脂类的化学性质及其在冷冻贮存中的变化

油脂是甘油三酯的混合物，具有酯的化学性质，可进行水解、酯交换、氧化等多种反应。水解产生的脂肪酸则可以发生成盐、酯化和还原反应等。如果甘油三酯或脂肪酸碳链上具有双键，它们还可以发生加成、异构化、聚合等反应。由于甘油三酯和脂肪酸官能团的差异，其可以发生的化学反应也不尽相同。然而，目前主要发现的油脂的化学反应往往对其风味、外观、营养价值以及安全产生重要影响，例如水解可产生不期望的蛤败味、氧化导致的过氧化值的大幅升高等，都会造成脂肪品质的劣变，甚至不可食用。

与其他食品组分相似，脂类的化学变化既受到诸如脂肪酸组成、脂肪存在状态等内在因素的影响，也受到共存组分如水、酶、酸、碱、有机物等的影响，还受到光、热、辐照等外界因素的影响，各种因素交互影响，使得脂肪的化学变化复杂化。

脂类水解也称脂解，它是指脂肪在酶、热等作用下，在水分参与的条件下发生酯键水解，生成游离脂肪酸的反应。

在含油脂的食品材料中，脂类往往会发生酶促水解。例如动物屠宰后，其组织中的脂肪可通过酶的作用水解生成游离脂肪酸。因此快速提炼显得特别重要，提炼过程中使用的热处理通常能使水解酯键的酶钝化。鱼类肌肉组织中一般含有一定的磷脂酶A和脂酶，在冷冻贮存期间，很多鱼类肌肉中的磷脂会在酶的作用下发生大量水解，往往引起变质。与动物脂肪不同，在收获时成熟的植物油料种子中的油脂可能已发生相当程度的水解。这往往是因为在加工储藏过程中，细胞结构受到破坏，脂肪酶被激活（如接触底物）而导致。橄榄油的生产是个很好的实例，一次压榨过程中游离脂肪酸浓度较低，二次压榨和浸提过程中细胞基质受到进一步破坏，使得甘油三酯被脂肪酶水解，因此游离脂肪酸含量较高。通常植物油在提取后需要碱炼以达到中和游离脂肪酸的目的。

食品中的游离脂肪酸可带来一系列的问题，如产生异味、降低氧化稳定性、生成泡沫、降低烟点等（油脂开始产生烟的温度）。脂类水解产生的短链脂肪酸能导致鲜乳产生不希望的酸败味。但另一方面，通过特地添加微生物和乳脂酶可产生某种典型的干酪风味。采用控制和选择性的脂解可以制造酸奶和面包等产品。在食品油炸过程中，由于从食品中引入大量的水，而且保持相当高的温度，使得脂解成为一个主要反应。随着游离脂肪酸含量提高，烟点和氧化稳定性下降，起泡的趋势增加。油炸过程中产生大量游离脂肪酸通常会导致油的发烟点和表面张力下降。酶催化脂肪水解已被广泛用来作为脂类研究中的一个分析工具，科研工作者常常使用胰脂酶与不同磷脂酶测定甘油酯分子中脂肪酸的分布，这些酶和许多其他特异性的酶可应用于化学合成某些脂类中间物和制备用于特殊营养品、药品及化妆品的结构脂肪（Structured lipids）。

油脂氧化是描述油脂和氧气之间一系列复杂化学变化的术语。含有大量多不饱和脂肪酸的食用油氧化是食品工业最关心的问题，因为它直接同营养、风味、安全、贮存及经济有关。脂类氧化反应过程中，甘油三酯和磷脂会降解成挥发性小分子，一般情况下产生不期望的挥发性化合物，使食品具有不良的风味。但对某些诸如油炸食品、干谷物和奶酪等食品而言，少量的脂肪氧化产物是它们特征风味的重要成分。

（一）参与脂类氧化的氧

在影响油脂氧化的诸多因素中，氧是必要的条件，其存在状态对油脂氧化具有极大影响。氧元素原子序数为8，其电子结构为1s²2s²2p⁴。一个氧分子含有两个氧原子、10个分子轨道（5个成键轨道和5个反键轨道）和12个价电子（图4-10）。根据光谱线命名规则：没有未成对电子的分子称为单重态，有一个未成对电子的分子称为双重态，而有两个未成对电子的分子称为三重态。一般有机分子的基态为单重态，而激发态为三重态。氧分子则有别于一般的有机分子，其基态氧分子为三重态，激发态氧分子为单重态，游离基氧则为双重态。基态氧分子和激发态氧分子的分子轨道和能量水平见图4-10。

在基态氧分子中，成键轨道比反键轨道多出4个电子，相当于一个双键，因此它的键长和键能与一个典型的双键相当。由于分子轨道中有两个自旋平行的电子，所以氧分子具有顺磁性。单重态氧不具有顺磁性，而具有抗磁性。三重态氧在一定条件下可转化成游离基氧，而单重态氧没有这种特性。所以基态氧分子可以参与游离基反应，而激发态氧分子不能进行游离基反应。氧分子的存在状态不同，决定了它们参与油脂氧化时的作用机理也不相同。

图4-10 基态（三重态，左）和激发态（单重态，右）氧分子的分子轨道

（二）脂类氧化机理

根据目前对油脂接触氧气发生氧化的了解，主要将其分为三类，即自动氧化、光敏氧化和酶促氧化。这三种氧化首先均形成氢过氧化物，氢过氧化物继续氧化生成二级氧化产物，再进一步聚合形成聚合物，经脱水形成酮基酸酯，然后分解产生醛、酮、酸等一系列小分子等。

1.自动氧化

自动氧化是油脂氧化最常见的途径，遵循如下自由基链式反应机理：

链的引发：RH+X·→R·+XH

链的传播：R·+O₂→ROO·

ROO·+RH→ROOH+R·

链的终止：ROO·+ROO·→ROOR+O₂

ROO·+R·→ROOR

R·+R·→R-R

其中RH表示参加反应的脂肪酸，X·为引发剂（常为自由基），H是与双键相邻的α-亚甲基氢原子，较为活泼，因而易被除去。

链的引发过程中，脂肪酸去氢形成烷基自由基（R·）。一旦烷基自由基形成，自由基通过双键电子离域导致的双键迁移来保持稳定。对于多不饱和脂肪酸，它可通过形成共轭双键以达到稳定。双键迁移既可能生成顺式结构，也可能生成反式结构，后者因具有较高的稳定性而占主导地位。

