超声波或聚焦微波能量在加快油类氧化稳定性测定中的应用

摘要：橄榄油质量可以通过测定其抗氧化性来确定。但利用目前方法，在实验室中进行大量样品分析时比较耗时。微波能量已经成功地用于许多食品的质量检测，但到目前为止超声波尚未广泛用于食用油的分析。本研究的目的是利用超声波或聚焦微波能量加速氧化过程，发展两种测定橄榄油氧化稳定性的新方法。

Abstract: Olive oil quality is established by determining its resistance to oxidation, but using current methods, this can be too time-consuming when a laboratory needs to analyze many samples. Microwave energy has been used successfully in the determination of quality for many foodstuffs, but to date ultrasound has not been widely used in edible oil analysis. The aim of the research described here is to develop two alternative methods to determine the oxidative stability of olive oils based on the use of ultrasound or microwave energy to accelerate the oxidation process.

    因为油类的抗氧化性决定了其储存和使用的稳定性，因此抗氧化性的测定已成为评价油品质量的方法之一。油的稳定性（从生产到变坏的间隔时间）取决于其内在特征（饱和脂肪酸和生育酚、多酚等天然抗氧化剂的含量）、环境条件（温度、光照、是否暴露于空气、容器的类型和材料、微量金属元素含量等）和以及暴露于上述条件的时间。

　　对于油品氧化稳定性的物理和化学的测试方法是基于测定羟基过氧化物前体或自氧化终产物^[1~3］。基于过氧化物值^[4,5]或多酚浓度^[6]测定的一些方法已经实现了自动化。

　　非常纯的橄榄油在最佳储存条件下可以在几个月内保持稳定。因此，为了在实验室内测定其稳定性，需要提高温度，或者向油中通入氧气或气泡。目前测定油品氧化稳定性最常用的方法是活性氧方法（AOM）^[7]和Rancimat方法^[8］。

　　从事橄榄油分析的实验室需要快速的分析方法，从而可以在尽可能短的时间内进行大量的样品分析。辅助能量，如微波或超声波，可以加速氧化过程，从而缩短分析时间。在分析实验室中使用的微波能量主要应用于为元素分析而进行的样品消解^[9］、溶剂萃取^[10］、分析物的吸附和脱附^[11]等。超声波已被用于使用n-戊烷和二乙醚混合物从白酒中提取芳香族化合物^[12]以及从葡萄、霉菌和酒中提取葡萄园中常用的17种杀真菌剂^[13］。

　　微波能量还被用来促进食用油和脂肪的某些反应进程，如加速植物油中脂肪酸转甲基反应^[14］、用于分析鱼、奶酪和橄榄油中是否存在香料的样品制备^[15］、从预炸和炸制食品中提取油^[16]以及从橄榄种子中提取食用油^[17］。

　　超声波尚未在食用油分析中广泛应用。研究人员，如Chemat 等^[18］，利用超声波研究了食品加工过程中葵花籽油变质的过程。结果表明，在变质过程中，有金属和腐败的味道，亚油酸含量降低，结合二烯烃值（K₂₃₂）轻微增加。

　　本研究的目的是利用超声波或聚焦微波能量加速氧化过程，建立两种测定橄榄油氧化稳定性的新方法。

1 实验

1.1 仪器

　　采用300W Microdigest 301 聚焦微波设备(Prolabo, Paris, France)作为微波能量源。利用微波通过Minipuls 2低压蠕动泵(Gilson, Villiers-Le-Bel, France)和PTFE管向样品中注入空气。通过装有柱型钛合金微探头（直径3mm）的450型数字超声仪(20kHz, 400W)(Branson, Danbury,CT)实施超声波辐射。探头浸于装有3g橄榄油样品的Pyrex试管中(Corning,Corning,NY)(长5cm，直径1cm)。HP 1040A二极管阵列分光光度计(Agilent Technologies,Avondale,PA)用来监测样品在270nm处的吸收值。采用精确度可以达到0.1mg的Explore天平(Ohaus, Pine Brook,NJ)。

1.2 样品和试剂

　　利用纯净的橄榄油进行氧化步骤的优化。用来研究氧化稳定性的特级纯橄榄油样品由Estación de Oliviculturay Elaotécnia CIFA，Ventadel Llano（Mengibar，Jaén，Spain）提供。橄榄油储存于4℃条件下备用。

　　已经利用Rancimat 方法计算出氧化稳定性介于19~128 h之间的12个橄榄油样品被用于新方法评价。将所需已处理过的橄榄油样品溶解于分析纯环己烷(Panreac, Barcelona, Spain)中，通过观察其在270nm 处的吸收值来监测氧化过程。

1.3 步骤

　　Rancimat法：为了评价微波和超声波方法的结果，将获得的实验值与传统Rancimat 法的结果进行比较。使用Rancimat 679设备（Metrohm，Herisau，Switzerland）按照如下方法测定样品氧化稳定性。每次分析使用3g橄榄油；所有样品于98℃加热，同时以10~12L/h流速注入空气；持续监测氧化过程。

