蛇莓果实花色苷的稳定性及其降解动力学_蔡祎.pdf
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1、现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 61 蛇莓果实花色苷的稳定性及其降解动力学 蔡祎,狄晓可,万美玉,白亚楠,史海龙,崔嘉纹,李洋*(华北理工大学药学院,河北唐山 063210)摘要:探究蛇莓果实花色苷在多种条件下的稳定性及降解动力学。采用 pH 示差法测定不同pH 值、温度、光照强度、氧化剂、还原剂、金属离子对花色苷稳定性的影响。研究表明,不同 pH 条件下蛇莓果实花色苷热降解符合一级动力学模型,花色苷在强酸性条件下的稳定性高于弱酸和中性条件;蛇莓果实花色苷的热稳定性较差,随着环境温度升高,降解速率k 增大,半
2、衰期和递减时间 D值缩短,pH 值2.0 时活化能最大为 68.65 kJ/mol,pH 值 5.0 时活化能最小为 42.35 kJ/mol,其降解为吸热非自发反应;6 000 lx 光照和H2O2均会加快蛇莓果实花色苷的降解,且花色苷在光照和 H2O2条件下降解均符合一级动力学模型,在光照条件下的降解速率为 0.012 3 d-1,半衰期 56.35 d,H2O2条件下降解速率随 H2O2体积分数的升高而增大;质量分数 0.20%的Na2SO3对蛇莓果实花色苷的降解有抑制作用;Na+、K+对蛇莓果实花色苷无影响,而 Al3+、Cu2+、Fe3+可显著破坏蛇莓果实花色苷的稳定性。综上,蛇莓果
3、实花色苷应尽量在酸性、低温、避光且无氧化剂及 Fe3+的条件下生产加工,以避免大量降解。关键词:蛇莓果实;花色苷;稳定性;降解动力学;一级动力学模型 文章编号:1673-9078(2023)06-61-69 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.6.0645 Stability and Degradation Kinetics of Anthocyanins in Mockstrawberry CAI Yi,DI Xiaoke,WAN Meiyu,BAI Yanan,SHI Hailong,CUI Jiawen,LI Yang*(School of Pharma
4、cy,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China)Abstract:To investigate the stability and degradation kinetics of anthocyanins in mockstrawberry under various conditions,the effects of different pHs,temperatures,light intensities,oxidizing agents,reducing agents and metal i
5、ons on the stability of anthocyanins were determined by the pH differential method.The research showed that the thermal degradation of anthocyanins in mockstrawberry under different pH conditions conformed to the first-order kinetic model,and the stability of anthocyanins under strong acid condition
6、s was higher than those under weak acid and neutral conditions;The thermal stability of anthocyanins in mockstrawberry was poor.With the increase of ambient temperature,the degradation rate k increased,and the half-life and the decline time D value shortened.The maximum activation energy was 68.65 k
7、J/mol at pH 2.0,and the minimum activation energy was 42.35 kJ/mol at pH 5.0.The thermal degradation was an endothermic and non-spontaneous reaction;Both 6 000 lx light and H2O2 could accelerate the degradation of anthocyanins in mockstrawberry,and the degradation of anthocyanins under light and H2O
8、2 conditions conformed to the first-order kinetic model.The degradation rate under lighting condition was 0.012 3 d-1,with the half-life being 56.35 d;the degradation rate increased with the increase of H2O2 volume fraction under H2O2;Na2SO3with a mass fraction of 0.20%had an inhibitory effect on th
