含鐵含鈣食品環(huán)境中胭脂蟲紅酸呈色的改善研究

劉倩 何志勇 曾茂茂 秦昉 王召君 陳潔

摘要胭脂蟲紅酸是從仙人掌上的胭脂蟲體內(nèi)提取的一種天然色素，但在含鐵含鈣環(huán)境中呈色易受影響，限制了其在食品中的應(yīng)用。研究了Al3+、Zn2+、氨基酸、肽、乳清分離蛋白（WPI）和乙二胺四乙酸（EDTA）對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響，以期改善其應(yīng)用效果。結(jié)果表明，在Fe3+和Ca2+濃度分別為0.001～0.010 mol/L、0.01～0.10 mol/L時(shí)，添加0.1 mol/L Al3+后，在pH 6.0和pH 8.0緩沖液中胭脂蟲紅酸呈紅色;0.1 mol/L Zn2+對(duì)胭脂蟲紅酸呈色無(wú)改善。谷氨酸、甘氨酸、谷胱甘肽、酪蛋白磷酸肽和WPI對(duì)含0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)明顯影響。谷氨酸和谷胱甘肽使含0.1 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液均呈橘黃色，不再生成棕色絮狀物。甘氨酸、酪蛋白磷酸肽和WPI使含0.01～0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液呈灰綠色。EDTA的螯合作用使胭脂蟲紅酸呈色穩(wěn)定，其在水溶液及pH 6.0緩沖液中呈橘黃色，在pH 8.0緩沖液中呈絳紫色，不受0.01 mol/L Fe3+及0.01～0.10 mol/L Ca2+的影響。該研究為改善胭脂蟲紅酸在含鐵含鈣食品體系中的呈色效果提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞胭脂蟲紅酸;兩性化合物;金屬螯合劑;金屬離子;顏色

中圖分類號(hào)TS202.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2020）15-0183-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.053

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the Improvement of the Color of Carminic Acid in Ironcontaining and Calciumcontaining Food Environment

LIU Qian，HE Zhiyong，ZENG Maomao et al

（State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122）

AbstractCarminic acid is a natural colorant extracted from the cochineal body on the cactus，but its color is susceptible in ironcontaining and calciumcontaining environment，limiting its application in food.In order to improve its application effect，the effects of Al3+，Zn2+，amino acids，peptides，whey protein isolate （WPI） and ethylenediaminetetraacetic acid （EDTA） on the color of ironcontaining and calciumcontaining carminic acid solution were investigated in this paper.When the concentrations of Fe3+ and Ca2+ were 0.001-0.010 mol/L and 0.01-0.10 mol/L，respectively，after adding 0.1 mol/L Al3+，carminic acid was red in pH 6.0 and pH 8.0 buffers; the addition of 0.1 mol/L Zn2+ did not improve the color of carminic acid.Glutamic acid，glycine，glutathione，casein phosphopeptide and WPI had no significant effect on the color of carminic acid solution containing 0.001-0.010 mol/L Fe3+.The addition of glutamic acid and glutathione made carminic acid solution containing 0.1 mol/L Ca2+ appear orange and no longer produced brown floc.Glycine，casein phosphopeptide and WPI made the carminic acid solution containing 0.01-0.10 mol/L Ca2+ appear graygreen.Due to the chelation of EDTA，the color of carminic acid was stable.It was orange in aqueous solution and pH 6.0 buffer and ocherpurple in pH 8.0 buffer，and was not affected by 0.01 mol/L Fe3+and 0.01-0.10 mol/L Ca2+.This research provided a reference for improving the coloration of carminic acid in food system containing iron and calcium.

