王 萌，李小定，劉 碩，朱少華，姜 紅

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，環(huán)境食品學(xué)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430070）

有機酸對紫甘薯花色苷的輔色作用

王 萌，李小定*，劉 碩，朱少華，姜 紅

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，環(huán)境食品學(xué)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430070）

輔色作用是一種提高花青素穩(wěn)定性的有效途徑。研究檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸、咖啡酸和阿魏酸對紫甘薯花色苷的輔色作用。結(jié)果表明，5 種有機酸均能提高紫甘薯花色苷的吸光度，但均沒有改變紫甘薯花色苷的組分。90 ℃條件下，檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸可使紫甘薯花色苷的半衰期由15.3 h分別提高到19.1、19.0 h和16.9 h；咖啡酸與阿魏酸顯著地降低了紫甘薯花色苷熱穩(wěn)定半衰期，分別降至1.8 h和1.6 h，不利于紫甘薯花色苷的熱穩(wěn)定性。

紫甘薯花色苷；有機酸；輔色作用；熱穩(wěn)定性

紫甘薯（Ipomoea batatas L.）為旋花科一年生草本植物，塊根肉質(zhì)紫紅色，是甘薯中特有的品種?；ㄉ帐且环N自然界廣泛存在的植物色素，屬于類黃酮類化合物，為2-苯基苯并毗喃陽離子的衍生物，具有典型的C6-C3-C6結(jié)構(gòu)[1]，紫甘薯花色苷主要由矢車菊素和芍藥色素兩種色素組成[2]。在不同pH值水溶液中，花色苷分別以2-苯基苯并吡喃陽離子、醌型堿、假堿、查耳酮形式存在，使溶液呈現(xiàn)不同的顏色[3]。相對于合成色素，天然色素有一個缺點是穩(wěn)定性差，因此研究天然色素的穩(wěn)定性成為近年來的研究熱點。

花色苷顏色的穩(wěn)定性受pH值、氧氣、溫度、花色苷濃度和結(jié)構(gòu)、光、酶，以及其他輔助因素的影響，其中溫度是一個重要的影響因素[4]。然而，所有的這些因素并沒有影響植物界中顏色的豐富多彩，其原因是由于輔色劑與花色苷形成了絡(luò)合物，即發(fā)生了輔色作用。輔色作用被認(rèn)為是能改善花色苷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個重要方法。許多研究采用了添加輔色劑的方式來提高或者改善天然色素的穩(wěn)定性[5]。輔色作用是指花色苷通過與無色或淺色的輔色劑相互作用而提高其顏色強度和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種提高花色苷穩(wěn)定性的有效途徑[6]。有機酸廣泛存在于各類天然食品和加工食品中，是一類有效的輔色劑。本實驗研究食品中常見的一些有機酸對紫甘薯花色苷色澤及穩(wěn)定性的影響，為改善食品加工工藝，提高紫甘薯色素的著色效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫甘薯花色苷樣品（E1≥60%）由湖北紫鑫生物科技有限公司提供。

咖啡酸、阿魏酸為分析純，購自上海源葉生物科技有限公司；乙腈、甲酸為色譜純，其他試劑均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

LC-20高效液相色譜儀、UV-1750紫外-可見分光光度計 日本島津公司；SP-752紫外-可見分光光度計上海光譜儀器有限公司；HH-6電熱水浴鍋 國華電器有限公司；FE20 pH計 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫甘薯花色苷的吸收光譜掃描

用pH 4.0的0.2 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制0.1 mg/mL的紫甘薯花色苷溶液，在200～700 nm波長范圍內(nèi)進行光譜掃描。

1.3.2 有機酸對紫甘薯花色苷的輔色作用

用pH 4.0的0.2 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制0.2 mol/L的檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸溶液和1 mg/mL的紫甘薯花色苷溶液。取1 mL的紫甘薯花色苷溶液，分別加入不同量的檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸溶液后用pH 4.0的0.2 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液定容至10 mL，振蕩15 min后暗置2 h，于450～700 nm波長范圍內(nèi)進行光譜掃描，記錄最大吸光度和最大吸收波長。

