植物油精炼中缩水甘油酯生成及其吸附消除机制研究

发布时间：2020-07-12 17:23

【摘要】：食用植物油热加工过程中产生的化学危害物对人类健康产生潜在威胁。近年来,随着这些危害物的毒理学数据及其在植物油中的普遍存在逐渐被披露,展开对油脂加工中其生成和消除的系统研究愈加紧迫。缩水甘油脂肪酸酯(Glycidyl fatty acid esters,GEs)是近年来在精炼油脂中发现的一类新型潜在致癌物,其水解物——缩水甘油早已被国际癌症机构列为“2A”级致癌物。目前,欧盟也已对食用植物油和婴幼儿食品中GEs含量立规设限。因此,为有效控制GEs生成,保障食用植物油的安全生产,本课题以消费量较高的植物油为基质,考察植物油制取和精炼过程中GEs生成的关键决定因子,构建模型油和化学模拟体系,利用现代仪器分析技术和反应动力学模型拟合阐明GEs生成的反应机制,并建立植物油中高效消除GEs的方法。主要研究结果如下:(1)制油方式和精炼过程单元对GEs生成的影响考察不同制油方式(热榨、冷榨和浸出)得到的植物油在不同精炼单元(脱胶、脱酸、脱色和脱臭)GEs含量的变化规律。结果表明,不同制油方式和精炼单元的植物油中GEs含量均有显著差异。对于不同制油方式得到的同种植物油,GEs含量大小依次为:热榨油冷榨油溶剂浸出油,其中溶剂浸出油中均未检出GEs。对于同一制油方式得到的不同植物油在相同的精炼阶段,GEs含量大小依次为:棕榈油山茶油大豆油。对于同一制油方式得到的同种植物油在不同的精炼阶段,GEs含量大小依次为:脱臭油脱色油脱酸油脱胶油毛油,其中脱臭前的精炼各阶段GEs含量变化较小,而精炼脱臭阶段是植物油中GEs生成的主要环节。脱臭温度和时间均是GEs生成的重要影响因素。当脱臭温度大于200℃时,GEs含量呈现先增加后减少的趋势,峰值时间点在1-2 h,说明此时GEs在高温下的生成和降解是同时发生的。(2)GEs生成的前体物质和自由基介导机制利用微量组分分离-逐一排除法,结合核磁共振氢谱(~1H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术,确定植物油中GEs生成的前体物质为甘油一酯(MAG)和甘油二酯(DAG),且MAG的生成能力大于DAG,但MAG在植物油中含量较低,故其在植物油中对GEs生成的贡献大小为:DAGMAG。DAG和MAG生成GEs的中间体含有环酰氧摀结构,而甘油三酯(TAG)不能直接生成GEs。构建添加等量1,2-二棕榈酸甘油酯(DPG)纯品的模型油和十六烷化学模拟体系,排除前体物质含量差异对不同模型油中GEs生成的影响,通过监测加热过程中GEs含量的变化发现,模型油中GEs生成水平与油脂类型有关。通过分析加热过程中各极性组分含量,确定不同模型油在高温过程中的GEs生成量的差异与实时产生的极性组分无关。硫酸铁、特丁基对苯二酚(TBHQ)和氧环境均对模型油中GEs生成有显著影响,其中硫酸铁和氧环境起促进作用,而TBHQ起抑制作用,说明模型油中GEs生成与油脂氧化有关。在化学模拟体系中,通过分析硫酸铁-、TBHQ-和V_E-DPG体系中GEs生成量差异,确定了硫酸铁、TBHQ和V_E均可直接影响GEs的生成,且TBHQ的抑制率明显高于V_E。FTIR结果进一步证实,硫酸铁有利于GEs生成路径中环酰氧摀中间体(Cyclic acyloxonium intermediate,CAI)的生成,而V_E对其生成起抑制作用。利用三重四级杆飞行时间串联质谱技术(Quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry,Q-TOF MS/MS),以5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(5,5-Dimethyl-1-pyrroline N-oxide,DMPO)为自由基捕获剂,对GEs生成中间体的存在形式进行间接表征,揭示了高温下GEs生成的CAI以自由基形式存在,并提出DAG生成GEs的自由基介导机制:首先甘油碳骨架sn-2位上解离掉的脂肪酸自由基(R·)或sn-3位上解离掉的羟基自由基与热氧化产生的自由基如过氧化自由基(ROO·)结合,也可能由高温下共价键的直接断裂引发,然后sn-1位上的酯羰基可能立即与sn-2位碳中心自由基结合生成CAI′自由基;另外,sn-2位上的酯羰基也可能与sn-3位碳中心自由基结合生成CAI″自由基。最后,不稳定的CAI(CAI′或CAI″)自由基迅速进行分子内重排生成GEs。油脂自动氧化产生的自由基能够传递到GEs生成路径,促进CAI自由基的生成,同时能吸收分子内重排阶段离去的自由基,从而实现对GEs生成的影响。因此,获得助氧化剂和抗氧化剂对GEs生成的双重影响机制:一是通过间接调控油脂自由基氧化,二是通过直接促进或者抑制环酰氧摀自由基中间体的生成。(3)GEs生成的反应动力学方程通过对GEs反应生成条件进行理想假设,建立化学反应速率方程并基于边界条件求解。大豆油、山茶油和棕榈油在200-240℃加热2 h内GEs生成量均符合准一级动力学模型。不同温度下得到k_1和k_2值符合Arrhenius方程,计算得到GEs生成的表观活化能E_a值大小依次为山茶油(35.64 kJ/mol)棕榈油(34.58 kJ/mol)大豆油(29.58kJ/mol),而不同植物油中GEs分解的E_a值差异不大(12.87-14.13 kJ/mol),可能说明GEs的分解与植物油种类无关。硫酸铁和TBHQ对模型棕榈油在200℃加热过程中GEs含量的准一级动力学生成速率常数均有明显影响,但对分解速率常数无影响,说明助氧化剂和抗氧化剂能影响GEs生成但不影响其分解。在十六烷化学模拟体系中,1-棕榈酸甘油酯(MPG)生成GEs的反应速率高于DPG。(4)GEs的吸附消除机制将酸洗棕榈木基活性炭(awOPAC)用于棕榈油中GEs的吸附消除,吸附后GEs含量为0.17 mg/kg,消除率为95.49%,显著高于其它实验所用的吸附剂(P0.05)。在棕榈酸缩水甘油酯(PGE)-十六烷化学模拟体系中,awOPAC对PGE的吸附热力学研究表明,awOPAC对PGE的吸附为放热过程。等温吸附过程较好地符合Langmuir等温线吸附模型,最大单位吸附量为36.23 mg/g。吸附动力学符合准二级动力学模型。综上,PGE-awOPAC吸附过程由膜扩散和颗粒内部扩散控制,属单分子层物理吸附过程。GEs的解吸附实验发现,解吸物中含有甘油和MAG,表明awOPAC对GEs的高效吸附不仅由于awOPAC对GEs的直接吸附而且由于被吸附的GEs在酸性活性位点上的分解。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS225.1
【图文】：

