金屬離子對紫甘藍花青素顏色穩定性的影響

郭思杙，張薇，呂遠平

(四川大學 輕紡與食品學院，成都 610065)

金屬離子對紫甘藍花青素顏色穩定性的影響

郭思杙，張薇，呂遠平*

(四川大學 輕紡與食品學院，成都 610065)

以紫甘藍花青素水提液為研究對象，以CIELAB色空間為研究方法，以△E*，a*，b*值為評價指標，測定添加不同種類、濃度的金屬離子后紫甘藍花青素水提液的顏色變化情況，探討了不同金屬離子對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響。結果表明：Na+，Mg2+，K+，Ca2+，Zn2+對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性不會產生顯著影響；Al3+對紫甘藍花青素水提液增色作用明顯；高濃度Cu2+則對紫甘藍花青素有顯著褪色作用；Fe3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響最大，能直接使其變色；Fe2+對紫甘藍花青素水提液也會產生一定的褪色作用。該結果可為紫甘藍花青素的工業應用提供理論基礎以及技術支持。

紫甘藍；花青素；金屬離子；顏色穩定性；色差

紫甘藍，十字花科，原產歐洲地中海地區，現在我國大部分地區都有栽培。紫甘藍具有增強腸胃功能、抑菌消炎、治愈潰瘍、預防皮膚色素沉淀以及增強人的活力等保健作用[1]。紫甘藍含有大量天然色素，其中紫色的成分主要為花色苷——花青素與糖和有機酸結合形成的糖苷。花青素具有很強的抗氧化作用，能清除體內自由基，并具有降低甘油酯水平、抑制膽固醇吸收等功能[2，3]。因此，紫甘藍花青素既是重要的天然色素資源，也是有價值的保健品原料。

花青素分子結構中含有大量的酚羥基和取代基(如甲氧基)，使其化學性質較為活潑。氧化作用與金屬離子的絡合作用，都會導致花青素結構和顏色的變化。本文以CIELAB色空間中的L*，a*，b*以及色差值△E*為評價指標，研究9種常見金屬離子對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響，其結果可為紫甘藍花青素的工業應用提供理論基礎以及技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紫甘藍為市售，無霉腐、蟲害。熱風干燥、打粉后，以1∶50料液比超純水浸提，抽濾備用；鹽酸，NaCl，MgCl2，KCl，CaCl2，AlCl3，ZnCl2，CuCl2，FeCl3，FeCl2：均為分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

CM-5分光測色計 柯尼卡美能達株式會社；紫外可見光光度計 尤柯尼上海儀器有限公司；ST2100型實驗室pH計 奧豪斯儀器有限公司；XK96-A型快速混勻器 江蘇新康醫療有限公司；Milli-Q Direct型水純化系統 默克密理博公司。

1.3 方法

1.3.1 CIELAB色空間

CIELAB色空間(簡稱L*，a*，b*色空間)是現今最常用的表征物體顏色的色空間之一。

圖1 CIELAB均勻顏色空間

其中，L*為明度大小，+L*為白色方向，-L*為黑色方向；色度坐標a*：其中+a*為紅色方向，-a*為綠色方向；色度坐標b*：其中+b*為黃色方向，-b*為藍色方向。

L*，a*，b*色空間中，色差△E*表征顏色變化的程度，由下列公式確定：

式中：△L*，△a*，△b*表征試樣色與標準色之間的亮度L*、色度a*，b*之差。

當△E*>3.5時，色澤的變化可以通過肉眼觀察到。

將待測紫甘藍花青素樣液滴加進石英比色皿(CM-A97,2 mm)中，25 ℃恒溫下使用CM-5分光測色計測定上述各項指標，標準光源D65，超純水做校準，每組樣品平行測定3次。

