不同環境因子對梔子黃/姜黃共混色素體系穩定性的影響

劉玲紅，許國娟，程榮，陳凱，趙安心*

1(武漢淡雅香生物科技有限公司，湖北 武漢，430034)2(湖北工業大學 生物工程與食品學院，湖北 武漢，430068)

隨著色素用途的多元化發展，單一色素的性能可能不能滿足實際需求，多重色素復合使用成為發展趨勢之一，可利用色素間優勢互補的原則構建多色素共混體系[1]。天然色素資源豐富、無毒無害，被廣泛應用于生活實踐中。在智能標簽比色指示劑的染料的研究中，研究人員利用姜黃素的抗氧化性彌補花青素的不穩定性，同時以花青素的廣變色區間補充姜黃素的變色局限范圍[2]；禽蛋蛋黃的顏色是評價其質量的重要感官指標，在飼料中添加1種色素只能使蛋黃顏色偏向該色值，往往2種色素配合使用，如萬壽菊提取物與辣椒紅同時使用[3]，能取得更好的效果。朱穎等[4]在蛋雞日糧中添加1∶1的橙黃素和辣椒紅，顯著提高了蛋黃中葉黃素的含量和色度。

天然梔子黃色素是從茜草科植物梔子(Gardeniajasminnoides)的果實中提取精致的天然黃色食用色素物質，是一種混合物，主要成分為類胡蘿卜素的藏花素和藏花酸，環烯醚萜甙類的梔子甙、黃酮和綠原酸[5-7](圖1-a)。其中，藏花素和藏花酸是主要成分，藏花素是藏花酸的龍膽二糖酯，分子上的多個共軛雙鍵賦予梔子黃以黃色[7]。天然梔子黃色素具有著色力強、色澤鮮艷、色調自然柔和、穩定性較好、溶解性強的特點，對人體安全無毒，且極易被人體吸收，轉化為維生素A，與合成色素比較，著色自然新鮮，尤其對蛋白和淀粉染色性好，無異味。梔子黃的分子結構中存在多個共軛雙鍵，是該色素的發色基團，也是發生不穩定的來源[7]。梔子黃分子容易受環境溫度、光照、pH等因素影響而氧化，發生變色，直接影響了該色素的實際應用。

姜黃素是從姜科植物姜黃的根莖中提取出的一種多酚類活性物質(圖1-b)，顏色呈明亮黃色，粉末為橙黃結晶狀，著色力強，安全無毒，具有抗氧化、抗菌、消炎、抗癌等功效，被廣泛用于有色酒類、甜品、飲料及保健食品中(GB 1886.76—2015)[8]。據報道，姜黃易受堿性、光照、熱、氧氣、金屬離子等條件影響而降解，減弱明亮的色澤，這些都限制了姜黃在生產生活中的應用[9-10]。

本研究以梔子黃與姜黃按照不同配比共混制備色素溶液，采用不同的光照、溫度、pH值、氧化劑、還原劑、金屬離子等條件來處理此共混色素，考察梔子黃/姜黃共混色素的穩定性，探究2種色素在共混體系中對環境因素的響應，及兩者間可能的分子相互作用。本文將為日用化工、食品、醫藥等領域更好地開發利用共混色素提供一定的理論依據。

a-梔子黃；b-姜黃素圖1 梔子黃和姜黃素分子結構式Fig.1 Molecular structures of gardenia yellow and curcumin

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

梔子黃色素(食品級)，武漢綠孚生物工程有限公司；姜黃素(食品級)，河北昱華科技有限公司；氫氧化鈉、磷酸、亞硫酸鈉、過氧化氫、氯化鎂、氯化鐵、氯化鈣、氯化鋰(均為分析純)，國藥集團化學有限公司。

1.2 儀器與設備

FA3204B電子天平，上海天美天平儀器有限公司；HH-2恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；UV-5200紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；SL1-PHSJ-4F酸度計，北京中西遠大科技有限公司；GZX-250光照培養箱，常州國宇儀器有限公司；DHP-9052恒溫干燥箱，上海精宏設備有限公司；Vertex 70傅立葉變換紅外光譜儀，德國布魯克有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 梔子黃/姜黃共混色素的配制和吸收波長檢測

