桑葚花青素的穩(wěn)定性及降解動(dòng)力學(xué)研究

摘要：桑葚花青素不穩(wěn)定，外界因素的變化容易造成其降解。該試驗(yàn)以花青素保留率和顏色變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察了光照、pH值、溫度、添加劑、金屬離子等因素對(duì)桑葚花青素穩(wěn)定性的影響并探究其降解動(dòng)力學(xué)。結(jié)果顯示：室外光照加速了花青素的降解，k值由避光條件的1.80×10-2升高至14.12×10-2，t1/2由避光條件的38.5 h降至5.2 h。酸性環(huán)境（pH值1.00，3.00）下花青素的穩(wěn)定性高，中性（pH值7.00）、堿性（pH值9.00）時(shí)花青素易發(fā)生降解，96 h后花青素的保留率分別降至83.25%、72.44%，顏色由酸性時(shí)的紅色分別變?yōu)榛揖G色、墨綠色?；ㄇ嗨卦?0，100 ℃分別放置10 h后ΔE*分別變?yōu)?.409 7，6.192 8，紅色褪去，花青素的保留率僅為65.39%、38.83%。酸度劑（檸檬酸）對(duì)花青素有明顯的穩(wěn)定和增色作用，防腐劑（山梨酸鉀、苯甲酸鈉）、抗氧化劑（抗壞血酸）加速了花青素的降解。Al3+、Fe3+、Fe2+等金屬離子的加入在一定程度上破壞了花青素的結(jié)構(gòu)，顏色分別變?yōu)樗{(lán)紫色、黃褐色、藍(lán)黑色。桑葚花青素的貯藏穩(wěn)定性較差，適合低溫、避光和酸性環(huán)境，并避免接觸防腐劑、抗氧化劑等添加劑和鐵、鋁制品。該試驗(yàn)結(jié)果為花青素的貯藏、加工和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：桑葚；花青素；穩(wěn)定性；顏色變化；保留率；降解動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：TS264.4""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1000-9973（2024）08-0179-07

Study on Stability and Degradation Kinetics of Anthocyanins from Mulberry

QIU Ju1， CHEN Jing-si2， CHEN Bing-yi1， DENG Sha1， LYU Yuan-ping1*

（1.College of Biomass Science and Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2.School of Public Health， Suzhou Medical College of Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： Mulberry anthocyanins are unstable and can be easily degraded due to the change of external factors. In this study， with anthocyanin retention rate and color change as the evaluation indexes， the effects of light， pH value， temperature， additives， metal ions and other factors on the stability of mulberry anthocyanins are investigated and the degradation kinetics is explored. The results show that outdoor light accelerates the degradation of anthocyanins， k value increases from 1.80×10-2 under dark conditions to 14.12×10-2， and t1/2 decreases from 38.5 h to 5.2 h. The stability of anthocyanins is high in acidic environment （pH value of 1.00， 3.00）. Anthocyanins are prone to degradation in neutral （pH value of 7.00） and alkaline environments （pH value of 9.00）， after 96 h， the anthocyanin retention rates decrease to 83.25%， 72.44% respectively， and the color changes from red in acidic encironment to grayish green and dark green respectively. After being stored at 80， 100 ℃ for 10 h， the ΔE* of anthocyanins changes to 3.409 7， 6.192 8 respectively， and the red color fades. The retention rates of anthocyanins are only 65.39% and 38.83%. Acidity agent （citric acid） has a significant stabilizing and coloring effects on anthocyanins， while preservatives （potassium sorbate， sodium benzoate） and antioxidant

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.08.030

引文格式：邱菊，陳婧司，陳冰藝，等.桑葚花青素的穩(wěn)定性及降解動(dòng)力學(xué)研究.中國(guó)調(diào)味品，2024，49（8）：179-185.

QIU J， CHEN J S， CHEN B Y， et al.Study on stability and degradation kinetics of anthocyanins from mulberry.China Condiment，2024，49（8）：179-185.

