不同有機酸體系中紫薯花色苷熱降解穩(wěn)定性研究

劉海英，邢子毅，王加華，馬亞茹，梁　珊

（1.許昌學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南許昌461000；2.華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006；3.暨南大學(xué)理工學(xué)院，廣東廣州510632）

不同有機酸體系中紫薯花色苷熱降解穩(wěn)定性研究

劉海英1，邢子毅2，王加華1，馬亞茹1，梁珊3

（1.許昌學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南許昌461000；2.華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006；3.暨南大學(xué)理工學(xué)院，廣東廣州510632）

研究了紫薯花色苷在乳酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸體系中的熱降解穩(wěn)定性，通過建立紫薯花色苷熱降解動力學(xué)模型，分析紫薯花色苷在不同有機酸體系中的熱降解速率常數(shù)k、半衰期t1/2及熱降解活化能Ea，為提高紫薯花色苷的穩(wěn)定性提供實驗參考和理論依據(jù)。結(jié)果表明：紫薯花色苷的熱降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)模型，隨著溫度的升高，紫薯花色苷降解速率明顯加快；在有機酸體系中，紫薯花色苷的熱降解活化能Ea及半衰期t1/2較空白組均有所提高，即穩(wěn)定性增強。有機酸輔色后Ea值分別提高了35.71%（酒石酸）、32.06%（乳酸）、20.61%（蘋果酸）、12.60%（乙酸）、45.31%（檸檬酸）。其中檸檬酸、酒石酸、乳酸的作用效果較好，可考慮作為輔色劑。

紫薯花色苷，有機酸，穩(wěn)定性，熱降解動力學(xué)，半衰期，熱降解活化能

伴隨“蘇丹紅事件”的發(fā)生，人們對于人工合成色素的安全性越來越關(guān)注，大量研究證明人工合成色素具有潛在健康風(fēng)險，如影響兒童智力發(fā)育［1］，具有致瀉性、致突性與致癌作用［2-3］，世界各國紛紛出臺政策禁止或限制人工合成色素的使用。而相對來說，天然食用色素不僅具有色調(diào)自然柔和，安全性強的特點，同時不少種類還具有一定的營養(yǎng)和藥理作用，對人體健康有利。因此，開發(fā)天然食用色素新資源，是食品工業(yè)領(lǐng)域中的重要研究課題。

紫薯，旋花科植物甘薯的特有品種，最為突出的特點在于含有大量的水溶性天然色素—紫薯花色苷（purple sweet potato anthocyanin，PSPA），每百克鮮重含量可達(dá)30～120mg。PSPA的化學(xué)組成以酰化的矢車菊苷和芍藥苷為主［4］，這是一類具有多項生理保健作用的黃酮類化合物，能夠清除人體自由基，延緩動脈粥樣硬化、預(yù)防高血壓、保護(hù)肝臟、延緩人體衰老［5-7］等，這些特點賦予紫薯色素優(yōu)越的開發(fā)利用價值。2012年4月，經(jīng)衛(wèi)生部批準(zhǔn)，紫薯色素作為天然色素的新品種加入了我國食品添加劑的行列［8］。

但是，天然色素普遍具有穩(wěn)定性差［9］、著色力弱、分離純化困難等缺點，這些都制約了天然色素在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高天然色素的穩(wěn)定性也成為了亟待解決的問題之一。本文通過討論幾種有機酸對PSPA的輔色作用，對提高天然色素PSPA的穩(wěn)定性提供了一定的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)，進(jìn)而為紫薯色素制備、貯藏、食品應(yīng)用的生產(chǎn)實踐提供一定的理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮紫薯仔市售；乳酸、檸檬酸、蘋果酸、醋酸、酒石酸、氯化鉀、無水乙酸鈉、無水乙醇、鹽酸均為分析純。