參照國標GB 7912—2010的方法，稱取質量比分別為1∶1、3∶2、4∶1的梔子黃和姜黃混合物，總質量為0.5 g，置于500 mL容量瓶中定容，搖勻靜置得到1 mg/mL共混色素標準溶液，以蒸餾水作空白，用紫外可見分光光度計對該樣品溶液進行全波長掃描，確定最大吸收波長。

1.3.2 傅立葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometry，FTIR)檢測

配制純梔子黃溶液、純姜黃溶液以及3種配比的共混溶液，用移液槍取少量溶液分別涂布于溴化鉀晶片上，室溫下自然陰干成薄膜狀，盡量避免其他環境因子對色素的影響，室溫下運用FTIR在500～4 000 cm-1掃描，分辨率為4 cm-1。

1.3.3 環境因子對共混色素的穩定性影響

1.3.3.1 不同光照類型的影響

分別取3種配比的共混色素溶液3 mL，置于太陽光、日光燈(GZX-250光照培養箱)和黑暗條件下，分別在0、2、4、6、8 h測定吸光度，實驗重復3次。

LED單色光處理[11]：自制60 cm×60 cm×60 cm可封閉不透光紙箱，在紙箱內測頂部分別安裝藍光(480 nm)、綠光(540 nm)、紅光(660 nm)的LED單色光燈帶；將共混色素溶液添加到24孔板，用單色光照射處理，分別在0、2、4、6、8 h取樣測定吸光度，每個處理3個平行重復，實驗重復3次。

1.3.3.2 不同溫度的影響

分別取3種配比的共混色素溶液3 mL，置于玻璃試管中，避光分別放入4、20 ℃的冰箱以及60、100 ℃ 的水浴條件下處理，分別在0、2、4、6、8 h取樣測定吸光度，實驗重復3次。

1.3.3.3 不同pH值的影響

稱取3種配比的共混色素各0.1 g，用pH為2、4、6、7、8、10、12的氫氧化鈉/磷酸緩沖液定容至100 mL，搖勻靜置，以蒸餾水定容的溶液為對照。處理6 h后測定溶液吸光度，實驗重復3次。

1.3.3.4 不同濃度氧化劑、還原劑的影響

分別以體積分數0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的H2O2溶液和質量濃度為0、2、4、6、8、10 μg/mL的Na2SO3溶液將3種配比的共混色素0.1 g 定容至100 mL，搖勻靜置，處理6 h后測定溶液吸光度，實驗重復3次。

1.3.3.5 不同濃度金屬離子的影響

以質量濃度為0、1、2、3、4、5 μg/mL的氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵、氯化鋰溶液分別將3種配比的共混色素0.1 g定容至100 mL，搖勻靜置，處理6 h后測定溶液吸光度，實驗重復3次。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel 2019和Origin 9.0對數據進行處理和作圖，以平均值±標準誤差(standard error, SE)表示數據點。

2 結果與分析

2.1 梔子黃/姜黃共混色素體系特征吸收波長檢測

如圖2所示，在150～500 nm進行全波長掃描，1∶1、3∶2、4∶1三種配比的梔子黃/姜黃共混色素溶液均在430 nm處出現特征吸收峰，與單一色素的最大吸收波長接近。梔子黃水溶液的特征吸收峰在440 nm，姜黃水溶液的特征吸收峰在425 nm，參考GB 7912—2010[2]和GB 1886.76—2015[8]。本實驗采用430 nm作為共混色素體系的最大吸收波長進行后續穩定性檢測。圖2可見1∶1配比的共混溶液的A430 nm最大，表明姜黃占比越大可能對吸光度的影響越大，酚羥基的增加有助于色素體系的加強，對吸光度的貢獻更大，共混體系中姜黃分子的主導作用可能大于梔子黃分子。

圖2 梔子黃/姜黃共混色素吸收波長圖譜Fig.2 Absorption spectrum of gardenia yellow/curcumin blend pigments

2.2 FTIR檢測與體系分子互作

結合紫外吸收波長的圖譜結果，通常單一的梔子黃色素溶液經紫外可見分光光度計全波長掃描會出現3個典型的特征吸收峰，對應的波長為236、326、442 nm，442 nm為主要成分藏花素和藏花酸的特征吸收峰[7]；單一的姜黃素溶液的特征吸收峰對應的波長為425 nm。本研究3種配比溶液僅在430 nm處出現吸收峰，沒有檢測到多個吸收峰，推測該共混體系分子間不再是單一組分游離狀態，進一步表明梔子黃與姜黃形成了復合體系。

