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(1.江蘇省農業(yè)科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014; 2.江蘇惠田農業(yè)科技開發(fā)有限公司,江蘇揚州 211414)

花色苷在食品加工過程中,易受溫度、pH、濃度、光、氧氣、金屬離子、酶以及自身結構等因素的影響,導致色澤不穩(wěn)定、產品風味改變等[1-3]。提高花色苷的穩(wěn)定性是提高花色苷產品質量的有效方法之一。近年來,基于其分子結構和呈色特性的輔色作用成為花色苷穩(wěn)態(tài)化研究的熱點。在花色苷產品加工過程中,通過添加有機酸、黃酮、生物堿、多糖、蛋白等物質,不僅可以大幅提升花色苷的穩(wěn)定性,而且可以改變花色苷的生物活性[4-6]。

黑莓富含花色苷,其花色苷類型包括矢車菊-3-O-葡萄糖苷,矢車菊-3-O-阿拉伯糖苷、矢車菊-3-O-木糖苷,矢車菊-3-O-丙二酸酸葡萄糖苷等,其中矢車菊-3-O-葡萄糖苷的含量高達80%以上[7]。黑莓花色苷在食品中的加工穩(wěn)定性也受到研究者的關注。彭常安等[8]研究表明,向黑莓汁中添加咖啡酸和阿魏酸,能夠顯著增加花色苷的最大吸收值,最大吸收波長紅移,產生了輔色作用。張麗霞等[9]研究表明,草酸、蘋果酸和丙二酸等有機酸對黑莓花色苷具有輔色作用,可以顯著提高花色苷的熱穩(wěn)定性,降低黑莓花色苷色澤的降解速率?？梢?有機酸對黑莓花色苷輔色效果明顯。黑莓果汁在加工、貯藏過程中存在色變、沉淀、渾濁等問題,影響果汁品質?；ㄉ盏慕到?、聚合反應等是引起這些變化的主要原因。因此,對黑莓果汁中花色苷進行輔色穩(wěn)定化,不僅可以提高果汁的穩(wěn)定性,而且可能會產生提高活性的協(xié)同效應。

為此,本文系統(tǒng)研究了咖啡酸、阿魏酸、單寧酸、黃芩素、茶多酚、沒食子酸、原兒茶酸、蘆丁等8種外源添加物質(輔色素)對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響,并進一步研究了不同輔色素下黑莓清汁花色苷的光熱穩(wěn)定性、抗氧化活性變化規(guī)律,以期為黑莓花色苷產品的穩(wěn)態(tài)化加工提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑莓(赫爾,Hull) 顆粒飽滿多汁,色澤黑紅，-20 ℃保存,江蘇惠田農業(yè)科技開發(fā)有限公司;乙醇、檸檬酸、鹽酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鉀、氫氧化鈉、冰乙酸 分析純，國藥集團化學試劑有限公司;咖啡酸、阿魏酸、單寧酸、黃芩素、茶多酚、沒食子酸、原兒茶酸、蘆丁等試劑(純度大于95%) 上海源葉生物科技有限公司;果膠酶(6×104U/g)、果漿酶(4×104U/g) 寧夏夏盛實業(yè)集團有限公司。

KQ-2500E型超聲波清洗器 昆山禾創(chuàng)儀器有限公司;UV-3802H 紫外可見分光光度儀 上海尤尼柯儀器有限公司;真空冷凍干燥機 上海比朗儀器制造有限公司;WSC-S測色色差計 上海精科科學儀器有限公司;pH酸度計 梅特勒-托利多等。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑莓清汁的制備 按照文獻[10]方法,并做適當調整。將冷凍保存的黑莓在4 ℃解凍10 h,然后將其置于盛有沸水的箅子之上,蒸汽熱燙3 min,冷卻后勻漿,得到黑莓漿。果膠酶和果漿酶以1∶1比例組成復合酶,并按照質量比0.3%加入到黑莓漿中,在超聲200 W、45 ℃條件下酶解反應2 h,酶解結束后,加熱到90 ℃滅酶5 min,冷卻,在5000 r/min離心10 min,取上清為黑莓清汁。

