紫甘藍花色苷的熱降解動力學研究

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(華北理工大學藥學院,河北唐山 063210)

人工合成色素雖然著色好且成本低,但有潛在毒副作用[1],而天然色素更安全健康,集著色、營養、保健等多種功能于一體?；ㄉ諡槎喾恿u基結構[2],對生物體脂質過氧化有顯著抑制作用,具有抗衰老、防治心血管疾病、抗菌消炎、抗腫瘤等作用[3-6],當前主要用于飲料、乳制品、烘焙食品及保健品中[7],是潛在價值巨大的多功能性天然色素,但在食品熱加工處理過程中易受溫度、pH、黃酮及抗壞血酸等多種因素影響[8-11],極不穩定,較易在存儲過程中發生降解,影響產品觀感及功用。

紫甘藍花色苷是從十字花科蕓薹屬紫色結球甘藍的外葉和葉球中提取分離得到的天然色素,廣泛應用于食品著色[12],此外還具有測定土壤中鐵和鋁含量[13]、開發染料敏化太陽能電池[14]等工業用途。紫甘藍在我國種植廣泛,具有產量高、適應性強等特點,黨婭等[15]以響應面法優化后紫甘藍花色苷提取量可達109.873 mg/g,提取成本相對較低,利于工業化生產。紫甘藍花色苷呈紫色,色澤鮮艷,但相關研究表明[16],紫甘藍花色苷含量隨溫度升高和時間延長而降低,且伴隨顏色的變化,影響品質,因而掌握其熱降解動力學規律,對紫甘藍花色苷的應用極為重要。本文就此深入探討溫度和pH對紫甘藍花色苷的熱穩定性和褐變反應的影響,進而建立紫甘藍花色苷熱降解動力學模型,為推廣應用提供理論支持。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

紫甘藍(BrassicaoleraceaL. var. capitata f. rubra)品種為早紅,產地為河北邯鄲,于2016年7月購自唐山市華盛超市;D-101大孔吸附樹脂西安藍曉科技新材料股份有限公司;無水乙醇分析純,天津市津東天正精細化學試劑廠;鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀、檸檬酸、檸檬酸鈉、醋酸、醋酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉均為分析純,天津市北方天醫化學試劑廠。

Lambda 35型紫外可見分光光度計美國PerkinElmer公司;RV 8型旋轉蒸發儀德國IKA公司;CCA-20型低溫冷卻水循環泵鞏義予華儀器有限公司;ICC control eco 18型恒溫器德國IKA公司;ZD-85型氣浴恒溫振蕩器常州榮華儀器制造有限公司;S220型多參數測量儀pH計梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司;AS10200T型超聲波清洗機天津奧特賽恩斯儀器有限公司;BT 125D型分析天平德國Sartorius公司。

1.2　實驗方法

1.2.1大孔吸附樹脂預處理參照文獻[17]方法,取適量D-101大孔吸附樹脂置于錐形瓶中,室溫下用無水乙醇浸泡24 h,然后用去離子水反復沖洗至無乙醇味。以1 mol/L鹽酸溶液浸泡上述樹脂8 h,去離子水反復沖洗至中性,最后用1 mol/L NaOH溶液浸泡樹脂8 h,去離子水反復沖洗至中性,抽濾后備用。

1.2.2紫甘藍花色苷提取與純化參照王忠博等[18]方法略加改動。取新鮮紫甘藍,切碎,以料液比為1∶10 (g∶mL)加入80%乙醇溶液,40 kHz超聲浸提1 h后過濾,取濾液于旋轉蒸發儀中,30 ℃水浴減壓蒸餾得濃縮液。稱取1 g預處理過的D-101大孔吸附樹脂于錐形瓶中,加入40 mL上述濃縮液后置于氣浴恒溫振蕩器中,在25 ℃下以120 r/min振蕩1 h吸附。之后將樹脂抽濾,用去離子水反復沖洗樹脂至濾液無色,再將樹脂置于80%乙醇溶液中,于氣浴恒溫振蕩器中,在30 ℃以120 r/min解吸1 h,抽濾并收集解吸液,濃縮后備用。

1.2.3紫甘藍花色苷最大吸收波長掃描在400～700 nm范圍內,將pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0的紫甘藍花色苷樣品液,于紫外可見分光光度計中進行光譜掃描并記錄數據,繪制曲線,確定最大吸收波長。

1.2.4紫甘藍花色苷熱穩定性研究取4份濃度為299.55 mg/L的花色苷溶液各25 mL置于旋蓋試管中,分別在50、60、70、80 ℃下恒溫水浴8 h,每隔1 h取樣1 mL測定其花色苷含量,研究溫度變化對花色苷熱穩定性的影響。

配制pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0的緩沖液各200 mL,于上述不同pH的緩沖溶液中各加入10 mL花色苷溶液,各取50 mL上述pH2.0的花色苷緩沖液于4個旋蓋試管中,分別在50、60、70、80 ℃條件下恒溫水浴8 h,每隔1 h取樣2.5 mL測定其在420、700 nm及最大吸收波長下的吸光度,其余pH體系同此法操作,研究pH變化對花色苷熱穩定性及褐變指數的影響。

