脈沖電場(chǎng)處理對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響*

李云，曾新安

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)

脈沖電場(chǎng)處理對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響*

李云，曾新安

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)

研究了脈沖電場(chǎng)處理對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性影響，并與熱處理和pH值變化處理做了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:梔子黃色素對(duì)脈沖電場(chǎng)處理和熱處理都相對(duì)穩(wěn)定，電脈沖處理46 ms后其色澤保留率可以達(dá)到97.1%，比90℃熱處理30 min高出4.9%。梔子黃色素對(duì)pH值敏感，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下梔子黃色素穩(wěn)定性明顯下降。

脈沖電場(chǎng)，梔子黃，穩(wěn)定性

梔子黃色素是世界上唯一存在的水溶性類胡蘿素［1］，也是在食品工業(yè)中廣泛使用的天然黃色素，我國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定其最大使用量為0.3 g/kg(GB2760－1996食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn))。梔子黃色素主要從茜草科植物梔子果實(shí)中提?。?］，外觀為黃色粉末狀，主要成分是類胡蘿素類的藏花素(crocin)和藏花酸(crocetin)，其主體結(jié)構(gòu)由異戊二烯單體首尾相連而成(如圖1所示［2］)。結(jié)構(gòu)中由糖類物質(zhì)與主體結(jié)構(gòu)以糖苷結(jié)合的形式存在。分子中存在多個(gè)共軛雙鍵，一方面賦予藏花素以黃色，但另一方面也是其性質(zhì)不穩(wěn)定的主要原因之一［4］。

近年來，我國(guó)飲料業(yè)呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，具有很高的市場(chǎng)潛力。梔子黃天然色素由于具有安全性高，著色力強(qiáng)，性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲料業(yè)的著色。據(jù)估計(jì)，梔子黃色素每年應(yīng)用于果汁飲料行業(yè)的著色占其總銷售量的30%左右，占有巨大的市場(chǎng)份額［3］。滅菌技術(shù)往往是制約飲料行業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)目前的飲料行業(yè)，主要采用熱滅菌或者添加防腐劑等方法來達(dá)到滅菌抑菌效果，但這些處理又同時(shí)影響了梔子黃色素的著色效果。脈沖電場(chǎng)(PEF)技術(shù)作為一種新型的食品加工技術(shù)，近年來在食品工業(yè)中的應(yīng)用備受關(guān)注，PEF技術(shù)具有處理時(shí)間短、處理溫度低、節(jié)能、不污染環(huán)境及無副作用等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別地由于其非熱加工的特性，能很好地保持果汁飲料原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)［5－8］。有報(bào)道指出，美國(guó)已經(jīng)研制出處理量達(dá)到2 000L/h的PEF設(shè)備用于一種名叫GENESIS的果汁滅菌，而我國(guó)國(guó)內(nèi)的PEF研究也已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)，有超過10所科研院所在進(jìn)行相關(guān)研究［5］。由于色素在飲料工業(yè)普遍添加，而色素的穩(wěn)定性是關(guān)乎飲料等產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。因而在研究PEF對(duì)果汁等飲料的滅菌效果的同時(shí)，研究PEF對(duì)色素的穩(wěn)定性影響也十分必要。本文選擇梔子黃色素作為研究對(duì)象，根據(jù)藏紅花素和藏紅花酸在440 nm(有最大吸收峰)處的吸光度值作對(duì)照定量梔子黃色素含量，探討PEF處理對(duì)梔子黃天然色素的穩(wěn)定性影響，并與熱處理進(jìn)行了對(duì)照。

圖1 藏花素(A)和藏花酸(B)的分子結(jié)構(gòu)式

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

梔子黃，市售，色價(jià)E=60;檸檬酸，磷酸氫二鈉，氯化鈉，碳酸鈉，碳酸氫鈉，均為分析純。

1.2 主要儀器和設(shè)備

脈沖電場(chǎng)設(shè)備為本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)研制的高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)連續(xù)處理裝置，電場(chǎng)強(qiáng)度0～66.7 kV/cm連續(xù)可調(diào)，脈沖頻率為1.01 kHz，脈沖寬度40 μs，電脈沖流速為8 L/h。本實(shí)驗(yàn)電脈沖循環(huán)處理時(shí)間20，30，45和60 min，對(duì)應(yīng)實(shí)際電脈沖處理時(shí)間為15.3，23.0，34.5和46.0 ms。處理室電極材料為銅，絕緣部分為聚四氟乙烯，容量為0.021 2mL，波形為平方波。

雙波長(zhǎng)紫外可見分光光度計(jì)(UV1810)，北京普析;色彩色差計(jì)(CR－400)，日本柯尼卡美能達(dá)公司，儀表誤差L*a*b*在0.8以內(nèi)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備