代谢途径,缩水甘油,小鼠

水甘油能使骨髓产生微核[37]。Putman 等[39]将缩水甘油重复，发现小鼠肺部和胸部的突变率增加，而单次喂养的小鼠中理学项目（NationalToxicologyProgram,NTP）进行小鼠喂养结果表明，缩水甘油能够引起小鼠多处组织产生肿瘤[37]。因机构评估为基因致癌物，其中 IARC 将其认定为 2A 级致癌所（MAK）化学品的健康危害时将其定义为 2 类致癌物。[40]对雄性 Fischer-344 小鼠喂食和静脉注射一定量的14C 标记学。连续喂养72h后发现，在小鼠尿、排泄物分别检测到约14C 标记物质，同时，也有一部分（26% - 32%）转化为了 C水甘油保留在小鼠体内的组织中，其中含量较高的是在血液脾脏中，含量较低的是在脂肪、骨骼肌和血浆中。缩水甘油和保留主要原因在于缩水甘油的环氧基结构能够与组织中的

反应原理,间接法

华南理工大学博士学位论文法能同时检测植物油中的 MCPDE 和 GEs，其检测限分别为 0.04 和 0.06mg/kg AOAC 收录，其反应原理图如图 1-3 所示。然而，缩水甘油具有不稳定性及PD 在酯交换过程可能转化为缩水甘油，会导致该方法的不准确性。Koyama 述方法的基础上进行了改进，利用脂肪酶水解为 MCPDE 和 GEs，对所建立的方法在 13 个实验室进行可行性评估，结果显示 3-MPCDE、2-MPCDE 和 GEs 榄油中的加标重现性分别为 4.4%、11.2%和 6.6%。Miyazaki 等将修正的脂肪用到富含多不饱和脂肪酸的油脂如鱼油中，从而建立了同时检测鱼油中 3-MCGEs 含量的方法，并与标准方法 AOCS Cd 29a 进行对比[51]。

间接法,溴化,反应原理,直接法

图 1-3 溴化后衍生 GC-MS 间接法测定 GEs 的反应原理图[52]gure 1-3 Reaction scheme of the indirect determination of GEs via bromination of GEs followed by Pderivation by GC-MS. R, R1, and R2, fatty acyl groups3.1.2 直接法检测 GEs 含量鉴于间接法检测植物油中 GEs 的不准确性，探索不进行衍生化处理的直接检测近年来的研究热点。直接法不破坏 GEs 结构，能对每一种 GEs 分别进行检测。目

【参考文献】