图4-11表明在亚油酸氧化的引发阶段，亚甲基断裂去氢，双键重排生成两种异构体。对于油酸，去氢和异构化后可生成四种不同的烷基自由基（图4-12）。通常脂肪酸被引发产生自由基的可能随不饱和程度的增加而增加。脂肪链中碳氢共价键的键能为98kcal/mol，如果碳原子和富电子的双键相邻，碳氢键的键能可降低至89kcal/mol。

图4-11 亚油酸氧化的引发阶段

图4-12 油酸氧化的引发阶段

多不饱和脂肪酸中，双键排布往往呈现为亚甲基断裂碳连接的戊二烯构型（图4-13），其中亚甲基碳的碳氢键能甚至会被两边的双键减弱至80kcal/mol。断裂碳氢键所需能量的降低，使得去氢反应变得容易，油脂易于氧化。据估计，亚油酸（18∶2）较油酸（18∶1）的易氧化程度大10～40倍。在多不饱和脂肪酸增加一个双键的同时，它也会增加一个去氢的亚甲基碳。例如，亚油酸（18∶2）有一个亚甲基断裂碳，而亚麻酸（18∶3）有两个，花生四烯酸（20∶4）有三个（图4-13）。多数情况下，随着亚甲基碳数的增加，脂肪酸氧化速率成倍增加。因此，亚麻酸的氧化速率是亚油酸的两倍，花生四烯酸则是亚麻酸的两倍（亚油酸的四倍）。常温下，油酸酯、亚油酸酯和亚麻酸酯的自动氧化速度之比为1∶12∶25，但不饱和双键的增加会大幅减少氧化的诱导期。

图4-13 亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸中的戊二烯结构

在链的传递过程中，烷基自由基会首先与空气氧或三重态氧反应生成过氧化自由基ROO·。三重态氧上的自由基能量较低，不能直接引发去氢反应，但它可以在受限扩散的速率下与烷基自由基反应。烷基自由基和三重态氧上的一个自由基反应形成一个共价键，而氧的另一个自由基仍处于游离状态，该反应生成的自由基就是过氧化自由基（ROO·）。过氧化自由基能量较高，可以促进其他分子的去氢反应。不饱和脂肪酸的碳氢键较弱，容易受到过氧化自由基的攻击。氢加到过氧化自由基上可生成一个脂肪酸的氢过氧化物（ROOH）和另一个脂肪酸的烷基自由基，于是反应从一个脂肪酸传递到另一个脂肪酸。图4-14用两个亚油酸分子展示了这一过程。脂质氢过氧化物的位点和烷基自由基的位点一致，因此油酸酯和亚油酸酯可分别形成四种氢过氧化物和两种氢过氧化物。

图4-14 亚油酸氧化的链传递过程

自由基链式反应的终止止于两个自由基结合形成非自由基物质。在有氧存在时，由于氧分子可在受限扩散的速率下结合到烷基自由基上，过氧化自由基会在体系中占据主导地位。因此，在空气环境下，链反应的终止往往发生在过氧化自由基和烷氧基自由基之间。氧气浓度较低的环境下（如煎炸油），链反应的终止发生在烷基自由基之间，并形成脂肪酸二聚物（图4-15）。因此脂肪酸聚合物可作为煎炸油质量的指标。

图4-15 低氧浓度下脂质氧化的终止阶段

2.光敏氧化

光敏氧化是脂肪氧化的另一途径。它是指单重态氧直接进攻脂肪酸的不饱和双键，双键发生位移后形成氢过氧化物的一步协同反应。其反应过程为：

光敏剂+光照→¹光敏剂^*→³光敏剂^*

³光敏剂^*+³O₂→¹光敏剂+¹O₂^*

+-CH₂-CH=CH-CH₂-→-CH=CH-CH(OOH)-CH₂-或-CH₂CH(OOH)CH=CH-

其中：光敏剂指单重态光敏剂分子（诸如叶绿素或肌红蛋白等天然色素，或者诸如赤藓红等某些合成色素）；¹光敏剂^*指激发单重态光敏剂分子；³光敏剂^*指激发三重态光敏剂分子；³O₂指三重态氧分子；指激发单重态氧分子。

光敏氧化中单重态氧是重要的引发物，研究发现β-胡萝卜素是最有效的单重态氧淬灭剂，抗氧化剂BHA和BHT也是有效的单重态氧淬灭剂。

脂肪光敏氧化与自动氧化的反应机制不同，它是通过“烯”反应进行氧化，因此，光敏氧化反应一般具有如下的特点：不产生自由基；双键的顺式构型改变成反式构型；与氧浓度无关；不存在诱导期；光敏氧化反应仅受到单重态氧淬灭剂的抑制，但不受一般自由基淬灭剂的影响。

以亚油酸酯为例，其光敏氧化反应如图4-16所示。

图4-16 亚油酸酯光敏氧化的不同位点及相应产物

在光敏氧化中，脂肪酸中每个不饱和双键两端的碳均可形成氢过氧化物，因此亚油酸酯经光敏氧化可得到9-氢过氧化物、10-氢过氧化物、12-氢过氧化物以及13-氢过氧化物（图4-16）。然而不同位点得到的氧化产物比例并不相同，表明这些位点受单重态氧进攻的概率并不一致（表4-7）。

表4-7 油酸酯、亚油酸酯及亚麻酸酯光敏氧化产物的比例单位：%

光敏氧化速度很快，一旦发生，其反应速度千倍于自动氧化，因此光敏氧化对油脂劣变同样产生很大的影响。对于含有不同双键数目的脂肪酸，其光敏氧化速度的差异并不大，如油酸酯、亚油酸酯和亚麻酸酯的氧化速度之比一般为1∶1.7∶2.3。光敏氧化所产生的氢过氧化物在金属离子的存在下会分解产生烷基自由基和过氧化自由基，促进油脂的自动氧化。

