胭脂蘿卜紅色素熱處理及貯藏過程中降解動力學

董 楠，王 強，雷丹丹，劉 宏，劉 嘉，趙國華,4,*

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶第二師范學院生物與化學工程系，重慶 400067；3.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081； 4.重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

胭脂蘿卜紅色素是以胭脂蘿卜肉質根為原料提取的一種天然食用色素，屬于類黃酮系，主要由花色素苷構成[1]。隨著近年來天然食用色素的開發利用，胭脂蘿卜紅色素以其安全、無毒、資源豐富的優點逐漸為人們所關注。同時，作為花色苷類色素又具有一定營養和生理功能如抗氧化、抗輻射、抗腫瘤、預防糖尿病等，是國家添加劑標準委員會允許使用的天然色素之一[2]。因此，加強胭脂蘿卜紅色素的研究和利用對促進食品行業的發展有深遠的意義。天然花色苷類色素的穩定性較差，容易受到諸多因素的影響。例如：溫度、pH值、壓強、光照等，其中受溫度的影響最為顯著[3-4]，食品工業中常用的殺菌方法(如巴氏殺菌等)所引起的溫度變化均會影響花色苷類色素穩定性，從而影響食品感官特性[5-6]。同時，溶液中的VC質量濃度對花色苷穩定性也有一定的影響[7]。本實驗對胭脂蘿卜紅色素在不同溫度、不同VC質量濃度的色素溶液中的降解動力學進行研究，以期為胭脂蘿卜紅色素的在食品行業中的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

胭脂蘿卜紅色素、花青素E163，由重慶市武隆仙女天然色素有限責任公司提供。

抗壞血酸(優級純) 天津市光復精細化工研究所；蔗糖、檸檬酸、山梨酸鉀、苯甲酸鈉等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2450紫外-可見分光光度計 日本島津公司；722紫外-可見分光光度計 上海現科儀器有限公司；HWS-24電熱恒溫水浴鍋 上海齊欣科學儀器有限公司；PB-10酸度計 德國Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 色素的最大吸收波長的測定

配制質量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，用pH 3.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液定容，紫外-可見分光光度計在波長400～700nm范圍內掃描圖譜，確定該色素的最大吸收波長λmax。

1.3.2 緩沖溶液中的熱降解動力學[8]

1.3.2.1 緩沖溶液中貯藏過程的熱降解動力學

配制質量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，用pH 3.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液定容，于85℃處理5min，然后取適量于具塞塑料管(無頂隙空間)在4、25℃條件下避光放置1、2、3、4、6、8、12、16、20、28d，然后，取樣測定其λmax并計算花色苷保留量、降解的速率常數、半衰期和活化能。

1.3.2.2 緩沖溶液中熱處理過程的熱降解動力學

配制質量濃度為0.01g/100mL的色素溶液，裝入具塞試管中，分別在75、80、85、90、95℃條件下恒溫水浴連續加熱6.5h，在10、20、30、40、50min和1、1.5、2、2.5、3、4、5、6.5h時分別取出一個樣品在冰水中迅速冷卻后測定其λmax并計算色素降解的速率常數、半衰期和活化能。

1.3.3 軟飲料模型中的熱降解動力學研究[9]

1.3.3.1 無CO2型軟飲料的配制

1000g色素溶液中含蔗糖86g、苯甲酸鈉0.14g、山梨酸鉀0.18g、檸檬酸1.52g，色素質量濃度0.01g/100mL，VC添加量分別為0、0.04、0.12、0.36g，pH值調至3.0。

1.3.3.2 軟飲料模型中貯藏過程的熱降解動力學

將上述不同VC添加量的無CO2型軟飲料于85℃處理5min，然后取適量于具塞塑料管(無頂隙空間)4、25℃條件下避光放置1、2、3、4、6、8、12、16、20、28d時取出樣品測定其λmax并計算色素降解的速率常數、半衰期和活化能。

1.3.3.3 軟飲料模型中熱處理過程中熱降解動力學

將上述不同VC添加量的無CO2型軟飲料分別在75、80、85、90、95℃條件下恒溫水浴連續加熱6.5h，在10、20、30、40、50min和1、1.5、2、2.5、3、4、5、6.5h時分別取出一個樣品在冰水中迅速冷卻后測定其λmax并計算色素降解的速率常數、半衰期和活化能。

