幾種食品添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)岱€(wěn)定性的影響

趙 昕,韓宗博,王智宇,李治城,展亞莉,常秀蓮

(1.煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.青島鵬遠(yuǎn)康華天然產(chǎn)物有限公司,山東 萊西 266612)

黑胡蘿卜外觀為紫黑色,含有的紅色素為花青素[1],花青素屬于黃酮類(lèi)化合物的一種,是自然界中普遍且廣泛存在于植物中的天然水溶性色素,也是植物的主要呈色物質(zhì)之一[2],主要作為食品和化妝品的著色劑[3]．花青素類(lèi)物質(zhì)具有多種生物學(xué)活性,如抗衰老[4]、抗炎[5]、抗腫瘤[6]、抗突變[7]、化學(xué)預(yù)防[8]、抑制血小板凝集[9]和脂質(zhì)過(guò)氧化[10]、保護(hù)視力[11]和預(yù)防糖尿病[12]等．花青素在自然條件下非常不穩(wěn)定,游離狀態(tài)的花色苷元極少見(jiàn),一般會(huì)與單個(gè)或多個(gè)糖類(lèi)在3,5位置上以化學(xué)鍵形式結(jié)合,形成花色苷,因此該色素也屬于花色苷類(lèi)．

國(guó)內(nèi)對(duì)黑胡蘿卜紅色素的研究報(bào)道較少,主要集中在色素的提取[13]和穩(wěn)定性研究．劉楠[14]研究了pH值、光、熱、金屬離子、抗壞血酸、氧化劑H2O2、還原劑Na2SO3、防腐劑苯甲酸鈉對(duì)黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響．ALGARRA M[15]研究了黑胡蘿卜紅色素的結(jié)構(gòu)．另外,田喜強(qiáng)[16]對(duì)黑米色素在不同溫度、光照、氧化劑條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究, XU H G等[17]在葡萄皮色素中添加櫟草亭(六羥基黃酮)、表沒(méi)食子兒茶素、沒(méi)食子酸酯、茶多酚、楊梅樹(shù)皮甙和蕓香苷,結(jié)果表明輔色劑對(duì)葡萄皮色素的穩(wěn)定性有不同程度的影響．YAWADIO R等[18]研究了芳香族和脂肪族羧酸對(duì)花青素的增色效果,表明芥子酸、阿魏酸、對(duì)香豆酸能增強(qiáng)黑米汁的顏色,效果最強(qiáng)的是芥子酸(二甲基肉桂酸酯衍生物),加入后,顏色由紅色向藍(lán)色偏移．工業(yè)化生產(chǎn)中,70 ℃是色素真空濃縮的溫度上限,熱處理對(duì)色素有很大損失,為探討食品添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)岱€(wěn)定性的影響,采用檸檬酸、草酸、阿魏酸、酒石酸、乳酸、乙酸、抗壞血酸、沒(méi)食子酸、蘋(píng)果酸、對(duì)香豆酸10種酸類(lèi)添加劑和乳糖、β-環(huán)狀糊精、殼多糖、糊精4種糖類(lèi)添加劑,研究食品添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)岱€(wěn)定性的影響及其熱降解動(dòng)力學(xué),以期尋找實(shí)際生產(chǎn)中可以維持花青素穩(wěn)定的添加劑,從而為企業(yè)減少生產(chǎn)過(guò)程中造成的損失的同時(shí),也為企業(yè)節(jié)約了成本．

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

SC-15數(shù)控超級(jí)恒溫槽,寧波天恒儀器廠;pH211酸度計(jì),意大利哈納公司;WGJ7200可見(jiàn)分光光度計(jì),尤尼柯(上海)儀器有限公司;TU-1900雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;AR1530分析天平,奧豪斯國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司．

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

黑胡蘿卜紅色素、糊精,青島鵬遠(yuǎn)康華天然產(chǎn)物有限公司提供;無(wú)水乙酸鈉、氯化鉀、冰乙酸、草酸、檸檬酸、乳酸、酒石酸、沒(méi)食子酸、抗壞血酸試劑均為分析純,對(duì)香豆酸、阿魏酸、DL-蘋(píng)果酸試劑均為食品級(jí)．

1.3 分析和試驗(yàn)方法

1.3.1 花色苷總量的測(cè)定 黑胡蘿卜中的紅色素屬于花色苷類(lèi),花色苷總量的測(cè)定采用pH示差法[16],以矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷計(jì)．