1.2.5花色苷含量測定在最大吸收波長及700 nm下,測其在pH1.0的KCl-HCl緩沖液和pH4.5的醋酸鈉-醋酸緩沖液中吸光度值,以pH示差法[19]測其含量,計算公式如下。

A=(Amax-A700)pH1.0-(Amax-A700)pH4.5

式中:C為待測紫甘藍溶液中花色苷含量,mg/L;Mw為主要花色苷成分矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾質量,Mw=449.2 g/mol;DF為稀釋因子,此處為40;ε為花色苷的摩爾吸收系數,ε=26900 L/(mol·cm);L為1 cm的比色皿。

1.2.6降解動力學參數測定在最大吸收波長及420、700 nm下測定其吸光度值,以阿侖尼烏斯方程進行擬合[20]。以ln(Ct/C0)為縱坐標,時間t為橫坐標作圖,圖線經過原點,則斜率為-K,由K可得半衰期t1/2。將323、333、343、353 K時模型的熱降解反應常數K值取對數,以lnK對1/T作圖,則斜率為Ea/R,縱截距為lnK0,相關公式如下:

t1/2=-ln0.5×K-1

式中:C為花色苷終濃度,mg/L;C0為花色苷初始濃度,mg/L;K為熱降解反應常數,h-1;K0為方程常數,h-1;Ea為活化能,kJ/mol;T為反應溫度,K;R為氣體常數8.314 J/(mol·K)。

1.2.7褐變指數測定不同溫度及pH下紫甘藍花色苷的褐變指數[21]計算方式如下:

式中:BI為褐變指數,A420、A700為420、700 nm下的吸光度值,Amax為不同pH溶液中最大吸收波長下的吸光度值。

1.3　數據處理

實驗數據采用統計軟件Origin 8.6分析并進行線性回歸分析,計算相關系數R2,R2越接近1,表明線性關系越好。

2　結果與討論

2.1　花色苷在不同pH緩沖溶液中的最大吸收波長

在可見光400～700 nm范圍內,對不同pH的紫甘藍花色苷樣品液進行光譜掃描,如圖1所示,隨著pH的增大,紫甘藍花色苷吸收峰迅速降低。在pH2.0～6.0范圍內,花色苷最大吸收波長依次為527、533、537、546、552 nm,顏色由紫紅色變成淺紅色,說明花色苷在溶劑的親核攻擊下由紅色的2-苯基苯并吡喃陽離子結構變為無色的半縮醛結構[22],使得最大吸收波長隨之發生紅移。因此,在各pH的最大吸收波長下研究紫甘藍花色苷的熱降解動力學相關實驗,測定并計算花色苷的熱降解參數及褐變指數。

圖1　不同pH下紫甘藍花色苷吸收波長掃描曲線Fig.1　Visible absorption wavelength of anthocyanins from red cabbage at different pH

2.2　紫甘藍花色苷的熱穩定性及降解動力學

2.2.1熱處理溫度對紫甘藍花色苷含量的影響溫度對紫甘藍花色苷穩定性的影響如圖2所示。紫甘藍花色苷含量隨著時間延長呈明顯下降趨勢,在熱處理8 h后,50～80 ℃下的花色苷殘留率依次為81.92%、52.43%、33.52%、16.15%,表明溫度對紫甘藍花色苷的穩定性有極大影響,這一結果與在紅肉桃[23]、黑米糠[24]、瑪瑙櫻桃[25]、藍莓[26]中花色苷的熱穩定性研究相一致,即升溫會使花色苷降解量增大?；ㄉ盏臒岱€定性與糖基結構密切相關,其糖基化程度越大穩定性越高,高溫下花色苷結構C3位上的糖基丟失導致其對熱不穩定[27]。

圖2　不同溫度下花色苷含量隨時間的變化Fig.2　Changes of anthocyanins contents with time at different temperatures

2.2.2紫甘藍花色苷的降解動力學在50、60、70、80 ℃溫度下測得的紫甘藍花色苷含量,經阿侖尼烏斯公式計算擬合得圖3,各溫度下回歸曲線所得相關系數R2均大于0.99,表明其線性良好,符合一級反應動力學。此外,由曲線方程可得紫甘藍花色苷的熱降解反應常數K,據此求得熱降解參數如表1所示。隨溫度升高,熱降解反應常數K隨之增大,而半衰期t1/2隨之減小,即花色苷熱降解隨溫度升高而加快。

圖3　不同溫度下ln(C/C0)隨時間的變化Fig.3　Change of ln(C/C0)with time at different temperatures

表1　不同溫度下紫甘藍花色苷的熱降解參數Table 1　The thermal degradation kinetic parameters of anthocyanins from red cabbage at different temperatures

