反式脂肪酸检测方法研究进展综述

反式脂肪酸的研究进展综述 姜楠 反式脂肪酸 Trans fatty acids 简称 TFA 是指至少含有一个反式构型双键的不饱和脂肪酸的 总称 TFA 已成为近年来一些相关领域关注的焦点 国际组织及世界各国纷纷采取相关措 施 降低或限制食品中的反式脂肪酸含量 本文就目前文献中反式脂肪酸的特点 产生 安全问题 测定方法等进行综述 反式脂肪酸 检测方法 研究进展 Advance of the Research on Trans fatty Acids Jiang Nan Institute of Biomedical and Pharmaceutical Technology Fuzhou University 350002 Abstract Trans fatty acids TFA is generic name of a type of unsaturated fatty acids that contain at least one double bond in the trans configuration Much attention has been paid to the TFA in recent years the latest studies show that TFA are harmful to human body such as they can accelerate atherosclerosis and induce obesity diabetes angiocardiopathy coronary heart disease and so on For this reason strict actions have been taken in many countries to control the contents of TFA in food in order to support the food quality and ensure the life safety of consumer This paper provides an overview of trans fatty acids in oils and fats used in food manufacture in recent years including their sources hazards determination methods etc Key words Trans fatty acids detection methods research progress 0 引言 反式脂肪酸是分子中含有一个或多个反式双键的非共轭不饱和脂肪酸 在自然界中 油脂主要是以脂肪酸甘油酯的形式存在 按油脂中脂肪酸碳碳键的饱和程度又可分为饱和 脂肪酸和不饱和脂肪酸 其中不饱和脂肪酸的不饱和双键以顺反 2 种构象存在 大部分天 然不饱和脂肪酸是以顺式构象存在 但在一些外界条件的影响下 如光 热 催化剂或加 氢反应等 天然不饱和脂肪酸会从顺式构象转化为反式构象 具有这种反式构象的脂肪酸 即被称为反式脂肪酸 Trans Fatty Acids 简称 TFA TFA 根据所含的非共轭双键的数量 分 为单不饱和反式脂肪酸和多不饱和反式脂肪酸 反式脂肪酸中反式双键的键角小于顺式双 键的键角 且它在锯齿形结构空间上为直线型的刚性结构 由于这些结构上的特点 使得 反式脂肪酸与顺式脂肪酸相比有着不同的性质 它具有更高的熔点和更好的热力学稳定性 性质更接近饱和脂肪酸 1 反式脂肪酸的来源及危害 1 1 反式脂肪酸的来源 1 1 1 天然的反式脂肪酸 天然的 TFA 主要来自于反刍动物 如牛 羊 脂肪组织及其乳制品 主要由饲料中的 不饱和脂肪酸经反刍动物瘤胃中的丁酸弧菌属菌群的酶促生物氢化作用生成 1 瘤胃细菌 可以分成 A B 两组细菌 A 组细菌可以氢化亚油酸和 亚麻酸生成 11t C18 1 反式 11 十 八碳 稀酸 而不能氢化 C18 1 B 组细菌可以氢化 9c C18 1 11t C18 1 和亚油酸生成硬脂酸 在酶的催化过程中 TFA 作为多不饱和脂肪酸 亚油酸 亚麻酸 转变为硬脂酸的中间体 而大量产生 Mosley 