辣椒红色素稳定性研究

李 昊，魏好程，何传波，李志强，熊何健

(1.集美大学 食品与生物工程学院，福建 厦门 361021；2.厦门璞真食品有限公司，福建 厦门 361021)

辣椒红色素 (capsicum red pigment) 是一种从辣椒中提取的叶黄素类共轭多烯烃含氧衍生物.辣椒红色素属类胡萝卜素[1]，主要由辣椒玉红素(capsorubin)和辣椒红素(capsanthin)构成[2-3]，呈现有光泽的深红色针状结晶，结构式如图1所示[4].辣椒红色素是一种油、水体系均能溶解的天然色素，色泽鲜艳、着色力强、食用安全，且具营养保健的功能[5-6]，应用十分广泛.王芳芳等[7]研究表明辣椒红色素安全性好，《食品卫生法》中标明辣椒红色素可广泛应用于含油食品、调味汁、调味酱、米制品、烘烤等食品.江英，陈菁等[8-9]研究还发现辣椒红色素具有祛湿、散寒、保护心肌和减肥等生理活性功能.中式酱料生产中辣椒红色素主要凭借其艳丽的色泽和鲜香辣味，通过刺激视觉和味觉，引起人们的食欲，成为中华饮食文化元素之一，经济价值显著.

图1 辣椒红色素中辣椒玉红素及辣椒红素结构式

近年来，中式餐饮标准化快速发展，天然辣椒红色素稳定性差的弊端在标准化加工中凸显出来[10-11].中式酱料体系较为复杂，辣椒红色素在应用中受加工温度、pH、氧化还原条件、水油共混体系、外源添加剂以及包装贮运过程中光照等因素的影响，易发生氧化分解而褪色[12]，导致感官品质下降.如何提高辣椒红色素的稳定性是当前食品酱料标准化生产中的研究焦点[13].目前人们对于辣椒红色素稳定性的研究更多的借鉴于生产经验，相关基础研究还相对滞后.本文以天然辣椒红色素为原料，模拟中式酱料生产中影响色素稳定性的主要因素，以色素损失率为指标，探究加工和贮运环境中温度、pH、光照、氧化剂、还原剂、常见添加剂以及几种护色剂对色素稳定性的影响，为辣椒红色素在酱料标准化生产技术提供基础研究参考[13].

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料与试剂

辣椒红色素，食品级，由厦门璞真食品有限公司提供；乙醇、亚硫酸钠、一水合柠檬酸、三氯化铁、硫酸钾、硫酸铜、硫酸镁、三氯化铁、碳酸钾、氯化钠、氯化钾、无水氯化钙、30% 过氧化氢、磷酸氢二钠、抗坏血酸、茶多酚、苯甲酸钠等均为AR级别，购于西陇科学股份有限公司和中国医药上海化学试剂公司.

1.1.2 仪器与设备

DK-S24电热恒温水浴锅(上海精宏实验设备有限公司)；DH-9146A电热式恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；UV-5500紫外可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)；EL104电子天平(梅特勒托利多仪器有限公司)；ST210酸度计(奥豪斯仪器有限公司制造).

1.2 实验方法

1.2.1 吸收光谱的测定

参照国标GB 1886.34-2015，准确称取恒温干燥后的辣椒红色素粉末 0.04 g，用乙醇定容至 1 000 mL 容量瓶，摇匀静置后得到辣椒红色素标准溶液.再取 5 mL 辣椒红色素溶液于比色管中，以乙醇溶液(0.1%)、进行全波长扫描，确定其最大吸收波长.

1.2.2 辣椒红色素稳定性的评价指标

参照文献[13]，采用色素损失率作为辣椒红色素稳定性的评价指标，见公式(1).

(1)

其中，A前和A后分别为处理前和处理后辣椒红色素溶液在最大吸收波长处的吸光度值.

1.2.3 温度对色素稳定性的影响

准确移取 10 mL 辣椒红色素标准溶液共20份于玻璃试管，避光置于室温(25 ℃)、60 ℃ 水浴、80 ℃ 水浴和 100 ℃ 水浴中，分别在0、2、4、6、8 h 时测定不同温度环境中的辣椒红色素损失率.实验重复3次.

