趙 昕,韓宗博,王智宇,李治城,展亞莉,常秀蓮

(1.煙臺大學生命科學學院,山東 煙臺 264005;2.青島鵬遠康華天然產(chǎn)物有限公司,山東 萊西 266612)

黑胡蘿卜外觀為紫黑色,含有的紅色素為花青素[1],花青素屬于黃酮類化合物的一種,是自然界中普遍且廣泛存在于植物中的天然水溶性色素,也是植物的主要呈色物質(zhì)之一[2],主要作為食品和化妝品的著色劑[3]．花青素類物質(zhì)具有多種生物學活性,如抗衰老[4]、抗炎[5]、抗腫瘤[6]、抗突變[7]、化學預防[8]、抑制血小板凝集[9]和脂質(zhì)過氧化[10]、保護視力[11]和預防糖尿病[12]等．花青素在自然條件下非常不穩(wěn)定,游離狀態(tài)的花色苷元極少見,一般會與單個或多個糖類在3,5位置上以化學鍵形式結(jié)合,形成花色苷,因此該色素也屬于花色苷類．

國內(nèi)對黑胡蘿卜紅色素的研究報道較少,主要集中在色素的提取[13]和穩(wěn)定性研究．劉楠[14]研究了pH值、光、熱、金屬離子、抗壞血酸、氧化劑H2O2、還原劑Na2SO3、防腐劑苯甲酸鈉對黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響．ALGARRA M[15]研究了黑胡蘿卜紅色素的結(jié)構(gòu)．另外,田喜強[16]對黑米色素在不同溫度、光照、氧化劑條件下的穩(wěn)定性進行了研究, XU H G等[17]在葡萄皮色素中添加櫟草亭(六羥基黃酮)、表沒食子兒茶素、沒食子酸酯、茶多酚、楊梅樹皮甙和蕓香苷,結(jié)果表明輔色劑對葡萄皮色素的穩(wěn)定性有不同程度的影響．YAWADIO R等[18]研究了芳香族和脂肪族羧酸對花青素的增色效果,表明芥子酸、阿魏酸、對香豆酸能增強黑米汁的顏色,效果最強的是芥子酸(二甲基肉桂酸酯衍生物),加入后,顏色由紅色向藍色偏移．工業(yè)化生產(chǎn)中,70 ℃是色素真空濃縮的溫度上限,熱處理對色素有很大損失,為探討食品添加劑對黑胡蘿卜紅色素熱穩(wěn)定性的影響,采用檸檬酸、草酸、阿魏酸、酒石酸、乳酸、乙酸、抗壞血酸、沒食子酸、蘋果酸、對香豆酸10種酸類添加劑和乳糖、β-環(huán)狀糊精、殼多糖、糊精4種糖類添加劑,研究食品添加劑對黑胡蘿卜紅色素熱穩(wěn)定性的影響及其熱降解動力學,以期尋找實際生產(chǎn)中可以維持花青素穩(wěn)定的添加劑,從而為企業(yè)減少生產(chǎn)過程中造成的損失的同時,也為企業(yè)節(jié)約了成本．

1 材料和方法

1.1 實驗儀器

SC-15數(shù)控超級恒溫槽,寧波天恒儀器廠;pH211酸度計,意大利哈納公司;WGJ7200可見分光光度計,尤尼柯(上海)儀器有限公司;TU-1900雙光束紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;AR1530分析天平,奧豪斯國際貿(mào)易(上海)有限公司．

1.2 實驗材料

黑胡蘿卜紅色素、糊精,青島鵬遠康華天然產(chǎn)物有限公司提供;無水乙酸鈉、氯化鉀、冰乙酸、草酸、檸檬酸、乳酸、酒石酸、沒食子酸、抗壞血酸試劑均為分析純,對香豆酸、阿魏酸、DL-蘋果酸試劑均為食品級．

1.3 分析和試驗方法

1.3.1 花色苷總量的測定 黑胡蘿卜中的紅色素屬于花色苷類,花色苷總量的測定采用pH示差法[16],以矢車菊-3-葡萄糖苷計．

分別以pH值 1.0 和4.5 的緩沖溶液對儲備樣品進行適當稀釋．以水做空白,分別測定 520和 700 nm 波長下的吸光度．

在700 nm波長下測定吸光度是為了校正混濁對測定結(jié)果的干擾．如果稀釋后的樣品過于混濁,測定前采用離心或過濾的方法進行澄清處理．采用的過濾器不能吸收花青素．測量前先用pH值 1.0 的溶液稀釋,確定合適的稀釋倍數(shù),使其吸光度在0.2～0.7的范圍內(nèi),再用pH值 4.5 的溶液測量其吸光度．

