董 楠，王 強(qiáng)，雷丹丹，劉 宏，劉 嘉，趙國(guó)華,4,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程系，重慶 400067；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081； 4.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715)

胭脂蘿卜紅色素是以胭脂蘿卜肉質(zhì)根為原料提取的一種天然食用色素，屬于類黃酮系，主要由花色素苷構(gòu)成[1]。隨著近年來(lái)天然食用色素的開(kāi)發(fā)利用，胭脂蘿卜紅色素以其安全、無(wú)毒、資源豐富的優(yōu)點(diǎn)逐漸為人們所關(guān)注。同時(shí)，作為花色苷類色素又具有一定營(yíng)養(yǎng)和生理功能如抗氧化、抗輻射、抗腫瘤、預(yù)防糖尿病等，是國(guó)家添加劑標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)允許使用的天然色素之一[2]。因此，加強(qiáng)胭脂蘿卜紅色素的研究和利用對(duì)促進(jìn)食品行業(yè)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。天然花色苷類色素的穩(wěn)定性較差，容易受到諸多因素的影響。例如：溫度、pH值、壓強(qiáng)、光照等，其中受溫度的影響最為顯著[3-4]，食品工業(yè)中常用的殺菌方法(如巴氏殺菌等)所引起的溫度變化均會(huì)影響花色苷類色素穩(wěn)定性，從而影響食品感官特性[5-6]。同時(shí)，溶液中的VC質(zhì)量濃度對(duì)花色苷穩(wěn)定性也有一定的影響[7]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)胭脂蘿卜紅色素在不同溫度、不同VC質(zhì)量濃度的色素溶液中的降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，以期為胭脂蘿卜紅色素的在食品行業(yè)中的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胭脂蘿卜紅色素、花青素E163，由重慶市武隆仙女天然色素有限責(zé)任公司提供。

抗壞血酸(優(yōu)級(jí)純) 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；蔗糖、檸檬酸、山梨酸鉀、苯甲酸鈉等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 日本島津公司；722紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上?，F(xiàn)科儀器有限公司；HWS-24電熱恒溫水浴鍋 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；PB-10酸度計(jì) 德國(guó)Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 色素的最大吸收波長(zhǎng)的測(cè)定

配制質(zhì)量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，用pH 3.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液定容，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)400～700nm范圍內(nèi)掃描圖譜，確定該色素的最大吸收波長(zhǎng)λmax。

1.3.2 緩沖溶液中的熱降解動(dòng)力學(xué)[8]

1.3.2.1 緩沖溶液中貯藏過(guò)程的熱降解動(dòng)力學(xué)

配制質(zhì)量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，用pH 3.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液定容，于85℃處理5min，然后取適量于具塞塑料管(無(wú)頂隙空間)在4、25℃條件下避光放置1、2、3、4、6、8、12、16、20、28d，然后，取樣測(cè)定其λmax并計(jì)算花色苷保留量、降解的速率常數(shù)、半衰期和活化能。

1.3.2.2 緩沖溶液中熱處理過(guò)程的熱降解動(dòng)力學(xué)

配制質(zhì)量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，裝入具塞試管中，分別在75、80、85、90、95℃條件下恒溫水浴連續(xù)加熱6.5h，在10、20、30、40、50min和1、1.5、2、2.5、3、4、5、6.5h時(shí)分別取出一個(gè)樣品在冰水中迅速冷卻后測(cè)定其λmax并計(jì)算色素降解的速率常數(shù)、半衰期和活化能。

1.3.3 軟飲料模型中的熱降解動(dòng)力學(xué)研究[9]

1.3.3.1 無(wú)CO2型軟飲料的配制

1000g色素溶液中含蔗糖86g、苯甲酸鈉0.14g、山梨酸鉀0.18g、檸檬酸1.52g，色素質(zhì)量濃度0.01g/100mL，VC添加量分別為0、0.04、0.12、0.36g，pH值調(diào)至3.0。

1.3.3.2 軟飲料模型中貯藏過(guò)程的熱降解動(dòng)力學(xué)

將上述不同VC添加量的無(wú)CO2型軟飲料于85℃處理5min，然后取適量于具塞塑料管(無(wú)頂隙空間)4、25℃條件下避光放置1、2、3、4、6、8、12、16、20、28d時(shí)取出樣品測(cè)定其λmax并計(jì)算色素降解的速率常數(shù)、半衰期和活化能。

1.3.3.3 軟飲料模型中熱處理過(guò)程中熱降解動(dòng)力學(xué)

將上述不同VC添加量的無(wú)CO2型軟飲料分別在75、80、85、90、95℃條件下恒溫水浴連續(xù)加熱6.5h，在10、20、30、40、50min和1、1.5、2、2.5、3、4、5、6.5h時(shí)分別取出一個(gè)樣品在冰水中迅速冷卻后測(cè)定其λmax并計(jì)算色素降解的速率常數(shù)、半衰期和活化能。

