金屬離子和食品添加劑對紫甘薯花色苷穩定性的影響

付紅巖，李自強，姚 晶，張 筠，姜瞻梅，*

(1.黑龍江東方學院，黑龍江哈爾濱150086;2.東北農業大學，黑龍江哈爾濱150001)

花色苷(Anthocyanin)是一種廣泛分布于自然界的人們最為熟悉的水溶性天然色素，它們構成了植物王國中絕大多數品種的紅色、紫色、藍色和黃色等。花色苷的來源也十分豐富，廣泛的存在于植物的果實、花、莖和葉中的液泡內，如紫葡萄、黑豆、紫玉米、黑加侖、草莓、黑樹莓、蘋果、櫻桃、紫甘藍、茄子皮等，使其呈現紅、紫紅到藍等不同顏色［1］。已知存在的天然花色苷有250多種，但花色苷仍未能廣泛的應用于食品染色，其原因主要有三:首先它們的化學性質不穩定，而且難于提純，所以不易作為商品大量獲得。其次，花色苷與合成色素相比，其色度在數量級上要低100倍。而且其顏色很容易受到食品中發生的大量化學反應的影響［2］。紫甘薯花色苷(PSPA)是從紫色甘薯的塊根中浸提出的一種優質的天然食用色素，色澤鮮亮自然，無毒，無特殊氣味。近年來的研究表明，紫甘薯色素具有清除自由基、抗氧化、抗突變、降血壓，改善肝機能等多種生理功能，在食品、化妝品及醫藥等行業中有著廣闊的應用前景［3］。花色苷在加工過程中容易被氧化和破壞而失去生物活性，因此保持紫甘薯花色苷的生物活性是紫甘薯花色苷應用的一大關鍵。本論文主要研究紫甘薯花色苷在加工保藏過程中影響其穩定性的因素，為設計紫甘薯花色苷的加工和保藏工藝提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫甘薯 市售;葡萄糖、蔗糖、抗壞血酸、山梨酸鉀 食品級。

紫外分光光度計Spectrum723 上海光譜儀器有限公司;恒溫水浴鍋HH.S21－Ni4 北京長安科學儀器;高速冷凍離心機GL－25MS(H2500R)GL－25M 上海盧湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫甘薯花色苷提取液的制備 新鮮紫甘薯切成約5mm薄片，在50℃溫度下烘干至恒重。經中藥粉碎機粉碎后，過60目篩，于－10℃冷藏避光保存。

結合毛建霏、顧紅梅［4－5］等人的方法，取紫甘薯粉4g于250mL錐形瓶，加入100mL 0.1mol/L檸檬酸溶液，在25℃下超聲半個小時，超聲后于4000r/min下旋轉離心，將上層提取液合并得到紫甘薯花色苷提取液。

1.2.2 紫甘薯花色苷提取液吸光值的測定 參考毛建飛［4］等人的方法，取5mL提取液于10mL試管，用0.1mol/L檸檬酸水溶液稀釋至10mL。空白待測試管取相同量樣品液，在定容前加入0.5mL 10%Na2SO3溶液。混勻并靜置5min后分別于1cm的比色皿中。以加入Na2SO3溶液的提取液為空白，用分光光度計在波長518nm處測定提取液得到吸光值。

1.2.3 金屬離子對紫甘薯花色苷穩定性影響

1.2.3.1 Zn2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響 鋅在食品中的最大允許值為20mg/kg(以Zn2+濃度計)，在食品衛生標準使用范圍內，向花色苷溶液中添加硫酸鋅，使花色苷溶液中Zn2+的濃度分別為0、5、10、15、20(mg/kg，以 Zn2+計)，在 50℃ 分別保溫 1 和 3h后，對處理前后的紫甘薯花色苷提取液吸光度進行檢測。