Key wordsCarminic acid;Amphoteric compounds;Metal chelators;Metal ions;Color

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31771978）;江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（NY-095）;食品科學(xué)與工程國(guó)家一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（JUFSTR20180201）;上海統(tǒng)益生物科技有限公司研發(fā)基金項(xiàng)目（190612）。

作者簡(jiǎn)介劉倩（1995—），女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：食品加工與組分變化。*通信作者，何志勇，教授，博士，從事食品加工與組分變化研究;陳潔，教授，博士，從事食品加工與組分變化研究。

收稿日期2020-02-19

胭脂蟲紅酸是從胭脂蟲中提取的天然蒽醌類色素[1]，常用于對(duì)食品、藥品及化妝品染色。由于色素的顏色取決于染料分子中共軛不飽和體系的存在[2]，任何可使該體系發(fā)生改變的物質(zhì)均可對(duì)色素顏色產(chǎn)生影響。研究表明，當(dāng)溶液中存在Fe3+或Ca2+時(shí)，胭脂蟲紅酸溶液可變?yōu)榛液稚玔3]。然而，鐵和鈣在食品中普遍存在，如鐵在豬、牛、羊等動(dòng)物肝臟中含量較高，鈣在牛奶、海帶、蝦皮以及豆制品中也存在較高含量。因此，胭脂蟲紅酸在含鐵含鈣環(huán)境中顏色的不穩(wěn)定性限制了其在食品中的應(yīng)用。

胭脂蟲紅鋁色淀是通過(guò)將胭脂蟲紅酸沉淀于氫氧化鋁基質(zhì)上制備所得。其中，鋁原子通過(guò)5-位的羥基和鄰位的羰基氧與兩分子的胭脂蟲紅酸進(jìn)行螯合[4-5]，使得其化學(xué)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境的影響。胭脂蟲紅鋁色淀的呈色較穩(wěn)定，經(jīng)常被應(yīng)用于食品、藥品、化妝品及繪畫產(chǎn)品中進(jìn)行染色。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為鋁元素非常安全，但隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)食品中鋁元素的暴露對(duì)于人體健康存在一定的危害[6-8]，使得胭脂蟲紅鋁色淀在食品中的應(yīng)用受到質(zhì)疑。

氫氧化鋁是一種兩性化合物，既可與酸發(fā)生反應(yīng)，也可與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，同樣具有兩性的無(wú)機(jī)物還包括氫氧化鋅、氫氧化銅等。金屬螯合物可與Fe3+、Ca2+等金屬離子進(jìn)行配位形成絡(luò)合物。食品中常見(jiàn)的金屬螯合物包括乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）、檸檬酸等[9]。而氨基酸、肽和蛋白質(zhì)由于同時(shí)含有羧基和氨基，可作為兩性化合物[10]，同時(shí)還是天然的金屬螯合物[11]。筆者研究了Al3+、Zn2+、氨基酸、肽、乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）以及EDTA對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響，以期改善胭脂蟲紅酸在含鐵含鈣食品體系中的呈色效果。

1材料與方法

1.1材料與設(shè)備

1.1.1材料。

胭脂蟲紅酸（純度85%），購(gòu)于上海統(tǒng)益生物科技有限公司;十二水合磷酸氫二鈉（AR）、檸檬酸（AR）、六水合三氯化鋁（AR）、氯化鋅（AR）、甘氨酸（AR）、L-谷氨酸（BR）、還原型谷胱甘肽（AR）、乙二胺四乙酸（AR），購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;酪蛋白磷酸肽，購(gòu)于上海承佑實(shí)業(yè)有限公司;乳清分離蛋白（WPI）（純度92%），購(gòu)于美國(guó)戴維斯柯（Davisco）食品國(guó)際公司;去離子水用于制備所有試劑和樣品。

1.1.2設(shè)備。

PL2002 型電子天平、AX205 型分析天平、Seven Easy pH計(jì)（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）;RO-10 power 型磁力攪拌器、Vortex Genius 3 型旋渦振蕩器（德國(guó)IKA公司）;HH-W420 型三用恒溫水箱（江蘇盛藍(lán)儀器制造有限公司）;Spectramax 190 型全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀（美國(guó)Molecular Devices公司）。

