黑果枸杞花青素在水相體系中的穩定性研究

陳 虎,葉 英,秦艷婷,劉薈萃,劉成成,王樹林

(青海大學農牧學院動科系,青海西寧 810016)

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黑果枸杞花青素在水相體系中的穩定性研究

陳 虎,葉 英,秦艷婷,劉薈萃,劉成成,王樹林*

(青海大學農牧學院動科系,青海西寧 810016)

以黑果枸杞水提液中花青素保存率為指標,研究黑果枸杞花青素氧化變化規律及幾種抗氧化劑提高穩定性的方法。結果顯示:黑果枸杞花青素的熱降解符合一級反應動力學模型;維生素C、迷迭香、茶多酚及木糖醇對水溶液中花青素具有一定保護作用,可防止水相體系中花青素的氧化,單一使用時有效的質量百分比分別為:0.1%、0.4%、0.3%、6%,保存率分別達到89.0%、87.8%、91.0% 和56.0%;花青素在較低溫度(20 ℃),酸性(pH3.0)條件下較穩定;采用微波殺菌時(850 W,5 min),花青素保存率為67.6%,高于其他殺菌方式,微波殺菌對黑枸杞水相體系中的花青素破壞程度最小。

黑果枸杞,花青素,水相體系,穩定性

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr)為茄科(SolanacEae)枸杞屬(LyciumL.)植物,主要分布于我國西北地區[1-2]。黑枸杞含有大量的原花青素、花青素、多糖、維生素等營養成分,具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤及清除自由基等功能[3],同時它也是民族醫藥中的常用藥材,藏醫以其成熟的果實入藥,可治療心熱病、心臟病、月經不調、停經等病癥[4]。

黑果枸杞花青素(Anthocyanidin)含量豐富?；ㄇ嗨胤肿又写嬖诟叨确肿庸曹楏w系,具有較高活性,但也有很強的不穩定性,如光、熱等外界因素都易導致其損失,不同加工處理方法及儲存條件對花青素含量亦有明顯影響[5]。

熱加工不僅易導致花青素的降解,而且可能引起花青素單體聚合、氧化,導致褐變,致使天然藍紫色消失,失去黑果枸杞天然顏色的特征,這種現象在產品(尤其果汁)中是最不期望發生的。因此,在加工和貯藏過程中花青素的穩定性成為影響該類產品品質的主要因素。本文系統研究了黑果枸杞花青素在水相體系中的氧化變化規律及穩定性,并對提高穩定性的方法進行了探討,以期為黑果枸杞液態產品開發提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑果枸杞 青海省格爾木市;無水乙醇(AR,W%≥99.7%),鹽酸(36.0%～38.0%)及氯化鉀(AR,W≥99.5%) 天津市富宇精細化工有限公司;檸檬酸(AR,W≥99.8%) 天津市河東區紅巖試劑廠;檸檬酸鈉(AR,W≥99.0%)及氫氧化鈉(AR,W≥96.0%) 天津恒興化學試劑制造有限公司;迷迭香(W≥99.0%) 河南天辰生物科技有限公司,茶多酚(W≥98.0%,) 鄭州市貝斯特食品工業有限公司;木糖醇 浙江華康藥業股份有限公司;L-抗壞血酸(AR,W≥99.7%) 上海廣諾化學科技有限公司。

STP FA1004電子天平 諸暨市超澤衡器設備有限公司;RE-2000B真空抽濾機 上海亞榮生化儀器廠;電熱恒溫水槽 上海比朗儀器有限公司;WDP-450電熱恒溫培養箱 上海安亭科學儀器有限公司;UV-2600紫外可見分光光度計 島津企業管理有限公司;PHSJ-3FpH計 上海雷磁;LDZM-60KCS立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑果枸杞花青素濃度的測定及保存率計算 采用分光光度法[6-7],用Greey公式計算出花青素的光密度值,計算含量[8-10]。在錐形瓶中加入1 g黑果枸杞粉,加入100 mL蒸餾水,搖勻,在不同處理條件下進行處理,并靜置30 min,然后用真空過濾裝置抽濾得到黑枸杞水提液,進行密封保存。取10 mL黑果枸杞水提取液樣品于試管中,加10 mL 0.1 mol·L-1鹽酸乙醇溶液,在60 ℃水浴中浸提30 min后,將試管內的上清液過濾轉入到100 mL容量瓶中,剩下的濾渣中加入5 mL的鹽酸乙醇溶液,繼續在60 ℃水浴中浸提15 min,然后把試管內上清液轉入100 mL容量瓶中,濾渣中加5 mL鹽酸乙醇溶液,在60 ℃水浴中浸提15 min,最后將試管內的上清液倒入100 mL容量瓶,濾渣用鹽酸乙醇溶液沖洗2～3遍,過濾,并將濾液倒入容量瓶內,最后用鹽酸乙醇溶液定容到100 mL。

