黑莓汁花色苷热降解动力学及降解机理

江苏农业学报( Jiangsu J. of Agr. Sci. ) ,2011,27(5)1111 -11161111张丽霞,周剑忠,顾振新,等.黑莓汁花色苷热降解动力学及降解机理[J].江苏农业学报,2011 21(51)111111黑莓汁花色苷热降解动力学及降解机理张丽霞'，周剑忠'，顾振新”，黄开红'， 刘小莉',陆卿卿'(1.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京210014; 2. 南京农业大学食品科技学院,江苏南京210095)摘要:本文研究了黑莓汁中的花色苷在不同pH值( pH 2.0,pH 3. 0,pH 4.0)和不同温度(70 C、80 C和90C )处理下的热稳定性,并测定了花色苷热降速率(k) ,半衰期(1r)及热降解活化能( Ea)。同时采用高效液相色谱( HPLC-DAD)检测了黑莓汁花色苷热降解过程中组成成分的变化，并研兖其降解机理。热降解动力学数据分析结果表明:黑鞯汁花色苷降解遵循级反应动力学方程,其热降解速率和半衰期随着pH值和温度的升高而增加，热降解活化能则随着pH值和温度的升高而降低。在黑莓汁花色苷降解过程中发现,矢车菊-3-0-草酸酐酰葡萄糖苷和矢车菊3-0-丙二酸酰葡萄糖苷的浓度随着加热时间的延长而增加，而矢车菊3-0-芸香苷、矢车菊3-0-木糖苷锦葵-3-0-葡萄糖苷浓度随着加热时间延长而减少,原因可能是黑莓汁花色苷在降解之后与草酸和丙二酸反应生成新的矢车菊-3-0-草酸酐酰葡萄糖苷和矢车菊3-0-丙二酸酰葡萄糖苷。关键词:黑莓汁; 花色苷;降解动力学;机理中图分类号: S663.2文献标识码: A文章编号: 10004440(2011)05-1111-06Degradation kinetics of anthocyanins in blackberry juice and its mechanismsZHANG Li-xial'"，ZHOU Jan-zhong'，GU Zhen-xin'，HUANG Kai-hong'， LIU Xiao-li'，LU Qing qing'(1. lstiue of Farm Produa Pecesin, Jiangxu Academy of Agriculural Siences, Naning 210014, China; 2. Collge of Food Soience and Technology,Nanjing Agricultural Univrsity , Nanjing 210095, China)Abstract: The stability of anthocyanins in blackberry juice at seleted temperatures (70C, 80C and 90C) and pHvalues (pH 2.0, pH 3.0 and pH 4. 0) was studied, and degradation parameters such a8 half-life( tyn) ,rate constant(k) andactivation energy( Ea) were alo determined. To study the degradation mechanism, the anthocyanin components during degra-dation were determined by HPLC-DAD. Analysis of the kinetic data indicated that the thermal degradation of anthocyaninsfllowed finst-order reaction kinetics. The values of k and In inreased with the increase of pH and temperature, and Ea de-creased wth the increase of pH and temperature. During its degradation, the contents of craidin-dixalylylucoside and cy-anidin-3-glucoside acylated with malonic acid acceleraled with the extending of heating time, while the contents