3.酶促氧化

酶促氧化是脂质在脂肪氧化酶（LOX）参与的情况下发生的氧化反应。在与脂质氧化相关的反应中，LOX既可以催化脂质的双加氧反应，也可以催化氢过氧化脂质的次级转化。在催化脂质的双加氧反应时，LOX仅催化具有顺,顺-1, 4-戊二烯结构的多不饱和脂肪酸进行双加氧反应。与自动氧化和光敏氧化不同的是，酶促氧化的形成产物通常是特异的高光学纯度异构体，而非酶催化的油脂氧化反应的过氧化产物则是由不同位置和光学异构体组成的混合物。植物LOX主要分为2类：催化亚油酸C9位点和C13位点氧化的9-LOX和13-LOX，它们氧化亚油酸分别产生9-氢过氧化物-或13-过氧化氢衍生物。大多数LOX只能催化亚油酸C9或C13一个位点的氧化，如从大豆中提取的LOX I氧化亚油酸会生成13S-OOH^Δ9c,11t；但某些LOX具有双重位置特异性，如马铃薯中提取的LOX I，它们既能催化亚油酸的C9位点氧化，也能催化C13位点氧化。

（三）脂类氧化产物

尽管油脂的氧化机理不尽相同，但其氧化产物则有很大的相似性。通常，氢过氧化物是各类氧化的重要阶段产物。图4-17所示为伴随自动氧化进程下，不同产物类别的大致变化情况。由图可见，氢过氧化物前期的形成速度超过其分解速度，在后期正好相反。

图4-17 脂质自动氧化各阶段的产物类别

氢过氧化物是脂类氧化的主要初期产物，但性质很不稳定。氢过氧化物的降解导致脂肪酸链断裂的一个原因是，脂质氢过氧化物的降解产生了烷氧基自由基（RO·）。一旦氢过氧化物降解成烷氧基自由基，可能会发生一系列不同的反应，这些反应途径下得到的产物取决于脂肪酸的种类和脂肪酸上氢过氧化物的位置。另外，降解产物可能具有不饱和性且含有戊二烯结构，即氧化产物可能会进一步被氧化，进而导致不同脂肪酸降解产物高达数百种。由于脂肪酸降解产物的种类取决于食品中脂肪酸的组成，脂肪的氧化可能会对感官性质造成不同的影响。例如：植物油主要含ω-6脂肪酸，在氧化时主要产生青草味和豆腥味，而水产动物油主要是ω-3脂肪酸，氧化时产生鱼腥味。

氢过氧化物分解的第一步是其氧-氧键断裂，产生烷氧基自由基与羟基自由基。烷氧基自由基的活性强于烷基自由基和过氧化自由基。因此当烷基自由基产生时，它拥有足够的能量夺取与其邻近的共价键中的电子，从而导致脂肪链的断裂。氢过氧化物分解的第二步是烷氧基两侧的碳-碳键断裂生成了醛。图4-18所示为氢过氧化物位于C9位和β-断裂反应作用在分子的甲基末端时亚油酸降解的过程。该反应生成了9-氧-壬酸和一个有着9个碳原子的烯自由基，烯自由基通常和羟基发生作用形成醛，因此生成3-壬烯醛。类似地，如果氢过氧化物在C13位上，也会发生相近的反应，当β-断裂反应发生在羧基末端，将会生成12-氧-9-十二碳烯酸酯和己醛，当β-断裂反应发生在甲基末端，则生成13-氧-9,11-十三碳二烯酯和戊烷。9-亚油酸氢过氧化物同样也能在羧基末端进行β-断裂反应，生成烷氧基自由基后进一步形成2,4-癸二烯醛和辛酸。

图4-18 脂肪酸裂解发生在9-亚油酸氢过氧化物甲基末端时生成的降解产物

脂肪酸氧化降解产生醛具有重要的意义，因为这对异味的形成有很大的影响。然而，这些醛能和食品成分中的亲核物质反应，尤其与蛋白质中的巯基和氨基相互作用进而改变蛋白质的性能。例如不饱和醛可以与肌红蛋白中组氨酸发生Michael加成反应。这一反应通常被认为是肌红蛋白转成高铁肌红蛋白导致肉变色的原因。此外，饱和醛易氧化成相应的酸，并能参加二聚化和缩合反应。例如三分子己醛结合生成三戊基三烷。三戊基三烷是亚油酸的次级氧化产物，具有强烈的臭味。

胆固醇作为衍生脂类同样会发生氧化。它在C5和C6位上含有一个双键，该双键易受到自由基的攻击而发生降解反应，生成醇、酮和环氧化物。胆固醇氧化最突出的途径是从C7原子形成氢过氧化物开始，这个氢过氧化物可以降解成烷氧基自由基，接着重排成5,6-环氧化合物、7-羟基胆固醇和7-酮胆固醇。胆固醇氧化产物是潜在的有毒物质，与人体的动脉粥样硬化形成有关。胆固醇氧化产物主要在受过热处理的动物性食品（如烹调肉类、牛油、猪油和黄油）及干燥的乳制品和蛋类产品中被检测到。

（四）影响食品中脂类氧化速率的因素

食品中脂类含有各种脂肪酸，它们具有不同的理化性质，对氧化敏感性也有很大的差别。此外，食品中还含有许多非脂类组分，这些非脂类组分可能与脂肪氧化或其氧化产品发生相互作用。因此食品中脂类的氧化受多种因素影响，目前已经了解的因素概述如下。

1.脂肪酸组成

双键的位置、数量以及几何形状都会影响氧化速率。通常花生四烯酸、亚麻酸、亚油酸以及油酸氧化的相对速率约为40∶20∶10∶1。顺式脂肪酸比反式异构体更易氧化，共轭双键比非共轭双键更为活泼。饱和脂肪酸的自动氧化极慢，当不饱和脂肪酸在室温下产生明显的氧化酸败时，饱和脂肪酸仍保持不变，但在高温下，饱和脂肪酸则会产生显著的氧化，其氧化速率随温度而定。

2.游离脂肪酸与相应的甘油酯

游离脂肪酸的氧化速率略大于它和甘油发生酯化的产物。天然脂肪中脂肪酸的随机分布降低了氧化速率。油脂中存在少量的游离脂肪酸对其氧化稳定性没有显著影响，但在某些商品油脂中，存在较高含量的游离脂肪酸，会促使来自于设备或容器的具有催化活性的痕量金属催化剂混入油中，因而增加了脂肪氧化速率。