1.2方法

1.2.1含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液的配制。

將0.2 mol/L磷酸氫二鈉和0.1 mol/L檸檬酸混合，配制成pH分別為6.0和8.0的緩沖溶液。胭脂蟲紅酸分別加入到水、pH 6.0和pH 8.0的緩沖液中配制成1∶5 000（w/w）的色素溶液。將每個(gè)pH下的色素溶液平均分成5份，加入金屬離子的量分別為0、0.001、0.010 mol/L FeCl3，0.01、0.10 mol/L CaCl2。

1.2.2Al3+和Zn2+對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響。

將0.1 mol/L AlCl3、0.1 mol/L ZnCl2分別加入上述不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中，根據(jù)上述金屬離子的量添加FeCl3和CaCl2，不加Al3+和Zn2+的對(duì)應(yīng)色素溶液為空白組。用相機(jī)拍攝記錄所有樣品的顏色變化，利用pH計(jì)測(cè)量所有樣品的pH。利用酶標(biāo)儀對(duì)所有樣品進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，記錄其吸收光譜，掃描范圍為190～750 nm，步長(zhǎng)為10 nm。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3氨基酸對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響。

將1%（w/w）甘氨酸加入“1.2.1”所配制的不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中。將1%（w/w）谷氨酸加入“1.2.1”所配制的不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中，90 ℃加熱15 min，使其完全溶解后冷卻至室溫。根據(jù)“1.2.1”所述金屬離子的量添加FeCl3和CaCl2。并同“1.2.2”方法一樣，測(cè)定所有樣品的吸收光譜、pH以及記錄顏色變化。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4肽對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響。

將1%（w/w）谷胱甘肽、1%（w/w）酪蛋白磷酸肽分別加入“1.2.1”所配制的不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中，根據(jù)“1.2.1”所述金屬離子的量添加FeCl3和CaCl2。并同“12.2”方法一樣，測(cè)定所有樣品的吸收光譜、pH以及記錄顏色變化。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.5WPI對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響。

將1%（w/w）WPI加入“1.2.1”所配制的不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中，根據(jù)“1.2.1”所述金屬離子的量添加FeCl3和CaCl2。并同“1.2.2”方法一樣，測(cè)定所有樣品的吸收光譜、pH以及記錄顏色變化。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.6EDTA對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響。

將1%（w/w）EDTA加入“1.2.1”所配制的不同pH的1∶5 000（w/w）色素溶液中，在90 ℃加熱15 min，促進(jìn)其溶解。待溶液冷卻至室溫，根據(jù)“1.2.1”所述金屬離子的量添加FeCl3和CaCl2。并同“1.2.2”方法一樣，測(cè)定所有樣品的吸收光譜、pH以及記錄顏色變化。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

2結(jié)果與分析

2.1Al3+和Zn2+對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響

Al3+和Zn2+在堿性條件下可分別形成Al（OH）3和Zn（OH）2，二者均是常見(jiàn)的無(wú)機(jī)兩性化合物。

從圖1可以看出，Al3+使得含0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸水溶液的顏色變?yōu)樽仙?，?40 nm處存在吸收峰，F(xiàn)e3+濃度為0.010 mol/L時(shí)吸光值明顯減小。Ca2+濃度為0.10 mol/L時(shí)，Al3+使得胭脂蟲紅酸水溶液呈紫紅色，不再生成棕色絮狀物，吸收光譜與不含Ca2+的溶液一致，在540、570 nm處存在2個(gè)吸收峰。說(shuō)明Al3+對(duì)于胭脂蟲紅酸的螯合作用強(qiáng)于Ca2+，在含Ca2+情況下對(duì)胭脂蟲紅酸呈色有一定的保護(hù)作用。對(duì)于含0.001～0.010 mol/L Fe3+和0.01～0.10 mol/L Ca2+的pH 6.0緩沖液，加入Al3+后，胭脂蟲紅酸顏色均為紅色，吸收光譜基本一致，均在500、530和560 nm處存在3個(gè)吸收峰;對(duì)于pH 8.0緩沖液，加入Al3+后，溶液中均生成紅色沉淀。這可能是由于Al3+與胭脂蟲紅酸的螯合以及緩沖液中的檸檬酸對(duì)Fe3+和Ca2+的螯合作用所致。根據(jù)表1，除含有0.010 mol/L Fe3+的溶液pH較低外，其他條件下添加有Al3+的胭脂蟲紅酸溶液的pH都較為穩(wěn)定，不受0.001 mol/L Fe3+和0.01～0.10 mol/L Ca2+的影響。胭脂蟲紅酸水溶液遇Zn2+呈紫色，Zn2+對(duì)含鐵含鈣的胭脂蟲紅酸水溶液以及pH 8.0緩沖液顏色均無(wú)改善作用。在含0.01～0.10 mol/L Ca2+的pH 6.0緩沖液中，添加Zn2+，胭脂蟲紅酸溶液呈橘黃色，吸收光譜均在490 nm處存在吸收峰，溶液中出現(xiàn)白色沉淀，溶液pH為3.17。這可能是由于溶液中生成Zn（OH）2沉淀，使得上清液呈酸性所致。由以上結(jié)果可知，Al3+存在下，胭脂蟲紅酸呈色穩(wěn)定，而Zn2+對(duì)于胭脂蟲紅酸呈色基本無(wú)改善作用。