of cyanidin-3-rutinoside, cyanidin-3-xyloside and malvidin-3-glucoside declined with the extending of heating time. One reason may be thatafter degradation of anthocyanins in blackberry juice , they tum into new acidylated anthocyanins.Key words: blackbery; anthocyanin; degradation kinetics; degradation mechanism黑莓果实中含有大量的花色苷,其组分主要为收稿日期:2010.0407矢车菊-3-0-葡萄糖苷,还有少量矢车菊3-0-芸香基金项目:江苏省自然科学基金项目( BK2011683) ;江苏省农业工程苷、矢车菊-3-0-木糖苷、锦葵-3-0-葡萄糖苷和2种三项项目[CX(2010)178];江苏省农业科技自主创新自酰化的矢车菊花色苷(矢车菊-3-0-丙二酸酰葡萄糖由探索基金项目[C(11)4025]作者简介:张明霞(1979-),女河南驻马店人,博土研究生,助理研兖苷和矢车菊3_0_草酸酐酰葡萄糖苷)川。黑莓汁花，员,研究方向为生物技术与食品资源高效利用。色苷已经被证明具有诸多医疗和保健功能,如抗氧通讯作者:顾振新(el)025 8436293:(Ermil)lux@e njau. edu. cn化作用(抑制质脂过氧化及清除自由基活性)、降低1112江苏农业学报2011年第27卷第5期血清胆固醇和中性脂肪、抗变异、改善肝功能及提高省金坛市恒丰仪器制造有限公司生产);LC-210.2视力等l25] ,在食品、药品、化妆品等领域有着广阔的精密电子天平(德国赛多利斯股份有限公司生产)。应用前景。.1.3 试验方法花色苷极不稳定，易受温度、pH值、抗坏血1.3.1黑莓汁的制备 冷冻黑莓于4 C解冻10 h酸、金属离子、光、有机酸、糖和酶等因素的影响后蒸汽热烫3 min,用组织捣碎机破碎30 s得到黑而发生降解“°。热加工是食品保藏(尤其是果汁莓浆。果胶酶和果浆复合酶制剂(参照酶的最适反饮料)最广泛应用和最有效的方式之一,但是可应条件)分别用去离子水稀释5倍后加人黑莓浆能会导致其品质的下降。提高温度会影响花色中,45 C保温搅拌2 h,酶解后加热到90 C灭酶5苷的稳定性,而且引起花色苷单体聚合,导致褐min ,冷却后,4 500 r/min离心15 min,上清液即为黑变,这种现象在食品(尤其果汁)中是最不期望发莓汁,存于4 C冰箱中备用5)。生的,消费者会把它当作食品劣变的象征”。因.1.3.2 热降解试验 取3份等量黑莓汁溶液,用此，黑莓果实加工品如黑莓汁、黑莓酒、黑莓酱等10mol/LHCl和10mol/LNaOH溶液将pH值分在加工和贮藏过程中的颜色劣化，成为影响该类别调至pH2.0、pH3.0、pH4.0后，用蒸馏水调整产品品质的主要因素。为相同体积，分别置于70C、80C、90C恒温水关于花色苷热降解动力学,国内外已在多种水果浴锅中保温,每1 h取样一次,共取样5次,取出的中均有报道,例如草莓桑果、樱桃、石榴、杨梅、血脐样品立即用自来水冷却后置于暗处待测,重复3橙等[843] ,这些研究结果都表明花色苷的热降解遵循次,取平均值。-级反应动力学规律。Wang 等研究了黑莓汁和黑莓1.3.3花色苷含量的测定 黑莓汁 花色苷的测定参浓缩汁中花色苷在不同温度下的热降解动力学方考Wrolstad等[16]和Lee等[17]的方法进行。测定方法程“4),但是关于pH值对黑莓汁花色苷降解动力学的如下:取2个10 ml容量瓶分别加入1 ml花色苷提取影响及降解机理未见报道。本试验研究了不同pH液,分别用pH 1.0缓冲液[KCl (0.2 mol/L) : HCl值和不同温度下黑莓汁花色苷的热稳定性,分析了降(0.2 mol/L)=25:67 (体积比)]和pH 4.5缓冲液解过程中各参数的变化规律，并推导了其热降解动力[NaAc(1 mol/L) : HCI(1 mol/L) : H,0=100:60 :学方程,且建立了热降解动力学模型，同时采用高效90(体积比)]定容,避光静置2 h,分别检测波长为液相色谱仪( HPLC)检测在热降解过程中黑莓汁花色520 nm和700 nm处吸光值A。花色苷含量按下列公苷组分及含量的变化，分析了其降解机理,为有效控式计算(结果以矢车菊-3-0-葡萄糖苷计):制黑莓汁花色苷的降解提供理论依据。