刺葡萄皮花色苷的光熱降解特性研究

鄧潔紅譚興和王 鋒黃 菲張 濤

（1.湖南農業大學食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410127）

刺葡萄皮花色苷的光熱降解特性研究

鄧潔紅1，2譚興和1，2王 鋒1，2黃 菲1張 濤3

（1.湖南農業大學食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410127）

為了解刺葡萄皮花色苷在光照及加熱條件下的穩定性，明確其貯藏和應用條件，對刺葡萄皮花色苷的光熱降解特性進行研究。結果表明：常溫條件下，pH 1～3色素液花色苷穩定性較好；避光及室內自然光照條件下放置20d內刺葡萄皮花色苷的穩定性無顯著差異，但強光條件下，刺葡萄皮花色苷穩定性明顯下降；刺葡萄皮花色苷熱降解符合動力學一級反應規律，pH 為1.0、3.0、4.5時，其熱降解活化能Ea分別為99.385 6，83.364 5，73.741 9kJ/mol，說明低pH條件下，刺葡萄皮花色苷的熱穩定性較好，但pH 1.0色素液在≥80℃加熱時的花色苷半衰期t1/2≤4.10h，而pH 3.0、4.5色素液在同樣加熱條件下的t1/2≤14.12h、13.20h；高溫處理（≥80℃）時，pH 3.0的色素液穩定性優于其余pH條件。

刺葡萄皮花色苷；穩定性；熱降解；動力學

天然色素取代合成色素已成趨勢。從植物中提取的花色苷色素，色澤鮮艷自然，使用安全，且具有一定的生理活性功能。研究［1－2］表明，花色苷等多酚類物質具有預防心腦血管疾病、預防癌癥、抗氧化、消除自由基、改善肝臟功能等作用。但相比合成色素，花色苷色素不穩定、易降解，其穩定性受熱、光、氧、金屬離子、pH值、溶劑、花色苷濃度和結構、酶等因素的影響［3－5］。食品加工中的許多操作單元都不可避免用到熱處理，如濃縮、殺菌等，將花色苷色素作為食品著色劑和添加劑使用，研究花色苷的熱穩定性對于該類色素的應用非常重要。近年，中國學者對部分植物花色苷的熱降解動力學進行了研究，如聶千［6］研究了篤柿色素的熱降解動力學；勵建榮等［7］研究了楊梅汁花色苷熱降解特性；趙新淮［8］對黑加侖果渣紅色素的熱穩定性；方忠祥等［9］對紫肉甘薯中花色苷熱降解動力學進行了研究，分別得出不同植物花色苷的熱降解活化能及半衰期等重要參數。通過研究其熱降解規律，有助于了解花色苷的降解機理，預測各種溫度下的反應速率，繼而采取合適的熱處理參數。

刺葡萄 （vitis davidii fo3x.）屬東亞品種，廣泛分布于陜西、甘肅、華中、華南及西南等地。近年在湘西、湘西北地區對野生刺葡萄的人工培植獲得成功，使當地刺葡萄產量逐年提高。刺葡萄果皮厚實、果肉小，作為食用鮮果其市場受到一定限制。筆者前期研究［10］表明，新鮮刺葡萄果皮花色苷含量達到2.5mg/g，為歐美葡萄品種的5倍以上，是優異的天然植物色素資源，開發和應用前景廣闊，但關于刺葡萄皮花色苷的光熱穩定性研究尚未見有關報道。本試驗主要研究pH值、光照、熱處理對刺葡萄皮花色苷穩定性的影響，對刺葡萄皮花色苷的熱降解動力學進行深入分析和探討，其目的在于建立熱加工重要參數群，獲得刺葡萄皮色素在應用中保持色澤的有利條件，為刺葡萄皮色素的擴大應用提供理論基礎和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料

