張娟，張留洋，王莉君，秦昌月，羅建，趙桃（上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海201620）

紫青稞色素的熱降解動(dòng)力學(xué)研究

張娟，張留洋，王莉君，秦昌月，羅建，趙桃*
（上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海201620）

為研究紫青稞色素的穩(wěn)定性，在不同溫度（70、80、90℃）和pH值（1、3、5、7）條件下檢測(cè)其降解過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該色素的降解速率與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系，符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征。該色素的穩(wěn)定性同時(shí)受溫度和pH影響，在較低溫度和較低pH條件下穩(wěn)定性較強(qiáng)。在70℃～90℃范圍內(nèi)，pH值為1，3，5和7時(shí)，紫青稞色素的半衰期t1/2分別為23.8 h～9.1 h、16.5 h～6.9 h、13.5 h～6.8 h、16.8 h～7.5 h，活化能Ea分別為49.68、45.37、35.55、41.84 kJ/mol。此外，紫青稞色素提取液的降解生成褐色物質(zhì)，褐變指數(shù)隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)、加熱溫度的升高、pH值的增大而增大。

花色苷；穩(wěn)定性；動(dòng)力學(xué)；青稞

花色苷類色素是植物中廣泛存在的水溶性色素，不僅賦予植物鮮艷的顏色以利于授粉和種子傳播、抵抗植物蟲害以及預(yù)防植物的紫外線照射損傷，而且對(duì)于人類具有許多生理保健功能，如清除體內(nèi)自由基、抗腫瘤、抗癌、預(yù)防糖尿病、保護(hù)視力等[1-4]。此外，花色苷還可用作抗氧化劑阻止或延緩油脂的自動(dòng)氧化，防止食品在貯藏中因氧化而使?fàn)I養(yǎng)損壞褐變褪色等[5]。

青稞（Hordeum vulgare ssp.Vulgare）即裸大麥，在我國(guó)主要分布西藏、青海、四川的甘孜州和阿壩州、云南的迪慶、甘肅的甘南等青藏高原地區(qū)。由于青稞含有大量可溶性纖維、β-葡聚糖、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，近年來受到廣泛關(guān)注，種植面積日益增加[6]。青稞種皮色素屬花色苷類色素，具有較好的抗氧化、去除自由基活性[7-8]，但其穩(wěn)定性還未得到深入研究。本試驗(yàn)主要研究紫青稞色素提取物在不同pH值和溫度條件下的熱穩(wěn)定性及其降解動(dòng)力學(xué)特征，為青稞色素的開發(fā)利用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料

試驗(yàn)所用青稞材料：西藏農(nóng)科所提供；試驗(yàn)所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純：購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。1.1.2儀器

HH-數(shù)顯恒溫水浴鍋：上海逸龍科技有限公司；pHB-4便攜式pH計(jì)：上海精密科技儀器有限公司；SHZ-D型循環(huán)水式真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；AB104-N型分析天平：梅特勒-托利上海有限公司；UV-7504型單光束紫外可見分光光度計(jì)：上海欣茂儀器有限公司；UV-1601PC型全波長(zhǎng)掃描儀：島津公司。

1.2色素提取

將去雜后的青稞種子置于含0.2%鹽酸的甲醇溶液中[料液比1∶10（g/mL）]，4℃避光浸提24 h。提取液過濾后，40℃減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，并用3倍體積乙酸乙酯萃取3次脫脂，萃取液（水相）過濾后，40℃減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥后，得到色素粗提物。

1.3色素純化

利用Sp850型大孔樹脂純化色素粗提物。樹脂用4倍體積無水乙醇浸泡24 h，充分溶脹，去除未聚合的單體、致孔劑、引發(fā)劑等雜質(zhì)后過濾收集樹脂。將2 g（干重）樹脂濕法裝柱，以2 BV/h上樣，上樣液質(zhì)量濃度為22.0 mg/L，pH值為2.0。樹脂吸附飽和后，結(jié)束上樣，用蒸餾水沖洗，除去粗提物中糖和蛋白質(zhì)等水溶性的雜質(zhì)，待水洗流出液為無色后，用60%的乙醇溶液解吸色素，解吸流速為2 BV/h。解吸液于40℃減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥后，得到純化色素。

1.4光譜分析

將純化的青稞花色素分別溶于pH為1、3、5、7的緩沖溶液，緩沖液配制方法見表1，以相應(yīng)溶劑為參比，在波長(zhǎng)400 nm～800 nm范圍掃描其可見光譜特征。所有樣品在測(cè)定前均避光平衡1 h。

