熱風干燥過程中榆葉葉黃素的降解動力學

樊金玲，胡云霞，張金迪，吳 佳，孫曉菲，朱文學，黃印冉

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471003；2.河北省林業(yè)科學研究院，河北 石家莊 050061）

熱風干燥過程中榆葉葉黃素的降解動力學

樊金玲1，胡云霞1，張金迪1，吳 佳1，孫曉菲1，朱文學1，黃印冉2

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471003；2.河北省林業(yè)科學研究院，河北 石家莊 050061）

目的：研究熱風干燥過程中榆葉葉黃素的降解動力學。方法：采用高效液相色譜法測定榆葉中葉黃素的含量，對葉黃素降解過程進行反應動力學方程擬合，求解降解動力學參數(shù)。結果：新鮮榆葉中葉黃素含量較高，為（397.5±27.5）μg/g鮮質量（（1.414±0.105）mg/g干質量）。當風速為0.5m/s，干燥溫度為50、60、70℃時，榆葉中葉黃素的熱降解符合一級反應動力學模型，半衰期分別為4.5、3.2、2.8h；溫度升高，降解反應速率增大；降解反應速率常數(shù)與干燥溫度的關系符合Arrhenius公式，反應活化能為21.23kJ/mol。結論：熱風干燥榆葉時，采用較低的干燥溫度有利于提高葉黃素保留率。

榆葉；葉黃素；高效液相色譜法；降解動力學

葉黃素是一種含氧類胡蘿卜素，英文習慣名為Lutein，結構式見圖1。葉黃素具有多種生理活性，能抵御游離基在人體內造成的細胞與器官損傷，有效預防白內障、動脈硬化、增強免疫力，特別在預防癌變發(fā)生，延緩癌癥發(fā)展等方面具有重要作用[1-9]。美國食品與藥品管理局早在1995年已批準葉黃素作為食品補充劑。我國衛(wèi)生部公告（2007年第8號）稱，葉黃素屬于營養(yǎng)強化劑，可使用于嬰兒配方食品、較大嬰兒和幼兒配方食品和學齡前兒童配方食品，2008年衛(wèi)生部批準葉黃素酯為新功能食品原料。然而，葉黃素在食用蔬菜、水果中含量較少；例如，羽衣甘藍和菠菜是食物中葉黃素含量較高的蔬菜品種，其葉黃素含量僅分別為0.31725mg/g干質量和0.179mg/g干質量[10-12]。另一方面，葉黃素的穩(wěn)定性較差，易受溫度、光照、氧氣、酸、堿等影響而發(fā)生降解，使其開發(fā)利用受到一定限制[13-19]。

圖1 葉黃素結構式Fig.1 Structure of lutein

榆樹（Ulmus pumila L.）又名白榆、家榆，為榆科榆屬植物，廣泛分布于東北、華北、西北及西南各省區(qū)[20]。榆葉在我國有悠久的藥用和食用歷史，如《本草綱目》中記載：“榆葉暴干為末，淡鹽水拌，或炙或曬干，拌菜食之，亦辛滑下水氣”；我國民間也素有榆葉鮮食、拌面蒸制等食用歷史。現(xiàn)代醫(yī)學研究表明白榆具有較強的抗氧化、抗菌、抗炎、抑制前列腺增生等功能[21-24]。

本實驗室的前期研究結果表明：榆葉中含有豐富的類胡蘿卜素類物質。本實驗在此基礎上，采用高效液相色譜法進一步分析了榆葉中的葉黃素含量，著重探討了榆葉中葉黃素在常見加工方式——熱風干燥過程中的降解規(guī)律，建立了可有效預測榆葉中葉黃素降解的動力學模型，為榆葉的深加工利用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

榆葉，榆樹品種為白榆，采摘時間2011年6月，由河北省林業(yè)科學研究院提供。

正己烷（分析純）、甲醇（色譜純） 天津市德恩化學試劑有限公司；葉黃素（純度95%） 北京華邁科生物技術有限公司；高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）用水為實驗室自制超純水。

1.2 儀器與設備

DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海雷韻試驗儀器制造有限公司；AVM05型風速儀 上海雙旭電子有限公司；Agilent 1260高效液相色譜儀 美國安捷倫公司；旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；超聲波清洗儀 上海生源超聲波儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的測定

