脈沖電場處理對梔子黃色素穩定性的影響*

李云，曾新安

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

脈沖電場處理對梔子黃色素穩定性的影響*

李云，曾新安

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

研究了脈沖電場處理對梔子黃色素穩定性影響，并與熱處理和pH值變化處理做了對照實驗。結果表明:梔子黃色素對脈沖電場處理和熱處理都相對穩定，電脈沖處理46 ms后其色澤保留率可以達到97.1%，比90℃熱處理30 min高出4.9%。梔子黃色素對pH值敏感，在強酸強堿條件下梔子黃色素穩定性明顯下降。

脈沖電場，梔子黃，穩定性

梔子黃色素是世界上唯一存在的水溶性類胡蘿素［1］，也是在食品工業中廣泛使用的天然黃色素，我國國標規定其最大使用量為0.3 g/kg(GB2760－1996食品添加劑使用衛生標準)。梔子黃色素主要從茜草科植物梔子果實中提?。?］，外觀為黃色粉末狀，主要成分是類胡蘿素類的藏花素(crocin)和藏花酸(crocetin)，其主體結構由異戊二烯單體首尾相連而成(如圖1所示［2］)。結構中由糖類物質與主體結構以糖苷結合的形式存在。分子中存在多個共軛雙鍵，一方面賦予藏花素以黃色，但另一方面也是其性質不穩定的主要原因之一［4］。

近年來，我國飲料業呈持續增長的態勢，具有很高的市場潛力。梔子黃天然色素由于具有安全性高，著色力強，性質相對穩定的優點，已經廣泛應用于飲料業的著色。據估計，梔子黃色素每年應用于果汁飲料行業的著色占其總銷售量的30%左右，占有巨大的市場份額［3］。滅菌技術往往是制約飲料行業生產的關鍵點，對于我國目前的飲料行業，主要采用熱滅菌或者添加防腐劑等方法來達到滅菌抑菌效果，但這些處理又同時影響了梔子黃色素的著色效果。脈沖電場(PEF)技術作為一種新型的食品加工技術，近年來在食品工業中的應用備受關注，PEF技術具有處理時間短、處理溫度低、節能、不污染環境及無副作用等諸多優點，特別地由于其非熱加工的特性，能很好地保持果汁飲料原有的風味和營養［5－8］。有報道指出，美國已經研制出處理量達到2 000L/h的PEF設備用于一種名叫GENESIS的果汁滅菌，而我國國內的PEF研究也已經成為一個熱點，有超過10所科研院所在進行相關研究［5］。由于色素在飲料工業普遍添加，而色素的穩定性是關乎飲料等產品的重要質量指標之一。因而在研究PEF對果汁等飲料的滅菌效果的同時，研究PEF對色素的穩定性影響也十分必要。本文選擇梔子黃色素作為研究對象，根據藏紅花素和藏紅花酸在440 nm(有最大吸收峰)處的吸光度值作對照定量梔子黃色素含量，探討PEF處理對梔子黃天然色素的穩定性影響，并與熱處理進行了對照。

圖1 藏花素(A)和藏花酸(B)的分子結構式

1 材料與方法

1.1 實驗材料

梔子黃，市售，色價E=60;檸檬酸，磷酸氫二鈉，氯化鈉，碳酸鈉，碳酸氫鈉，均為分析純。

1.2 主要儀器和設備

脈沖電場設備為本實驗室自行設計研制的高強脈沖電場連續處理裝置，電場強度0～66.7 kV/cm連續可調，脈沖頻率為1.01 kHz，脈沖寬度40 μs，電脈沖流速為8 L/h。本實驗電脈沖循環處理時間20，30，45和60 min，對應實際電脈沖處理時間為15.3，23.0，34.5和46.0 ms。處理室電極材料為銅，絕緣部分為聚四氟乙烯，容量為0.021 2mL，波形為平方波。

雙波長紫外可見分光光度計(UV1810)，北京普析;色彩色差計(CR－400)，日本柯尼卡美能達公司，儀表誤差L*a*b*在0.8以內。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品準備

