張玉麗，高 晶，郭 芹，曹麗琴，林江麗，王吉德，吳 斌

（1.新疆大學化學化工學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆大學理化測試中心，新疆烏魯木齊830046；3.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，新疆烏魯木齊830091）

花色苷是一種天然植物色素，廣泛存在于植物的花、葉和果皮中，使其呈現(xiàn)出鮮艷的色澤[1]。紅提葡萄是花色苷色素的主要來源，含量一般在30～750mg/100g鮮重，呈寶石紅，主要存在于葡萄的果皮中，屬于黃酮類化合物，其具有黃酮的C6C3C6結構[2]。紅提葡萄果皮中花色苷不但含量高，而且種類多，主要以錦葵素-3-葡萄糖苷為多[3]。葡萄花色苷作為一種天然植物色素，安全、無毒，具有降低肝臟及血清中脂肪含量、抑制癌變、改善視力、美容等生理和藥物功能[4]，在食品、化妝品和醫(yī)藥等領域具有很大的應用前景?；ㄉ帐瞧咸训闹匾δ艹煞?，與其營養(yǎng)價值及保健功能密切相關，但它對溫度、pH、光、氧氣、酶、抗壞血酸、糖類、二氧化硫和亞硫酸類、金屬離子和輔色素類很敏感，在生產(chǎn)和貯藏中容易發(fā)生化學變化而降解或聚合，從而引起在貯藏和加工過程中顏色的劣變，成為影響葡萄品質的主要因素，所以研究紅提葡萄花色苷的熱穩(wěn)定性及變化規(guī)律極為重要[5]。采用化學反應動力學原理來建立食品顏色變化與貯藏期關系數(shù)學模型的報道有很多[6-10]，該方法簡便可行，只需測定2個以上較高溫度下顏色變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可以得到顏色變化的數(shù)學模型，將貯藏溫度代入到這個模型中，就可以預測和顏色相關的貯藏期或貨架期。本實驗通過研究葡萄花色苷的熱穩(wěn)定性，推導其熱降解的動力學方程，初步建立了紅提葡萄熱降解的動力學模型，為有效控制葡萄花色苷的降解和延長貯藏期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅提葡萄 采自新疆昌吉三平農(nóng)場，果實大小和成熟度均一，葡萄果實分為兩批分別置于室溫（23±1）℃和冷藏（0±1）℃條件下貯藏，每隔一段時期，取不同貯藏溫度下的果實，將果皮和果肉剝離后，迅速用液氮冷凍，置于-80℃的超低溫冰箱中備用；鹽酸、甲醇、氯化鉀、醋酸鈉 均為分析純，天津基準化學試劑有限公司。

DK-8D型恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；UV2550型紫外分光光度計 日本島津儀器有限公司；pHs-3B型pH計 上海精密科學儀器有限公司；RE-52型旋轉蒸發(fā)儀 上海越磁電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 花色苷的提取及純化 紅提葡萄花色苷的提取方法參考Cemeroglu[11]，略加改動。分別稱取不同貯藏時間（或不同貯藏溫度）的葡萄皮5g，加入0.1%的50mL的鹽酸/甲醇溶液，置于暗處過夜，經(jīng)濾紙過濾后在30℃條件下減壓旋轉蒸發(fā)，大約濃縮為原體積的1/5。濃縮液經(jīng)濾紙過濾。濾液用離子交換樹脂XAD-7（6.0cm×40cm，Sigma）過柱。柱子首先用蒸餾水洗脫，然后用0.1%鹽酸/甲醇溶液洗脫。洗脫液經(jīng)減壓旋轉蒸發(fā)儀濃縮后，得到花色苷粗提液。

1.2.2 花色苷的熱降解研究 紅提葡萄花色苷熱降解動力學研究是在50、60、70和80℃的恒溫條件下進行的，方法參考Kechinski[12]和Nayak[13]。取2mL的花色苷粗提液用蒸餾水定容至50mL，取上述溶液2mL，依次置于具塞試管中，然后放入恒溫水浴鍋中，水浴溫度分別為50、60、70和80℃（±1℃），每隔1h從不同溫度的水浴鍋中取出一個樣，然后迅速用冰水冷卻。該分析方法是建立在固定時間間隔上，并且要求實驗操作迅速準確。

1.2.3 花色苷含量的測定 紅提葡萄總花色苷含量的測定采用pH示差法[14]。首先取0.5mL的樣品液，分別加入4.5mL 0.025mol/L的KCl（pH1.0）緩沖溶液，4.5mL 0.4mol/L的NaCOOH（pH4.5緩沖溶液），室溫下平衡20min。然后用紫外UV2550測其在510nm和700nm下的吸光度值。總花色苷的含量（以錦葵素-3-葡萄糖苷計）計算參考如下公式：