1.3.2 試驗步驟

稱取20 g紫甘藍干粉，加入1000 mL超純水，40 ℃下浸提1 h，抽濾得到紫甘藍花青素水提液，備用。

配制不同濃度的NaCl，MgCl2，KCl，CaCl2，AlCl3，ZnCl2，CuCl2，FeCl3，FeCl2溶液，分別加入紫甘藍花青素水提液中，使其金屬離子濃度分別為0.0025，0.005，0.0075，0.01，0.025，0.05，0.075，0.1 mol/L。測定各試樣溶液的L*，a*，b*值動態變化，并以未添加任何金屬離子的紫甘藍水提液的初始L*，a*，b*值為標準顏色，計算△E*值，分析各金屬離子對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響。

2 結果與分析

2.1 Na+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

在試驗濃度范圍(0.025～0.1 mol/L)內，Na+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖2。

圖2 Na+對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖2可知，當Na+的濃度低于0.1 mol/L時，放置3天內，紫甘藍花青素水提液顏色無顯著變化，其△E*值均低于3.0，無肉眼可見變化。

2.2 Ca2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

Ca2+添加量在0.025～0.1 mol/L時，紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性見圖3。

圖3 Ca2+對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖3可知，當Ca2+的濃度低于0.1 mol/L時，放置3天內，紫甘藍花青素水提液顏色不會發生明顯變化，其△E*值均低于3.0，肉眼不可見。

2.3 Mg2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

添加Mg2+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖4。

圖4 Mg2+對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖4可知，當Mg2+的濃度低于0.1 mol/L時，放置3天內，紫甘藍花青素水提液顏色未發生顯著變化，其△E*值均低于3.5，幾乎無法通過肉眼觀察到。

2.4 K+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

0.025～0.1 mol/L的K+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖5。

圖5 K+對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖5可知，當K+的濃度低于0.1 mol/L時，放置3天內，紫甘藍花青素水提液顏色無明顯變化，其△E*值均低于3.0，無肉眼可察覺變化。

2.5 Zn2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

在試驗濃度范圍(0.025～0.1 mol/L)內，Zn2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖6。

圖6 Zn2+對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖6可知，當Zn2+的濃度低于0.1 mol/L時，放置3天內，紫甘藍花青素水提液顏色無顯著變化，其△E*值均低于3.5，肉眼不可察覺。

2.6 Al3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

添加量在0.025～0.1 mol/L之間的Al3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖7。

圖7 Al3+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖7可知，加入Al3+后，紫甘藍花青素水提液△E*立即上升至7.0以上，肉眼也觀察到水提液顏色發生明顯加深。且Al3+濃度越高，色差變化越大。隨著放置時間的延長，添加Al3+與空白組紫甘藍花青素水提液△E*差值有所減小，并在短短2 h后趨于平衡，最終維持在5.5以上，證明Al3+對紫甘藍花青素的顏色穩定性有一定增色作用。

試驗數據表明：紫甘藍花青素色澤變化主要表現在b值，見圖8。

圖8 Al3+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液b值的影響

由圖8可知，添加Al3+后紫甘藍花青素水提液b值立即藍移，其絕對值有較為顯著的增大。且Al3+濃度越高，b絕對值增量越大，藍色色澤越深。

將Al3+添加量降低至0.0025～0.01 mol/L時，Al3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖9。

圖9 Al3+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖9可知，即使Al3+濃度低于0.0025 mol/L，也會對紫甘藍花青素產生較為顯著的影響。紫甘藍花青素的色差在Al3+加入的瞬間即達到3.8～5.8，放置5 h，后其△E*還將隨著放置時間的延長繼續增大，水提液顏色也持續加深。

在試驗濃度范圍(0.0025～0.01 mol/L)內，Al3+對紫甘藍花青素水提液b值的影響見圖10。

圖10 Al3+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液b值的影響

由圖10可知，添加Al3+后，紫甘藍花青素水提液b值隨放置時間增長持續藍移，且Al3+濃度越高，b絕對值增量越大。

以上結果顯示：Al3+對紫甘藍花青素水提液顏色產生了較大的影響。Al3+能對紫甘藍花青素產生增色作用，且顏色變化發生在加入Al3+的瞬間，這應該是某種化學反應產生的結果，極有可能是由于Al3+能與花青素結構上的酚羥基、甲氧基等基團形成螯合物，該螯合物為藍色化合物，這個結果與張志軍、戴思蘭等人的研究結果一致[4-6]。

