基于fir技术的食用油过氧化值建模与验证分析

基于fir技术的食用油过氧化值建模与验证分析

当食用油氧化时，氢氧化钾的含量逐渐增加。含量越高，食用油的氧化程度就越深。氢过氧基中的过氧原子十分活泼,易攻击食用油中的双键,裂解成小分子物质,如醇、醛、酸和酮等,它们具有强烈的刺激气味(哈喇味),影响油脂的风味,不宜食用;氢过氧化物继续氧化生成的二级产物在人体及动物内很难代谢,对肝脏造成损害。因此,监测油脂氧化程度显得十分重要。食用油中氢过氧化物用过氧化值(PV)表示。在国际专业协会标准和我国国家标准中,过氧化值的测定方法为碘量法。虽然该方法具有一定的灵敏度,但其操作过程繁琐,化学试剂用量大,易造成环境污染等问题。许多研究者采用FTIR光谱法测定油脂指标,旨在取代传统的化学方法,从而实现快速、自动化检测。VandeVoort等人采用FTIR光谱法,基于食用油中氢过氧化物的O-H基团在3444cm-1处的伸缩振动特征吸收,建立测定模型,实现了油脂过氧化值的定量检测,但由于基质效应的影响,该模型无法通用于不同油脂,限制了其应用。为了解决这一问题,Ma等人利用三苯磷(TPP)与氢过氧化物反应生成三苯氧磷(TPPO),当TPP过量时,根据TPPO在542cm-1处的特征吸收建立模型,实现了过氧化值的测定,解决了基质效应。传统FTIR光谱分析所用流通池在分析高黏度液体样品时,遇到的最大问题是样品难以装进狭窄的流通池中,以及流通池的清洗问题,无法实现样品的快速检测。FTIR光谱重组(SR)技术可解决样品预处理的系列问题,在润滑油及食用油检测中得到成功的应用,取得良好效果。本文采用FTIR光谱重组技术,基于TPP定量反应生成TPPO的原理检测食用油的过氧化值,以期为该指标的自动化快速检测提供参考。1材料和方法1.1过氧化值的验证食用油样品,市购,其中菜籽油用于制备模型标样。其它食用油,用已氧化的花生油(过氧化值约60mmol/kg)按照比例混合配制不同过氧化值的验证样品。不含过氧化物的油样,通过活化硅胶柱除去活性氧等物质获得,并通过碘量法(GBT5538-2005)测定确认。甲基环戊二烯三羰基锰(MMT>99%)、三苯磷(TPP>99%)、三苯基氧磷(TPPO>99%)均为分析纯级试剂,购于美国Sigma公司;TPP和TPPO研磨,过筛(60目)备用;无色矿物精油(OMS),加拿大Thermal-Lube公司提供。1.2碘量法与pp的合成及其检测pv过氧化值为1kg油脂中含有活性氧的毫摩尔数,单位为mmol/kg。碘化钾与冰醋酸反应生物氢碘酸,氢碘酸被油脂中的氢过氧化物氧化成碘分子(I2),利用硫代硫酸钠标准溶液与碘分子的氧化-还原反应,从而达到定量测定油脂中的氢过氧化物的目的,其反应式:2个氢离子的消耗伴随着1分子ROOH转变成ROH以及2个碘离子转化成I2,同时伴随的1个H2O分子生成。用相同的化学计量学测定碘分子的形成。在碘量法中,1mol氢过氧化物(ROOH)需要2mol氢离子或者2mol碘离子才能使1molROOH转化成ROH。TPP与油脂的氢过氧化物的化学反应式如下:1molTPP(TPP相对分子质量为262.28)能使1molROOH转化成ROH。TPPO相对分子质量为278.29。碘量反应需要1mmolTPP(或0.2623gTPP)同时产生1mmolTPPO(或0.2783gTPPO)。根据油脂中TPPO的浓度计算相应的PV,配制成各种不同标样。稀释剂中TPP的加量是根据1mmol/kg过氧化值相当于每公斤油脂中含有0.2623gTPP。