谷子秸稈中黃色素成分的初步鑒定及其穩定性研究

張春鳳，郝　林

（山西農業大學農學院，太谷山西　030801）

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谷子秸稈中黃色素成分的初步鑒定及其穩定性研究

張春鳳，*郝林

（山西農業大學農學院，太谷山西030801）

摘要：以谷子秸稈為原料，研究色素成分和不同外界因素對谷子秸稈中黃色素穩定性的影響。經紫外光譜掃描和顏色反應，該色素的最大吸收波長為444 nm，初步證明該色素為類胡蘿卜素類物質，可能含有α-胡蘿卜素- 5,6 -環氧化物。穩定性試驗表明，該色素具有一定的耐熱性和耐氧化性，耐光性較差；還原劑NaSO3對其有增色作用；該色素適合在中性或堿性條件下使用；可與蔗糖、氯化鈉等食品添加劑共同使用，但不能與檸檬酸和苯甲酸鈉共同使用；Cu2+對該色素有破壞作用，Fe3+有增色作用，K+，Ca2+和Mg2+對該色素基本無影響。

關鍵詞：谷子秸稈；黃色素；穩定性

0　引言

食品色素可分為天然色素和合成色素。天然色素是從動植物組織中提取、分離得到的，除具有著色能力外，有的本身就是一種營養素，具有一定的保健和藥理功能[1-3]。黃色素是一類重要的天然色素，占色素總需求量的60%，具有廣闊的應用前景[4-6]。山西省素有“小雜糧王國”之稱，其中谷子的種植面積較為廣泛。隨著人們生活水平的提高，焚燒秸稈成為農戶的首選，但會造成嚴重的環境污染。而谷物的種皮、秸稈或胚芽中含有大量的天然色素，這類色素大部分屬于類胡蘿卜素或花色素[7]。本研究從谷子秸稈中提取黃色素，提取后的濾渣經回收利用可用于養殖業飼料、草漿造紙等，不僅為農副產物的加工利用提供了途徑，而且為天然色素的開發做出了貢獻[8-9]。天然色素從生物體中提取出來后，因其脫離了原有的生理環境，以及在加工過程中遇到光、熱、酸、堿等因素的影響，導致其結構發生變化，進而影響其色澤。大多數天然色素的性質，如耐光性、耐酸堿性較差，溫度、常見食品添加劑和金屬離子等也可能對其造成不良的影響[10]。本試驗以張雜谷10號的秸稈為原料，以微波輔助乙醇提取法提取黃色素，研究不同外界因素及條件對黃色素穩定性的影響，這對其以后的生產和應用提供了理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

谷子秸稈（張雜谷10號），山西農業大學農作站提供；小米黃色素，自制；無水乙醇、蔗糖、檸檬酸、H2O2等，均為國產分析純。

UV WinLab V6型紫外可見分光光度計，珀金埃爾默儀器有限公司產品；JDG- 0.2型真空凍干試驗機，蘭州科近真空凍干技術有限公司產品；Starter 3100型pH計，奧豪斯儀器有限公司產品；722 G型可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司產品；HCP- 100型華晨高速多功能粉碎機，浙江省永康市金穗機械制造廠產品；TDL- 4型低速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠產品；HHS型電熱恒溫水浴鍋，上海博訊實業有限公司醫療設備廠產品。

1.2工藝流程

1.2.1提取工藝流程

原料→清洗→40℃熱風干燥→粉碎→過篩（60目）→微波輔助乙醇提取→抽濾→離心（4 000 r/min，10 min）→上清液→定容→母液。

1.2.2凍干工藝流程

提取所得上清液→純化→預凍→升華干燥→解析干燥→磚紅色絮狀粗提物。

1.3黃色素的提取

稱取一定量秸稈粉末，以微波輔助乙醇提取法的最佳工藝（乙醇體積分數72%，料液比1∶20，微波輻射功率320 W，微波輻射時間30 s，提取3次）進行提取。

1.4黃色素成分的鑒定

1.4.1最大吸收波長的確定

將母液稀釋至一定濃度（以吸光度大小為準），用紫外可見分光光度計在380～800 nm內進行光譜掃描，確定該色素在可見光范圍內的最大吸收波長[11]。

1.4.2顏色反應

各取0.050 0 g凍干小米黃色素和秸稈黃色素樣品，先分別加入5 mL CHCl3，配成色素試樣；再分別加入濃H2SO4或濃HCl，過濾，觀察2種色素溶液的顏色變化。

