脉冲电场处理对栀子黄色素稳定性的影响*

李云，曾新安

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

脉冲电场处理对栀子黄色素稳定性的影响*

李云，曾新安

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

研究了脉冲电场处理对栀子黄色素稳定性影响，并与热处理和pH值变化处理做了对照实验。结果表明:栀子黄色素对脉冲电场处理和热处理都相对稳定，电脉冲处理46 ms后其色泽保留率可以达到97.1%，比90℃热处理30 min高出4.9%。栀子黄色素对pH值敏感，在强酸强碱条件下栀子黄色素稳定性明显下降。

脉冲电场，栀子黄，稳定性

栀子黄色素是世界上唯一存在的水溶性类胡萝素［1］，也是在食品工业中广泛使用的天然黄色素，我国国标规定其最大使用量为0.3 g/kg(GB2760－1996食品添加剂使用卫生标准)。栀子黄色素主要从茜草科植物栀子果实中提取［2］，外观为黄色粉末状，主要成分是类胡萝素类的藏花素(crocin)和藏花酸(crocetin)，其主体结构由异戊二烯单体首尾相连而成(如图1所示［2］)。结构中由糖类物质与主体结构以糖苷结合的形式存在。分子中存在多个共轭双键，一方面赋予藏花素以黄色，但另一方面也是其性质不稳定的主要原因之一［4］。

近年来，我国饮料业呈持续增长的态势，具有很高的市场潜力。栀子黄天然色素由于具有安全性高，着色力强，性质相对稳定的优点，已经广泛应用于饮料业的着色。据估计，栀子黄色素每年应用于果汁饮料行业的着色占其总销售量的30%左右，占有巨大的市场份额［3］。灭菌技术往往是制约饮料行业生产的关键点，对于我国目前的饮料行业，主要采用热灭菌或者添加防腐剂等方法来达到灭菌抑菌效果，但这些处理又同时影响了栀子黄色素的着色效果。脉冲电场(PEF)技术作为一种新型的食品加工技术，近年来在食品工业中的应用备受关注，PEF技术具有处理时间短、处理温度低、节能、不污染环境及无副作用等诸多优点，特别地由于其非热加工的特性，能很好地保持果汁饮料原有的风味和营养［5－8］。有报道指出，美国已经研制出处理量达到2 000L/h的PEF设备用于一种名叫GENESIS的果汁灭菌，而我国国内的PEF研究也已经成为一个热点，有超过10所科研院所在进行相关研究［5］。由于色素在饮料工业普遍添加，而色素的稳定性是关乎饮料等产品的重要质量指标之一。因而在研究PEF对果汁等饮料的灭菌效果的同时，研究PEF对色素的稳定性影响也十分必要。本文选择栀子黄色素作为研究对象，根据藏红花素和藏红花酸在440 nm(有最大吸收峰)处的吸光度值作对照定量栀子黄色素含量，探讨PEF处理对栀子黄天然色素的稳定性影响，并与热处理进行了对照。

图1 藏花素(A)和藏花酸(B)的分子结构式

1 材料与方法

1.1 实验材料

栀子黄，市售，色价E=60;柠檬酸，磷酸氢二钠，氯化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，均为分析纯。

1.2 主要仪器和设备

脉冲电场设备为本实验室自行设计研制的高强脉冲电场连续处理装置，电场强度0～66.7 kV/cm连续可调，脉冲频率为1.01 kHz，脉冲宽度40 μs，电脉冲流速为8 L/h。本实验电脉冲循环处理时间20，30，45和60 min，对应实际电脉冲处理时间为15.3，23.0，34.5和46.0 ms。处理室电极材料为铜，绝缘部分为聚四氟乙烯，容量为0.021 2mL，波形为平方波。

双波长紫外可见分光光度计(UV1810)，北京普析;色彩色差计(CR－400)，日本柯尼卡美能达公司，仪表误差L*a*b*在0.8以内。

1.3 实验方法

1.3.1 样品准备

准确称取0.1 g栀子黄色素，在温度13℃时用蒸馏水配制成浓度为0.1g/L的栀子黄溶液(pH值为6.4，电导率为4.5 μS/cm)。用NaCl配制电导率分别为 22.5、45、67.5、90和112.5 μS/cm 的0.1g/L 的栀子黄溶液，以磷酸氢二钠(0.2mol/L)-柠檬酸(0.1mol/L)缓冲溶液和碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液(0.1mol/L)配制 pH 值为2、4.2、7.15、9.3、10、12 的 0.1g/L的栀子黄色素稀释液。以上样品摇匀、静置备用。

1.3.2 脉冲电场处理

在无菌环境下，经恒流泵把不同电导率的栀子黄溶液泵入高压脉冲电场处理室进行处理，设定不同电场强度为26.7，40.0，53.3和66.7kV/cm;不同循环处理时间为20，30，45和60 min，相应实际电脉冲处理时间为 15.3，23.0，34.5 和46.0 ms。