等 2 3 在体外研究时发现 在生物氢化过程中 单不饱和脂肪酸如油酸 C18 1 要生成硬脂酸 也必须先转化成 TFA 中间体 反刍动物体脂的 TFA 含量占总脂肪酸含 量的 4 11 牛 羊奶中的 TFA 占总脂肪酸含量的 3 5 且它们中的 TFA 以单烯键不 饱和脂肪酸为主 双键在 C6 C16 之间以 11t C18 1 为主 随季节 地区 饲料组成 动物品 种的不同 乳制品中 TFA 的含量和组成也会有较大差异 例如羊奶中的 TFA 含量低于牛奶 目前这类来源的 TFA 对于人体是否有害 学术界尚无定论 美国食品和药品管理局 FDA 的一些专家提出异议 认为来自于反刍动物的反式油酸不应该包括在 TFA 的定义 内 因为这种 TFA 在体内代谢过程中可以通过去饱和而转化成共轭亚油酸 目前普遍的结 论是这类来源的 TFA 对人体的危害较小 1 1 2 油脂的氢化 天然油脂的理化性质 如熔点等无法完全满足食品工业中对油脂的要求 因此传统油 脂生产过程中通过将油脂部分氢化来改善油脂的品质 在此过程中油脂分子中一部分双键 被饱和 另一部分双键发生位置异构或转变为反式构型 4 经部分氢化的植物油具有较长 的货架期 在高温煎炸过程中具有较好的稳定性 氢化植物油常温下呈固态或半固态 可 增加食物的口感和风味 然而氢化过程中油脂的不饱和双键转变为单键的同时 也发生不 饱和双键的异构化反应 产生 TFA 主要是 n 9 反式油酸 例如人造奶油为 7 1 17 7 最高 38 4 起酥油 10 3 最高 38 4 国外有研究称 食物中的 TFA 主要是反 式油酸 约占 90 反式油酸中最常见的是 n 9 位反式油酸 其次是 n 11 位反式油酸 传统油脂氢化是在镍催化条件下进行的 由于 TFA 具有比顺式脂肪酸更稳定的结构 因此在高温 高压的催化条件下能够大量生成 5 传统的氢化工艺产生的 TFA 较多 通过 选择原料和工艺优化可在一定程度上降低 TFA 的生成量 超声波氢化和电化学氢化等新工 艺所产生的 TFA 比传统工艺的少 且酶技术的应用能大大提高产物的选择性 不同氢化油 中 TFA 的含量因加工工艺的不同而有很大的波动 一般占油脂含量的 10 左右 最多可达 60 是日常饮食中 TFA 的主要来源 1 1 3 油脂的精炼 储存和食品加工 在植物油精练脱臭工艺中 通常需要高温 250 以上 加热 2h 此期间有可能产生 一定量的 TFA 主要产生在精炼过程中的脱臭阶段 高温脱臭后的油脂中 TFA 含量可增加 1 4 有研究表明 在大豆油和菜籽油脱臭过程中 当脱臭油温 245 257 时 30 的 亚麻酸发生异构化 当脱臭油温 265 269 时 37 的亚麻酸发生异构化 相当于各有 2 97 3 55 的反式异构体产生 6 植物油的烟点一般高于 200 许多人烹调时习惯将油加热到 冒烟 易导致 TFA 的产生 一些反复煎炸食物的用油 其油温远远高出食用油的烟点 使 油及油炸食品中所含的 TFA 随用油时间的延长而增加 油炸食品中 TFA 含量的高低主要取 决于所用油的种类 其中橄榄油或用橄榄油煎炸的食品中反式油酸较多 葵花籽油中反式 亚麻酸含量较多 7 一些焙烤和油炸食品 如油饼 丹麦馅饼 炸鸡 炸土豆条等食品中含有较高的 TFA 其 原因有 2 个 一是由于加工时使用了部分氢化油脂所致 二是加工过程中热作用产生 TFA TFA 含量随氢化油用量和饱和度的不同而有较大差异 在未添加氢化油脂的焙烤食品 中 TFA 主要产生于加热过程 食物高温烹调过程中遇到光 热及其它催化作用 顺式脂 肪酸在这些因素的作用下 通过异构化转变为 TFA 8 此外 辐照剂量控制不当也能增加 食品中 TFA 的含量并随着辐照剂量的增加而增加 1 2 反式脂肪酸的危害 很多研究都表明 TFA 摄入过多会对成人的健康和婴儿的发育产生不良影响 9 1 2 1 导致心血管疾病的发生 10 摄入过多含反式脂肪酸的食物必然导致心血管疾病的发生 这一观点已成为广泛的共识 大量的流行病学调查也显示了 TFA 与心血管疾病的相关性 同时 Mensink 等的研究也表 明 反式脂肪酸会增加人们患心血管疾病的危险 11 1 2 2 影响生长发育 反式脂肪酸还能通过胎盘转运给胎儿 母乳喂养的婴幼儿都会因母亲摄入人造黄油使婴幼 