取新鮮榆葉片洗凈，擦干。置于表面皿中放入105℃烘箱中烘干至恒質量；計算新鮮榆葉的含水率。1.3.2 榆葉熱風干燥實驗

采摘新鮮健康榆葉，稱取18份，每份5g。將榆葉單層平鋪在已編好號的物料盤內后，放入干燥箱內，設定風速、風溫進行干燥。干燥過程中，每1h取出3份樣品，迅速稱質量，記為m1,i，按式（1）計算物料含水率，取平均值。將物料用組織粉碎機粉碎，精密稱取式（2）計算出來的質量m2,i于試管中，密封好后，放入冰箱；該批次干燥實驗結束后，將冰箱中的樣品進行真空冷凍干燥。然后進行葉黃素提取及含量測定，取平均值。按上述方法依次進行 50、60、70℃（風速均為0.5m/s）條件下的干燥實驗。

干燥不同時間取出物料的含水率為：

式中：Xi為第i次從干燥箱中取出物料的含水率（干基）；X為新鮮榆葉的含水率（干基）；m1,i為第i次從干燥箱中取出物料的質量/g。

若對應取出0.05g絕干榆葉用于葉黃素的檢測，每次取出物料粉碎后，用于葉黃素含量測定的樣品質量為：

式中：m2,i為第i次從干燥箱中取出的物料中用于葉黃素含量測定的樣品質量，其絕干物料質量為0.05g。

1.3.3 榆葉葉黃素的提取

稱取榆葉樣品置于研缽內，每次加入10 mL正己烷，反復提取至無色，合并提取液，旋轉蒸發(fā)至干，復溶于20 mL甲醇中，2 000 r/min離心，取上層清液，備用。

1.3.4 榆葉葉黃素的含量測定

采用高效液相色譜外標法定量測定待測樣品液中的葉黃素含量。

HPLC條件：色譜柱：ZORBAX SB-C18；柱溫：25 ℃；流速：1 mL/min；進樣量：5 μL；流動相A：甲醇，流動相B：水。線性梯度洗脫：0～5 min，75%A；5～10 min，75%～95%A；10～17 min，95%A；17～30 min，95%～100%A。檢測器波長范圍：260～600 nm；檢測波長：450 nm。

標準曲線制作：精密稱取葉黃素標準品2.5 mg，用冰丙酮溶解并定容于25 mL棕色容量瓶中，得到葉黃素標準品儲備液（100 μg/mL）。將儲備液分別稀釋為以下一系列質量濃度標準品使用液：1、2、4、10、20、40、100 μg/mL，進行HPLC檢測。以峰面積為縱坐標，以溶液質量濃度為橫坐標，進行線性回歸，得到標準曲線方程。

樣品葉黃素含量測定：取榆葉葉黃素提取液，過0.45μm濾膜，進行HPLC分析。通過標準曲線測得樣品葉黃素質量，并計算榆葉中葉黃素含量。

2 結果與分析

2.1 高效液相色譜法定量分析榆葉中葉黃素含量

圖2 葉黃素標準品的HPLC圖（450nm）Fig.2 HPLC chromatogram of lutein recorded at 450 nm

利用高效液相色譜分析、外標法測定了榆葉中葉黃素含量。葉黃素標準品的高效液相色譜圖如圖2所示。葉黃素峰面積與質量濃度在1～100μg/mL范圍內線性關系良好，線性回歸方程為y=28.479x＋31.75，相關系數(shù)達到0.999；此方程可以用于葉黃素峰面積與質量濃度之間的定量分析與計算。

圖3 榆葉葉黃素提取物的HPLC圖（450nm）Fig.3 HPLC chromatogram of lutein extracted from elm leaves recorded at 450 nm