2.7 Cu2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

在試驗濃度范圍(0.025～0.1 mol/L)內，Cu2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖11。

圖11 Cu2+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖11可知，紫甘藍花青素水提液△E*在加入Cu2+的瞬間即可達到12.0，并隨保存時間的增長持續上升，5 h后可達到36.2以上，肉眼也可觀察到較為顯著的褪色現象。證明Cu2+對紫甘藍花青素的顏色穩定性有比較明顯的褪色作用。

試驗結果顯示：加入Cu2+主要對紫甘藍花青素水提液的a值產生了較大影響，見圖12。

圖12 Cu2+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液a值的影響

由圖12可知，添加Cu2+后，紫甘藍花青素a值隨保存時間的延長逐步減小，且下降幅度較大，其變化大小、趨勢與△E*完全一致。Cu2+添加量為0.025 mol/L的紫甘藍花青素水提液，a值在5 h后由35.53下降至4.29，紅色色澤大幅度消褪，與肉眼觀察到的現象一致。

降低Cu2+添加量至0.0025～0.01 mol/L，Cu2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖13。

圖13 Cu2+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖13可知，Cu2+添加量降低至0.01 mol/L時，對紫甘藍花青素仍能產生明顯影響；當Cu2+添加量降低至0.0075 mol/L以下，紫甘藍花青素水提液的△E*均減小至3.0以下，不再產生肉眼可見的顏色變化。

總結以上試驗現象不難發現：Cu2+對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性產生了很大影響。Cu2+對紫甘藍花青素造成了褪色作用，其色澤隨著放置時間的延長逐漸變化。對添加0.1 mol/L Cu2+的紫甘藍花青素水提液進行檢測，72 h后花青素的保存率為73.96%，而光譜掃描證實花青素的最大吸收波長有小幅度的藍移現象(530～520 nm)，這說明Cu2+對花青素有一定消耗作用，但沒有產生大量的其他有色物質，這很有可能是因為Cu2+能夠作為催化劑，催化花青素結構上的酚羥基發生氧化反應，紫甘藍花青素水提液顏色由此產生了變化，這個分析與周兆祥等人對梔子黃色素與金屬離子效應的研究結果一致[7]。

另外一種可能是，花青素結構上的酚羥基、取代基(如甲氧基等)，作為具有孤對電子的配位體，與能夠供空軌道的過渡元素陽離子Cu2+發生絡合作用，由紫紅色的花青素轉化為藍色的銅-花青素絡合物。紫甘藍花青素出現的特征吸收峰藍移，其水提液紅色消褪、藍色凸顯的現象，都可以由此得到解釋，這個分析與左玉等人在文獻綜述中提到的機理一致[8，9]。

紫甘藍花青素在加工使用時不宜與過高濃度的Cu2+接觸，Cu2+添加量不超過0.0075 mol/L時，紫甘藍花青素能保持較好的顏色穩定性。

2.8 Fe3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

添加濃度在0.025～0.1 mol/L以內時，Fe3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖14。

圖14 Fe3+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖14可知，加入Fe3+后，紫甘藍花青素水提液△E*立即上升至51.5以上并迅速趨于穩定，Fe3+濃度越高，色差變化越大。同時觀察到水提液由紫紅色直接轉變為黃色，這說明Fe3+對紫甘藍花青素的顏色穩定性有非常強的變色作用。