以0.1 mol·L-1的鹽酸乙醇溶液做參比液,用分光光度計測定提取液在530、620、650 nm波長下的吸光值。

花青素含量及保存率計算

花青素光密度值:ODλ=(OD530-OD620)-0.1(OD650-OD620)

花青素含量(nmol/g)=ODλ/ε×V/m×1000000

式中:ODλ:花青素在530 nm波長下的光密度;ε:花青素摩爾消光系數4.62×104;V:提取液總體積(mL);m:取樣質量(g);1000000:計算結果換算成nmol的倍數。

花青素保存率(%)=ρ/ρ0×100

式中:ρ為處理后花青素濃度(nmol/g),ρ0為處理前花青素濃度(nmol/g)。

1.2.2 黑果枸杞花青素的熱降解動力學研究 食品中絕大多數成分降解反應的動力學模型基本上符合零級或一級動力學反應模型[11-12],根據相關數學模型計算反應級數、降解半衰期、反應的速率常數k及反應活化能Ea。

1.2.3 黑果枸杞花青素在水相體系中的穩定性實驗

1.2.3.1 溫度對花青素穩定性影響的實驗 取 5個錐形瓶,在每個錐形瓶中加入1 g黑果枸杞粉,加入100 mL蒸餾水,搖勻,靜置30 min 抽濾,濾液密封,分別置于 20、40、60、80、100 ℃恒溫水浴鍋中加熱,每隔 2.0 h 吸取10.0 mL,測定吸光值,平行測定2次取平均值,計算花青素濃度及保存率,并進行熱降解動力學模型及相應參數計算。

1.2.3.2 pH對花青素穩定性影響的實驗 在1 g黑果枸杞粉中加入100 mL 用檸檬酸及檸檬酸鈉緩沖液調整pH為3、4、5、6、7的蒸餾水搖勻,抽濾,濾液密封存放于30 ℃恒溫箱。測初始吸光值及保存48 h時的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。儲存時間對花青素穩定性影響的實驗在1 g黑果枸杞粉中加入100 mL蒸餾水,搖勻,抽濾,濾液密封存,放置于常溫下。每隔24 h取樣,測定吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。

1.2.3.3 殺菌方式對花青素穩定性影響的實驗 取4份1 g黑果枸杞粉,分別加入100 mL蒸餾水,搖勻,抽濾。采用水浴鍋進行巴氏殺菌(72 ℃,30 min)和煮沸殺菌(93 ℃,15 min),用微波爐進行微波殺菌(850 W,5 min),采用高壓滅菌鍋進行高壓蒸汽滅菌(121 ℃,5 min)。測定處理前后的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素濃度及保存率。

1.2.4 木糖醇及抗氧化劑對花青素穩定性影響的實驗

1.2.4.1 木糖醇對花青素穩定性影響的實驗 取6份1 g黑果枸杞粉樣品,分別加100 mL蒸餾水,再分別加入0、2%、4%、6%、8%和10%的木糖醇,搖勻,抽濾,濾液密封存放于30 ℃恒溫箱。測定初始吸光度值以及保存48 h的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。

1.2.4.2 抗壞血酸對花青素穩定性影響的實驗 取6份1 g黑果枸杞粉,分別加100 mL蒸餾水,再分別加入0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的抗壞血酸,搖勻,抽濾,濾液密封存放于30 ℃恒溫箱。測定初始吸光度值以及保存48 h的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。

1.2.4.3 茶多酚對花青素穩定性影響的實驗 茶多酚是一種抗氧化性較強的天然抗氧化劑,可以用于液態食品防止活性成分的降解。在7份1 g黑果枸杞粉中分別加入100 mL蒸餾水,再分別加入0、0.06%、0.12%、0.18%、0.24%、0.30%和0.36%的茶多酚,搖勻,抽濾,濾液密封存放于30 ℃恒溫箱。測定初始吸光度值以及保存48 h的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。

1.2.4.4 迷迭香對花青素穩定性影響的實驗 迷迭香是一種新型的植物提取物抗氧化劑,在水溶性和脂溶性產品中都可以應用。在7個錐形瓶中加入1 g黑果枸杞粉,分別加入0、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%、0.40%和0.48%的迷迭香,加100 mL蒸餾水,搖勻,抽濾,濾液密封存放于30 ℃恒溫箱。測定初始吸光度值和保存48 h的吸光度值,平行測定2次取平均值,計算花青素質量濃度及保存率。