3.氧浓度

在大量氧存在的情况下，氧化速率与氧浓度无关，但当氧浓度较低时，则氧化速率与氧浓度近似成正比。氧浓度对氧化速率的影响还受其他因素如温度与表面积的影响。

4.温度

通常随着温度上升，氧化速率增大。温度同样影响氧化速率与氧分压之间关系，随着温度上升，氧在脂与水中溶解度下降，但氧分压对氧化速率影响较小。

5.表面积

氧化速率与脂肪暴露于空气的表面积成正比。随着表面积与体积之间比例的增加，通过降低氧分压来降低氧化速率的效率降低。在O/W乳状液中，氧化速率与氧扩散到油相中的速率有关。

6.水分

在脂类模拟体系和含各种脂肪的食品中，氧化速率主要取决于水分活度。在低水分含量的干燥食品中（水分活度a_w＜0.1)，氧化速率非常快。当a_w增加到0.3时，脂类氧化减慢，氧化速率降到最低值，这可能是由于少量水分的保护效应降低了金属催化剂的催化活性，使自由基消失，并阻止氧进入到脂中。当水分活度a_w升高到0.55～0.85时，氧化速率再次加快，这大概是催化剂和氧的流动性增加的缘故。

7.分子定向

物质的分子定向对脂类的氧化具有重要的影响。例如，在研究多不饱和脂肪酸（PUFA）在37℃、pH7.4以及催化剂Fe²⁺-抗坏血酸存在条件下的氧化稳定性，可以发现氧化稳定性随不饱和度的增加而增加，与预料的结果恰恰相反。这与水溶性介质中存在的PUFA的构象有关。脂类分子定向对氧化速率的影响可以用亚油酸乙酯氧化的实例来说明。亚油酸分子以两种状态存在：一种存在于体相中；另一种以定向态（以单分子层吸附在硅胶表面）存在。在60℃时，单分子层中亚油酸乙酯的氧化速率比在体相中快得多，这是因为单分子层中亚油酸乙酯更易接近氧。但在180℃时，结果恰好相反，因为体相中亚油酸乙酯的分子与结合的自由基的运动速度比在单分子层中分子快，因此补偿了因与氧接近程度的差异而产生的影响。无论是体相中还是单分子层中的样品，主要的分解产品虽然不完全相同，但它们都是氢过氧化物的典型分解产品。

8.物理状态

有关胆固醇氧化的研究表明，物理状态对脂类氧化速率影响也非常重要。将固态与液态微晶胆固醇膜的碎片悬浮在水溶性介质中，研究其在不同的温度、时间、pH及缓冲液的组成等条件下的氧化稳定性，发现氧化物的类型与比例的差异主要取决于反应条件，其中胆固醇的物理状态的影响最为显著。实际上，影响氧化速率的许多因素主要是通过影响胆固醇及分散介质的物理状态而起作用。

9.乳化

在O/W乳状液或者油滴分散于水溶性介质的食品体系中，氧必须扩散至水相，并通过油-水界面膜才能接近脂。因此其氧化速率与许多因素有关，如乳化剂类型与浓度、油滴大小、界面积大小、水相黏度、水溶性介质的组成与多孔性以及pH等。

10.分子迁移率与玻璃化转变

如果脂类氧化速率为扩散控制，那么处于玻璃化转变温度以下时，体系的氧化速率很低，在高于玻璃化转变的温度下，氧化速率与温度有极大的关系。

11.促氧化剂

一些具有合适的氧化还原电位的二价或多价的过渡金属，例如钴、铜、铁、锰以及镍等是有效的促氧化剂，即使促氧化剂的浓度低至0.1mg/kg，它们也能缩短诱导期和提高氧化速率。食用油中通常存在着微量重金属，这些重金属来源于种植油料植物的土壤、动物和加工或贮藏过程中所用的金属设备。微量金属同样存在于食品组织和所有生物来源的流体食品（例如鸡蛋、牛乳以及果汁等）中，并以游离态和结合态两种形式存在。几种金属催化氧化的机理推测如下：

①加速氢过氧化物分解

Mⁿ⁺+ROOH→M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺+OH^-+RO·

Mⁿ⁺+ROOH→M^(n-1)++H^-+ROO·

②直接与未氧化物质作用(www.xing528.com)

Mⁿ⁺+RH→M^(n-1)++H⁺+R·

③活化氧分子生成单重态氧和过氧化自由基

许多食品组织中存在羟高铁血红素，也是一种重要的促氧化剂。

12.辐照

可见光、紫外线以及γ射线都能有效地促进脂质的氧化。

13.抗氧化剂

脂类抗氧化剂极其重要，以下会单独进行介绍。

（五）测定脂肪氧化的方法

脂肪氧化是一种极其复杂的过程，因为它包括许多物理变化与化学变化，而且每一种变化的性质与程度受许多参数的影响。氧化分解往往对食品产品的可接受性与营养质量产生极大的影响，然而至今没有一个简单的测试方法可以立即测定所有的氧化产品，一个测试方法往往只能监测某些变化，因此常常需要将几种测定方法结合起来，下面介绍一些常用方法。

1.过氧化值法

过氧化物是自动氧化初始产品，它可以通过碘量法测定。

ROOH+2KI→ ROH+I₂+K₂O

或者将Fe²⁺氧化成Fe³⁺（硫氰酸盐测定法）来测定。

ROOH+Fe²⁺+H⁺→ ROH+H₂O+Fe³⁺

过氧化值一般可用毫摩尔当量氧分子/kg脂肪来表示。尽管它可以用于测定脂肪早期氧化阶段形成的过氧化物的量，但还是偏经验性的方法，而且测定结果往往随测定步骤和温度变化，准确性也有争议。在脂质氧化过程中，过氧化值一般先升高到达最大值而后又慢慢下降。过氧化值与哈喇味之间没有明确的关系，只在很少的情况下具有很好的相关性。氧化酸败一般同油的组成（一般饱和程度越高的油哈败时所吸收的O₂越少）、抗氧化剂和微量金属存在与否及氧化条件有关。

2.硫代巴比妥酸(TBA)试验

这是应用最为广泛的一种测试脂肪氧化程度的方法。不饱和脂肪酸氧化产物可与TBA发生颜色反应，该生色团常由两分子的TBA与一分子的丙二醛缩合产生。然而，在氧化产品中不一定存在丙二醛，许多烷醛、烯醛以及2，4-二烯醛也可与TBA结合，产生黄色（450nm），只有二烯醛与TBA结合产生红色（520nm），因此同时检测这两个最大吸收峰更为合适。

