“黑美人”土豆色素穩定性的研究

李彩霞，楊小龍，李 瓊，高海寧，張 勇,*

(1.河西學院生命科學與工程系，甘肅 張掖 734000；2.蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

“黑美人”土豆色素穩定性的研究

李彩霞1，楊小龍1，李 瓊2，高海寧1，張 勇1,*

(1.河西學院生命科學與工程系，甘肅 張掖 734000；2.蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

為了研究“黑美人”土豆色素的理化性質和穩定性，用0.1% HCl-乙醇溶液在恒溫振蕩條件下提取“黑美人”土豆色素，用分光光度計法測定該色素在不同環境下最大吸收波長處吸光度的變化，結果表明：該色素屬于水溶性花色苷類色素，pH值對“黑美人”土豆色素穩定性的影響明顯，酸性條件下該色素較穩定；金屬離子Al3+對色素有增色作用，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+對色素穩定性基本無影響，而Cu2+、Fe3+則對色素穩定性有明顯的不良影響；該色素耐輻射能力強，不耐自然光、高熱，耐氧化性極差；低質量分數的蔗糖、VC和β-環糊精對色素穩定性影響不大；一定質量分數的檸檬酸具有增色作用，而山梨酸鉀對色素穩定性有一定影響。通過初步研究，發現該色素有一定的開發利用價值，可作為食品添加劑廣泛使用。

“黑美人”土豆；花色苷；穩定性

“黑美人”土豆是蘭州隴神公司通過航天育種選育的新品種，其秧苗是黑紫色，塊莖表皮呈黑色，肉呈紫色，含有多種營養型微量元素。其黑紫色是富含具有抗癌[1]、養顏、美容和防止高血壓等多種保健作用的花青素[2-4]，因此，該資源具有廣闊的開發和研究前景。目前，對“黑美人”土豆引種栽培方面的報道較多[5]，但對其色素的研究尚未見報道。本實驗研究pH值、光照、溫度、食品添加劑等因素對“黑美人”土豆色素穩定性的影響，以期為該色素的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“黑美人”土豆 市購，河西學院生命科學與工程系植物標本室鑒定。

9 5%乙醇、鹽酸、檸檬酸、蔗糖、草酸、蘋果酸、EDTA、VC均為國產分析純；β-環糊精(β-CD)、山梨酸鉀為食用級。

1.2 儀器與設備

HHS4電熱恒溫水浴鍋 上海滬南科學儀器廠；

AE200電子天平 Mettler Toledo公司；760CRT雙光束紫外-可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；SHZ-2000型雙配套循環水式多用真空泵 河南省鞏義市英峪予華儀器廠；CR21GⅡ高速冷凍離心機 日立公司；VA1-2真空干燥箱 美國Shellab公司；HZP-250型全溫振蕩培養箱 上海精宏實驗設備有限公司；MODEL-3旋轉蒸發儀 上海醫療器械專機廠。

1.3 方法

1.3.1 色素的最佳提取方法選擇

準確稱取3份“黑美人”土豆各2.5g，按料液比1∶10(m/V)分別加入體積分數0.1% HCl-乙醇溶液[6]，1份放在60℃恒溫水浴中浸提1h；另1份在強度40%條件下間隔2s超聲波破碎15min；第3份于25℃恒溫振蕩提取1h(160r/min)。經過離心、定容至25mL，所得溶液在200～700nm波長范圍內進行掃描，測定各提取液的最大吸收波長，根據Fuleki等[7]的方法計算色素的含量，依據提取量的大小和提取物成分復雜程度來確定最佳提取方法。

1.3.2 色素的提取工藝流程

“黑美人”土豆→洗凈→打漿機打碎→浸提(料液比1∶1 0)至材料無色→抽濾→濾液減壓濃縮(0.075MPa，30～40℃)→濃縮液冷凍過夜→低溫10000r/min離心10min→收集色素液→乙醚洗滌多次→真空干燥→色素黏稠液冷凍備用。

1.3.3 色素的紫外-可見光譜特性

準確稱取色素黏稠液1.0g，加適量體積分數0. 1%的HCl-乙醇溶解后定容至100mL，稀釋10倍后，用雙光束紫外-可見分光光度計在200～700nm波長范圍內進行掃描，測其吸收光譜，根據圖譜確定出色素的λmax。