收稿日期：2024-02-27

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFN0149）；四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFSY0031）

作者簡(jiǎn)介：邱菊（1998—），女，碩士，研究方向：食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)健康。

*通信作者：呂遠(yuǎn)平（1971—），女，教授，博士，研究方向：食品科學(xué)。

（ascorbic acid） accelerate the degradation of anthocyanins. The addition of Al3+， Fe3+， Fe2+ and other metal ions destroy the structure of anthocyanins to a certain extend， and the color changes to blue purple， yellow brown， blue black respectively. Mulberry anthocyanins have poor storage stability， and are suitable for low-temperature， dark and acidic environments， and should avoid contact with preservatives， antioxidants and other additives， as well as iron and aluminum products. The research results have provided basic data and theoretical basis for the storage， processing and application of anthocyanins.

Key words： mulberry; anthocyanins; stability; color change; retention rate; degradation kinetics

桑葚是全球多個(gè)地區(qū)均有分布的高價(jià)值、高營(yíng)養(yǎng)?？浦参铮谖覈?guó)已有四千年的栽培歷史，含有15個(gè)種和4個(gè)亞種。桑葚中的功能性成分包括花青素、多酚、多糖、生物堿等，其中天然色素——花青素賦予桑葚果實(shí)顏色，還具有抗氧化、降血糖、抗炎抑菌等生理活性，因而受到消費(fèi)者的青睞。研究表明，桑葚果實(shí)中主要的花青素種類有矢車菊素-3-O-葡萄糖苷（cyanidin-3-O-glucoside，C3G）、矢車菊素-3-O-蕓香糖苷（cyanidin-3-O-rutinoside，C3R）和天竺葵素-3-葡萄糖苷（pelargonidin-3-glucoside，Pg3G）?；ㄇ嗨亟Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在加工、儲(chǔ)藏過(guò)程中容易發(fā)生降解，破壞食品固有的色澤且降低其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生理活性。因此，研究其穩(wěn)定性對(duì)花青素深加工和應(yīng)用具有重要意義。目前桑葚成分和穩(wěn)定性研究的欠缺極大限制了桑葚的深加工及應(yīng)用。本試驗(yàn)以桑葚花青素為研究對(duì)象，以顏色變化和花青素保留率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析光照、pH值、溫度、食品添加劑和金屬離子等因素對(duì)桑葚花青素穩(wěn)定性的影響并進(jìn)行降解動(dòng)力學(xué)研究，有助于規(guī)范評(píng)價(jià)花青素水果加工、貯藏的顏色和色素穩(wěn)定性。

1" 材料與方法

1.1" 材料與試劑

桑葚果干（品種：黑桑）：鹽邊縣攀鄉(xiāng)食品有限公司。

C3G（純度≥98%）：成都麥德生科技有限公司；鹽酸、乙醇、氯化鈉、氯化鈣、氯化鋁、氯化鎂、氯化鐵、氯化亞鐵、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、山梨酸鉀、苯甲酸鈉、檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖、木糖醇：成都嘉瑞澤科技有限公司；以上試劑均為分析純。

1.2" 儀器與設(shè)備

UV-6000PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)" 上海元析儀器有限公司；CM-5型色差儀" 日本柯尼卡美能達(dá)公司；H1850高速離心機(jī)" 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；PHS-3C型pH計(jì)" 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.3" 試驗(yàn)方法

1.3.1" 桑葚花青素濃縮液的制備

以桑葚果干粉碎過(guò)20目標(biāo)準(zhǔn)篩作為原料，pH值2.00的65%乙醇作為提取溶劑，在料液比1∶20（g/mL）、功率180 W、45 ℃的條件下超聲提取25 min，離心收集上清液，40 ℃旋蒸濃縮至原體積的1/3。