1.2.2 不同輔色素對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響 取2.0 mL黑莓清汁(1.5 mmol/L)于試管中,分別加入1.0 mmol/L的咖啡酸、阿魏酸、單寧酸、黃芩素、茶多酚、沒食子酸、原兒茶酸、蘆丁的乙醇(50%)溶液1.0 mL,用pH3.0檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液定容至10 mL,渦旋混勻,并在90 ℃溫度下處理10 min,冷卻避光靜置一周。以不加輔色素的果汁樣品為對照。樣品分別在400～600 nm范圍內進行可見吸收光譜掃描,記錄最大吸收波長(λmax)和最大吸光度值(Amax),輔色效果的評價以每mol輔色素物質引起的黑莓清汁花色苷吸光值增加量I表示[11]。

I=(A-A0)/C

式(1)

式中:A為加入輔色后黑莓清汁花色苷的吸光值;A0為對照黑莓清汁花色苷溶液的吸光值;C 為添加的輔色素濃度(mmol/L)。

1.2.3 不同輔色素濃度對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響 按照1.2.2方法,配制黑莓清汁(0.5 mmol/L)與輔色素的混合溶液,輔色素的終濃度分別為0.01、0.05、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mmol/L,混合液在90 ℃溫度下處理10 min,避光靜置一周。以不加輔色素的黑莓清汁樣品為對照。樣品分別在400～600 nm范圍可見吸收光譜掃描,記錄最大吸收波長(λmax)和最大吸光度值(Amax),輔色效果的評價以I表示。計算方法如式(1)。

1.2.4 輔色素對黑莓清汁花色苷熱穩(wěn)定性的影響 將黑莓清汁(0.5 mmol/L)和添加0.1 mmol/L輔色素的清汁(pH3.0)樣品分別置于50、60和70 ℃恒溫水浴中6 h,每隔2 h測定A520值,計算熱降解反應速率常數(shù)(k)、熱降解活化能(Ea)、熱降解半衰期(t1/2)和熱降解率(P)。根據(jù)Arrhenius方程計算k和Ea值[11-12]:

ln(C/C0)=-kt

式(2)

lnk=lnk0-Ea/RT

式(3)

式中:C為黑莓清汁花色苷加熱后的濃度(mmol/L);C0為黑莓清汁花色苷的初始濃度(mmol/L);t為反應時間(min);k0為頻率常數(shù);R為氣體常數(shù)(8.314×10-3kJ·mol-1·K-1);T為絕對溫度(K)。根據(jù)朗伯比爾定律,溶液的吸光值A與其濃度C成正比,故(2)式可表示為ln(A/A0)=-kt。

熱降解半衰期t1/2=-ln(1/2k)

式(4)

熱降解率P=(1-A/A0)×100

式(5)

1.2.5 輔色素對黑莓清汁花色苷光穩(wěn)定性的影響 將黑莓清汁(0.5 mmol/L)和添加0.1 mmol/L輔色素的黑莓清汁(pH3.0)置于25 ℃、自然光下10 d,每隔1 d取樣,測定樣品在520 nm下的吸光值。根據(jù)式(2)、(3)和(4)計算k和t1/2。

1.2.6 輔色素對黑莓清汁花色苷清除自由基能力的影響 考察分子輔色素對黑莓清汁花色苷的1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl(DPPH)自由基清除能力的影響。參照Shimada方法[13],分別取黑莓清汁(0.5 mmol/L)及添加不同輔色素(0.1 mmol/L)的黑莓清汁8.0 mL加入2.0 mL 0.2 mmol/L DPPH甲醇溶液,混勻,于避光條件下靜置30 min,測定波長515 nm下的OD值。每個樣品平行測定3次。根據(jù)公式(6)計算花色苷對DPPH自由基的清除率:

DPPH自由基清除率(100%)=[(A0-A1)/A0]×100

式(6)

式中:A0為DPPH的OD值(空白對照),A1為含有樣品的DPPH溶液的OD值。

1.2.7 輔色素對黑莓清汁花色苷還原力的影響 總還原力的測定是根據(jù)Oyaizu的經典方法關于Fe3+的還原法[14]。分別取1.0 mL 0.8 mg/mL的黑莓清汁及加有0.1 mmol/L輔色素的黑莓清汁,加入2.5 mL 0.2 mol/L磷酸緩沖液(pH6.6),2.5 mL KFe(CN)4(1.0%)溶液,搖勻后在50 ℃下孵化20 min,迅速添加10%的三氯乙酸2.5 mL,加入2.5 mL倍數(shù)的體積樣品溶液與0.5 mL FeCl3(0.1%),混合均勻,在700 nm下測定吸光度,每個樣品平行測定3次,取其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析。所有實驗進行3次重復,結果以平均值±標準差表示，實驗數(shù)據(jù)采用單向方差分析法進行檢驗,數(shù)據(jù)之間的差異顯著性則利用多重比較法進行判斷,p<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 輔色素對黑莓清汁花色苷最大吸收波長和吸光值的影響

