鄧潔紅譚興和王 鋒黃 菲張 濤
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖南 長沙 410128;2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410128;3.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410127)
刺葡萄皮花色苷的光熱降解特性研究
鄧潔紅1,2譚興和1,2王 鋒1,2黃 菲1張 濤3
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖南 長沙 410128;2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410128;3.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410127)
為了解刺葡萄皮花色苷在光照及加熱條件下的穩(wěn)定性,明確其貯藏和應(yīng)用條件,對(duì)刺葡萄皮花色苷的光熱降解特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:常溫條件下,pH 1~3色素液花色苷穩(wěn)定性較好;避光及室內(nèi)自然光照條件下放置20d內(nèi)刺葡萄皮花色苷的穩(wěn)定性無顯著差異,但強(qiáng)光條件下,刺葡萄皮花色苷穩(wěn)定性明顯下降;刺葡萄皮花色苷熱降解符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)規(guī)律,pH 為1.0、3.0、4.5時(shí),其熱降解活化能Ea分別為99.385 6,83.364 5,73.741 9kJ/mol,說明低pH條件下,刺葡萄皮花色苷的熱穩(wěn)定性較好,但pH 1.0色素液在≥80℃加熱時(shí)的花色苷半衰期t1/2≤4.10h,而pH 3.0、4.5色素液在同樣加熱條件下的t1/2≤14.12h、13.20h;高溫處理(≥80℃)時(shí),pH 3.0的色素液穩(wěn)定性優(yōu)于其余pH條件。
刺葡萄皮花色苷;穩(wěn)定性;熱降解;動(dòng)力學(xué)
天然色素取代合成色素已成趨勢(shì)。從植物中提取的花色苷色素,色澤鮮艷自然,使用安全,且具有一定的生理活性功能。研究[1-2]表明,花色苷等多酚類物質(zhì)具有預(yù)防心腦血管疾病、預(yù)防癌癥、抗氧化、消除自由基、改善肝臟功能等作用。但相比合成色素,花色苷色素不穩(wěn)定、易降解,其穩(wěn)定性受熱、光、氧、金屬離子、pH值、溶劑、花色苷濃度和結(jié)構(gòu)、酶等因素的影響[3-5]。食品加工中的許多操作單元都不可避免用到熱處理,如濃縮、殺菌等,將花色苷色素作為食品著色劑和添加劑使用,研究花色苷的熱穩(wěn)定性對(duì)于該類色素的應(yīng)用非常重要。近年,中國學(xué)者對(duì)部分植物花色苷的熱降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,如聶千[6]研究了篤柿色素的熱降解動(dòng)力學(xué);勵(lì)建榮等[7]研究了楊梅汁花色苷熱降解特性;趙新淮[8]對(duì)黑加侖果渣紅色素的熱穩(wěn)定性;方忠祥等[9]對(duì)紫肉甘薯中花色苷熱降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,分別得出不同植物花色苷的熱降解活化能及半衰期等重要參數(shù)。通過研究其熱降解規(guī)律,有助于了解花色苷的降解機(jī)理,預(yù)測(cè)各種溫度下的反應(yīng)速率,繼而采取合適的熱處理參數(shù)。
刺葡萄 (vitis davidii fo3x.)屬東亞品種,廣泛分布于陜西、甘肅、華中、華南及西南等地。近年在湘西、湘西北地區(qū)對(duì)野生刺葡萄的人工培植獲得成功,使當(dāng)?shù)卮唐咸旬a(chǎn)量逐年提高。刺葡萄果皮厚實(shí)、果肉小,作為食用鮮果其市場(chǎng)受到一定限制。筆者前期研究[10]表明,新鮮刺葡萄果皮花色苷含量達(dá)到2.5mg/g,為歐美葡萄品種的5倍以上,是優(yōu)異的天然植物色素資源,開發(fā)和應(yīng)用前景廣闊,但關(guān)于刺葡萄皮花色苷的光熱穩(wěn)定性研究尚未見有關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)主要研究pH值、光照、熱處理對(duì)刺葡萄皮花色苷穩(wěn)定性的影響,對(duì)刺葡萄皮花色苷的熱降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入分析和探討,其目的在于建立熱加工重要參數(shù)群,獲得刺葡萄皮色素在應(yīng)用中保持色澤的有利條件,為刺葡萄皮色素的擴(kuò)大應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
刺葡萄:購于湖南省芷江縣,洗凈、晾干表面水,手工剝皮,冷凍干燥,粉碎,過60目篩,棕色瓶保存。
電子天平:ALC-210.4,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;
精密酸度計(jì):pH-3C型,上海雷磁儀器廠;