一般而言，含有3～4个双键的脂肪酸才能产生大量的TBA反应产物。有许多非脂肪氧化产物也能与TBA反应产生红色，例如蔗糖与木材烟中的一些化合物就可以与TBA反应产生红色，因而会影响TBA测定结果的准确性。另一方面，在氧化体系中，丙二醛与蛋白质相互作用，也会引起TBA测定结果偏低。因此TBA测试方法仅适用于检测比较单一的物质在不同氧化阶段的氧化程度。

3.活性氧法（AOM）

该法已被广泛使用，具体操作方法一般是将样品保持在98℃，使空气在恒速下通过样品，然后测定过氧化值达到一定值时所需的时间。

4.氧吸收法

该法是将样品放在密闭室中，通过测定被样品吸收的氧的量来表征其稳定性。具体的方法可以是测定密闭室内产生一定压力降所需的时间，或者测定在一定氧化条件下吸收一定量的氧所需的时间。此法特别适用于研究抗氧化活性。

5.碘值法

该法是测定脂肪中不饱和度的一种方法，可用100g样品吸收碘的克数来表示。有时也可用碘值下降来测定自动氧化过程中二烯酸的减少。

6.仪器分析法

仪器分析法已经被广泛用于脂肪氧化的检测，具体可分为色谱法和光谱法两大类。

目前，高效液相色谱、薄层色谱、排阻色谱以及气相色谱等都已被用来测定含油脂食品的氧化。例如采用气相色谱（GC）测定油脂中脂肪酸的含量，油脂氧化后不饱和脂肪酸相对含量下降，饱和脂肪酸含量上升。脂肪氧化后期生成高相对分子质量、高极性的聚合物（二聚物和多聚物），可用高效液相色谱（HPLC）测定它们的含量，聚合物的数量反映了油脂氧化的程度。薄层色谱（TLC）常被用于油脂氧化产物的分离和鉴定。

同时，紫外吸收光谱（UV）等也常被用于测定油脂氧化酸败程度。通常，测定油脂体系在234nm（共轭二烯）与268nm（共轭三烯）处的吸光度，在油脂氧化的早期可以很好地关联其氧化进程。但氧化后期这些吸光值的大小与氧化程度相关性并不好。采用傅里叶变换红外光谱（FTlR）可测定油脂在2850cm^-1±10cm^-1和2925cm^-1±10cm^-1处的吸收以反映脂肪酸亚甲基的对称和不对称伸缩振动，在1710cm^-1±10cm^-1处的吸收以反映甘油三酯羰基的伸缩振动，以这些吸收峰的大小来反映油脂中脂肪酸的含量及其氧化程度。脂类氧化产生的羰基化合物与一些游离氨基相互作用可产生荧光，荧光物质的数量可以反映油脂的氧化程度，荧光法具有较高的灵敏度。此外，在氧化的油脂中加入次氯酸钠，激发态的氧发射出强光，油脂氧化程度越高，发射光的强度越大，据此可采用化学发光法测定含量较低的油脂过氧化物，该法具有快速、灵敏以及重现性好的特点。

7.总羰基化合物和挥发性羰基化合物

总羰基化合物的测定方法一般是以测定由醛或酮（氧化产品）与2，4-二硝基苯肼作用产生的腙为基础。由于不稳定物质如氢过氧化物分解可产生羰基化合物，会干扰定量结果，为了尽量减少这种干扰，需将氢过氧化物还原成非羰基化合物或在低温下进行。

由于氧化的油脂中含有相对分子质量较高的羰基化合物，因此可以采用各种分离技术将其与低相对分子质量和易挥发的羰基化合物分离。具挥发性的低相对分子质量羰基化合物对风味有一定的影响。通过蒸馏或减压蒸馏回收易挥发的羰基化合物，可利用馏出液与合适的试剂反应或采用色谱法测定这些羰基，比如采用顶空分析定量测定己醛。

8.感官评定

感官评定是最终评定食品中氧化风味的方法。从客观的化学或物理方法得到的评价应与感官评定具有好的相关性，这一点尤为重要。受过训练的感官评定小组采用特殊的风味等级评分完成风味评价。

9.Schaal耐热实验

该法是将油脂样品贮藏在65℃左右，经过周期性的试验，直至检测到氧化酸败为止，最后通过感官评定或测定过氧化值进行评价。

（一）抗氧化剂及其分类

在含脂的食品中，抗氧化剂能推迟具有自动氧化能力的物质发生氧化，并能减缓氧化速率，它们的作用不是提高食品的质量，而是保持食品的质量与延长货架期。食品加工中使用的抗氧化剂应该价廉、无毒、有效浓度低、稳定以及对食品的色泽、风味和气味不产生显著的影响。根据作用机理不同，可将抗氧化剂分成两类：第一类为主抗氧化剂，它是自由基接受体，可以延迟或抑制自动氧化的引发或停止自动氧化的传递。食品中通常使用的主抗氧化剂是合成化合物。但近年来人们对食品中存在的天然组分作为主抗氧化剂的期望越来越高，如生育酚与胡萝卜素也通常用作主抗氧化剂；第二类抗氧化剂又称为次抗氧化剂，这些抗氧化剂通过不同的作用能减慢氧化速率，但不能将自由基转换成较为稳定的产品。这类抗氧化剂常称为协同剂，因为它们能增加第一类抗氧化剂的抗氧化活性，如柠檬酸、抗坏血酸、酒石酸以及卵磷脂等，都是一种性能良好的协同剂。

抗氧化剂的种类很多，其作用机理也十分复杂。有些抗氧化剂具有多种抗氧化活性机理，常被称为多功能性抗氧化剂。目前虽然已报道了上百种天然或合成的具有抗氧化性能的化合物，但能达到食品安全性标准的抗氧化剂仍非常有限。这些抗氧化剂的作用机制可以从其对油脂氧化过程众多环节的阻断来分别阐述。

（二）抗氧化剂作用机理

1.对自由基的控制

许多氧化剂通过淬灭自由基来减缓脂质氧化。自由基清除剂（FRS，free radical scavengers）一般通过以下反应来和过氧化自由基及烷氧基自由基发生作用：