1.3.4 色素的溶解性

分別稱取0.1 g色素黏稠液依次用水、無水乙醇、95%乙醇、0.1% HCl-乙醇、甲醇、0.1% HCl-甲醇、氯仿、丙酮、乙醚、乙酸乙酯各5 m L混合、振蕩，觀察色素的溶解性和顏色變化[8]。

1.3.5 色素的穩定性

1.3.5.1 色素液的制備

稱取色素黏稠液10.00g，用0.1%的HCl-乙醇溶解并定容于500mL棕色容量瓶中，作為色素原液避光冷藏備用。

1.3.5.2 pH值對色素穩定性的影響

取1mL色素原液，分別用pH值為1、2、3、4、5、6、7、9的溶液定容至10mL，放置6h，每隔1h在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察顏色的變化，分析不同pH值對色素穩定性的影響。

1.3.5.3 酸味劑對色素穩定性的影響

(1)不同種類的酸味劑對色素穩定性的影響。取1mL色素原液用質量分數為0.25%的乙酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸、琥珀酸溶液定容至10mL，然后在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察顏色的變化，分析不同酸味劑對色素穩定性的影響。

(2)不同質量分數的檸檬酸對色素穩定性的影響。取1mL色素原液用質量分數為0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%的檸檬酸溶液定容至10mL，然后在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察顏色的變化。

1.3.5.4 溫度對色素穩定性的影響

將配制好的pH值為1、2的酸性色素溶液和色素水溶液分別置于3組具塞試管中，然后分別放在10、25、40、50、60、70、80、90℃條件下恒溫1h，立即冷卻后，在室溫下于λmax處測定不同溫度下色素液的吸光度，并觀察色素液的顏色變化。

1.3.5.5 光對色素穩定性的影響

(1)紫外光對色素穩定性的影響。將配制好的pH值為1、2的酸性色素液及色素水溶液分別置于3組具塞試管中，然后置于紫外燈(6W，365nm)下，照射距離15cm，照射時間分別為0、10、20、40、60min，然后在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察色素液的顏色變化。

(2)可見光對色素穩定性的影響。將配制好的pH值為1、2的酸性色素液及色素水溶液按無菌操作分別置于3組滅菌后的透明玻璃瓶，并將其放置在自然光、室溫避光及低溫避光條件下，放置7d，每隔1d在λmax處測定色素液的吸光度。

1.3.5.6 食品添加劑對色素穩定性的影響

分別用pH值為2的檸檬酸-磷酸緩沖液配制不同質量分數的H2O2、VC、β-CD、蔗糖、山梨酸鉀溶液，取1mL色素原液，用上述溶液定容至10mL，在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察色素液的顏色變化。

1.3.5.7 金屬離子對色素穩定性的影響

吸取1mL的色素液分別加入不同濃度金屬離子溶液，用pH2檸檬酸-磷酸緩沖液定容至10mL，使金屬離子濃度為0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1mol/L，然后在λmax處測定色素液的吸光度，并觀察色素液的顏色變化。

以上處理均重復3次，圖表中數據均為3次數據的平均值。

2 結果與分析

2.1 色素的最佳提取方法選擇

圖1 色素的最佳提取方法選擇Fig.1 Optimal extraction method for pigments

由圖1可知，3種提取方法提取的色素含量分別為6.89、4.80、4.15mg/100g。從圖1可以看到，用搖床振蕩提取液中色素含量較高，雜質較少；而用60℃恒溫水浴提取時，雖然所得色素含量較高，但在紫外區雜質較多，波峰不光滑，同時提取液過濾困難；超聲波提取色素含量也較高，但儀器較昂貴。因此選用25℃恒溫振蕩提取較好。

2.2 “黑美人”土豆色素的光譜特性

圖2 色素的紫外-可見光譜Fig.2 UV-visible spectra of pigment from Black Beauty potato

從圖2可知，“黑美人”土豆色素在紫外區有兩個強烈的吸收峰，即在波長210nm和280nm附近；可見光區510～540nm范圍內有一個大的吸收峰，這些特征說明“黑美人”土豆色素主要成分為花色苷類色素[9-11]，同時也含有少量的黃酮類化合物。

2.3 色素的溶解性

“黑美人”土豆色素的溶解性實驗表明，色素易溶于水、無水乙醇、95%乙醇、0.1% H Cl-乙醇、甲醇、0.1% HCl-甲醇等親水性溶劑，但不溶于氯仿、丙酮、乙醚、乙酸乙酯等有機溶劑。以上特征說明該色素為一種水溶性花色素苷[12]。