刺葡萄：購于湖南省芷江縣，洗凈、晾干表面水，手工剝皮，冷凍干燥，粉碎，過60目篩，棕色瓶保存。

1.1.2 主要儀器

電子天平：ALC－210.4，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

精密酸度計：pH－3C型，上海雷磁儀器廠；

分光光度計：722型，上海校光技術有限公司；

紫外分光光度計：UV－2450，日本島津；

數顯式電熱恒溫水浴鍋：PC－1000，上海躍進醫療機械廠；

旋轉蒸發器：RE52－3型，上海實驗儀器廠有限公司；

真空循環水式多用泵：SHB－Ⅲ，鄭州長城科工貿有限公司；

離心機：TDL－5，上海安亭科學儀器廠；

單道移液器：YQ005－YQ007，日本立洋。

1.1.3 主要試劑

鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀、磷酸氫二鈉、乙醇等：均為市售分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 刺葡萄皮色素提取 稱取葡萄皮粉于三角瓶，以料液比1∶15加入70%（V/V）乙醇（含0.03%鹽酸）提取，于50℃水浴鍋內浸提1h，過濾，再用旋轉蒸發儀（溫度≤40℃）真空濃縮，回收乙醇，將得到的濃縮液進行抽濾［10］。

1.2.2 pH值對刺葡萄皮色素穩定性的影響試驗 分別取1mL色素濃縮液用pH＝1～7的緩沖液定容至50mL，其中pH 1為HCl－KCl緩沖液，其余為磷酸鹽緩沖液；避光靜置1h，在最大吸收波長處測定吸光度作為初始值A0，然后分別在遮光和自然光照條件下保存20d，期間每隔1d取樣測吸光度A1，以A1/A0近似計算花色苷殘存率。根據分光光度計掃描結果，最大吸收波長設定為：pH為1時520nm，pH為2～5時525nm，pH為6～7時550nm。

1.2.3 光照對刺葡萄皮色素穩定性的影響試驗 依據1.2.2試驗結果，用pH 1.0，3.0，4.5的緩沖液配制色素稀釋液，分別于室內自然光及室外強光照射下保存9d，期間每隔1d測最大波長吸光度，檢測光照條件對色素穩定性的影響。試驗選擇在10月中下旬進行，室外光照充足均勻。

1.2.4 熱對刺葡萄皮色素穩定性的影響試驗 取3份色素濃縮液，分別以HCl－KCl緩沖液和磷酸鹽緩沖液調色素液為pH 1.0，3.0，4.5，將色素液分裝在棕色試劑瓶中，恒溫水浴鍋加熱處理，每2h取樣一次，冷卻后分別用pH 1.0的HCl－KCl緩沖液，pH 4.5的檸檬酸－磷酸氫二鈉緩沖液定容，靜置1h后，測最大吸收波長處吸光度Amax及700nm處吸光度A700nm（以蒸餾水作空白），以示差法A＝ （Amax－A700nm）pH 1.0－（Amax－A700nm）pH 4.5測定色素液吸光度值［11］，以A熱處理后/A熱處理前計算花色苷殘留值，對刺葡萄色素進行熱降解動力學分析。各處理溫度分別為：50，60，70，80，90℃。

1.2.5 刺葡萄皮花色苷熱降解動力學參數解析 Arrhenius方程［5－7］描述了花色苷降解的動力學一級反應規律：

式中：

k——熱降解反應常數；

C—— 色素液中花色苷最終濃度，mg/mL；

C0——色素液中花色苷初始濃度，mg/mL；

t—— 時間，h。

當用差示法測定色素液吸光度時，可用式（2）代替式（1），使計算簡化。

式中：

A——色素液最終吸光度；

A0——色素液初始吸光度；

k——熱降解反應常數；

t—— 時間，h；

k0—— 頻率常數；

R—— 氣體常數，8.314×10－3kJ/（mol·K）；

Ea—— 熱降解活化能，kJ/mol；

T—— 溫度，K。

根據刺葡萄皮花色苷的熱降解－ln（C/C0）－t圖可進行熱降解參數分析。

1.2.6 數據分析方法 試驗數據以平均數表示。數據分析采用DPS統計軟件，均值的多重比較采用Bonferroni法，P＜0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 pH值對刺葡萄皮色素穩定性的影響