表1　緩沖溶液的配置方法（體積比）Table 1　Solventproportion（v/v）of the buffer solutions

1.5色素質(zhì)量濃度測(cè)定

色素質(zhì)量濃度的測(cè)定采用pH示差法[9]，由等量矢車菊素-3-葡萄糖苷（Cyd-3-G）表示，計(jì)算公式如下：

式中：C為花色苷質(zhì)量濃度，mg/L；A為pH 1.0時(shí)花色苷在520 nm與700 nm的吸光值之差減去pH 4.5時(shí)花色苷在520 nm與700 nm的吸光值之差；MW為Cyd-3-G的分子量449.2 g/mol；DF為稀釋倍數(shù)；1 000為將單位由g轉(zhuǎn)化為mg的倍數(shù)；ε為摩爾消光系數(shù)26 900 L/（mol·cm）；1為比色皿寬度，cm。

1.6熱穩(wěn)定性測(cè)定

取pH為1、3、5、7（表1）的青稞花色素15 mL溶液置于旋蓋試管中，于70、80、90℃條件下水浴加熱。每隔1 h測(cè)定其花色苷質(zhì)量濃度變化。

1.7熱降解模型

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，花色苷類色素的熱降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征，可用阿倫尼烏斯模型進(jìn)行擬合，其基本公式如下：

式中：Y0為花色苷起始質(zhì)量濃度，mg/L；Yt為加熱t(yī)小時(shí)后的花色苷質(zhì)量濃度，mg/L；T為絕對(duì)溫度，K；k∞為指前因子，（/s）；Ea為活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)[8.31 J/（mol·K）]。

1.8褐變指數(shù)測(cè)定

測(cè)定了加熱9 h后，紫青稞色素樣品的褐變指數(shù)（BI）的變化，計(jì)算公式如下：

式中：A420、A700、Amax分別代表樣品在420、700 nm和最大可見吸收波長(zhǎng)處的吸光值。

2　結(jié)果與分析

2.1紫青稞色素的可見吸收光譜

對(duì)紫青稞色素的可見吸收光譜分析結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同pH條件下青稞色素的可見吸收光譜Fig.1　Visible spectra ofhulless barley extractatdifferentpH values

不同pH條件下，紫青稞色素在515 nm～580nm范圍內(nèi)出現(xiàn)特征吸收，符合花色苷類物質(zhì)的2-苯基苯并吡喃母環(huán)的特征吸收波長(zhǎng)范圍。一般來說，在不同pH值的水溶液中，花色苷存在4種分子結(jié)構(gòu)的平衡，包括紅色花鎓陽離子，無色的甲醇假堿，藍(lán)紫色醌式脫水堿和灰黃色查爾酮。因此，青稞色素在水溶液中，隨著pH值變大，紅色的花鎓陽離子結(jié)構(gòu)逐步水解成為花鎓陽離子和甲醇假堿混合物（pH 1～5），醌式脫水堿和查爾酮混合物（pH 6～9），引起溶液顏色及光譜特征發(fā)生改變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的最大吸收波長(zhǎng)，在相應(yīng)波長(zhǎng)位置測(cè)定并計(jì)算色素在不同pH條件下的褐變指數(shù)。

2.2紫青稞色素的熱降解動(dòng)力學(xué)研究

試驗(yàn)研究pH值為1、3、5、7，溫度為70、80、90℃條件下紫青稞色素降解的動(dòng)力學(xué)過程。結(jié)果表明，樣品中青稞色素的質(zhì)量濃度隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)不斷減小，樣品液初始質(zhì)量濃度C0和加熱t(yī) min后的質(zhì)量濃度Ct的比值與時(shí)間呈良好的線性關(guān)系，見圖2，符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可通過下列公式進(jìn)行擬合：

式中：C0為樣品中花色苷的初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ct為加熱t(yī) min后樣品中花色苷質(zhì)量濃度，mg/L；k（h-1）為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)（降解速率常數(shù)）；t1/2（h）為半衰期，即花色苷降解50%所需時(shí)間，h。

青稞花色苷降解參數(shù)如表2所示。

圖2　青稞色素在不同pH值條件下的熱降解Fig.2　Degradation ofanthocyanins in hulless barley extracts during heating at various

表2　青稞花色苷的熱降解參數(shù)Table 2　Thermaldegradation parameters of hulless barley anthocyanin extracts

由青稞色素的半衰期t1/2可知，在70℃～90℃條件下低pH值溶液中的青稞色素穩(wěn)定性更強(qiáng)。如前所述，花色苷類色素由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在不同pH值條件下存在4種分子結(jié)構(gòu)的平衡，其中，花鎓陽離子的吡喃結(jié)構(gòu)開環(huán)成為甲醇型假堿結(jié)構(gòu)是花色苷降解的重要途徑之一[10]。根據(jù)我們的結(jié)果，青稞色素在pH 1條件下熱穩(wěn)定性最好，在pH 5條件下熱穩(wěn)定性最差，與在大麥[11]、小麥[12]、土豆[13]、黑米[14]、蘿卜[15]、玉米[16]等中的研究結(jié)果一致。

