)測(cè)定確認(rèn)。甲基環(huán)戊二烯三羰基錳(MMT>99%)、三苯磷(TPP>99%)、三苯基氧磷(TPPO>99%)均為分析純級(jí)試劑,購(gòu)于美國(guó)Sigma公司;TPP和TPPO研磨,過(guò)篩(60目)備用;無(wú)色礦物精油(OMS),加拿大Thermal-Lube公司提供。1.2碘量法與pp的合成及其檢測(cè)pv過(guò)氧化值為1kg油脂中含有活性氧的毫摩爾數(shù),單位為mmol/kg。碘化鉀與冰醋酸反應(yīng)生物氫碘酸,氫碘酸被油脂中的氫過(guò)氧化物氧化成碘分子(I2),利用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液與碘分子的氧化-還原反應(yīng),從而達(dá)到定量測(cè)定油脂中的氫過(guò)氧化物的目的,其反應(yīng)式:2個(gè)氫離子的消耗伴隨著1分子ROOH轉(zhuǎn)變成ROH以及2個(gè)碘離子轉(zhuǎn)化成I2,同時(shí)伴隨的1個(gè)H2O分子生成。用相同的化學(xué)計(jì)量學(xué)測(cè)定碘分子的形成。在碘量法中,1mol氫過(guò)氧化物(ROOH)需要2mol氫離子或者2mol碘離子才能使1molROOH轉(zhuǎn)化成ROH。TPP與油脂的氫過(guò)氧化物的化學(xué)反應(yīng)式如下:1molTPP(TPP相對(duì)分子質(zhì)量為262.28)能使1molROOH轉(zhuǎn)化成ROH。TPPO相對(duì)分子質(zhì)量為278.29。碘量反應(yīng)需要1mmolTPP(或0.2623gTPP)同時(shí)產(chǎn)生1mmolTPPO(或0.2783gTPPO)。根據(jù)油脂中TPPO的濃度計(jì)算相應(yīng)的PV,配制成各種不同標(biāo)樣。稀釋劑中TPP的加量是根據(jù)1mmol/kg過(guò)氧化值相當(dāng)于每公斤油脂中含有0.2623gTPP。在分析過(guò)程中,如稀釋劑與油脂質(zhì)量比2∶1的體系中,只要配制稀釋劑折算成TPP的PV為5mmol/kg,就可以測(cè)定PV為10mmol/kg的樣品。配制過(guò)程中,無(wú)需精確稱取TPP的量。1.3稀釋劑的制備配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%MMT和0.15%TPP的OMS稀釋劑,存放于棕色瓶中,避光保存,備用。1.4gtpo樣品的制備TPPO和菜籽油標(biāo)樣制備:TPPO質(zhì)量分?jǐn)?shù)是根據(jù)油脂過(guò)氧化值為12mmol/kg的過(guò)氫氧化物與TPP反應(yīng)生成TPPO的量來(lái)確定。稱取0.35gTPPO溶于100g菜籽油(PV為未檢出,以0mmol/kg計(jì),下同)中,用微波爐加熱30s,使TPPO充分溶解在菜籽油中。采用稱重法,用菜籽油稀釋(按質(zhì)量比)TPPO標(biāo)樣,配制系列標(biāo)準(zhǔn)樣品。2個(gè)驗(yàn)證樣品集是用各種油脂及過(guò)氧化值為60mmol/kg的花生油配制而成。其過(guò)氧化值范圍分別是1.5~10mmol/kg和0~1.5mmol/kg。隨機(jī)抽取不同種食用油,分別按一定比例加入花生油樣品,進(jìn)行模型基質(zhì)效應(yīng)的驗(yàn)證分析。1.5系統(tǒng)軟件和多功能紅外分析軟件平臺(tái)FTIR光譜儀,加拿大Bomem公司;自動(dòng)分析儀,附帶連續(xù)分析與處理軟件系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱COAT)和多功能紅外分析軟件平臺(tái)(簡(jiǎn)稱UMPIRE),加拿大Thermal-Lube公司提供。裝備540μmKCl液池。光譜條件:分辨率4cm-1,掃描次數(shù)16次,以空氣光譜為背景光譜。1.6自動(dòng)樣品進(jìn)樣器前,確定背景光譜室溫條件下,在40mL自動(dòng)進(jìn)樣瓶中加入約10mL油樣,用移液器加入25mL稀釋劑。對(duì)裝有油樣和稀釋劑的混合樣品編號(hào),依次放入自動(dòng)樣品架中。啟動(dòng)自動(dòng)進(jìn)樣器前,采集背景光譜。