2.2氨基酸對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響

氨基酸含有-NH2、-OH等，其對(duì)正質(zhì)子有強(qiáng)大吸引力，可與金屬元素形成穩(wěn)定的螯合物[12-13]。研究表明，甘氨酸對(duì)于Fe2+具有一定的螯合作用[14]。谷氨酸既對(duì)Ca2+具有螯合作用，還具有一定的酸性[15]。從圖2可以看出，甘氨酸對(duì)含有0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)明顯影響，說(shuō)明甘氨酸對(duì)于Fe3+的螯合作用不足以改善含鐵胭脂蟲紅酸溶液的呈色情況。而添加甘氨酸后的含有0.01～0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液呈灰綠色。谷氨酸對(duì)含有0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)改善作用。Ca2+濃度為0.10 mol/L時(shí)，谷氨酸使得胭脂蟲紅酸水溶液呈橘黃色，不再生成棕色絮狀物，溶液pH為2.78，其吸收光譜與空白一致，最大吸收波長(zhǎng)為490 nm。這一方面可能是由于谷氨酸對(duì)于Ca2+有一定的螯合作用，另一個(gè)方面可能是由于谷氨酸的加入使溶液呈酸性導(dǎo)致的。以上結(jié)果說(shuō)明，甘氨酸對(duì)于含鈣含鐵的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)改善作用，谷氨酸可明顯改善胭脂蟲紅酸在0.10 mol/L Ca2+水溶液中的呈色效果。

2.3肽對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響

谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸縮合而成的含有巰基的三肽[16]，其可與Mg2+、Ca2+、Al3+、Fe2+等金屬離子結(jié)合，形成復(fù)合物[17-18]。酪蛋白磷酸肽是將酪蛋白經(jīng)蛋白酶水解后所得的具有生物活性的多肽[19]，其分子內(nèi)所含氮原子、氧原子可通過(guò)離子鍵和配位鍵與金屬離子形成環(huán)狀螯合物[20]。

從圖3可以看出，谷胱甘肽使含0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸水溶液顏色有所改善;添加谷胱甘肽后，胭脂蟲紅酸水溶液遇0.10 mol/L Ca2+仍呈橘黃色，不再生成棕色絮狀物，溶液pH為2.51，其均在490 nm處存在吸收峰。這一方面可能是由于谷胱甘肽分子中的氧原子、氮原子和硫原子與Ca2+和Fe3+結(jié)合所致，另一方面可能是由于谷胱甘肽分子內(nèi)的羧基使得胭脂蟲紅酸溶液保持酸性。酪蛋白磷酸肽對(duì)含0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸溶液的顏色無(wú)影響，說(shuō)明胭脂蟲紅酸與Fe3+的螯合作用較強(qiáng)，酪蛋白磷酸肽并不能對(duì)其產(chǎn)生影響。添加酪蛋白磷酸肽后，胭脂蟲紅酸水溶液顏色均呈灰綠色。在pH 6.0和pH 8.0緩沖液中添加酪蛋白磷酸肽，胭脂蟲紅酸溶液中產(chǎn)生白色沉淀，而溶液顏色并未發(fā)生變化。說(shuō)明緩沖液對(duì)于胭脂蟲紅酸的呈色有一定的保護(hù)作用，酪蛋白磷酸肽的添加并未對(duì)其顏色產(chǎn)生影響。