準(zhǔn)確稱取0.1 g梔子黃色素，在溫度13℃時(shí)用蒸餾水配制成濃度為0.1g/L的梔子黃溶液(pH值為6.4，電導(dǎo)率為4.5 μS/cm)。用NaCl配制電導(dǎo)率分別為 22.5、45、67.5、90和112.5 μS/cm 的0.1g/L 的梔子黃溶液，以磷酸氫二鈉(0.2mol/L)-檸檬酸(0.1mol/L)緩沖溶液和碳酸鈉-碳酸氫鈉緩沖溶液(0.1mol/L)配制 pH 值為2、4.2、7.15、9.3、10、12 的 0.1g/L的梔子黃色素稀釋液。以上樣品搖勻、靜置備用。

1.3.2 脈沖電場(chǎng)處理

在無菌環(huán)境下，經(jīng)恒流泵把不同電導(dǎo)率的梔子黃溶液泵入高壓脈沖電場(chǎng)處理室進(jìn)行處理，設(shè)定不同電場(chǎng)強(qiáng)度為26.7，40.0，53.3和66.7kV/cm;不同循環(huán)處理時(shí)間為20，30，45和60 min，相應(yīng)實(shí)際電脈沖處理時(shí)間為 15.3，23.0，34.5 和46.0 ms。

1.3.3 熱處理試驗(yàn)

100mL 0.1g/L的梔子黃溶液分別放入30、50、70、80、90℃的水浴鍋中熱處理 30min，靜置，室溫冷卻180 min后測(cè)量。

1.3.4 pH值的選擇

不同pH值的梔子黃色素稀釋液，在溫度為13℃放置180 min后測(cè)量。

1.3.5 保留率計(jì)算方法

采用紫外分光光度法［11］測(cè)量梔子黃色素在440 nm處的吸光度值，從而表征梔子黃色素的保留率，計(jì)算方法如公式(1)所示。

其中:ω，色素保留率;A1，處理后溶液吸光度值;A0，初始溶液吸光度值。

1.3.6 色澤測(cè)定

參照國(guó)際照明委員會(huì)(international commission on illumination，簡(jiǎn)稱CIE)推薦的CIE-L*a*b*表色系來表征色澤，用色差儀以透射模式對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定［11］。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖電場(chǎng)對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響

為了分析不同電脈沖條件對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響，分別從脈沖電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、時(shí)間、電導(dǎo)率三方面分析脈沖電場(chǎng)對(duì)梔子黃保留率和色澤的影響，其結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 電導(dǎo)率為4.5μS/cm的電脈沖處理?xiàng)d子黃溶液46 ms后場(chǎng)強(qiáng)對(duì)梔子黃色素保留率的影響

圖3 電導(dǎo)率為4.5 μS/cm經(jīng)66.7 kV/cm電脈沖處理后脈沖時(shí)間對(duì)梔子黃保留率的影響

圖4 經(jīng)場(chǎng)強(qiáng)為40 kV/cm電脈沖處理23 ms后脈沖處理時(shí)電導(dǎo)率對(duì)梔子黃保留率影響

從圖2可以看出，梔子黃色素溶液經(jīng)不同電脈沖條件處理后保留率的變化很小，表現(xiàn)出電脈沖穩(wěn)定。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)不高于30 kV/cm時(shí)梔子黃保留率影響很小;當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)高于40 kV/cm，隨著脈沖場(chǎng)強(qiáng)的上升，梔子黃色素穩(wěn)定性輕微下降。這可能是由于低于30 kV/cm的電脈沖能量還不能使得共軛結(jié)構(gòu)破壞［17］。從圖3可以看出，66.7 kV/cm的電脈沖不同時(shí)間處理?xiàng)d子黃溶液后，梔子黃色素保留率也只發(fā)生了輕微變化，并且保留率與電脈沖時(shí)間在0～46 ms內(nèi)有良好的相關(guān)性(R2=0.994)。在圖4中，不同電導(dǎo)率的梔子黃溶液經(jīng)相同電脈沖場(chǎng)強(qiáng)(40 kV/cm)處理23 ms后保留率與樣品電導(dǎo)率在5.0～112.5 μS/cm內(nèi)基本線性相關(guān)，處理樣品電導(dǎo)率偏高，梔子黃色素保留率就會(huì)稍微降低。隨著脈沖電場(chǎng)時(shí)間的增加，和處理液電導(dǎo)率的升高，梔子黃色素的保留率反而降低，究其原因可能是由于電脈沖能量與電脈沖時(shí)間和樣品電導(dǎo)率成正比關(guān)系［9］，而能量越大，對(duì)梔子黃共軛結(jié)構(gòu)破壞就越大。

2.2 熱處理溫度對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響

為了分析熱處理溫度對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響，測(cè)定了20～90℃下梔子黃色素的保留率，結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同溫度條件下處理30 min后溫度對(duì)梔子黃保留率的影響