1.3.4 花色苷降解速率常數、半衰期和活化能的計算

1.3.4.1 零級反應動力學參數的計算[10]

零級動力學的降解速率可由下式表示：

式中：ρ是降解后花色苷含量/(g/100mL)；ρ0是初始時刻花色苷含量/(g/100mL)；ρt是一定溫度下加熱tmin或貯藏td后花色苷含量/(g/100mL)；t1/2是花色苷降解的半衰期；k是降解動力學反應速率常數。

1.3.4.2 一級反應動力學參數的計算[11-12]

按公式(4)、(5)計算一級反應速率常數(k)、半衰期(t1/2)。

式中：ρ0是初始時刻花色苷含量/(g/100mL)；ρt是一定溫度下加熱tmin或貯藏td后花色苷含量/(g/100mL)；ρ0和ρt可用A0和A代替，A0為初始時刻花色苷樣品液在最大吸收波長處的吸光度；A是一定溫度下加熱tmin后花色苷樣品液在最大吸收波長處的吸光度。花色苷單體實驗中，A0和A分別為初始時刻和加熱tmin后各花色苷在λmax檢測波長下的色譜峰面積。

反應活化能(Ea)按式(6)計算：

式中：k為熱降解速率常數；R為氣體常數，為8.314×10-3kJ/(mol·K)；k0為頻率常數；T為絕對溫度/K。

當Arrhenius方程(式(6))兩邊同時取對數時，得lnk＝lnk0－Ea/RT，由式(5)可得不同溫度下的熱降解反應常數k，根據不同溫度下的k值，以lnk對1/T作線性回歸，直線的斜率為－Ea/R，截距為lnk0，由直線的斜率即可求出活化能Ea。

1.3.4.3 色素保留量的計算[13]

式中：A為一定條件處理后的吸光度；A0為初始吸光度。

2 結果與分析

2.1 胭脂蘿卜紅色素熱降解動力學

2.1.1 pH3.0檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素的熱降解動力學

圖 1 0.1mol/L、pH3.0檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素的熱降解Fig.1 Degradation for raddish red pigment in citric acid-sodium buffer at different heating temperatures

由圖1可知，不同加熱溫度條件下，－ln(ρ/ρ0)與時間呈良好的線性關系，相關系數均大于0.99，說明胭脂蘿卜紅色素熱降解符合一級反應動力學規律，降解速率隨溫度升高而增大，降解的動力學參數計算結果見表1。花色苷的二苯基苯并吡喃陽離子(AH+)的失電子過程AH+→A是放熱反應，水解反應AH+→B(甲醇假堿)和開環反應B→C(查爾酮)是吸熱反應并且伴隨著熵的增大。因此，溫度升高時，平衡向著無色的甲醇假堿和查爾酮形式轉化，并顯著影響花色苷的熱降解速率[14-15]。有學者研究了熱處理溫度變化對藍莓花色苷熱降解速率的影響，結果顯示，70～90℃范圍內，隨著溫度升高，藍莓花色苷降解反應速率常數增大[16]。以lnk對1/T作線性回歸，檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素熱處理過程中的活化能線性回歸方程為：Y=13053.0X－28.1(R2=0.9643)。

表 1 檸檬酸緩沖液中胭脂蘿卜紅色素熱處理過程中的熱降解參數Table 1 Kinetic parameters for raddish red pigment in citric acidsodium buffer (0.1 mol/L, pH 3.0) at different heating temperatures

2.1.2 不同VC添加量的軟飲料模型中胭脂蘿卜紅色素的熱降解動力學

圖 2 不同VC添加量飲料中胭脂蘿卜紅色素的熱降解Fig.2 Degradation for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations at different heating temperatures

表 2 不同VC添加量下軟飲料中胭脂蘿卜紅色素的熱降解參數Table 2 Kinetic parameters for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations at different heating temperatures