由于咖啡酸和阿魏酸難溶于水，易溶于乙醇溶液，用50%乙醇溶液代替蒸餾水配制pH 4.0緩沖溶液，配制0.1 mol/L的咖啡酸和阿魏酸溶液，其他操作同上。

有機酸對紫甘薯花色苷的輔色效果的評價參照朱洪梅等[7]的方法，以每摩爾有機酸引起的紫甘薯花色苷吸光度增加量，即輔色度（I）表示。并以公式（2）來計算輔色后紫甘薯花色苷的增色率（U）。

式中：A為加入有機酸后溶液的吸光度；A0為純花色苷溶液的吸光度；C為有機酸濃度/（mol/L）。

1.3.3 有機酸對紫甘薯花色苷熱降解動力學(xué)參數(shù)的影響

用pH 4.0的0.2 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖溶液分別配制0.1 mol/L的檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸的0.1 mg/mL紫甘薯花色苷溶液，0.015 mol/L咖啡酸、阿魏酸的0.1 mg/mL紫甘薯花色苷溶液，振蕩15 min后暗置2 h。檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸的紫甘薯花色苷溶液分別在80、90、100 ℃恒溫水浴加熱，每隔1 h在533 nm波長處測吸光度；咖啡酸、阿魏酸的紫甘薯花色苷溶液分別在70、80、90 ℃恒溫水浴加熱，每隔0.5 h在533 nm波長處測吸光度，以公式（3）計算加熱后紫甘薯花色苷的保留率（W）。

式中：A為加入有機酸后溶液的吸光度；A0為純花色苷溶液的吸光度。

在恒溫加熱的條件下，花色苷的降解遵循一級降解動力學(xué)模型[8-9]。一級降解動力學(xué)模型的參數(shù)速率常數(shù)（k）、半衰期（t1/2）、活化能（Ea）和溫度系數(shù)（Q10）的計算如公式（4）～（7）所示。

式中：Ct是在時間t（min）時的花色素苷含量/（mg/L）；C0是花色素苷最初的含量/（mg/L）；R是摩爾氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））；T是絕對溫度/K。

1.3.4 有機酸對紫甘薯花色苷成分的影響

紫甘薯花色苷溶液處理方式同1.3.2節(jié)。紫甘薯花色苷組分用高效液相色譜儀（high performance liquid chromatography，HPLC）測定。高效液相色譜條件為：HPLC儀器型號：島津LC-20，紫外檢測器；色譜柱：Eclipse plus-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）；柱溫：30 ℃；流動相A：2%甲酸水溶液；流動相B：2%甲酸水-乙腈（1∶1，V/V）溶液；進樣量：10 μL；流速：1 mL/min，梯度洗脫：0～30 min，20%～50% B；30～35 min，50% B；35～40 min，50%～20% B；40～50 min，20% B。

1.4 統(tǒng)計與分析

實驗操作重復(fù)3 次，采用SPSS 16.0軟件進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH 4.0條件下紫甘薯花色苷的紫外-可見吸收光譜

圖1 pH4.0條件下紫甘薯花色苷的紫外-可見吸收光譜Fig.1 Absorption spectrum of purple sweet potato anthocyanins at pH 4.0

由圖1可知，pH 4.0條件下，紫甘薯花色苷在紫外光區(qū)和可見光區(qū)均有吸收峰，在295、326、533 nm波長處有3 個吸收峰。

2.2 檸檬酸對紫甘薯花色苷的輔色效果

圖2 檸檬酸對紫甘薯花色苷的輔色效果Fig.2 Copigmentation effect of citric acid on purple sweet potato anthocyanins

由圖2可知，以不添加檸檬酸的紫甘薯花色苷為空白對照，當(dāng)檸檬酸濃度≥0.01 mol/L時，紫甘薯花色苷的吸光度與空白相比差異性顯著（P＜0.05）；當(dāng)檸檬酸濃度≥0.02 mol/L時，與空白相比紫甘薯花色苷吸光度顯著提高（P＜0.01）。當(dāng)檸檬酸濃度由0.01 mol/L逐漸上升時，紫甘薯花色苷的吸光度呈平緩的上升趨勢，紫甘薯花色苷的最大吸收波長均為533 nm，保持不變。實驗表明，檸檬酸對紫甘薯花色苷有輔色作用，這與Hubbermann等[10]關(guān)于檸檬酸對黑胡蘿卜和接骨木花色苷有輔色作用的研究結(jié)果一致。