從圖5可以看出，隨著處理溫度的增高，梔子黃色素的保留率在80℃以下降低很緩慢，說明這種天然色素在80℃以下熱穩(wěn)定性良好，受溫度影響較小。然而，即使在90℃的處理?xiàng)l件下，梔子黃色素的保留率仍可以達(dá)到92.2%，可見梔子黃色素對(duì)熱相對(duì)穩(wěn)定。而在90℃溫度處理?xiàng)l件下，花青素的降解速率可以達(dá)到每分鐘 32.24 ×103［11］。

2.3 不同pH值對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性的影響

為了分析pH值為2～12時(shí)保留率的變化情況，以電導(dǎo)率為4.5μS/cm經(jīng)66.7kV/cm電脈沖處理64ms后得到脈沖最小保留率為97.1%對(duì)比，常溫時(shí)保留率設(shè)為1對(duì)照，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，不同的pH值對(duì)梔子黃色素的保留率影響較大，梔子黃色素在pH值為4.2～10.0的緩沖體系中受影響較小，但是在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中，保留率明顯降低。

圖6 pH值對(duì)梔子黃色素保留率的影響

2.4 脈沖電場(chǎng)處理對(duì)梔子黃色素色澤的影響

梔子黃溶液的色澤反應(yīng)了梔子黃色素的著色情況［10］，也是分析梔子黃色素穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，脈沖電場(chǎng)對(duì)梔子黃色素的色澤影響如表1～表3所示。

表1 電導(dǎo)率為4.5 μS/cm的電脈沖處理?xiàng)d子黃溶液46 ms后場(chǎng)強(qiáng)對(duì)梔子黃色素色澤的影響

表2 電導(dǎo)率為4.5μS/cm經(jīng)66.7 kV/cm電脈沖處理后脈沖時(shí)間對(duì)梔子黃色澤的影響

表3 經(jīng)場(chǎng)強(qiáng)為40kV/cm電脈沖處理23ms后脈沖處理時(shí)電導(dǎo)率對(duì)梔子黃色澤影響

由表1～表3可以看出，脈沖處理樣品后，色澤L*值最大相差0.9，a*最大相差0.2，b*值最大相差2.3，所以PEF對(duì)梔子黃色澤的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

2.5 熱處理對(duì)梔子黃色素色澤的影響

熱處理對(duì)梔子黃色素色澤的影響可見表4。

表4 純熱處理30 min溫度對(duì)梔子黃色素色澤影響研究

從表4可以看出，梔子黃色素色澤隨溫度的變化很小。低溫時(shí)幾乎看不出變化，但是溫度到達(dá)90℃時(shí)明亮度L*值稍微降低，a*和b*幾乎不變化。

2.6 pH值梔子黃色素色澤的影響

pH值對(duì)梔子黃色素色澤的影響可見表5。

表5 pH值變化對(duì)梔子黃色素色澤影響研究

由表5可以看出，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下放置180min后測(cè)得L*、a*、b*值變小，觀察到溶液顏色變淺，表現(xiàn)為梔子黃色素褪色。主要是因?yàn)椴鼗ㄋ亍⒉鼗ㄋ嶂械墓曹楇p鍵易受親電試劑H、路易斯酸堿等破壞，最終形成σ鍵，不飽和烴逐漸變?yōu)轱柡蜔N，色素溶液的吸收峰遷移［12］。所以梔子黃色素多應(yīng)用于中性果汁飲料的著色。

3 結(jié)論

與熱處理和pH值的變化相比，脈沖電場(chǎng)對(duì)梔子黃色素穩(wěn)定性和色澤影響很小。梔子黃天然色素經(jīng)脈沖處理后很好的保留了色素的成分，避免了損失。不同的脈沖處理?xiàng)l件對(duì)梔子黃保留率有微弱影響。在果汁滅菌過程中，選擇較低的場(chǎng)強(qiáng)，較短的脈沖時(shí)間，能節(jié)約能耗，降低成本，保存食品風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)，保證天然色素良好的色澤和功效。

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Effect of Pulsed Electric Fields on Stability of Gardenia Yellow Pigment

Li Yun，Zeng Xin-an
(College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The effects of pulsed electric field(PEF)and pH as well as thermal treatment on the stability of gardenia yellow pigment were investigated in this paper.Results indicated that gardenia yellow pigment exhibited high resistance to intense PEF and thermal treatment.When the applied PEF treatment time was 64 ms，the reservation ratio of gardenia yellow pigment was 97.1%.This was slightly higher by 4.9%than the thermal treatment at 90℃ for 30 min.It was investigated that the gardenia yellow pigment was very sensitive in both strong acid and strong alkaline environments.

pulsed electric field(PEF)，gardenia yellow pigment，stability

碩士研究生(曾新安副教授為通訊作者，E-mail:xazeng@scut.edu.cn)。

*廣東省糖品綠色加工國(guó)際研發(fā)中心、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目“安全加工中心”(2007B080401010)資助

2010－05－31，改回日期:2010－08－24