Lý thuyết về sự oxi hóa dầu mỡ thực phẩm

PHẦN I: LÝ THUYẾT VỀ SỰ OXI HÓA DẦU MỠ THỰC PHẨM SỰ OXI HÓA DẦU [8] Các dạng oxy Độ bền oxi hóa của dầu là khả năng chống lại sự oxi hóa suốt trong quá trình sản xuất và bảo quản. Khả năng chống lại sự oxi hóa được diễn tả như khoảng thời gian cần thiết để đạt đến điểm tới hạn của sự oxi hóa dù cho có sự thay đổi về cảm quan hoặc biến đổi đột ngột trong quá trình oxi hóa hay không. Độ bền của dầu là một giá trị quan trọng để xác định chất lượng cũng như khả năng bảo quản dầu. sự oxi hóa dầu làm sinh ra các hợp chất lạ cũng như phá hủy các acid béo thiết yếu có trong dầu. Sự oxi hóa dầu xảy ra theo hai cơ chế: tự oxi hóa và sự oxi hóa quang học. Cả hai loại oxy đều có thể phản ứng với dầu. Oxy khí quyển ở trạng thái tam bội 3O2, còn một dạng khác là oxy đơn bội dạng singlet 1O2. 3O2 phản ứng với các gốc tự do và là nguyên nhân của sự tự oxi hóa. Tính chất hóa học của 3O2 để có thể phản ứng gốc lipid có thể giải thích theo orbital phân tử (hình 1). 3O2 ở trạng thái nền, với 2 electron không cặp đôi trong orbital 2pp. 3O2 có moment từ tính cố định với 3 mức trạng thái năng lượng dưới từ trường. Vì vậy, 3O2 được gọi là trạng thái tam bội. 3O2 là một gốc với 2 orbital không cặp đôi trong phân tử. Nó có thể phản ứng với các hợp chất có gốc tự do trong điều kiện bình thường theo nguyên tắc trao đổi spin. Sự oxi hóa quang học chỉ xảy ra trong điều kiện có ánh sáng, chất nhạy ánh sáng và oxy dạng đơn bội 1O2. Cấu hình electron lớp 2pp của 1O2 như hình 2õ. Vì một orbital trong lớp 2pp được cặp đôi, còn orbital còn lại hoàn toàn trống nên 1O2 có một mức năng lượng dưới từ trường và nó có ái lực điện tử. 1O2 phản ứng dễ dàng với các hợp chất có mật độ điện tử cao như các liên kết đôi của acid béo không bão. 1O2 có mức năng lượng 93,6 kJ, trên mức năng lượng cơ bản của 3O2. Trong dung môi, 1O2 bị vô hoạt do năng lượng của nó bị vận chuyển vào dung môi. Thời gian tồn tại của nó trong dung môi nước, hexane, carbon tetrachloride lần lượt là 2, 17, 700 µs (Merkel 1972; Kearn 1975) Hình 1: Cấu hình orbital phân tử của oxy tam bội 3O2 Hình 2: Cấu hình điện tử của orbital phân tử lớp 2pp trong 1O2 Cơ chế oxi hóa dầu Sự tự oxi hóa dầu Sự tự oxi hóa dầu xảy ra theo 3 bước: khởi mạch, phát triển mạch và kết thúc mạch Khởi mạch RH ® R·+H· Phát triển mạch R·+3O2 ® ROO· ROO·+RH ® ROOH+R· Kết thúc mạch ROO·+ROO· ® ROOR + 3O2 ROO·+R· ® ROOR R· + R· ® RR (R : lipid alkyl) Khởi mạch oxy hóa bậc 2 ROOH ® RO· + ·OH 2ROOH ® ROO· + RO· + H2O Khởi mạch oxy hóa bậc 2 dưới xúc tác kim loại Mn+ + ROOH ® RO· + -OH + M(n+1)+ M(n+1)++ ROOH ® ROO· + H+ M(n)+ Sự tự oxi hóa dầu cần acid béo hay acylglycerol ở dạng gốc tự do. Các acid béo và acylglycerol thì ở trạng thái đơn bội không gốc tự do nên khó có thể phản ứng với 3O2. Khi acid béo hoặc acylglycerol mất đi một nguyên tử hydro nó sẽ tạo thành các gốc tự do trong bước khởi mạch. Nhiệt độ, ánh sáng và kim loại xúc tác