不同輔色素對黑莓清汁花色苷最大吸收波長和吸光值的影響如表1所示。從表中可以看出,在不同輔色素下,花色苷的最大吸收波長均發(fā)生了紅移,其中添加阿魏酸對黑莓清汁花色苷的波長影響最明顯,發(fā)生紅移7 nm。與對照組相比,添加咖啡酸、原兒茶酸、茶多酚、沒食子酸、單寧酸等物質能增加黑莓清汁花色苷的最大吸光值,輔色效果顯著(p<0.05)。但在阿魏酸和和蘆丁的影響下,黑莓清汁花色苷的最大吸光值增加并不顯著(p>0.05),可能原因是阿魏酸、蘆丁與黑莓清汁花色苷輔色作用發(fā)生得較緩慢,也可能是輔色素與黑莓清汁中的其它大分子物質發(fā)生了相互作用,引起新物質的形成[8]。

表1 輔色素對黑莓清汁花色苷的輔色效果Table 1 Copigmentation effects of copigments on the blackberry juice anthocyanins

2.2 輔色素濃度對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響

考察不同濃度的輔色素對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響,結果如圖1所示。隨著輔色素濃度的增加,黑莓清汁花色苷的輔色效果出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。原兒茶酸、咖啡酸、阿魏酸、黃芩素、茶多酚、沒食子酸、單寧酸等輔色素在濃度小于0.1 mmol/L時,對黑莓清汁的輔色效果I值達到最大,當超過此濃度時,I值急劇下降。這可能是由于輔色劑在濃度0.1 mmol/L時,其與黑莓清汁花色苷分子的結合能力已經達到最大,再增加濃度并不能改變輔色效果。而當蘆丁的濃度達到0.4 mmol/L時,其吸光值出現(xiàn)峰值,輔色效果最佳。

圖1 不同濃度輔色素對黑莓清汁花色苷輔色效果的影響Fig.1 Copigmentation effects of different concentrations of copigments on the blackberry juice anthocyanins

2.3 輔色素對黑莓清汁花色苷熱穩(wěn)定性的影響

從表2中可以看出，與對照組相比，不同輔色素輔色后的黑莓清汁花色苷熱穩(wěn)定性發(fā)生了變化。并且在50、60和70 ℃的加熱過程中，輔色后的花色苷在同一加熱條件下的熱降解速率k值顯著低于對照組(p<0.05)，熱降解半衰期(t1/2)高于對照組，熱降解率(P)顯著低于對照組(p<0.05)。其中沒食子酸、咖啡酸、阿魏酸的輔色效應促使黑莓清汁花色苷在熱降解條件下的反應活化能增加，分別為(44.50±9.53)、(41.76±7.84)、(49.56±8.46) kJ/mol，高于對照組的(40.50±2.02) kJ/mol，即花色苷熱降解時需要的能量增加，說明此條件下的花色苷穩(wěn)定性較好。70 ℃加熱時，在這三類輔色素的影響下，黑莓清汁花色苷熱降解的半衰期分別延長了6.06、2.07和1.39倍。單寧酸、蘆丁、黃芩素、茶多酚作為輔色劑也在一定程度上延長了花色苷的半衰期，而在加熱過程中原兒茶酸的輔色效果較差。在熱處理過程中，黑莓清汁花色苷會發(fā)生一定程度的降解[15]，其結構向查耳酮轉變，而加入輔色素后，通過輔色素豐富的電子與2-苯并吡喃陽離子的相互作用，減少水分子的攻擊，提高花色苷穩(wěn)定性[9]。實驗所選的黃芩素、咖啡酸、阿魏酸、茶多酚、沒食子酸、單寧酸、蘆丁等物質具備較強的供電子能力，其輔色作用可以有效提高黑莓清汁花色苷的熱穩(wěn)定性，且不同結構輔色素的輔色效果也不盡相同。

表2 輔色素對黑莓清汁花色苷熱穩(wěn)定性的影響Table 2 Effects of copigments on thermostability of the blackberry juice anthocyanins