1.3.4 花色苷降解速率常數(shù)、半衰期和活化能的計(jì)算

1.3.4.1 零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算[10]

零級(jí)動(dòng)力學(xué)的降解速率可由下式表示：

式中：ρ是降解后花色苷含量/(g/100mL)；ρ0是初始時(shí)刻花色苷含量/(g/100mL)；ρt是一定溫度下加熱t(yī)min或貯藏td后花色苷含量/(g/100mL)；t1/2是花色苷降解的半衰期；k是降解動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。

1.3.4.2 一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算[11-12]

按公式(4)、(5)計(jì)算一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)(k)、半衰期(t1/2)。

式中：ρ0是初始時(shí)刻花色苷含量/(g/100mL)；ρt是一定溫度下加熱t(yī)min或貯藏td后花色苷含量/(g/100mL)；ρ0和ρt可用A0和A代替，A0為初始時(shí)刻花色苷樣品液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度；A是一定溫度下加熱t(yī)min后花色苷樣品液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度?；ㄉ諉误w實(shí)驗(yàn)中，A0和A分別為初始時(shí)刻和加熱t(yī)min后各花色苷在λmax檢測(cè)波長(zhǎng)下的色譜峰面積。

反應(yīng)活化能(Ea)按式(6)計(jì)算：

式中：k為熱降解速率常數(shù)；R為氣體常數(shù)，為8.314×10-3kJ/(mol·K)；k0為頻率常數(shù)；T為絕對(duì)溫度/K。

當(dāng)Arrhenius方程(式(6))兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)時(shí)，得lnk＝lnk0－Ea/RT，由式(5)可得不同溫度下的熱降解反應(yīng)常數(shù)k，根據(jù)不同溫度下的k值，以lnk對(duì)1/T作線性回歸，直線的斜率為－Ea/R，截距為lnk0，由直線的斜率即可求出活化能Ea。

1.3.4.3 色素保留量的計(jì)算[13]

式中：A為一定條件處理后的吸光度；A0為初始吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到鈩?dòng)力學(xué)

2.1.1 pH3.0檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素的熱降解動(dòng)力學(xué)

圖 1 0.1mol/L、pH3.0檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素的熱降解Fig.1 Degradation for raddish red pigment in citric acid-sodium buffer at different heating temperatures

由圖1可知，不同加熱溫度條件下，－ln(ρ/ρ0)與時(shí)間呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說(shuō)明胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到夥弦患?jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，降解速率隨溫度升高而增大，降解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1?；ㄉ盏亩交讲⑦拎?yáng)離子(AH+)的失電子過(guò)程AH+→A是放熱反應(yīng)，水解反應(yīng)AH+→B(甲醇假堿)和開(kāi)環(huán)反應(yīng)B→C(查爾酮)是吸熱反應(yīng)并且伴隨著熵的增大。因此，溫度升高時(shí)，平衡向著無(wú)色的甲醇假堿和查爾酮形式轉(zhuǎn)化，并顯著影響花色苷的熱降解速率[14-15]。有學(xué)者研究了熱處理溫度變化對(duì)藍(lán)莓花色苷熱降解速率的影響，結(jié)果顯示，70～90℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，藍(lán)莓花色苷降解反應(yīng)速率常數(shù)增大[16]。以lnk對(duì)1/T作線性回歸，檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素?zé)崽幚磉^(guò)程中的活化能線性回歸方程為：Y=13053.0X－28.1(R2=0.9643)。

表 1 檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素?zé)崽幚磉^(guò)程中的熱降解參數(shù)Table 1 Kinetic parameters for raddish red pigment in citric acidsodium buffer (0.1 mol/L, pH 3.0) at different heating temperatures

2.1.2 不同VC添加量的軟飲料模型中胭脂蘿卜紅色素的熱降解動(dòng)力學(xué)

圖 2 不同VC添加量飲料中胭脂蘿卜紅色素的熱降解Fig.2 Degradation for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations at different heating temperatures

表 2 不同VC添加量下軟飲料中胭脂蘿卜紅色素的熱降解參數(shù)Table 2 Kinetic parameters for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations at different heating temperatures