1.3.2" 花青素穩(wěn)定性的研究

1.3.2.1" 光照

取10 mL桑葚花青素濃縮液，用超純水定容至500 mL。將其分別于室溫避光、室內(nèi)光照和室外光照環(huán)境下放置96 h，以各試樣0 h的L*值、a*值、b*值作為標(biāo)準(zhǔn)顏色，間隔測(cè)定各試樣的L*值、a*值、b*值以及花青素的保留率，并計(jì)算其光降解動(dòng)力學(xué)。

1.3.2.2" pH值

取10 mL桑葚花青素濃縮液，用超純水定容至500 mL。用0.1 mol/L HCl和NaOH分別調(diào)節(jié)pH值為1.00，3.00，5.00，7.00，9.00，放置96 h，以各試樣0 h的L*值、a*值、b*值作為標(biāo)準(zhǔn)顏色，間隔測(cè)定各試樣的L*值、a*值、b*值以及花青素的保留率，并計(jì)算其pH降解動(dòng)力學(xué)。

1.3.2.3" 溫度

取10 mL桑葚花青素濃縮液，用超純水定容至500 mL。將其分別于4，25，40，60，80，100 ℃的溫度下放置10 h，以各試樣0 h的L*值、a*值、b*值作為標(biāo)準(zhǔn)顏色，間隔測(cè)定各試樣的L*值、a*值、b*值以及花青素的保留率，并計(jì)算其熱降解動(dòng)力學(xué)。

1.3.2.4" 食品添加劑

取10 mL桑葚花青素濃縮液，用超純水定容至500 mL，其初始L*值、a*值、b*值作為標(biāo)準(zhǔn)顏色。另取10 mL桑葚花青素濃縮液，添加山梨酸鉀、苯甲酸鈉、檸檬酸、抗壞血酸、葡萄糖、木糖醇，使添加劑的質(zhì)量濃度為1 g/L，放置96 h，間隔測(cè)定各試樣的L*值、a*值、b*值以及花青素的保留率。

1.3.2.5" 金屬離子

取10 mL桑葚花青素濃縮液，用超純水定容至500 mL，其初始L*值、a*值、b*值作為標(biāo)準(zhǔn)顏色。另取10 mL桑葚花青素濃縮液，添加Na+、Mg2+、Al3+、Ca2+、Fe3+、Fe2+，使金屬離子的濃度為0.1 mol/L，放置96 h，間隔測(cè)定各試樣的L*值、a*值、b*值以及花青素的保留率。

1.3.3" 顏色的測(cè)定

采用CM-5型色差儀測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖1。

顏色值L*為亮度變量，a*和b*為色度坐標(biāo)，色差ΔE*表示顏色的變化程度，ΔE*=3作為肉眼觀察顏色變化的界限，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)顏色發(fā)生肉眼可見(jiàn)的變化。計(jì)算方式見(jiàn)公式（1）：

ΔE*=" ΔL*2+Δa*2+Δb*2。（1）

式中：ΔL*、Δa*、Δb*表示試樣與標(biāo)準(zhǔn)顏色之間的差值。

1.3.4" 保留率的測(cè)定

已知在530 nm處桑葚花青素濃縮液有特征吸收峰，以C3G為標(biāo)準(zhǔn)品，得回歸方程：y=0.033x-0.006 9，R2=0.999 6。分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液初始吸光度A0和樣液存放后吸光度A1，花青素的保留率按公式（2）計(jì)算：

花青素的保留率（%）=A1A0×100%。（2）

1.3.5" 花青素降解

研究表明花青素的降解遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。降解公式見(jiàn)公式（3）和公式（4）：

Ct=C0e-kt。（3）

t1/2=ln（2）/k。（4）

式中：C0為反應(yīng)起始的含量，mg/g；Ct為一定溫度下處理t min后的含量，mg/g；k為動(dòng)力學(xué)常量；t為處理時(shí)間，min；t1/2為降解反應(yīng)的半衰期，h。