2.3 DL-蘋果酸對紫甘薯花色苷的輔色效果

圖3 3DL-蘋果酸對紫甘薯花色苷的輔色效果Fig.3 Copigmentation effect of DL-malic acid on purple sweet potato anthocyanins

由圖3可知，以不添加DL-蘋果酸的紫甘薯花色苷為空白對照，當(dāng)DL-蘋果酸濃度≥0.01 mol/L時，紫甘薯花色苷的吸光度與空白比較差異性顯著（P＜0.05）。當(dāng)DL-蘋果酸濃度達(dá)到0.06 mol/L時，紫甘薯花色苷的吸光度與空白相比顯著提高（P＜0.001）。當(dāng)DL-蘋果酸濃度逐漸上升時，DL-蘋果酸對紫甘薯花色苷的輔色作用呈上升趨勢，紫甘薯花色苷的最大吸收波長均為533 nm，保持不變。實驗結(jié)果表明DL-蘋果酸對紫甘薯花色苷有輔色作用。

2.4 酒石酸對紫甘薯花色苷的輔色效果

圖4 酒石酸對紫甘薯花色苷的輔色效果Fig.4 Copigmentation effect of tartaric acid on purple sweet potato anthocyanins

由圖4可知，以不添加酒石酸的紫甘薯花色苷為空白對照，酒石酸濃度為0.02 mol/L時，酒石酸對紫甘薯花色苷吸光度與空白相比差異性顯著（P＜0.05），濃度達(dá)到0.04 mol/L時，差異性顯著（P＜0.01）。當(dāng)酒石酸濃度大于0.04 mol/L時，與空白對比紫甘薯花色苷的吸光度顯著提高（P＜0.001）。從整體趨勢來看，隨酒石酸濃度提高，酒石酸對紫甘薯花色苷的輔色效果呈上升趨勢，紫甘薯花色苷的最大吸收波長均為533 nm，保持不變。實驗結(jié)果表明酒石酸對紫甘薯花色苷有輔色作用。

2.5 咖啡酸對紫甘薯花色苷的輔色效果

圖5 咖啡酸對紫甘薯花色苷的輔色效果Fig.5 Copigmentation effect of caffeic acid on purple sweet potato anthocyanins

由圖5可知，以不添加咖啡酸的紫甘薯花色苷為空白對照，當(dāng)咖啡酸濃度為0.005 mol/L時，咖啡酸輔色后紫甘薯花色苷的吸光度與空白相比差異性顯著（P＜0.01），當(dāng)濃度≥0.01 mol/L時，與空白對比紫甘薯花色苷吸光度顯著提高（P＜0.001）。實驗結(jié)果表明咖啡酸對紫甘薯花色苷有輔色作用，并且從整體趨勢來看，咖啡酸對紫甘薯花色苷的輔色作用隨著咖啡酸濃度的增大而增強，紫甘薯花色苷的最大吸收波長均為533 nm，保持不變。

2.6 阿魏酸對紫甘薯花色苷的輔色效果

由圖6可知，以不添加阿魏酸的紫甘薯花色苷為空白對照，阿魏酸的濃度達(dá)到0.005 mol/L時，阿魏酸對紫甘薯花色苷的吸光度與空白相比差異性顯著（P＜0.05），當(dāng)阿魏酸濃度大于0.01 mol/L時，差異性顯著（P＜0.01），阿魏酸濃度達(dá)到0.04 mol/L時，阿魏酸對紫甘薯花色苷的吸光度與空白相比顯著提高（P＜0.001）。實驗結(jié)果表明，阿魏酸對紫甘薯花色苷有輔色作用，并且隨著阿魏酸濃度的上升，阿魏酸對紫甘薯花色苷的輔色效果逐漸增強，紫甘薯花色苷的最大吸收波長均為533 nm，保持不變。

圖6 阿魏酸對紫甘薯花色苷的輔色效果Fig.6 Copigmentation effect of ferulic acid on purple sweet potato anthocyanins