2.4 輔色素對黑莓清汁花色苷光穩(wěn)定性的影響

將黑莓清汁和添加輔色素的黑莓清汁置于25 ℃、自然光下儲藏10 d,考察輔色素對黑莓清汁花色苷光穩(wěn)定性(降解速率和半衰期)的影響,結果如表3所示。從表3可以看出,不同輔色素對黑莓清汁花色苷的光穩(wěn)定性影響有差異。其中,添加原兒茶酸、阿魏酸、蘆丁、茶多酚后,黑莓清汁花色苷的光降解速率降低,半衰期延長,而在沒食子酸和單寧酸的影響下,黑莓清汁花色苷的光穩(wěn)定性降低。一般來說,光照會使花色苷的碳原子活性增強,易受到親水攻擊,并發(fā)生動力學降解[16],而輔色素與花色苷發(fā)生分子間相互作用有效保護了花色苷免受親水攻擊。沒食子酸并沒有表現(xiàn)出提高黑莓汁花色苷光穩(wěn)定性的能力,這與其結構有關。沒食子酸可能在果汁體系中發(fā)生分子聚合,降低與花色苷相互作用的能力;單寧酸分子體積是沒食子酸的3倍,其含有大量的羥基,分子間氫鍵鍵合牢固,不易與花色苷相互作用。而且隨著光照時間的延長,黑莓清汁花色苷體系中不同結構的物質逐漸增多,可能會影響分子之間的輔色作用效果。

表3 輔色素對黑莓清汁花色苷光穩(wěn)定性的影響Table 3 Effects of copigments on photostability of the blackberry juice anthocyanins

2.5 輔色素對黑莓清汁花色苷自由基清除能力的影響

DPPH自由基被廣泛用于評價抗氧化劑的自由基清除能力。一般來說,原兒茶酸、阿魏酸、咖啡酸等易與花色苷發(fā)生?；磻?。?；揎棽粌H能提高花色苷的穩(wěn)定性,而且會提高花色苷的抗氧化能力,但由于?；鶊F的不同,輔色后花色苷的抗氧化活性也會存在差異[17-18]。從圖2中可以看出,與對照組相比,黃酮和酚酸物質輔色后的黑莓清汁花色苷表現(xiàn)出較高的DPPH自由基清除能力,尤其原兒茶酸、阿魏酸、咖啡酸、茶多酚、蘆丁、黃芩素對其影響顯著(p<0.05)。這是因為原兒茶酸、阿魏酸、咖啡酸可能與花色苷發(fā)生?；磻?生成了抗氧化能力更強的新物質[8]。茶多酚、蘆丁、黃芩素自身也是抗氧化物質,除分子輔色效應引起的抗氧化活性增強外,不同結構和種類多酚化合物間的“協(xié)同抗氧化效應”也是提高體系抗氧化能力的因素之一。單寧酸的添加反而使黑莓花色苷自由基清除能力略有降低。在輔色過程中,單寧分子易與未酰基化的花色苷發(fā)生結合,形成新的物質[19]。這些新復合物可能會導致花色苷總自由基清除能力降低。

圖2 輔色素對黑莓清汁花色苷自由基清除能力的影響Fig.2 Effects of copigments on DPPH radical scavenging activity of the blackberry juice anthocyanins 注:A0:對照,A1:原兒茶酸,A2:沒食子酸, A3：阿魏酸,A4:單寧酸,A5:咖啡酸, A6:蘆丁,A7:黃芩素,A8:茶多酚,圖3同。

2.6 輔色素對黑莓清汁花色苷總還原力的影響

一般情況下,天然化合物的抗氧化性與其還原力可能具有一定關聯(lián)性。還原劑能將Fe3+/鐵氰化物復合物轉變?yōu)镕e2+形式,Fe3+還原強弱經常與供電子能力強弱相關[20]?？寡趸瘎┩ㄟ^供電子作用將Fe3+還原為Fe2+,然后在形成Fe2+復合物普魯士藍(Fe4[Fe(CN)6]3)在700 nm下檢測其吸光度,吸光度的大小反映了還原力的強弱。從圖3可以看出,經分子輔色后的黑莓清汁花色苷吸光值明顯大于對照組(p<0.05),顯示出較強的還原力,說明輔色后的體系有較強供電子能力,能夠更有效地終結自由基鏈式反應。而茶多酚輔色后的黑莓清汁花色苷的總還原力減弱,這可能是由于在一系列化學反應過程中,茶多酚中各成分與黑莓花色苷相互作用改變導致的,其機理有待進一步研究。

圖3 輔色素對黑莓清汁花色苷總還原力的影響Fig.3 Effects of copigments on reducing power of the blackberry juice anthocyanins