7200型可見分光光度計尤尼柯（上海）儀器有限公司；TG16-WS型臺式高速離心機湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司；DS-1型組織搗碎勻漿機上海比朗儀器有限公司；HH-Z2型電加熱恒溫水浴鍋鄭州長城科工貿(mào)有限公司；FA1004N型電子分析天平上海菁海儀器有限公司；PHS-3C型精密pH計上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；XW-80A型旋渦混合器上海精科實業(yè)有限公司；1260型高效液相色譜儀美國安捷倫科技有限公司；SHA-C型恒溫水浴振蕩器常州普天儀器制造有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1PSPA樣品的制備新鮮紫薯洗凈切塊，以1∶3的料液比分別與一定濃度的乳酸、酒石酸、蘋果酸、冰乙酸、檸檬酸混合打漿，以蒸餾水提取作空白對照，室溫振蕩提取30min后，10000r/min的轉(zhuǎn)速下離心15min，得到各有機酸PSPA提取液，4℃冷藏備用。

1.2.2PSPA相對含量的測定方法花色苷的含量測定采用pH漂移法，并按公式（1）計算PSPA的相對含量［10］：

式中：n為稀釋倍數(shù)；M為矢車菊-3-葡萄糖苷（Cy-3Gl）的相對分子質(zhì)量445.2g/mol；ε為Cy-3Gl的摩爾吸光系數(shù)，29600。

1.2.3有機酸濃度對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響取15只具塞刻度試管，分為A、B、C三組，每組編號1、2、3、4、5。其中A、B、C各組分別加入20mL用0.01、0.03、0.05mol/L的各有機酸溶液做提取劑提取的PSPA溶液，70℃下熱水浴處理5h后，冰水浴急速冷卻至室溫，按1.2.2方法測熱處理前后各樣品花色苷的相對含量，計算降解率，平行實驗3次，評價有機酸濃度對PSPA熱降解穩(wěn)定性的影響，篩選出最優(yōu)輔色濃度。

1.2.4PSPA熱降解動力學(xué)模型的建立植物花色苷在貯藏和加工過程中極易受到光照、pH、熱、酶等各種環(huán)境因素的影響而降解。采用零級動力學(xué)反應(yīng)模型或一級動力學(xué)反應(yīng)模型分析PSPA的降解，簡單來說，零級反應(yīng)中花色苷降解量與反應(yīng)時間呈良好的線性關(guān)系（式2），而一級反應(yīng)中，花色苷殘留率的對數(shù)值與反應(yīng)時間呈良好的線性關(guān)系（式3）。

以上兩式中，Ct為t時刻PSPA的相對含量，C0為t= 0時PSPA的相對含量，t為反應(yīng)時間，k為相應(yīng)的熱降解速率常數(shù)。

半衰期t1/2表示的是反應(yīng)物被消耗一半時所需要的反應(yīng)時間。由（2）式得，零級反應(yīng)的半衰期可表示為：

由（3）式得，一級反應(yīng)的半衰期可表示為：

熱降解活化能Ea是反映花色苷熱降解穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，對于指定反應(yīng)，Ea既與反應(yīng)物質(zhì)量濃度無關(guān)，又與反應(yīng)溫度無關(guān)?？筛鶕?jù)阿列紐斯（Arrhenius）方程進(jìn)行計算：

當(dāng)方程兩邊同時取對數(shù)時，得：

因此可根據(jù)熱降解速率常數(shù)的對數(shù)值lnk與絕對溫度的1/T做線性回歸，由直線的斜率和截距便可求出特定條件下PSPA的Ea和指前因子A。式中：Ea—熱降解活化能，kJ/mol；k—熱降解速率常數(shù)，h-1；R—氣體常數(shù)，8.314kJ/mol·K；A—指前因子，對于指定的反應(yīng)，A和反應(yīng)物含量及溫度無關(guān)；T—絕對溫度，K。

1.2.5PSPA在不同有機酸體系中熱降解動力學(xué)研究取24只具塞刻度試管，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四組，每組6只，編號為1、2、3、4、5、6。1～5號試管中分別加入20mL的0.05mol/L乳酸、酒石酸、蘋果酸、冰乙酸以及檸檬酸的PSPA提取液，6號試管中加入等量蒸餾水提取PSPA液，做空白對照。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組樣品分別在60、70、80、90℃四個溫度梯度下熱水浴處理，熱處理時間為6h，期間每隔1h取樣，用1.2.1方法計算熱處理前后各體系中PSPA相對含量，平行實驗3次。分析數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的動力學(xué)模型計算PSPA降解的熱降解速率常數(shù)k、半衰期t1/2和熱降解活化能Ea，評價不同有機酸對PSPA熱降解穩(wěn)定性的影響。