2.7 5 種有機酸對紫甘薯花色苷的輔色效果比較

圖7 5 種有機酸對紫甘薯花色苷輔色效果的比較Fig.7 Comparison of copigmentation effect of 5 organic acids on purple sweet potato anthocyanins

由圖7可知，5 種有機酸在不同濃度處輔色度（I值）差異較大，說明這5 種有機酸對紫甘薯花色苷的輔色度與其濃度不呈線性關(guān)系，其中檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸的I值變化沒有什么規(guī)律，咖啡酸和阿魏酸濃度越低，I值越大。檸檬酸濃度為0.01 mol/L時，對紫甘薯花色苷的輔色效果最佳。DL-蘋果酸濃度為0.01 mol/L時，對紫甘薯花色苷的輔色效果最佳。酒石酸濃度為0.06 mol/L時，對紫甘薯花色苷的輔色效果最佳。當(dāng)咖啡酸和阿魏酸濃度為0.000 5 mol/L時，I值最大，但是當(dāng)咖啡酸和阿魏酸濃度小于0.005 mol/L時，紫甘薯花色苷的輔色度與空白對比差異性不顯著（P＜0.05），因此確定0.005 mol/L為咖啡酸和阿魏酸的最佳輔色濃度。

由圖7可知，比較最佳輔色濃度處的I值，5 種有機酸的輔色效果按照強弱順序依次為咖啡酸＞阿魏酸＞DL-蘋果酸＞檸檬酸＞酒石酸。由圖2～6可以看出，5 種有機酸的濃度為0.06 mol/L時，檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸、檸檬酸、咖啡酸和阿魏酸的增色率（U）分別為4.59%、5.95%、7.52%、19.69%和15.03%，由此可以看出，5 種有機酸的輔色效果按照強弱順序依次為咖啡酸＞阿魏酸＞酒石酸＞DL-蘋果酸＞檸檬酸。綜合來看，咖啡酸和阿魏酸的輔色效果比檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸好。

2.8 有機酸輔色前后紫甘薯花色苷的HPLC圖譜分析

圖8 有機酸輔色前后紫甘薯花色苷的高效液相色譜圖Fig.8 HPLC chromatogram of purple sweet potato anthocyanins with and without acids

由圖8可知，5 種有機酸輔色后，與紫甘薯花色苷的高效液相色譜圖相比較，沒有產(chǎn)生新的峰，結(jié)合上述結(jié)果，5 種不同濃度有機酸輔色后，紫甘薯花色苷的最大吸收波長沒有發(fā)生偏移，可以推測5 種有機酸輔色后紫甘薯花色苷沒有生成新的花色苷衍生物，所有的溶液pH值均為4.0，因此排除pH值的變化對紫甘薯花色苷吸光度的影響?？赡苡捎谧细适砘ㄉ挣；潭雀?，難以再與有機酸發(fā)生共價結(jié)合生成新的花色苷衍生物，氫鍵和非共價結(jié)合力被認(rèn)為是分子間共色形成的主要作用力[11]，有機酸可能是通過氫鍵和疏水相互作用來達(dá)到輔色作用。

2.9 有機酸對紫甘薯花色苷熱降解動力學(xué)參數(shù)的影響

表1 有機酸對紫甘薯花色苷熱降解動力學(xué)參數(shù)的影響Table1 Kinetics parameters for the thermal degradation of purple sweet potato anthocyanins with acids