榆樹葉正己烷提取液的HPLC色譜圖如圖3所示。經計算，新鮮榆葉中的葉黃素含量為（397.5±27.5）μg/g鮮質量（（1.414±0.105）mg/g干質量）。葉黃素雖然廣泛存在于高等植物中，但在食用蔬菜、水果中含量較少。羽衣甘藍和菠菜是食物中葉黃素含量較高的蔬菜品種，其葉黃素含量分別為0.317mg/g干質量和0.179mg/g干質量[10-12]；萬壽菊是目前工業(yè)提取葉黃素的主要原料，其葉黃素含量約為1.70mg/g干質量。本研究測得榆葉中的葉黃素含量約為羽衣甘藍的4.5倍，菠菜的7.9倍，接近萬壽菊中的葉黃素含量。鑒于榆葉可食、可入藥，且葉黃素含量較高，因此可以考慮開發(fā)明目食品、保健品等為人們利用。

2.2 榆葉熱風干燥過程中葉黃素降解動力學

圖4 熱風干燥過程中榆葉葉黃素保留率的變化Fig.4 Changes in lutein retention during hot air drying process

圖5 熱風干燥過程中榆葉葉黃素降解動力學Fig.5 Degradation kinetics of lutein in elm leaves during hot air drying process

當風速0.5m/s時，不同溫度熱風干燥過程中榆葉葉黃素的保留率隨時間的變化如圖4所示。同一溫度下，隨著熱風干燥時間的延長，榆葉中葉黃素的含量下降；溫度越高，葉黃素降解越快。干燥溫度為50、60、70℃，干燥時間2h時，榆葉中葉黃素的保留率分別為75.84%、68.55%和66.23%。

將干燥t小時后的榆葉葉黃素含量Ct和新鮮榆葉葉黃素含量C0的比值取對數(shù)后與時間作圖，結果見圖5，不同干燥溫度條件下，－ln（Ct/C0）與時間呈良好的線性關系，相關系數(shù)均＞0.97（表1），表明榆葉中葉黃素降解符合一級反應動力學。

按式（3）～（5）計算動力學參數(shù)k、t1/2和D值，計算結果見表1。

式中：C0為新鮮榆葉中葉黃素的含量/（mg/g）；Ct為一定溫度條件下干燥t小時后榆葉中葉黃素含量/（mg/g）；k為一級反應常數(shù)/h-1；t1/2為半衰期，即葉黃素降解50%所需時間/h；D為葉黃素降解90%所需時間/h。

表1 不同溫度下榆葉熱風干燥過程中葉黃素的降解參數(shù)Table1 Degradation parameters for lutein in elm leaves at different temperatures during hot drying process

榆葉中葉黃素在干燥過程中隨溫度的變化由反應活化能（Ea）、溫度系數(shù)（Q10）以及Z值來確定。可分別按式（6）～（8）計算，計算結果見表1。

式中：k為一級反應速率常數(shù)/h-1；k0為頻率常數(shù)；Ea為反應活化能/（kJ/mol）；T為溫度/K；R為氣體常數(shù)/（J/（mol·K））。

式（6）（Arrhenius方程）兩邊同時取對數(shù)，由式（3）可得不同溫度（T）下降解反應常數(shù)（k），以lnk對1/T作線性回歸，直線斜率為－Ea/R，截距為lnk0，由直線的斜率即可求出反應活化能Ea。

式中：Q10為溫度系數(shù)，表示溫度每升高10℃，反應速率增大的比例數(shù)。k1和k2分別為溫度T1和T2時的一級反應速率常數(shù)。

式中：Z為半衰期（t1/2）變化10倍所需的溫度變化/℃；b為常數(shù)。以T對lgt1/2作線性回歸，由直線的斜率可得到Z值。

由表1可知，隨著干燥溫度的升高，榆葉葉黃素降解速率常數(shù)k增大，半衰期t1/2和D值相應減小。榆葉干燥過程中葉黃素降解的反應速率常數(shù)（k）與溫度（T）的關系符合Arrhenius方程，反應活化能為21.23kJ/mol（R2=0.95）。

