水溶性和醇溶性紅曲色素的光穩(wěn)定性

張慶慶，張 帝，湯文晶，楊 超

（安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

水溶性和醇溶性紅曲色素的光穩(wěn)定性

張慶慶，張 帝，湯文晶，楊 超

（安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

利用照度計量化紅曲色素所接受的光，研究不同光照強度、波長和照射時間對紅曲色素保存率的影響。結(jié)果表明：陽光（2 800～31 000 lx）對紅曲色素的光降解最為顯著；室內(nèi)自然光（54～2 050 lx）對紅曲色素的光穩(wěn)定性影響較小，避光條件（0 lx）對紅曲色素保存率無明顯影響。紅曲色素保存率隨著光照時間的延長而降低，隨著光照強度的增大而降低。在光照強度相同，單色光波長不同的條件下，紅曲色素保存率由大到小依次為紅光組＞黃光組＞綠光組＞藍光組＞紫光組。紅曲色素對短波紫外線較為敏感。在相同光照條件下，水溶性紅曲色素光穩(wěn)定性大于醇溶性紅曲色素光穩(wěn)定性。

紅曲色素；光穩(wěn)定性；光照強度；保存率

紅曲色素是紅曲霉的次級代謝產(chǎn)物，是一類聚酮化合物[1]，按溶解性可分為水溶性和醇溶性兩大類。紅曲色素因具有天然、安全、營養(yǎng)、多功能等優(yōu)點[2]而被廣泛應(yīng)用于食品特別是肉品工業(yè)中[3]。紅曲色素的酸堿穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好[4-5]，但在溶液中對光不穩(wěn)定，在光照條件會下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，逐漸降解[6-8]，制約了紅曲色素的應(yīng)用。目前，對紅曲色素光穩(wěn)定性的研究[9-11]基本分為兩類，一是將樣品直接放置于陽光下或室內(nèi)自然光下，忽視了自然條件光的不可控制、不穩(wěn)定、變化差異較大等缺陷，對色素的穩(wěn)定性研究造成了一定的局限性；二是以日光燈或紫外燈為光源照射樣品，日光燈或紫外燈因質(zhì)量、功率和樣品距離的差異導(dǎo)致實驗的可重復(fù)性較低且數(shù)據(jù)缺乏可比較性。光照強度表示被照明的表面單位面積上所接收的光通量[12]，簡稱照度，表征受照面被照明程度的物理量，但又與被照射物體無關(guān)，比較適用于量化光對色素穩(wěn)定性的影響。

本實驗通過培養(yǎng)紅曲霉發(fā)酵紅曲色素，制備水溶性和醇溶性色素粗提液，采用照度計量化樣品接收的光，對紅曲色素的光穩(wěn)定性進行研究，探討了不同光源、不同光照強度、不同波長的光對紅曲色素穩(wěn)定性的影響，為在標(biāo)準化條件下研究紅曲色素的光穩(wěn)定性研究提供一定的基礎(chǔ)，也為紅曲色素的研究和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅曲霉（Monascus ZZ307）由本實驗室保藏；乙醇等試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BS-IEA振蕩培養(yǎng)箱 國華電器有限公司；KQ-250DE醫(yī)用數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；TD5Z離心機 湖南凱達科學(xué)儀器有限公司；L5紫外-可見分光光度計 上海精科儀器有限公司；VC1010A數(shù)字照度計 深圳勝利儀器公司；H8000車燈改色膜 廣州市欣浪廣告材料有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紅曲色素粗提液的制備

紅曲霉液態(tài)發(fā)酵料液3 500 r/min離心30 min，取上清液用適量蒸餾水稀釋，調(diào)整溶液在495 nm波長處的初始吸光度為1.0±0.1，得到水溶性色素粗提液。離心后的沉淀用75%乙醇超聲提?。?50 W，60 ℃）2 h，3 500 r/min離心30 min，取上清液用適量75%乙醇稀釋，調(diào)整溶液在505 nm波長處的初始吸光度為1.0±0.1[13-14]，得到醇溶性色素粗提液。