có thể thúc đẩy phản ứng này xảy ra nhanh hơn. Năng lượng cần thiết để loại bỏ một nguyên tử hydro ra khỏi phân tử acid béo hoặc acylglycerol tùy thuộc vào vị trí của nguyên tử hydro. Các nguyên tử hydro gần liên kết đôi, đặt biệt là các nguyên tử H gần kề hai liên kết đôi rất dễ loại đi. Năng lượng để loại bỏ nguyên tử H ở vị trí C-8, C-11, C-14 của acid linoleic lần lượt là 75, 50, 75 kCal/mol (Min và Boff, 2002). Các gốc alkyl (R·) phản ứng với 3O2 để hình thành gốc peroxy(ROO·). Phản ứng giữa alkyl và 3O2 xảy ra rất nhanh trong điều kiện khí quyển. Do đó, nồng độ của lipid alkyl rất thấp so với gốc peroxy. Gốc peroxy hấp thu điện tử từ các phân tử lipid khác và phản ứng với điện tử này để tạo thành hydroperoxide (ROOR) và một gốc peroxy khác. Những phản ứng này xúc tác cho các phản ứng khác và sự tự oxi hóa lipid được gọi là phản ứng mạch gốc tự do. Tốc độ hình thành peroxy và hydroperoxide chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và oxy. Khi các gốc tự do phản ứng với nhau, các sản phẩm không gốc tự do sẽ tạo thành và phản ứng kết thúc. Hình 3: Sự hình thành hydroperoxide trong sự tự oxi hóa của acid linoleic Hydroperide là sản phẩm bậc 1 của sự oxi hóa dầu . Chất này bền ở nhiệt độ phòng và khi không có mặt của kim loại xúc tác. Tuy nhiên, khi có mặt kim loại và ở nhiệt độ cao, nó bị phân hủy thành các gốc alkoxy để sau đó hình thành nên aldehyde, ketone, acid, ester, alcolhol và các hydro carbon mạch ngắn. Con đường phân hủy hydroperoxide là bẽ gãy liên kết giữa oxy-oxy để tạo ra gốc alkoxy và gốc hydroxy. Năng lượng hoạt hóa để bẽ gãy liên kết này là 46 kcal/mol, thấp hơn năng lượng cần thiết để bẽ gãy liên kết oxy-hydro. Sau đó, alkoxy sẽ trải qua sự phân chia b hóa của liên kết C-C để tạo ra các hợp chất oxo và gốc alkyl không no. Sau khi tái sắp xếp điện tử, thêm gốc hydroxy hay vận chuyển hydro, sản phẩm oxy hóa bậc hai cuối cùng là aldehyde, ketone, alcolhol và hydro carbon mạch ngắn. Hình 4: Cơ chế phân hủy hydroperoxide để tạo thành sản phẩm oxi hóa bậc 2 Thời gian cần thiết để hình thành sản phẩm bậc hai tùy thuộc vào loại dầu. Các sản phẩm oxi hóa bậc hai hình thành ngay lập tức sau khi hydroperoxide hình thành đối với dầu olive và dầu bông. Tuy nhiên, dầu hướng dương và dầu rum, sản phẩm oxi hóa bậc hai chỉ tạo thành khi nồng độ hydroperoxide là đáng kể. Sự oxi hóa quang học. Sự oxi hóa dầu có thể được thúc đẩy bởi ánh sáng, đặc biệt là khi có mặt của chất nhạy ánh sáng như chlorophyll. Các chất nhạy ánh sáng(Sen), ở trạng thái đơn bội, hấp thu ánh sáng rất nhanh và chúng trở nên cực kỳ hoạt động. Các chất dạng hoạt động này có thể quay trở về trạng thái nền bằng các phát ra ánh sáng hay chuyển đổi nội năng (hình 5). Sự phát huỳnh quang và nhiệt là kết quả của hai quá trình tương ứng đó. Hình 5: Trạng thái hoạt động và vô hoạt của chất nhạy ánh sáng Các chất nhạy ánh sáng dạng tam bội (3Sen*) có thể nhận điện tử từ tác chất để hình thành