ROO·或RO·+FRS→ROOH或ROH+FRS·

一般认为自由基清除剂主要与过氧化物发生反应来实现阻止脂质氧化进程的，因为过氧化自由基能量较低，有较长的寿命，因此与自由基清除剂发生作用的可能性更大。高能状态的羟基自由基等活性较高，因此与低浓度的自由基清除剂发生反应的概率较低。

抗氧剂的效率取决于自由基清除剂给自由基贡献氢的能力。自由基清除剂中氢的能级越低，越有利于其转移到自由基上，淬灭反应也越快。单电子还原电势可预测自由基清除剂供氢给自由基的能力。例如，α-生育酚（E=500mV）、儿茶酚（E=530mV）和抗坏血酸盐（E=282mV）的还原电势均低于过氧化自由基（E=1000mV），因此能够提供一个氢给该自由基形成氢过氧化物。

自由基清除剂的效率取决于清除剂本身所形成的自由基FRS·的能量。如果FRS·是一个低能态自由基，那么其催化不饱和脂肪酸氧化的可能性下降。活性FRS·自由基可通过共价离域形成低能态自由基（图4-19），也能产生不会迅速与氧反应生成氢过氧化物的自由基。如果自由基清除剂形成了氢过氧化物，那这个氢过氧化物可进一步降解生成其他的自由基，进而引发不饱和脂肪酸的氧化。在链式反应终止阶段，FRS·也可和其他的FRS·或油脂自由基反应形成非自由基产物。这意味着每个FRS至少能使两个自由基失活，当FRS和过氧化自由基或烷氧基自由基相互作用时淬灭了第一个自由基，在终止反应中，FRS·同另一个FRS·或油脂自由基反应淬灭了第二个自由基（图4-20）。

图4-19 酚自由基的振动离域

图4-20 抗氧化剂自由基和脂质过氧化自由基（ROO·）的终止反应

酚类化合物是高效的FRS。它们可较容易地从羟基上贡献出一个氢，并通过苯环结构的共价离域使生成的FRS·能量较低。酚类FRS的活性往往通过苯环上的取代基得到增强，因为它增加了FRS向油脂自由基供氢的能力或者增加FRS·的稳定性。在食品中，酚类FRS·的活性也取决于它们的挥发性、pH敏感度和极性。以下是食品中普遍存在的FRS的实例。

（1）生育酚 生育酚是一类含有羟基化环状体系（芳香环结构）且含有植醇链的化合物（图4-21）。由于环上甲基化不同使生育酚同系物分成多种，当5、7、8三个位点甲基化时为α-生育酚，5、8两个位点被甲基化时为β-生育酚，而7、8两个位点甲基化时为γ-生育酚。生育酚含有三个非对称的碳原子，其结果是每个同系物拥有八个可能的立体异构体。一般来说，具有高维生素E活性的生育酚的抗氧化性不如具有低维生素E活性的生育酚，因此抗氧化活性的大小次序为δ＞γ＞β＞α。α-生育酚作为营养补充剂通常以甲酯形式在市场上销售。尽管甲酯形式的生育酚使其氧化降解敏感度降低，但甲酯化反应消除了生育酚的抗氧化活性。因此，生育酚甲酯在食品中并非有效的抗氧化剂。此外，生育酚的不同同系物极性相差较大，三甲基化的α-生育酚几乎无极性，而单甲基化的δ-生育酚有一定极性。这种极性上的差异使得其表面活性和抗氧化活性存在显著差异。

图4-21α-生育酚的结构

（2）合成酚类物质 苯酚本身不是一种好的抗氧化剂，但当苯环上有取代基时能加强其抗氧化活性。大多数合成抗氧化剂为含有取代基的一元酚化合物。食品中最普遍的合成FRS如图4-22所示，包括二丁基羟基甲苯（BHT）、丁基羟基茴香醚（BHA）、特丁基对苯二酚（TBHQ）和没食子酸丙酯（PG）。BHT与BHA均广泛应用于食品工业，两者均溶于油，它们在植物油中特别是富含天然抗氧化剂的植物油中的抗氧化活性较弱，如果同其他主抗氧化剂复合使用，则它们的抗氧化效力会比较高。TBHQ较易溶于油而微溶于水，与其他抗氧化剂相比，它对多不饱和原油或精炼油能提供更为有效的氧化稳定性，而且不会产生色泽或风味稳定性问题。这些合成型抗氧化剂的极性排列次序为：BHT（非极性最强）＞BHA＞TBHQ＞PG。合成抗氧化剂和脂质自由基相互作用形成的FRS·自由基能量较低，因此它们不会快速催化不饱和脂肪酸的氧化。另外，FRS·不会轻易与氧反应生成氢过氧化物，降低了氢过氧化物降解成高能自由基进而加速不饱和脂肪酸氧化的可能。相反，它们倾向于发生自由基-自由基之间的终止反应。合成酚类对于大多数食品体系是有效的，但它们近来在食品工业中的应用范围却由于消费者对食品安全的担心以及对纯天然食品的强烈要求而不断缩减。

图4-22 食品中合成抗氧化剂的结构

（3）植物酚类物质 植物酚类化合物包括简单酚类、酚酸、花青素、羟基肉桂酸衍生物和类黄酮等。这些酚类广泛地分布在水果、香辛料、茶、咖啡、种子和谷物中。尽管它们的活性差别很大，但所有的酚类物质都拥有FRS所要求的结构。影响植物酚类物质自由基清除活性的因素主要包括羟基的位置和数量、极性、溶解性、还原电位、加工过程中酚类物质的稳定性以及酚类自由基的稳定性。迷迭香提取物作为食品添加剂是商业上最重要的天然酚类物质来源，该提取物中鼠尾草酸、卡诺醇和迷迭香酸是几种主要的自由基清除剂（图4-23）。迷迭香类提取物在绝大多数食品，如肉类、散油和油脂乳状液中能阻止油脂的氧化。植物中酚类含量随着成熟度、品种、组织类型、生长条件、收获时期及贮藏条件不同而改变。