儿被动摄入反式脂肪酸 而由于受膳食和母体中反式脂肪酸含量的影响 母乳中反式脂肪 酸占总脂肪酸的 1 8 反式脂肪酸对生长发育的影响包括 使胎儿和新生儿比成人更容 易患上必需脂肪缺乏症 影响生长发育 对中枢神经系统的发育产生不良影响 抑制前列 腺素的合成 干扰婴儿的生长发育 12 1 2 3 促进血栓形成 13 反式脂肪酸有增加血液黏稠度和凝聚力的作用 有试验证明 摄食占热能 6 的反式脂 肪酸的人群的全血凝集程度比摄食占热能 2 的反式脂肪酸人群要深 因而容易使人产生血 栓 1 2 4 增加妇女患 2 型糖尿病的概率 14 哈佛公共卫生学院的 Frank Hu 博士在为期 14 年的研究中分析了 84000 多名妇女的资 料 在此期间共有 2507 例被诊断为 2 型糖尿病 分析结果表明 虽然与碳水化合物的热量 相比 她们摄入的脂肪总量 饱和脂肪或单不饱和脂肪均和患糖尿病无关 但摄入的反式 脂肪含量却显著增加了患糖尿病的危险 1 2 5 导致大脑功能的衰退 15 美国 Rush 保健研究所的 M C Morris 等在动物试验以及几百人的流行病学调查中 注意到反 式脂肪酸有降低人认知功能的危险 进一步分析后认为 大量摄取反式脂肪酸与饱和脂肪 酸的人 由于血液中胆固醇增加 不仅加速心脏的动脉硬化 还促使大脑的动脉硬化 容 易造成认知功能的衰退 1 2 6 致癌性 目前 反式脂肪酸的致癌性并未得到完全证实 可能只对某些人群较为危险 如 TFA 的摄 入量与乳腺癌的发生显示正相关能的衰退 1 2 7 促进动脉硬化 16 17 研究人员发现 在降低血胆固醇方面 反式脂肪酸没有顺式脂肪酸有效 含有丰富反式脂 肪酸的脂肪表现出能促进动脉硬化作用 具体表现在反式脂肪酸在提高低密度脂蛋白胆固 醇 被称为坏胆固醇 水平的程度与饱和脂肪酸相似 此外 反式脂肪酸会降低高密度脂蛋 白胆固醇 好胆固醇 水平 这说明反式脂肪酸比饱和脂肪酸更有害 对美国护士健康调查 结果也表明 人造黄油摄入量越多 患心脏病的危险就越大 2 反式脂肪酸的检测方法 针对当前工业化食品中广泛含有反式脂肪酸的现象 各个国家也分别制定了相应的检测标 准 目前常用的检测反式脂肪酸的方法有 气相色谱质谱联用法 毛细管电泳法 银离子 色谱法 反相高效液相色谱法 红外拉曼光谱法以及气相色谱法等 2 1 气相色谱质谱联用法 随着质谱联用技术的不断发展 也有人致力于用该技术检测脂肪酸 但是 脂肪酸等长的 链烃在质子化过程中易断裂形成烯丙基离子 同分异构体的质子化也有可能引起重排或移 位 因此 质谱无法区分同分异构体 而色谱法能有效解决上述问题 因此 色谱法与质 谱分析相结合为复杂混合物的在线分离分析提供了有力的手段 GC MS 联用技术的应用已 得到充分的证明 Ruiz Jimenez 等 18 采用超声波萃取 GC MS 法测定面包产品中的反式脂 肪酸 研究结果表明 该法检测限和定量限分别在 0 98 3 93 和 3 23 12 98mg kg 之间 线 性范围在最小检出限 LOQs 0 98 12000mg kg 之间 具有宽的检测范围和较高的检测水平 与 Floch 参考方法 19 相比 采用超声波萃取法可缩短萃取时间至 15min 同时保证标准偏差 不超过 1 80 并且不会降解目标分析物 值得一提的是 此法可以降低对化学试剂的消耗 减少污染 节约能源 是一个准确 可选的方法 2 2 毛细管电泳法 Oliverira MA 20 等对测定反式脂肪酸的方法进行了改进 该新方法采用了带有 224nm 紫外间接检测器的毛细管电泳 该电解液为 pH 7 5 的 15mmol L 的磷酸缓冲液 它同 4mmol L 的 12 烷基苯磺酸钠 10mmol L 聚氧化乙烯月桂醚 Brij35 2 1 辛醇和 45 的乙 腈组成 在最优化的条件下 10 种脂肪酸 C12 0 C13 0 C14 0 C16 0 C18 0 C18 1c C18 1t C18 2cc C18 2tt C18 3cc 在 10min 内分离出来 该研究对模拟样品在高温高压长时间氢化反应后可检出反式脂肪酸 C18 1t 具有快速定量 检测的特点 2 3 银离子色谱法 银离子色谱法的原理是 Ag 离子与顺式双键存在微弱的作用力 