由表1可知，加入這5 種有機酸以后，紫甘薯花色苷的熱降解符合一級熱降解動力學(xué)。用50%乙醇替代蒸餾水配制的紫甘薯花色苷溶液與水緩沖溶液配制的紫甘薯花色苷溶液相比較，90 ℃水浴加熱5 h，紫甘薯花色苷的保留率均為79.89%，相同溫度水浴加熱相同時間，紫甘薯花色苷的保留率基本相同，因此排除乙醇對紫甘薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響。加入檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸以后，紫甘薯花色苷的速率常數(shù)皆小于空白組，半衰期都比空白組長，如90 ℃條件下，空白組的半衰期為15.3 h，檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸輔色后紫甘薯花色苷的半衰期分別為19.1、19.0 h和16.9 h，說明加入檸檬酸、DL-蘋果酸、酒石酸能提高紫甘薯花色苷的熱穩(wěn)定性。空白組紫甘薯花色苷的活化能為64.73 kJ/mol，檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸、咖啡酸和阿魏酸輔色后紫甘薯花色苷的活化能分別為51.16、42.04、55.70、58.62、49.50 kJ/mol，均小于空白組，說明加入5 種有機酸輔色后，紫甘薯花色苷對溫度的敏感度降低。加入咖啡酸和阿魏酸以后，在80 ℃和90 ℃條件下，紫甘薯花色苷的降解速率常數(shù)（k）與空白組相比有較大程度提高，半衰期有較大程度降低，90 ℃條件下咖啡酸和阿魏酸輔色后的紫甘薯花色苷半衰期分別降至1.8 h和1.6 h，約為空白組的1/9。文獻(xiàn)[11-14]研究表明，在酚酸類中，阿魏酸被發(fā)現(xiàn)是非常穩(wěn)定的共色素，能增強花色苷顏色和提高穩(wěn)定性，咖啡酸也被證實是非常有效的共色素；咖啡酸能提高葡萄花色苷、紫玉米色素、胭脂蘿卜紅色素的穩(wěn)定性。紫甘薯花色苷與葡萄花色苷[15]、紫玉米色素[13]和胭脂蘿卜紅色素[16]的區(qū)別在于紫甘薯花色苷包含咖啡酸?；Y(jié)構(gòu)和阿魏酸酰化結(jié)構(gòu)，可能是由于結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致結(jié)果相反。

3 結(jié) 論

食品中存在的小分子有機酸中，檸檬酸、酒石酸、DL-蘋果酸等羥基酸以及阿魏酸、咖啡酸等酚酸對紫甘薯色素有一定的輔色作用，綜合比較5種有機酸最佳輔色濃度處的I值和相同濃度時有機酸的U值，可以看出咖啡酸和阿魏酸的輔色效果比檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸好。

這5 種有機酸輔色后，紫甘薯花色苷沒有生成新的花色苷衍生物，有機酸可能是通過氫鍵和疏水相互作用與紫甘薯花色苷結(jié)合，減少水分子對花色苷的攻擊，從而達(dá)到輔色效果。

檸檬酸、DL-蘋果酸和酒石酸都不同程度地提高了色素的熱穩(wěn)定性，這與大多數(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果一致；而作為大多數(shù)色素的有效輔色劑的咖啡酸和阿魏酸對紫甘薯色素?zé)岱€(wěn)定性不利，可能與紫甘薯花色苷的結(jié)構(gòu)有關(guān)，促降解機制尚不清楚。

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Copigmentation Effect of Organic Acids on Purple Sweet Potato Anthocyanins

WANG Meng, LI Xiao-ding*, LIU Shuo, ZHU Shao-hua, JIANG Hong
(Key Laboratory of Environment Correlative Dietology, Ministry of Education, College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

The copigmentation is an effective way to enhance the color of anthocyanins. Copigmentation effects of citric acid, DL-malic acid, tartaric acid, caffeic acid and ferulic acid on purple sweet potato anthocyanins were studied. Results showed that these five organic acids increased the absorption value of purple sweet potato anthocyanins, but did not change the anthocyanin composition. The half-life (15.3 h) was increased by citric acid, DL-malic acid and tartaric acid to 19.1, 19.0 and 16.9 h at 90 ℃, but reduced by caffeic acid and ferulic acid to 1.8 and 1.6 h, respectively, indicating an unfavorable effect on the thermal stability of purple sweet potato anthocyanins.

purple sweet potato anthocyanins; organic acid; copigmentation; thermal stability

TS202.3

A

1002-6630（2014）23-0119-06

10.7506/spkx1002-6630-201423024

2014-01-02

王萌（1989—），女，碩士研究生，研究方向為天然產(chǎn)物化學(xué)。E-mail：wm-070707@163.com

*通信作者：李小定（1968—），男，副教授，博士，研究方向為糧食油脂與植物蛋白工程、天然產(chǎn)物化學(xué)。E-mail：lixd@mail.hzau.edu.cn