1.4"" 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均取平行試驗(yàn)3次后的平均值，采用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，Origin 2018軟件繪圖，Adobe Photoshop CS6軟件根據(jù)樣品的L*值、a*值和b*值創(chuàng)建顏色擬合圖。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 光照對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

光照對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖2、圖3和表1。

由圖3可知，分別在室內(nèi)光照和避光條件下存放96 h后，花青素溶液的顏色變化很小，色差ΔE*僅為0.789 4，0.526 2。而室外光照條件下，花青素的顏色隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而褪去，48 h時(shí)ΔE*升高至3.389 2，肉眼能區(qū)別顏色的變化，96 h后ΔE*升高至4.586 1，顏色進(jìn)一步褪去。

由表1可知，3種條件下花青素均處于降解狀態(tài)且變化趨勢(shì)一致，室外光照條件下的降解速度大于避光條件下。室內(nèi)光照和避光處理的樣品在放置96 h后花青素的保留率相差不大，均在90%左右，其降解速率k和半衰期t1/2分別為3.19×10-2，1.80×10-2和21.7，38.5 h。而室外光照下花青素的保留率在24 h時(shí)下降為91.97%，96 h時(shí)僅為57.93%，降解速率k增大至14.12×10-2，半衰期t1/2下降至5.2 h。陽(yáng)光直射破壞了花青素碳環(huán)的不飽和鍵，C4位生成中間產(chǎn)物水解C2，導(dǎo)致開(kāi)環(huán)，生成查爾酮結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)?，4，6-三羥基苯甲酸、苯甲酸等小分子產(chǎn)物。因此，加工過(guò)程中桑葚花青素應(yīng)避免陽(yáng)光直射，避光放置更有利于長(zhǎng)期保存。

2.2nbsp; pH值對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響

pH值的變化對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖4、圖5和表2。花青素主要由4種結(jié)構(gòu)組成，分別是黃烊鹽正離子、查爾酮、醇型假堿和醌式堿，不同pH值條件下的組成比例不同，因而呈現(xiàn)不同的顏色。

由圖4可知，在pH值為1.00和3.00的環(huán)境下，花青素呈現(xiàn)鮮艷的紅色，主要由穩(wěn)定的黃烊鹽正離子構(gòu)成，pH值越小則色澤越鮮艷，并且保存96 h后色澤幾乎無(wú)變化，ΔE*僅為0.575 1，0.588 4，花青素的保留率高于90%。在pH值為5.00（弱酸）和7.00（中性）的環(huán)境下，花青素的顏色發(fā)生變化，鮮紅色逐漸褪成玫瑰粉色和灰綠色，ΔE*分別升高至2.185 7和2.379 4，放置96 h時(shí)花青素的保留率為88.76%和83.25%，花青素結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為無(wú)色的查爾酮、醇型假堿。而在pH值為9.00（弱堿）的環(huán)境下，花青素顏色立即變?yōu)槟G色，放置24 h時(shí)ΔE*為2.158 1，花青素的保留率降為82.83%，此時(shí)主要為醌式堿結(jié)構(gòu)。96 h后花青素的保留率僅為72.44%，ΔE*升至4.725 6，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，醌式堿結(jié)構(gòu)累積使得溶液顏色逐漸從墨綠色變?yōu)辄S色，這與Li等的研究結(jié)果一致。

由表2可知，隨著pH值的升高，花青素的降解速率由pH值為1.00時(shí)的1.92×10-2升至pH值為9.00時(shí)的7.55×10-2，增加了4倍。半衰期t1/2也明顯降低，在pH值為1.00和3.00時(shí)t1/2分別為36.2，34.0 h，堿性環(huán)境（pH值9.00）下t1/2下降至9.2 h，僅為原來(lái)的1/4。結(jié)果表明，酸性條件下花青素的穩(wěn)定性高，中性和堿性環(huán)境下花青素容易發(fā)生降解，因此在加工和保存過(guò)程中應(yīng)盡量使花青素處于酸性環(huán)境。