式 中，A=（A510-A700）pH1.0-（A510-A700）pH4.5；MW（錦葵素-3-葡萄糖苷分子量）=528.9；DF=稀釋因子，此處為25；比色皿通徑（1cm）；ε=26，900（L/mol/cm，錦葵素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)）。所有處理平行測定3次。

1.2.4 貯藏期花色苷含量的測定 分別取不同貯藏天數(shù)下室溫（23±1）℃和冷藏（0±1）℃處理的葡萄果皮5g，參照上述方法1.2.1進行提取和純化可得花色苷的粗提液，采用pH示差法測定按1.2.3貯藏期內(nèi)兩種溫度處理粗提液中花色苷的含量。

1.2.5 降解動力學研究 降解動力學的研究參考王和許的實驗方法[15]，花色苷類的降解大都屬于一級動力學反應，動力學模型可用如下公式表示：

式中：C0為花色苷的初始濃度，Ct為特定溫度下一定加熱時間后花色苷的濃度，k為一級動力學反應速率常數(shù)，t1/2為反應半衰期。

隨溫度變化的降解速率常數(shù)用阿倫尼烏斯方程表示為：

式中，k0是指前因子，對于指定的反應，k0與反應溫度和濃度無關，Ea為活化能（J/mol），R是氣體常數(shù)（8.314J/mol/K），T是絕對溫度（k）。

Q10（溫度系數(shù)）是評價溫度對反應速率影響作用的一種方法，它表示溫度每升高10℃時對應的反應速率的增加量，計算公式如下：

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 實驗數(shù)據(jù)使用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析，用Sigmaplot 10.0繪圖。

2 結果與討論

2.1 貯藏期花色苷的穩(wěn)定性

貯藏溫度對花色苷降解速率的影響如圖1所示。結果表明貯藏溫度和時間對樣品中花色苷的降解有著重要的影響，其表現(xiàn)為隨著貯藏時間的增加花色苷總量有所減少，然而在相同的貯藏時間下，溫度則起著至關重要的作用。高溫不利于花色苷的保存，由此我們推測高溫可以加快花色苷的降解。正如Kirca報道[16]，貯藏溫度對胡蘿卜汁和濃縮液中花色苷的降解有著重要的影響，在4～37℃的溫度范圍內(nèi)，降解速率隨溫度的升高而增大。因此，在長期貯藏時采用低溫可以降低花色苷的降解。目前許多鮮食水果的保鮮已經(jīng)采用了該種方法。

圖1 不同貯藏溫度下花色苷含量變化Fig.1 The content of anthocyanins at different storage temperature

2.2 加熱期花色苷的穩(wěn)定性

加熱期紅提葡萄花色苷的含量隨時間的變化如圖2所示，可以看出高溫處理時葡萄花色苷的穩(wěn)定性很差。花色苷的含量隨著熱處理時間的延長而迅速下降，且熱處理的溫度越高，葡萄花色苷降解的速率越快。其原因可能是當溫度升高時，葡萄汁被濃縮導致參加反應的分子彼此間的距離變小，由此化學反應速率增大，或者熱處理方式導致復合物分解出花色苷基元，其為無色的半縮醛水合物，從而引起花色苷含量的降低。早期草莓和櫻桃[17]花色苷熱降解的實驗已經(jīng)證實了相似的結論。在50、60、70、80℃水浴熱處理后，葡萄花色苷的含量殘留率分別為72.31%、62.08%、55.87%和47.5%。

圖2 不同溫度下花色苷的含量與時間的關系Fig.2 The relationship between content and time at different temperature

2.3 花色苷的降解速率及反應級數(shù)

不同溫度下花色苷的含量隨加熱時間變化的關系如圖2所示，通過此圖我們可以得到-ln（C/C0）和加熱時間（Time）的線性關系，如圖3所示?；ㄉ蘸侩S著熱處理時間的增加而降低，同時也取決于熱處理的方式，溫度越高，降解越快。四種不同溫度下的線性回歸方程如表1所示，其相關系數(shù)線性關系良好（R2＞0.99）。分析該圖可得紅提葡萄花色苷的熱降解遵循一級動力學反應，即-ln（C/C0）與時間（t）呈線性關系，與先前其他水果熱處理得出的結論相符[18]。

