紫薯花色苷穩(wěn)定性及熱降解動力學(xué)研究

鄧蘭婷，劉 過，薛 蕊，楊 濤，向明泉，周 榕

（懷化學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，湖南懷化 408000）

花色苷是一種天然的水溶性色素，廣泛存在于植物體的根、莖、葉中，屬于類黃酮類物質(zhì)。自然界中紫薯、茄子、紫玉米、辣椒、黑枸杞、桑葚、紫甘藍(lán)、越橘、黑豆等植物之所以擁有獨(dú)特的顏色就是因?yàn)榛ㄉ盏淖饔茫瑫r花色苷在調(diào)節(jié)代謝紊亂、預(yù)防心血管疾病、抗腫瘤、抗癌、保護(hù)視力、保護(hù)肝臟等方面具有重要的作用[1]。

花色苷是花色素以糖苷鍵與糖基結(jié)合而成的，具有C6-C3-C6基本骨架結(jié)構(gòu)，花色素母核為二苯基色原稀，基本結(jié)構(gòu)為3,5,7 -三羥基-2 -苯基苯并吡喃[2-3]。其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在食品加工過程中容易受到pH 值、溫度、光照、糖、金屬離子等因素的影響[4]，且不同植物或同一植物的不同品種所含的花色苷的穩(wěn)定性也存在一定差異，與花色苷的種類及濃度有一定的關(guān)系[5-6]。

紫薯，也稱黑薯、紫心甘薯，果肉呈紫色至深紫色。近年來，由于其較高的營養(yǎng)價值和豐富的花色苷含量受到廣泛的關(guān)注[7]。研究紫薯花色苷的熱穩(wěn)定性，并探究幾種常見的食品添加物（如檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖、蔗糖、氯化鈉、苯甲酸鈉）對其熱穩(wěn)定性的影響，以期為紫薯花色苷的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯，購自懷化佳惠超市。

乙醇、氯化鉀、鹽酸、醋酸鈉、醋酸、檸檬酸、抗環(huán)血酸、氯化鈉、苯甲酸鈉、葡萄糖、蔗糖，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

WGL-625B 型鼓風(fēng)干燥箱、DK-98-II 型恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；PHS-3C 型酸度計，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品；離心機(jī)，Eppendorf 公司產(chǎn)品；UV-2204 型紫外可見分光光度計，上海析譜儀器有限公司產(chǎn)品；YRE-5299 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，鞏義予華儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫薯預(yù)處理

選取新鮮、無損傷的紫薯清洗去皮，切成約1 cm的薄片，于60 ℃條件下干燥24 h；粉碎，過60 目篩，4 ℃條件下保存。

1.3.2 紫薯花色苷的提取

稱取紫薯粉2 g 于錐形瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液80 mL，充分振蕩，于60 ℃水浴中加熱100 min，于4 ℃條件下以轉(zhuǎn)速10 000 r/min 離心10 min。取上清液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器于40 ℃濃縮至乙醇蒸發(fā)，再用水定容至50 mL，即得花色苷水溶液，于4 ℃條件下儲存?zhèn)溆肹8]。

1.3.3 花色苷含量的測定

采用pH 值示差法測定花色苷的含量[9]。取2 支比色管，各取0.5 mL 待測液，再分別加入pH 值1.0（0.2 mol/L KCl∶0.2 mol/L HCl=25∶67）、pH 值4.5（0.2 mol/L NaAc∶0.2 mol/L HAc=1∶1）的緩沖液至10 mL，振蕩后黑暗處靜置1 h，分別測其波長521 nm和700 nm 處的吸光度。按下式計算花色苷含量。