分別以pH值 1.0 和4.5 的緩沖溶液對(duì)儲(chǔ)備樣品進(jìn)行適當(dāng)稀釋?zhuān)运隹瞻?分別測(cè)定 520和 700 nm 波長(zhǎng)下的吸光度．

在700 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度是為了校正混濁對(duì)測(cè)定結(jié)果的干擾．如果稀釋后的樣品過(guò)于混濁,測(cè)定前采用離心或過(guò)濾的方法進(jìn)行澄清處理．采用的過(guò)濾器不能吸收花青素．測(cè)量前先用pH值 1.0 的溶液稀釋,確定合適的稀釋倍數(shù),使其吸光度在0.2～0.7的范圍內(nèi),再用pH值 4.5 的溶液測(cè)量其吸光度．

式中:吸光度A=(A520-A700)pH1.0-(A520-A700)pH 4.5,

M(摩爾質(zhì)量)為449.2 g/mol,以矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷為基準(zhǔn);D為樣品儲(chǔ)備液的稀釋倍數(shù);1為光路長(zhǎng),cm,測(cè)試中采用1 cm 光路長(zhǎng)的比色皿;ε為矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù),為26 900 L·mol-1·cm-1;1 000為由g換算成mg的轉(zhuǎn)換系數(shù)．

1.3.2 不同酸類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響 在1.0 mg/mL黑胡蘿卜紅色素溶液中添加相同量的檸檬酸、草酸、阿魏酸、酒石酸、乳酸、乙酸、抗壞血酸、沒(méi)食子酸、蘋(píng)果酸和對(duì)香豆酸10種酸類(lèi)添加劑,在水浴鍋中70 ℃條件下水浴120 min,每隔30 min取樣測(cè)定溶液花青素含量．

1.3.3 糖類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜色素穩(wěn)定性的影響 在1.0 mg/mL黑胡蘿卜紅色素溶液中添加相同量的乳糖、糊精、β-環(huán)狀糊精和殼多糖4種糖類(lèi)添加劑,在水浴鍋中70 ℃條件下水浴180 min,每隔30 min取樣測(cè)其花青素含量,通過(guò)熱降解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較不同酸類(lèi)添加劑對(duì)色素的影響．

1.3.4 熱降解動(dòng)力學(xué)分析 由于黑胡蘿卜紅色素為花色苷類(lèi)色素,所以其降解動(dòng)力學(xué)反應(yīng)為零級(jí)動(dòng)力學(xué)[19]或者一級(jí)動(dòng)力學(xué)[20-21]．

(1) 零級(jí)動(dòng)力學(xué)

零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方程式及半衰期t1/2為

Ct=C0-kt,t1/2=C0/2k,

式中：C0為初始時(shí)刻花色苷的含量;Ct為一定溫度下加熱t(yī)時(shí)間后花色苷含量;K為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù);t1/2為反應(yīng)半衰期即花色苷降解一半時(shí)所需要的時(shí)間．

(2) 一級(jí)動(dòng)力學(xué)

一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程經(jīng)常用來(lái)表征食品品質(zhì)的變化過(guò)程．

一級(jí)反應(yīng)速度常數(shù)k及半衰期t1/2為

ln(Ct/C0)=ln(At/A0)=-kt,

t1/2=-ln 0.5×k-1,

式中:C0為初始時(shí)刻花色苷的含量;Ct為一定溫度下加熱t(yī)時(shí)間后花色苷含量;其中C0和Ct可用A0和At代替．A0為初始時(shí)刻花色苷樣品液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度;At為一定溫度下加熱t(yī)時(shí)間后花色苷樣品液在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酸類(lèi)添加劑存在下黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性

10種酸類(lèi)添加劑在70 ℃下加熱120 min后黑胡蘿卜殘余花色苷的含量在草酸、檸檬酸、乳酸、乙酸、酒石酸、沒(méi)食子酸、蘋(píng)果酸中明顯高于空白(圖1(a)),而在抗壞血酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸這3種添加劑中要明顯低于空白(圖1(b))．

圖1(a)為70 ℃下加熱120 min后,殘余花色苷含量高于空白值的有機(jī)酸．由圖1(a)知,黑胡蘿卜紅色素在前30 min下降低最快,可能是由于高溫引起色素分子上糖基的破壞,從而導(dǎo)致其降解[22];在第2個(gè)30 min下基本沒(méi)有變化,以后除空白和沒(méi)食子酸外,其他有機(jī)酸的存在使所測(cè)得的花青素含量在逐漸增加,顏色加深,目前,文獻(xiàn)上尚未有此現(xiàn)象的報(bào)道,推測(cè)其原因?yàn)?高溫使有機(jī)酸跟色素的羥基發(fā)生酯化反應(yīng),隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng),酯化反應(yīng)程度增加,花色苷更穩(wěn)定存在．其中草酸、檸檬酸、乳酸和酒石酸存在的情況下,黑胡蘿卜紅色素在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性較好,草酸效果最好．