準確稱取0.1 g梔子黃色素，在溫度13℃時用蒸餾水配制成濃度為0.1g/L的梔子黃溶液(pH值為6.4，電導率為4.5 μS/cm)。用NaCl配制電導率分別為 22.5、45、67.5、90和112.5 μS/cm 的0.1g/L 的梔子黃溶液，以磷酸氫二鈉(0.2mol/L)-檸檬酸(0.1mol/L)緩沖溶液和碳酸鈉-碳酸氫鈉緩沖溶液(0.1mol/L)配制 pH 值為2、4.2、7.15、9.3、10、12 的 0.1g/L的梔子黃色素稀釋液。以上樣品搖勻、靜置備用。

1.3.2 脈沖電場處理

在無菌環境下，經恒流泵把不同電導率的梔子黃溶液泵入高壓脈沖電場處理室進行處理，設定不同電場強度為26.7，40.0，53.3和66.7kV/cm;不同循環處理時間為20，30，45和60 min，相應實際電脈沖處理時間為 15.3，23.0，34.5 和46.0 ms。

1.3.3 熱處理試驗

100mL 0.1g/L的梔子黃溶液分別放入30、50、70、80、90℃的水浴鍋中熱處理 30min，靜置，室溫冷卻180 min后測量。

1.3.4 pH值的選擇

不同pH值的梔子黃色素稀釋液，在溫度為13℃放置180 min后測量。

1.3.5 保留率計算方法

采用紫外分光光度法［11］測量梔子黃色素在440 nm處的吸光度值，從而表征梔子黃色素的保留率，計算方法如公式(1)所示。

其中:ω，色素保留率;A1，處理后溶液吸光度值;A0，初始溶液吸光度值。

1.3.6 色澤測定

參照國際照明委員會(international commission on illumination，簡稱CIE)推薦的CIE-L*a*b*表色系來表征色澤，用色差儀以透射模式對樣品進行測定［11］。

2 結果與討論

2.1 脈沖電場對梔子黃色素穩定性的影響

為了分析不同電脈沖條件對梔子黃色素穩定性的影響，分別從脈沖電場場強、時間、電導率三方面分析脈沖電場對梔子黃保留率和色澤的影響，其結果如圖2～圖4所示。

圖2 電導率為4.5μS/cm的電脈沖處理梔子黃溶液46 ms后場強對梔子黃色素保留率的影響

圖3 電導率為4.5 μS/cm經66.7 kV/cm電脈沖處理后脈沖時間對梔子黃保留率的影響

圖4 經場強為40 kV/cm電脈沖處理23 ms后脈沖處理時電導率對梔子黃保留率影響

從圖2可以看出，梔子黃色素溶液經不同電脈沖條件處理后保留率的變化很小，表現出電脈沖穩定。當場強不高于30 kV/cm時梔子黃保留率影響很小;當場強高于40 kV/cm，隨著脈沖場強的上升，梔子黃色素穩定性輕微下降。這可能是由于低于30 kV/cm的電脈沖能量還不能使得共軛結構破壞［17］。從圖3可以看出，66.7 kV/cm的電脈沖不同時間處理梔子黃溶液后，梔子黃色素保留率也只發生了輕微變化，并且保留率與電脈沖時間在0～46 ms內有良好的相關性(R2=0.994)。在圖4中，不同電導率的梔子黃溶液經相同電脈沖場強(40 kV/cm)處理23 ms后保留率與樣品電導率在5.0～112.5 μS/cm內基本線性相關，處理樣品電導率偏高，梔子黃色素保留率就會稍微降低。隨著脈沖電場時間的增加，和處理液電導率的升高，梔子黃色素的保留率反而降低，究其原因可能是由于電脈沖能量與電脈沖時間和樣品電導率成正比關系［9］，而能量越大，對梔子黃共軛結構破壞就越大。

2.2 熱處理溫度對梔子黃色素穩定性的影響

為了分析熱處理溫度對梔子黃色素穩定性的影響，測定了20～90℃下梔子黃色素的保留率，結果如圖5所示。

圖4 不同溫度條件下處理30 min后溫度對梔子黃保留率的影響

從圖5可以看出，隨著處理溫度的增高，梔子黃色素的保留率在80℃以下降低很緩慢，說明這種天然色素在80℃以下熱穩定性良好，受溫度影響較小。然而，即使在90℃的處理條件下，梔子黃色素的保留率仍可以達到92.2%，可見梔子黃色素對熱相對穩定。而在90℃溫度處理條件下，花青素的降解速率可以達到每分鐘 32.24 ×103［11］。

