玫瑰花渣廢水回收所得色素的穩定性研究

馮小葉，周慧，李琴，李延芳

（四川大學化學工程學院，四川 成都 610065）

作為食品添加劑，色素廣泛應用于食品工業。根據其來源可分為天然色素和合成色素。雖然合成色素具有更好的著色能力和穩定性，但是研究發現它們可能具有慢性毒性、致癌性和致畸性[1-2]。與之相比，部分天然色素除了增色作用，還具有補充營養、抗氧化、抗癌、抗炎和抗菌等藥理作用[3-5]。潘洪志等[6]發現番茄紅素可以提高大鼠機體的抗氧化能力，還可以抑制脂質過氧化。此外，番茄紅素還具有抗腫瘤、抗癌等多種生理活性[7-9]。花色苷類色素也具有抗氧化、抗炎、抗糖尿病、保護心血管等藥理活性[10-12]。隨著消費者健康意識的增強，天然色素在現代食品工業中的應用越來越廣泛，新型天然色素的開發成為研究熱點之一。

大馬士革玫瑰（Rosa damascene）是一種應用歷史悠久的藥食兩用植物，主產地為保加利亞、土耳其和伊朗，我國四川、云南等地也有引種[13-14]。文獻報道其具有抗氧化、鎮靜、安眠、抗菌和抗病毒等作用[15-18]。此外，其含油量高，常用于生產玫瑰精油，得到的產品香氣濃郁且品質好[19]。現有的研究報道中，多以玫瑰花為原料直接提取色素。葛紅娟等[20]通過單因素試驗和正交試驗建立了從玫瑰花中提取玫瑰色素的工藝。陳雅妮等[21]也研究了玫瑰花中玫瑰色素的提取工藝，并考察了所得玫瑰色素的穩定性，結果表明金屬離子、pH值、氧化劑和還原劑對色素穩定性影響較大。

利用水蒸氣蒸餾法提取玫瑰精油后，會產生大量的花渣廢水。本課題組前期利用大孔吸附樹脂進行了花渣廢水的吸附，并將50%乙醇洗脫液經過冷凍干燥處理，得到了紫紅色色素。鑒于從工業大生產所產生的大馬士革玫瑰花渣廢水中回收所得色素的穩定性未見報道，因此，本文以玫瑰色素為研究對象，考察了環境條件（pH值和溫度）、常用食品添加劑（蔗糖、抗壞血酸、苯甲酸鈉、Na2SO3）、食品消毒劑（H2O2）和 5 種金屬離子（Fe3+、Al3+、Ca2+、Cu2+和 Mg2+）對其穩定性的影響，為后續玫瑰色素在食品工業中的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玫瑰色素樣品由四川大學化學工程學院李延芳實驗室自制，為將玫瑰花渣廢水（四川銀谷玫瑰科技有限公司，2018年生產季提供）利用HPD100大孔樹脂吸附后用50%乙醇洗脫再經冷凍干燥所得的紫紅色樣品。

無水乙醇、抗壞血酸、亞硫酸鈉、苯甲酸鈉、氫氧化鈉、濃鹽酸、蔗糖、30%過氧化氫、氯化銅、氯化鎂、三氯化鐵、氯化鈣、氯化鋁（分析純）：四川科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

紫外分光光度計（UV2100型）、電熱恒溫水浴鍋（B-490型）：北京中興偉業儀器有限公司；超聲波清洗器（KQ2200B型）：昆山市超聲儀器有限公司；超純水機（YL-100B-D型）：深圳億源水處理設備有限公司；電子分析天平（FA1104B型）：上海越平科學儀器有限公司；電子pH計（PHS-2C型）：上海康儀儀器有限公司。

1.3 玫瑰色素的穩定性研究

1.3.1 全波長掃描

用去離子水配制0.1 mg/mL的玫瑰色素溶液，取2 mL色素溶液加入3 mL去離子水，在200 nm～700 nm處進行全波長掃描，以獲得色素溶液的紫外-可見光譜圖，并確定合適的檢測波長。

1.3.2 pH值對穩定性的影響

使用NaOH和HCl配制pH 2～10的溶液，分別取色素溶于不同pH值的溶液中配制成0.04 mg/mL的溶液，避光靜置，2h后測定溶液的吸光度變化，考察pH值對色素穩定性的影響。以色素水溶液作為空白對照。

1.3.3 溫度對穩定性的影響

分別將4份2 mL的色素溶液分別加入3 mL去離子水，放置于 20、40、60、80 ℃下的水浴中，靜置避光2 h，冷卻至室溫25℃后測定溶液的吸光度變化，考察溫度對色素穩定性的影響。

1.3.4 蔗糖濃度對穩定性的影響

分別取2 mL的7份色素溶液，加入3 mL濃度為1%～6%的蔗糖溶液，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度。加入等量去離子水替代蔗糖溶液作為空白對照。