試驗結果表明：紫甘藍花青素的色澤變化在a，b值上表現都非常明顯，見圖15和圖16。

圖15 Fe3+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液a值的影響

添加了Fe3+的紫甘藍花青素水提液a值綠移，立即由原本的紅軸方向直接改變到綠軸方向。且Fe3+濃度越高，a值在綠軸方向上的絕對值越大，綠色色澤越深。Fe3+添加量為0.1 mol/L的紫甘藍花青素水提液，5 h時a值為-8.83，已經呈現比較明顯的綠色。

圖16 Fe3+(0.025～0.1 mol/L)對紫甘藍花青素水提液b值的影響

添加了Fe3+后，紫甘藍花青素水提液b值黃移，迅速由原本的藍軸方向直接改變到黃軸方向。且Fe3+濃度越高，b值越大，黃色色澤越深。Fe3+添加量為0.1 mol/L的紫甘藍花青素水提液，b值在5 h后上升至39.24，呈現較為濃郁的黃色。

Fe3+添加量減小至0.0025～0.01 mol/L后，Fe3+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖17。

圖17 Fe3+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖17可知，即使Fe3+添加量低于0.0025 mol/L，也會對紫甘藍花青素產生很大的影響。添加Fe3+后，紫甘藍花青素水提液△E*立即上升至21.0以上，還將隨放置時間的增長繼續攀升，并在24 h后達到穩定。Fe3+濃度越高，色差變化越大。

減小Fe3+添加量至0.0025～0.01 mol/L后，紫甘藍花青素水提液a，b值的變化情況見圖18和圖19。

圖18 Fe3+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液a值的影響

圖19 Fe3+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液b值的影響

同△E*變化規律一致，a，b值在加入Fe3+后立即發生大幅度的改變，并將隨放置時間增長繼續變化，至24 h后趨于平衡。其a值仍然綠移，且Fe3+濃度越高，a值變化越大，當Fe3+添加量≥0.005 mol/L時，a值在2 h后將由原本的紅軸方向改變到綠軸方向；其b值也依然黃移，且Fe3+濃度越高，b值變化越大，當Fe3+添加量≥0.005 mol/L時，b值在放置2 h后由原本的藍軸方向改變到黃軸方向。

以上結果表明：Fe3+對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性產生了極大的影響，直接將其由紅、藍色調改變為黃、綠色調的液體，且水提液在加入Fe3+時立即變色，這應該是某種化學反應造成的現象。對僅僅添加了0.0025 mol/L Fe3+的紫甘藍花青素水提液進行檢測，24 h后花青素的保存率僅有18.764%。光譜掃描證實花青素的特征吸收峰(約530 nm)幾乎完全消失，波峰向紫外區移動，這說明Fe3+已經完全破壞了溶液中的花青素，造成這種現象的原因很有可能是具有氧化作用的Fe3+破壞了花青素結構中的酚羥基。

由于添加0.0025 mol/L Fe3+的紫甘藍花青素水提液并沒有完全改變為黃綠色，因此其在Fe3+高于此濃度時所呈現的色澤或許不是Fe3+與花青素氧化產物的顏色，而是反應后過量Fe3+呈現的黃色。

由本試驗可知，即使濃度極低的Fe3+也能造成紫甘藍花青素的大量損失，因此紫甘藍花青素在加工使用時應杜絕與Fe3+接觸。

2.9 Fe2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響

添加量為0.0025～0.01 mol/L Fe2+對紫甘藍花青素水提液顏色穩定性的影響見圖20。

圖20 Fe2+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液穩定性的影響

由圖20可知，添加Fe2+后，紫甘藍花青素水提液色澤立即發生改變，并且隨著保存時間的延長，其△E*還將繼續上升。圖中同時表明：Fe2+濃度越高，紫甘藍花青素色差變化越大。放置72 h后，添加Fe2+與不添加任何離子的紫甘藍花青素水提液△E*差值最高達到4.5，肉眼也可以察覺到水提液色澤有輕微的減褪。證明Fe2+對紫甘藍花青素的顏色穩定性有一定的褪色作用。