1.3.2 色素保存率的測定和計算

樣品處理后，用紫外-可見分光光度計分別在兩種色素粗提液的最高吸收峰測定吸光度，并計算其色素保存率[15]。

式中：A0為樣品初始吸光度；Ax為樣品處理后的吸光度。

每次實驗均作3 組平行實驗，以3 組平行實驗的平均值為最終結(jié)果。

1.3.3 自然光源對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

取10 mL水（醇）溶性色素粗提液置于具塞試管中，一組于早上6點開始置于日光直射條件下照射12 h，另一組于早上6點開始置于室內(nèi)自然光條件下12 h，每隔1 h測定樣品最高吸收峰的吸光度，計算其保存率；同時用光照強度計測量樣品放置處的光照強度。

1.3.4 日光燈光源對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

分別取10 mL水（醇）溶性色素粗提液置于具塞試管中，置于溫度為20 ℃的避光恒溫培養(yǎng)箱中，以培養(yǎng)箱中的日光燈（預(yù)熱30 min）為光源，調(diào)整日光燈的功率和樣品與日光燈的距離，調(diào)節(jié)樣品放置處的光照強度分別為100、300、500、800、1 000、1 200 lx，以完全避光條件（0 lx，20 ℃）的樣品作為對照，每隔12 h測定樣品最高吸收峰的吸光度，計算其保存率。

1.3.5 不同顏色的光源對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

分別用不同顏色的車燈改色膜覆蓋光照強度計的測量探頭，調(diào)節(jié)探頭與日光燈（預(yù)熱30 min）的距離光，記下不同顏色光源光照強度為500 lx的位置。用不同改色膜包裹裝有10 mL水（醇）溶性色素粗提液的具塞試管放在相應(yīng)的位置上，以1.3.4節(jié)中500 lx（日光燈光源，復(fù)合光）條件作為對照組，每隔12 h測定樣品最高吸收峰的吸光度，計算其保存率。

1.3.6 短波紫外線對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

分別取3.5 mL水（醇）溶性色素溶液裝在石英比色皿和玻璃比色皿中，置于溫度為20 ℃的避光恒溫培養(yǎng)箱中，以比色皿的光面對著紫外燈（預(yù)熱30 min），放置在照度計顯示紫外線光照強度為500 lx的位置上，每隔4 h測定樣品最高吸收峰的吸光度，計算其保存率。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然光源對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

2.1.1 陽光直射條件對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

圖1 陽光直射對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of direct sunlight on the photo-stability of Monascus pigments

實驗當(dāng)天室外溫度為20～25 ℃。由圖1可知，實驗中陽光的光照強度變化為最低為2 800 lx，最高為31 000 lx，照射12 h后水溶性色素的保存率為54.39%，醇溶性色素的保存率為33.92%，說明照度較強的陽光對紅曲色素的光降解較為顯著。這是因為在光照強度較大時，紅曲色素發(fā)色團吸收光量子，發(fā)生降解及合成反應(yīng)，破壞其本身的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致紅曲色素保存率下降[16]。圖1說明了水溶性色素的保存率要高于醇溶性色素的保存率，可能是因為水溶性色素是由醇溶性色素進一步糖基化和酰基化而來的[17]，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)需要的能量較高；也可能是水溶液中含有其他發(fā)酵產(chǎn)物，這些物質(zhì)的某些基團與色素結(jié)構(gòu)中發(fā)色團或輔色團結(jié)合，使色素構(gòu)象穩(wěn)定，減少了因能量躍遷發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)[18]，從而使得水溶性色素較醇溶性色素穩(wěn)定。由圖1還可知，在10：00～16：00期間，光照強度變化較大，色素保存率下降幅度相對較大，在其余時間段光照強度較低，色素保存率下降幅度不大。

2.1.2 室內(nèi)自然光對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

實驗當(dāng)天室內(nèi)溫度為23～24 ℃。由圖2可知，室內(nèi)自然光的光照強度變化為54～2 050 lx，照射12 h后水溶性色素的保存率為95.05%，醇溶性色素的保存率為92.93%，說明室內(nèi)自然光對紅曲色素保存率影響較小，與陽光直射的情況相同，水溶性色素的保存率高于醇溶性色素的保存率。由圖2還可知，在6：00～11：00期間，兩類色素的保存率基本沒有變化，在11：00～16：00期間，色素保存率下降幅度較大，在16：00之后，色素保存率降幅又趨于減小。