1.2.6PSPA高效液相色譜分析取0.05mol/L的各有機酸提取PSPA溶液，用0.45μm微孔濾膜過濾，進(jìn)行高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）分析。流動相A為0.5%甲酸超純水，流動相B為0.5%甲酸乙腈，柱溫25℃，流速0.5mL/min，進(jìn)樣量20μL，檢測波長530nm。洗脫梯度：0～5min為90%流動相A與10%流動相B；6～23min為84%流動相A與16%流動相B；24min為82%流動相A與18%流動相B，總洗脫時間35min。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS軟件進(jìn)行ANOVA單因素方差分析，并進(jìn)行Ducan’s多重比較檢驗（p＜0.05），數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2　結(jié)果與分析

2.1有機酸濃度對PSPA穩(wěn)定性的影響

分別用0.01、0.03、0.05mol/L的各有機酸溶液提取花色苷，于70℃熱處理5h后PSPA的降解率計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，在添加有機酸的前提下，PSPA的降解損失顯著降低。而且，隨著有機酸濃度的增大，花色苷保存率不斷提高，表明有機酸濃度增大有利于保持花色苷的穩(wěn)定性。比較B組與C組實驗數(shù)據(jù)，可以看出酸濃度提高到一定程度后，對PSPA的熱降解保護(hù)作用趨于平衡，繼續(xù)增加酸濃度意義不大，故本文選取0.05mol/L的各有機酸體系做進(jìn)一步探究。

表1　不同濃度有機酸體系中PSPA降解率比較Table 1　The degradation rate of PSPA in different concentrations of organic acids systems

表2　PSPA在不同有機酸體系及熱處理溫度下的殘存率Table 2　The residual rate of PSPA in different organic acid system and heat treatment temperature

2.2PSPA在不同有機酸體系中熱降解穩(wěn)定性比較

表2表示各有機酸體系中不同溫度熱處理后花色苷殘存率隨時間的變化情況。由表2可以看出，純蒸餾水體系中PSPA經(jīng)熱處理后降解損失嚴(yán)重，而且隨著熱處理溫度由低到高逐漸提升，花色苷的降解速度大幅度增加，PSPA殘存率顯著降低，如90℃處理5h損失率已超過50%。而有機酸體系中經(jīng)熱處理后PSPA殘存率均要高于空白組，其中，60℃條件下酒石酸體系和檸檬酸體系在熱處理5h和6h后均表現(xiàn)顯著性差異；70℃熱處理3h后酒石酸、檸檬酸、乳酸、蘋果酸四種體系出現(xiàn)顯著性差異，4h后五種有機酸種體系均顯示出顯著性差異；80℃熱處理僅2h酒石酸、檸檬酸、乳酸、蘋果酸四種體系出現(xiàn)顯著性差異，6h后五種食品有機酸體系PSPA的殘存率均出現(xiàn)顯著性差異；90℃熱處理2h五種有機酸體系PSPA殘存率就全部出現(xiàn)顯著性升高，6h后分別比空白組提高比例為乙酸13.97%、蘋果酸12.35%、乳酸15.19%、酒石酸15.38%、檸檬酸15.37%，這說明這些有機酸對PSPA的受熱分解均具有一定保護(hù)作用。結(jié)合各溫度條件下具體數(shù)據(jù)的對比分析可知，不同有機酸對PSPA的保護(hù)效果有所不同，總體而言，檸檬酸和酒石酸的護(hù)色效果最佳，乳酸次之，其次是蘋果酸，乙酸效果則最差。