分光光度計(jì):722型,上海校光技術(shù)有限公司;
紫外分光光度計(jì):UV-2450,日本島津;
數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋:PC-1000,上海躍進(jìn)醫(yī)療機(jī)械廠;
旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:RE52-3型,上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;
真空循環(huán)水式多用泵:SHB-Ⅲ,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;
離心機(jī):TDL-5,上海安亭科學(xué)儀器廠;
單道移液器:YQ005-YQ007,日本立洋。
鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀、磷酸氫二鈉、乙醇等:均為市售分析純。
1.2.1 刺葡萄皮色素提取 稱取葡萄皮粉于三角瓶,以料液比1∶15加入70%(V/V)乙醇(含0.03%鹽酸)提取,于50℃水浴鍋內(nèi)浸提1h,過濾,再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(溫度≤40℃)真空濃縮,回收乙醇,將得到的濃縮液進(jìn)行抽濾[10]。
1.2.2 pH值對(duì)刺葡萄皮色素穩(wěn)定性的影響試驗(yàn) 分別取1mL色素濃縮液用pH=1~7的緩沖液定容至50mL,其中pH 1為HCl-KCl緩沖液,其余為磷酸鹽緩沖液;避光靜置1h,在最大吸收波長處測(cè)定吸光度作為初始值A(chǔ)0,然后分別在遮光和自然光照條件下保存20d,期間每隔1d取樣測(cè)吸光度A1,以A1/A0近似計(jì)算花色苷殘存率。根據(jù)分光光度計(jì)掃描結(jié)果,最大吸收波長設(shè)定為:pH為1時(shí)520nm,pH為2~5時(shí)525nm,pH為6~7時(shí)550nm。
1.2.3 光照對(duì)刺葡萄皮色素穩(wěn)定性的影響試驗(yàn) 依據(jù)1.2.2試驗(yàn)結(jié)果,用pH 1.0,3.0,4.5的緩沖液配制色素稀釋液,分別于室內(nèi)自然光及室外強(qiáng)光照射下保存9d,期間每隔1d測(cè)最大波長吸光度,檢測(cè)光照條件對(duì)色素穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)選擇在10月中下旬進(jìn)行,室外光照充足均勻。
1.2.4 熱對(duì)刺葡萄皮色素穩(wěn)定性的影響試驗(yàn) 取3份色素濃縮液,分別以HCl-KCl緩沖液和磷酸鹽緩沖液調(diào)色素液為pH 1.0,3.0,4.5,將色素液分裝在棕色試劑瓶中,恒溫水浴鍋加熱處理,每2h取樣一次,冷卻后分別用pH 1.0的HCl-KCl緩沖液,pH 4.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液定容,靜置1h后,測(cè)最大吸收波長處吸光度Amax及700nm處吸光度A700nm(以蒸餾水作空白),以示差法A= (Amax-A700nm)pH 1.0-(Amax-A700nm)pH 4.5測(cè)定色素液吸光度值[11],以A熱處理后/A熱處理前計(jì)算花色苷殘留值,對(duì)刺葡萄色素進(jìn)行熱降解動(dòng)力學(xué)分析。各處理溫度分別為:50,60,70,80,90℃。
1.2.5 刺葡萄皮花色苷熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)解析 Arrhenius方程[5-7]描述了花色苷降解的動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)規(guī)律:
式中:
k——熱降解反應(yīng)常數(shù);
C—— 色素液中花色苷最終濃度,mg/mL;
C0——色素液中花色苷初始濃度,mg/mL;
t—— 時(shí)間,h。
當(dāng)用差示法測(cè)定色素液吸光度時(shí),可用式(2)代替式(1),使計(jì)算簡(jiǎn)化。
式中:
A——色素液最終吸光度;
A0——色素液初始吸光度;
k——熱降解反應(yīng)常數(shù);
t—— 時(shí)間,h;
k0—— 頻率常數(shù);
R—— 氣體常數(shù),8.314×10-3kJ/(mol·K);
Ea—— 熱降解活化能,kJ/mol;
T—— 溫度,K。
根據(jù)刺葡萄皮花色苷的熱降解-ln(C/C0)-t圖可進(jìn)行熱降解參數(shù)分析。
1.2.6 數(shù)據(jù)分析方法 試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均數(shù)表示。數(shù)據(jù)分析采用DPS統(tǒng)計(jì)軟件,均值的多重比較采用Bonferroni法,P<0.05為差異顯著。