1.3.5 抗壞血酸濃度對穩定性的影響

分別取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL濃度為0.05%～0.25%的抗壞血酸溶液，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度。加入等量去離子水替代抗壞血酸溶液作為空白對照。

1.3.6 H2O2濃度對穩定性的影響

H2O2作為一種氧化劑，常被用于食品消毒劑。分別取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL濃度為0.5%～2.5%的H2O2溶液，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度。加入等量去離子水替代H2O2溶液作為空白對照。

1.3.7 Na2SO3濃度對穩定性的影響

根據文獻[22]，食品中可添加的Na2SO3最大濃度為0.05%。故以Na2SO3為還原劑，分別取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL濃度為0.01%～0.05%的Na2SO3溶液，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度。加入等量去離子水替代Na2SO3溶液作為空白對照。

1.3.8 苯甲酸鈉濃度對穩定性的影響

分別取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL濃度為0.1%～0.5%的苯甲酸鈉溶液混合，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度。加入等量去離子水替代苯甲酸鈉溶液作為空白對照。

1.3.9 金屬離子濃度對穩定性的影響

配制 0.005、0.01、0.015、0.02、0.025 mol/L 的 CuCl2、MgCl2、FeCl3、CaCl2和 AlCl3溶液，各取 3mL 分別與 2mL的色素溶液混合，避光靜置，2 h后測定溶液的吸光度，考察金屬離子濃度對色素穩定性的影響。加入等量去離子水替代金屬離子溶液作為空白對照。

1.4 數據處理

所有試驗平行重復3次，并使用Minitab 2017軟件進行數據的分析，顯著性水平為0.05，且p<0.05表示差異顯著。試驗結果使用均值±標準誤差的形式表示。

色素的保存率/%=反應溶液的吸光度/空白對照的吸光度×100

2 結果與分析

2.1 玫瑰色素的吸收光譜

在前期研究中，對50%乙醇洗脫液冷凍干燥得到的色素進行了成分分析，結果表明其中主要含有槲皮素的糖苷和山奈酚的糖苷，皆為黃酮類化合物。玫瑰色素的紫外可見光譜圖見圖1。

圖1 玫瑰色素的紫外-可見光譜圖Fig.1 UV-VIS spectrogram of rose pigment

由圖1可知，0.04 mg/mL的色素溶液在264 nm和348 nm處有兩個明顯的吸收峰，符合黃酮類化合物的紫外吸收特點，由于黃酮類化合物的最大吸收范圍在300 nm～400 nm，故本試驗選擇了348 nm作為后續考察穩定性的波長。

2.2 pH值對穩定性的影響

不同pH值對色素溶液的影響結果如圖2所示。

圖2 pH值對色素穩定性的影響Fig.2 Influence of pH on the stability of rose pigment

由圖2可知，pH值小于5時，玫瑰色素溶液的吸光度顯著下降（p<0.05），當pH值為6～10時玫瑰色素溶液的吸光度變化不明顯。由此可見，強酸性環境對此色素溶液有破壞作用，在中性和堿性環境下可以較好的保存及使用。此時，空白對照的吸光度為0.544 4。

2.3 溫度對穩定性的影響

不同溫度對色素溶液的影響結果如圖3所示。

圖3 溫度對色素穩定性的影響Fig.3 Influence of temperature on the stability of rose pigment

由圖3可知，在設定的20℃～80℃溫度范圍內，2 h內色素溶液的吸光度沒有顯著的變化（p>0.05）。由此說明此色素溶液具有較好的耐熱性，可在較苛刻的溫度條件下作為食品添加劑使用。

2.4 蔗糖濃度對穩定性的影響

不同蔗糖濃度對色素溶液的影響結果如圖4所示。

圖4 蔗糖濃度對色素穩定性的影響Fig.4 Influence of sucrose concentration on the stability of rose pigment

由圖4可知，在設置的蔗糖濃度范圍內，蔗糖濃度對色素吸光度無顯著影響（p>0.05）。由此表明此玫瑰色素在蔗糖溶液中較為穩定，可與蔗糖配伍作為食品添加劑使用。

2.5 抗壞血酸濃度對穩定性的影響

由于抗壞血酸具有還原性，在食品中被廣泛用作抗氧化劑。不同抗壞血酸濃度對色素溶液的影響結果如圖5所示。

由圖5可知，加入0.05%的抗壞血酸溶液后，色素溶液的吸光度顯著降低，此時色素的保存率為86.02%。由此可見，抗壞血酸對玫瑰色素具有一定的破壞能力，可能是由于抗壞血酸的溶液偏酸性。因此，抗壞血酸不可用作增色劑和還原劑添加到玫瑰花色素中。

圖5 抗壞血酸濃度對色素穩定性的影響Fig.5 Influence of ascorbic acid concentration on the stability of rose pigment

2.6 Na2SO3濃度對穩定性的影響

不同Na2SO3濃度對色素溶液的影響結果如圖6所示。

圖6 Na2SO3濃度對色素穩定性的影響Fig.6 Influence of Na2SO3concentration on the stability of rose pigment