1.2.3.2 Cu2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響 銅在食品中的最大允許值為10mg/kg(以Cu2+濃度計)，在食品衛生標準使用范圍內，向紫甘薯花色苷提取液中添加硫酸銅，使紫甘薯花色苷提取液中Cu2+的濃度分別為 0、2.5、5、7.5、10(mg/kg，以 Cu2+計)。吸光值檢測方法如1.2.3.1。

1.2.3.3 Mg2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響 為考察鎂離子對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加硫酸鎂，使花色苷提取液中Mg2+的濃度分別為 0、0.05、0.1、0.15、0.2(mol/L，以Mg2+計)。吸光值檢測方法如1.2.3.1。

1.2.3.4 K+對紫甘薯花色苷穩定性的影響 為考察K+對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加氯化鉀，使紫甘薯花色苷提取液中K+的濃度分別為 0、0.05、0.1、0.15、0.2(mol/L，以 K+計)。吸光值檢測方法如1.2.3.1。

1.2.4 添加劑對紫甘薯花色苷穩定性的影響

1.2.4.1 葡萄糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響 為考察葡萄糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加葡萄糖，使待測溶液中葡萄糖濃度分別為0%、2%、4%、6%、8%。吸光值檢測方法如1.2.3.1。

1.2.4.2 蔗糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響 為考察蔗糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加蔗糖，使待測溶液中蔗糖濃度分別為0%、2%、4%、6%、8%。50℃分別保溫1、2、3h后，對處理前后的花色苷提取液吸光度進行檢測。

1.2.4.3 抗壞血酸對紫甘薯花色苷穩定性的影響為考察抗壞血酸對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加抗壞血酸，使待測溶液中抗壞血酸濃度分別為 0、1、1.5、2、2.5mg/mL。50℃分別保溫1h后，對處理前后的花色苷提取液吸光度進行檢測。

1.2.4.4 山梨酸鉀對紫甘薯花色苷穩定性的影響 為考察山梨酸鉀對紫甘薯花色苷穩定性的影響，向紫甘薯花色苷提取液中添加山梨酸鉀，使待測溶液中山梨酸鉀濃度分別為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%。50℃分別保溫1、3h后，對處理前后的花色苷提取液吸光度進行檢測。

2 結果與分析

2.1 Zn2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究的濃度范圍內(0～20mg/kg)，Zn2+對紫甘薯花色苷影響規律如圖1。

圖1 Zn2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.1 Effect of Zn2+on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖1可知，從整體上看，在食品衛生標準使用范圍內，Zn2+對紫甘薯花色苷起增色作用，能幫助穩定花色苷構型。50℃下保持1h，除濃度為10mg/kg Zn2+紫甘薯花色苷提取液外，其余三個濃度與未添加Zn2+離子提取液吸光值相近。50℃下保持3h，添加Zn2+樣品均較未添加樣品吸光值增加，但各濃度間差異不大。說明Zn2+對紫甘薯花色苷起增色作用，能穩定花色苷構型，但在5～20mg/kg Zn2+濃度范圍內，其穩定性作用與濃度無明顯關系。

花色苷因為具有鄰位羥基結構，能和金屬離子形成配合物，這種配合物的穩定性高于花色苷，一旦生成不易逆轉，從而體現出對花色苷穩定性影響的作用。50℃保溫1h，Zn2+濃度為10mg/kg樣品組，其吸光值低于未添加對照組，保溫3h則顯現出對紫甘薯花色苷的增色作用，且與其他添加組吸光值相近，推測可能是鋅離子與紫甘薯花色苷間的平衡作用有關。

2.2 Cu2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～10mg/kg)，Cu2+對紫甘薯花色苷影響規律如圖2。

圖2 Cu2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.2 Effect of Cu2+on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖2可知，從整體上看，在食品衛生標準使用范圍內，Cu2+對紫甘薯花色苷起增色作用，能幫助穩定花色苷構型。50℃下保持1h，除濃度為5mg/kg Cu2+的紫甘薯花色苷提取液外，其余三個濃度與未添加Cu2+離子提取液吸光值相近。50℃下保持3h，添加Cu2+樣品均較未添加樣品吸光值增加，10mg/kg添加組在50℃條件下保存3h，吸光值增加33.3%。