如圖1所示，等量刺葡萄皮花色苷色素液在pH 1～7的緩沖液中呈現出不同的初始吸光度A0，并伴有相應的顏色變化。在pH 1～4范圍內，吸光度隨pH值的上升而降低，顏色由紅轉紫；在pH 4～7范圍內，其吸光度隨著pH值的上升而增加，顏色由紫變藍，顏色變化結果與Dao的研究［12］相一致。這可能是花色苷形式由紅色的黃烊鹽轉變為藍色醌式堿所致。

圖1 刺葡萄皮花色苷在pH 1～7的初始吸光度Figure 1 The initial absorbancy of VSA at pH 1～7

由圖2a可見，在常溫避光條件下，pH 1～2的色素液穩定性很好，吸光度變化曲線平穩，觀察期內（20d）花色苷殘存率分別為93.7%和92.7%（見圖3）；pH 3的色素液比較穩定，20d內花色苷殘存率為82.0%；pH 4～5的色素液穩定性較差，20d內花色苷殘存率為36.8%和40.5%，且pH 1～5色素液吸光度的下降多發生在第4～5天；pH 6～7色素液在前2d內吸光度迅速下降，之后緩慢持續下降，表現出不穩定性，20d內花色苷殘存率只有19.9%和20.6% 。由此可見，pH值對花色苷穩定性的影響較大，因此，刺葡萄皮色素適合在酸性較強的條件下使用。

圖2 pH值對刺葡萄皮花色苷穩定性的影響Figure 2 Effects of pH value on stability of VSA

比較圖2a、b，在常溫室內自然光照條件下，pH值對刺葡萄皮色素液吸光度的影響與避光條件下相似，且第20天花色苷保存率相差不大（如圖3），因此，光照對花色苷穩定性影響的試驗僅比較室內自然光照和室外強光照射兩種情況。

圖3 不同pH值下刺葡萄皮花色苷20d的殘存率（避光及自然光照條件下）Figure 3 The residual rate of VSA at different pH value（20d，light－avoided or natural－light）

2.2 光照對刺葡萄皮色素穩定性的影響

刺葡萄皮色素液在室內自然光照及室外強光照射下的吸光度變化見圖4。在3種pH值條件下，強光照射使色素液吸光度呈現短暫上升（第1天）后以更快的速度下降，說明紫外線短期照射對色素液有一定的加強色澤的作用，而長期照射使刺葡萄色素降解速度加快。紫外照射對花色苷的短期輔色作用在文獻［13］中曾見報道。3種pH值條件下，強光照射9d，樣液花色苷殘存率分別為69.5%、53.7%、28.0%，而 室內 自然光照的對 比 值 為 91.9%、79.6%、38.9%。

圖4 光照對刺葡萄皮花色苷穩定性的影響Figure 4 Effect of light on the stability of VSA

2.3 熱對刺葡萄皮色素穩定性的影響

2.3.1 熱處理對刺葡萄皮花色苷殘留值的影響 由圖5可知，在不同的pH值條件下，刺葡萄皮花色苷的熱穩定性不同，pH 3.0的穩定性優于pH 4.5，在中等溫度（50～60℃）條件下，pH 1.0的穩定性與pH 3.0相似，50℃加熱32h，花色苷殘留值分別為0.823和0.843，在而在較高溫度（80～90℃）條件下，pH 1.0的穩定性變差，80℃加熱12h花色苷殘留值為0.135，而pH 3.0條件下的數據為0.508，這可能是因為強酸性導致花色苷高溫水解所致。在相同pH值條件下，加熱溫度和時間對花色苷的穩定性影響較大，溫度越高，加熱時間越長，花色苷殘留值越小，因此，刺葡萄皮花色苷不適合高溫長時間處理。

圖5 熱處理對刺葡萄皮花色苷殘留值的影響Figure 5 Effect of heat treatment on the residual rate of VSA