而与反式双键不发生作用 因此可以用来分析脂肪酸的顺反异构 目前主要应用的分析方法有两种 分别是银离子薄 层色谱法 thin layer chromatography TCL 和高效液相色谱法 High performance liquid chromatography HPLC 银离子在这两种色谱法中对反式脂肪酸的检测效果都优于其他方法 1971 年 银离子用来在薄层色谱法中对反式脂肪酸进行检测 21 此种方法操作简单 检 测速度快 随后通过技术改进 研制成银离子短型色谱柱 应用到 HPLC 方法中 22 这两 种检测方法的回收率都得到了气相色谱检验法的验证 银离子色谱法与气相色谱联合使用 有可能成为目前唯一一种能够完全 准确分析反式脂肪酸的方法 结果显示 银离子薄层 色谱和银离子液相色谱测定反式脂肪酸的效果相同 回收率在 97 9 103 7 检测浓度范 围在 1 30g 100g 相对标准偏差 RSD 为 3 1 8 6 23 银离子固相萃取 气相色谱法回 收率为 88 4 107 2 RSD 为 1 2 11 9 24 目前 美国油料化学家学会 AOCS 和国 际理论和应用化学联合会 Internation Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC 还未推荐 此方法 2 4 反相高效液相色谱法 反相高效液相色谱法也可以用于检测反式脂肪酸 25 由于其对正反式脂肪酸在洗脱过程 中的分离能力有限 因此仅作为气相色谱法检测前的初级检测手段 目前气相色谱法已经 广泛推广 加之其对样品的制备要求相对较高 因此目前使用较少 2 5 红外光谱法 红外光谱法 IR 是 AOCS 与 AOAC 推荐的另外一种快速定性检测方法 26 红外检测是 利用反式双键 900 1050cm 1 在附近有吸收 利用反油酸甘油酯 100 trans 与三油精 天然甘 油三油酸酯 100 cis 配成含不同浓度反式酸的混合油脂 通过计算吸收峰的峰面积 建立标准 曲线 计算样品中 966cm 1 处吸收峰的峰面积即可从标准曲线中得到样品中反式脂肪酸的 含量 传统的傅立叶红外 FTIR 方法也需要对样品进行甲酯化 并且要使用二硫化碳作 为稀释溶剂 溶剂二硫化碳气味难闻 且经过一系列样品处理过程之后 方法的灵敏度和 检出限都大大降低 2005 年 3 月 赛默飞世尔科技根据 AOCS Cd 14d 99 方法的要求及用户 反应 推出一种基于可加热衰减全反射附件 Attenuated total reflectance ATR 的分析方法 将红 外光谱法的检测灵敏度大为提高 ATR 方法具有方便 快速 高重复性的特点 采用这一 方法测定反式脂肪酸的含量时 不需要对样品进行甲酯化等处理 并且在测固体样品中的 反式脂肪酸的含量时 只需提取很少的样品中的油脂即可供测试 采样量不到 50 L 我国 针对此种方法也制定了相应的中华人民共和国出入境检验检疫行业标准 SN T2326 2009 食品及油脂中反式脂肪酸含量的检测 傅立叶变换红外光谱法 该标准规定 此法的检测 限为 5 质量分数 以脂肪计 测定范围为 5 60 质量分数 以脂肪计 通过对比气 相色谱法的检测结果 在广泛的脂肪酸分布范围内 平均相对误差小于 4 27 2 6 气相色谱法 气相色谱法是当前使用最普遍和最传统的检测方法 美国油料化学家学会 American Oil Chemist Society AOCS 与官方分析化学家协会 Association of Official Analytical Chemists AOAC 指定使用红外光谱 IR 与气相色谱 GC 对反式脂肪酸的含量进行分析 推荐 气相色谱法用 C21 0 作为内标来分析油脂中各种反式酸的含量 色谱柱为 100m 的毛细管 柱 填充物为 SP2560 或 CP Si188 BPX 70 然后根据出峰的顺序来确定脂肪酸的种类和含量 该法敏感性可以达到 5 我国多项国家标准都使用此法对氢化油进行检测 如 GB22507 T 2008 动植物油脂 植物油中反式脂肪酸异构体含量测定 气相色谱法 28 GB22110 T 2008 食品中反式脂肪酸的测定 气相色谱法 29 新近出台的 GB 5413 36 2010 