圖3 梔子黃、姜黃及共混色素FTIR圖Fig.3 FTIR spectrum of gardenia yellow, curcumin and blend pigments

2.3 不同環境因子對梔子黃/姜黃共混體系的影響

2.3.1 不同光照類型的影響

圖4顯示，3種配比的共混色素溶液受太陽光、日光燈和避光處理后，體系吸光度逐漸減小，色素有一定損失。日光燈和避光處理對體系影響較小，太陽光照射的影響比較顯著，表明色素體系對太陽光的穩定性較差。蘿卜紅色素、藍莓色素等，具有較好的耐光性[14-15]，與該共混體系有一定差別；與前人研究結果類似，本研究中太陽光處理8 h后體系色素損失率約18%，據報道，梔子黃溶液經太陽光或日光燈照射8～12 h，色素損失率近20%，耐光性較弱[7,16]；姜黃色素受光照影響很大，其溶液吸光度變化很大。2種色素均建議避光保存[10]。

圖5顯示，單色光對共混色素的影響與多色光基本相似，均引起吸光度逐漸減小，藍光比綠光和紅光的作用更明顯，造成體系吸光度顯著降低，表明藍光造成共混體系的色素損失最大。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1圖4 多色光照對共混色素穩定性的影響Fig.4 Effect of light on the stability of the blend pigments

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1圖5 LED單色光對共混色素穩定性的影響Fig.5 Effect of LED monochromatic light on the stability of the blend pigments

2.3.2 溫度敏感性

單一梔子黃溶液對溫度敏感，在60 ℃以下時，色素損失率可達到50%左右，100 ℃下損失率大于70%；多項研究表明姜黃素對溫度不敏感，20～100 ℃內不同溫度處理后，吸光度變化不明顯[7,17]。不同配比溶液中，4 ℃處理吸光度變化極小，20 ℃下體系吸光度變化較小，60 ℃下吸光度下降明顯，100 ℃ 處理吸光度急劇下降，3種配比間變化趨勢相似，表明該共混色素能耐冷藏、室溫，不耐高溫，建議保存時避免高溫環境(圖6)。另外，共混色素在4、20、60及100 ℃下的損失率分別為2%、12%、30%及55%左右，顯著低于單一梔子黃色素的損失率，表明姜黃的加入對梔子黃有保護作用。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1圖6 溫度對共混色素穩定性的影響Fig.6 Effect of temperature on the stability of the blend pigments

2.3.3 pH值對共混色素穩定性的影響

由前人研究可知，在強酸或強堿環境下，梔子黃色素損失率在15%左右，pH 5～9時損失率小于10%[6]；姜黃素溶液受pH值影響很大，在酸性和中性條件下呈現亮黃色、黃色，色素溶解度降低，在堿性條件下呈現橙紅色，吸光度增大，但分子結構未受影響[17]。pH值在2～6和8～12時，3種配比的共混色素溶液的吸光度下降較多，酸性和堿性越強，吸光度變化越大，體系色素損失也越大；pH值為7時，吸光度與對照組相比無明顯下降，表明梔子黃/姜黃共混溶液的耐酸堿性較弱，可能跟梔子黃和姜黃中所含的羧基和羥基有關，應避免強酸強堿的處理(圖7)。4∶1 配比的色素溶液在不同pH下的吸光度對其他配比的色素溶液具有顯著性差異，表明梔子黃在共混體系中影響較大。此共混體系對pH值的敏感性符合相關報道，單獨的梔子黃或姜黃色素受pH的影響較大，顏色發生較大變化[18-19]。

圖7 pH值對共混色素穩定性的影響Fig.7 Effect of pH value on the stability of the blend pigments

2.3.4 氧化劑、還原劑對共混色素穩定性的影響

經不同濃度的過氧化氫溶液處理后，3種配比的梔子黃/姜黃共混色素吸光度呈減小趨勢，損失率均小于10%，不同濃度H2O2對1∶1和3∶2的共混色素穩定性影響幾乎一致，4∶1配比的共混色素所受影響存在顯著性差異，表明共混色素對氧化劑H2O2比較穩定，梔子黃在此共混體系中對氧化劑相對更加敏感(圖8)。有研究表明，單獨的梔子黃或姜黃溶液均具有一定的耐氧化性[7,20]，穩定性良好。