式中：C——花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL；

F——稀釋倍數(shù)；

Mr——花色苷（以矢車菊-3 -葡萄糖苷計）相對分子質(zhì)量，449.2 g/mol；

26 900——矢車菊-3 -葡萄糖苷摩爾消光系數(shù)。

1.3.4 熱降解動力學(xué)分析

式中：Ct——t 時刻紫薯花色苷的質(zhì)量濃度，mg/mL；

C0——初始時紫薯花色苷的質(zhì)量濃度，mg/mL。

利用Origin 進(jìn)行一級動力學(xué)擬合，以ln（Ct/C0）縱坐標(biāo)，時間t 為橫坐標(biāo)作圖。

式中：K——速率常數(shù)，h-1；

t——加熱時間，h。

利用阿倫尼烏斯公式計算活化能。

式中：K0——頻率因子，h-1；

Ea——活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/mol·K；

T——絕對溫度。

式中：Q10——溫度系數(shù)，表示溫度每升高10 ℃，反應(yīng)速率增大的比例數(shù)；

K1——溫度在T1下的降解速率，h-1；

K2——溫度在T2下的降解速率，h-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對紫薯花色苷穩(wěn)定性的影響

中性紫薯花色苷溶液分別置于70，80，90 ℃水浴鍋中，避光加熱9 h，每隔1 h 測定花色苷含量，計算殘留率。花色苷隨著加熱時間的延長不斷發(fā)生降解，而且溫度越高，降解速率越快，這與藍(lán)莓、桑葚等花色苷熱穩(wěn)定性結(jié)果一致[10-11]。70，80，90℃下加熱9 h 花色苷的殘留率分別為38.6%，32.8%，19.5%。

紫薯花色苷在不同溫度下加熱殘留率隨時間的變化見圖1，紫薯花色苷不同加熱溫度下的降解動學(xué)參數(shù)見表1。

表1 紫薯花色苷不同加熱溫度下的降解動學(xué)參數(shù)

圖1 紫薯花色苷在不同溫度下加熱殘留率隨時間的變化

對紫薯花色苷含量隨加熱時間的變化進(jìn)行一級動力學(xué)擬合（見表1）。紫薯花色苷的熱穩(wěn)定性符合一級動力學(xué)（R2＞0.9），70，80，90 ℃下的降解速率K 分別為0.101 23，0.120 80，0.165 25 h-1，即降解速率隨著溫度的升高而增大，半衰期則隨著溫度的升高而減小，90 ℃時紫薯花色苷的半衰期僅4.2 h，可能是因?yàn)楦邷叵禄ㄉ盏奶腔l(fā)生了水解，也可能是高溫時花色苷的構(gòu)型發(fā)生了變化，所以長時間高溫處理容易使花色苷發(fā)生降解，花色苷的加工和貯藏應(yīng)保持在低溫條件下[12]。Q10隨著溫度的升高而增大，表明高溫時紫薯花色苷的降解速率比低溫時增加更大的比例。反應(yīng)的活化能為25.36 kJ/mol，與酸性條件下紫薯花色苷的熱降解活化能相比偏低[13]。活化能表示一個反應(yīng)發(fā)生所需要的最小能量，活化能越小則表示花色苷越容易降解，所以在中性條件下紫薯花色苷比在酸性條件下更容易發(fā)生熱降解。與不同來源的花色苷相比，藍(lán)莓花色苷在中性時的活化能為46.38 kJ/mol[10]，比紫薯花色苷高，而薰衣草花色苷僅為2.80 kJ/mol[14]，比紫薯花色苷還要小，可能是因?yàn)椴煌瑏碓吹幕ㄉ赵诮M成上存在較大差異，所以熱穩(wěn)定性差異也比較大。

2.2 檸檬酸對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響

在10 mL 花色苷溶液中分別加入0，0.01，0.03，0.05 g 檸檬酸，在90 ℃條件下持續(xù)加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進(jìn)行一級動力學(xué)擬合。

不同添加量檸檬酸對紫薯花色苷殘留率的影響見圖2，不同添加量檸檬酸下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 不同添加量檸檬酸對紫薯花色苷殘留率的影響