1.2.4 光照对色素稳定性的影响

准确移取15份 10 mL 辣椒红色素溶液于玻璃试管，分别置于太阳直射(中国南方4月9∶00-18∶00 阳光直射)、室内自然光、室内紫外光照射(室温 25 ℃) 3种环境中，分别在 0、12、24、36、48 h 后测定不同光源照射下辣椒红色素损失率.实验重复3次.

1.2.5 pH对色素稳定性的影响

准确移取5份 5 mL 水体系辣椒红色素溶液于玻璃试管，分别加入 5 mL pH为3、5、7、9、11的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液震荡混匀，静置 30 min 后将不同pH的色素溶液进行全波长扫描以探究酸碱性对色素的结构是否产生影响.实验重复3次.

1.2.6 H2O2氧化剂、Na2SO3还原剂和防腐剂苯甲酸钠对色素稳定性的影响

准确移取5份 8 mL 辣椒红色素溶液于玻璃试管，分别加入 2 mL 0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 mol/L 摩尔浓度的H2O2溶液于试管中震荡混匀.准确移取5份 5 mL 辣椒红色素溶液于玻璃试管中，分别加入 5 mL 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL 质量浓度的Na2SO3溶液于试管中震荡混匀.准确移取5份 5 mL 辣椒红色素溶液于玻璃试管，分别加入 5 mL 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL 质量浓度的苯甲酸钠溶液于试管中震荡混匀.上述反应溶液分别静置 30 min 后用各自相对应浓度的H2O2、Na2SO3和苯甲酸钠溶液为参比液，分别测定其吸光度值并计算损失率.实验重复3次.

1.2.7 食品体系常见金属离子对色素稳定性的影响

准确移取30份 8 mL 辣椒红色素溶液于试管中，分别加入 2 mL 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL 的Na2CO3、K2CO3、FeCl3、CaCl2、CuSO4、MgSO4溶液于试管中震荡混匀，静置 30 min 后用各自相对应浓度的溶液为参比液测定其吸光度值并计算损失率；而后进行排除实验，更换NaCl、KCl、K2SO4溶液后重复以上操作.实验重复3次.

1.2.8 护色剂对色素稳定性的影响

准确移取9份 5 mL 辣椒红色素(0.004%)于试管中，分别加入 5 mL 超纯水、Vc溶液(0.06%)、茶多酚溶液(0.06%)各3份，震荡混匀后分别置于紫外光(25 ℃)、日光(25 ℃)、100 ℃ 水浴的条件下静置 2.5 h，冷却至室温后测定其吸光度值并计算色素损失率.实验重复3次.

1.3 数据分析

本实验所有实验数据使用Excel软件进行统计分析，实验数据采用mean ± SE表示，采用 LSD 对数据进行多重比较和显著性分析.使用 SPSS 19.0 统计软件对实验结果进行方差分析，所有实验进行3 次平行实验.

2 结果与讨论

2.1 辣椒红色素特征吸收波长检测

对辣椒红色素进行全波长扫描，如图2所示.辣椒红色素在480～ 486 nm 处有典型特征吸收峰，与GB 1886.34-2015结果相似.辣椒红色素是1种四萜类天然色素，主要成分为辣椒红素和辣椒玉红素，由于其结构中含有多个共轭双键，共轭酮基会引起吸收光谱在可见光区域内向长波移动[14].本实验采用波长为 480 nm 作为辣椒红特征吸收波长进行后续损失率研究.