nên các gốc (loại I-hình 6). Các chất nhạy quang học dạng triplet này cũng phản ứng với để hình thành nên anion superoxide. Các anion superoxide này sẽ bị phân hủy cho ra hydroperoxide và hydroperoxide này phản ứng với superoxide để cho ra oxy đơn bội 1O2, trong sự hiện hiện của kim loại như sắt và đồng. O−2· + O−2· + 2H+ ® H2O2 + O2 H2O2 + O−2· ® HO· + OH− + Năng lượng kích thích của 3Sen* có thể được vận chuyển lên trên 3O2 gần kề để hình thành nên 1O2 và chất nhạy ánh sáng này sẽ quay trở về trạng thái nền, dạng đơn bội 1Sen (loại II). Một phân tử 1Sen* có thể sản sinh 105 phân tử 1O2 trước khi bị vô hoạt. Tốc độ của phản ứng loại I và loại II phụ thuộc vào loại chất nhạy ánh sáng, tác chất và phụ thuộc vào nồng độ của tác chất và oxi. Các chất đã bị oxi hóa như phenol, amine hay những chất có tính khử như quinon thường phản ứng theo loại I. Trong khi đó, các chất chưa bị oxi hóa hay bị khử như olefin, diene, các hợp chất thơm thường phản ứng theo loại II. Sự oxi hóa của chất nhạy ánh sáng là nguyên nhân gây ra sự oxi hóa dầu theo sự khởi mạch của oxy đơn bội 1O2. 1O2 có thể phản ứng hóa học với các phân tử khác hay vận chuyển năng lượng vào chúng. Khi 1O2 phản ứng với các acid không bão hòa, phần lớn các hydroperoxide được hình thành theo phản ứng ene (hình 7). 1O2 có thể phản ứng với các liên kết đôi có mật độ điện tử cao mà không cần có sự hình thành các gốc alkyl và hình thành các hydroperoxide tại các liên kết đôi đó. Khi hydroperoxide được hình thành, có sự di chuyển liên kết đôi và hình thành các acid béo dạng trans. Hydroperoxide, được hình thành từ 1O2, bị phân hủy theo cơ chế giống như hydroperoxide bị phân hủy trong sự tự oxi hóa. Hình 6: Phản ứng của chất nhạy ánh sáng với tác chất Hình 7: Sự hình thành allyl hydroxide từ acid oleic bởi phản ứng ene CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG SỰ OXI HÓA DẦU [8] Sự oxi hóa lipid chịu ảnh hưởng bởi thành phần acid béo, quá trình xử lý dầu, năng lượng nhiệt hay ánh sáng, nồng độ và loại oxy, acid béo tự do, mono- và diacylglycerol, kim loại, peroxide, các hợp chất bị oxi hóa nhiệt động, chất màu và chất chống oxi hóa. Thành phần acid béo tự do trong dầu Dầu càng ít bão hòa thì càng dễ bị oxi hóa hơn dầu bão hòa nhiều hơn. Khi mức độ không bão hòa gia tăng, cả tốc độ ôi hóa và số lượng sản phẩm oxi hóa cơ bản sau thời gian khởi mạch sẽ tăng lên. Dầu nành, dầu hướng dương, dầu rum (IV>130) bảo quản trong bóng tối có khoảng thời gian khởi mạch ngắn đáng kể so với dầu dừa và dầu cọ (IV<20). Dầu có chứa nhiều acid oleic hoặc stearic hoặc dầu được hydrogen hóa thường có độ bền oxi hóa cao. Tốc độ tự oxi hóa dầu phụ thuộc đáng kể vào sự hình thành các acid béo và các gốc alkyl acylglycerol. Mặc khác, tốc độ hình thành các gốc này phụ thuộc vào loại acid béo hay aculglycerol. Tốc độ tự oxi hóa tương đối của acid oleic, linoleic, linolenic theo tỉ lệ1:40-50:100 dựa trên sự hấp thu oxi (Min and Bradley 