如圖1所示,等量刺葡萄皮花色苷色素液在pH 1~7的緩沖液中呈現(xiàn)出不同的初始吸光度A0,并伴有相應(yīng)的顏色變化。在pH 1~4范圍內(nèi),吸光度隨pH值的上升而降低,顏色由紅轉(zhuǎn)紫;在pH 4~7范圍內(nèi),其吸光度隨著pH值的上升而增加,顏色由紫變藍(lán),顏色變化結(jié)果與Dao的研究[12]相一致。這可能是花色苷形式由紅色的黃烊鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色醌式堿所致。
圖1 刺葡萄皮花色苷在pH 1~7的初始吸光度Figure 1 The initial absorbancy of VSA at pH 1~7
由圖2a可見,在常溫避光條件下,pH 1~2的色素液穩(wěn)定性很好,吸光度變化曲線平穩(wěn),觀察期內(nèi)(20d)花色苷殘存率分別為93.7%和92.7%(見圖3);pH 3的色素液比較穩(wěn)定,20d內(nèi)花色苷殘存率為82.0%;pH 4~5的色素液穩(wěn)定性較差,20d內(nèi)花色苷殘存率為36.8%和40.5%,且pH 1~5色素液吸光度的下降多發(fā)生在第4~5天;pH 6~7色素液在前2d內(nèi)吸光度迅速下降,之后緩慢持續(xù)下降,表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,20d內(nèi)花色苷殘存率只有19.9%和20.6% 。由此可見,pH值對(duì)花色苷穩(wěn)定性的影響較大,因此,刺葡萄皮色素適合在酸性較強(qiáng)的條件下使用。
圖2 pH值對(duì)刺葡萄皮花色苷穩(wěn)定性的影響Figure 2 Effects of pH value on stability of VSA
比較圖2a、b,在常溫室內(nèi)自然光照條件下,pH值對(duì)刺葡萄皮色素液吸光度的影響與避光條件下相似,且第20天花色苷保存率相差不大(如圖3),因此,光照對(duì)花色苷穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)僅比較室內(nèi)自然光照和室外強(qiáng)光照射兩種情況。
圖3 不同pH值下刺葡萄皮花色苷20d的殘存率(避光及自然光照條件下)Figure 3 The residual rate of VSA at different pH value(20d,light-avoided or natural-light)
刺葡萄皮色素液在室內(nèi)自然光照及室外強(qiáng)光照射下的吸光度變化見圖4。在3種pH值條件下,強(qiáng)光照射使色素液吸光度呈現(xiàn)短暫上升(第1天)后以更快的速度下降,說明紫外線短期照射對(duì)色素液有一定的加強(qiáng)色澤的作用,而長期照射使刺葡萄色素降解速度加快。紫外照射對(duì)花色苷的短期輔色作用在文獻(xiàn)[13]中曾見報(bào)道。3種pH值條件下,強(qiáng)光照射9d,樣液花色苷殘存率分別為69.5%、53.7%、28.0%,而 室內(nèi) 自然光照的對(duì) 比 值 為 91.9%、79.6%、38.9%。
圖4 光照對(duì)刺葡萄皮花色苷穩(wěn)定性的影響Figure 4 Effect of light on the stability of VSA
2.3.1 熱處理對(duì)刺葡萄皮花色苷殘留值的影響 由圖5可知,在不同的pH值條件下,刺葡萄皮花色苷的熱穩(wěn)定性不同,pH 3.0的穩(wěn)定性優(yōu)于pH 4.5,在中等溫度(50~60℃)條件下,pH 1.0的穩(wěn)定性與pH 3.0相似,50℃加熱32h,花色苷殘留值分別為0.823和0.843,在而在較高溫度(80~90℃)條件下,pH 1.0的穩(wěn)定性變差,80℃加熱12h花色苷殘留值為0.135,而pH 3.0條件下的數(shù)據(jù)為0.508,這可能是因?yàn)閺?qiáng)酸性導(dǎo)致花色苷高溫水解所致。在相同pH值條件下,加熱溫度和時(shí)間對(duì)花色苷的穩(wěn)定性影響較大,溫度越高,加熱時(shí)間越長,花色苷殘留值越小,因此,刺葡萄皮花色苷不適合高溫長時(shí)間處理。
圖5 熱處理對(duì)刺葡萄皮花色苷殘留值的影響Figure 5 Effect of heat treatment on the residual rate of VSA
2.3.2 刺葡萄皮花色苷熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)解析 分別對(duì)pH 1.0,3.0,4.5的色素液熱穩(wěn)定性作-ln(C/C0)-t圖并進(jìn)行線性回歸,結(jié)果見圖6。
結(jié)果表明線性關(guān)系良好(R2>0.97),刺葡萄皮花色苷熱降解符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)規(guī)律。
在研究花色苷的熱穩(wěn)定性時(shí),花色苷半衰期t1/2是一個(gè)重要的參數(shù)。計(jì)算花色苷降解一半所需的時(shí)間,可利用式(1)推導(dǎo)出公式:
式(6)中的k值可根據(jù)圖6中每條直線的斜率求出。作-lnk-1/T關(guān)系圖并線性回歸,根據(jù)式(5),則直線的斜率為Ea/R,截距為-lnk0,由此可求出不同pH色素液的熱降解活化能Ea。刺葡萄皮花色苷(VSA)的熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表1。