自動(dòng)進(jìn)樣器通過(guò)微型泵把樣品吸進(jìn)液池,FTIR光譜儀采集樣品光譜,每個(gè)樣品均做2個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。1.7稀釋劑的標(biāo)準(zhǔn)曲線法用溶有MMT和TPP的OMS稀釋油樣,根據(jù)標(biāo)記物在稀釋劑和油樣混合物特征吸收峰1942cm-1(相對(duì)基線位于1960~1921cm-1,表示為1942cm-1/1960~1921cm-1)峰面積與稀釋劑中相應(yīng)標(biāo)記物特征吸收峰峰面積比值r(稀釋劑在混合樣品中的體積分?jǐn)?shù)),計(jì)算油脂稀釋倍數(shù)。通過(guò)油樣的稀釋倍數(shù)來(lái)重組油脂光譜。光譜重組通過(guò)2個(gè)步驟完成。1)稀釋劑光譜乘以r得到稀釋劑乘譜,油樣和稀釋劑混合物光譜減去稀釋劑乘譜,以除去混合物光譜中稀釋劑部分。2)得到差減光譜乘以系數(shù)(1-r)-1(即稀釋倍數(shù)),就可以得到純油光譜,稱之為重組(SR)光譜。以上光譜運(yùn)算和重組過(guò)程是通過(guò)UMPIRE軟件自動(dòng)進(jìn)行。1.8過(guò)氧化值的測(cè)定驗(yàn)證樣品的PV是通過(guò)模型預(yù)測(cè)獲得?；瘜W(xué)分析采用碘量法(GB/T5538-2005)。2結(jié)果與分析2.1tppo吸收光譜和測(cè)點(diǎn)最大吸收峰的確定為了確定光譜測(cè)定過(guò)氧化值的可行性,掃描含有TPP、TPPO、MMT的OMS溶液,收集光譜,進(jìn)行比較分析。圖1是OMS溶有TPP、TPPO的FTIR光譜。用該光譜減去OMS光譜,確定其它吸收峰對(duì)TPPO光譜特征吸收峰的影響。由圖1可以看出,MMT有2個(gè)C=O振動(dòng)吸收,分別在2025cm-1和1942cm-1處,后者特征吸收峰可作為光譜標(biāo)記吸收峰。TPPO在542cm-1處有吸收峰,為苯基振動(dòng)吸收峰。相應(yīng)的TPP在740cm-1和630cm-1處有寬峰吸收峰,對(duì)TPPO在542cm-1處的吸收峰未造成干擾,可不考慮其影響。2.2tppo的吸收強(qiáng)度為了評(píng)價(jià)以O(shè)MS為介質(zhì),TPP與氫過(guò)氧化物反應(yīng)生成TPPO的速度及反應(yīng)完全程度,用花生油與菜籽油配制不同梯度過(guò)氧化值的油脂,再用稀釋劑(OMS+MMT+TPP)稀釋,劇烈振蕩1min后采集光譜。所得光譜通過(guò)SR技術(shù)處理,比較TPPO在542cm-1處吸收情況(相對(duì)基線位于530cm-1,下同),其結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出,隨著油脂過(guò)氧化值增加(即花生油加量的增加),光譜中542cm-1吸收強(qiáng)度隨之增大。用碘量法測(cè)定處理過(guò)的混合樣品,結(jié)果未檢測(cè)出過(guò)氧化值,表明TPP與油脂中過(guò)氧化物反應(yīng)生成TPPO速度快,反應(yīng)完全。2.3吸收強(qiáng)度與pvtpp關(guān)系過(guò)氧化值模型是菜籽油中溶有不同數(shù)量的TPPO配制而成的標(biāo)樣,其過(guò)氧化值的范圍0~12mmol/kg。在標(biāo)樣中加入稀釋劑(OMS+MMT+TPP),震蕩,采集光譜,用SR技術(shù)處理,在542cm-1處得到的TPPO吸收峰TPPO,建立吸收強(qiáng)度與PV(TPPO折算)的關(guān)系,見(jiàn)圖3。由圖3可知,用540μm液池分析時(shí)所得標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性好,模型方程為y=0.671+17.352X(R=0.9999,SD=0.067)。模型方程表明,在PV0~12mmol/kg范圍,理論精度可達(dá)±0.067mmol/kg。2.4碘量法測(cè)定pv結(jié)果配制2個(gè)系列油樣來(lái)驗(yàn)證PV模型。一個(gè)系列油脂樣品集的過(guò)氧化值介于1.5~10mmol/kg之間;另一個(gè)系列驗(yàn)證樣品集的過(guò)氧化值介于0~1.5mmol/kg之間。