1992) Sự khác biệt trong tốc độ oxi hóa dạng 1O2 giữa các acid béo thì thấp hơn so với tốc độ tự oxi hóa. Tốc độ phản ứng giữa 1O2 với acid stearic, oleic, linoleic, linolenic lần lượt là 1,2.104; 5,3.104; 7,3.104; 10.104 M-1s-1 (Vever Bizet, 1989). Dầu nành phản ứng với 1O2 với tốc độ 1,4.105 M-1s-1 trong methylene chloride ở 20oC (Lee và Min, 1991). Loại acid béo không bão hòa, các dien liên hợp hoặc không liên hợp, triene có ít ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng giữa lipid và 1O2. Quá trình xử lý dầu Phương pháp xử lý dầu có ảnh hưởng đến độ bền oxi hóa của dầu. Độ bền oxi hóa của dầu nành giảm dần theo quá trình xử lý tẩy mùi, tách sáp, tinh luyện và tẩy màu. Đối với dầu bông trích ly bằng hexane, thời gian khởi mạch ở 90oC là 10,5±1,9h thấp hơn so với dầu vừng là 8,1±0,7h. Độ bền oxi hóa của dầu thu được từ quả óc chó trích ly bằng phương pháp chất lỏng siêu tới hạn giảm đi đáng kể so với phương pháp ép. Quá trình rang hạt rum và hạt vừng làm tăng độ bền oxi hóa của dầu do có sự hình thành các sản phẩm Maillard. Các chất này đóng vai trò như những chất chống oxi hóa tự nhiên. Nhiệt độ và ánh sáng Sự tự oxi hóa dầu và sự phân hủy hydroperoxide tăng lên khi nhiệt độ tăng. Sự hình thành các sản phẩm tự oxi hóa trong giai đoạn khởi mạch giảm xuống ở nhiệt độ thấp. Nồng độ hydroperoxide tăng lên cho đến bước phát triển mạch. Tốc độ phân hủy hydroperoxide của dầu cá trích ở 50oC trong tối thì cao hơn tốc độ hình thành hydroperoxide. Nhiệt độ ít ảnh hưởng đến sự oxi hóa 1O2 do năng lượng hoạt hóa thấp (từ 0-6 kcal/mol). Yếu tố ảnh hưởng nhiều hơn là ánh sáng. Aùnh sáng có bước sóng càng ngắn càng ảnh hưởng sự ôi hóa dầu. Khi nhiệt độ gia tăng thì ảnh hưởng của ánh sáng đối với sự ôi hóa lipid giảm. Oxy Sự oxi hóa dầu có thể xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa dầu, oxy và chất xúc tác. Nồng độ và loại oxy cũng ảnh hưởng đến sự oxi hóa dầu. Nồng độ oxy trong dầu phụ thuộc vào áp suất riêng phần trên mặt thoáng của nó. Khi lượng oxi trong dầu càng nhiều thì sự oxi hóa càng nhiều. Oxi hòa tan trong dầu nhiều hơn trong nước và trong dầu thô nhiều hơn trong dầu tinh luyện. Aûnh hưởng của nồng độ oxy đến sự oxi hóa dầu tăng ở nhiệt độ cao và có sự hiện diện của loại. Tốc độ oxi hóa dầu thì không phụ thuộc vào nồng độ oxi khi nồng độ oxi này cao. Khi nồng độ oxy giảm xuống, tốc độ oxi hóa lipid phụ thuộc vào nồng độ oxi nhưng không phụ thuộc vào nồng độ lipid. Khi hàm lượng oxi trên mặt thoáng dầu trên 4-5% thì tốc độ tự oxi hóa của dầu sẽ không phụ thuộc vào nồng độ oxi mà phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ lipid. Ngược lại, khi hàm lượng oxi trên mặt thoáng dầu thấp hơn 4%, tốc độ tự oxi hóa dầu phụ thuộc vào hàm lượng oxi và không phụ thuộc vào nồng độ lipid. Sự oxi hóa dầu bông ở 50oC trong tối được xác định bằng phương pháp độ hấp thu oxy và chỉ số peroxide sẽ càng lớn khi nồng độ oxy trên mặt thoáng ít nhất là 