黑莓汁花色苷含量(mg/L)= (AxMWxDFx1 000)/(ex1)1材料与方法式中A为在pH1.0条件下检测波长为520nm.1.1材料 与试剂处的吸光度(As20 m)与700 nm处的吸光度(A00om )黑莓( Hull,冷冻)购自南京新得力食品有限公之差减去pH4.5条件下检测波长520nm处的吸光司;果胶酶、果浆复合酶由济宁生物工程有限公司生度(A2om)与700 nm处的吸光度(A0om)之差。产;氢氧化钠、盐酸等均为分析纯,由上海医药集团MW为矢车菊-3-O-葡萄糖苷的相对分子质量有限公司生产。449.2,DF为稀释倍数10,e为矢车菊3~葡萄糖苷1.2仪器与设备的摩尔消光系数26 900,1为比色皿的光程长度。高效液相色谱仪Waters Acouity Uplc 为美国1.3.4 HPLC 检测黑莓汁花色苷组分液相色谱Waters公司产品,配有DAD检测器;色谱柱: BEH条件():采用BEH C18(2.1 mmx 100.0 mm，1. 7Crg(2.1 mmx 100.0 mm,1.7 μm)。μm),28C,进行HPLC分离,检测器为二极管检测UV-1600 PC紫外可见分光光度计(上海美谱达器(DAD)。进液量为10 μ,洗脱液为0.1%甲酸.仪器有限公司生产);WSC-S色差计(上海精密仪器(体积比)和乙腈,流速为0.3 m/min,梯度洗脱。仪表有限公司生产);RE600旋转蒸发仪(上海亚荣检测波长为280 nm,二极管检测器在200 ~ 600 nm生化仪器厂生产) ;XYJ-2型台式高速离心机(江苏紫外扫描,洗脱顺序见表1。张丽霞等:黑莓汁花色苷热降解动力学及降解机理1113表1黑莓汁花色苷洗脱顺序公式计算:Table 1 Elution order of anthocyanins In blackberry juicelnk =lnK。-Ea/RT时间(min)0.1%甲酸(%)乙腈(%)式中k为热降解速率常数( min-);R为气体常数0100I58020(8.314x103 kJ/mol●K);Ks为频率常数( min-' );T为6040温度(K)。以上各项指标均测定3次,取其平均值。25002结果1.3.5 黑莓汁花色苷热降解动力学分析 根据花2.1 pH 值和温度对黑莓花色苷稳定性的影响色苷残留率,按以下公式计算一级动力学反应速率由图1-A、1-B、1-C可以看出,在同一温度条件常数(k):下，黑莓汁花色苷的降解速率随着pH值的升高而ln(C,/C,)=-kt :式中C,为加热前花色苷初始浓度,C为加热后增加,表明在低pH值条件下有利于黑莓汁花色苷的稳定。此外还可以看出(图1-D),在pH值为3.0花色苷浓度,t为热处理时间(h)。条件下,黑莓汁花色苷的降解速率随温度的升高而花色苷降解的半衰期(tn)用下式计算:增加,且-ln( CVC。)与热处理时间(I)之间呈线性关hn=-]n0. 5/k花色苷热降解活化能[ Ea(kJ/ mol)]根据以下系,表明其降解符合- -级动力学方程。2[ B1.0-o.st3一434时间面I)时间)◆pH20;景pH3.0; . pH4.0◆pH20; 量pH3.0; ★pH4.0D之34时间(2)时间∞)◆pH20;县pH3.0;士pH4.0◆70C;每80C;★90吧A:70 C;B:80 C;C:90 C;D:pH 3.0。圈1不同pH值、温度和加热时间处理下黑蓦汁花色苷的热降解Fig.1 Thermal degradation of anthocyanins in backberry juice at diterent temperatures, pH values and heating time2.2黑莓汁花 色苷降解动力学解析著影响。k值随温度和pH值的升高而增大;hn则不同温度及pH值条件下，黑莓汁花色苷热降随温度和pH值的升高而减小;活化能代表物质在解速率常数(k)、半衰期(nn)及活化能( Ea)的变化发生转变时需要越过的能垒,能垒越高则物质的稳见表2。从表2数据可知,不同温度和pH值对黑莓定性越高,结合试验数据分析可知黑莓汁花色苷的汁花色苷热降解速率常数(k)及半衰期(tn)有显活化能随着pH值的增大而减小，表明花色苷在pH114江苏农业学报2011年第27卷第5期值2.0时的热稳定性最高。这些结果表明较高温度苷和矢车菊3-0-丙二酸酰葡萄糖苷。由图3和表下黑莓汁花色苷极易降解，低温和低pH值有利于2可以看出,在90 C加热5 h条件下,矢车菊-3-0-保持其稳定性。