圖3 不同溫度下-ln（C/C0）與時間的關系Fig.3 The relationship between-ln（C/C0） and time at different temperature

表1 不同溫度下線性回歸方程Table 1 The equation of linear regression at different temperature

2.4 花色苷降解反應的半衰期及活化能

由式（2）可得出不同溫度下的熱降解反應常數(shù)k，將Arrhenius經(jīng)驗公式左右兩邊同取對數(shù)可得lnk=lnk0-E0/RT，據(jù)上式對花色苷一級反應速率常數(shù)的對數(shù)lnk與貯藏溫度的倒數(shù)1/T作圖，如圖4所示，由式（4）可得，直線的斜率為-Ea/RT，截距為-lnk0，從而可求出在50、60、70、80℃條件下，活化能（Ea）為21.29kJ/mol，指前因子k0為145.24。

圖4 花色苷降解的Arrhenius關系曲線Fig.4 Degradation of anthocyanins Arrhenius relationship curve

熱處理得到的葡萄花色苷降解動力學參數(shù)如表2，由一級動力學反應速率常數(shù)k值和t1/2表示。其表明k隨著溫度的升高而增加，與溫度越高，降解越快規(guī)律相符。在所選實驗溫度范圍內(nèi)，半衰期t1/2值為13.62h降到6.79h。王和許[15]曾報道黑莓果汁花色苷在60、70、80、90℃條件下降解的半衰期分別為16.7、8.8、4.7、2.9h。將紅提葡萄花色苷與黑莓花色苷相比，可以看出在相對較高的溫度下（70/80℃），半衰期值大小相似，但在60℃時有所差異，紅提葡萄為9.78h而黑莓花色苷則為16.7h，表明紅提葡萄對熱處理更為敏感。由此可以說明，不同果實花色苷對熱處理敏感性的差異與花色苷的結構組成和相互作用有關。

表2 溫度對紅提葡萄花色苷降解的影響（k，t1/2，E0和k0）Table 2 The temperature effection on anthocyanins degradation of red globe grape（k，t1/2，E0and k0）

通常認為化學反應的活化能在40～400kJ/mol范圍內(nèi)，活化能值越小，反應越容易進行[19]。當值低于42kJ/mol時，反應速率非常大；相反，當值高于400kJ/mol時，化學反應速率會很小。通過該實驗得出紅提葡萄花色苷的活化能為21.29kJ/mol，與活化能越低對溫度變化越敏感規(guī)律相符，因此可說明紅提葡萄容易發(fā)生熱降解反應。

表3為在溫度變化時對應的Q10值，最大值出現(xiàn)在溫度由50℃變化到60℃時，表明在此變化范圍內(nèi)，由于溫度增加而引起的降解速率變化量最大，在70～80℃時，亦可看出相似的效應，但影響相對較小。據(jù)Al-Zubaidy和Khalil研究[21]，Q10值高可能是由于溫度升高時分子撞擊的速率變大，由此而引起的速率變化量較大。

表3 溫度對紅提葡萄花色苷降解Q10值的影響Table 3 Effect of temperature on Q10values of anthocyanins degradation in red globe grape

2.5 貯藏期花色苷熱降解的動力學模型

根據(jù)貯藏期內(nèi)花色苷含量的變化，將式（2）和式（4）分別取對數(shù)后可得紅提葡萄在貯藏期內(nèi)花色苷降解的一級動力學反應方程，即：

再將活化能E0，反應初始速率k0及氣體反應常數(shù)R帶入式（6）可得式（7）：

式（7）即為紅提葡萄花色苷熱降解的動力學模型，通過初始濃度和最終濃度可以計算貯藏時間，也可通過貯藏時間計算花色苷剩余量。

2.6 動力學模型的驗證

用式（7）分別預測65℃和75℃下熱處理5h后的葡萄花色苷含量的保留值。將葡萄花色苷在上述溫度處理5h后測定花色苷保留量，結果如表4所示，由表4可以看出該模型具有較高的準確性。

表4 動力學模型驗證結果Table 4 The dynamics model verification results

3 結論

通過對紅提葡萄貯藏期內(nèi)花色苷降解動力學的研究，得出其熱降解符合一級動力學反應，降解速率隨溫度的變化遵循符合阿倫尼烏斯定律。貯藏溫度對降解速率影響很大，短時間熱處理和低貯藏溫度有益于維持紅提葡萄花色苷的穩(wěn)定性。但貯藏期紅提葡萄花色苷的降解動力學模型是在忽略光和氧影響的條件下獲得的，為了使該模型更為精準，可補充光和氧對花色苷降解模型影響的研究。

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