紫青稞色素的熱降解動力學研究

張娟，張留洋，王莉君，秦昌月，羅建，趙桃（上海工程技術大學化學化工學院，上海201620）

紫青稞色素的熱降解動力學研究

張娟，張留洋，王莉君，秦昌月，羅建，趙桃*
（上海工程技術大學化學化工學院，上海201620）

為研究紫青稞色素的穩定性，在不同溫度（70、80、90℃）和pH值（1、3、5、7）條件下檢測其降解過程。結果發現該色素的降解速率與加熱時間呈線性關系，符合一級動力學特征。該色素的穩定性同時受溫度和pH影響，在較低溫度和較低pH條件下穩定性較強。在70℃～90℃范圍內，pH值為1，3，5和7時，紫青稞色素的半衰期t1/2分別為23.8 h～9.1 h、16.5 h～6.9 h、13.5 h～6.8 h、16.8 h～7.5 h，活化能Ea分別為49.68、45.37、35.55、41.84 kJ/mol。此外，紫青稞色素提取液的降解生成褐色物質，褐變指數隨加熱時間的延長、加熱溫度的升高、pH值的增大而增大。

花色苷；穩定性；動力學；青稞

花色苷類色素是植物中廣泛存在的水溶性色素，不僅賦予植物鮮艷的顏色以利于授粉和種子傳播、抵抗植物蟲害以及預防植物的紫外線照射損傷，而且對于人類具有許多生理保健功能，如清除體內自由基、抗腫瘤、抗癌、預防糖尿病、保護視力等[1-4]。此外，花色苷還可用作抗氧化劑阻止或延緩油脂的自動氧化，防止食品在貯藏中因氧化而使營養損壞褐變褪色等[5]。

青稞（Hordeum vulgare ssp.Vulgare）即裸大麥，在我國主要分布西藏、青海、四川的甘孜州和阿壩州、云南的迪慶、甘肅的甘南等青藏高原地區。由于青稞含有大量可溶性纖維、β-葡聚糖、維生素、礦物質等營養成分，近年來受到廣泛關注，種植面積日益增加[6]。青稞種皮色素屬花色苷類色素，具有較好的抗氧化、去除自由基活性[7-8]，但其穩定性還未得到深入研究。本試驗主要研究紫青稞色素提取物在不同pH值和溫度條件下的熱穩定性及其降解動力學特征，為青稞色素的開發利用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料

試驗所用青稞材料：西藏農科所提供；試驗所用試劑均為國產分析純：購自國藥集團化學試劑有限公司。1.1.2儀器

HH-數顯恒溫水浴鍋：上海逸龍科技有限公司；pHB-4便攜式pH計：上海精密科技儀器有限公司；SHZ-D型循環水式真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；AB104-N型分析天平：梅特勒-托利上海有限公司；UV-7504型單光束紫外可見分光光度計：上海欣茂儀器有限公司；UV-1601PC型全波長掃描儀：島津公司。

1.2色素提取

將去雜后的青稞種子置于含0.2%鹽酸的甲醇溶液中[料液比1∶10（g/mL）]，4℃避光浸提24 h。提取液過濾后，40℃減壓旋轉蒸發濃縮，并用3倍體積乙酸乙酯萃取3次脫脂，萃取液（水相）過濾后，40℃減壓旋轉蒸發干燥后，得到色素粗提物。

1.3色素純化

利用Sp850型大孔樹脂純化色素粗提物。樹脂用4倍體積無水乙醇浸泡24 h，充分溶脹，去除未聚合的單體、致孔劑、引發劑等雜質后過濾收集樹脂。將2 g（干重）樹脂濕法裝柱，以2 BV/h上樣，上樣液質量濃度為22.0 mg/L，pH值為2.0。樹脂吸附飽和后，結束上樣，用蒸餾水沖洗，除去粗提物中糖和蛋白質等水溶性的雜質，待水洗流出液為無色后，用60%的乙醇溶液解吸色素，解吸流速為2 BV/h。解吸液于40℃減壓旋轉蒸發干燥后，得到純化色素。

1.4光譜分析

將純化的青稞花色素分別溶于pH為1、3、5、7的緩沖溶液，緩沖液配制方法見表1，以相應溶劑為參比，在波長400 nm～800 nm范圍掃描其可見光譜特征。所有樣品在測定前均避光平衡1 h。