2.4 色素的穩定性

2.4.1 pH值對色素穩定性的影響

由表1可知，在酸性條件下色素液呈紅色或粉紅色，pH值越低，顏色越深，色素較穩定，λmax在520～ 523nm；當pH≥6時，色素液顏色由紅變紫、再由褐變藍，且隨pH值升高色素液顏色加深，λmax向長波方向移動，吸光度增加。另外，由表1還可以看出，在4≤pH≤7時，隨著放置時間的延長色素液的吸光度減小，顏色也變淡，甚至褪至無色。以上特征表明該色素屬于花色苷類色素，在酸性環境中比較穩定[13-14]。

表1 不同pH值的色素液的顏色、λmax及吸光度隨時間的變化Table 1 Changes in color,λmaxand absorbance of pigment solution under various pH levels as the change of time

2.4.2 有機酸對色素穩定性的影響

2.4.2.1 不同種類的有機酸對色素穩定性的影響

依據文獻[15-16]有機酸的添加量以檸檬酸在飲料里的添加≤0.3%為標準。從表2可知，不同種類的有機酸對“黑美人”土豆色素有一定的護色作用，其中草酸的護色效果最好，檸檬酸次之。但草酸在食品和飲料中不宜添加，而檸檬酸對身體有營養作用，是食品中常用的添加劑。

表2 不同種類有機酸對色素穩定性的影響Table 2 Effect of organic acid on stability of pigment

2.4.2.2 不同添加量的檸檬酸對色素穩定性的影響

由圖3可知，不同添加量的檸檬酸對“黑美人”土豆色素的影響呈先增大后降低的趨勢，當質量分數

達到0.15%時，色素液的吸光度達到最大，研究結果顯示，檸檬酸的添加不宜過多，當檸檬酸添加量大于0.15%時，對色素的穩定性有影響。

圖3 不同質量分數的檸檬酸對色素穩定性的影響Fig.3 Effect of citric acid at various concentrations on stability of pigment

圖6 可見光對色素穩定性的影響Fig.6 Effect of light on stability of pigment

2.4.3 溫度對色素穩定性的影響

圖4 溫度對色素穩定性的影響Fig.4 Effect of temperature on stability of pigment

從圖4可知，各色素液在低溫下穩定性較好，隨著溫度的升高色素的穩定性下降，溶液的顏色變淺，色素液的吸光度下降。各色素液在溫度50、90℃熱處理1h，色素的殘存率分別為79.66%、71.66%、72.29%和60.71%、62.40%、61.10%。以上結果說明“黑美人”土豆色素耐熱性較差，使用時應避免高溫。在高溫條件下pH值為2時色素的殘存率相對較高。

2.4.4 光對色素穩定性的影響

2.4.4.1 紫外光對色素穩定性的影響

圖5 紫外光對色素穩定性的影響Fig.5 Effect of UV on stability of pigment

從圖5可知，在紫外線照射10min后，pH1和pH2色素液的吸光度稍有增大，但增幅不大，之后隨著照射時間的延長，色素液的吸光度有所下降，但下降幅度不大，從總體上看，紫外線對色素的影響較小，因此可說明該色素有較強的抗輻射能力，特別在酸性環境中抗輻射能力更強。

2.4.4.2 可見光對色素穩定性的影響

從圖6可知，可見光對色素穩定性的影響很大，在自然光照下隨著光照時間的延長，色素液的吸光度持續下降，到第7天色素幾乎損失75%左右；低溫避光保藏和室溫避光保存組色素液吸光度稍有下降，但基本穩定，說明日光照射對“黑美人”土豆色素具有強烈的降解作用，因此在其貯存和放置時應避免光線直接照射，在低溫避光處保存，以延長色素的貨架期。

2.4.5 食品添加劑對色素穩定性的影響

2.4.5.1 氧化劑對色素穩定性的影響

從圖7可知，該色素的耐氧化性很差，隨著氧化劑質量分數的增大、放置時間的延長，色素液的吸光度明顯下降，顏色逐漸變淡，在10min后接近無色，因

此該色素在使用時應避免與氧化劑接觸。

圖7 H2O2對色素穩定性的影響Fig.7 Effect of H2O2on stability of pigment

2.4.5.2 VC和β-CD對色素穩定性的影響

圖8 VC、β-CD對色素穩定性的影響Fig.8 Effects of vitamin C and β-CD on stability of pigment

圖8表明，VC和β-CD對該色素穩定性影響很小，隨著添加劑質量分數的增大，色素液的吸光度有所下降，但趨勢較小，顏色由粉紅變到淡粉紅。因此認為該色素可在低濃度的VC或β-CD中使用，添加質量分數在0.4%以下較好。