Cu2+對紫甘薯花色苷起增色作用，能穩定花色苷構型。其中Cu2+濃度為5mg/kg樣品組其吸光值在保溫1h下低于未添加對照組，保溫3h下顯現出對紫甘薯花色苷的增色作用，其可能原因同2.1。

2.3 Mg2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～0.2mol/L)，Mg2+對紫甘薯花色苷影響規律如圖3。

圖3 Mg2+對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.3 Effect of Mg2+on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖3可知，從整體上看，Mg2+對甘薯花色苷起穩定作用。50℃下保溫3h，添加Mg2+樣品吸光值均大于未添加組，且隨濃度升高，吸光值遞增。50℃下保溫1h，添加Mg2+樣品吸光值均大于較未添加對照組，Mg2+濃度超過0.15mol/L時，Mg2+對紫甘薯花色苷增色能力減弱，其吸光值下降。從整理來看Mg2+具有穩定紫甘薯花色苷的作用，能幫助穩定花色苷構型，但高濃度組(＞0.15mol/L)隨時間延長，增色作用減弱，這可能Mg2+與紫甘薯花色苷配合物穩定性有關。

2.4 K+對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～0.2mol/L)，K+對紫甘薯花色苷影響規律如圖4。

由圖4可知，從整體上看，K+對紫甘薯花色苷起增色作用。50℃下保持1h，各濃度K+添加組與未添加對照組吸光值相近。50℃下保持3h，添加K+樣品均較未添加樣品吸光值增加，濃度低于0.15mol/L時，隨濃度升高，吸光值明顯增加，經單因素方差分析，與未添加樣品差異顯著。說明K+對紫甘薯花色苷起增色作用，能穩定花色苷構型，但K+濃度超過0.15mol/L時，其對紫甘薯花色苷增色作用減弱，可能原因同2.3。

圖4 K+對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.4 Effect of K+on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

2.5 葡萄糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍(0～8%，以質量計)內，葡萄糖對紫甘薯花色苷影響規律如圖5。

圖5 葡萄糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.5 Effect of glucose on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖5可知，從整體上看，葡萄糖對紫甘薯花色苷起增色作用，能幫助穩定花色苷構型。50℃下保持1、3h，添加葡萄糖組吸光值均大于未對照組吸光值，且在研究濃度范圍內，隨葡萄糖濃度升高，紫甘薯花色苷提取液吸光值逐漸遞增，經單因素方差分析，差異性顯著。

可見葡萄糖對花色苷的穩定性影響與糖濃度有關，在高濃度的糖存在下，由于水分活度降低，花色苷生成假堿式結構的速度減慢，所以花色苷的顏色得到了保護。

糖及其降解產物均能引起花色苷的降解，Daravingas等在研究中發現蔗糖、果糖、葡萄糖和木糖均能以同樣的方式加速花色苷的降解，糖的典型降解產物中糠醛對花色苷的降解比羥甲基糠醛更重要［6］。在本實驗過程中未見高濃度葡萄糖與蔗糖對紫甘薯花色苷提取液穩定性影響，可能是因為提取液低pH(pH3.07)抑制了美拉德反應。

2.6 蔗糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～8%，以質量計)，蔗糖對紫甘薯花色苷影響規律如圖6。

由圖6可知，從整體上看，蔗糖對紫甘薯花色苷起增色作用，能幫助穩定花色苷構型。50℃下保持1、3h，添加蔗糖組吸光值均大于未對照組吸光值，差異顯著，添加蔗糖比對照組吸光值均增高0.1以上，且在研究濃度范圍內，隨蔗糖濃度升高，紫甘薯花色苷提取液吸光值逐漸遞增。其原因同2.5。

圖6 蔗糖對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.6 Effect of sucrose on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

2.7 山梨酸鉀對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～0.2%，以質量計)，山梨酸鉀對紫甘薯花色苷影響規律如圖7。