表1　緩沖溶液的配置方法（體積比）Table 1　Solventproportion（v/v）of the buffer solutions

1.5色素質量濃度測定

色素質量濃度的測定采用pH示差法[9]，由等量矢車菊素-3-葡萄糖苷（Cyd-3-G）表示，計算公式如下：

式中：C為花色苷質量濃度，mg/L；A為pH 1.0時花色苷在520 nm與700 nm的吸光值之差減去pH 4.5時花色苷在520 nm與700 nm的吸光值之差；MW為Cyd-3-G的分子量449.2 g/mol；DF為稀釋倍數；1 000為將單位由g轉化為mg的倍數；ε為摩爾消光系數26 900 L/（mol·cm）；1為比色皿寬度，cm。

1.6熱穩定性測定

取pH為1、3、5、7（表1）的青稞花色素15 mL溶液置于旋蓋試管中，于70、80、90℃條件下水浴加熱。每隔1 h測定其花色苷質量濃度變化。

1.7熱降解模型

根據文獻報道，花色苷類色素的熱降解符合一級動力學特征，可用阿倫尼烏斯模型進行擬合，其基本公式如下：

式中：Y0為花色苷起始質量濃度，mg/L；Yt為加熱t小時后的花色苷質量濃度，mg/L；T為絕對溫度，K；k∞為指前因子，（/s）；Ea為活化能，J/mol；R為氣體常數[8.31 J/（mol·K）]。

1.8褐變指數測定

測定了加熱9 h后，紫青稞色素樣品的褐變指數（BI）的變化，計算公式如下：

式中：A420、A700、Amax分別代表樣品在420、700 nm和最大可見吸收波長處的吸光值。

2　結果與分析

2.1紫青稞色素的可見吸收光譜

對紫青稞色素的可見吸收光譜分析結果如圖1所示。

圖1　不同pH條件下青稞色素的可見吸收光譜Fig.1　Visible spectra ofhulless barley extractatdifferentpH values

不同pH條件下，紫青稞色素在515 nm～580nm范圍內出現特征吸收，符合花色苷類物質的2-苯基苯并吡喃母環的特征吸收波長范圍。一般來說，在不同pH值的水溶液中，花色苷存在4種分子結構的平衡，包括紅色花鎓陽離子，無色的甲醇假堿，藍紫色醌式脫水堿和灰黃色查爾酮。因此，青稞色素在水溶液中，隨著pH值變大，紅色的花鎓陽離子結構逐步水解成為花鎓陽離子和甲醇假堿混合物（pH 1～5），醌式脫水堿和查爾酮混合物（pH 6～9），引起溶液顏色及光譜特征發生改變。根據實驗確定的最大吸收波長，在相應波長位置測定并計算色素在不同pH條件下的褐變指數。

2.2紫青稞色素的熱降解動力學研究

試驗研究pH值為1、3、5、7，溫度為70、80、90℃條件下紫青稞色素降解的動力學過程。結果表明，樣品中青稞色素的質量濃度隨加熱時間的延長不斷減小，樣品液初始質量濃度C0和加熱t min后的質量濃度Ct的比值與時間呈良好的線性關系，見圖2，符合一級反應動力學規律，可通過下列公式進行擬合：

式中：C0為樣品中花色苷的初始質量濃度，mg/L；Ct為加熱t min后樣品中花色苷質量濃度，mg/L；k（h-1）為一級反應速率常數（降解速率常數）；t1/2（h）為半衰期，即花色苷降解50%所需時間，h。

青稞花色苷降解參數如表2所示。

圖2　青稞色素在不同pH值條件下的熱降解Fig.2　Degradation ofanthocyanins in hulless barley extracts during heating at various

表2　青稞花色苷的熱降解參數Table 2　Thermaldegradation parameters of hulless barley anthocyanin extracts

由青稞色素的半衰期t1/2可知，在70℃～90℃條件下低pH值溶液中的青稞色素穩定性更強。如前所述，花色苷類色素由于其自身結構特點在不同pH值條件下存在4種分子結構的平衡，其中，花鎓陽離子的吡喃結構開環成為甲醇型假堿結構是花色苷降解的重要途徑之一[10]。根據我們的結果，青稞色素在pH 1條件下熱穩定性最好，在pH 5條件下熱穩定性最差，與在大麥[11]、小麥[12]、土豆[13]、黑米[14]、蘿卜[15]、玉米[16]等中的研究結果一致。