1.5黃色素保存率的計算

1.5.1黃色素保存率

式中：A1——色素溶液的初始吸光度；

A2——樣品經不同處理后的溶液吸光度。

1.6黃色素的穩定性研究

1.6.1黃色素的耐光性和耐熱性

式中：A0——色素溶液初始吸光度；

A——樣品經不同處理后的溶液吸光度。

1.5.2黃色素變化率

將相同質量濃度的母液分裝于50 mL透明容量瓶中，分別放于室內暗箱、室內自然光照和室外太陽光照處，靜置，每隔1 d于444 nm處測其吸光度，觀察其顏色變化并計算保存率。

將相同質量濃度的母液分別于20，40，60，80，100℃下恒溫避光水浴3 h，每隔30 min取樣，冷卻至室溫，于444 nm處測其吸光度，觀察其顏色變化并計算保存率。

1.6.2黃色素的耐氧化性和耐還原性

各取母液9 mL，分別加入1 mL 0.09% H2O2和0.48×103mg/L NaSO3，室溫避光放置2，24，48 h，于444 nm處測其吸光度，計算保存率。

1.6.3常見食品添加劑對黃色素穩定性的影響

各取母液9 mL，分別加入1 mL 5×103mg/L蔗糖溶液、5×103mg/L檸檬酸溶液、0.8×103mg/L苯甲酸鈉溶液和0.8×103mg/L氯化鈉溶液，室溫避光放置2，24，48 h，于444 nm處測其吸光度，計算保存率或變化率。

1.6.4常見金屬離子對黃色素穩定性的影響

各取母液9 mL，分別加入1 mL一定濃度KCl，CaCl2，CuSO4，MgSO4和FeCl3水溶液，配成最終金屬離子為1×10-3mol/L的色素溶液，室溫避光放置2，24，48 h，于444 nm處測其吸光度，計算保存率或變化率。

1.6.5pH值對黃色素穩定性的影響

各取最初pH值為7.92的母液，用0.1 mol/L NaOH和HCl溶液分別調pH值為3，5，7，9，11，13，室溫避光放置2 d，于444 nm處測其吸光度。

2　結果與分析

2.1最大吸收波長的確定

在380～800 nm波長內對谷子秸稈黃色素提取液進行光譜掃描，該色素在400～500 nm波長內有3個顯著吸收峰，符合類胡蘿卜素的特征吸收。該圖與小米黃色素[12]的光譜圖相似，初步說明秸稈黃色素與小米黃色素的化學成分相似，可能為類胡蘿卜素。

黃色素提取液的紫外可見吸收光譜見圖1，小米黃色素的紫外可見吸收光譜見圖2。

圖1　黃色素提取液的紫外可見吸收光譜

由圖1和圖2可知，秸稈黃色素的最大吸收波長為444 nm（Amax=0.61），與小米黃色素的最大吸收波長445 nm（Amax=0.520 6）非常接近，說明秸稈黃色素和小米黃色素具有相似的化學成分。

2.2顏色反應

色素的顏色反應見表1。

圖2　小米黃色素的紫外可見吸收光譜

表1　色素的顏色反應

由表1可知，該色素的氯仿溶液與濃HCl反應，溶液呈灰綠色，符合類胡蘿卜素的顏色反應，即類胡蘿卜素的氯仿溶液與濃HCl反應，若存在α-胡蘿卜素- 5,6 -環氧化物，則生成灰綠色。秸稈黃色素的氯仿溶液與濃H2SO4反應，溶液呈灰藍色，而小米黃色素氯仿溶液與濃H2SO4反應，溶液呈淺藍色。二者均符合類胡蘿卜素的顯色特征，因此可進一步認定秸稈黃色素與小米黃色素成分相似，均屬類胡蘿卜素。