2.3.2 刺葡萄皮花色苷熱降解動力學參數解析 分別對pH 1.0，3.0，4.5的色素液熱穩定性作－ln（C/C0）－t圖并進行線性回歸，結果見圖6。

結果表明線性關系良好（R2＞0.97），刺葡萄皮花色苷熱降解符合動力學一級反應規律。

在研究花色苷的熱穩定性時，花色苷半衰期t1/2是一個重要的參數。計算花色苷降解一半所需的時間，可利用式（1）推導出公式：

式（6）中的k值可根據圖6中每條直線的斜率求出。作－lnk－1/T關系圖并線性回歸，根據式（5），則直線的斜率為Ea/R，截距為－lnk0，由此可求出不同pH色素液的熱降解活化能Ea。刺葡萄皮花色苷（VSA）的熱降解動力學參數見表1。

圖6 刺葡萄皮花色苷熱降解ln（C/C0）－t的關系Figure 6 The ln（C/C0）－t relationship of degradating VSA under heating

反應常數k表明花色苷熱降解的速率，而活化能是決定反應速率的一個重要因素（另一個重要因素是頻率常數k0），在一定溫度下，活化能越大，熱降解反應速率越慢。表1數據顯示，以活化能計，pH 1.0＞pH 3.0＞pH 4.5，說明低pH值條件下，刺葡萄皮花色苷的熱穩定性較好，有利于色素的熱處理及保存。但值得注意的是，當pH 1.0，色素液在80～90℃的高溫下，花色苷水解加劇，致使熱降解速率加快。

2.3.3 刺葡萄皮花色苷熱降解溫度系數 由表1可知，降低溫度使刺葡萄皮花色苷的半衰期大大延長，可見溫度對花色苷熱降解反應影響明顯。為量化溫度對反應速率的影響，引用Vanthoff規則：

式中：

Q10——溫度系數，其值越大，表示熱降解反應速率對溫度變化越敏感；

T1，T2—— 變化前、后的加熱溫度，℃；

k1—— 溫度T1時的速率常數；

k2—— 溫度T2時的速率常數。

表1 刺葡萄皮花色苷熱降解動力學參數Table 1 The kinetic prameters of thermal degradation of VSA

刺葡萄皮花色苷熱降解的溫度系數Q10見表2。pH 1.0條件下，刺葡萄皮花色苷在70～80℃的Q10值明顯大于其它溫度范圍內的Q10，說明當熱處理溫度從70℃提高到80℃時，花色苷降解速率迅速加快，而80～90℃時，降解速率變化不敏感。pH 3.0和pH 4.5條件下，花色苷降解速率對溫度反應最敏感的區域均發生在80～90℃范圍內。

表2 刺葡萄皮花色苷熱降解的溫度系數Q10Table 2 The thermal degradation parameter Q10of VSA under different temperature

3 討論

3.1 pH值對刺葡萄皮色素的影響

刺葡萄皮色素的主要成分為花色苷，其穩定性受到多種因素的影響，花色苷降解的直觀變化為顏色變淡。pH值是影響刺葡萄皮色素顏色強度的主要因素，在強酸性條件下（pH≤2.0）呈鮮紅色，這是因為黃烊陽離子（AH＋）占主導［14－15］；在pH＝2.5～4.0時，刺葡萄皮花色苷呈自然的紫紅色或紫色；pH＝4.5～6.0為藍紫色；堿性條件下為藍綠到黑褐色。pH值不僅影響刺葡萄皮色素的呈色，對其穩定性的影響也很大，在避光及室內自然光照條件下，pH＝1～3的色素液表現出較好的穩定性，隨著pH值上升，刺葡萄皮色素液的穩定性下降。因此，刺葡萄皮花色苷適合在較強酸性條件下使用。筆者［16］前期研究表明，刺葡萄皮色素應用于汽水、果凍、酸奶等食品獲得較好著色效果。

3.2 光對刺葡萄皮色素的影響

光照對刺葡萄皮花色苷有一定的降解作用。在pH 1.0、3.0、4.5 3種酸度下，室內自然光照與避光條件對花色苷降解的影響區別不顯著（觀察期20d）；室外強光加速花色苷的降解。因此該色素在處理和貯藏過程中，應盡量避免強光照射，長期保存應避光。有觀點［17］認為，光誘導花色苷降解主要是存在分子態氧的原因，因此，刺葡萄皮色素在食品中應用時，采用真空包裝也是提高產品穩定性的有效措施。

