巖藻黃素在水、油模型體系中穩定性的研究

陳曉利,汪曙暉,朱俊向,孫瀟雯,姜進舉,汪東風,*

(1.中國海洋大學食品科學與工程學院,266003 山東青島;2.青島市疾病預防控制中心,266033 山東青島;3.青島明月海藻集團,266400 山東青島)

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巖藻黃素在水、油模型體系中穩定性的研究

陳曉利1,汪曙暉2,朱俊向1,孫瀟雯1,姜進舉3,汪東風1,*

(1.中國海洋大學食品科學與工程學院,266003 山東青島;2.青島市疾病預防控制中心,266033 山東青島;3.青島明月海藻集團,266400 山東青島)

研究了溫度、抗氧化劑及氣體環境對水、油模型體系中巖藻黃素穩定性的影響,并對巖藻黃素的降解動力學進行分析。結果表明,不同貯藏條件下巖藻黃素在油體系中比在水體系中表現出更強的耐貯藏性;巖藻黃素在低溫貯藏下相對穩定,隨溫度升高,降解加快;水溶性抗氧化劑抑制降解效果從高到低依次為:植酸鈉>茶多酚>維生素C;脂溶性抗氧化劑抑制降解效果從高到低依次為:特丁基對苯二酚>丁基羥基茴香醚>維生素E>二丁基羥基甲苯>沒食子酸丙酯。不同氣體貯藏環境實驗表明,兩種體系中氮氣能夠抑制巖藻黃素降解,而氧氣促進巖藻黃素降解。降解動力學分析結果表明,上述不同條件下巖藻黃素的降解遵循一級反應動力學模型。

巖藻黃素,穩定性,溫度,抗氧化劑,氧氣,降解動力學

巖藻黃素(fucoxanthin,FUCO)在類胡蘿卜素中含量最豐富,它不僅廣泛存在于海洋大型藻類中,而且在微藻中也有發現,其產量約占自然界中類胡蘿卜總產量的10%[1]。巖藻黃素因它特殊的分子結構[2],使得它具有較強的抗炎、抗癌、減肥和治療糖尿病等作用[2-3],但也是因為這種結構,使得巖藻黃素易受光、酸、氧和熱等外界條件影響,易發生降解或異構化,造成巖藻黃素有益功能基團的丟失。巖藻黃素這種對環境的敏感性及脂溶性極大地限制了巖藻黃素在功能食品及相關醫藥產品的開發應用,因此對巖藻黃素的穩定性的研究顯得尤為重要。

目前對巖藻黃素穩定性的研究相對較少。Zhao等人考察了油體系中加熱、空氣暴露和光照對巖藻黃素穩定性的影響,發現巖藻黃素的降解和合成反應遵循簡單的一級動力學反應,空氣暴露和光照均促進巖藻黃素的氧化降解,其研究為巖藻黃素在食用油中的應用提供了必要的背景知識[4]。為了克服巖藻黃素的低水溶性,適應當前食品和醫藥領域的需求,研究人員開始探索巖藻黃素水溶性制劑制備,如Quan等人用鯨蠟(cetyl palmitate,CP)和卡諾拉菜籽油(canola oil,CO)混合作為固體脂核,制備成巖藻黃素微球,在干燥(0% RH)和濕潤(51% RH)條件下觀察100 d,微球脂核CP∶CO=50∶50較CP∶CO=0∶100,30∶70表現出較高的巖藻黃素容量,同時氮氣處理提高巖藻黃素保存率[5]。除此之外,Ravi和Baskaran制備了巖藻黃素納米顆粒,發現糖脂(glycolipid,GL)的添加使凝膠粒中巖藻黃素的載量明顯增加[6]。雖然對巖藻黃素水溶性制劑的研究已經取得一定程度的進展,但依舊存在巖藻黃素的載量低、可貯藏時間短的問題,還需要進一步探索。

本研究在前人研究的基礎上,一方面將巖藻黃素溶解于水模型體系,填補了目前水體系中研究藻黃素穩定性的空缺;另一方面,對比了低溫與較高溫度下貯藏巖藻黃素的降解情況,同時考察添加抗氧化劑以及氣體環境條件對提高水、油模型體系中巖藻黃素穩定性的效果,為巖藻黃素在水溶性與油溶性制劑中應用提供保藏方面的知識。