熱降解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采用零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合,表1中很低的相關(guān)系數(shù)表明零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程都不能很好的表征動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),可能是由于發(fā)生了酯化反應(yīng),所以不遵循此熱降解動(dòng)力學(xué)規(guī)律．因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用多項(xiàng)式擬合的方法,擬合了有機(jī)酸的熱降解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),如圖2所示,擬合的方程以及R2在表1右列中,方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均高于0.9,擬合結(jié)果較好．總之,草酸最有利于黑胡蘿卜紅色素的穩(wěn)定,而抗壞血酸最不利于其穩(wěn)定．

圖1 不同酸類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素穩(wěn)定性的影響

圖2 不同酸類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)峤到鈩?dòng)力學(xué)的影響

2.2 不同糖類(lèi)添加劑存在下黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性

乳糖、β-環(huán)狀糊精、殼多糖和糊精4種糖類(lèi)添加劑加入到黑胡蘿卜紅色素溶液中,70 ℃下作用不同時(shí)間,色素殘留量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示．圖3可知,隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),包括空白在內(nèi)的5組樣品中的花色苷含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中糊精在短時(shí)間內(nèi)加熱(30 min)色素溶液花色苷含量上升,添加β-環(huán)狀糊精、乳糖和殼多糖的溶液中花色苷含量下降明顯．因此,除糊精可以增強(qiáng)穩(wěn)定性外,其他糖類(lèi)添加劑的存在并不能增強(qiáng)色素溶液的穩(wěn)定性．用色素的零級(jí)和一級(jí)熱降解動(dòng)力學(xué)方程來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合參數(shù)如表2所示,零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程都能很好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),且擬合效果相近,綜合考慮零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)的R2,色素的熱降解一級(jí)動(dòng)力學(xué)稍顯優(yōu)勢(shì),因此將一級(jí)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖擬合,如圖4所示,可以清楚看出除β-環(huán)狀糊精外,其他糖類(lèi)添加劑的擬合效果很好．

表1 黑胡蘿卜紅色素在不同酸類(lèi)添加劑中的熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

圖3 不同糖類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素穩(wěn)定性的影響

圖4不同糖類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)峤到鈩?dòng)力學(xué)的影響

Fig.4 Effect of different sugar additives on the thermal degrada-tion kinetics of black carrot color

表2 色素在不同糖類(lèi)添加劑中的熱降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.5 草酸和糊精對(duì)黑胡蘿卜紅色素的熱穩(wěn)定性比較

實(shí)際工業(yè)化濃縮過(guò)程中,熱處理的時(shí)間與待處理濃縮的物料量的多少及濃度有關(guān),由于物料量及濃度不定,因此需要的處理時(shí)間不同．通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出,長(zhǎng)時(shí)間加熱下,加入酸性添加劑草酸效果最好,對(duì)于需要短時(shí)間處理的溶液(30 min以內(nèi)),草酸和糊精都能夠增加花色苷含量,因此將二者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較,30 min內(nèi)70 ℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示．表3結(jié)果表明,在黑胡蘿卜紅色素中糊精的存在使色素?fù)p失僅約1%,而酸性添加劑草酸的存在與空白結(jié)果類(lèi)似,色素?fù)p失分別為7.09%和8.3%,差異不大．因此,短時(shí)間加熱時(shí),糊精對(duì)色素穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果明顯好于草酸．

表3 色素在草酸和糊精存在下的穩(wěn)定性比較

3 結(jié) 論

10種酸類(lèi)添加劑對(duì)黑胡蘿卜紅色素?zé)岱€(wěn)定性的影響不同,草酸最有利于色素的穩(wěn)定,而抗壞血酸使色素的穩(wěn)定性更差,且酸類(lèi)添加劑對(duì)色素?zé)岱€(wěn)定性的影響適合用多項(xiàng)式方程表達(dá);相同條件下,4種糖類(lèi)添加劑均不利于色素長(zhǎng)時(shí)間的熱穩(wěn)定,但糊精在30 min內(nèi)對(duì)色素的熱穩(wěn)定性起到很好的保護(hù)效果,且穩(wěn)定性高于草酸,在糖類(lèi)添加劑存在下色素的熱降解用零級(jí)或一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程均能較好的描述,且2種方程擬合效果相差不大．