圖6 刺葡萄皮花色苷熱降解ln(C/C0)-t的關(guān)系Figure 6 The ln(C/C0)-t relationship of degradating VSA under heating
反應(yīng)常數(shù)k表明花色苷熱降解的速率,而活化能是決定反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素(另一個(gè)重要因素是頻率常數(shù)k0),在一定溫度下,活化能越大,熱降解反應(yīng)速率越慢。表1數(shù)據(jù)顯示,以活化能計(jì),pH 1.0>pH 3.0>pH 4.5,說明低pH值條件下,刺葡萄皮花色苷的熱穩(wěn)定性較好,有利于色素的熱處理及保存。但值得注意的是,當(dāng)pH 1.0,色素液在80~90℃的高溫下,花色苷水解加劇,致使熱降解速率加快。
2.3.3 刺葡萄皮花色苷熱降解溫度系數(shù) 由表1可知,降低溫度使刺葡萄皮花色苷的半衰期大大延長,可見溫度對(duì)花色苷熱降解反應(yīng)影響明顯。為量化溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響,引用Vanthoff規(guī)則:
式中:
Q10——溫度系數(shù),其值越大,表示熱降解反應(yīng)速率對(duì)溫度變化越敏感;
T1,T2—— 變化前、后的加熱溫度,℃;
k1—— 溫度T1時(shí)的速率常數(shù);
k2—— 溫度T2時(shí)的速率常數(shù)。
表1 刺葡萄皮花色苷熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 The kinetic prameters of thermal degradation of VSA
刺葡萄皮花色苷熱降解的溫度系數(shù)Q10見表2。pH 1.0條件下,刺葡萄皮花色苷在70~80℃的Q10值明顯大于其它溫度范圍內(nèi)的Q10,說明當(dāng)熱處理溫度從70℃提高到80℃時(shí),花色苷降解速率迅速加快,而80~90℃時(shí),降解速率變化不敏感。pH 3.0和pH 4.5條件下,花色苷降解速率對(duì)溫度反應(yīng)最敏感的區(qū)域均發(fā)生在80~90℃范圍內(nèi)。
表2 刺葡萄皮花色苷熱降解的溫度系數(shù)Q10Table 2 The thermal degradation parameter Q10of VSA under different temperature
刺葡萄皮色素的主要成分為花色苷,其穩(wěn)定性受到多種因素的影響,花色苷降解的直觀變化為顏色變淡。pH值是影響刺葡萄皮色素顏色強(qiáng)度的主要因素,在強(qiáng)酸性條件下(pH≤2.0)呈鮮紅色,這是因?yàn)辄S烊陽離子(AH+)占主導(dǎo)[14-15];在pH=2.5~4.0時(shí),刺葡萄皮花色苷呈自然的紫紅色或紫色;pH=4.5~6.0為藍(lán)紫色;堿性條件下為藍(lán)綠到黑褐色。pH值不僅影響刺葡萄皮色素的呈色,對(duì)其穩(wěn)定性的影響也很大,在避光及室內(nèi)自然光照條件下,pH=1~3的色素液表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,隨著pH值上升,刺葡萄皮色素液的穩(wěn)定性下降。因此,刺葡萄皮花色苷適合在較強(qiáng)酸性條件下使用。筆者[16]前期研究表明,刺葡萄皮色素應(yīng)用于汽水、果凍、酸奶等食品獲得較好著色效果。
光照對(duì)刺葡萄皮花色苷有一定的降解作用。在pH 1.0、3.0、4.5 3種酸度下,室內(nèi)自然光照與避光條件對(duì)花色苷降解的影響區(qū)別不顯著(觀察期20d);室外強(qiáng)光加速花色苷的降解。因此該色素在處理和貯藏過程中,應(yīng)盡量避免強(qiáng)光照射,長期保存應(yīng)避光。有觀點(diǎn)[17]認(rèn)為,光誘導(dǎo)花色苷降解主要是存在分子態(tài)氧的原因,因此,刺葡萄皮色素在食品中應(yīng)用時(shí),采用真空包裝也是提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的有效措施。
通過對(duì)半衰期t1/2及溫度系數(shù)Q10的分析,pH 1.0色素液在80℃以上的條件下花色苷熱降解半衰期明顯下降。該研究結(jié)果與其它植物來源花色苷的熱降解性呈現(xiàn)出一定差異,文獻(xiàn)[18]報(bào)道,pH 1.0楊梅汁花色苷在85℃以上高溫下的半衰期仍然大于pH 3.1及pH 4.5樣品的對(duì)應(yīng)值。而綜合比較,pH 3.0條件對(duì)保持刺葡萄皮花色苷在高溫下的穩(wěn)定性最為有利。經(jīng)測(cè)定,新鮮刺葡萄皮色素原液的pH值為3.08,接近自然生長狀態(tài)的pH值環(huán)境是否加強(qiáng)了植物花色苷的穩(wěn)定性,值得進(jìn)一步研究和探討。根據(jù)刺葡萄皮花色苷熱處理半衰期的特點(diǎn),在該色素?zé)峒庸み^程中,尤其是高溫?zé)崽幚頃r(shí)(≥80℃),應(yīng)控制色素液的pH值在3.0左右。
(1)pH值對(duì)刺葡萄皮花色苷的穩(wěn)定性影響明顯,pH 1~3適合色素液的保存。
(2)室內(nèi)自然光照對(duì)刺葡萄皮花色苷的影響與避光條件下無顯著差異。
