多條件在線光度法測定桑葚色素穩定性

張凱龍，倪貌貌，顧 瑋，宋亞萍，郭 斌，汪財生

（1 浙江萬里學院生物與環境學院 浙江寧波315100 2 寧波鄞州中銘農業科技有限公司 浙江寧波315100）

天然色素具有安全性高、營養豐富、色調自然等優點，在消費市場具有極高的認可度[1-2]，目前已建立多種色素檢測分析方法[3-4]。桑葚富含花色苷類化合物，色彩鮮艷，色價高，以其為原料提取的色素，可廣泛應用于高端食品、日用品、化妝品和藥品等領域。近年來的研究表明天然色素具有一定的生理活性[5-10]，具有巨大的開發利用潛力。

桑葚成熟期氣溫高，成熟集中、果期短，采摘不便，貯存困難，易造成巨大浪費和環境污染。開展桑葚色素高值化利用研究，拓展利用途徑，提高產品附加值，對促進農業增收具有重要意義。目前，關于桑葚色素熱穩定性的研究較多，但結果差異較大。光、包裝材料、氧化劑及添加劑等對桑葚色素穩定性影響的研究較少，且普遍使用定性描述，因此建立桑葚色素穩定性準確、全面的定量描述極為必要[11-13]。

目前，天然色素穩定性研究中多采用單條件控制、手動離散取樣測定方案，勞動強度大，樣品容易受到污染，測定準確性較差，不便于考察多種條件如溫度、光照、pH 值、氧化、添加劑等對穩定性的影響[14-17]。本研究開發了一種多條件控制在線光度法實時動力學測定裝置，基于該裝置采用初始動力學方法測定桑葚色素穩定性。本研究結果為桑葚色素開發利用提供技術支持，為天然色素穩定性研究提供新的測試方法。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

甲酸、氫氧化鈉、乙酸、三水乙酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、過氧化氫、維生素C（分析純級），國藥集團化學試劑有限公司。

桑葚由寧波鄞州中銘農業科技有限公司提供，成熟果實，外觀呈紫黑色。

1.2 設備與儀器

SCIENTZ-18N 型冷凍干燥機，寧波新芝生物科技股份有限公司；GX-3020 型恒溫循環器，寧波海曙億恒儀器有限公司；DC-1006 型低溫恒溫槽，寧波天恒儀器廠；FE20 型pH 計，梅特勒-托利多集團；78-1 型磁力攪拌器，金壇大地自動化儀器廠；Model 910-0025 型蠕動泵，賽默飛世爾公司；5 W 紫外燈（主波長254 nm），廣東雪萊特光電科技有限公司；ULTRA-VITALUX 型日光模擬燈（標識功率300 W，其中波長315～400 nm 的輻射功率13.6 W，波長280～315 nm 的輻射功率3.0 W），歐司朗（中國）照明有限公司；400 μL 流動比色皿，宜興市譜析光學元件有限公司；UV3200PCS 型紫外-可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；2 mm 厚石英玻璃、2 mm 厚光學玻璃、1 mm 厚棕色光學玻璃，宜興市譜析光學元件有限公司；0.15 mm 厚PET 平板，剪裁于市售大包裝農夫山泉純凈水瓶平坦部分。

1.3 試驗方法

反應器有效容積100 mL，連接管路長度約60 cm，連接管內徑1.6 mm，管路及流動比色皿體積約1.6 mL。

桑葚果肉水提液過大孔樹脂，合并色素洗脫液冷凍干燥，所得粉末為桑葚色素混合物，以緩沖溶液配制桑葚色素儲備液。

移取一定量桑葚色素溶液加入反應器，設置控制條件，采集吸光度數據，采樣間隔1 min，總時長5 h。桑葚色素降解反應速率常數較低，5 h 測定為其初始動力學數據。

2 結果與分析

2.1 多條件在線光度法動力學數據采集裝置

如圖1所示，裝置主要由7 部分組成。反應器為具有色素溶液流入流出接口的夾層燒杯，夾層通入恒溫循環水保持體系溫度穩定。反應器下方設置有磁力攪拌器，上方設置有光線阻隔材料平板，平板上方為外置光源，反應器內筒中色素溶液在蠕動泵驅動下流經流動比色皿-分光光度計檢測器測定后流回循環。