試驗數據顯示：加入Fe2+后紫甘藍花青素的顏色變化主要體現在a值，見圖21。

圖21 Fe2+(0.0025～0.01 mol/L)對紫甘藍花青素水提液a值的影響

由圖21可知，添加Fe2+后，紫甘藍花青素水提液a值減小。且Fe2+濃度越高，a值減小量越大，紅色色澤越淺。

以上試驗結果顯示：Fe2+對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性產生了一定影響。Fe2+對紫甘藍花青素造成了褪色作用，但褪色幅度較小，72 h后△a最大保持在4.4以內(0.01 mol/L Fe2+)；對添加Fe2+的紫甘藍花青素水提液的檢測也表明在本試驗濃度范圍(0.0025～0.01 mol/L)內，Fe2+并不會使花青素濃度明顯下降，造成這種現象的原因可能是Fe2+與提供孤對電子的花青素酚羥基、取代基發生絡合反應。相較于花青素本身，生成的亞鐵-花青素絡合物可能是一種色澤稍淺淡的紫紅色物質。

張澤生等人研究發現Fe2+能與山楂果花青素產生深紫色沉淀，對其有破壞、降解作用[10]；汪志慧等人研究也發現Fe2+能使蓮房花青素由紅色變為藍黑色，產生絮狀沉淀，使蓮房花青素含量大幅度減小[11]；嚴紅光等人也發表了Fe2+能使兔眼藍莓花青素保存率大幅度下降的研究結果[12]，這些結論都與本文中Fe2+紫甘藍花青素影響性的研究結果有所出入，Fe2+與花青素的具體作用機理還有待進一步探究。

3 結論

Na+，Ca2+，Mg2+，K+，Zn2+對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性不會產生明顯影響。

Al3+對紫甘藍花青素水提液有較為明顯的增色作用，添加Al3+會使水提液b值藍移，濃度越大的Al3+對紫甘藍花青素增色效果越顯著。

低濃度的Cu2+(≤0.0075 mol/L)對紫甘藍花青素水提液的顏色穩定性不會產生顯著影響，當Cu2+超過此濃度時，紫甘藍花青素水提液a值大幅度減小，發生較明顯的褪色作用。

Fe3+對紫甘藍花青素顏色穩定性的影響最為顯著。Fe3+會對紫甘藍花青素水提液產生變色效應，使其由紫紅色液體直接轉變為黃色液體。

Fe2+對紫甘藍花青素水提液也有一定褪色作用，但褪色效應不如Cu2+顯著。

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Effect of Metal Ions on the Color Stability of Anthocyanins from Purple Cabbage

GUO Si-yi, ZHANG Wei, LV Yuan-ping*

(College of Light Industry,Textile and Food Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In this study, the color stability of water extracts of anthocyanins from purple cabbage during storage is investigated. Use CIELAB color space as research method and the values of ΔE*,a*,b*as evaluation index. Measure the changes in color of water extracts of anthocyanins from purple cabbage after adding different kinds, concentration of metal ions and study the effects of various metal ions on the color stability.The results indicate that Na+,Mg2+,K+,Ca2+,Zn2+have no significant effects on the color stability of water extracts of anthocyanins from purple cabbage.Al3+has an obvious hyperchromic effect on water extracts of anthocyanins from purple cabbage.Cu2+in high concentration makes the water extracts of anthocyanins from purple cabbage fade significantly.Fe3+has the most effect on the color stability of water extracts of anthocyanins from purple cabbage,and discolors anthocyanins from purple cabbage directly.Fe2+also has a certain decolourization on the water extracts of anthocyanins from purple cabbage.These results have provided theoretical basis and technical support for the industrial application of anthocyanins from purple cabbage.

purple cabbage; anthocyanins; metal ions; color stability;color aberration

2016-12-16 *通訊作者

郭思杙(1991-)，女，四川綿陽人，碩士，研究方向：農產品加工及貯藏工程。

TS207.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.06.034

1000-9973(2017)06-0152-07