由圖2 及表2 可知，與對照相比，隨著檸檬酸添加量的增加，紫薯花色苷的殘留率逐漸增高，降解速率逐漸降低，半衰期逐漸增大。當(dāng)添加3%的檸檬酸時，殘留率為對照組的2.0 倍，降解速率為0.104 56 h-1，半衰期為6.6 h，與對照組相比增加了2.4 h。由此可知，檸檬酸對花色苷有一定的護(hù)色作用，且隨著檸檬酸添加量越高，護(hù)色作用越強(qiáng)。與張鏡等人[15]對陰香花色苷及孫健等人[16]對紅毛丹果皮色素的研究結(jié)果是相似的。對檸檬酸的護(hù)色作用可能與檸檬酸改變了花色苷的pH 值有關(guān)，較低的pH值條件下，初始系統(tǒng)與自身勢力學(xué)平衡之間的距離較短，所以花色苷降解更不容易發(fā)生[17]。

2.3 抗壞血酸對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響

在10 mL 花色苷溶液中分別加入0，0.01，0.03，0.05 g 抗壞血酸，于90 ℃條件下持續(xù)加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進(jìn)行一級動力學(xué)擬合。

不同添加量抗壞血酸對紫薯花色苷殘留率的影響見圖3，不同添加量抗壞血酸下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同添加量抗壞血酸下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)

圖3 不同添加量抗壞血酸對紫薯花色苷殘留率的影響

由圖3 及表3 可知，結(jié)果表明低添加量的抗壞血酸（0.1%）對紫薯花色苷的熱穩(wěn)定性基本沒有影響，半衰期與對照結(jié)一樣為4.2 h，而隨著抗壞血酸添加量的增加，紫薯花色苷降解速率逐漸增加。當(dāng)添加0.5%的抗壞血酸時，花色苷的降解速率為0.191 09 h-1，比對照增加了15.6%，此時半衰期為3.6 h。因此，與檸檬酸不同，抗壞血酸不但沒有護(hù)色作用，反而會加快紫薯花色苷的降解。一方面，可能是因?yàn)榭箟难崾且环N弱酸，加入抗壞血酸后對花色苷溶液的pH 值影響不大，所以不能通過降低pH 值來提高花色苷的穩(wěn)定性；另一方面，抗壞血酸是一種抗氧化劑，且有還原性，可能是其還原性促進(jìn)了紫薯花色苷的降解。關(guān)于抗壞血酸對花色苷穩(wěn)定性的影響近些年也有一些研究，但結(jié)果存在矛盾性。李穎暢等人[18]研究抗壞血酸對藍(lán)莓花色苷的影響時發(fā)現(xiàn)其會使花色苷穩(wěn)定性下降，但王麗霞等人[19]卻發(fā)現(xiàn)其對玫瑰茄花色苷有增色作用，所以抗壞血酸的具體作用還需要進(jìn)一步研究。

2.4 葡萄糖對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響

在10 mL 花色苷溶液中分別加入0，0.01，0.03，0.05 g 葡萄糖，在90 ℃條件下持續(xù)加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進(jìn)行一級動力學(xué)擬合。

不同添加量葡萄糖對紫薯花色苷殘留率的影響見圖4，不同添加量葡萄糖下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表4。

表4 不同添加量葡萄糖下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)

圖4 不同添加量葡萄糖對紫薯花色苷殘留率的影響

由圖4 及表4 可知，0.1%葡萄糖的添加量能提高花色苷的穩(wěn)定性，花色苷的降解速率由0.165 25 h-1減至0.101 22 h-1，半衰期t1/2由4.2 h 增加為6.8 h。但是當(dāng)繼續(xù)增加葡萄糖時，花色苷的穩(wěn)定性反而有所下降，當(dāng)添加量為0.3%葡萄糖時，與對照無顯著性差異；當(dāng)增加至0.5%時，花色苷最終殘留率僅為13.8%，半衰期t1/2為3.5 h。張鏡等人[15]、李紫薇等人[20]、Roidoung S 等人[21]也發(fā)現(xiàn)了相似的促降解作用。

2.5 蔗糖對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響

在10 mL 花色苷溶液中分別加入0，0.01，0.03，0.05 g 蔗糖，于90 ℃條件下持續(xù)加熱9 h，每隔1 h測定其花色苷含量，并進(jìn)行一級動力學(xué)擬合。

不同添加量蔗糖對紫薯花色苷殘留率的影響見圖5，不同添加量蔗糖下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表5。