圖1 多條件在線光度法動力學試驗裝置Fig.1 Multi-conditions controlled online spectrophotometry experimental device for kinetics study

裝置管道及比色皿存在一定“死體積”，對反應器內樣品施加實時“非全體性”影響時（如光照），理論上存在微小延遲，通過延遲動力學方程可予以消除，-dcp/d（t-τ）=kAmP，τ為“死體積”對應延遲時間（h）。當反應速率常數較低、“死體積”遠小于反應器容積、蠕動泵快速循環時，流動比色皿內溶液和反應器內溶液視為等效。

試驗裝置適用于慢速液體均相動力學過程初始、全程實時數據自動在線采集。測定天然色素褪色動力學時，向反應器內加入色素溶液，設置循環水溫度、pH 值、外置光源、光線阻隔材料平板、添加物種類和濃度等一種或多種條件組合，開啟攪拌和蠕動泵，分光光度計設置為動力學模式，檢測波長為色素溶液最大吸收波長，設置采樣間隔，采集數據。

溫度20℃，以去離子水為參比，在反應器內加入去離子水循環1 h，吸光度最大差值ΔAmax=0.0021，表明試驗裝置及測量系統噪音極低，具有良好的穩定性。

2.2 桑葚色素酸堿穩定性

桑葚色素用pH 值為3，4，5，6，7，8 的緩沖溶液稀釋，在波長400～800 nm 范圍內進行掃描，結果如圖2所示，溶液顏色如插圖所示，pH 值對桑葚色素顏色影響明顯。pH 值為3 時溶液中桑葚色素呈現純正紅色，鮮艷濃厚，適用于食品、藥品、化妝品等產品調色，是桑葚色素最佳酸堿環境，最大吸收波長514 nm。pH 值從3 增大為8 時，對應最大吸收波長紅移，紅色變淺并逐漸轉變為暗紅色、紅棕色，顏色劣化，感官評價變差。

圖2 不同pH 值桑葚色素顏色Fig.2 Color of mulberry pigments at different pH value

pH 值為3 時，以吸光度A0=0.968 的桑葚色素溶液為儲備液，分別移取0.05，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8 份儲備液稀釋到1 份，吸收光譜無變化，稀釋曲線線性良好，如圖3所示。色素降解過程中在波長514 nm 處監測吸光度的變化。

圖3 pH 值為3 時桑葚色素溶液稀釋曲線Fig.3 Dilution curve of mulberry pigment at pH 3

2.3 桑葚色素熱穩定性

在室內自然光照，pH 值為3，反應體系溫度分別為20～80℃，吸光度變化如圖4a所示。由圖4a 可知，20～50℃吸光度下降緩慢，20℃時桑葚色素吸光度5 h 僅降低0.004，主要為系統噪音貢獻，60℃開始吸光度降速增加，并隨溫度升高加劇。對圖4a 吸光度變化進行一次動力學擬合，結果如圖4b所示，擬合反應速率常數及相關系數見圖4a 插表，20℃時吸光度變化過小，因噪音掩蓋失真，相關系數低，僅作為參考。30℃反應速率常數k30℃=0.0023 h-1，半衰期τ30℃=301.4 h，80℃反應速率常數k80℃=0.0492 h-1，半衰期τ80℃=14.1 h，表明桑葚色素對溫度敏感，20℃及以下溫度冷藏能長期保持顏色穩定，溫度過高會加速花色苷破壞。

對不同溫度反應速率常數按照阿倫尼烏斯方程ln（k）=lnA-Ea/（RT）擬合，如圖4b 插圖所示，表觀活化能Ea=60.2 kJ/mol，較大的活化能表明桑葚色素降解較為緩慢。溫度對色素穩定性影響體現在2 方面：一方面溫度會影響氧化、還原、光解過程反應速率常數，另一方面升高溫度使花色苷分子自身熱分解更加顯著。因此，溫度對于色素穩定性極為關鍵，在生產、貯存、運輸、貨架等環節注意保持低溫。