图4-23 迷迭香提取物中主要的酚类抗氧化剂的结构

（4）抗坏血酸和硫醇 食品加工时，水相中氢过氧化物可通过Fenton反应等生成羟基自由基。这些自由基也许具有表面活性，因此在脂质分散体系中可从水相和油相之间迁移或定位于界面上。为了避免水相产生的自由基危害，生物体系往往包含水溶性自由基清除剂。抗坏血酸和硫醇淬灭自由基可生成低能态自由基。诸如半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇也许可提高氧化稳定性，但几乎不作为抗氧化剂加入食品。抗坏血酸和异抗坏血酸都能清除自由基。二者拥有相似的活性，但异抗坏血酸的成本更合算。抗坏血酸还可以与棕榈酸结合生成抗坏血酸棕榈酸酯，这种酯是脂溶性的且具有表面活性，使得抗坏血酸在油相和乳化体系中也可以有效发挥抗氧化活性。在胃肠道里抗坏血酸棕榈酸酯水解成抗坏血酸和棕榈酸，因此在利用率上对抗坏血酸没有影响。

2.对促氧化剂的控制

食品中的脂质氧化速率取决于促氧化剂（如过渡金属元素、单重态氧和酶）的浓度和活性。因此控制促氧化剂的作用是提高食品氧化稳定性的一种有效策略。

（1）对金属促氧化剂的控制 铜和铁是两种重要的金属促氧化剂，它们通过促进氢过氧化物的降解而加速油脂的氧化。金属的促氧化活性随着螯合剂和多价螯合剂的螯合而发生改变。螯合剂阻止金属促氧化的活力通过下面的一个或者多个机制进行：阻断金属氧化还原循环，占用金属的配位点，形成不溶性的金属复合物，对金属与脂质或氧化中间体的相互作用形成空间位阻。一些金属螯合剂通过提高金属溶解性和/或改变氧化还原电位加速氧化反应。螯合剂增加或抑制促氧化活性的作用取决于金属螯合率。例如，当乙二胺四乙酸（EDTA）∶铁≤1时，EDTA无效或者促氧化，而当EDTA∶铁＞1时，EDTA则起到抗氧化剂作用。食品中主要的金属螯合物包含多种多样的羧酸盐（如EDTA和柠檬酸）或者磷酸盐（如多磷酸盐和肌醇六磷酸）。螯合物必须离子化才具有活性，因此pH低于离子化基团的pK_a时，其活性降低。食品中常用的螯合物是柠檬酸、EDTA和多磷酸盐。磷酸盐的活性随着磷酸基团的增加而提高，因此三聚磷酸盐和六偏磷酸盐相比磷酸而言更有效。促氧化金属同样也能被诸如铁传递蛋白、卵黄高磷蛋白、乳铁传递蛋白和酪蛋白等金属结合蛋白所控制。

（2）对单重态氧的控制 单重态氧是氧的一种激发态，它能促进油脂氢过氧化物的形成。类胡萝卜素是一类（＞600种不同的化合物）黄色至红色的多烯类化合物。单重态氧的活性可以通过类胡萝卜素的化学和物理淬灭机理控制。当单重态氧攻击类胡萝卜素的双键时，类胡萝卜素通过化学机理淬灭它。这步反应导致了醛、酮和内过氧化物等类胡萝卜素氧化降解产物的形成。类胡萝卜素的氧化降解使其发生褪色。类胡萝卜素也可以将单重态氧的能量转移到自身生成激发态的类胡萝卜素和基态三线态氧，从而使单重态氧的失活。激发态类胡萝卜素和环境中的溶剂相互作用通过摆动和转动释放能量回归到基态。类胡萝卜素的物理淬灭作用需要其分子有9个或更多的共轭双键。类胡萝卜素分子尾端含有氧化的β-紫罗酮环结构通常对物理淬灭单重态氧更有利。类胡萝卜素也能通过吸收激活态光敏剂如核黄素的能量来阻止其诱发单重态氧的形成。

（3）对脂肪氧合酶的控制 脂肪氧合酶是存在于植物和一些动物组织中活性脂肪氧化的催化剂。脂肪氧合酶的活性可以通过加热和降低植物可食用组织中酶浓度的组织培养方法来控制。

3.对氧化中间体的控制

食品中某些化合物可通过与促氧化的金属或氧相互作用形成活性成分，间接影响油脂的氧化。这些化合物包括超氧化物阴离子和氢过氧化物。

（1）对超氧化物阴离子的控制 超氧化物可通过将过渡金属转化成更高的激发态，或促使蛋白质上结合态的铁的释放来参与氧化反应。此外，当pH低于其pK_a（pH 4.8）时，超氧化物将转化成氢过氧自由基（HOO·），间接催化油脂的氧化。由于超氧化物阴离子的促氧化性质，生物体系通常会含有SOD，它通过以下反应催化超氧化物阴离子向过氧化氢转变：

（2）对过氧化物的控制 过氧化物可借过渡金属、辐照和高温作用降解形成自由基，是氧化反应的重要中间体。食品中的过氧化氢可以是直接添加的（如灭菌操作），也可以是生物组织生成的，如SOD对超氧化物的歧化作用。过氧化氢活性的灭除可通过过氧化氢酶通过下面的反应进行：

2H₂O₂→2H₂O+O₂

谷胱甘肽过氧化物酶是一种含硒的酶，它可以通过将还原态谷胱甘肽作为共同底物来降解过氧化物和过氧化氢，反应后GSH被氧化成GSSG，而过氧化物被还原成脂肪醇。

H₂O₂+2GSH→2H₂O+GSSG

ROOH+2GSH→ ROH+H₂O+GSSG

（三）抗氧化剂相互作用

上述对抗氧化剂作用机理的阐述也让我们认识到抗氧化剂之间可能存在相互作用。食品体系可能包含多种抗氧化剂，同时在食品加工过程中也可以添加许多外源的抗氧化成分。由于各种抗氧化剂之间的相互作用，食品的抗氧化性得到增强。常常用协同效应来描述抗氧化成分之间的相互作用。对于具有协同效应的抗氧化剂的相互作用，复配抗氧化剂的抗氧化性必须强于单一抗氧化剂效果的加和。然而，在大多数情况下，复配抗氧化剂的抗氧化性等于甚至低于几种单一抗氧化剂效果的加和。尽管复配抗氧化剂能有效地延长食品的货架期，但在声明协同效应时应保持谨慎。