以上結(jié)果說(shuō)明，谷胱甘肽對(duì)于含有0.001～0.010 mol/L Fe3+和0.01～0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液顏色有一定的改善，而酪蛋白磷酸肽對(duì)于含鈣含鐵的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)改善作用。

2.4WPI對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響

WPI是β-乳球蛋白、牛血清蛋白和α-乳白蛋白等蛋白的混合物[21]。其中，α-乳白蛋白至少含有2個(gè)配體結(jié)合位點(diǎn)，其可與Na2+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等金屬離子結(jié)合[22-23]。從圖4可以看出，添加WPI后，胭脂蟲紅酸水溶液顏色由橘黃色變?yōu)榧t色，溶液pH為6.78，這可能是由于蛋白質(zhì)的氨基使溶液pH發(fā)生改變，在此環(huán)境中蛋白質(zhì)中質(zhì)子化的氨基與帶有負(fù)電荷的胭脂蟲紅酸通過(guò)靜電相互作用生成復(fù)合物[24]。WPI的加入對(duì)于含有0.001～0.010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸溶液顏色無(wú)影響，且pH未發(fā)生明顯變化。添加WPI后，含有0.01～0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液中生成灰綠色沉淀。

2.5EDTA對(duì)含鐵含鈣胭脂蟲紅酸溶液呈色的影響

EDTA是由2個(gè)氨基和4個(gè)羧基組成的多元酸，可滿足大多數(shù)金屬離子的配位數(shù)，并與其形成穩(wěn)定的螯合物[25]。從圖5可以看出，添加EDTA后，含有0.001 mol/L Fe3+及0.01～0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液均呈橘黃色，溶液pH約為2.16，吸收光譜一致，最大吸收波長(zhǎng)均為490 nm;含有0010 mol/L Fe3+的胭脂蟲紅酸水溶液呈棕黃色，吸光值明顯減小。說(shuō)明Fe3+和Ca2+與EDTA的螯合作用強(qiáng)于胭脂蟲紅酸，而0.010 mol/L Fe3+超出了溶液中所添加的EDTA的螯合能力。在pH 6.0緩沖液中，添加EDTA后，分別含有0.001～0.010 mol/L Fe3+和0.01 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸均呈橘黃色，溶液pH約為4.46，吸收光譜一致，均在490 nm處存在吸收峰。在pH 8.0緩沖液中，添加EDTA后，分別含有0.001 mol/L Fe3+和0.01 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸均呈絳紫色，溶液pH約為6.51，吸收光譜一致，均在530 nm處存在吸收峰。這可能是由于EDTA與檸檬酸均對(duì)Fe3+和Ca2+有螯合作用，并且EDTA中的羧基使得溶液酸性加強(qiáng)所致。然而0.10 mol/L Ca2+超出了EDTA和檸檬酸的螯合能力，使得添加有胭脂蟲紅酸的pH 6.0和pH 8.0緩沖液中分別生成棕色絮狀物和灰綠色沉淀。

3討論

Al3+和EDTA的添加使得胭脂蟲紅酸呈色穩(wěn)定，在0.001～0.010 mol/L Fe3+和0.01～0.10 mol/L Ca2+的范圍內(nèi)，溶液顏色基本一致，不受Fe3+和Ca2+的影響。谷氨酸和谷胱甘肽使得含有0.10 mol/L Ca2+的胭脂蟲紅酸水溶液顏色有所改善，溶液均呈橘黃色，不再生成棕色絮狀物。甘氨酸、酪蛋白磷酸肽和WPI對(duì)于胭脂蟲紅酸的呈色無(wú)明顯改善作用。

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