圖2 室內(nèi)自然光對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of indoor natural light on the photostability of Monascus pigments

由圖1、2可知，色素保存率與光照強度有很大關(guān)系，光照強度越大，色素越不穩(wěn)定，保存率越低。這是因為光照強度越大，色素接收的光量子越多，接收的光的能量越多，導(dǎo)致色素的光降解增多，色素保存率下降較快。由于陽光直射的光照強度遠大于室內(nèi)自然光的光照強度，陽光直射下的色素保存率遠低于自然光條件下色素的保存率。

2.2 日光燈光源對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

圖3 不同光照強度對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of illumination intensity on the photostability of Monascus pigments

日光燈的光波長范圍和陽光可見光波長范圍一致，且產(chǎn)生的紫外線很少，所以利用功率恒定的日光燈作為光源進行實驗，可以較好地模擬可見光對色素穩(wěn)定性的影響。圖3為以日光燈為燈源，不同光照強度對水溶性和醇溶性色素穩(wěn)定性的影響。由圖3可知，紅曲色素在避光條件（0 lx）下很穩(wěn)定，經(jīng)過96 h后水溶性色素的保存率為98.43%，醇溶性色素的保存率為96.22%。隨著光照強度的增加，照射后的紅曲色素保存率逐漸降低，光照強度1 200 lx照射96 h，水溶性色素的保存率為32.62%，醇溶性色素的保存率僅為12.9%。說明了避光（0 lx）貯存是保存紅曲色素的最好方法。相同條件下水溶性色素的保存率要高于醇溶性色素的保存率，這與2.1.1、2.1.2節(jié)結(jié)果相同。

由圖3還可知，在光照強度較小（100、300 lx）時，水溶性和醇溶性色素的保存率均隨著照射時間的增加而緩慢下降；光照強度增加到500 lx及更大時，色素的保存率隨著照射時間的延長先急速下降再緩慢下降。這說明紅曲色素在接受較大的光照強度的照射一段時間后會出現(xiàn)保存率突然下降的現(xiàn)象，再照射一段時間后保存率的下降趨勢會減小，這與文獻[19-21]結(jié)果一致?？赡苁请S著色素光降解的進行，溶液中色素的濃度越來越低，色素降解為其他物質(zhì)，逐漸增多的光降解產(chǎn)物可能影響色素繼續(xù)分解；也可能是色素光降解開始時生成的自由基較多，大量的自由基傾向于偶合而非歧化，不利于小分子的生成與釋放，同時使分子鏈間出現(xiàn)交聯(lián)，導(dǎo)致后期降解趨于緩慢[22]。

2.3 不同顏色的光源對紅曲色素光穩(wěn)定性影響

圖4 不同顏色的光對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of different colors of light on the photostability of Monascus pigments

由圖4可知，在照射96 h后水溶性色素保存率由高到低依次為紅光組71.16%、黃光組的67.52%、綠光組60.03%、藍光組51.87%、紫光組48.66%，對照組保存率為53.77%；醇溶性色素保存率由高到底依次為紅光組62.45%、黃光組58.58%、綠光組49.32%、藍光組38.33%、紫光組35.01%，對照組保存率為40.77%，其中單色光對色素保存率影響的順序與文獻[23]報道一致。紅光組、黃光組保存率較對照組有明顯提高，藍光組和紫光組較對照組保存率有所下降。這是因為根據(jù)光子能量公式E=hν（h為普朗克常量，ν為光波頻率），單色光波長越短，頻率越高，能量越大。照度相同情況下，各組單色光的能量由小到大依次為紅光＜黃光＜綠光＜藍光＜紫光，這與色素保存率由大到小的順序一致；而對照組的白光是由七色光混合組成的復(fù)合光，在相同照度情況下，比紅光等低頻光的能量高，比紫光等高頻光的能量低。

2.4 短波紫外線對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響

圖5 短波紫外線對紅曲色素光穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of ultraviolet C ray of light on the photostability of Monascus pigments