2.3PSPA熱降解反應(yīng)級數(shù)的確定

研究表明，植物花色苷降解基本上符合零級反應(yīng)動力學(xué)或一級反應(yīng)動力學(xué)模型［10-12］，二級至多級反應(yīng)則鮮有報道。按照1.2.4的論述，假設(shè)在一定溫度下及有機酸體系中PSPA的降解符合零級或一級反應(yīng)動力學(xué)模型。針對乳酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸各自不同的花色苷體系，測定計算各時刻花色苷的相對含量，然后以熱處理時間t作為橫軸、-ln（Ct/C0）做縱軸，利用Excel軟件對各溫度下及有機酸體系中-ln（Ct/C0）與熱處理時間t作線性關(guān)系圖，得一級反應(yīng)線性關(guān)系；同理，以熱處理時間t作為橫軸、花色苷降解量C0-Ct做縱軸，利用Excel軟件對各溫度下及有機酸體系中花色苷降解C0-Ct與熱處理時間t作線性關(guān)系圖，得零級反應(yīng)線性關(guān)系（表3）。

表3　不同條件下PSPA降解的零級和一級反應(yīng)線性回歸系數(shù)Table 3　The PSPA degradation rate constant and regression coefficient of the zero-order and first-order reaction under different conditions

在一定溫度和pH條件下，通過比較相應(yīng)反應(yīng)級數(shù)下的反應(yīng)速率常數(shù)k來推斷降解反應(yīng)的快慢，通過比較零級和一級反應(yīng)的線性回歸系數(shù)R2來推斷反應(yīng)級數(shù)，線性回歸系數(shù)R2較高的說明反應(yīng)符合此級數(shù)反應(yīng)［13］。通過比較表3中零級反應(yīng)和一級反應(yīng)的線性回歸系數(shù)R2可知，PSPA熱降解一級線性回歸系數(shù)R2均大于同條件下零級線性回歸系數(shù)R2，60℃和70℃時，二者相差不大，但是隨著溫度的升高這種差異性越來越明顯，對同一溫度條件下R2進(jìn)行單因素方差分析可知，90℃時零級反應(yīng)和一級反應(yīng)的線性回歸系數(shù)R2表現(xiàn)出顯著性的差異。因此，可以確定在不同溫度及有機酸體系中花色苷的降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)模型。

2.4PSPA熱降解動力學(xué)參數(shù)

按一級反應(yīng)動力學(xué)模型分析熱降解速率常數(shù)k和半衰期t1/2，再由阿列紐斯方程經(jīng)線性回歸得到不同體系下PSPA的熱降解活化能Ea以及指前因子A。結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在不同溫度及有機酸體系中，PSPA的熱降解速率常數(shù)k、半衰期t1/2及熱降解活化能Ea均有所不同。不論在何種體系中熱降解速率常數(shù)k都隨著溫度的升高而增大，而半衰期t1/2則相應(yīng)的減小，說明溫度的升高是引起PSPA的穩(wěn)定性降低的主要原因。而同一溫度條件，與空白對照組相比較，各有機酸體系中熱降解速率常數(shù)k均明顯減少，說明有機酸通過延長降解時間而增強了PSPA的熱降解穩(wěn)定性。

一般而言，活化能Ea越高則反應(yīng)越不易進(jìn)行，比較各組熱降解活化能Ea的大小可以看出，空白組Ea最小即其穩(wěn)定性低，這與PSPA在純蒸餾水體系中褪色最快的實驗現(xiàn)象相吻合；各有機酸體系中，PSPA熱降解Ea由小到大排序依次為乙酸組、蘋果酸組、乳酸組、酒石酸組、檸檬酸組，比空白組分別提高了12.60%（乙酸）、20.61%（蘋果酸）、32.06%（乳酸）、35.71%（酒石酸）、45.31%（檸檬酸）。表明花色苷在上述體系中的熱降解穩(wěn)定性依次增強，即本實驗研究的幾種有機酸對PSPA有一定的保護(hù)作用。