3.3 熱對刺葡萄皮色素的影響

通過對半衰期t1/2及溫度系數Q10的分析，pH 1.0色素液在80℃以上的條件下花色苷熱降解半衰期明顯下降。該研究結果與其它植物來源花色苷的熱降解性呈現出一定差異，文獻［18］報道，pH 1.0楊梅汁花色苷在85℃以上高溫下的半衰期仍然大于pH 3.1及pH 4.5樣品的對應值。而綜合比較，pH 3.0條件對保持刺葡萄皮花色苷在高溫下的穩定性最為有利。經測定，新鮮刺葡萄皮色素原液的pH值為3.08，接近自然生長狀態的pH值環境是否加強了植物花色苷的穩定性，值得進一步研究和探討。根據刺葡萄皮花色苷熱處理半衰期的特點，在該色素熱加工過程中，尤其是高溫熱處理時（≥80℃），應控制色素液的pH值在3.0左右。

4 結論

（1）pH值對刺葡萄皮花色苷的穩定性影響明顯，pH 1～3適合色素液的保存。

（2）室內自然光照對刺葡萄皮花色苷的影響與避光條件下無顯著差異。

（3）刺葡萄皮花色苷的熱降解符合動力學一級反應方程。同一pH值條件下，降低溫度能有效延長刺葡萄皮色素的半衰期；不同pH條件下，刺葡萄皮花色苷降解所需的活化能Ea（pH 1.0）＞Ea（pH 3.0）＞Ea（pH 4.5），Ea分別為99.385 6，83.364 5，73.741 9kJ/mol，說明低pH值有利于刺葡萄皮花色苷的保存。加熱溫度超過80℃ 時 ，pH 1.0色素液花色苷的半衰期t1/2≤4.10h，遠低于pH 3.0、pH 4.5色素液的對應值（t1/2≤ 14.12，13.20h），高溫水解反應加速了花色苷的熱降解。

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Study on the photic and thermal degradation characteristics of vitis skin anthocyanins

DENG Jie－hong1，2TAN Xing－he1，2WANG Feng1，2HUANG Fei1ZHANG Tao3

（1.College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan410128，China；2.Hunan Provincial Key Laboratory of Food Science and Biological Technology，Changsha，Hunan410128，China；3.Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic，Changsha，Hunan410127，China）

Light and heating are the important facts to impact the stability of anthocyanins.The photic and thermal degradation characteristics of vitis skin anthocyanins（VSA）were studied in order to realize its storage and application conditions.The results showed as follows：VSA was stable at pH1～3under nomal temperature；There was not significant difference between the stability of VSA under light－avoided condition and that of under natural－light（20d），and the stability of VSA declined due to sunlight；It proved that the thermal degradation of VSA follows the one－stage kinetic reaction equation；At pH 1.0，pH 3.0，pH 4.5，the thermal degradation Activation Energy（Ea）were 99.385 6，83.3645and 73.741 9kJ/mol respectively，and that meant higher thermal stability of VSA could be achieved at lower pH.At pH1.0when heating temperature was risen up to 80℃，however，the half life of VSA was shorter（t1/2≤4.10h）than that at pH 3.0（t1/2≤14.12h）and at pH 4.5（t1/2≤13.20h），it suggested that the hydrolization reaction should be paid more attention to under vey high temperatures and very strong acidity，pH 3.0VSA was of the best stability when processed under very high temperatures（≥80℃）.

vitis skin anthocyanins（VSA）；stability；thermal degradation；kinetics

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.016

湖南省自然科學基金資助項目（編號：08JJ6005）；湖南農業大學穩定人才基金（編號：09WD35）

鄧潔紅（1967－），女，湖南農業大學教授，博士。E－mail：hongjiedeng＠163.com

2010－05－10