圖8 過氧化氫對共混色素穩定性的影響Fig.8 Effect of H2O2 on the stability of the blend pigments

經不同濃度的Na2SO3溶液處理后，3種配比的梔子黃/姜黃共混色素吸光度呈減小趨勢，色素損失率為10%～20%，表明該共混色素溶液對此還原劑較為穩定。不同濃度的Na2SO3對此共混溶液的影響無顯著差異(圖9)?；痉锨叭搜芯拷Y論，梔子黃溶液在Na2SO3環境中具有良好的穩定性，磷酸鈉溶液可使姜黃色素溶液吸光度增大產生增色作用[7,21]。

有研究表明，梔子黃色素經過不同濃度的過氧化氫或者亞硫酸鈉處理，損失率為15%左右，對氧化劑和還原劑比較穩定；姜黃素對H2O2有很強的抗氧化性，經磷酸鈉處理發生增色效應，吸光度顯著增大[17,22]。本研究中，共混色素經H2O2或者Na2SO3處理后，吸光度降幅不大；氧化劑處理時，4∶1配比的共混溶液吸光度顯著低于1∶1和3∶2配比的溶液，可能是梔子黃占主體的共混溶液抗氧化性較弱。因此，有氧化劑或還原劑參與的環境，建議適當提高姜黃的比例，有利于共混體系穩定性的提升。

圖9 亞硫酸鈉對共混色素穩定性的影響Fig.9 Effect of Na2SO3 on the stability of the blend pigments

2.3.5 金屬離子對共混色素穩定性的影響

如圖10所示，不同濃度金屬離子處理梔子黃/姜黃共混色素溶液后，3種配比的共混色素吸光度均逐漸下降。其中Fe3+的影響最大，引起吸光度急劇下降，體系損失率為65%左右，相對其他離子產生的影響具有顯著性差異，Ca2+、Li+及Mg2+(色素損失率約5%)作用效果基本一致。據報道，Fe3+對梔子黃色素的破壞相當明顯，2 h可引起色素損失率大于80%，溶液幾乎褪色為無色，梔子黃對Mg2+、Ca2+、Li+非常穩定[23]；Fe3+和Ca2+可引起姜黃溶液變色[7,24]。結果表明共混體系相較于單一色素的穩定性更好，受金屬離子處理后損失率相對更低；但共混體系對Fe3+環境不穩定性，與前人的研究一致，可能是因為金屬離子與色素發生了氧化還原反應或者螯合作用[1]。

近幾十年來，研究人員積極探索穩定天然色素的可用方法。目前，常用的方法有添加共色素化合物、形成超分子配合物、納米載體的包封體系和屏蔽保護等[1]。比如前人運用酚類化合物等來穩定花青素，以及運用Fe3+、Ca2+、Al3+等離子與色素共著色來提升天然色素的穩定性[25]，金屬離子與天然色素發生氧化還原反應或螯合作用是顏色改變的可能機理之一[1]。本研究中，姜黃分子為多酚化合物，可能對梔子黃分子有提升穩定性作用，有待進一步研究。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1圖10 金屬離子對共混色素穩定性的影響Fig.10 Effect of metal ions on the stability of the blend pigments

3 結論

本研究表明梔子黃/姜黃的共混體系分子間可能發生了以氫鍵為主的復合作用，形成較穩定的復合物；本文共混色素比單一色素的耐光性稍強，色素受太陽光和單色光藍光的影響較大；共混體系對不同溫度的穩定性優于單一色素，但在60 ℃以條件下同樣不穩定；共混體系在酸堿條件不穩定；在氧化劑、還原劑、金屬離子的環境中，共混體系相較于單一色素更加穩定，Fe3+環境下穩定性差；不同環境因子對3種配比共混體系的作用顯示，適當增大體系中姜黃的比例有利于增強共混色素的穩定性。本研究可為共混色素的研究和應用提供理論參考。