在分析过程中,如稀释剂与油脂质量比2∶1的体系中,只要配制稀释剂折算成TPP的PV为5mmol/kg,就可以测定PV为10mmol/kg的样品。配制过程中,无需精确称取TPP的量。1.3稀释剂的制备配制质量分数为0.05%MMT和0.15%TPP的OMS稀释剂,存放于棕色瓶中,避光保存,备用。1.4gtpo样品的制备TPPO和菜籽油标样制备:TPPO质量分数是根据油脂过氧化值为12mmol/kg的过氢氧化物与TPP反应生成TPPO的量来确定。称取0.35gTPPO溶于100g菜籽油(PV为未检出,以0mmol/kg计,下同)中,用微波炉加热30s,使TPPO充分溶解在菜籽油中。采用称重法,用菜籽油稀释(按质量比)TPPO标样,配制系列标准样品。2个验证样品集是用各种油脂及过氧化值为60mmol/kg的花生油配制而成。其过氧化值范围分别是1.5~10mmol/kg和0~1.5mmol/kg。随机抽取不同种食用油,分别按一定比例加入花生油样品,进行模型基质效应的验证分析。1.5系统软件和多功能红外分析软件平台FTIR光谱仪,加拿大Bomem公司;自动分析仪,附带连续分析与处理软件系统(简称COAT)和多功能红外分析软件平台(简称UMPIRE),加拿大Thermal-Lube公司提供。装备540μmKCl液池。光谱条件:分辨率4cm-1,扫描次数16次,以空气光谱为背景光谱。1.6自动样品进样器前,确定背景光谱室温条件下,在40mL自动进样瓶中加入约10mL油样,用移液器加入25mL稀释剂。对装有油样和稀释剂的混合样品编号,依次放入自动样品架中。启动自动进样器前,采集背景光谱。自动进样器通过微型泵把样品吸进液池,FTIR光谱仪采集样品光谱,每个样品均做2个平行实验。1.7稀释剂的标准曲线法用溶有MMT和TPP的OMS稀释油样,根据标记物在稀释剂和油样混合物特征吸收峰1942cm-1(相对基线位于1960~1921cm-1,表示为1942cm-1/1960~1921cm-1)峰面积与稀释剂中相应标记物特征吸收峰峰面积比值r(稀释剂在混合样品中的体积分数),计算油脂稀释倍数。通过油样的稀释倍数来重组油脂光谱。光谱重组通过2个步骤完成。1)稀释剂光谱乘以r得到稀释剂乘谱,油样和稀释剂混合物光谱减去稀释剂乘谱,以除去混合物光谱中稀释剂部分。2)得到差减光谱乘以系数(1-r)-1(即稀释倍数),就可以得到纯油光谱,称之为重组(SR)光谱。以上光谱运算和重组过程是通过UMPIRE软件自动进行。1.8过氧化值的测定验证样品的PV是通过模型预测获得。化学分析采用碘量法(GB/T5538-2005)。2结果与分析2.1tppo吸收光谱和测点最大吸收峰的确定为了确定光谱测定过氧化值的可行性,扫描含有TPP、TPPO、MMT的OMS溶液,收集光谱,进行比较分析。图1是OMS溶有TPP、TPPO的FTIR光谱。用该光谱减去OMS光谱,确定其它吸收峰对TPPO光谱特征吸收峰的影响。由图1可以看出,MMT有2个C=O振动吸收,分别在2025cm-1和1942cm-1处,后者特征吸收峰可作为光谱标记吸收峰。TPPO在542cm-1处有吸收峰,为苯基振动吸收峰。相应的TPP在740cm-1和630cm-1处有宽峰吸收峰,对TPPO在542cm-1处的吸收峰未造成干扰,可不考虑其影响。2.2tppo的吸收强度为了评价以OMS为介质,TPP与氢过氧化物反应生成TPPO的速度及反应完全程度,用花生油与菜籽油配制不同梯度过氧化值的油脂,再用稀释剂(OMS+MMT+TPP)稀释,剧烈振荡1min后采集光谱。所得光谱通过SR技术处理,比较TPPO在542cm-1处吸收情况(相对基线位于530cm-1,下同),其结果见图2。