式中:吸光度A=(A520-A700)pH1.0-(A520-A700)pH 4.5,

M(摩爾質(zhì)量)為449.2 g/mol,以矢車菊-3-葡萄糖苷為基準;D為樣品儲備液的稀釋倍數(shù);1為光路長,cm,測試中采用1 cm 光路長的比色皿;ε為矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù),為26 900 L·mol-1·cm-1;1 000為由g換算成mg的轉(zhuǎn)換系數(shù)．

1.3.2 不同酸類添加劑對黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響 在1.0 mg/mL黑胡蘿卜紅色素溶液中添加相同量的檸檬酸、草酸、阿魏酸、酒石酸、乳酸、乙酸、抗壞血酸、沒食子酸、蘋果酸和對香豆酸10種酸類添加劑,在水浴鍋中70 ℃條件下水浴120 min,每隔30 min取樣測定溶液花青素含量．

1.3.3 糖類添加劑對黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響 在1.0 mg/mL黑胡蘿卜紅色素溶液中添加相同量的乳糖、糊精、β-環(huán)狀糊精和殼多糖4種糖類添加劑,在水浴鍋中70 ℃條件下水浴180 min,每隔30 min取樣測其花青素含量,通過熱降解動力學實驗來比較不同酸類添加劑對色素的影響．

1.3.4 熱降解動力學分析 由于黑胡蘿卜紅色素為花色苷類色素,所以其降解動力學反應(yīng)為零級動力學[19]或者一級動力學[20-21]．

(1) 零級動力學

零級反應(yīng)動力學的方程式及半衰期t1/2為

Ct=C0-kt,t1/2=C0/2k,

式中：C0為初始時刻花色苷的含量;Ct為一定溫度下加熱t(yī)時間后花色苷含量;K為反應(yīng)動力學常數(shù);t1/2為反應(yīng)半衰期即花色苷降解一半時所需要的時間．

(2) 一級動力學

一級反應(yīng)動力學方程經(jīng)常用來表征食品品質(zhì)的變化過程．

一級反應(yīng)速度常數(shù)k及半衰期t1/2為

ln(Ct/C0)=ln(At/A0)=-kt,

t1/2=-ln 0.5×k-1,

式中:C0為初始時刻花色苷的含量;Ct為一定溫度下加熱t(yī)時間后花色苷含量;其中C0和Ct可用A0和At代替．A0為初始時刻花色苷樣品液在最大吸收波長處的吸光度;At為一定溫度下加熱t(yī)時間后花色苷樣品液在最大吸收波長處的吸光度．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酸類添加劑存在下黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性

10種酸類添加劑在70 ℃下加熱120 min后黑胡蘿卜殘余花色苷的含量在草酸、檸檬酸、乳酸、乙酸、酒石酸、沒食子酸、蘋果酸中明顯高于空白(圖1(a)),而在抗壞血酸、對香豆酸、阿魏酸這3種添加劑中要明顯低于空白(圖1(b))．

圖1(a)為70 ℃下加熱120 min后,殘余花色苷含量高于空白值的有機酸．由圖1(a)知,黑胡蘿卜紅色素在前30 min下降低最快,可能是由于高溫引起色素分子上糖基的破壞,從而導致其降解[22];在第2個30 min下基本沒有變化,以后除空白和沒食子酸外,其他有機酸的存在使所測得的花青素含量在逐漸增加,顏色加深,目前,文獻上尚未有此現(xiàn)象的報道,推測其原因為:高溫使有機酸跟色素的羥基發(fā)生酯化反應(yīng),隨著加熱時間延長,酯化反應(yīng)程度增加,花色苷更穩(wěn)定存在．其中草酸、檸檬酸、乳酸和酒石酸存在的情況下,黑胡蘿卜紅色素在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性較好,草酸效果最好．