1.3.3 热处理试验

100mL 0.1g/L的栀子黄溶液分别放入30、50、70、80、90℃的水浴锅中热处理 30min，静置，室温冷却180 min后测量。

1.3.4 pH值的选择

不同pH值的栀子黄色素稀释液，在温度为13℃放置180 min后测量。

1.3.5 保留率计算方法

采用紫外分光光度法［11］测量栀子黄色素在440 nm处的吸光度值，从而表征栀子黄色素的保留率，计算方法如公式(1)所示。

其中:ω，色素保留率;A1，处理后溶液吸光度值;A0，初始溶液吸光度值。

1.3.6 色泽测定

参照国际照明委员会(international commission on illumination，简称CIE)推荐的CIE-L*a*b*表色系来表征色泽，用色差仪以透射模式对样品进行测定［11］。

2 结果与讨论

2.1 脉冲电场对栀子黄色素稳定性的影响

为了分析不同电脉冲条件对栀子黄色素稳定性的影响，分别从脉冲电场场强、时间、电导率三方面分析脉冲电场对栀子黄保留率和色泽的影响，其结果如图2～图4所示。

图2 电导率为4.5μS/cm的电脉冲处理栀子黄溶液46 ms后场强对栀子黄色素保留率的影响

图3 电导率为4.5 μS/cm经66.7 kV/cm电脉冲处理后脉冲时间对栀子黄保留率的影响

图4 经场强为40 kV/cm电脉冲处理23 ms后脉冲处理时电导率对栀子黄保留率影响

从图2可以看出，栀子黄色素溶液经不同电脉冲条件处理后保留率的变化很小，表现出电脉冲稳定。当场强不高于30 kV/cm时栀子黄保留率影响很小;当场强高于40 kV/cm，随着脉冲场强的上升，栀子黄色素稳定性轻微下降。这可能是由于低于30 kV/cm的电脉冲能量还不能使得共轭结构破坏［17］。从图3可以看出，66.7 kV/cm的电脉冲不同时间处理栀子黄溶液后，栀子黄色素保留率也只发生了轻微变化，并且保留率与电脉冲时间在0～46 ms内有良好的相关性(R2=0.994)。在图4中，不同电导率的栀子黄溶液经相同电脉冲场强(40 kV/cm)处理23 ms后保留率与样品电导率在5.0～112.5 μS/cm内基本线性相关，处理样品电导率偏高，栀子黄色素保留率就会稍微降低。随着脉冲电场时间的增加，和处理液电导率的升高，栀子黄色素的保留率反而降低，究其原因可能是由于电脉冲能量与电脉冲时间和样品电导率成正比关系［9］，而能量越大，对栀子黄共轭结构破坏就越大。

2.2 热处理温度对栀子黄色素稳定性的影响

为了分析热处理温度对栀子黄色素稳定性的影响，测定了20～90℃下栀子黄色素的保留率，结果如图5所示。

图4 不同温度条件下处理30 min后温度对栀子黄保留率的影响

从图5可以看出，随着处理温度的增高，栀子黄色素的保留率在80℃以下降低很缓慢，说明这种天然色素在80℃以下热稳定性良好，受温度影响较小。然而，即使在90℃的处理条件下，栀子黄色素的保留率仍可以达到92.2%，可见栀子黄色素对热相对稳定。而在90℃温度处理条件下，花青素的降解速率可以达到每分钟 32.24 ×103［11］。

2.3 不同pH值对栀子黄色素稳定性的影响

为了分析pH值为2～12时保留率的变化情况，以电导率为4.5μS/cm经66.7kV/cm电脉冲处理64ms后得到脉冲最小保留率为97.1%对比，常温时保留率设为1对照，结果如图6所示。

