第四章脂类

第四章脂类(Lipids)第三节油脂的氧化和抗氧化由于脂肪中脂肪酸残基含有不饱和键，暴露于空气中很容易发生自动氧化。脂肪的自动氧化是油脂和含油食品酸败的主要原因，食品酸败降低了油脂的营养价值和品质，生成的过氧化物和游离基可引起急性、慢性中毒，甚至诱发癌症，所以油脂的氧化和抗氧化是食品化学的研究重点之一。一、油脂自动氧化（一）油脂自动氧化机理油脂自动氧化是典型的游离基反应。此反应分为三个阶段：链的引发期、增殖期和链的终止。1.引发期：少量脂肪被光、热或金属催化剂等活化，使其双键相邻的亚甲基碳原子有一个H原子被解离，形成不稳定的游离基。2.增殖期：当有O2存在时，游离基可与O2结合生成过氧化物游离基;此过氧化物游离基又与一个脂肪分子反应生成氢氧化物ROOH和游离基R。终止期：当游离基与游离基结合，或游离基与游离基失活剂结合，产生稳定的化合物时，反应终止。过氧化物是油脂氧化的第一中间产物，本身并无异味，因此感官上尚无酸败的特征，但已有过高的过氧化值(POV),此时生成的氢过氧化物不稳定，达到一定浓度时就转变成醛、酮等异味物质。（二）氢过氧化物的生成和它的结构自动氧化生成的氢过氧化物的结构与其底物不饱和脂肪酸的结构有关，生成游离基时所裂解的H是与双键相连的－CH2－上的氢，然后O2进攻连接在双键上的α碳原子并生成相应的氢过氧化物：油酸分子中8位、11位碳原子上的H活泼性相同故可以生成两个不同的游离基并有四种氢过氧化物生成。亚油酸由于1l位氢特别活泼所以只有一种游离基生成并生成两种氢过氧化物有三个双键的亚麻酸除了生成与上述相同的氢过氧化物外，还可以生成环过氧化物：（三）氢过氧化物的裂解油脂自动氧化生成的氢过氧化物再分解生成各种物质，其中挥发性物质是油脂酸败后产生的特殊气味的主要成分。氢过氧化物的分解主要有1.烷氧游离基的生成，2.醛、酮、酸、醇的生成，3.丙二醛的生成。1.烷氧游离基的生成2.醛、酮、酸、醇等化合物的生成3.丙二醛(MDA)的生成：油脂氧化后生成的丙二醛对食品风味产生不良的影响，还与食品或生物体内的蛋白质反应生成席夫碱(Schiffbase)，对人体有害。丙二醛可以从不饱和醛的进一步氧化产生：不饱和醛可以进一步氧化成相应的酸，多聚或缩合生成新的化合物，例如己醛三聚生成三戊基三哑烷，具有强烈的气味：（四）影响自动氧化的因素（8个）1.脂肪酸的性质：（1）不饱和脂肪酸的自动氧化速度与其双键数目有关，一般是双键数目越多氧化速度愈快，花生四烯酸、亚麻酸、亚油酸、油酸的相对氧化速率为40：20：10：1；（2）顺式构型的不饱和脂肪酸比反式的活泼，共轭双键比非共轭双键活泼。2.氧分压：随氧分压增大而增加，但氧分压达到一定程度时与氧分压无关。氧分压对氧化速度的影响还受到了温度、表面积的影响。3.温度：氧化速度一般随温度的升高而增大，但温度的增加对氧分压的影响较大，因为高温时氧的溶解性减小。4.表面积：氧化速度与油脂暴露于空气中的表面积成正比。5.水分：(1)在干燥食品中水分含量低(aw0.1)油脂暴露于空气中，氧化速度较快;（2）当aw=0.3时，由于单层吸附水的保护，氧化速度减小；（3）水活度较高(aw=0.55～0.85)，油脂的氧化速度大为增加。6.催化剂：许多多价态过渡金属元素如Fe、Cu、Cr、Ni、Mn等，微量时就可明显地增加油脂自动氧化速度，缩短其诱导期。金属元素对油脂的氧化有几种不同的机制（见后图）。