2.3　不同pH和溫度下紫甘藍花色苷的熱降解動力學研究

研究在50～80 ℃范圍內,不同pH緩沖溶液中紫甘藍花色苷熱降解的動力學過程,經擬合得到不同pH與溫度下紫甘藍花色苷的熱降解變化圖(圖4),后分析得到降解參數見表2。不同pH、不同熱處理溫度條件下,紫甘藍花色苷的ln(C/C0)與時間作圖,線性關系良好(R2>0.99),符合一級動力學。

表2　不同pH下的紫甘藍花色苷熱降解參數Table 2　The thermal degradation kinetic parameters of anthocyanins from red cabbage at different pH

圖4　不同pH與溫度下紫甘藍花色苷的熱降解Fig.4　Thermal degradation of anthocyanins from red cabbage at different pH and temperatures

在不同pH體系下,紫甘藍花色苷的熱降解速率均隨溫度升高而加快,其熱降解反應常數K隨之增大,半衰期t1/2隨之減小。當溫度為50 ℃時,各pH下的半衰期值依次為61.89、83.51、29.12、14.59、11.57 h,隨著溫度升高,當溫度達80 ℃時各pH下的半衰期值依次為15.40、18.15、8.25、6.29、4.43 h,說明pH2.0及pH3.0的穩定性優于pH4.0～6.0,且pH3.0穩定性最好。此外,體系活化能越高則穩定性越好,pH2.0～6.0體系的活化能Ea依次為42.30、45.31、38.85、26.83、31.20 kJ/mol,也說明在pH3.0時紫甘藍花色苷穩定性最好。與本結果相似,蔣新龍[28]在黑米花色苷中研究發現,高溫熱處理時,無論較低酸度(pH4.5)或是較高酸度(pH1.0),皆會加速花色苷熱降解,應控制pH在3.0為宜。石雙妮等[29]研究發現在溫度高于80 ℃時,紫薯花色苷在pH3.0的緩沖溶液中熱穩定性最好。紫甘藍花色苷的穩定性受pH的影響,究其原因,可能為紫甘藍花色苷在溶液中的黃烊鹽陽離子、醌型和甲醇假堿、查耳酮等結構形式隨著溫度升高及pH的增大而發生互變,在水合作用下使黃烊鹽陽離子結構的共軛體系被破壞,生成甲醇堿式,后環鏈異構為查耳酮及α-二酮,引起吸光度的降低,穩定性變差[30-32]。

2.4　紫甘藍花色苷的褐變指數

圖5　不同溫度和pH處理8 h對紫甘藍花色苷褐變指數的影響Fig.5　Effects of different temperatures and pH on browning index of anthocyanins from red cabbage after 8 h

pH的增大使花色苷的結構由吡喃陽離子(紅色)轉變為假堿式(無色)結構,引起最大吸收波長處吸光度的減小,最終由其查爾酮式的分解產生褐變,致使420 nm處吸光度的增加[33],可作為花色苷降解考察依據。不同溫度和pH條件下紫甘藍花色苷褐變指數的變化如圖5所示,相同pH條件下褐變指數隨溫度的升高而增大,如pH6.0時50～80 ℃的褐變指數依次為0.5654、0.6881、0.8393、1.5207。Cisse等[34]在玫瑰茄中同樣研究發現隨著溫度升高,其花色苷的褐變指數隨之增大且色澤變差。由圖6可知,在相同溫度條件下,熱處理時間越長褐變指數也越大,且相較而言,pH較低(pH2.0～4.0)的體系褐變指數小于較高(pH5.0～6.0)的體系,其中當pH3.0時褐變指數最低(最小值為0.3186,最大值為0.4034),pH6.0時褐變指數最高(最小值為0.4034,最大值為1.5207)。Sadilova等[35]鑒定矢車菊素-3-葡萄糖苷在pH1.0和pH3.5時的熱降解產物,發現僅在pH3.5時可檢測到中間產物查爾酮,認為可能是pH為1.0時查爾酮不穩定。查爾酮的分解產生褐變,就此推測可能是pH2.0時查爾酮穩定性不如pH3.0,使得pH3.0時的褐變指數低于pH2.0。

圖6　紫甘藍花色苷在80 ℃時不同pH下的褐變指數Fig.6　Browning index of anthocyanins from red cabbage at 80 ℃ and different pH

3　結論

紫甘藍花色苷對熱較不穩定,其含量隨著加熱時間的延長、溫度的升高而降低,在水溶液中熱降解反應活化能為55.09 kJ/mol。在實驗溫度(50～60 ℃)及pH(2.0～6.0)范圍內,紫甘藍花色苷的降解率ln(C/C0)與熱處理時間呈良好線性關系(R2>0.99),符合一級動力學方程。此外,花色苷的熱穩定性和褐變反應受溫度和pH共同影響,溫度小于70 ℃且pH低于4.0時穩定性較好,在較高溫度(80 ℃)條件下,pH為3.0時花色苷較其他pH條件下的降解速率低、半衰期長、褐變指數低,故而在較高溫度時,pH3.0條件下最穩定。

因此,在實際生產及應用過程中,需盡可能使溫度低于70 ℃或者控制pH在3.0左右以使其穩定性增強。

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