从图6可以看出，不同的pH值对栀子黄色素的保留率影响较大，栀子黄色素在pH值为4.2～10.0的缓冲体系中受影响较小，但是在强酸、强碱中，保留率明显降低。

图6 pH值对栀子黄色素保留率的影响

2.4 脉冲电场处理对栀子黄色素色泽的影响

栀子黄溶液的色泽反应了栀子黄色素的着色情况［10］，也是分析栀子黄色素稳定性的重要指标，脉冲电场对栀子黄色素的色泽影响如表1～表3所示。

表1 电导率为4.5 μS/cm的电脉冲处理栀子黄溶液46 ms后场强对栀子黄色素色泽的影响

表2 电导率为4.5μS/cm经66.7 kV/cm电脉冲处理后脉冲时间对栀子黄色泽的影响

表3 经场强为40kV/cm电脉冲处理23ms后脉冲处理时电导率对栀子黄色泽影响

由表1～表3可以看出，脉冲处理样品后，色泽L*值最大相差0.9，a*最大相差0.2，b*值最大相差2.3，所以PEF对栀子黄色泽的影响几乎可以忽略不计。

2.5 热处理对栀子黄色素色泽的影响

热处理对栀子黄色素色泽的影响可见表4。

表4 纯热处理30 min温度对栀子黄色素色泽影响研究

从表4可以看出，栀子黄色素色泽随温度的变化很小。低温时几乎看不出变化，但是温度到达90℃时明亮度L*值稍微降低，a*和b*几乎不变化。

2.6 pH值栀子黄色素色泽的影响

pH值对栀子黄色素色泽的影响可见表5。

表5 pH值变化对栀子黄色素色泽影响研究

由表5可以看出，在强酸强碱条件下放置180min后测得L*、a*、b*值变小，观察到溶液颜色变浅，表现为栀子黄色素褪色。主要是因为藏花素、藏花酸中的共轭双键易受亲电试剂H、路易斯酸碱等破坏，最终形成σ键，不饱和烃逐渐变为饱和烃，色素溶液的吸收峰迁移［12］。所以栀子黄色素多应用于中性果汁饮料的着色。

3 结论

与热处理和pH值的变化相比，脉冲电场对栀子黄色素稳定性和色泽影响很小。栀子黄天然色素经脉冲处理后很好的保留了色素的成分，避免了损失。不同的脉冲处理条件对栀子黄保留率有微弱影响。在果汁灭菌过程中，选择较低的场强，较短的脉冲时间，能节约能耗，降低成本，保存食品风味和营养，保证天然色素良好的色泽和功效。

［1］任治军，张立明，何开泽.栀子主要成分的提取工艺及药理研究进展［J］.天然产物研究与开发，2005，(6):831－836.

［2］Kuo Wu-hsien，Wang Chau-jong.Differential induction of the expression of GST subunits by geniposide in rat hepatocytes［J］.Pharmacology，2004(70):15-22.

［3］高桥裕.日本的天然色素市场［J］.食品工业科技，1996(3):35－36.

［4］Wang Sbau-cbun，Tseng Ting-yu，Huang Cbib-dlin，et al.Gardenia herbal active constituents:applicable separation procedures［J］.Journal of Chromatography B，2004，8(12):193－202.

［5］曾新安，陈勇，高文宏.脉冲电场非热灭菌技术［M］.北京:中国轻工业出版社，2005:3－11.

［6］Li Y Q，Chen Z X，Mo H Z.Effects of pulsed electric fields on physicochemical properties of soybean protein isolates［J］.Food Science and Technology，2007，40(7):1 167－1 175.

［7］Cortés C，Esteve M J，Frígola A，et al.Quality characteristics of horchata(a Spanish vegetable beverage)treated with pulsed electric fields during shelf－ life［J］.Food Chemistry，2005，91(2):319－325

［8］Rivas A，Rodrigo D，Martíne A，et al.Effect of PEF and heat pasteurization on the physical-chemical characteristics of blended orange and carrot juice［J］.Food Science and Technology，2006，39(10):1 163－1 170.

［9］张鹰，曾新安，扶雄，等.高强脉冲电场液体非热灭菌效果研究［J］.食品工业科技，2004，25(1):42－44.

［10］王晨，蒋平，吴艳辉，范耀.反相高效液相色谱法测定万氏牛黄清心片中桅子苷的含量［J］.医药导报，2006，25(2):153－154.

［11］张燕.高压脉冲电场技术辅助提取树莓花青素研究［D］.北京:中国农业大学，2007.

［12］Pham T Q，Cormier F.Antioxidant properties of crocin from Gardenia jasminoides Ellis and study of the reaction of crocin with linoleic acid and crocin with oxygen［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2000，48:1 455－1 461.

Effect of Pulsed Electric Fields on Stability of Gardenia Yellow Pigment

Li Yun，Zeng Xin-an
(College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

The effects of pulsed electric field(PEF)and pH as well as thermal treatment on the stability of gardenia yellow pigment were investigated in this paper.Results indicated that gardenia yellow pigment exhibited high resistance to intense PEF and thermal treatment.When the applied PEF treatment time was 64 ms，the reservation ratio of gardenia yellow pigment was 97.1%.This was slightly higher by 4.9%than the thermal treatment at 90℃ for 30 min.It was investigated that the gardenia yellow pigment was very sensitive in both strong acid and strong alkaline environments.

pulsed electric field(PEF)，gardenia yellow pigment，stability

硕士研究生(曾新安副教授为通讯作者，E-mail:xazeng@scut.edu.cn)。

*广东省糖品绿色加工国际研发中心、广东省科技计划项目“安全加工中心”(2007B080401010)资助

2010－05－31，改回日期:2010－08－24