圖4 桑葚色素熱穩定性Fig.4 Thermal stability of mulberry pigments

2.4 桑葚色素光穩定性

20℃條件下，反應器加蓋石英玻璃片，分別在距液面30 cm 和10 cm 處設置日光模擬燈和紫外燈，吸光度變化如圖5所示，一級動力學擬合見圖5內插圖、表。日光模擬燈功率較大，然而燈光呈錐狀發散從而僅有部分投射到色素液面；紫外燈功率小，但光線較為集中，計算ksun=0.0152 h-1、kuv=0.0181 h-1，較為接近，同時也表明光照，特別是紫外光會加速色素降解。紫外光能量較高，與共價鍵鍵能較為接近，紫外線暴露將破壞花色苷分子結構，發生褪色。

圖5 桑葚色素光穩定性Fig.5 Light stability of mulberry pigments

包裝材料是色素相關產品需要考察的重要因素，需盡可能平衡產品展示感官和避光需求。選用常用的石英玻璃、光學玻璃、棕色光學玻璃、PET材質平板，在波長200～800 nm 處測定其透射光譜（圖6）。在20℃，距液面30 cm 處設置日光模擬燈，不同光線阻隔材料下桑葚色素降解曲線如圖7所示，一級擬合動力學見圖7插圖、表。

圖6 不同材料透光率Fig.6 Transmittance of different materials

圖7 不同阻隔材料下桑葚色素的光穩定性Fig.7 Light stability of mulberry pigments under different barriers

石英在波長200～800 nm 區間內全透過，僅在波長接近200 nm 處的低波長高能紫外線透過率略有下降，相應色素降解速率最大。光學玻璃和PET 均有良好的可見光透過性，當波長低于350 nm 時，近紫外線透光率快速下降；當波長在300 nm 左右，透光率降為零，表現出較好紫外線屏蔽能力。PET 透光波長及強度都略低于光學玻璃，相應反應速率常數也較低。由于日光模擬燈低波長紫外區功率較低且照射分散，因此使用石英玻璃和光學玻璃、PET 片的色素降解速率較為接近。棕色玻璃在可見光區透過率較低，在波長350 nm 處透過率接近零，僅在波長350～400 nm 的近紫外區有少量透過，對紫外光具有良好的屏蔽作用，降解反應速率最低，為0.0096 h-1，半衰期達到72.2 h。對色素產品應選擇紫外光阻隔性能較好的包裝材料、被膜，避光貯存，有助于減緩色素光降解褪色的速度。

2.5 桑葚色素氧化穩定性

20℃，距液面30 cm 設置日光模擬燈，用過氧化氫標準溶液調節色素溶液中過氧化氫濃度分別為2.5，5.0，10.0 mmol/L，吸光度變化如圖8所示，一級動力學擬合見圖8插圖、表。相較光照，桑葚色素對過氧化氫表現出極不耐受，反應速率常數呈現數量級式增加，隨著氧化劑濃度提高，色素劇烈降解?？諝庵醒鯕?、溶解氧在一定條件下產生羥基、過氧自由基等活性氧化物，攻擊桑葚花色苷分子，破壞其分子結構，發生褪色。光照會催化該過程，增加自由基產生，加速降解[18]。

圖8 桑葚色素氧化穩定性Fig.8 Oxidative stability of mulberry pigments

日光模擬燈光照的無過氧化氫添加體系中加入還原劑VC，桑葚色素降解及其一級動力學擬合如圖9所示。VC 可以還原反應體系少量氧化劑，捕獲氧化性自由基，添加適量VC 對色素降解表現出抑制作用。

圖9 不同濃度VC 對色素降解的影響Fig.9 Effects of concentrations of VC on the degradation

3 結論

本文設計開發了一種基于在線光度法的動力學數據采集裝置和方法。裝置集成度高，方便施加多條件控制，測定準確、穩定，可實現無人值守自動采集數據，大幅降低了測試工作勞動強度，提高了測試效率，可廣泛應用到各類天然色素穩定性研究中。利用該裝置測定了酸堿、熱、光、氧化降解及包裝材料、還原劑保護對桑葚色素穩定性的影響，發現桑葚色素在pH 值為3 的酸性環境中呈現鮮艷紅色、色價高，高溫、紫外光和氧化劑會加速降解，并獲得了各條件下準確的降解速率常數和熱解表觀活化能（60.2 kJ/mol）。冷藏、紫外線阻隔及適量還原劑VC 能有效減緩降解速度，有利于延長色素及相關產品貯存時間及貨架期。