1　材料與設備

1.1材料與儀器

巖藻黃素實驗室自制,從裙帶菜中提取分離,參考汪曙暉[7]的制備方法,純度達85.64%;維生素C(VC)Amresco公司;茶多酚(TP)、二丁基羥基甲苯(BHT)、特丁基對苯二酚(TBHQ)、沒食子酸丙酯(PG)北京索萊寶科技有限公司;植酸鈉(PS)、維生素E(VE)Sigma公司;丁基羥基茴香醚(BHA)上海源葉生物科技有限公司;玉米胚芽油山東西王食品有限公司;二氯甲烷(分析純)、石油醚(分析純)天津市富宇精細化工有限公司;吐溫20(化學純)、乙腈(化學純)國藥集團化學試劑有限公司;丙酮(分析純)萊陽經濟技術開發區精細化工廠;甲醇(分析純)天津市巴斯夫化工有限公司;無水乙醇(分析純)天津市永大化學試劑有限公司。

ACCULAB型電子分析天平北京賽多利斯儀器系統有限公司;水浴鍋、鼓風干燥箱上海精宏實驗設備有限公司;Milli-Q型超純水系統上海摩速科學器材有限公司;層析柜北京亞星儀器科技有限公司;UV-2102 PC型UV-vis分光光度計尤尼柯儀器有限公司;渦旋振蕩器上海滬西分析儀器廠有限公司;氮吹儀天津艾維歐科技發展有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1FUCO水、油模型體系的制備

1.2.1.1FUCO水模型體系的制備參考Rodriguez等人的文獻制備FUCO水模型體系[8]。整個制備過程在避光下進行,最后用錫箔紙包裹血清瓶,備用。

1.2.1.2FUCO油模型體系的制備取適量實驗室自制的FUCO于25 mL的血清瓶中,氮氣吹干,加入20 mL脫氣的玉米胚芽油,漩渦振蕩1 min,超聲3 min,間歇20 min,重復3次,使得FUCO在油中充分溶解,分散均勻,制得的油模型體系中FUCO濃度為0.05 mg/mL[4]。整個制備過程在避光下進行,最后用錫箔紙包裹血清瓶,備用。

1.2.2水、油模型體系中FUCO的測定定期取含有FUCO的水溶液樣品0.25 mL,加入2 mL的丙酮-石油醚(50∶50,v/v)溶液,漩渦振蕩15 s,靜置30 min分層,重復3次,最后將溶劑收集于10 mL的離心管中,40 ℃下氮氣吹干溶劑,溶于無水乙醇,450 nm下測定樣品溶液的吸光值,樣品處理過程在避光下進行[7]。通過下面公式計算FUCO的含量:

式(1)

式中,A450表示在450 nm處FUCO的吸光值;Mr表示FUCO的相對分子質量,658.91;ε表示FUCO的摩爾吸光系數,84340.48 L·mol-1·cm-1;n表示稀釋倍數。

定期取含有FUCO的油溶液樣品0.23 g,加入2 mL甲醇-乙腈(60∶40,v/v),漩渦振蕩15 s,靜置30 min分層,重復三次,最后將溶劑收集于10 mL的離心管中,-38 ℃過夜結晶脂肪酸,過0.45 μm的聚四氟乙烯膜,40 ℃下氮氣吹干溶劑,溶于無水乙醇,450 nm下分光光度計測得樣品溶液的吸光值,樣品處理過程在弱光下進行[4]。根據公式(1)計算FUCO含量。

1.2.3不同條件下FUCO穩定性的研究

1.2.3.1溫度與FUCO的穩定性將1.2.1中的FUCO樣品置于4、30、50、70、90 ℃條件下避光貯藏,定期取樣,按1.2.2測定樣品中FUCO的含量,以及考察溫度對不同體系中FUCO穩定性的影響。

1.2.3.2抗氧化劑與FUCO的穩定性將VC、PS、TP制備成1 mg/mL的母液,分別在裝有FUCO水溶液的血清瓶中添加0.5%(w/v,mg/mL)的抗氧化劑,將BHA、BHT、TBHQ、PG、VE制備成1 mg/mL的母液,分別在裝有FUCO油溶液的血清瓶中加入0.5%(w/v,mg/mL)的抗氧化劑,最后將添加有抗氧化劑的水、油樣品溶液置于室溫下避光貯藏,定期取樣,并測定樣品中FUCO的含量。