3　討論

花色苷在有機酸的輔色作用下會變得更加穩(wěn)定，且使花色苷呈色更為鮮亮，但是有機酸對花色苷輔色的作用機理目前還尚不清楚。輔色作用主要有分子間輔色和分子內(nèi)輔色兩種，此外還有自聚作用和金屬絡(luò)合作用［14］。結(jié)合各種有機酸PSPA提取液高效液相圖譜分析（圖1），可以看出各種有機酸中PSPA各組分出峰時間和峰型具有很好的一致性，說明本實驗中有機酸輔色前后花色苷組分并未發(fā)生變化，因此可推測有機酸與PSPA可能是非共價結(jié)合的分子間共色作用。這種非共價結(jié)合可能有兩種方式［15-16］，一種是各有機酸與花色苷通過氫鍵或疏水鍵結(jié)合，提高花色苷的穩(wěn)定性；另一種是花色苷與各種有機酸通過電子轉(zhuǎn)移或π-π鍵相互作用形成絡(luò)合物，避免水分子對2-苯基苯并吡喃陽離子的進(jìn)攻，防止或減少花色苷形成的無色醇型假堿結(jié)構(gòu)或開放的無色查耳酮結(jié)構(gòu)，進(jìn)而避免或減少花色苷色澤的損失，最終提高了花色苷的穩(wěn)定性。這兩種非共價結(jié)合的輔色方式可能單獨作用，也可能同時存在于一種體系中，共同產(chǎn)生輔色作用［17］。

表4　PSPA的熱降解動力學(xué)參數(shù)Table 4　The thermal degradation kinetic parameters of PSPA

圖1 不同有機酸體系中PSPA組分的HPLC比較Fig.1　HPLC comparison of anthocyanin fractions of PSPA in different organic acid systems

對于不同有機酸在相同濃度下的輔色效果不同，則可以從各有機酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。乳酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸各含有不同數(shù)目的羧基，因此造成各體系pH的少許差異，而花色苷在不同pH下穩(wěn)定性不同，因而對PSPA的熱穩(wěn)定性可產(chǎn)生一定影響，這可能是造成輔色效應(yīng)存在差異的一個因素。

4　結(jié)論

4.1PSPA在熱處理條件下的降解可認(rèn)為符合一級反應(yīng)動力學(xué)模型。

4.2PSPA在本文的熱處理條件下易發(fā)生降解，且隨著熱處理溫度的升高，花色苷的降解速率明顯加快。

4.3PSPA在有機酸體系中的熱降解穩(wěn)定性明顯要高于單純蒸餾水提取的花色苷的熱降解穩(wěn)定性，證明本文所研究的幾種有機酸對PSPA均具有一定的保護(hù)作用。不同的有機酸對PSPA的輔色效果不同，從總體上來看，檸檬酸的輔色效果最佳，其次是酒石酸，再次是乳酸和蘋果酸，乙酸的輔色效果則最弱。

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Study on thermal degradation stability of purple sweet potato anthocyanins in different organic acid systems

LIU Hai-ying1，XING Zi-yi2，WANG Jia-hua1，MA Ya-ru1，LIANG Shan3
（1.School of Food and Biological Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China；2.School of Bioscience and Bioengineering，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；3.College of Science and Engineering，Ji’nan University，Guangzhou 510632，China）

In order to obtain experimental reference and theoretical basis to improve the stability of purple sweet potato anthocyanins（PSPA），thermal degradation stability of PSPA was studied in different organic acid systems like lactic，tartaric，malic，acetic，and citric acid system.PSPA degradation kinetic model was established to analysis the degradation rate constant（k），the half-life（t1/2）and the thermal degradation activation energy（Ea）of PSPA in different organic acid systems.The results showed that the degradation of PSPA conformed to the first-order reaction kinetic model and the degradation rate of PSPA accelerated obviously with the increase of temperature.Compared with the blank group，the t1/2and Ea of PSPA in organic acid systems were all improved，which indicated that the stability of PSPA had been enhanced.The Ea of PSPA in organic acid systems was increased 35.71%by tartaric acid%，32.06%by lactic acid，20.61%by malic acid，12.60%by acetic acid and 45.31%by citric acid.The copigmentation effect of citric acid，tartaric acid，lactic acid was better，thus they could be considered as auxiliary color agents.

purple sweet potato anthocyanins；organic acid；stability；thermal degradation kinetic；half-life；thermal degradation activation energy

TS218

A

1002-0306（2015）10-0320-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.059

2014－12－22

劉海英（1969-），女，博士，講師，研究方向：功能食品化學(xué)與營養(yǎng)。

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（12B550014）；許昌學(xué)院校內(nèi)科研基金項目（2013065）。