Fe₃O₄@SA纳米酶凝胶微球比色法检测植物性食用油过氧化值

植物性食用油是人类膳食的重要组成部分, 可为人体提供所需的能量和营养物质。然而, 由于其富含不饱和脂肪酸, 易受光照、金属离子、高温及水分等因素的影响, 引发氧化酸败并产生异味及有害物质。过氧化值(peroxide value, POV)作为评价油脂氧化程度的重要指标。根据我国GB 2716—2018《食品安全国家标准 植物油》的规定, 植物性食用油的POV不应超过0.25 g/100 g。目前, 国内外对植物性食用油POV的检测方法主要有碘量法、光谱法、色谱法及电化学分析法等。然而, 传统的碘量法需使用有毒试剂且重复性较差; 光谱法、色谱法、电化学法则存在耗时长、操作复杂及需依赖专业仪器等局限性, 限制了其日常应用。相比之下, 比色法具有可视化、快速、灵敏度高等优势, 其通常结合酶标仪、紫外分光光度计等工具对目标物进行分析。与此同时, 智能手机作为一种便携式检测辅助工具, 近些年在食品、生物、医药及环境等领域得到了广泛应用。基于智能手机的数字图像比色检测技术是利用三原色(red, green, blue, RGB)原理, 通过采集图像颜色信息的空间数值后建立其与目标物含量的定量关系, 以实现对目标物的检测。比色法与智能手机相结合不仅可节约检测时间和经济成本, 还可实现现场的即时检测。但是, 目前将Fe₃O₄纳米酶与比色法及智能手机相结合用于检测食用油POV的报道较少。

Fe₃O₄纳米酶是一类兼具有纳米材料特性和酶催化功能的人工模拟酶。与天然酶相比较, 拥有稳定性高、催化活性好、制备简便且成本低廉等优势, 在食品安全检测领域得到广泛应用。然而, Fe₃O₄纳米酶因表面能较高, 易发生团聚, 影响其性能和应用效果。为此, 通常需通过修饰改性来提高其对底物的亲和力。例如, 将Fe₃O₄纳米酶负载到三维网状结构的凝胶中, 即可有效防止纳米粒子的团聚, 又能为催化反应提供适宜的微环境。

鉴于此, 本研究以海藻酸钠(sodium alginate, SA)为载体, 采用化学共沉淀法和离子交联技术制备了具有类过氧化物酶活性的Fe₃O₄@SA纳米酶凝胶微球(以下简称: 纳米酶凝胶微球), 并构建了检测植物性食用油POV的比色传感体系(图1)。该体系中的纳米酶凝胶微球可催化植物性食用油中的过氧化物形成羟基自由基, 使得3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine, TMB)变成蓝色氧化产物3,3’,5,5’-四甲基联苯二亚胺(3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine diimine, oxTMB), 产生肉眼可见的颜色变化。利用酶标仪和智能手机采集颜色信息, 结合吸光度值和RGB分析进行数字化处理, 建立基于酶标仪比色法和智能手机数字图像比色法的POV快速检测方法。本研究基于纳米酶凝胶微球构建的比色检测方法具有检测所需时间短、经济成本低、操作简便, 无需借助大型实验仪器设备即可快速实现对植物性食用油 POV 的即时检测, 可为食用油的质量控制提供新技术。

注: 椭圆框为油样与纳米酶凝胶微球、显色剂TMB反应过程, 最终形成蓝色氧化产物oxTMB。

图1  纳米酶凝胶微球比色检测植物性食用油POVs的示意图

表1  优化条件及参数

注: a. 纳米酶凝胶微球的外貌; b. 纳米酶凝胶微球的磁性;c. 纳米酶凝胶微球的粒径分布直方图。

图2  纳米酶凝胶微球的形貌特征及磁性

注: 插图为不同组分反应后溶液颜色变化。

图3  不同组分比色传感体系的吸收光谱图

注: 插图为不同氧化程度油样反应后溶液变化,且a至d号的油样POVs依次增大。

图4  不同氧化程度的油样的反应后体系的吸收光谱图

注: 插图为不同比色条件下反应后溶液颜色变化。

图5  不同的比色条件对显色体系的影响

图6  纳米酶凝胶微球的稳定性

注: 1~8号为油样POVs逐渐增加的显色体系。

图7  不同POVs的油样显色实验后体系的图像

表2  不同POVs的油样显色后体系的RGB参数值

表3  定量检测模型

注: a. 菜籽油; b. 花生油; c. 葵花籽油; d. 玉米油; e. 大豆油, 图9~10同; 插图为不同氧化程度油样显色反应后溶液颜色变化。

图8  不同POVs的植物性食用油比色检测的吸收光谱图

图9  酶标仪比色法检测不同类型植物性食用油POVs的标准曲线

图10  智能手机数字图像比色法检测不同类型植物性食用油POVs的标准曲线

注: 1~6为菜籽油样品, 7~12为花生油样品, 13~18为大豆油样品, 19~24为玉米油样品, 25~30为葵花籽油样品, 下同。

图11  酶标仪比色法与国家标准方法的检测结果对比

图12  智能手机数字图像比色法与国家标准方法的检测结果对比

本研究基于纳米酶凝胶微球的类过氧化物酶催化活性, 构建了检测植物性食用油POV的酶标仪比色法和智能手机数字图像比色法。所制备的纳米酶凝胶微球具有标准的形貌和尺寸, 表现出良好的类过氧化物酶活性、超顺磁性以及稳定性。在POV为0~0.40 g/100 g范围内, 植物性食用油POV与吸光度值、RGB的B值呈现良好的线性关系。在对不同类型的油样检测中, 酶标仪比色法和智能手机数字图像比色法测定结果均显示出较高的准确性和实用性。此外, 将智能手机与比色法联用, 通过智能手机的摄像头和应用程序对比色体系进行信息采集, 即可实现即时分析与定量检测, 其克服了传统比色法所需大型仪器的局限性, 具有操作简单、成本低廉、快捷高效的优势, 也为食品安全的保障提供了新途径。