3 討論

3.1 輔色作用對黑莓清汁花色苷性質的影響

分子輔色技術是目前應用于花色苷產品加工的重要技術之一[18]。本實驗中發(fā)現(xiàn)少量的有機酸和黃酮物質便能夠引起黑莓清汁花色苷最大吸收波長和最大吸光值的改變,起到一定的輔色效果。相關研究也證實了有機酸和黃酮在花色苷輔色加工中的作用。Yawadio等[21]研究發(fā)現(xiàn)p-香豆酸、阿魏酸、單寧酸等能夠與黑米花色苷形成新的復合物,并且在飲料貯藏期間起到增色和提高穩(wěn)定性的作用。王維茜等[22]研究了槲皮素、黃芩素、蘆丁對刺葡萄花色苷有較好的輔色效果,而且槲皮素能提高刺葡萄花色苷的熱穩(wěn)定性。李永強等[23]發(fā)現(xiàn)貯藏期間楊梅花色苷最大吸收波長發(fā)生藍移,楊梅黃酮與花色苷存在明顯的分子間輔色作用?？梢?輔色素對不同種類的花色苷的色澤、穩(wěn)定性等的影響也呈現(xiàn)出差異,并未呈現(xiàn)出相應的量效關系或者一定的規(guī)律特性,這可能與其輔色機制有關。

黑莓清汁花色苷提取物是一個混合體系,其含有大量的黃酮、酚類物質,體系分子之間的相互作用變得尤為復雜,這也增加了后續(xù)研究輔色后新形成復合物的難度。此外,抗氧化活性試驗發(fā)現(xiàn),單寧酸的輔色能夠引起黑莓清汁花色苷DPPH自由基清除能力的減弱,茶多酚引起了其總還原力的降低?？梢?選擇不同的評價模型,其結果不一。但總的來看,酚酸和黃酮類物質的輔色素能夠維持并提高花色苷的生物活性。周劍忠等[24]研究也發(fā)現(xiàn)輔色作用能夠顯著提高花色苷的生物活性。可能是酚類物質、黃酮以及其他小分子物質之間抗氧化作用協(xié)同發(fā)生的結果。因此,將多種酚酸、黃酮等物質復配使用,通過不同的輔色機制來穩(wěn)定產品的色香味,已成為花色苷產品加工的一種趨勢。

3.2 輔色素對黑莓清汁花色苷的輔色機理

本試驗選用的有機酸類物質從結構上來看屬于芳香酸類。與脂肪酸類相比,咖啡酸、阿魏酸等芳香酸類更易與花色苷發(fā)生?；磻?這就使得輔色后的花色苷更穩(wěn)定。其機理可能是由于體系中的各分子內、分子間容易在氫鍵、絡合、共價結合、電子轉移、π-π鍵等作用下,不同的基團發(fā)生旋轉、折疊和堆積等空間結構的轉換,在花色苷母核陽離子周圍形成“保護層”,避免了水分子的親核攻擊和其它降解反應,阻止了花色苷色澤的變化,從而對花色苷產生了增色和穩(wěn)定效應[25-28]。而黃酮物質是黑莓清汁花色苷體系共存的物質,其分子間輔色效果更強。試驗選取的蘆丁、黃芩素、茶多酚等,具有與黑莓黃酮類似的作用。其對花色苷的輔色作用主要在于穩(wěn)定了溶液中紫色的脫水堿,阻止其轉化成無色的查爾酮結構[29]。

但是在黑莓果汁加工處理過程中,花色苷所處介質發(fā)生了從細胞內到細胞外環(huán)境的改變。而在實驗中模擬植物復雜的內環(huán)境條件也是較困難的。而且分子間輔色作用也具有不穩(wěn)定性,不同輔色物質的結構和花色苷自身的分子結構變化也關系到輔色效果。因此,選用不同輔色素對花色苷進行必要的分子輔色修飾技術也成為花色苷產品加工的關鍵技術之一。

4 結論

咖啡酸、原兒茶酸、茶多酚、沒食子酸、單寧酸等化合物與黑莓清汁花色苷相互作用可以增加其最大吸光值和最大吸收波長,輔色效果顯著;實驗所選8種化合物中沒食子酸、咖啡酸、阿魏酸能夠增強黑莓清汁花色苷的熱穩(wěn)定性;原兒茶酸、阿魏酸、蘆丁能夠提高黑莓清汁花色苷的光穩(wěn)定性、DPPH自由基清除能力和總還原力。本實驗結果可為黑莓清汁花色苷的輔色穩(wěn)態(tài)化處理及黑莓果汁的深加工提供理論參考。