芸香苷、矢车菊-3-0-木糖苷和锦葵-3-0-葡萄糖苷表2不同温度和pH值对黑莓汁花色苷热降解速宰常数(k) ,半衰降解较快,而矢车菊-3-O-草酸酐酰葡萄糖苷和矢车菊-3-0-丙二酸酰葡萄糖苷的浓度随温度的升高期(4n)及活化能(Ea)的影响Table2 Etects of dfferentt temperatures and pH values on k, 'r和加热时间的延长而增加。表明降解之后的花色and Ea of anthocyanins in blackberry juice苷与有机酸分子结合生成了酰化花色苷物质。矢pH值(T)温度kx10-3in(J/mol)车菊素-3-0-葡萄糖苷在70 C和80 C时较稳定,( min~")基本没发生降解。2.0701.776. 1940.09B02.704.28903.892.971.5-3.03.313.4928.80804.042.86! 1.0)05.772.00.天3A5.64.04.102.8228. 7125 5.0 75 10.012.5 15.017.5 20.0 2.5 25.0306.171.87时间(min)7.111.62图2未进行加热处理的黑莓汁 花色苷的HPLc團(520 nm)k:热降解速率常数:;h/r :半衰期:Ea:活化能。Fig.2 HPLC profile (at 520 nm) of anthocyanins in blackber-ry juice before heating2.3黑莓汁花色苷在 热降解过程中组成成分的变化由图2可以看出，黑莓汁中主要含6种花色苷组分,对应6个峰,峰1为9.02 min、峰2为10.97， 3.0min、峰3为11. 78 min、峰4为12.73 min、峰6 为19.26min,峰5由于含量较少没有显示出峰面积。日.2.0-依据参考文献[12]和对应保留时间分析,峰1为矢车1.0菊3-0-葡萄糖苷(含量占82. 5% ,是黑莓汁中主要02.0 4.0 60 8.010.012.014.010.018.02022024.0的组分) ,峰2为矢车菊-3-0-芸香苷,峰3为矢车菊-3-0-木糖苷,峰5为锦葵-3-0-葡萄糖苷,峰4和峰6圈3 90 C加热5 b的黑莓汁花色苷的HPLC圈(520 m)分别为酰化的花色苷矢车菊-3-0-草酸酐酰葡萄糖Fig.3 HPLC profile (at 520 nm) of anthocyanins in blackber-ryjuiceat90Cfor5h表3不同温度处理下分别加热不同时间的黑蓦汁花色苷的含 tTable 3 Contents of anthocyanins in blackberry juice at dfferent temperantures for different tme70 c80 c90C花色苷组分,h3h5h1h;h-黑莓汁花色苷含量(% )80.0380.3380.49 .81.45 :80.6980.0980.0079.3977.043.373.002. 802.411.652.241.631.282.311.981.96.971.801.371.841.390.939.199.329.959.269.4110.239.7310. 1910. 344.775. 385.194.35. 696.666.187.3910.401~6分别表示黑莓汁花色普HPLC图中的峰1、峰2、蜂3、峰4和峰6。张丽霞等:黑莓汁花色苷热降解动力学及降解机理1115解生成矢车菊素,矢车菊素进一步生成更不稳定的3讨论a-二酮,最终生成苯甲酸类化合物2)。本研究结果pH值是影响黑莓汁花色苷稳定性的重要因素，表明,在较高温度下,矢车菊-3-O-葡萄糖苷相对较研究发现不同pH值下花色苷的存在形式不同,这稳定,矢车菊3-0-芸香苷、矢车菊-3-0-木糖苷和锦使得不同pH值下花色苷的稳定性不同(8。原因葵3-0~葡萄糖苷比较容易降解,而矢车菊3-0-草酸可能是由于在不同pH值介质中，花色苷的分子结酐酰葡萄糖苷和矢车菊-3-丙二酸酰葡萄糖苷浓度构呈现不同形式所致。黑莓汁花色苷组分主要以矢随加热时间的增加而增加。原因可能是矢车菊3-车菊-3-O-葡萄糖苷形式存在,当pH值小于2时，0-芸香苷和矢车菊3-0-木糖苷降解之后与体系中主要以2-苯基苯并吡喃阳离子(AH*)的形式存在的草酸和丙二酸反应生成了新的酰化花色苷,但其而呈现红色;当pH值为4~5时，主要以醌型碱反应的途径尚不清楚,有待于进-步对其降解中间(B)形式存在，色泽逐渐由红色向蓝色变化;而当产物的结构进行研究。