(3)刺葡萄皮花色苷的熱降解符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)方程。同一pH值條件下,降低溫度能有效延長刺葡萄皮色素的半衰期;不同pH條件下,刺葡萄皮花色苷降解所需的活化能Ea(pH 1.0)>Ea(pH 3.0)>Ea(pH 4.5),Ea分別為99.385 6,83.364 5,73.741 9kJ/mol,說明低pH值有利于刺葡萄皮花色苷的保存。加熱溫度超過80℃ 時(shí) ,pH 1.0色素液花色苷的半衰期t1/2≤4.10h,遠(yuǎn)低于pH 3.0、pH 4.5色素液的對(duì)應(yīng)值(t1/2≤ 14.12,13.20h),高溫水解反應(yīng)加速了花色苷的熱降解。
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Study on the photic and thermal degradation characteristics of vitis skin anthocyanins
DENG Jie-h(huán)ong1,2TAN Xing-h(huán)e1,2WANG Feng1,2HUANG Fei1ZHANG Tao3
(1.College of Food Science and Technology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan410128,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Food Science and Biological Technology,Changsha,Hunan410128,China;3.Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic,Changsha,Hunan410127,China)
Light and heating are the important facts to impact the stability of anthocyanins.The photic and thermal degradation characteristics of vitis skin anthocyanins(VSA)were studied in order to realize its storage and application conditions.The results showed as follows:VSA was stable at pH1~3under nomal temperature;There was not significant difference between the stability of VSA under light-avoided condition and that of under natural-light(20d),and the stability of VSA declined due to sunlight;It proved that the thermal degradation of VSA follows the one-stage kinetic reaction equation;At pH 1.0,pH 3.0,pH 4.5,the thermal degradation Activation Energy(Ea)were 99.385 6,83.3645and 73.741 9kJ/mol respectively,and that meant higher thermal stability of VSA could be achieved at lower pH.At pH1.0when heating temperature was risen up to 80℃,however,the half life of VSA was shorter(t1/2≤4.10h)than that at pH 3.0(t1/2≤14.12h)and at pH 4.5(t1/2≤13.20h),it suggested that the hydrolization reaction should be paid more attention to under vey high temperatures and very strong acidity,pH 3.0VSA was of the best stability when processed under very high temperatures(≥80℃).
vitis skin anthocyanins(VSA);stability;thermal degradation;kinetics
10.3969 /j.issn.1003-5788.2010.05.016
湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):08JJ6005);湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)穩(wěn)定人才基金(編號(hào):09WD35)
鄧潔紅(1967-),女,湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授,博士。E-mail:hongjiedeng@163.com
2010-05-10