2 結果與分析

2.1 黑果枸杞花青素熱降解動力學模型研究結果

2.1.1 反應級數(n)確定 為了排除因傳熱引起的誤差,分別以20、40、60、80 ℃ 條件下花青素水浴2.0 h的含量為起始值,以花青素含量保存率對數的負值-ln(ρt/ρ0)對加熱時間t 作圖,結果如圖1所示。進行線性回歸分析,得回歸方程和決定系數,20、40、60、80 ℃條件下決定系數R2分別為0.9216、0.9458、0.988和0.9993,可知-ln(ρt/ρ0)和t成明顯線性關系。由公式lnρ1=-kt+lnρ0可知其反應級數為1,即黑果枸杞花青素的熱降解符合一級反應模型。

圖1 熱處理過程中加熱時間與-ln(ρt/ρ0)的關系Fig.1 Relationships between heating time and-ln(ρt/ρ0)

2.1.2 黑果枸杞花青素熱降解動力學參數的確定 由公式lnρ1=-kt+lnρ0及圖1可知,花青素保存率對數的負值-ln(ρ1/ρ0)對加熱時間t作圖所得直線的斜率即為該溫度時的熱降解反應常數k。根據不同溫度時的k值,以 lnk對1/T作線性回歸,由公式k=k0exp(-Ea/RT)可得,直線的斜率為-Ea/R,截距為lnk0,由直線的斜率和截距即可求出活化能Ea和方程常數k0,具體參數如表1所示。

表1 黑果枸杞花青素降解動力學參數

Table 1 Kinetic parameters of thermal degradation of anthocyanidin

溫度(℃)反應速率常數(k)活化能Ea(kJ/mol)方程常數(k0)2000274000516600173780015262484275×10-2

將活化能Ea=24.84kJ/mol、反應常數k0=2.75×10-2、R=8.314J/(mol·K)帶入計算得到黑果枸杞花青素熱降解的預測模型:t=(lnρ0-lnρ1)/(0.0275×exp(-2987.73/T))。

2.1.4 動力學模型的驗證 應用動力學模型分別預測在25 ℃和35 ℃條件下黑果枸杞花青素的半衰期,分別為20.88h和15.44h。將質量濃度為1.06nmol/g的黑果枸杞花青素溶液在以上溫度條件下保存,在第21h和第15h測定其花青素質量濃度,分別為0.53、0.55nmol/g,接近初始值的一半,表明動力學降解方程預測值和實際測定值符合,所得動力學模型有效。

2.2 影響水相體系中花青素穩定性單因素實驗結果

2.2.1 溫度對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖2可以看出,溫度越低,樣品中花青素的保存率越高,在溫度為60、80、100 ℃時,提取液中黑果枸杞花青素保存率隨時間延長下降明顯,在20 ℃和40 ℃時,黑果枸杞色素變化量不太明顯。

圖2 溫度對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.2 Effect of temperature on the stability of anthocyanidin in aqueous system

本次測定結果顯示溫度60 ℃時,降解量最大,保存率最小;在80 ℃時,水提液中花青素的保存率高于60 ℃的保存率。這可能的原因是花青素是原花青素氧化產物,隨著溫度升高,水提液中原花青素的氧化加劇,有部分原花青素轉化為花青素,使樣品中花青素質量濃度增加。

圖3 pH對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.3 Effect of pH on the stability ofanthocyanidin in aqueous system

2.2.2 pH對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖6可以看出,隨著pH的增大,花青素的保存率降低。在實驗范圍內,提取液pH為3.0時,花青素的保存率最高。在飲料等液態產品生產中,酸堿環境會明顯影響花青素的穩定性[11]。

2.2.3 保存時間對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖4可以看出,在放置的第1 d,水相體系中花青素保存率變化最大,隨后幾天內保存率變化不明顯,在第4 d時,花青素變化逐漸趨于穩定,因此,在放置初期水相體系中的黑果枸杞花青素減少量最多,因此在產品加工過程中,需要做好初期黑果枸杞花青素抗氧化處理,可采取添加適宜的抗氧化劑、避光及隔氧等措施。

圖4 保存時間對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.4 Effect of storage time on the stability of anthocyanidin in aqueous system

