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(guò)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(chóng)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(lái)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(kāi)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(shù)脂純化色素粗提物。樹(shù)脂用4倍體積無(wú)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(guò)濾收集樹(shù)脂。將2 g（干重）樹(shù)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(shù)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(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)吸收光譜

對(duì)紫青稞色素的可見(jiàn)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(jiàn)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(lái)說(shuō)，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(yáng)離子，無(wú)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(yáng)離子結(jié)構(gòu)逐步水解成為花鎓陽(yáng)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(guò)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(jiàn)圖2，符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可通過(guò)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(yáng)離子的吡喃結(jié)構(gòu)開(kāi)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(guò)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(guò)程中因形成無(wú)色醇型假堿而引起的在其最大可見(jiàn)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(guò)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(guò)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