0,5%, còn khi hàm lượng oxi nhiều hơn 1% thì sự oxi hóa dầu giảm. Oxi và dầu có thể dễ phản ứng với nhau hơn khi lượng dầu mẫu ít hoặc tỷ lệ giữa diện tích bề mặt/ thể tích(S/V) chứa dầu lớn. Khi tỷ lệ S/V tăng và với hàm lượng oxi thấp, tốc độ oxi hóa dầu ít phụ thuộc vào hàm lượng oxi. Bề mặt của vật chứa dầu có thể đóng vai trò như chất xúc tác khử. Sự tương tác giữa nhiệt độ và nồng độ oxi ảnh hưởng đến sự tạo thành các hợp chất bay hơi trong dầu bông ở điều kiện trong tối. Sự tạo thành 2-pentenal và 1-pentene-3-one có thể xảy ra ở 50oC nhưng ở 35oC thì không có. Tốc độ phản ứng giữa dầu và oxy tùy thuộc vào loại oxy. Tốc độ phản ứng của oxy singlet 1O2 thì cao hơn so với 3O2 bởi vì 1O2 có thể phản ứng trực tiếp với lipid. 3O2 chỉ phản ứng với lipid ở trạng thái gốc tự do. Linoleate phản ứng với 1O2 nhanh hơn 1430 lần so với 3O2. Các thành phần phụ hiện diện trong dầu Thành phần chính của dầu là TAG, ngoài ra còn có các thành phần phụ khác như acid béo tự do, mono-và diacylglyceride, kim loại, phospholipd, peroxide, chlorophyll, carotenoid, hợp chất phenolic và tocopherol. Một vài trong số chúng làm tăng tốc độ oxi hóa, một số đóng vai trò như những chất chống oxi hóa. Acid béo tự do(FFA), nomo-và diacylglyceride Dầu thô chứa nhiều các acid béo tự do và quá trình tinh luyện dầu làm giảm hàm lượng các acid béo tự do này. Dầu nành thô chứa khoảng 0,7% acid béo tự do, còn trong dầu tinh luyện chỉ chứa khoảng 0,02% FFA. Dầu vừng thô chứa 0,72% FFA nhưng sau khi tẩy màu chỉ còn khoảng 0,56% FFA (Kim và Choe, 2005). Các acid béo tự do dễ bị oxi hóa hơn các acid béo được ester hóa. Các acid béo đóng vai trò như những chất kích thích sự oxi hóa dầu. Chúng có những nhóm chức ưa nước và ưa dầu. Các nhóm carbonyl của FFA thường hòa tan kém trong dầu vì thế các FFA có khung hướng tập trung ở trên bề mặt. Điều này là nguyên nhân làm giảm ứng suất bề mặt của dầu và kết quả là làm tăng tốc độ khuyếch tán của oxi vào dầu, thúc đẩy sự oxi hóa dầu. Thông thường, mono- và diacylglyceride có hàm lượng từ 0,07 -0,11 và 1,05 – 1,2% KL dầu nành. Chúng đóng vai trò như những chất hỗ trợ sự oxi hóa dầu. Chúng cũng làm giảm ứng suất bề mặt dầu và do đó làm tăng tốc độ oxi hóa dầu. Kim loại Dầu thô chứa các kim loại chuyển tiếp như sắt và đồng. Kim loại làm tăng sự oxi hóa dầu do chúng làm giảm năng lượng hoạt hóa trong bước khởi mạch của sự tự oxi hóa xuống khoảng 60-104 kJ/mol. Kim loại phản ứng trực tiếp với lipid để hình thành nên các gốc alkyl lipid. Chúng cũng sản sinh ra các loại oxi hoạt động như 1O2, gốc hydroxy từ 3O2 và hydrogen peroxide. Gốc alkyl lipid và oxy hoạt động thúc đẩy sự oxi hóa dầu. Đồng thúc đẩy sự phân hủy hydroperoxide nhanh gấp 50 lần so với, còn Fe2+ thì thúc đẩy sự phân hủy này nhanh gấp 100 lần so với Fe3+. Phản ứng giữa kim loại và lipid xảy ra theo sơ đồ sau: Fe3+ + RH ® Fe2+ + R− + H+ Fe2+ + 3O2 ® Fe3+ + O−2· O−2·+ O−2·+ 2H+ ® 1O2 + H2O2 H2O2 + O−2 HO· + OH− + 