2.3穩定性試驗結果

2.3.1光穩定性

光照條件對黃色素提取液吸光度的影響見圖3。

圖3　光照條件對黃色素提取液吸光度的影響

由圖3可知，隨放置時間延長，室內暗箱處色素溶液吸光度和顏色基本無變化；室內自然光照處吸光度呈緩慢下降趨勢，對比標準比色卡，顏色由金黃變為黃紅色；室外太陽光照處吸光度急劇下降后趨于平緩，顏色由金黃色變為金色，且稍有沉淀產生。放置9 d后，室內暗箱、室內自然光和室外太陽光照處色素溶液的保存率分別為96.5%，64.5%和17.8%，說明該色素的耐光性差，不宜在光照直射條件下存放。因此，在加工及運輸過程中應注意避光保存。

2.3.2熱穩定性

溫度對黃色素穩定性的影響見表2。

由表2可知，色素提取液于20，40℃下恒溫水浴3.0 h后，其吸光度基本無變化，保存率分別為99.3%和99.1%；60，80℃下恒溫水浴3.0 h后，其吸光度稍有下降，保存率均為95.7%；100℃下恒溫水浴3.0 h后，色素提取液吸光度明顯下降，其保存率為87.1%。對比標準比色卡，溶液顏色由金黃色變為金色，并出現白色渾濁物。說明該色素具有一定的耐熱性，但在使用過程中應避免過度高溫或長時間受熱，以不超過80℃為宜。

2.3.3氧化劑和還原劑對黃色素穩定性的影響

H2O2，NaSO3對黃色素穩定性的影響見圖4。

圖4　H2O2，NaSO3對黃色素穩定性的影響

由圖4可知，隨放置時間延長，該色素提取液在H2O2溶液中相對穩定，吸光度與初始值基本保持一致；而在NaSO3溶液中溶液吸光度先增加后降低，但始終高于初始值，48 h后色素溶液的吸光度增大了99.0%。說明氧化劑對該黃色素的影響不大，而還原劑影響較大，具有一定的增色作用。

2.3.4常見食品添加劑對黃色素穩定性的影響

常見食品添加劑對黃色素提取液吸光度的影響見圖5。

由圖5可知，與初始值相比，蔗糖和氯化鈉對該色素吸光度影響不大，48 h后保存率分別為97.1%和96.7%；檸檬酸對該色素影響較大，具有消色作用，保存率為90.7%；苯甲酸鈉對該色素影響也較大，具有增色作用，48 h后吸光度增大了6.1%。

2.3.5常見金屬離子對黃色素穩定性的影響

圖5　常見食品添加劑對黃色素提取液吸光度的影響

常見金屬離子對黃色素提取液吸光度的影響見圖6。

圖6　常見金屬離子對黃色素提取液吸光度的影響

由圖6可知，相同濃度金屬離子、不同時間下色素提取液的吸光度大小不同。Cu2+對該色素具有消色作用，48 h后色素提取液的保存率為66.1%，在加工運輸過程中應避免接觸和使用銅制品；Fe3+對該色素影響較大，有增色作用，48 h后其吸光度增大了56.2%；K+，Ca2+和Mg2+對該色素基本無影響。

2.3.6 pH值對黃色素穩定性的影響

不同pH值對黃色素提取液吸光度的影響見圖7。

圖7　不同pH值對黃色素提取液吸光度的影響

由圖7可知，隨pH值增大，該色素提取液的吸光度也增大。對比標準比色卡，溶液顏色變深，由黃色變為金黃色；反之，提取液吸光度隨pH值減小而減小，顏色變淺。說明該色素適合在中性和堿性條件下使用，而酸性條件對色素具有消色作用。

3　結論

紫外吸收圖譜及顏色反應試驗表明，該色素的紫外吸收可見光譜與類胡蘿卜素的特征吸收一致，且其最大吸收波長與小米黃色素的λmax非常接近，因此可初步認定秸稈黃色素與小米黃色素成分相似，且可能含有α-胡蘿卜素- 5,6 -環氧化物。