金属元素对油脂的氧化有几种不同的机制①加速氢过氧化物的分解，并生成新的游离基:金属元素对油脂的氧化有几种不同的机制②与未氧化的底物直接反应并生成游离基：③激活氧分子使之成为单重态氧[‘O2]或氢过氧游离基：多数油脂中存在着微量的重金属元素，它们或来源油料作物本身和所种植的土壤，或来自于动物组织，或来自于加工、贮藏所用的金属设备，如肉类中所含的肌红蛋白、血红蛋白中的血红素，以游离或结合形式存在的重金属元素，它们对食品中油脂的氧化起着促进作用。7.辐射能：可见光．紫外线或γ一射线均对油脂的氧化起着明显的促进作用。8.抗氧化剂：一些物质能够延缓油脂的氧化，这些物质称之为抗氧化剂，其详细机理以后再讨论。3.丙二醛(MDA)的生成：油脂氧化后生成的丙二醛对食品风味产生不良的影响，还与食品或生物体内的蛋白质反应生成席夫碱(Schiffbase)，对人体有害。丙二醛可以从不饱和醛的进一步氧化产生：不饱和醛可以进一步氧化成相应的酸，多聚或缩合生成新的化合物，例如己醛三聚生成三戊基三哑烷，具有强烈的气味：二、油脂的光敏氧化和酶促氧化（一）油脂的光敏氧化油脂自动氧化反应的关键步骤是诱导游离基生成，而该诱导反应与光敏氧化中生成的单重态氧1O2有关。油脂中存在的一些光敏剂（如天然色素和少量合成色素等）在光照下通过激发色素分子使得基态氧分子(三重态氧3O2)转化为反应性极强的活性氧分子(单重态氧1O2)：然后活性氧分子进攻不饱和脂肪酸的双键并生成氢过氧化物，且数量为个为双键数图4.5亚油酸光敏氧化的产物（二）油脂的酶促氧化（脂肪氧合酶）1.作用机理：与脂肪氧合酶有关，它广泛分布于植物界。脂肪氧合酶具有高度专一性，可作用于亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等多不饱和脂肪酸的1,4－戊二烯基（-C=C-CH2-C=C-），生成氢过氧化物。2.与自动氧化的区别：*它生成的氢过氧化物有光学活性而不是外消旋体；*脂肪氧合酶的专一性要求1,4－戊二烯是顺、顺结构，且其中心亚甲基－CH2－处于10—8位置,即首先是10－8上的－CH2－脱去一个H生成游离基，游离基再通过异构化使双键位置移动并转变成反式构型、随后生成相应的氢过氧化物ω－6或ω－10：图４.６脂肪氧合酶酶促氧化机理及产物结构3.脂肪氧合酶：脂肪氧合酶分子量约105，pI＝5、4，是含Fe2+的蛋白质，被氢过氧化物激活而使Fe2+转化为Fe3+，在0～20℃活性很高（下图）。不同来源的脂肪氧合酶对同一底物作用，其氢过氧化物不同（见下图）。大豆在加工中产生的豆腥味与脂肪氧合酶的作用有关；在植物中脂肪氧合酶作用脂肪生成已醛、已醇、已烯醛呈青嫩叶臭味。三、油脂的热氧化1.定义：油脂经长时间加热，发生各种反应如生成低级脂肪酸、羟基酸、酯、醛等及二聚体、三聚体，导致油脂颜色加深、折光率和粘度加大，酸价升高，碘值降低并有刺激性气味，这种因高温产生的变化称为热氧化（如下图）。2.热氧化的典型反应1狄尔斯-阿德尔反应：即共轭二烯烃与双键的加成反应，生成产物是环乙烯。a.分子间反应b.分子内反应2油脂游离基二聚合反应：通过游离基之间结合形成非环二聚混合物，例如油酸可产生8、9、10、11位的游离基：聚合形成AA、AB、AC、AD、BB、BC、BD、CC、CD及DD十种二聚体。3游离基与双键加成，产生环状或非环状化合物。总之，对油脂加热的氧化机理并不是十分清楚，但所引起的品质变劣、颜色加深及营养价值降低等的不利影响已引起人们的重视。