pH值大于6时，体系的平衡向着无色的查耳酮参考文献:(C)进行,同时引起有色型化合物( AH*、A )的降低[9]。即pH值通过影响花色苷的分子结构的存[1] SIRIWOHAN T, WROLSTADR, FINNCE, et al. Inluence ofculiver, matunity, and sampling on blackbermy ( Rubus L. Hy-在形式而使其色泽发生变化,使其表现出色泽的不brids) anthocyanins, polyphenolics, and antioxidant properties稳定性。若同时存在温度的影响作用,黑莓汁花色[J]. Jourmal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52:苷的不稳定性则表现得更加明显。8021 8030.大量研究结果表明,在加工或贮藏过程中花色2] PANTELIDIS C E, VASILAKAKIS M, MANCANARISC A, et苷降解遵循- -级 化学反应动力学,即随温度增加,反al. Antioxidant capacity , phenol, anthocyanin and aecorbic acid应速度加快。Kirca等研究结果表明血橙汁中可溶conlents in raspbemies, blackbermics, red curants. goeberiesand Cormelian chermie[J]. Food Chemistry, 2007 ,102 :77-783.性固形物含量分别在11. 2°、45. 0°和69. 0°糖浓度[3] CAMILLE s, BOWEN-FORBES, ZHANG Y, et al. Anthocyanin下70~90C和5~37C两个温度条件下的热降解content, antioxidant, anti-inflammatory and anticancer properties均符合-级反应动力学,11.2° 糖浓度下橙汁tr值of blackbemy and raspbemy fruits[ J]. Journal of Food Composition在60 C和80 C条件下分别为54.34 h和8. 10 h,and Analysis, 2010, 23(6):1-24.活化能Ea为73.60kJ/mol[3}。杨梅汁热降解试验4] PATRICIA T, ANNES, KELLYS, et al. Blackbery extracts in.结果表明,杨梅汁花色苷降解遵循一级降解动力学,hibit UV-induced mutagenesis in Salmonella tphimurium TA100在pH值为3.1和温度分别为75 C、85 C、95 C条[J]. Nurtion Reearch 2006(26) :100-104.[5] INGRID E, HU C, DAVIDCP, et al. Antioidant sessmnent of件下,以分别为6.22 h,2.83 h,1.40 h, Ea值为an anthocyanin enriched blackbery extraet[J]. Food Chemistry,67. 69 kJ/mol!2]。石榴汁花色苷的降解也为一级反2007(101 ) :1052-1058.应动力学, Ea值为52. 67 kJ/mol"。本研究结果表[6] REIN M J, HEINONEN M. Stability and enhancement of bemy明,在pH值为3.5时和温度为70C、80C、90Cjuice color[J]. Joumal of Agricultural and Food Chemistry, 2004条件下,黑莓汁花色苷t1n值分别为3.49 h、2. 86 h、(52) :3106-3114.2.00h,Ea值为28.80kJ/mol,与血橙汁、杨梅汁、石[7] CARLOS L C, MOHAMMED EI-HAFIDI, NATALIA P. Antioxi-ant and cardioprotective activitiee of phenolic extracts榴汁花色苷相比，黑莓汁花色苷的稳定性最差。of Chilean blackbery Aristotelis chilenais (Elacocapaceae) , Ma-Seeram等分析了不同温度条件下酸櫻桃中矢qui[J]. Food Chermistry, 2008( 107) :820-829.