由圖1、2可知，不同加熱溫度條件下，胭脂蘿卜紅色素在緩沖溶液中－ln(ρ/ρ0)與時(shí)間所得直線斜率明顯小于飲料中－ln(ρ/ρ0)與時(shí)間所得直線斜率，即緩沖溶液中色素降解速率小于飲料中色素降解速率，可能是由于飲料中的VC、蔗糖等添加對(duì)其穩(wěn)定性有較大影響；由圖2可知，不同VC添加量對(duì)胭脂蘿卜紅色素的降解速率有一定影響，但胭脂蘿卜紅色素在軟飲料模型中的熱降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，隨溫度升高，胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到馑俾试龃?。各溫度下－ln(ρ/ρ0)與時(shí)間的線性關(guān)系擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.95，結(jié)果見(jiàn)表2。有研究表明，VC對(duì)花色苷穩(wěn)定性的影響與VC的質(zhì)量濃度有關(guān)，熱處理?xiàng)l件下，低質(zhì)量濃度的VC能提高花色苷的穩(wěn)定性，高質(zhì)量濃度VC則能夠加速花色苷降解[17-18]。研究證明，70～90℃范圍內(nèi)，添加360mg/L的抗壞血酸能顯著促進(jìn)血橙花色苷熱降解[7]。80℃條件下，添加100mg/L的抗壞血酸使紫薯花色苷的活化能減小，熱穩(wěn)定性顯著下降[19]。以lnk對(duì)1/T作線性回歸，不同VC質(zhì)量濃度下軟飲料中胭脂蘿卜紅色素的活化能線性回歸方程為：0mg/L時(shí)Y=5281.4X－5.4(R2=0.9931)；40mg/L時(shí)Y=4434.6X－3.6 (R2=0.9816)；120mg/L時(shí)Y=7164.9X－12.7(R2=0.9862)；360mg/L時(shí)Y=3828.2X－7.9(R2=0.9765)。

由表2可知，當(dāng)VC添加量為40mg/L和360mg/L時(shí)，色素?zé)峤到獾幕罨茌^小，穩(wěn)定性最差；120mg/L時(shí)，胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到獾幕罨茏畲?，半衰期最長(zhǎng)，即穩(wěn)定性為最好。這說(shuō)明，添加適量的VC，對(duì)提高色素穩(wěn)定性有一定的作用，VC添加超過(guò)一定質(zhì)量濃度范圍，則會(huì)加速的色素的降解。

2.2 胭脂蘿卜紅色素貯藏過(guò)程中的降解動(dòng)力學(xué)

圖3 4℃和25℃條件下檸檬酸緩沖溶液(0.1mol/L, pH3.0)中胭脂蘿卜紅色素的保留量Fig.3 Residual amounts of raddish red pigment in citric acid-sodium buffer during storage at 4 ℃ and 25 ℃

由圖3可知，0.1mol/L、pH3.0檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中4、25℃貯藏條件下，胭脂蘿卜紅色素穩(wěn)定性較好，4周之內(nèi)仍能保持穩(wěn)定。4℃條件下，胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到夥狭慵?jí)動(dòng)力學(xué)，其降解速率只與降解時(shí)間有關(guān)，與物質(zhì)質(zhì)量濃度無(wú)關(guān)。由表3可知，以不加VC的軟飲料為例做對(duì)比，4℃條件下色素的半衰期為66.0d，25℃條件下色素半衰期為15d，25℃常溫貯藏的降解半衰期明顯小于4℃低溫貯藏的降解半衰期。因此，該色素溶液在低溫下保藏，其穩(wěn)定性更好。

圖 4 25℃條件下飲料中胭脂蘿卜紅色素的降解Fig.4 Degradation for raddish red pigment in soft drink during storage at 25 ℃

由圖4可知，25℃條件下，胭脂蘿卜紅色素?zé)峤到夥弦患?jí)動(dòng)力學(xué)。由表3可知，其降解速率及半衰期如VC添加量為120mg/L時(shí)，半衰期最長(zhǎng)，說(shuō)明適量的VC添加，有利于胭脂蘿卜紅色素在25℃貯藏的穩(wěn)定性。

表 3 不同VC添加量胭脂蘿卜色素在貯藏過(guò)程中的降解參數(shù)Table 3 Kinetic parameters for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)胭脂蘿卜紅色素加在緩沖溶液和軟飲料中的降解進(jìn)行了研究。在熱處理?xiàng)l件下(75～95℃)，其在不同溶液體系的降解均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，熱處理?xiàng)l件下色素降解速率隨溫度升高而增大。當(dāng)VC添加量為120mg/L時(shí)，溶液中色素降解速率最小，其活化能為59.57kJ/mol。色素溶液在4℃低溫條件下貯藏，其降解動(dòng)力學(xué)符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)，穩(wěn)定性良好，VC質(zhì)量濃度不對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；25℃條件下貯藏，其降解動(dòng)力學(xué)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，且VC添加量對(duì)其穩(wěn)定性的影響作用與高溫處理情況下結(jié)果一致，即添加量為120mg/L時(shí)降解速率最小，色素穩(wěn)定性最好，360mg/L時(shí)降解速率最大。因此，在工業(yè)運(yùn)用中該色素適合低溫貯藏，如在25℃常溫條件下貯藏及75℃以上熱處理時(shí)，添加適量VC能有效降低色素降解速率提高穩(wěn)定性。

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