2.3 不同pH值對梔子黃色素穩定性的影響

為了分析pH值為2～12時保留率的變化情況，以電導率為4.5μS/cm經66.7kV/cm電脈沖處理64ms后得到脈沖最小保留率為97.1%對比，常溫時保留率設為1對照，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，不同的pH值對梔子黃色素的保留率影響較大，梔子黃色素在pH值為4.2～10.0的緩沖體系中受影響較小，但是在強酸、強堿中，保留率明顯降低。

圖6 pH值對梔子黃色素保留率的影響

2.4 脈沖電場處理對梔子黃色素色澤的影響

梔子黃溶液的色澤反應了梔子黃色素的著色情況［10］，也是分析梔子黃色素穩定性的重要指標，脈沖電場對梔子黃色素的色澤影響如表1～表3所示。

表1 電導率為4.5 μS/cm的電脈沖處理梔子黃溶液46 ms后場強對梔子黃色素色澤的影響

表2 電導率為4.5μS/cm經66.7 kV/cm電脈沖處理后脈沖時間對梔子黃色澤的影響

表3 經場強為40kV/cm電脈沖處理23ms后脈沖處理時電導率對梔子黃色澤影響

由表1～表3可以看出，脈沖處理樣品后，色澤L*值最大相差0.9，a*最大相差0.2，b*值最大相差2.3，所以PEF對梔子黃色澤的影響幾乎可以忽略不計。

2.5 熱處理對梔子黃色素色澤的影響

熱處理對梔子黃色素色澤的影響可見表4。

表4 純熱處理30 min溫度對梔子黃色素色澤影響研究

從表4可以看出，梔子黃色素色澤隨溫度的變化很小。低溫時幾乎看不出變化，但是溫度到達90℃時明亮度L*值稍微降低，a*和b*幾乎不變化。

2.6 pH值梔子黃色素色澤的影響

pH值對梔子黃色素色澤的影響可見表5。

表5 pH值變化對梔子黃色素色澤影響研究

由表5可以看出，在強酸強堿條件下放置180min后測得L*、a*、b*值變小，觀察到溶液顏色變淺，表現為梔子黃色素褪色。主要是因為藏花素、藏花酸中的共軛雙鍵易受親電試劑H、路易斯酸堿等破壞，最終形成σ鍵，不飽和烴逐漸變為飽和烴，色素溶液的吸收峰遷移［12］。所以梔子黃色素多應用于中性果汁飲料的著色。

3 結論

與熱處理和pH值的變化相比，脈沖電場對梔子黃色素穩定性和色澤影響很小。梔子黃天然色素經脈沖處理后很好的保留了色素的成分，避免了損失。不同的脈沖處理條件對梔子黃保留率有微弱影響。在果汁滅菌過程中，選擇較低的場強，較短的脈沖時間，能節約能耗，降低成本，保存食品風味和營養，保證天然色素良好的色澤和功效。

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Effect of Pulsed Electric Fields on Stability of Gardenia Yellow Pigment

Li Yun，Zeng Xin-an
(College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The effects of pulsed electric field(PEF)and pH as well as thermal treatment on the stability of gardenia yellow pigment were investigated in this paper.Results indicated that gardenia yellow pigment exhibited high resistance to intense PEF and thermal treatment.When the applied PEF treatment time was 64 ms，the reservation ratio of gardenia yellow pigment was 97.1%.This was slightly higher by 4.9%than the thermal treatment at 90℃ for 30 min.It was investigated that the gardenia yellow pigment was very sensitive in both strong acid and strong alkaline environments.

pulsed electric field(PEF)，gardenia yellow pigment，stability

碩士研究生(曾新安副教授為通訊作者，E-mail:xazeng@scut.edu.cn)。

*廣東省糖品綠色加工國際研發中心、廣東省科技計劃項目“安全加工中心”(2007B080401010)資助

2010－05－31，改回日期:2010－08－24