9、e degradation of anthocyanins in mockstrawberry;Na+and K+had no effect on the stability of anthocyanins in mockstrawberry,whilst Al3+,Cu2+and Fe3+could significantly destroy the stability of anthocyaninsin mockstrawberry.In summary,the anthocyanins of mockstrawberry should be produced and processed
10、under the conditions of acidic pH,low temperature,light avoidance,and absence of oxidants and Fe3+to avoid a great deal of degradation.Key words:mockstrawberry;anthocyanin;stability;degradation kinetics;first-order kinetic model 引文格式:蔡祎,狄晓可,万美玉,等.蛇莓果实花色苷的稳定性及其降解动力学J.现代食品科技,2023,39(6):61-69.CAI Yi,DI
11、 Xiaoke,WAN Meiyu,et al.Stability and degradation kinetics of anthocyanins in mockstrawberry J.Modern Food Science and Technology,2023,39(6):61-69.收稿日期:2022-05-21 基金项目:河北省自然科学基金项目(H2021209059);华北理工大学大学生创新创业训练计划项目(X2019292);华北理工大学博士科研启动基金项目(25759799)作者简介:蔡祎(1999-),女,学士,研究方向:天然产物功能性成分,E-mail: 通讯作者:李洋(
12、1983-),男,博士,讲师,研究方向:天然产物功能性成分,E-mail: 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 62 蛇莓(Duchesnea indica Focke)别名鸡冠果、地 莓等,为蔷薇科蛇莓属植物,分布于辽宁以南各地,生长适应性强,产量大,具有抗肿瘤1、抗炎2、抑 菌3、抗氧化4等多种活性。成熟蛇莓果实为鲜艳的红色,花色苷是其主要呈色物质。研究表明,蛇莓果实中主要含有 3 种花色苷,含量最高的是矢车菊素-3-O-芸香糖苷5。花色苷是高等植物的次生代谢产物,展现出由蓝到紫一系列颜色,是最重要的一类水溶
13、性天然食用色素。花色苷由花色素通过糖苷键和各种糖连接在一起,属黄酮类化合物,表现出多种生物活性,是食品保健和医药领域研究的热点化合物。但由于花色苷结构不稳定,极易受 pH 值、温度、光照、氧气等环境因素影响而降解、褪色,极大限制了其在食品保健及医药工业中的应用。国内外针对花色苷稳定性的研究有大量报道,发现不同来源组成、不同环境因素作用下的花色苷稳定性和降解动力学均有所差异。Ekici 等6考察了葡萄皮、黑胡萝卜和紫甘蓝中的花色苷在不同温度下的热稳定性,发现 70 下分别损失 11.82%、9.36%和 2.57%,差异较大,且温度越高损失量越大。红树莓、紫土豆、黑莓等的花色苷降解符合一级动力学
14、模型7-9,而含有与蛇莓果实相同成分矢车菊素-3-O-芸香糖苷的桑椹花色苷,其自身的热降解符合一级动力学模型,但在葡萄糖、果糖、蔗糖体系中(70 时的葡萄糖体系除外),降解均不符合一级动力学模 型10。因而,需要对不同植物花色苷的稳定性和降解动力学分别进行考察,以促进其开发利用。蛇莓果实花色苷应用前景广阔,但对其稳定性的研究报道较少。本实验在不同 pH、温度、光照强度、氧化剂、还原剂、金属离子等条件下探讨其稳定性,计算降解动力学参数,为蛇莓果实花色苷在食品保健、医药领域的开发应用提供理论支持。1 材料与方法 1.1 材料与试剂 成熟蛇莓果实,采自华北理工大学校园内,挑选规格均匀的蛇莓果,于-8
15、0 超低温冰箱中保存。无水乙醇,天津市津东天正精细化学试剂厂;氢氧化钠、冰乙酸、氯化钠、氯化钾、氯化铝、二水合氯化铜、氯化铁,天津市致远化学试剂有限公司;盐酸(体积分数 36%38%),北京化工厂有限责任公司;=30%双氧水,天津市永大化学试剂有限公司;所有试剂均为分析纯。XDA-8 型大孔吸附树脂,西安蓝晓科技新材料股份有限公司。1.2 仪器与设备 ICC control eco18 型恒温器,德国 IKA 公司;Lambda 35 型紫外可见分光光度计,美国 PerkinElmer公司;FDU-1200 型冷冻干燥机,日本东京理化器械株式会社;PB-10 pH 计,美国 Sartorius
16、 公司;LS-5000低温光照仪,北京恒奥德仪器仪表有限公司。1.3 方法 1.3.1 蛇莓果实花色苷的制备 根据何晨阳等11的方法,称取适量蛇莓果实,按料液比 1:10(g:mL)加入体积分数 80%乙醇溶液,在36 下浸提93 min。将浸提液过滤、浓缩除去乙醇,浓缩液用预处理过的XDA-8树脂吸附3 h至溶液接近无色,用大量去离子水冲洗树脂,再用体积分数 60%乙醇溶液解吸,解吸液浓缩除去乙醇后在-80 冰箱过夜,冷冻干燥后得花色苷粉末,测定其花色苷含量为 133.9 mg/g。1.3.2 不同pH值蛇莓果实花色苷溶液的热处理 称取花色苷粉末配制成 1.00 g/L 的花色苷溶液。用2
17、mol/L NaOH溶液或2 mol/L HCl溶液调节pH值,分别配制 pH 值为 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的花色苷溶液,各取 15.00 mL 分别置于 7 支具塞试管中,分别放置于 40、50、60、70、80、90 的恒温器中,避光加热 5 h,每隔1 h 测定花色苷含量,平行测定 3 次。1.3.3 光照处理蛇莓果实花色苷溶液 配制 pH 值为2.0、质量浓度为 1.00 g/L 的花色苷溶液,各取40.00 mL 置于 2 支透光性良好的具塞试管中。分别将 2 支试管放于 6 000 lx 光照强度的光照仪和暗箱中,4 放置 18 d,每 2 d 取样