2.2.4 滅菌方式對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖5可以看出,微波殺菌與其他滅菌方式相比較,水提液花青素保存率較高(p<0.05)。采用微波滅菌時,黑果枸杞花青素在水相體系中的保存率最高,可達到67.6%,而高壓滅菌的保存率最低,說明在微波滅菌時,對花青素的破壞程度最低。實際生產中,在條件允許的情況下,也應該盡量采用微波滅菌。

圖5 滅菌方式對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.5 Effects of sterilization methodson the stability of anthocyanidin in aqueous system

2.2.5 抗氧化劑及木糖醇對水相體系中花青素穩定性影響的實驗結果

2.2.5.1 木糖醇對花青素穩定性的影響 由圖6可以看出,木糖醇添加量對水提液花青素保存率具有顯著影響(p<0.05)。在室溫下放置48 h后,不含木糖醇的溶液花青素相對保存率為52.25%,當木糖醇質量百分比為10%時,提取液中花青素相對保存率為46.63%,低于不含木糖醇的花青素溶液,但是,當木糖醇質量百分比為2%、4%、6%、8%時,花青素保存率均高于對照組(p<0.05),最高可達到56.0%,說明一定含量的木糖醇對黑果枸杞具有一定的護色作用,但木糖醇質量百分比達到10%時,花青素的保存率反而降低。研究表明蔗糖能抑制花色苷的降解[11],本研究中一定濃度的木糖醇對水相體系中的花青素也有一定的保護作用,這種保護作用可能與木糖醇豐富的羥基結構有關。但木糖醇濃度與花青素降解之間的量效關系及機理需要進一步研究。

圖6 木糖醇對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.6 Effect of xylitol on anthocyanidin stability in aqueous system

2.2.5.2 抗壞血酸對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖7可以看出,抗壞血酸添加量對水提液花青素保存率具有明顯影響(p<0.05)。在室溫下放置48 h后,不含抗壞血酸的溶液花青素相對保存率為50.94%,當抗壞血酸的質量百分比為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時,花青素相對保存率高于不含抗壞血酸的提取液,抗壞血酸質量百分比為0.1%時,色素保存率為89.0%。其他研究結果顯示抗壞血酸對花青素具有保護作用[14],此次的研究結果與大多數研究者的結論一致。

圖7 抗壞血酸對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.7 Effect of ascorbic acid on the stability of anthocyanidin in aqueous system

2.2.5.3 茶多酚對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖8可以看出,茶多酚添加量對水提液花青素保存率具有明顯影響(p<0.05)。在室溫條件下放置48 h后,不含茶多酚的溶液色素相對保存率為51.55%,當茶多酚的質量百分比為0.06%、0.12%、0.18%、0.24%、0.3%、0.36%時,提取液中花青素相對保存率高于不含茶多酚的提取液,但茶多酚質量百分比超過0.12%時,茶多酚在體系中質量百分比的增加并沒有明顯提高花青素的保存率,茶多酚的保存率甚至出現了波動。說明茶多酚在一定劑量范圍內可增加花青素的穩定性。提取液中茶多酚質量百分比為0.12%時,黑果枸杞色素保存率可達到91.0%。

圖8 茶多酚對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.8 Effects of tea polyphenols on the stability of anthocyanidin in aqueous system

2.2.5.4 迷迭香對水相體系中花青素穩定性的影響 由圖9可以看出,不同迷迭香添加量對水提液花青素保存率具有明顯影響(p<0.05)。在室溫條件下放置48 h后,不含迷迭香的溶液色素相對保存率為53.75%,當迷迭香的質量百分比達到0.08%、0.16%、0.24%、32%,0.4%、0.48%時,提取液花青素相對保存率高于不含迷迭香的提取液,說明迷迭香對花青素具有一定的護色作用。在迷迭香質量百分比為0.4%時,黑果枸杞色素保存率最高,可達到87.8%。

圖9 迷迭香對水相體系中花青素穩定性的影響Fig.9 Effect of rosemary on the stability of anthocyanidin in aqueous system

3 結論

黑果枸杞花青素的熱降解符合一級反應模型;采用微波滅菌對花青素的破壞程度最低;使用抗壞血酸,迷迭香,茶多酚和木糖醇可防止水相體系花青素氧化。單一使用時有效的質量百分比分別為0.1%、0.4%、0.12%、6%,保存率分別可達到89.0%、

87.8%、91.0%和56.0%;花青素在較低溫度(20 ℃),酸性(pH3.0)條件下較穩定;采用微波滅菌時(850 W,5 min),花青素保存率為67.6%,高于其他殺菌方式,微波殺菌對黑枸杞水相體系中的花青素破壞程度最小。

[1]林麗,張裴斯,晉玲,等. 黑果枸杞的研究進展[J]. 中國藥房,2013,24(47):4493-4496.