1O2 Fe2+ + H2O2 ® Fe3+ + OH− + HO· Kim loại cũng thúc đẩy sự tự oxi hóa lipid bằng cách phân hủy các hydroperoxide theo phản ứng sau: ROOH + Fe2+(Cu+) ® RO· + Fe3+(Cu2+) + OH− ROOH + Fe3+ (Cu2+) ® ROO· + Fe2+(Cu+) + H+ Fe2+ có tính hoạt động cao hơn so với Fe3+ trong sự phân hủy hydroperoxide. Fe3+ cũng gây phân hủy các hợp chất phenolic như acid caffeic trong dầu olive và làm giảm độ bền oxi hóa của dầu này. Hoạt tính hỗ trợ oxi hóa của sắt có thể bị ngăn chặn bởi lactoferrin trong dầu cá hoặc dầu nành trong khoảng nhiệt độ từ 50-120oC. Lactoferrin có thể kết hợp với sắt làm giảm bề mặt hoạt động của sắt. Vì thế sự oxi hóa dầu giảm xuống. Phospholipid Dầu thô có chứa phospholipid như phosphatidyl ethanolamine, phosphatidyl choline, phosphatidyl inositol, phsphatidyl serine và acid phosphatidic nhưng phần lớn chúng bị loại bỏ trong quá trình tinh luyện dầu. Phospholipid vừa đóng vai trò là chất chống oxi hóa vừa là chất hỗ trợ sự oxi hóa dầu tùy thuộc vào hàm lượng phospholipid và kim loại xúc tác. Sự oxi hóa của docosahexaenoic acid giảm xuống khi phối trôn nó với dầu theo tỷ lệ 1:1. Cơ chế chống oxi hóa dầu của phospholipid vẫn chưa được giải thích cụ thể nhưng những nhóm phân cực đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là các phospholipid chứa Nitơ như phosphatidylcholine và phosphatidylethanolamine có hiệu quả chống oxi hóa dưới mọi điều kiện. Phospholipid làm giảm sự oxi hóa bằng cách cô lập kim loại. Nồng độ thích hợp cho pohpholipid thể hiện hoạt tính chống oxi hóa là 3-60 ppm. Phophospholipid bổ sung vào dầu nành với nồng độ 5-10 ppm sẽ làm giảm sự ôi hóa dầu, còn ở nồng độ cao hơn nó sẽ thể hiện vai trò như chất hỗ trợ sự ôi hóa dầu. Theo Yoon[8], phospholipid chỉ thể hiện hoạt tính chống oxi hóa khi có sự hiện diện của sắt bằng cách cô lập sắt. Trong dầu nành tinh luyện, khi hàm lượng kim loại rất thấp thì phospholipid lại thể hiện vai trò là chất hỗ trợ sự ôi hóa. Cơ chế của sự ôi hóa domphospholipid là do trong phospholipid có các nhóm ưa nước. Các nhóm này làm giảm ứng suất bề mặt dầu nen làm tăng tốc độ khuyếch tán oxi vào dầu. Vì thế, sự oxi hóa dầu được thúc đẩy nhanh hơn. Chlorophyll Chlorophyll thường có mặt trong các loại dầu thực vật. Dầu olive, dầu hạt cải, dầu nành thô và dầu nanh tinh luyện có hàm lượng chlorophyll lần lượt là 10 ppm; 5-35 ppm; 0,3 ppm; 0,08 ppm (Salvador 2001, Psomiadou và Tsimidou 2002). Chlorophyll và các sản phẩm phân hủy của chúng như pheophytins và pheophorbides đóng vai trò như những chất làm tăng độ nhạy ánh sáng để sinh ra 1O2 trong sự có mặt của ánh sáng và oxy khí quyển 3O2 và làm tăng sự ôi hóa dầu. Pheophytins vàpheophorbide đều có độ nhạy ánh sáng cao hơn chlorophyll. Dầu nành được tinh sạch bằng cột sắc ký silicagel sẽ không có chứa chlorophyll và dầu này không sinh ra các sản phẩm bay hơi (theo Lee và Min 1988). Còn dầu nành tinh luyện được bổ sung chlorophyll sẽ làm tăng hàm lượng chất bay hơi đáng