熱降解動力學數(shù)據(jù)采用零級和一級動力學模型進行擬合,表1中很低的相關(guān)系數(shù)表明零級和一級動力學方程都不能很好的表征動力學數(shù)據(jù),可能是由于發(fā)生了酯化反應(yīng),所以不遵循此熱降解動力學規(guī)律．因此,根據(jù)實驗結(jié)果采用多項式擬合的方法,擬合了有機酸的熱降解動力學數(shù)據(jù),如圖2所示,擬合的方程以及R2在表1右列中,方程與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均高于0.9,擬合結(jié)果較好．總之,草酸最有利于黑胡蘿卜紅色素的穩(wěn)定,而抗壞血酸最不利于其穩(wěn)定．

圖1 不同酸類添加劑對黑胡蘿卜紅色素穩(wěn)定性的影響

圖2 不同酸類添加劑對黑胡蘿卜紅色素熱降解動力學的影響

2.2 不同糖類添加劑存在下黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性

乳糖、β-環(huán)狀糊精、殼多糖和糊精4種糖類添加劑加入到黑胡蘿卜紅色素溶液中,70 ℃下作用不同時間,色素殘留量隨時間的變化關(guān)系如圖3所示．圖3可知,隨著加熱時間的延長,包括空白在內(nèi)的5組樣品中的花色苷含量均呈現(xiàn)下降趨勢,其中糊精在短時間內(nèi)加熱(30 min)色素溶液花色苷含量上升,添加β-環(huán)狀糊精、乳糖和殼多糖的溶液中花色苷含量下降明顯．因此,除糊精可以增強穩(wěn)定性外,其他糖類添加劑的存在并不能增強色素溶液的穩(wěn)定性．用色素的零級和一級熱降解動力學方程來擬合實驗數(shù)據(jù),擬合參數(shù)如表2所示,零級和一級動力學方程都能很好地擬合實驗數(shù)據(jù),且擬合效果相近,綜合考慮零級和一級動力學的R2,色素的熱降解一級動力學稍顯優(yōu)勢,因此將一級動力學數(shù)據(jù)進行作圖擬合,如圖4所示,可以清楚看出除β-環(huán)狀糊精外,其他糖類添加劑的擬合效果很好．

表1 黑胡蘿卜紅色素在不同酸類添加劑中的熱降解動力學參數(shù)

圖3 不同糖類添加劑對黑胡蘿卜紅色素穩(wěn)定性的影響

圖4不同糖類添加劑對黑胡蘿卜紅色素熱降解動力學的影響

Fig.4 Effect of different sugar additives on the thermal degrada-tion kinetics of black carrot color

表2 色素在不同糖類添加劑中的熱降解動力學參數(shù)

2.5 草酸和糊精對黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性比較

實際工業(yè)化濃縮過程中,熱處理的時間與待處理濃縮的物料量的多少及濃度有關(guān),由于物料量及濃度不定,因此需要的處理時間不同．通過上述實驗可以看出,長時間加熱下,加入酸性添加劑草酸效果最好,對于需要短時間處理的溶液(30 min以內(nèi)),草酸和糊精都能夠增加花色苷含量,因此將二者進行實驗比較,30 min內(nèi)70 ℃的實驗結(jié)果如表3所示．表3結(jié)果表明,在黑胡蘿卜紅色素中糊精的存在使色素損失僅約1%,而酸性添加劑草酸的存在與空白結(jié)果類似,色素損失分別為7.09%和8.3%,差異不大．因此,短時間加熱時,糊精對色素穩(wěn)定性的增強效果明顯好于草酸．

表3 色素在草酸和糊精存在下的穩(wěn)定性比較

3 結(jié) 論

10種酸類添加劑對黑胡蘿卜紅色素熱穩(wěn)定性的影響不同,草酸最有利于色素的穩(wěn)定,而抗壞血酸使色素的穩(wěn)定性更差,且酸類添加劑對色素熱穩(wěn)定性的影響適合用多項式方程表達;相同條件下,4種糖類添加劑均不利于色素長時間的熱穩(wěn)定,但糊精在30 min內(nèi)對色素的熱穩(wěn)定性起到很好的保護效果,且穩(wěn)定性高于草酸,在糖類添加劑存在下色素的熱降解用零級或一級動力學方程均能較好的描述,且2種方程擬合效果相差不大．