該色素耐光性較差，應注意避光保存；該色素具有一定的耐熱性，但在使用過程中應避免過度高溫或長時間受熱，以不超過80℃為宜。

H2O2對秸稈黃色素的影響不顯著；NaSO3對色素具有一定增色作用。

蔗糖和氯化鈉對該色素影響不大，該色素在食品加工過程中可以與蔗糖和氯化鈉一起使用；檸檬酸對該色素有消色作用，苯甲酸鈉有增色作用。

K+，Ca2+，Mg2+對該色素基本無影響；Cu2+對該色素具有消色作用；Fe3+對該色素具有增色作用，且隨時間的延長，增色作用增大。

該色素適合在中性和堿性條件下使用，而酸性條件對色素具有消色作用。

參考文獻：

［1］賀喜瑩.橘黃色素的微波輔助提取工藝及其HPLC分析和穩定性的研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2007.

［2］劉永，田林杰，連純儀.柚子黃油胞層黃色素穩定性的研究［J］.食品科技，2015，40（1）：96-98.

［3］Munawar N，Jamil H M T H. The islamic perspective approach on plant pigments as natural food colourants［J］. Procedia Social and Behavioral Sciences，2014，121：193-203.

［4］呼延曉穎，單磊，達超超，等.黃色素提取工藝的研究進展［J］.飲料工業，2011，14（2）：9-12.

［5］楊博媛，惠伯棣.梔子黃色素的生物學功能及安全性的研究進展［J］.中國食品添加劑，2013（4）：193-200.

［6］唐秋琳，趙海，戚天勝.天然食用黃色素研究進展［J］.中國食品添加劑，2006（2）：68-73.

［7］張丙華，張暉，朱科學.谷物色素研究進展［J］.糧食與食品工業，2009，16（4）：18-21.

［8］Blumberg J B. Consideration of the scientific substantiation for antioxidant vitamins and beta-carrotene in disease prevention［J］. Am J Clin Nutr，1995，62：1 521-1 526.

［9］Tang J，Mao R，Tung M A，et al. Gelling temperature，gel clarity and texture of gellan gels containing fructose or sucrose［J］. Carbohydrate Polymers，2001，44：197 -209.

［10］劉強.橘皮色素超聲波提取及特性研究［D］.吉林：吉林農業大學，2010.

［11］鄭君花，王修俊，王麗芳，等.姜黃色素的穩定化研究［J］.食品科技，2015，40（1）：287-291.

［12］王海棠，尹衛平，陽勇，等.小米黃色素的初步研究—化學成分及應用研究［J］.中國糧油學報，2004，19（3）：26-30.

Stability Study of Yellow Pigment in Millet Straw Extracted by Microwave- ethanol

ZHANG Chunfeng，*HAO Lin
（Agronomy College，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030801，China）

Abstract：The millet straw is treated as raw material to study the contents and influence of outside factors to the stability of its yellow pigment. According to the ultraviolet spectrum plot and response of the color，the maximum absorption wavelength of the yellow pigment is 444 nm. Preliminary evidences that the pigment is carotenoids，maybe including Alpha- carotene-5,6- epoxide. Stability test shows that the pigment has certain degree thermostability and oxidative resistance. However，its photostability and reducing resistance is poor. The reductant NaSO3has hyperchromic effect. The yellow pigment is suitable for using in neutral or alkalineconditions. It can be used jointly with cane sugar，sodium chloride and other food additives，but citric acid and natrium benzoicum. Cu2+will damage the yellow pigmengt，Fe3+can increase its yellow color，too. K+，Ca2+and Mg2+almost have no effects on it.

Key words：millet straw；yellow pigment；stability

*通訊作者：郝林（1957—），男，教授，博士生導師，研究方向為食品生物技術。

作者簡介：張春鳳（1990—），女，碩士，研究方向為旱作栽培與作物生態。

收稿日期：2016- 01- 14

文章編號：1671- 9646（2016）03b- 0048- 04

中圖分類號：TS207

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.03.040