在多數(shù)研究中（包括多種真實的食品體系和模擬體系），葉黃素熱降解符合一級動力學模型，如Aparicio-Ruiz等[25]對初榨橄欖油、Henry等[26]對紅花油加熱過程中葉黃素的降解研究。但也有研究者報道了葉黃素熱降解符合多級動力學模型，如Hadjal等[27]的研究表明在兩種不同pH值的水溶性模型體系中葉黃素的熱降解符合二級動力學（熱處理溫度45、60、75、90℃）；Achir等[28]的研究表明在棕櫚油精和Vegetaline?（一種煎炸用商品油）中葉黃素的熱降解更適宜用二級反應動力學模型來描述（熱處理溫度120、140、160、180℃）。除反應級數(shù)外，葉黃素熱降解過程的動力學、熱力學參數(shù)也因所處基質、熱處理方式及條件等不同而異。如Aparicio-Ruiz[25]、Henry等[26]報道了由采收季節(jié)不同的橄欖為原料榨取的初榨橄欖油中，葉黃素的熱降解反應活化能為68.1～75.1kJ/mol，Achir等[28]則報道了葉黃素在棕櫚油精和Vegetaline?中葉黃素降解的活化能分別為112、75kJ/mol。

本研究表明熱風干燥過程中榆葉中葉黃素降解符合一級反應動力學，反應速率常數(shù)為0.1552～0.2457h-1，反應活化能為21.23kJ/mol，D值9.4～14.8h。測定結果接近南瓜汁[29]和番木瓜汁[30]中總類胡蘿卜素降解的動力學參數(shù)。

熱風干燥過程中葉黃素的損失可能由于異構化和氧化反應引起。熱處理可引起葉黃素的異構化反應，9-順式和13-順式葉黃素是主要的順式產物[25,31]。迄今為止，在有氧條件下伴隨異構化反應同時發(fā)生的氧化反應被認為是葉黃素損失的主要原因。加熱過程中葉黃素氧化首先生成環(huán)氧衍生物，環(huán)氧衍生物可進一步發(fā)生裂解反應，因裂解位點不同而生成相應的醛和酮及一些揮發(fā)性強的短鏈裂解產物；短鏈裂解產物也可由葉黃素直接氧化裂解產生。Boon等[32]對類胡蘿卜素包括葉黃素的降解機制做了較詳盡的論述。

3 結 論

榆葉中葉黃素含量為（397.5±27.5）μg/g鮮質量（（1.414±0.105）mg/g干質量）。風速0.5m/s，溫度50、60、70℃條件下進行熱風干燥過程中，榆樹葉中葉黃素的降解符合一級反應動力學模型；提高干燥溫度，葉黃素降解反應速率增大，半衰期分別為4.5、3.2、2.8h；降解反應速率常數(shù)與干燥溫度的關系符合Arrhenius公式（相關系數(shù)0.95），反應活化能為21.23kJ/mol。

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Degradation Kinetics of Lutein in Elm Leaves during Hot Air Drying Process

FAN Jin-ling1, HU Yun-xia1, ZHANG Jin-di1, WU Jia1, SUN Xiao-fei1, ZHU Wen-xue1, HUANG Yin-ran2
(1. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Hebei Province Forestry Academy of Science, Shijiazhuang 050061, China)

Purpose: This study aimed to determine the degradation kinetics of lutein in elm leaves during hot air drying process at different drying temperatures. Methods: The content of lutein in elm leaves was determined by high performance liquid chromatography (HPLC). The process of lutein degradation was fitted with a reaction kinetic equation and the degradation kinetic parameters were resolved. Results: The content of lutein in elm leaves was (397.5 ± 27.5) μg/g fresh weight (FW) or (1.414 ± 0.105) mg/g dry weight (DW). Analysis of kinetic data suggested a first-order reaction for the degradation of lutein in elm leaves with the half-lives of 4.5, 3.2 and 2.8 h at 50, 60 and 70 ℃, respectively. Increasing temperatures from 50 to 70 ℃ enhanced the degradation of lutein during drying process. The temperature-dependent degradation was adequately modeled on the Arrhenius equation. The activation energy value for the degradation of lutein in elm leaves was 21.23 kJ/mol. Conclusion：Hot-air dried elm leaves at lower temperature can retain higher levels of lutein.

elm leaves; lutein; high performance liquid chromatography; degradation kinetics

O656.3

A

1002-6630（2014）11-0006-05

10.7506/spkx1002-6630-201411002

2013-06-30

國家自然科學基金面上項目（31171723）

樊金玲（1973—），女，教授，博士，研究方向為天然產物化學。E-mail：fanjinling@haust.edu.cn