图2 辣椒红色素全波长扫描图

2.2 辣椒红色素稳定性的结果与分析

2.2.1 温度对色素稳定性的影响

不同温度环境中辣椒红色素损失率与时间的关系如图3所示.由图可知，水体系中辣椒红色素在 80 ℃ 及以下温度环境热处理 8 h 后的最大色素损失率仅为5.3%，25 ℃ 和 60 ℃ 的损失率仅为0.2%和1.5%.热处理温度为 100 ℃ 时，连续处理 6 h 后，色素损失率才超过30%，表明辣椒红色素对温度的稳定性较好,但后期持续热处理，色素损失率上升速度加快.双因素方差分析表明 100 ℃ 热处理，温度与时间均存在显著差异(p>0.05)，说明在此温度下辣椒红色素不易长时间受热.一般而言，加热可使色素物质分子活化能增加，加速色素分子链的氧化和降解[5]，因此在食品酱料的加工生产过程中应尽量避免 100 ℃ 长时间受热.常用 100 ℃、30 min 组合的食品杀菌工艺条件下辣椒红色素的损失率是可以接受的[15].

2.2.2 光照对色素稳定性的影响

不同光源条件下(太阳直射、室内自然光和室内紫外灯照射)的色素损失率与处理时间的关系如图4所示.室内自然光保存对辣椒红色素稳定性的影响极小，持续放置 48 h 后色素降解率仅为0.42%；但在紫外光和室外太阳光直射的条件下，辣椒红色素的降解率大幅上升.太阳光直射 12 h 后色损率达到了96%，而紫外光照射 48 h 后色素损失也接近50%.表明辣椒红色素在日光和紫外光照射下及其不稳定，正常室内自然光源下损失率小.可能是由于光照和紫外线环境下可使色素分子发生能级跃迁，使分子结构产生更多的顺反异构体，使电磁波谱蓝移2～10 nm，或者加速色素分子链的氧化和降解断裂，使光谱突出向紫外区移动从而分解失色.日光中不仅包括紫外光，还包括紫蓝等一系列复杂光[16]，更易导致辣椒红色素分子的氧化、重排、异构化等光降解反应，加速了类胡萝卜素链的氧化和降解断裂，从而使辣椒红色素色损率升高.综上所述，辣椒红色素在生产应用过程中应尽量避免阳光直射及紫外光照，建议产品避光保存或者采用深色包装(图中数据点和竖棒分别表示检测数据平均值和标准误差，下图同).

图3 温度对辣椒红色素的影响

图4 光照对辣椒红色素稳定性的影响

2.2.3 pH对色素稳定性的影响

将不同pH的色素溶液进行全波长扫描以探究pH对色素的结构是否产生影响.全波长扫描结果如图5所示.由图可知，不同pH体系下辣椒红色素溶液最大吸收波稍有变化，在pH 3～11范围内，辣椒红色素的最大吸收波由 488 nm迁移至 491 nm，但波动范围非常小.方差分析表明不同pH环境中辣椒红色素特征波峰变化差异不显著(F<0.05)，表明辣椒红色素在不同pH环境中结构相对稳定.实验结果表明，在pH分别为3和11的极端环境中，辣椒红色素溶液分别呈亮黄色和棕红色，说明在酸、碱环境中辣椒红色素还是发生了红移和蓝移现象.综上分析认为常见食品加工体系pH环境下，辣椒红色素稳定性优良.

图5 不同pH辣椒红色素溶液全波长扫描图

2.2.4 氧化剂、还原剂及防腐剂对色素稳定性的影响

不同浓度的H2O2、Na2SO3、C7H5NaO2溶液处理下的色素损失率的变化如图6所示.由图可知，Na2SO3处理后的辣椒红色素溶液色素损失率先下降后上升，并在 0.3 mol/L 时有最小值0.49 %.H2O2溶液对辣椒红色素损失率影响随处理浓度呈线性单值函数，在浓度达到 0.5 mol/L 后损失率为23%.而C7H5NaO2溶液处理后辣椒红色素色损率维持在0.5 %左右，且不随浓度变化而发生波动.表明防腐剂苯甲酸钠对辣椒红色素损失率无显著影响；适量的添加还原剂Na2SO3，当浓度为 0.3 mol/L 具有一定护色作用；氧化剂H2O2对辣椒红色素有显著的破坏作用，且其色损率与氧化剂浓度呈正相关.因此在生产过程中应当避免氧化剂的共混，也可添加食品级抗氧化剂以提高色素稳定性，或通过添加适量还原剂来防止色素分解[15].