1.2.3.3氣密條件與FUCO的穩定性將1.2.1中的FUCO樣品分別用氮氣和氧氣吹除樣品瓶中剩余的空氣,使得樣品瓶中氣體全部為氮氣和氧氣并密封,不做特殊處理的空氣密封作為對照組,封口膜纏繞瓶口,隔絕外部環境,最后將樣品瓶置于室溫下避光貯藏,定期取樣,按1.2.2測定樣品中FUCO的含量,取樣后重新氣密貯藏樣品溶液。

1.2.4FUCO的降解動力學分析根據水、油體系中FUCO的降解殘留量隨時間的變化情況,并分別根據式(2)擬合0級、公式(3)擬合1級、式(4)擬合2級降解動力學模型,根據模型的確定系數R2選擇降解動力學模型,計算不同條件下FUCO的動力學反應速率常數(k)[9]。

c=c0-kt

式(2)

lnc=lnc0-kt

式(3)

式(4)

式中,c0為樣品溶液中FUCO的初始濃度,mg/mL,c為t時刻不同處理樣品溶液中FUCO的濃度,mg/mL,k為反應速率常數,h-1。另外,將c0/2代入式(2)、(3)、(4)可計算FUCO降解的半衰期t1/2,h。

2　結果與分析

2.1溫度對模擬水、油體系中FUCO穩定性的影響

2.1.1溫度對水模型體系中FUCO穩定性的影響含有FUCO的水模型體系分別在4、30、50、70、90 ℃的恒溫環境中貯藏,不同溫度下FUCO的含量隨時間的變化趨勢如圖1所示。4 ℃貯藏下FUCO相對穩定,降解曲線平緩,30、50 ℃下降解曲線斜率逐步增大,當觀察時間為220 h時,降解量分別為2%、29%、79%;繼續升高貯藏溫度,分別在70 ℃和90 ℃下,貯藏10 h,FUCO的降解量分別為39%和70%,可見高溫下FUCO降解劇烈。綜上表明,在水模型體系下,4 ℃低溫有利于FUCO的貯藏,1個月內相對穩定,室溫下適合1周內短期貯藏,高溫下不利于FUCO的保存。

圖1　不同貯藏溫度對水模型體系中FUCO穩定性的影響Fig.1　Effect of the storage temperature on the stability of fucoxanthin in aqueous model system

2.1.2溫度對油模型體系中FUCO穩定性的影響含有FUCO的油模型體系分別在4、30、50、70、90 ℃的恒溫環境中貯藏,其中,不同溫度下FUCO的含量隨時間的變化趨勢如圖2所示。結果表明,4 ℃下FUCO相對穩定,30 ℃下FUCO緩慢降解,貯藏2088 h,降解量分別為6%、19%;當貯藏溫度升至50 ℃時,降解趨勢線斜率增大,貯藏2280 h,FUCO降解量達到53%;繼續升高貯藏溫度,70 ℃和90 ℃下貯藏10 h,FUCO的降解量分別為11%、21%。與2.1.1中水體系下FUCO的穩定性相比,同樣的貯藏溫度下,FUCO在油體系中更穩定,貯藏期更長,這可能與FUCO的脂溶性特點有關,或是由于油體系中一些天然的抗氧化物質的存在,如維生素E、多酚類及植物甾醇等[4]。

圖2　不同貯藏溫度對油體系中FUCO降解的影響Fig.2　Effect of the storage temperature on the stability of fucoxanthin in oil model system

2.2抗氧化劑對模擬水、油體系中FUCO穩定性的影響

從圖3a中FUCO隨時間的降解趨勢可知,3種水溶性抗氧化劑對FUCO降解的抑制效果分別為PS>TP>VC。PS對FUCO的降解抑制效果最佳可能是PS除了具有較強的抗氧化性外還可與多價金屬離子形成難溶性鰲合物[9],而FUCO同其它類胡蘿卜素一樣,當暴露在金屬環境中易發生降解[3]。TP主要化學成分為兒茶素類(黃烷醇類)、黃酮及黃酮醇類、花青素類、酚酸及縮酚酸類、聚合酚類等化合物的復合體,是比VC具有更強抗氧化性能的天然抗氧化劑[9],能夠在貯藏初期表現出對FUCO良好的抑制降解的作用,但隨時間延長,TP逐步被分解,降解抑制作用減弱;VC在FUCO水體系模型中并沒有表現出抑制FUCO降解的作用,然而在先前的研究中,高濃度的VC(1%,w/v)提高了FUCO的穩定性[10],在本研究中可能大部分VC(0.5%,w/v)在水溶液中已被氧化分解[11]。