2.4.5.3 甜味劑對色素穩定性的影響

圖9 蔗糖對色素穩定性的影響Fig.9 Effect of sucrose on stability of pigment

從圖9可知，蔗糖對色素穩定性有一定的影響，隨著蔗糖質量分數的增大色素液的吸光度下降，但下降趨勢不大，尤其在2%～4%時吸光度下降趨勢不明顯。由此可知，該色素的耐糖性較好，在蔗糖質量分數為2%～4%的食品或飲料中使用較宜。

2.4.5.4 防腐劑對色素穩定性的影響

圖10 山梨酸鉀對色素穩定性的影響Fig.10 Effect of potassium sorbate on stability of pigment

圖10表明，山梨酸鉀對色素穩定性的影響比較明顯，隨著山梨酸鉀質量分數的增大，色素液的顏色由粉紅逐漸變為橙色，色素液的吸光度減小，且減小趨勢較大。因此，在添加防腐劑保存該色素時，應使用低質量分數的山梨酸鉀。

2.4.6 金屬離子對色素穩定性的影響

圖11 金屬離子對色素穩定性的影響Fig.11 Effects of metal ions on stability of pigment

由圖11可以看出，Al3+的存在對色素有增色作用，色素液為紅色，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+對色素基本無影響，而Fe3+對色素穩定性有顯著的影響，隨濃度升高色素液顏色由紅色逐漸變為橙色，且出現沉淀；Cu2+對色素穩定性也有明顯的不良影響，隨濃度升高色素液的顏色由紅色變為紅褐色至黃褐色，色素液的吸光度變小。因此，該色素在使用和保存時應注意避免和鐵制、銅制容器接觸。

3 結 論

3.1 “黑美人”土豆色素含量較高，根據色素的光譜特性、溶解性以及不同p H值色素溶液的色澤變化，“黑美人”土豆色素屬于水溶性花色苷類色素。

3.2 該色素不耐自然光、高熱，耐氧化性差，耐輻射性強，在酸性環境中較穩定。低質量分數的蔗糖、VC和β-CD對色素的色澤影響不大，一定質量分數的檸檬酸具有增色作用，而山梨酸鉀對色素穩定性有一定

影響。金屬離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+對色素穩定性影響不大，Cu2+、Fe3+則對色素有明顯的不良影響，Al3+對色素有增色作用。因此，在色素的保存和使用時應避光、低溫，避免與氧化劑和鐵、銅制容器接觸。

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Stability of the Pigment from Black Beauty Potato

LI Cai-xia1，YANG Xiao-long1，LI Qiong2，GAO Hai-ning1，ZHANG Yong1,*
(1. Department of Life Science and Engineering, Hexi University, Zhangye 734000, China；2. College of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

In order to investigate physiochemical properties and stability of the pigment from Black Beauty potato, the change in maximum absorption wavelength of this pigment under different conditions was determined through a spectrophotometer. Results indicated that this pigment was a water-soluble anthocyanin. An obvious effect of pH on stability of this pigment was observed and this pigment exhibited better stability in acidic environments. In addition, Al3+revealed an color enhancement effect on this pigment, while Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Zn2+exhibited little effect. In contrast, Cu2+and Fe3+contributed obvious adverse effects on stability. This pigment also exhibited strong resistance to radiation, but poor resistance to oxidation, light and heat. Although no obvious effects of sucrose at low concentration, VC and β-CD on stability of this pigment were observed, an enhanced effect of citric acid on pigment was observed. These investigations demonstrated exploitation and utilization values of this pigment in the industry of food additives.

Black Beauty potato；anthocyanin；stability

TS202.3

A

1002-6630(2010)09-0089-06

2009-08-11

民樂縣科技局與河西學院合作項目

李彩霞(1967—)，女，高級實驗師，研究方向為天然產物開發利用。E-mail：lipeng@hxu.edu.cn

*通信作者：張勇(1963—)，男，教授，博士，研究方向為植物學、植物分子生物學。E-mail：zhangyong@hxu.edu.cn