此外，動力學參數還表明青稞色素的降解隨加熱溫度和加熱時間的增加而增強。例如，在pH 1條件下，降解速率k由0.029 1 h-1（70℃）增加為0.075 9 h-1（90℃）。對紫土豆、紅土豆、葡萄和紫蘿卜的色素降解動力學研究發現，其半衰期t1/2（pH 3，80℃）分別為15、34、15和33 h[13]。而玫瑰茄花色苷在70、80、90℃條件下的半衰期t1/2分別為11.55、7.22和3.21 h[17]。不同物種花色苷降解速率的差異可能是由于其色素結構中的糖苷配基、糖殘基組成和酰化程度不同所致，也可能與色素提取物中酚類化合物的含量和結構相關[10]。

青稞色素的降解對溫度的依賴性由反應活化能（Ea）反映。根據阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型（公式2），青稞花色苷的降解速率k（h-1）與活化能Ea間的關系可表示為：

式中：K0為頻率因子，（h-1）；Ea為活化能，kJ/mol；R為氣體常數[8.31 J/（mol·K）]；T為絕對溫度，K。

由表2可知，青稞色素在pH 1、3、5、7的活化能分別為49.68、45.37、35.55、41.84 kJ/mol，即其對溫度的敏感性隨pH值變化而變化，在pH 5.0時對溫度的敏感性較弱，可能主要受其甲醇假堿結構的影響。

2.3紫青稞色素的褐變指數

花色苷熱降解過程中生成褐色化合物。可能的機制包括最初形成查耳酮，之后損失糖基部分和形成α-二元酮等，端產物有香豆苷衍生物、安息香酸衍生物和三羥基苯甲醛等。褐變指數是評價花色苷降解的又一有效量度，其值不僅反映了花色苷在降解過程中因形成無色醇型假堿而引起的在其最大可見吸光度的減小，也反映出由于生成褐色物質引起420 nm處吸光度的增加。根據公式（3）計算可知，紫青稞色素提取液在加熱9 h后出現不同程度的褐變，其褐變指數隨pH值的增加、加熱溫度的升高而增大（圖3）。

圖3　紫青稞色素提取液的褐變指數Fig.3　Brown indices of the extracts of purple hulless barley

3　結論

本研究表明，在70℃～90℃范圍內，青稞色素的熱降解過程符合一級動力學特征，降解率與加熱時間呈線性關系，可用阿倫尼烏斯公式進行擬合和預測。青稞色素的熱穩定性和褐變程度受溶液pH值、溫度的影響，在較低的pH值和溫度條件下穩定性更好，褐變程度較低。為提高青稞色素的穩定性，在對含青稞色素食品的加工或貯存過程中，應充分考慮溫度及pH條件的影響。此外，需要對青稞色素提取物的具體化學組成及青稞花色苷的降解機理進行深入研究，進一步探索將青稞色素作為保健食品或食品添加劑的可行性。

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Thermal Degradation Kinetics of Pigments from Purple Hulless Barley

ZHANG Juan，ZHANG Liu-yang，WANG Li-jun，QIN Chang-yue，LUO Jian，ZHAO Tao*

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

In the present study，thermalsta bility of anthocyanins from purple hulless barley was investigated at three temperatures（70，80，90℃）and four pH values（1，3，5，and 7）.Results indicated that the degradation kinetics of hulless barley anthocyanins followed first-order reaction kinetics.The thermal degradation of hulless barley anthocyanins was temperature and pH dependent，and the anthocyanins were more stable during heating at lower temperature and pH.The calculated values ofhalf-lives t1/2were 23.8 h-9.1 h，16.5 h-6.9 h，13.5 h-6.8 h，16.8 h-7.5 h and the activation energies（Ea）were 49.68，45.37，35.55，41.84 kJ/molfor anthocyanins atpH 1，3，5 and 7，respectively.Besides，brown compounds appeared in the pigment extracts during heating，and the brown indices ofthe extracts increased with increasing oftime，temperature and pH.

anthocyanins；stability；kinetics；hulless barley

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.006

上海工程技術大學高水平項目培育基金（2012gp10）；上海市大學生創新活動計劃項目（cs1404009）；上海工程技術大學大學生創新活動計劃項目（cx1404004）

張娟（1994—），女（漢），本科在讀，制藥工程專業。

趙桃（1982—），女（漢），副教授，博士，研究方向：天然產物。

2015-06-08