　　聚焦微波和超声波法：这些方法包括以下3个步骤。(1)氧化反应；(2)反应监测；(3)数据处理。两种方法的反应监测和数据处理步骤相同。

1.3.1 聚焦微波加速反应的方法

　　氧化反应步骤：将3g橄榄油加入10cm长试管中，并置于水浴锅中。对样品实施微波辐射（功率90W）。在前5个辐射循环中，每间隔25min便测一次吸收值的变化。然后每3个循环监测吸收值的变化。为了加速氧化反应，通过蠕动泵以5mL/min的速度向样品中注入空气。对样品进行辐射直到可以确定出诱导期（IP）（见图１）。

 

 

1.3.2 超声波加速反应的方法

　　氧化反应步骤：称量3g橄榄油样品，加入长5cm、直径1cm的Pyrex试管中。样品液面高度为2.5cm。为了避免产生影响超声波能量与样品相互作用的气泡，将超声波探头置于液面下１cm处。超声波参数设置为辐射强度为40％，连续工作循环。先对样品辐射30s。间隔60s后再辐射30s。2min后，在270nm处监测。这样样品在监测时受到了60s的超声辐射。再辐射10min后，每经4次循环在270nm监测一次，直到吸收值发生显著改变，即完成诱导期。
　　氧化反应监测：称量50mg 处理过的样品，于比色皿中加5mL 环己烷进行稀释。在270nm处测定的吸收值用K₂₇₀表示（根据CE NormL24813-1991，即270nm吸收值／橄榄油浓度[g／100mL]）。

　　数据处理：氧化稳定性与氧化诱导期有关，被定义为检测的信号（本方法中的吸收值和Rancimat方法中的电导率）不发生显著变化的时间。在此期间后，上述参数显著增加。本方法中诱导期由K₂₇₀对时间作图进行测定(如图１所示)，将该方法测得的数据与Rancimat方法得到的数据进行比较。

2 结果与讨论

　　利用一个橄榄油样品进行氧化稳定性的优化实验。利用上述Rancimat方法测定的时间为19.04h。

2.1 聚焦微波加速反应实验方法

　　加入试管中的样品不超过微波辐射区。研究的参数包括微波辐射功率、微波辐射时间和循环次数。

　　为了避免使用较高辐射功率时出现的问题（水浴加热速度过快和液体喷溅），首先使用45Ｗ的辐射功率，微波辐射时间选择１h循环。在上述条件下获得的结果显示，辐射20h后诱导期没有显著增加。因此，又选用辐射功率为90W和150W，并通过注入空气来加速氧化反应。对每一个功率，选择5min和30min作为循环时间。结果显示，采用150W功率，经10min循环并没有产生诱导期；而采用90W功率经25min循环时可以提供一个明确的诱导期（采用150W和90W功率，循环时间分别超过10min或25min时，导致水浴产生液体喷溅）。所以，采用90W功率25min辐射／循环，测定氧化稳定性为6.7h。对于其他样品分析采用同样的工作条件。

2.2 超声加速反应实验方法

　　研究的参数包括辐射强度、超声辐射时间和循环次数。

2.2.1 辐射强度研究

　　研究了辐射强度介于10%~60% 时的情况。依照操作手册选择最大强度。每一个强度下的总辐射时间为5min，采用30s辐射和１min间隔时间的循环方式。

　　采用30％辐射强度，研究了向样品中泵入空气对加速氧化反应的影响。结果表明与未泵入空气时没有明显差别。和其他辐射强度相比，40％的辐射强度比其他强度能够提供一个更明确的诱导期，因此被选为最佳强度。采用30％强度时，诱导期过长；而采用50％强度时，诱导期不重现。

2.2.2 超声波辐射时间和循环次数研究

　　样品的辐射循环取决于在270nm处的吸收值。因此，在前10min内每次辐射循环时间设定为30s，间隔60s。每两次循环后检测270nm处的吸收值。由K₂₇₀变化可以界定诱导期。10min后，每4 次循环后检测270nm 处的吸收值，直到以K₂₇₀对循环次数作图的斜率显著增加（见图１）。

　　在最佳辐射强度和循环次数条件下，对以Rancimat方法测定的具有不同氧化稳定性的特级纯橄榄油样品进行了研究。

2.3 采用微波或超声波辐射对不同特级纯橄榄油样品的氧化稳定性研究

　　在最佳条件下，采用上述两种方法分析了纯橄榄油样品。图2为3个样品的实验结果。两种方法在所有样品的应用都表明其与Rancimat方法具有良好的相关性。超声波辅助方法的线性回归相关系数为0.9961，微波辅助方法的线性回归相关系数为0.9963。所得结果与Rancimat方法得到的结果相符合，显示了上述两种方法的可用性。

　　实验结果表明，上述两种方法与Rancimat方法相比，可以显著缩短测定时间。Rancimat法比微波法时间长2.8倍。此外，超声波探头的使用以及对样品直接采用超声波辐射可以使纯榨橄榄油样品在较短时间内发生氧化，氧化时间是Rancimat方法的1/110，是微波方法的1/40。直接用超声波辐射，即将探头直接浸于样品中，可以显著加速纯橄榄油样品氧化，缩短分析时间。

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