在两种或多种FRS存在的情况下，抗氧化活性可以得到显著增强。在多种FRS同时存在时，可能主要的FRS会更快地与脂质自由基反应，因为它们的键解离能较低或距离产生这些自由基的位点比较近。有时次主要的FRS可以同主要FRS的自由基结合，将自由基转移到自身而使主要FRS得以再生。α-生育酚和抗坏血酸就是这样的实例，在这个体系中，由于α-生育酚在油相中，是主要的抗氧化剂，次抗氧化剂抗坏血酸通过与α-生育酚自由基或生育醌反应，将它们转化为α-生育酚，而自身转化为脱氢抗坏血酸。其净结果就是主FRS（α-生育酚）仍处于活性状态，可继续清除食品中的脂质自由基。

螯合剂和FRS复配可显著地抑制脂类氧化。这些加强的相互作用是通过螯合剂的“节约效应”实现的，即螯合剂通过抑制金属催化的氧化作用，减少了食品中形成的自由基的数量。通过终止反应或自动氧化反应，减缓了FRS的失活。

由于多组分抗氧化体系通过多种不同的机制（如自由基清除、金属螯合和单重态氧淬灭）抑制氧化，利用多种抗氧化成分能极大地增加食品的抗氧化能力。因此，在设计抗氧化体系时，所选的抗氧化成分应该有不同的作用机制或物理特性。决定抗氧化剂是否能发挥最大效用的诸多影响因素包括：氧化催化剂的类型、食品的物理状态、影响抗氧化剂活性的因素（如pH、温度、同食品中其他成分或抗氧化剂相互作用的能力）。

（四）抗氧化剂的物理位置

由于分子结构差别，不同的抗氧化剂应用于不同的含油或含脂食品中与应用于不同的加工与操作条件会显示出不同的效力。各种抗氧化剂的亲水-亲油性同它们在不同应用中的效力有很大关系。一般可分两种情况，一种是具有小的表面-体积比，例如体相油中使用亲水亲油平衡值较大的抗氧化剂（如TBHQ）最为有效，这是因为抗氧化剂集中在油的表面，而脂肪与分子氧主要作用在表面。另一种情况是具有大的表面-体积比，例如存在于食品组织中的极性脂膜与O/W乳状液等。对于这类多相体系，水的浓度较高，脂肪常呈介晶态，因而宜用亲油性抗氧化剂如BHA、BHT、高烷基棓酸盐以及生育酚，它们具有较高的抗氧化效力。这种亲油性抗氧化剂在水包油型乳化体系、亲水性抗氧化剂在体相油中分别呈现出更强的抗氧化能力的现象被称为“极性悖论”。抗氧化剂在油相和油包水型乳化体系中的抗氧化能力不同是由于在两个系统中它们所处的位置不同。极性抗氧化剂在油相中抗氧化能力更强，可能是因为极性抗氧化剂位于空气-油的界面处或处于油相内部的胶束处，这些位点由于有高浓度的氧和促氧化剂，正是脂肪氧化反应最剧烈的位点。类似地，非极性抗氧化剂在水包油性乳化体系中更有效，因为它们存在于油滴中或在油-水界面处，而油滴表面的氢过氧化物和水相中的促氧化剂在这些位点发生反应。相反，在水包油性乳化体系中，极性抗氧化剂在连续的水相中被分开，致使其抗氧化性变弱。

食品在加热时会产生各种化学变化，其中有些化学变化对于风味、外观、营养价值以及安全性都十分重要。食品中各种组分不仅会发生分解反应，而且彼此间可以相互作用，通过非常复杂的途径产生大量新的化合物。脂类在高温下的反应是非常复杂的，热分解反应与氧化反应往往同时发生，如图4-24所示。

图4-24 脂类热分解示意

饱和脂肪酸、饱和甘油三酯以及脂肪酸甲酯在无氧及高温下产生非氧化分解，分解产物大多是由烃类、酸类以及酮类组成。每种甘油三酯产生下列一系列产物（以n为脂肪酸分子的碳数）：正构烷烃和烯烃，其中C_n-1烷烃占多数；C_n脂肪酸；C_2n-1对称酮；C_n氧代丙酯；C_n丙烯和丙二醇二酯以及C_n甘油二酯，此外也生成了丙烯醛、CO以及CO₂。其中脂肪酸组分是甘油三酯热分解所产生的主要化合物。

如果在空气中加热到150°C以上时，饱和脂类会发生热氧化反应，主要的氧化产物为烷烃、醛、酮、酸以及内酯等。一般来说，在加热氧化期间所产生的2-烷酮的量多于烷醛，其中C_n-1甲基酮是数量最多的羰基化合物，热氧化反应所产生的内酯主要为γ-内酯。热氧化反应中，饱和脂肪酸的氧化一般发生在α、β或γ位置。如氧化发生在α位，则生成C_n-1脂肪酸、C_n-1烷醛以及C_n-2烷烃。如果在β位上发生氧化，则产生C_n-1甲基酮。烷氧基自由基中间物的α碳与β碳之间裂解产生C_n-2烷醛；β与γ碳之间断裂生成C_n-3烷烃。如果在γ位上发生氧化，则产生C_n-4烷烃、C_n-3烷醛以及C_n-2甲基酮（图4-25）。

图4-25 饱和脂类热氧化反应发生在β（左）和γ（右）位置时的主要产物

不饱和脂肪酸在无氧条件下加热，主要生成二聚物和一些其他低相对分子质量的物质。有氧条件下，不饱和脂肪酸的氧化敏感性远超过饱和脂肪酸。虽然高温与低温氧化存在一定差别，但两者的主要反应途径是相同的，根据双键位置，可以预示氢过氧化物中间物的生成与分解是在一个宽广的温度范围内进行。高温下产生的主要化合物具有在室温下自动氧化产物的典型性质。但在高温下，氢过氧化物的分解与次级氧化的速率都非常高。在自动氧化过程中，一定时间内得到某种分解产物的量同许多因素有关。如氢过氧化物结构、温度、不饱和程度以及分解产物自身的稳定性对于最终的定量模式具有重要的影响。不饱和脂肪酸在空气存在与高温条件下加热生成氧代二聚物或含氢过氧化物、氢氧化物、环氧化物以及羰基等的聚合物。