圖3　抗氧化劑對水(a)、 油(b)模型體系中FUCO穩定性的影響Fig.3　Effect of the antioxidants on the stability of fucoxanthin in aqueous(a)and oil(b)model systems

在溶解有FUCO的油模型體系中分別添加BHA、BHT、TBHQ、PG和VE油溶性抗氧化劑,室溫條件下避光貯藏,FUCO的含量隨時間的變化趨勢如圖3b所示,結果表明,與圖3a相比,FUCO在油體系中更穩定,這也與2.1所述的結果一致,通過研究溫度對水、油模型體系中FUCO穩定性的影響,同樣得到FUCO在油體系中更加穩定。在貯藏2448 h后,對照組降解了20%,而添加了BHA、BHT、TBHQ、PG和VE抗氧化劑組,分別降解了7%、14%、5%、20%和9%,5種油溶性抗氧化劑對FUCO降解的抑制效果分別為TBHQ>BHA>VE>BHT>PG,它們皆屬于酚類抗氧化劑,在形成自由基后比較穩定,因此對FUCO起到較好的抗氧化作用[9]。相較于天然抗氧化劑VE,合成抗氧化劑TBHQ對FUCO降解的抑制效果更好,因此,在實際應用中可以通過添加低成本的合成抗氧化劑抑制FUCO降解,從而達到較好的貯藏效果。

2.3氣體環境對水、油模型體系中FUCO穩定性的影響

將溶解有FUCO的水模型體系分別用空氣、氮氣和氧氣密封保存,室溫條件下避光貯藏,觀察FUCO的含量隨時間的變化趨勢。如圖4a所示,經過504 h的貯藏,水模型體系中大部分的FUCO發生降解,氧氣環境加劇了FUCO的降解,降解量達到91%,與對照組相比,氮氣封存對FUCO降解具有一定的抑制作用。

表1　不同貯藏溫度下水、油模型體系中FUCO的降解動力學參數Table 1　Degradation Kinetic parameters of fucoxanthin stored in aqueous and oil model systems at different temperatures

注:k0、R02、k1、R12、k2、R22分別為0、1、2級動力學模型的速率常數和決定系數,t1/2為1級動力學模型FUCO的降解半衰期。表2、3同。

將溶解有FUCO的油模型體系分別用空氣、氮氣和氧氣密封保存,室溫條件下避光貯藏,觀察FUCO的含量隨時間的變化趨勢。如圖4b所示,經過2088 h的貯藏,油模型體系中的FUCO降解緩慢,氮氣密封對FUCO降解具有一定程度的抑制作用,然而氧氣環境并沒有加劇FUCO的降解,與對照組的空氣密封曲線貼近,這可能與實驗貯藏期較短有關,不同的氣密條件對油體系中FUCO的影響可能會隨貯藏時間延長而表現出彼此間的差異。

圖4　氣體環境對水(a)、 油(b)模型體系中FUCO穩定性的影響Fig.4　Effect of the gaseous environment on the stability of fucoxanthin in aqueous(a)and oil(b)model systems

2.4水、油模型體系中FUCO的降解動力學

對不同溫度、抗氧化劑和氣體環境下FUCO含量的降解進行動力學分析,通過擬合0、1、2級降解動力學方程,將相應的具有重要意義的動力學參數:反應速率常數k、決定系數R2和降解半衰期t1/2總結在表1～表3中。通過比較速率常數k來推斷降解反應的快慢,通過比較決定系數R2來評估動力學模型對降解規律的擬合程度,通過觀察降解半衰期t1/2清晰對比不同條件下FUCO降解一半所需要的時間。從表1～表3中發現1級動力學模型的線性回歸決定系數R12大于0級和2級動力學模型的決定系數R02、R22,且R12>0.997,表明溫度、抗氧化劑和氣體環境對水、油模型體系中FUCO降解的影響可以用簡單的1級動力學模型來描述。

表2　不同氣體環境下水、油體系中FUCO的降解動力學參數Table 2　Degradation kinetic parameters of fucoxanthin stored in aqueous and oil model systems at different gaseous environments

表3　添加抗氧化劑的水、油體系中FUCO的降解動力學參數Table 3　Degradation kinetic parameters of fucoxanthin stored in aqueous and oil model systems with different antioxidants

