紫薯花色苷穩定性及熱降解動力學研究

鄧蘭婷，劉 過，薛 蕊，楊 濤，向明泉，周 榕

（懷化學院生物與食品工程學院，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。自然界中紫薯、茄子、紫玉米、辣椒、黑枸杞、桑葚、紫甘藍、越橘、黑豆等植物之所以擁有獨特的顏色就是因為花色苷的作用，同時花色苷在調節代謝紊亂、預防心血管疾病、抗腫瘤、抗癌、保護視力、保護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合而成的，具有C6-C3-C6基本骨架結構，花色素母核為二苯基色原稀，基本結構為3,5,7 -三羥基-2 -苯基苯并吡喃[2-3]。其結構不穩定，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定性也存在一定差異，與花色苷的種類及濃度有一定的關系[5-6]。

紫薯，也稱黑薯、紫心甘薯，果肉呈紫色至深紫色。近年來，由于其較高的營養價值和豐富的花色苷含量受到廣泛的關注[7]。研究紫薯花色苷的熱穩定性，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）對其熱穩定性的影響，以期為紫薯花色苷的應用提供理論依據。

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、抗環血酸、氯化鈉、苯甲酸鈉、葡萄糖、蔗糖，國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設備

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

1.3 試驗方法

1.3.1 紫薯預處理

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，加入體積分數為60%的乙醇溶液80 mL，充分振蕩，于60 ℃水浴中加熱100 min，于4 ℃條件下以轉速10 000 r/min 離心10 min。取上清液，用旋轉蒸發器于40 ℃濃縮至乙醇蒸發，再用水定容至50 mL，即得花色苷水溶液，于4 ℃條件下儲存備用[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——花色苷質量濃度，mg/mL；

F——稀釋倍數；

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

26 900——矢車菊-3 -葡萄糖苷摩爾消光系數。

1.3.4 熱降解動力學分析

式中：Ct——t 時刻紫薯花色苷的質量濃度，mg/mL；

C0——初始時紫薯花色苷的質量濃度，mg/mL。

利用Origin 進行一級動力學擬合，以ln（Ct/C0）縱坐標，時間t 為橫坐標作圖。

式中：K——速率常數，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——氣體常數，8.314 J/mol·K；

T——絕對溫度。

式中：Q10——溫度系數，表示溫度每升高10 ℃，反應速率增大的比例數；

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 結果與分析

2.1 不同溫度對紫薯花色苷穩定性的影響

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生降解，而且溫度越高，降解速率越快，這與藍莓、桑葚等花色苷熱穩定性結果一致[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參數見表1。

表1 紫薯花色苷不同加熱溫度下的降解動學參數

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行一級動力學擬合（見表1）。紫薯花色苷的熱穩定性符合一級動力學（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，可能是因為高溫下花色苷的糖基發生了水解，也可能是高溫時花色苷的構型發生了變化，所以長時間高溫處理容易使花色苷發生降解，花色苷的加工和貯藏應保持在低溫條件下[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發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生熱降解。與不同來源的花色苷相比，藍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，可能是因為不同來源的花色苷在組成上存在較大差異，所以熱穩定性差異也比較大。

2.2 檸檬酸對紫薯花色苷熱穩定性的影響

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 ℃條件下持續加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進行一級動力學擬合。

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參數見表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色作用，且隨著檸檬酸添加量越高，護色作用越強。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果是相似的。對檸檬酸的護色作用可能與檸檬酸改變了花色苷的pH 值有關，較低的pH值條件下，初始系統與自身勢力學平衡之間的距離較短，所以花色苷降解更不容易發生[17]。

2.3 抗壞血酸對紫薯花色苷熱穩定性的影響

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 ℃條件下持續加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進行一級動力學擬合。

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參數見表3。

表3 不同添加量抗壞血酸下紫薯花色苷的降解動學參數

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，結果表明低添加量的抗壞血酸（0.1%）對紫薯花色苷的熱穩定性基本沒有影響，半衰期與對照結一樣為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色作用，反而會加快紫薯花色苷的降解。一方面，可能是因為抗壞血酸是一種弱酸，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了紫薯花色苷的降解。關于抗壞血酸對花色苷穩定性的影響近些年也有一些研究，但結果存在矛盾性。李穎暢等人[18]研究抗壞血酸對藍莓花色苷的影響時發現其會使花色苷穩定性下降，但王麗霞等人[19]卻發現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一步研究。

2.4 葡萄糖對紫薯花色苷熱穩定性的影響

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 ℃條件下持續加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進行一級動力學擬合。

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參數見表4。

表4 不同添加量葡萄糖下紫薯花色苷的降解動學參數

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。但是當繼續增加葡萄糖時，花色苷的穩定性反而有所下降，當添加量為0.3%葡萄糖時，與對照無顯著性差異；當增加至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]也發現了相似的促降解作用。

2.5 蔗糖對紫薯花色苷熱穩定性的影響

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 ℃條件下持續加熱9 h，每隔1 h測定其花色苷含量，并進行一級動力學擬合。

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參數見表5。

表5 不同添加量蔗糖下紫薯花色苷的降解動學參數

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色作用，能顯著提高花色苷的熱穩定性。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定性。

2.6 氯化鈉對紫薯花色苷熱穩定性的影響

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參數見表6。

表6 不同添加量氯化鈉下紫薯花色苷的降解動學參數

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定性無顯著性影響。

2.7 苯甲酸鈉對花色苷熱降解動力學的影響

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 ℃條件下持續加熱9 h，每隔1 h 測定其花色苷含量，并進行一級動力學擬合。

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參數見表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參數數

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莓花色苷的穩定性。

3 結論

紫薯花色苷的熱降解符合一級反應動力學，花色苷的半衰期隨著溫度的升高而縮短；當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色作用越好，但蔗糖的護色作用比檸檬酸強。當添加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定性的影響是一個復雜的過程，具體的影響機理還需要進一步研究。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。