[2]李進,瞿偉菁,張素軍,等. 黑果枸杞色素的抗氧化活性研究[J].中國中藥雜志,2006,31(14):1179-1183.

[3]段雅彬,姚星辰,朱俊博,等. 藏藥黑果枸杞中總花色苷與原花青素的含量測定[J]. 時珍國醫國藥 2015,26(7):1629-1630.

[4]帝瑪爾·丹增彭措. 晶珠本草[M]. 成都:四川科學技術出版社,1986:438.

[5]楊琴,袁濤,孫湘濱. 不同保存方法對牡丹花瓣中花青素和黃酮含量的影響[J]. 食品工業科技,2015,36(17):90-95.

[6]Aandrew P,Michael G M. Changes in Anthocyanin and phenolics content of grapevine leaf and fruit tissues treated with sucrose,nitrate,and abscisic acid[J]. Plant physiol,1976,58:468-469.

[7]林耀盛,劉學銘,楊榮玲,等. 桑椹片中多酚及花青素含量的測定[J]. 現代食品科技. 2013,29(4):890-893. 157-160.

[8]賴呈純,范麗華,黃賢貴,等. 刺葡萄幼胚愈傷組織誘導及其高產原花青素細胞系篩選[J].植物生理學報. 2014,50(11):1683-1691

[9]胡甦. 三角紫葉酢漿草葉色變異株系的組織培養與RAPD和ISSR標記鑒定[D]. 雅安:四川農業大學,2010:14-15

[10]Fuleki T,Francis F J. Quantitative methods for anthocyanins.I. Extraction and determination of total anthocyanins in cranberries[J].Journals of Food Science,1968,33:72-77.

[11]樊金玲,朱文學,鞏衛東,等. 蔗糖含量對牡丹花色苷熱穩定性和降解動力學的影響[J]. 食品科學,2010,31(3):74-78.

[12]高愿軍,郝莉花,張鑫,等. 獼猴桃汁維生素降解動力學的研究[J]. 農業工程學報,2006,22(5):157-160.

[13]李韜,張宏宇,呂玉璋. 花色苷類色素的研究進展[J]. 農業科技與裝備,2010,5:23-26.

[14]李月,陳錦屏. 石榴果汁花青素的穩定性及其護色工藝研究[J]. 食品工業科技. 2004,25(12):2-3.

Research of stability of anthocyanidins fromlyciumruthenicummurr in the aqueous system

CHEN Hu,YE Ying,QIN Yan-ting,LIU Hui-cui,LIU Cheng-cheng,WANG Shu-lin*

(Agriculture and Animal Husbandry College of Qinghai University,Xining 810016,China)

WithpreservationrateofanthocyanidinsinwaterextractionliquidfromLycium ruthenicumMurrasindex,thelawofoxidationwerestudied,andthewayofimprovementonstabilityoftheanthocyanidinswerestudiedusingxylitolandantioxidantssuchasVC,rosmarinusofficinalandteapolyphenols.Thedynamicequationoftime-temperatureaboutanthocyanidinsfromlycium ruthenicummurrinaqueoussystemwascalculated,andtheresultsshoweditwasfirstorderreactionkineticsmodel.ThexylitolandantioxidantssuchasVC,rosmarinusofficinalandteapolyphenolscaneffectivelyprotecttheanthocyanidinsfromoxidationinaqueoussystemwhenitsmasspercentwas6%,0.1%,0.4%and0.3%,respectively.Preservationratewas56.0%,89.0%,87.8%and91.0%correspondingtoxylitolandthreeantioxidants.Theanthocyanidinshadhigherstabilizationunder20 ℃,pH3.0thanotherconditions.Therewashigherpreservationrateofanthocyanidinsundermicrowavesterilization(850W,5min)thanotherwayofsterilization,whichwas67.6%.Therewaslessdestructionofanthocyanidinsusingmicrowavesterilizationthanotherways.

lycium ruthenicummurr;anthocyanididins;aqueoussystem;stability

2016-03-18

陳虎(1991-)，男，碩士，研究方向：特色食品資源開發，E-mail:819791934@qq.com。

*通訊作者:王樹林(1970-)， 男，博士，教授，研究方向：青藏高原特色食品資源開發，E-mail：wangsl1970@163.com。

青海省科技廳高新技術研究與發展計劃(2015-GX-201A)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)19-0127-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.016