18、测定花色苷含量,平行测定 3 次。1.3.4 氧化剂与还原剂对蛇莓果实花色苷的影响 配制 pH 值为2.0、质量浓度为 1.00 g/L 的花色苷溶液,各取15.00 mL 分别置于 5 支具塞试管中,向各试管中分别加入 H2O2溶液至体积分数为 0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。室温避光放置 60 min,每 15 min测定花色苷含量,平行测定 3 次。配制 pH 值为2.0、质量浓度为 1.00 g/L 的花色苷溶液,各取15.00 mL 分别置于 5 支具塞试管中,向各试管中分别加入 Na2SO3溶液至质量分数为 0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20
19、%。室温避光放置 10 h,每 2 h 测定花色苷含量,平行测定 3 次。1.3.5 金属离子对蛇莓果实花色苷的影响 配制 pH 值为2.0、质量浓度为 1.00 g/L 的花色苷现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 63 溶液,各取 10.00 mL 分别置于 6 支具塞试管中,分别向各试管中加入等体积的 5 mmol/L Na+、K+、Al3+、Cu2+、Fe3+溶液和去离子水,室温避光放置 5 d,每隔1 d 测定花色苷含量,平行测定 3 次。1.3.6 蛇莓果实花色苷含量的测定 取2份1.00 mL蛇莓花色
20、苷溶液,分别加入4.00 mL的 KCl-HCl 缓冲液(pH 值 1.0)和 NaAc-HAc 缓冲液(pH 值 4.5),避光静置 20 min,之后分别在 527、700 nm 处测定吸光度(A)值。用 pH 示差法按式(1)(2)计算花色苷含量11。102012AAAAA (1)FwAMDl (2)式中:A10、A20蛇莓花色苷溶液加入 KCl-HCl 缓冲液后分别在527、700 nm 处吸光度值;A1、A2蛇莓花色苷溶液加入 NaAc-HAc 缓冲液后分别在527、700 nm 处吸光度值;花色苷的质量浓度,g/L;Mw蛇莓果实花色苷主要成分矢车菊素-3-O-芸香糖苷的摩尔质量59
21、5.2 g/mol;DF稀释倍数 5;矢车菊素-3-O-芸香糖苷的摩尔消光系数,=7 000 L/(molcm);l光程 1 cm。1.3.7 降解动力学数据计算 按式(3)计算蛇莓果实花色苷的残留率 r。0100%tr (3)式中:r蛇莓果实花色苷的残留率,%;tt 时刻花色苷的质量浓度,g/L;0花色苷的初始质量浓度,g/L。将残留率 r 代入零级动力学方程式(4)和一级动力学方程式(5)计算降解速率常数 k 并进行线性回归,根据相关系数确定反应级数。t0=kt()(4)t0=ekt(-)(5)式中:tt 时刻花色苷的质量浓度,g/L;0花色苷的初始质量浓度,g/L;k速率常数,h-1。由
22、 k 值计算蛇莓果实花色苷的半衰期 t1/2式(6)、递减时间 D 值式(7)。根据 Arrhenius 方程式(8),以 lnk 对 1/T 作图则曲线斜率为-Ea/R,计算活化能12。1/2ln2=tk (6)ln10=Dk (7)a0ln=ln-EkKRT (8)式中:t1/2半衰期,即花色苷降解 50%所需时间,h;D递减时间,即在一定温度下,花色苷初始浓度降低10 倍所需时间,h;Ea活化能,kJ/mol;R气体常数,R=8.314 J/(molK);T反应温度,K;K0频率因子,h-1。温度系数 Q10和 z 值按式(9)、(10)计算13。2110/(-)2101=T TkQk(
23、)(9)10ln10ln(10)zQ (10)式中:Q10温度系数,即温度升高10 时花色苷的降解情况;T反应温度,;kT 温度下的降解速率,h-1;z值表示导致降解速率变化 10 倍的温度区间,。1.3.8 热力学参数计算 各温度下的热力学参数焓变 H、Gibbs 自由能G 和熵变 S 按式(11)、(12)和(13)计算14。a/kJ/molHERT()(11)/kJ/mollnBkhGRTk T()(12)/kJ/(mol K)HGST()(13)式中:h普朗克常数,h=6.626 110-34 Js;kB玻尔兹曼常数,kB=1.380 610-23 J/K;T反应温度,K;k降解速率,
24、h-1。1.3.9 数据分析 采用SPSS 25.0软件,结果用平均值标准差(xs)表示,组间比较采用单因素方差分析,并用Origin 软件对数据制图,P0.05 表示差异具有统计学意义。现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 64 2 结果与分析 2.1 温度和 pH 值对蛇莓果实花色苷稳定性的影响 2.1.1 温度和 pH 值对残留率的影响 在相同 pH 条件下,加热时间越长、温度越高,蛇莓果实花色苷的降解量越大,如图 1 所示,40 加热 5 h,pH 值 1.07.0 溶液的花色苷残留率分别为90.62%、9
25、1.48%、90.88%、89.13%、88.13%、81.27%、73.77%,而90 加热5 h 后,pH 值 1.07.0 溶液中的花色苷仅有 23.56%、28.12%、22.34%、20.41%、16.09%、6.63%、0.49%。可见蛇莓果实花色苷在低温环境中更稳定,适宜在较低温度下处理。图 1 蛇莓果实花色苷在不同 pH 值、不同温度下加热 5 h 残留率的变化 Fig.1 Changes in the residual rate of anthocyanins from mockstrawberry fruits heated for 5 h at different pH
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