從3個表中可知,不同體系、不同貯藏條件下FUCO含量的對數與貯藏時間之間呈現良好的線性關系,同一條件下油體系中FUCO的降解速率遠小于水體系的降解速率,表明FUCO在油體系中貯藏更加穩定,這與2.1、2.2和2.3結果一致。

由表1可知,水、油體系中FUCO的降解速率常數均隨著溫度的增加而急劇增大,這與Zhao等人[4]對不同溫度(25、37、60、80、100 ℃)卡諾拉菜籽油中FUCO降解及Ahmed等人[12]對不同溫度(70、80、90、105 ℃)木瓜汁中類胡蘿卜素降解研究結果相同,半衰期隨著溫度的增加而減小,說明隨溫度升高,FUCO發生劇烈的降解或異構化。

由表2可知,氮氣氣密處理使得水、油體系中FUCO的降解速率常數小于空氣密閉下FUCO的降解速率常數,而氧氣氣密下FUCO的降解速率常數最大,可見氮氣抑制了FUCO的降解,這種作用在油體系中尤為明顯,而氧氣加快了FUCO的降解,這種作用在水體系中更加明顯。

由表3中可知,在水體系中添加了PS后FUCO的降解速率常數最小,半衰期最大,達420.1 h,明顯提高了水體系中FUCO的穩定性,相反,添加了VC后FUCO的降解速率常數大于對照組,可見并沒有起到抑制FUCO降解的作用。在油體系中,觀察到所有抗氧化劑對FUCO降解均有一定程度的抑制作用,降解速率常數均小于對照組,且TBHQ的抑制降解效果最佳。

3　結論

本文探究了貯藏溫度、抗氧化劑及氣體環境對水、油模型體系中FUCO穩定性的影響,結果表明溫度是影響FUCO貯藏穩定性的主要因素,低溫貯藏能夠顯著提高FUCO的穩定性,隨著溫度的升高FUCO降解速度加快,不耐貯藏;抗氧化劑的添加對FUCO的降解具有一定的抑制作用,其中對水、油體系中FUCO降解抑制效果最佳的抗氧化劑分別是PS和TBHQ;氣密條件對水體系中FUCO穩定性的影響大于對油體系中FUCO穩定性的影響,氧氣明顯地促進水體系中FUCO的降解,氮氣密封貯藏在油、水體系中均能一定程度上提高FUCO的穩定性;經降解動力學分析,水、油模型體系中FUCO的降解遵循一級反應動力學模型。

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Study on stability of fucoxanthin in oil and aqueous model system

CHEN Xiao-li1,WANG Shu-hui2,ZHU Jun-xiang1,SUN Xiao-wen1,JIANG Jin-ju3,WANG Dong-feng1,*

(1.Food Science and Engineering School,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;2.Qingdao Municipal Center for Disease Control & Prevention,Qingdao 266033,China;3.Qingdao Bright Moon Seaweed Group Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China)

The effects of heating,antioxidants and gas environments on the stability of fucoxanthin in the oil and aqueous model system were investigated,and the degradation kinetics models of fucoxanthin were analyzed. The results showed that fucoxanthin was more stable in oil system than that in aqueous system,and fucoxanthin was relatively stable at low temperature storage. The degradation of fucoxanthin was promoted by the increase of heating temperature. In the aqueous model system,treated using three hydrophilic antioxidants,the effects of retard of degradation in descending order were as follows:sodium phytate>tea polyphenols>vitamin C. In the oil system,treated using five hydrophobic antioxidants,the effects of retard of degradation in descending order were as follows:tert-butyl hydroquinone>butylated hydroxy anisole>vitamin E>butylated hydroxytoluene>propyl gallate. In addition,the oxygen promoted the degradation of fucoxanthin,and the nitrogen could achieve preferable storage effect. The degradation of fucoxanthin was found to follow first-order kinetics under above-mentioned conditions through degradation kinetic analysis.

fucoxanthin;stability;temperature;antioxidants;oxygen;degradation kinetics

2016-01-06

陳曉利(1990-),女,碩士研究生,研究方向:水產品安全與質量控制,E-mail:chenxlovo@163.com。

汪東風(1956-),男,博士,教授,研究方向:食品化學與營養,E-mail:wangdf@ouc.edu.cn。

青島市黃島區自主創新重大項目(2014-3-11)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)14-0298-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.14.051