车菊素-3-0-葡萄糖苷芸香苷和矢车菊素3-0-芸香8] LISE V, INDRAWATI o, IESEL-VAN DP. et al. Kinetic study苷的降解产物,检测到降解产物中含有矢车菊素3-on the themal and pressure degradation of anthocyanins in stew-berries{J]. Food Chemistry , 2010( 123) :269-274.0-葡萄糖苷、矢车菊素、原儿茶酸.2,4-二羟基苯甲[9] PORNANONG A, NIPAPORN B, TEERAPOL S. The properties酸和2 ,4 ,6-三羟基苯甲酸,并发现矢车菊索-3-葡萄and stability of anthoeyanins in mulbery fruis[J]. Food Research糖苷的浓度随着加热时间的增加而增加,提出在不nemational . 2010(43) :1093-1097.同温度条件下,矢车菊素~3-葡萄糖苷芸香苷先脱去[10] MEHMET 0. Degradation of anthocyanins in sour chemy and芸香糖生成矢车菊素-3-葡萄糖苷糖苷键进- -步水pomegranate juice by hydrogen peroxide in the presence of added1116江苏农业学报2011年第27卷第5期ascorbie acid[J]. Food Chemistry ,2002(78) :499-504.pigment changes in anthocyanin products[J]. Trends in Food Sci-[11]郭松年,董周水,孙海燕石榴汁花色苷热稳定性及其降解动ence & Technology, 2005, 16:423-428.力学研究[J].农业工程学报,2008 ,24(3) :256-259.[17] JUNGMIN L, CHRISTOPHER R, RONALD E w. Crrelation of[12] 辛修锋,余小林，胡卓炎.杨梅澄清汁及浓编汁中花色苷热降two anthocyanin quantification methods: HPLC and spectrophoto-解动力学的研究[J].农业工程学报2007 ,24(9) :51-255.metric methods[ J]. Food Chemistry .2008, 110(3) :782-786.13] AYSEGUL K, BEKIR C. Degradation kineie of anthoeyanins in[18] WALKOWIAK T, CZAPSKI I. Colour changes of a preperationblood orange juice and concentrate[J]. Food Chemisty, 2003from red cabbage during stornge in a model Bystem [J]. Food(81) :583-587.Chenistry .2007. 104(2): 709-714.[14] WANC W D, Xu s Y. Deradaion kinetice of anthoeyanins in[19]范龚健紫玉米酒花色苷衍生物形成机理及其抗氧化与抗肿blackbery juice and concentrate[J]. Joumal of Food Engineer-瘤活性研究[ D].南京:南京农业大学,2009.ing, 2007(82):271 275.[20] SEERAM N P, NAIR M C. Degradation products of cyanidin elyr[15] 张丽霞,周剑忠,顾振新.等.双酶水解制备黑莓澄清汁的工艺cosides frorm tart cheries and their boactivitie[J]. Joumal of Ag优化[J].农业工程学报,2010 ,26( 10) :372-376.ricultural and Food Chemistry, 2001 , 49: 4924 4929.16] RONALD E w, ROBERT w D, JUNGMIN L Tracking color and