本實驗將色素溶液分別置于玻璃比色皿和石英比色皿中，以塞子封口，放置在紫外照度為500 lx的位置進行實驗，使兩種比色皿接受的紫外線強度一致。由圖5可知，在玻璃比色皿中水溶性色素和醇溶性色素溶液保存率均良好，在照射24 h后水溶性色素和醇溶性色素的保存率分別為94.29%和90.68%；而在石英比色皿中的水溶性色素和醇溶性色素溶液穩(wěn)定性較差，在照射24 h后保存率分別為56.08%和40.42%。推測是因為實驗室所用的紫外燈產(chǎn)生的紫外線為短波滅菌紫外線，其穿透能力較弱，無法穿透大部分的透明玻璃和薄膜[24]，但是可穿透石英比色皿。在玻璃比色皿中的樣品因為短波紫外線被玻璃吸收，導(dǎo)致樣品接受的短波紫外線很少，光的能量也很低，而在石英比色皿中的樣品接受的短波紫外線較多。短波紫外線的波長遠小于可見光的波長，光的能量較大，使紅曲色素更易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，色素保存率較低；還可能因為溶液經(jīng)紫外線照射可以產(chǎn)生活性氧自由基，?H和eaq（水合電子）等[25-26]，進一步加速了色素分子的降解。

3 結(jié) 論

本實驗從照射樣品角度出發(fā)，引入了光照強度物理量，對水溶性和醇溶性紅曲色素的光穩(wěn)定性進行研究。結(jié)果表明，照度最強的陽光使紅曲色素的保存率下降最大，陽光直射12 h后，水溶性紅曲色素溶液保存率為54.39%，醇溶性紅曲色素溶液保存率為33.92%。紅曲色素在室內(nèi)自然光條件下的保存率明顯高于陽光直射條件，12 h后水溶性紅曲色素和醇溶性紅曲色素的保存率分別為95.05%和92.93%。以日光燈為光源進行實驗發(fā)現(xiàn)，紅曲色素保存率隨著光照強度的增大而減小，隨著光照時間的延長而減小。在照度相同，單色光波長不同的情況下，紅曲色素保存率由大到小依次為：紅 光組＞黃光組＞綠光組＞藍光組＞紫光組。波長越長的單色光對紅曲色素保存率的影響越低，短波紫外線對紅曲色素的穩(wěn)定性影響較大。相同光照條件下，水溶性紅曲色素穩(wěn)定性高于醇溶性紅曲色素。在生產(chǎn)操作中，應(yīng)注意避免陽光、紫外線照射紅曲色素，盡量在避光或光照強度較低條件下進行生產(chǎn)操作。應(yīng)采用避光材料或者紅色等暖色材料作為紅曲色素產(chǎn)品的包裝，避免使用藍紫色和透明材料作為包裝。

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Photostability of Water-Soluble and Alcohol-Soluble Monascus Pigments

ZHANG Qingqing, ZHANG Di, TANG Wenjing, YANG Chao
(College of Biology and Chemical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Effects of illumination intensity (which was determined by quantifying the light absorbed using a luxmeter), wavelength and irradiation time on the preservation rate of Monascus pigments were examined. Sunlight (2 800–31 000 lx) caused the most serious photodegradation for monascus pigments whereas indoor natural light (54–2 050 lx) had relatively less serious effects, and no photodegradation was observed under dark condition (0 lx) The preservation rate of Monascus pigments was decreased with increasing illumination intensity and irradiation time. Under the condition of the same illumination intensity but different wavelengths, the preservation rate of Monascus pigments followed the decreasing order: red light > yellow light > green light > blue light > purple light. Monascus pigments were more sensitive to ultraviolet-C light. Under the same condition, water-soluble Monascus pigments were more stable than alcohol-soluble Monascus pigments.

Monascus pigments; photostability; illumination intensity; preservation rate

TS202.3

A

1002-6630（2015）01-0094-05

10.7506/spkx1002-6630-201501018

2014-01-15

安徽高校省級自然科學(xué)研究重點項目（KJ2009A034）；蕪湖市重點科技項目（蕪科計字[2009]109）

張慶慶（1954—），女，教授，本科，研究方向為現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)。E-mail：zhangqq@ahpu.edu.cn