由圖1、2可知，不同加熱溫度條件下，胭脂蘿卜紅色素在緩沖溶液中－ln(ρ/ρ0)與時間所得直線斜率明顯小于飲料中－ln(ρ/ρ0)與時間所得直線斜率，即緩沖溶液中色素降解速率小于飲料中色素降解速率，可能是由于飲料中的VC、蔗糖等添加對其穩定性有較大影響；由圖2可知，不同VC添加量對胭脂蘿卜紅色素的降解速率有一定影響，但胭脂蘿卜紅色素在軟飲料模型中的熱降解均符合一級動力學，隨溫度升高，胭脂蘿卜紅色素熱降解速率增大。各溫度下－ln(ρ/ρ0)與時間的線性關系擬合相關系數均大于0.95，結果見表2。有研究表明，VC對花色苷穩定性的影響與VC的質量濃度有關，熱處理條件下，低質量濃度的VC能提高花色苷的穩定性，高質量濃度VC則能夠加速花色苷降解[17-18]。研究證明，70～90℃范圍內，添加360mg/L的抗壞血酸能顯著促進血橙花色苷熱降解[7]。80℃條件下，添加100mg/L的抗壞血酸使紫薯花色苷的活化能減小，熱穩定性顯著下降[19]。以lnk對1/T作線性回歸，不同VC質量濃度下軟飲料中胭脂蘿卜紅色素的活化能線性回歸方程為：0mg/L時Y=5281.4X－5.4(R2=0.9931)；40mg/L時Y=4434.6X－3.6 (R2=0.9816)；120mg/L時Y=7164.9X－12.7(R2=0.9862)；360mg/L時Y=3828.2X－7.9(R2=0.9765)。

由表2可知，當VC添加量為40mg/L和360mg/L時，色素熱降解的活化能較小，穩定性最差；120mg/L時，胭脂蘿卜紅色素熱降解的活化能最大，半衰期最長，即穩定性為最好。這說明，添加適量的VC，對提高色素穩定性有一定的作用，VC添加超過一定質量濃度范圍，則會加速的色素的降解。

2.2 胭脂蘿卜紅色素貯藏過程中的降解動力學

圖3 4℃和25℃條件下檸檬酸緩沖溶液(0.1mol/L, pH3.0)中胭脂蘿卜紅色素的保留量Fig.3 Residual amounts of raddish red pigment in citric acid-sodium buffer during storage at 4 ℃ and 25 ℃

由圖3可知，0.1mol/L、pH3.0檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中4、25℃貯藏條件下，胭脂蘿卜紅色素穩定性較好，4周之內仍能保持穩定。4℃條件下，胭脂蘿卜紅色素熱降解符合零級動力學，其降解速率只與降解時間有關，與物質質量濃度無關。由表3可知，以不加VC的軟飲料為例做對比，4℃條件下色素的半衰期為66.0d，25℃條件下色素半衰期為15d，25℃常溫貯藏的降解半衰期明顯小于4℃低溫貯藏的降解半衰期。因此，該色素溶液在低溫下保藏，其穩定性更好。

圖 4 25℃條件下飲料中胭脂蘿卜紅色素的降解Fig.4 Degradation for raddish red pigment in soft drink during storage at 25 ℃

由圖4可知，25℃條件下，胭脂蘿卜紅色素熱降解符合一級動力學。由表3可知，其降解速率及半衰期如VC添加量為120mg/L時，半衰期最長，說明適量的VC添加，有利于胭脂蘿卜紅色素在25℃貯藏的穩定性。

表 3 不同VC添加量胭脂蘿卜色素在貯藏過程中的降解參數Table 3 Kinetic parameters for raddish red pigment in soft drink with various vitamin C concentrations

3 結 論

本實驗對胭脂蘿卜紅色素加在緩沖溶液和軟飲料中的降解進行了研究。在熱處理條件下(75～95℃)，其在不同溶液體系的降解均符合一級反應動力學模型，熱處理條件下色素降解速率隨溫度升高而增大。當VC添加量為120mg/L時，溶液中色素降解速率最小，其活化能為59.57kJ/mol。色素溶液在4℃低溫條件下貯藏，其降解動力學符合零級動力學，穩定性良好，VC質量濃度不對其穩定性產生影響；25℃條件下貯藏，其降解動力學符合一級動力學，且VC添加量對其穩定性的影響作用與高溫處理情況下結果一致，即添加量為120mg/L時降解速率最小，色素穩定性最好，360mg/L時降解速率最大。因此，在工業運用中該色素適合低溫貯藏，如在25℃常溫條件下貯藏及75℃以上熱處理時，添加適量VC能有效降低色素降解速率提高穩定性。

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