圖7 山梨酸鉀對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.7 Effect of potassium sorbate on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖7可以看出，添加4種不同濃度山梨酸鉀，50℃保存1h，紫甘薯花色苷提取液吸光值接近未添加對照組。50℃保存3h，紫甘薯花色苷提取液的吸光值明顯高于未添加對照組。由此可見，山梨酸鉀對紫甘薯花色苷有一定的護色作用。

2.8 抗壞血酸對紫甘薯花色苷穩定性的影響

在所研究濃度范圍內(0～2.5mg/mL)，抗壞血酸對紫甘薯花色苷影響規律如圖8。

圖8 抗壞血酸對紫甘薯花色苷穩定性的影響Fig.8 Effect of ascorbic acid on stability of anthocyanins pigment from purple sweetpotato

由圖8可以看出，添加4種濃度抗壞血酸后，紫甘薯花色苷溶液的穩定性有所降低，添加抗壞血酸的花色苷提取液的吸光度從1h即低于未添加組，且溶液抗壞血酸濃度越高，吸光度越低，抗壞血酸濃度為0.25mg/mL的花色苷提取液，50℃下保溫3h，吸光值下39%。

由此可見，抗壞血酸對黑莓色素有明顯的降解作用，這可能是因為抗壞血酸被氧化后能產生H2O2，H2O2直接親核進攻花色苷的C2位，使花色苷開環生成查爾酮引起花色苷的降解。

3 結論

不同的金屬離子和食品添加劑對紫甘薯花色苷穩定性起到不同的作用:5種金屬離子K+、Mg2+、Zn2+、Cu2+均有一定的護色或增色作用，幫助穩定花色苷構型。其中Zn2+、Cu2+均顯現出較強的增色作用，Cu2+增色能力高于 Zn2+，10mg/kg Cu2+添加組在50℃條件下保存3h，吸光值增加33.3%，同濃度Zn2+添加組吸光值增加26.2%;Mg2+與 K+濃度超過0.15mol/L時其穩定作用減弱，這可能Mg2+、K+與紫甘薯花色苷配合物穩定性有關。

甜味劑葡萄糖和蔗糖對紫甘薯花色苷均有一定的護色作用，且在研究濃度范圍內(0～8%，以質量計)，隨葡萄糖、蔗糖濃度升高，紫甘薯花色苷提取液吸光值逐漸遞增。可見葡萄糖對花色苷的穩定性影響與糖濃度有關，在高濃度的糖存在下，由于水分活度降低，花色苷生成假堿式結構的速度減慢，所以花色苷的顏色得到了保護。防腐劑山梨酸鉀對紫甘薯花色苷有一定的護色作用，但效果并不明顯。抗壞血酸對紫甘薯花色苷有明顯的破壞作用，50℃下保溫3h，吸光值下降39%，這可能是因為抗壞血酸被氧化后能產生H2O2，H2O2直接親核進攻花色苷的C2位，使花色苷開環生成查爾酮引起花色苷的降解。

［1］龐志申.2000.花色苷研究概況［J］.北京農業科學，2000，18(5):37－42.

［2］任玉林，李華，邴貴德.天然食用色素－花色苷［J］.食品科學，1995，7(16):22－27.

［3］Truong V，Deighton N，Thompson R T，et al.Characterization of Anthocyanins and Anthocyani dins in Purple －FleshedSweetpotatoes by HPLC－DAD/ESI－MS/MS［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58(2):404－410.

［4］毛建霏，付成平，郭靈安，等.可見分光光度法測定紫甘薯總花青素含量［J］.食品與發酵科技，2010(2):101－104.

［5］顧紅梅，張新申，蔣小萍.超聲波法和凍結－融解法相結合提取紫甘薯中花色甙［J］.食品科學，2004，25(7):104－108.

［6］Daravingas G，Cain R F.Thermal degradation of black raspberry anthocyanin pigments in model systems［J］.Journal of Food Science，1968(33):138－142.