图6 氧化剂、还原剂和防腐剂对辣椒红色素的影响

2.2.5 不同金属离子对色素稳定性的影响

在色素溶液中加入不同浓度的Na+、K+、Fe3+、Ca2+、Cu2+、Mg2+溶液以探究金属阳离子对色素稳定性的影响，浓度参照食品营养强化标准设计.结果如图7所示，上述6种离子在最大处理剂量 0.5 mol/L 时对辣椒红色素损失率均小于6%，说明上述金属离子对色素稳定性破坏较小.但不同金属离子对辣椒红色素的破坏作用随其浓度也呈现出不同影响趋势.整体而言Mg2+、Na+和K+离子对色素损失率效果较显著，Ca2+随浓度变化，对色素的损失率增长迅速，其中Na+对色素损失率影响最大.

图7 不同金属离子对辣椒红色素稳定性的影响

图8 不同金属离子对辣椒红色素稳定性的影响

综上所述，本文所探究的6种金属离子对辣椒红色素稳定性影响从大到小排序依次是Mg2、Na+、Fe3+、Ca2+、Cu2+、K+，但整体上金属离子对辣椒红色素稳定性影响不大.综合考虑加工、应用、储存、运输程中可能接触到的金属离子，建议在生产加工过程中可以使用铁制品，应避免使用铜制设备，或者预先加入抗干扰剂来降低金属离子对色素稳定性的影响.

2.2.6 护色剂对色素稳定性的影响

茶多酚具有抗氧化、抑菌抑酶等多种生理活性.Vc又称抗坏血酸，是1种多羟基化合物，具有很强的还原性，上述2种物质食用安全性高，常用于食品体系中综合抗氧化和增加生物活性功能.试验通过对比添加茶多酚和Vc前后辣椒红色素损失率来探究Vc和茶多酚溶液对辣椒红色素的护色效果，结果如表1所示.护色率数据表明不同外界环境下Vc溶液对辣椒红色素护色效果整体良于茶多酚，其中抗紫外护色率效果最好，达87.5%.与文献[17]所研究的水溶性辣椒红色素中添加Vc、茶多酚可提高色素稳定性结论一致.从不同外界环境对空白组色素损失率的数值大小，也反映出环境条件对辣椒红色素损失率影响由大到小依次为日光照射、100 ℃ 加热和紫外照射.Vc和茶多酚对色素在日光照射下的护色率分别达到了72.9%和22.6%，护色效果显著.综上所述，考虑到实际效果及成本，可以在生产加工过程中适当添加Vc溶液来提高辣椒红色素的稳定性.

表1 护色剂对色素的护色效果

3 结语

文中探究了辣椒红色素在常见的食品酱料加工环境中色素稳定性.数据表明，辣椒红色素常温下较为稳定，但高温下褪色显著，生产中应尽量避免80 ℃以上长时间加热.光照对辣椒红色素稳定性影响显著，与室内保存相比，阳光照射12 h 后色素损失率下降显著，另外紫外光对辣椒红色素稳定性影响极显著，在酱料生产过程中注意避光和避免紫外线照射.在pH 3～11范围内，辣椒红色素的最大吸收波由488 nm缓慢上升至491 nm，方差分析表明差异不显著(F<0.05)，可认为pH变化对辣椒红色素稳定性影响不显著.酱料生产中常见的6种金属离子对辣椒红色素损失率整体小于6%，说明金属离子对色素稳定性破坏较小.食品体系中常见还原剂和防腐剂对辣椒红色素损失率影响较小，需要注意的是H2O2对辣椒红色素具有显著的破坏作用.Vc和茶多酚对辣椒红色素在日光照射下的护色率分别达到了72.9%和22.6%，抗紫外护色率达到了87.5%，表明Vc和茶多酚是良好的天然护色剂.

综上所述，在辣椒红色素应用过程中应当综合酱料加工体系和工艺对其稳定性的影响.生产中应避免80 ℃以上高温长时间加热，避免日光和紫外光的照射，避免与H2O2的接触共混，可通过添加Vc、茶多酚天然护色剂提高辣椒红色素的稳定性.