2.3" 溫度對(duì)花青素顏色穩(wěn)定性的影響

4～100 ℃不同溫度條件下桑葚花青素溶液保存10 h的穩(wěn)定性變化情況見(jiàn)圖6、圖7和表3。

由圖6和圖7可知，當(dāng)溫度在60 ℃以下時(shí)，肉眼幾乎看不到花青素顏色的變化，10 h時(shí)ΔE*分別為0.083 3（4 ℃），0.247 4（25 ℃），0.557 6（40 ℃），1.214 2（60 ℃），花青素的保留率均在90%以上。當(dāng)溫度分別升高到80，100 ℃時(shí)，10 h時(shí)ΔE*分別升高至3.409 7，6.192 8，花青素的保留率僅為65.39%、38.83%，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液的紅色明顯變淡，這與Jampani等、欒琳琳的研究結(jié)果一致，溫度升高到80 ℃時(shí)使得穩(wěn)定的黃烊鹽離子轉(zhuǎn)化為查爾酮結(jié)構(gòu)，加速花青素的顏色褪去，穩(wěn)定性變差。隨著溫度的升高，樣品中的花青素發(fā)生明顯降解，由表3可知，4 ℃時(shí)k值為0.07×10-2，t1/2值為1 066.4 h，與80 ℃時(shí)k值為4.22×10-2、t1/2值為16.4 h相差約60倍，與100 ℃時(shí)k值為8.95×10-2、t1/2值為7.7 h相差約130倍。受熱促進(jìn)花青素氧化，引起共價(jià)鍵斷裂而加速降解，溫度升高導(dǎo)致降解速率增大、半衰期減小，說(shuō)明其為吸熱反應(yīng)。因此，桑葚花青素的貯存、加工應(yīng)該在低溫環(huán)境下進(jìn)行。

2.4" 添加劑對(duì)花青素顏色穩(wěn)定性的影響

添加劑對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖8、圖9和表4。

葡萄糖和木糖醇作為常用的甜味調(diào)節(jié)劑，添加后保存96 h時(shí)ΔE*分別為0.711 0和0.683 2，顏色沒(méi)有明顯的變化，且花青素的保留率高于90%。雖然甜味劑組的ΔE*均隨著時(shí)間的推移而增大，但48 h后其顏色變化程度均保持在對(duì)照組以下，且增長(zhǎng)幅度小于對(duì)照組，說(shuō)明糖的添加對(duì)花青素的長(zhǎng)期保存有一定的維穩(wěn)效果。Hubbermann等研究報(bào)道指出，糖的加入使得溶液中水分活度降低，可以減緩黃烊鹽離子的水合反應(yīng)，從而穩(wěn)定花青素的紅色。

抗壞血酸作為抗氧化劑，具有強(qiáng)抗氧化功能，但它的添加會(huì)對(duì)花青素產(chǎn)生破壞作用。本試驗(yàn)中添加抗壞血酸的花青素溶液的ΔE*在96 h的保存時(shí)間內(nèi)均高于對(duì)照組，96 h后花青素的保留率為86.61%，低于對(duì)照組的93.88%?？箟难峥梢耘c花青素形成過(guò)氧化氫，進(jìn)而裂解成芘環(huán)，使得花青素降解加速。Gerard等研究認(rèn)為抗壞血酸導(dǎo)致花青素在酸性溶液中降解加速并降低顏色的穩(wěn)定性，且具有濃度依賴性，濃度越大破壞越嚴(yán)重。因此，若將桑葚花青素用于加工，應(yīng)避免抗壞血酸的加入。