食品安全国家标准 婴幼儿食品和乳品中反式脂肪酸的测定 的国家食品安全标准也 将此法作为标准方法用于测定反式脂肪酸的含量 此法应用较广 但对样品的制备要求较 高 必须用乙醚从食品中提取脂肪 经甲酯化处理后才能进样 且设备比较昂贵 该方法 对顺反式脂肪酸的分离良好 检出限达 9 L ml 加标回收率为 97 4 101 2 方法简单 准 确 30 3 减少反式脂肪酸的方法及研究进展 3 1 减少反式脂肪酸的方法 目前减少 TFA 的方法可以归纳为 改进氢化工艺 脱臭工艺 生产低 TFA 的氢化油 通过控制油料作物栽种过程或基因技术生产具有特定脂肪酸组成的油料 降低 TFA 含量并 作为氢化加工的原料油 使用不饱和脂肪酸含量低的热带植物油 如棕榈油 椰子油 利用化学方法或酶法使混合油脂发生酯交换反应 得到低 TFA 高饱和脂肪酸产物 调配法等 3 2 研究进展 国外关于食品中 TFA 的研究比较系统 有关食品中 TFA 的产生 危害和形成途径以及检测 方法等都做了较深入的研究 取得了可喜的成果 但尚不完善 还有很多工作要做 在 TFA 与人体健康方面 有关 TFA 在疾病发生中的作用机理以及究竟是哪种 TFA 存在问题 还有待于研究确认 在 TFA 的检测方面 现有的测定方法都比较繁琐 对检测条件要求较 高 检测周期较长实用性较差 还有待完善 建立更为有效 快捷的检测技术 在 TFA 的 立法方面 世界各国参差不齐 发达国家优先立法 而有些发展中国家开始重视立法并有 所行动 在 TFA 的消减方面 实用的研究成果很少 我国的 TFA 消减方法大多是建立在综 述 评论 理论性推测和描述性等几个方面 实质性的应用较少 4 结束语 东西方传统饮食的巨大差异使我国对反式脂肪酸问题的认识和研究远远落后于西方 但随 着西式快餐的兴起及人造奶油 植物起酥油等在我国的大量生产和使用 其潜在的健康问 题已引起政府 学术界和公众的高度重视 建立食品中反式脂肪酸的分析测定国家标准方 法已是迫切需要解决的问题 反式脂肪酸检测中应用较多的是气相色谱法 该方法操作比 较简单 设备比较便宜 易于推广 但不同色谱条件下能够检测到的脂肪酸种类和含量有 所不同 顺 反式位置异构体仍有部分的重叠 不能完全分离 影响了测量的准确度 需 要进一步发展银离子高效液相色谱法等预分离方法 另外一方面 在能够较全面的检测出 食品中反式脂肪酸含量的前提下 需针对性地开发红外光谱法和核磁共振法等方法 快速 简便检测食品中的反式脂肪酸含量 总之 随着科研人员的不断努力 食品中反式脂肪酸 的这个长期困扰食品界和消费者的问题终会有一个更妥善的解决办法 参考文献 1 Chouinard P Y Girard V Brisson G J Fatty acid profile and physical properties of milk fat from cows fed calcium salts of fatty acids with varying unsaturated J Journal of Dairy Science 1998 81 2 471 481 2 Proell J M Mosley E E Powell G L et al Isomerization of stable isotopically labeiled elaidic acid to cis and trans monoenes by ruminal microbes J Journal of lipid Research 2002 43 2072 2076 3 Mosley E E Powell G L Riley M B et al Microbial biohydrogenation of oleic acid to trans isomers in vitro J Journal of Lipid Research 2002 43 290 296 4 Khor G L Mohd Esa N Trans fatty acids intake Epidemiology and healthy implications M Oxford 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