由圖6可知，在所測試的Na2SO3濃度范圍內，反應前后色素溶液的吸光度沒有明顯的變化（p>0.05），即Na2SO3濃度對色素吸光度無明顯的影響。表明此玫瑰色素在Na2SO3溶液中較為穩定，可與Na2SO3配伍使用。

2.7 H2O2濃度對穩定性的影響

不同H2O2濃度對色素溶液的影響結果如圖7所示。

由圖7可知，在所測試的H2O2濃度范圍內，反應前后色素溶液的吸光度沒有明顯的變化（p>0.05），即H2O2濃度對色素吸光度無明顯的影響，表明此玫瑰色素在H2O2溶液中較為穩定。

2.8 苯甲酸鈉濃度對穩定性的影響

不同苯甲酸鈉濃度對色素溶液的影響結果如圖8所示。

由圖8可知，在所測試的苯甲酸鈉濃度范圍內，反應前后色素溶液的吸光度沒有明顯的變化（p>0.05）。由此可見，在苯甲酸鈉對色素溶液沒有明顯的影響，說明此玫瑰色素在苯甲酸鈉溶液中較為穩定，可與配伍作為食品添加劑使用。

圖7 H2O2濃度對色素穩定性的影響Fig.7 Influence of H2O2on the stability of rose pigment

圖8 苯甲酸鈉濃度對色素穩定性的影響Fig.8 Influence of sodium benzoate concentration on the stability of rose pigment

2.9 金屬離子的種類和濃度對穩定性的影響

5種金屬離子對色素溶液的影響結果如表1和表2所示。

表1 Cu2+和Al3+對色素穩定性的影響Table 1 Influence of Cu2+and Al3+on the stability of rose pigment

由表2所知，加入Mg2+后，溶液的吸光度沒有明顯的變化。加入Fe3+后，溶液產生墨綠色沉淀，無法測定吸光度，說明Fe3+對色素有強烈的破壞作用，可能是由于Fe3+與黃酮類化合物形成了螯合物。當Al3+濃度為0.005 mol/L時，玫瑰色素的保存率為81.22%，說明Al3+的加入會造成玫瑰色素的降解，但此作用與Al3+的濃度沒有明顯的相關性。加入Cu2+后，溶液的吸光度有一定程度的降低，并且當Cu2+的濃度由0.005 mol/L升高至0.025 mol/L時，反應后玫瑰色素的保存率分別為94.18%和90.15%，說明Cu2+的加入會加速玫瑰色素的降解，降解作用與Cu2+離子濃度呈負相關關系。當金屬離子濃度為0.005 mol/L時，與Cu2+和Al3+反應后的玫瑰色素保存率分別為94.18%和81.22%，而Fe3+的加入使得溶液出現墨綠色沉淀，說明3種金屬離子對玫瑰色素溶液的影響程度為Fe3+>Al3+>Cu2+。此外，隨著Ca2+濃度的升高，色素溶液吸光度有較明顯的升高。

表2 Fe3+、Mg2+和Ca2+對色素穩定性的影響Table 2 Influence of Fe3+，Mg2+and Ca2+on the stability of rose pigment

3 結論

本文通過多組試驗考察了2種環境條件（pH值和溫度）、4種常用食品添加劑（蔗糖、抗壞血酸、苯甲酸鈉、Na2SO3）、1 種食品消毒劑（H2O2）和 5 種金屬離子（Fe3+、Cu2+、Al3+、Ca2+和 Mg2+）對從大馬士革玫瑰精油提煉后的玫瑰花渣廢水中回收所得色素穩定性的影響。結果表明，在測試時間內玫瑰色素在較寬的溫度范圍內保持穩定，在強酸性條件下色素顯著下降（p<0.05），在中性和堿性條件下比較穩定。防腐劑苯甲酸鈉、還原劑Na2SO3、氧化劑H2O2和蔗糖的加入對色素穩定性無明顯影響，而抗壞血酸的加入會造成溶液pH值的降低，從而導致色素的降解。

此外，金屬離子對玫瑰色素的穩定性試驗結果表明，Mg2+對色素沒有明顯的影響。Al3+的加入使得色素溶液的保存率降低，且此作用與離子濃度沒有明顯的關系；Cu2+可加速玫瑰色素降解，且此作用與Cu2+的濃度呈負相關關系；Fe3+的加入對色素有強烈的破壞作用；3種金屬離子對玫瑰色素溶液的影響程度為Fe3+>Al3+>Cu2+。此外，Ca2+對玫瑰色素有增色作用，此作用與Ca2+濃度呈正相關關系。

綜上，此玫瑰色素在中性和堿性環境下較穩定，溫度、氧化劑H2O2和Mg2+離子對其穩定性無明顯影響，其可與蔗糖、Na2SO3和苯甲酸鈉幾種常用食品添加劑配伍使用，但在貯存過程中應盡量避免接觸Fe3+、Al3+、Cu2+、Ca2+及強還原劑抗壞血酸。