四、油脂氧化酸败的测定方法由于油脂氧化机理复杂，所以不可能用单一的一种方法，全面准确地测定不同氧化阶段的油脂氧化酸败的程度。每一种方法只能从某一侧面反映出油脂氧化酸败的程度，只有综合多种测定结果才能为其氧化程度的评价提供更可靠的数据。常见的几种测定方法是：1.过氧化值(POV)：油脂自动氧化的初始产物是过氧化物(氢过氧化物)，它可以与KI作用生成I2或与Fe2+作用生成Fe3+，利用此性质测定I2或Fe3+的生成量就可以计算出油脂的POV，一般以1Kg油脂中过氧化物的毫摩尔数来表示。POV只是适用于油脂的氧化初始阶段。2.硫代巴比妥酸(TBA)试验：这是在评价油脂的氧化程度时最常用的方法之一，它是利用2分子的TBA同1分子的丙二醛作用生成有色化合物来测定丙二醛的量。但是并非所有的氧化油脂中均存在丙二醛，烷醛、烯醛与TBA形成黄色化合物(λmax=450nm)，只有二烯醛产生红色化合(λmax=530nm)。TBA法用于衡量同一样品不同氧化时期的氧化程度。3.总挥发性羰基化合物：该法是利用脂肪氧化分解生成的醛、酮与2,4-二硝基苯肼作用生成2,4-二硝基苯腙。由于氧化分解后生成的大分子醛、酮对油脂的风味无影响，所以采用蒸馏方法将挥发性羰基化合物分离再测定。4.活性氧法(AOM)：常用，即将样品保持在97.8‘C再将空气以恒速鼓泡通过样品，然后测定达到某一POV时所需要的时间。5.氧吸收法：常用它评价抗氧化剂的作用效果，它是在密闭体系中氧的分压下降至固定值时所需时间或吸收一定量的氧所需时间，用于表示油脂的稳定性。6.色谱法：高效液相色谱、气相色谱、薄层色谱来分离、鉴定油脂氧化后生成的挥发性化合物、极性化合物或聚合产物，从而对其氧化程度进行评价。7.物理化学方法：用红外光谱、紫外光谱或萤光分析等方法测定其双键的变化或氢过氧化物的生成。8.感官评定：油脂氧化分解产物中有许多挥发性物质，其阈值浓度很低，因此可以由经过系统训练的人进行感官评定。任何物理化学方法在评定油脂的氧化时均要与其感官质量评定结果进行比较。五、油脂的抗氧化和抗氧化剂1.抗氧化方法：物理方法①低温贮存：②隔绝空气或③避光。化学方法：脱氧剂（铁粉、活性炭）、抗氧化剂。2.抗氧化剂作用机理（2种）：（1）抗氧化剂(AH)一般是酚类化合物，它的作用具体表现为抑制反应，与游离基链增值反应相竞争，从而延缓减少R·的生成，延缓链增殖反应进行：ROO·比A·反应活性低，不引起新的链增殖反应，却能参与链终止反应：（2）通过抗氧化剂的还原反应，降低食品内部及其周围的氧含量。如维生素C本身极易被氧化，使食品中的O2与其反应以避免油脂的氧化。3.抗氧化增效剂有些供氢体BH物质本身没有抗氧化作用，但与酚型抗氧化剂如BHA、BHT、PG等并用时，却能增强氧化剂的抗氧化效果，如Vc、柠檬酸等。这些物质称为抗氧化增效剂。常用的抗氧化增效剂：柠檬酸、磷酸、酒石酸、植酸、EDTA等。它提供H使.A复原成AH。抗氧化剂对光敏反应中生成的单重态氧(‘O2)有猝灭剂作用，它与‘O2碰撞后使‘O2失活转化为3O2，从而无法进攻不饱和脂肪酸的双键；单重态氧猝灭剂主要有VE、β－胡萝卜素和一些胺类，它们可有效抑制光敏氧化。由脂肪氧合酶催化引起油脂氧化反应，对脂肪氧合酶进行热灭活是最简单的，但由于脂肪氧合酶对热不敏感，因此对其抑制及抑制机理的研究十分重要。4.抗氧化剂1天然抗氧化剂：2合成抗氧化剂：人工合成的抗氧化剂如图，与天然抗氧化剂相比效率高、性质稳定，但是安全性低。