兩個(gè)系列的樣品用模型預(yù)測(cè),并用碘量法平行測(cè)定其過(guò)氧化值,結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖5可知,SR-FTIR測(cè)定PV結(jié)果與碘量法測(cè)定結(jié)果高度線性相關(guān),2個(gè)方法測(cè)定數(shù)值接近1∶1。這兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)誤差為±0.19mmol/kg。從碘量法預(yù)測(cè)方程的SD可知,此誤差大多源于碘量法。為驗(yàn)證方法的精確性,第2個(gè)驗(yàn)證樣品集的過(guò)氧化值控制在0~1.5mmol/kg范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。比較用SR技術(shù)和碘量法測(cè)定結(jié)果,見(jiàn)圖6。由圖6可知,當(dāng)樣品的PV>0.5mmol/kg時(shí),兩種方法測(cè)定結(jié)果相近。當(dāng)樣品的過(guò)氧化值小于0.5mmol/kg時(shí),用碘量法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定,說(shuō)明SR-FTIR光譜法的精度高于碘量法。SR-FTIR的檢出限約為0.25mmol/kg,所得方程的SD值為±0.0175mmol/kg,重復(fù)性好于碘量法。2.5不同油脂對(duì)sr-ftir和碘量法測(cè)定pv過(guò)程的影響模型方程表明,TPPO濃度(以PV來(lái)表示)與542cm-1處吸收強(qiáng)度的回歸方程截距不為零,這可能是由于油脂類型的不同所引起的潛在吸收峰吸收所致。產(chǎn)生非零截距可能是由于SR-FTIR測(cè)定PV過(guò)程受到基底效應(yīng)(不同油脂在542cm-1處潛在吸收峰不同)影響。為了研究和確定這一可能性,選定5種不同的油脂加入花生油分別用SR-FTIR和碘量法來(lái)測(cè)定過(guò)氧化值,其結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可以看出,兩種方法測(cè)定結(jié)果非常接近,表明有不同油脂對(duì)SR-FTIR測(cè)定結(jié)果影響不顯著,模型不受油脂基質(zhì)效應(yīng)的影響?；貧w方程SR-FTIR的SD值(±0.11mmol/kg)比碘量法低(±0.16mmol/kg),說(shuō)明SR-FTIR的重復(fù)性和準(zhǔn)確性比碘量法好,可以替代碘量法測(cè)定油脂PV,從而避免使用大量的有毒有機(jī)溶劑,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。3ir檢測(cè)油樣光譜SR技術(shù)用于PV自動(dòng)化分析,樣品制備十分簡(jiǎn)便,且有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性[6~8]。由于降低了油樣的黏度,具有較快的分析速度。SR-FTIR適于大型油脂企業(yè)和商業(yè)化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。SR技術(shù),由于TPP溶于OMS中,稀釋倍數(shù)可通過(guò)光譜標(biāo)記物的特征吸收峰來(lái)測(cè)定,無(wú)需準(zhǔn)確稱取油樣及精確量取溶液的體積?？蓮挠蜆优c稀釋劑混合物中精確重組油樣光譜。然而需要注意的是TPP在放置過(guò)程中會(huì)緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)門PPO。在SR技術(shù)處理過(guò)程中需扣除其影響,使所含TPP足夠測(cè)定待測(cè)樣品的過(guò)氧化值即可,而釋劑中TPP的變化對(duì)分析結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何影響。4驗(yàn)證方法的確定OMS介質(zhì)中,氫過(guò)氧化物與三苯磷快速反應(yīng)生成三苯基氧磷。SR-FTIRPV方法中,將TPP直接加入含有標(biāo)記物MMT的OMS中,用該稀釋劑稀釋