表5 不同添加量蔗糖下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)

圖5 不同添加量蔗糖對紫薯花色苷殘留率的影響

由圖5 及表5 可知，蔗糖對紫薯花色苷有很好的護(hù)色作用，能顯著提高花色苷的熱穩(wěn)定性。0.1%，0.3%，0.5%蔗糖條件下紫薯花色苷的半衰期t1/2分別為7.1，9.3，10.5 h，與對照組相比，均有顯著的提高。蔗糖對陰香花色苷[15]、牡丹花色苷[22]、玫瑰茄花色苷[19]也有一致的結(jié)果。可能是蔗糖降低花色苷的水分活度，從而提高了花色苷的穩(wěn)定性。

2.6 氯化鈉對紫薯花色苷熱穩(wěn)定性的影響

不同添加量氯化鈉對紫薯花色苷殘留率的影響見圖6，不同添加量氯化鈉下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表6。

表6 不同添加量氯化鈉下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)

圖6 不同添加量氯化鈉對紫薯花色苷殘留率的影響

由圖6 及表6 可知，同為90 ℃加熱的條件下，添加量為0.1%，0.3%，0.5%氯化鈉時，紫薯花色苷的保存率隨著氯化鈉添加量的增加而降低，半衰期t1/2分別為4.2，3.9，3.7 h。當(dāng)添加量為0.1%時，與對照無顯著性差異，添加量增加后，降解速率增大，但增幅不大。由此可知，氯化鈉可促進(jìn)花色苷的降解，但影響較小。張唯[23]的研究表明氯化鈉對玫瑰花色苷的穩(wěn)定性無顯著性影響。

2.7 苯甲酸鈉對花色苷熱降解動力學(xué)的影響

在10 mL 花色苷溶液中分別加入0，0.01，0.03，0.05 g 苯甲酸鈉，于90 ℃條件下持續(xù)加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進(jìn)行一級動力學(xué)擬合。

不同添加量苯甲酸鈉對紫薯花色苷殘留率的影響見圖7，不同添加量苯甲酸鈉下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)見表7。

表7 不同添加量苯甲酸鈉對紫薯花色苷殘留率的影響

圖7 不同添加量苯甲酸鈉下紫薯花色苷的降解動學(xué)參數(shù)數(shù)

由圖7 及表7 可知，從降解速率和半衰期可看出，苯甲酸鈉對紫薯花色苷的穩(wěn)定性無顯著性影響。苯甲酸鈉是食品中常用的防腐劑，對其他花色苷的影響時已有一些報道，董立健等人[24]的研究則表明苯甲酸鈉會提高藍(lán)莓花色苷的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

紫薯花色苷的熱降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)，花色苷的半衰期隨著溫度的升高而縮短；當(dāng)在花色苷溶液中添加檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖、蔗糖、氯化鈉、苯甲酸鈉等食品中常用添加物時，檸檬酸、蔗糖、低添加量葡萄糖能提高花色苷的穩(wěn)定性，而抗壞血酸、氯化鈉及高添加量的葡萄糖會降低花色苷的穩(wěn)定性；苯甲酸鈉對紫薯花色苷的影響不顯著。檸檬酸和蔗糖添加量越大對紫薯花色苷的護(hù)色作用越好，但蔗糖的護(hù)色作用比檸檬酸強(qiáng)。當(dāng)添加0.5%蔗糖時，紫薯花色苷的半衰期為10.5 h，延長了6.3 h，而添加0.5%檸檬酸半衰期僅延長了2.4 h。抗壞血酸和氯化鈉在低添加量時對紫薯花色苷的影響不明顯，增加添加量（0.3%以上）則會促進(jìn)花色苷的降解。同為糖，葡萄糖和蔗糖對紫薯花色苷的作用效果不同，從花色苷的穩(wěn)定性來看，蔗糖更有利于花色苷的保存。不同添加物對花色苷穩(wěn)定性的影響是一個復(fù)雜的過程，具體的影響機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。在食品加工過程中，可通過不同的影響來選擇不同的添加劑及其添加量。