此外，動(dòng)力學(xué)參數(shù)還表明青稞色素的降解隨加熱溫度和加熱時(shí)間的增加而增強(qiáng)。例如，在pH 1條件下，降解速率k由0.029 1 h-1（70℃）增加為0.075 9 h-1（90℃）。對(duì)紫土豆、紅土豆、葡萄和紫蘿卜的色素降解動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，其半衰期t1/2（pH 3，80℃）分別為15、34、15和33 h[13]。而玫瑰茄花色苷在70、80、90℃條件下的半衰期t1/2分別為11.55、7.22和3.21 h[17]。不同物種花色苷降解速率的差異可能是由于其色素結(jié)構(gòu)中的糖苷配基、糖殘基組成和?；潭炔煌拢部赡芘c色素提取物中酚類化合物的含量和結(jié)構(gòu)相關(guān)[10]。

青稞色素的降解對(duì)溫度的依賴性由反應(yīng)活化能（Ea）反映。根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型（公式2），青稞花色苷的降解速率k（h-1）與活化能Ea間的關(guān)系可表示為：

式中：K0為頻率因子，（h-1）；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)[8.31 J/（mol·K）]；T為絕對(duì)溫度，K。

由表2可知，青稞色素在pH 1、3、5、7的活化能分別為49.68、45.37、35.55、41.84 kJ/mol，即其對(duì)溫度的敏感性隨pH值變化而變化，在pH 5.0時(shí)對(duì)溫度的敏感性較弱，可能主要受其甲醇假堿結(jié)構(gòu)的影響。

2.3紫青稞色素的褐變指數(shù)

花色苷熱降解過程中生成褐色化合物。可能的機(jī)制包括最初形成查耳酮，之后損失糖基部分和形成α-二元酮等，端產(chǎn)物有香豆苷衍生物、安息香酸衍生物和三羥基苯甲醛等。褐變指數(shù)是評(píng)價(jià)花色苷降解的又一有效量度，其值不僅反映了花色苷在降解過程中因形成無色醇型假堿而引起的在其最大可見吸光度的減小，也反映出由于生成褐色物質(zhì)引起420 nm處吸光度的增加。根據(jù)公式（3）計(jì)算可知，紫青稞色素提取液在加熱9 h后出現(xiàn)不同程度的褐變，其褐變指數(shù)隨pH值的增加、加熱溫度的升高而增大（圖3）。

圖3　紫青稞色素提取液的褐變指數(shù)Fig.3　Brown indices of the extracts of purple hulless barley

3　結(jié)論

本研究表明，在70℃～90℃范圍內(nèi)，青稞色素的熱降解過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征，降解率與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系，可用阿倫尼烏斯公式進(jìn)行擬合和預(yù)測(cè)。青稞色素的熱穩(wěn)定性和褐變程度受溶液pH值、溫度的影響，在較低的pH值和溫度條件下穩(wěn)定性更好，褐變程度較低。為提高青稞色素的穩(wěn)定性，在對(duì)含青稞色素食品的加工或貯存過程中，應(yīng)充分考慮溫度及pH條件的影響。此外，需要對(duì)青稞色素提取物的具體化學(xué)組成及青稞花色苷的降解機(jī)理進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步探索將青稞色素作為保健食品或食品添加劑的可行性。

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Thermal Degradation Kinetics of Pigments from Purple Hulless Barley

ZHANG Juan，ZHANG Liu-yang，WANG Li-jun，QIN Chang-yue，LUO Jian，ZHAO Tao*

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

In the present study，thermalsta bility of anthocyanins from purple hulless barley was investigated at three temperatures（70，80，90℃）and four pH values（1，3，5，and 7）.Results indicated that the degradation kinetics of hulless barley anthocyanins followed first-order reaction kinetics.The thermal degradation of hulless barley anthocyanins was temperature and pH dependent，and the anthocyanins were more stable during heating at lower temperature and pH.The calculated values ofhalf-lives t1/2were 23.8 h-9.1 h，16.5 h-6.9 h，13.5 h-6.8 h，16.8 h-7.5 h and the activation energies（Ea）were 49.68，45.37，35.55，41.84 kJ/molfor anthocyanins atpH 1，3，5 and 7，respectively.Besides，brown compounds appeared in the pigment extracts during heating，and the brown indices ofthe extracts increased with increasing oftime，temperature and pH.

anthocyanins；stability；kinetics；hulless barley

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.006

上海工程技術(shù)大學(xué)高水平項(xiàng)目培育基金（2012gp10）；上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（cs1404009）；上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（cx1404004）

張娟（1994—），女（漢），本科在讀，制藥工程專業(yè)。

趙桃（1982—），女（漢），副教授，博士，研究方向：天然產(chǎn)物。

2015-06-08