由图2可以看出,随着油脂过氧化值增加(即花生油加量的增加),光谱中542cm-1吸收强度随之增大。用碘量法测定处理过的混合样品,结果未检测出过氧化值,表明TPP与油脂中过氧化物反应生成TPPO速度快,反应完全。2.3吸收强度与pvtpp关系过氧化值模型是菜籽油中溶有不同数量的TPPO配制而成的标样,其过氧化值的范围0~12mmol/kg。在标样中加入稀释剂(OMS+MMT+TPP),震荡,采集光谱,用SR技术处理,在542cm-1处得到的TPPO吸收峰TPPO,建立吸收强度与PV(TPPO折算)的关系,见图3。由图3可知,用540μm液池分析时所得标准曲线相关性好,模型方程为y=0.671+17.352X(R=0.9999,SD=0.067)。模型方程表明,在PV0~12mmol/kg范围,理论精度可达±0.067mmol/kg。2.4碘量法测定pv结果配制2个系列油样来验证PV模型。一个系列油脂样品集的过氧化值介于1.5~10mmol/kg之间;另一个系列验证样品集的过氧化值介于0~1.5mmol/kg之间。两个系列的样品用模型预测,并用碘量法平行测定其过氧化值,结果见图4。由图5可知,SR-FTIR测定PV结果与碘量法测定结果高度线性相关,2个方法测定数值接近1∶1。这两种方法的标准误差为±0.19mmol/kg。从碘量法预测方程的SD可知,此误差大多源于碘量法。为验证方法的精确性,第2个验证样品集的过氧化值控制在0~1.5mmol/kg范围进行评价。比较用SR技术和碘量法测定结果,见图6。由图6可知,当样品的PV>0.5mmol/kg时,两种方法测定结果相近。当样品的过氧化值小于0.5mmol/kg时,用碘量法无法准确测定,说明SR-FTIR光谱法的精度高于碘量法。SR-FTIR的检出限约为0.25mmol/kg,所得方程的SD值为±0.0175mmol/kg,重复性好于碘量法。2.5不同油脂对sr-ftir和碘量法测定pv过程的影响模型方程表明,TPPO浓度(以PV来表示)与542cm-1处吸收强度的回归方程截距不为零,这可能是由于油脂类型的不同所引起的潜在吸收峰吸收所致。产生非零截距可能是由于SR-FTIR测定PV过程受到基底效应(不同油脂在542cm-1处潜在吸收峰不同)影响。为了研究和确定这一可能性,选定5种不同的油脂加入花生油分别用SR-FTIR和碘量法来测定过氧化值,其结果见图7。由图7可以看出,两种方法测定结果非常接近,表明有不同油脂对SR-FTIR测定结果影响不显著,模型不受油脂基质效应的影响。回归方程SR-FTIR的SD值(±0.11mmol/kg)比碘量法低(±0.16mmol/kg),说明SR-FTIR的重复性和准确性比碘量法好,可以替代碘量法测定油脂PV,从而避免使用大量的有毒有机溶剂,实现自动化检测。3ir检测油样光谱SR技术用于PV自动化分析,样品制备十分简便,且有相当的准确性[6~8]。由于降低了油样的黏度,具有较快的分析速度。SR-FTIR适于大型油脂企业和商业化实验室应用。SR技术,由于TPP溶于OMS中,稀释倍数可通过光谱标记物的特征吸收峰来测定,无需准确称取油样及精确量取溶液的体积。可从油样与稀释剂混合物中精确重组油样光谱。然而需要注意的是TPP在放置过程中会缓慢转变为TPPO。在SR技术处理过程中需扣除其影响,使所含TPP足够测定待测样品的过氧化值即可,而释剂中TPP的变化对分析结果不会产生任何影响。4验证方法的确定OMS介质中,氢过氧化物与三苯磷快速反应生成三苯基氧磷。SR-FTIRPV方法中,将TPP直接加入含有标记物MMT的OMS中,用该稀释剂稀释