酸度調(diào)節(jié)劑檸檬酸可以有效增色，常用于加工食品中，延長(zhǎng)其保質(zhì)期。相較于對(duì)照組，添加檸檬酸的花青素溶液在整個(gè)貯藏期間均保持鮮艷的紅色，吸光度增大，ΔE*維持在2左右。一方面，檸檬酸會(huì)釋放H+，降低溶液的pH值，使得溶液處于穩(wěn)定的酸性環(huán)境，促進(jìn)花青素結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向紅色黃烊鹽離子。另一方面，本試驗(yàn)中測(cè)定的花青素含量以單體的C3G為準(zhǔn)，而檸檬酸有助于桑葚中花青素由聚合轉(zhuǎn)向單體形式，因而含量高于對(duì)照組。

防腐劑山梨酸鉀、苯甲酸鈉的加入使得花青素溶液顏色明顯褪去，ΔE*瞬間升至3.524 0，2.826 4，保留率下降至75.57%、83.94%，表明二者的加入對(duì)花青素的穩(wěn)定性有明顯的破壞作用，此后的時(shí)間內(nèi)ΔE*和保留率均沒(méi)有顯著變化。劉瑜等報(bào)道稱，添加0.2～1.0 g/L的山梨酸鉀、苯甲酸鈉，花青素含量隨著添加濃度的增加而降低，在桑葚花青素溶液的加工中應(yīng)降低添加劑的劑量。

2.5" 金屬離子對(duì)花青素顏色穩(wěn)定性的影響

不同金屬離子對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖10、圖11和表5。處理96 h后，Na+、Mg2+、Ca2+的添加對(duì)花青素的影響不大，相較對(duì)照組沒(méi)有明顯變化。與此相反，Al3+、Fe3+、Fe2+加入溶液后顏色立即發(fā)生肉眼可見(jiàn)的變化，ΔE*分別升高至10.678 4，27.785 6，10.154 2。Fe3+使得溶液顏色變?yōu)辄S褐色，96 h后花青素的保留率僅為80.22%，可能是Fe3+的強(qiáng)氧化作用破壞了花青素中的酚羥基，導(dǎo)致降解加速。而在剛添加Al3+時(shí)溶液迅速變?yōu)樗{(lán)紫色，Al3+和花青素結(jié)構(gòu)上的酚羥基、甲氧基等基團(tuán)形成了藍(lán)色絡(luò)合物。Fe2+一部分與花青素絡(luò)合，一部分被氧化成Fe3+，使得溶液形成藍(lán)黑色，并產(chǎn)生絮狀沉淀。與金屬離子共著色導(dǎo)致溶液在530 nm處的最大吸收峰消失，無(wú)法測(cè)定Al3+組、Fe2+組的吸光度，因此食品生產(chǎn)中應(yīng)避免桑葚花青素與鐵、鋁制品的接觸。

3" 結(jié)論

桑葚因富含花青素而受到廣泛關(guān)注，花青素的不穩(wěn)定性使其在應(yīng)用過(guò)程中受到很大的限制。本試驗(yàn)考察了5個(gè)因素對(duì)桑葚花青素穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，室外光照加速了花青素的降解。酸性環(huán)境（pH值1.00，3.00）下花青素的穩(wěn)定性高，中性（pH值7.00）、堿性（pH值9.00）時(shí)易發(fā)生降解，顏色發(fā)生變化。高溫（80，100 ℃）導(dǎo)致花青素紅色褪去。添加檸檬酸對(duì)花青素有維持穩(wěn)定、防止降解和增色的作用，防腐劑（山梨酸鉀、苯甲酸鈉）、抗氧化劑（抗壞血酸）加速了花青素的降解。加入Al3+、Fe3+、Fe2+等金屬離子會(huì)破壞花青素的結(jié)構(gòu)，降低其穩(wěn)定性，在使用時(shí)應(yīng)注意避免。本試驗(yàn)為擴(kuò)大花青素的加工、應(yīng)用及貯藏提供了參數(shù)依據(jù)。

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