不同温度下环境成分对栀子蓝稳定性的影响

刘玲红，王茹，吴考，赵安心，程荣*

1.武汉淡雅香生物科技股份有限公司（武汉 430030）；2.湖北工业大学生物工程与食品学院菲利普斯亲水胶体研究中心（武汉 430068）

随着我国食品工业的迅速发展，食品着色剂的研发和使用需求也大大增加。食品着色剂分为合成着色剂和天然着色剂，可丰富食品色泽，提高加工食品对消费者的吸引力[1]。虽然合成着色剂因成本低廉、颜色鲜艳、性质稳定而被广泛应用在各种行业，但考虑到食品安全，其用于食品的可选择品种有着较大的限制[2]。天然色素因安全性强、色泽自然、具备营养价值，其使用量逐渐加大[3-4]。

栀子蓝色素是由茜草科植物山栀（Gardenia jasminoidesElis）的果实栀子经过微生物和酶的作用制得的一种天然色素[5]。它是一种京尼平衍生色素。京尼平是一种无色的单萜类环烯醚萜类化合物，其存在于二氢吡喃环融合的环戊烯酸单元，该二氢吡喃环在京尼平吡喃环C1位的羟基可被一个到两个的糖部分取代，形成京尼平苷[6]。栀子植物中多以京尼平苷的形式存在，在生产蓝色素时，京尼平苷经β-葡糖苷酶处理释放苷元，生成京尼平，然后在氧气存在的条件下与伯胺和氨基酸聚合生成蓝色色素如栀子蓝[7]。栀子蓝色素由于其性能较为稳定，安全无毒，早在1989年就已列入我国许可使用的食品添加剂[8]。由于天然蓝色色素比较稀少，栀子蓝色素在国际上广泛使用，应用于食品、饮料、糖果、医药、化工、化妆品等领域，例如在配制酒的生产中，栀子蓝是石榴红等复配色素的重要成分[9-10]。

但天然色素普遍在使用过程中容易受各种因素（如光照、温度、食品添加剂、pH、金属离子等）的影响而发生褪色和变色问题，影响着色效果[9]。例如：陈峰等[8]的研究表明，栀子蓝的稳定性受氧化剂、金属离子（Fe3+，Al3+）影响较大，受自然光、柠檬酸影响较小；罗义发等[11]发现栀子蓝颜色受pH影响较大，其在酸性环境下较为稳定，在偏碱条件下有增色效应。然而上述研究多数在室温下进行，实际食品加工经常需要加热操作，这将影响栀子蓝的稳定性与着色效果。因此此次试验比较了栀子蓝在不同温度条件（20~100 ℃）下，常见食品加工助剂、添加剂、金属离子等环境成分对栀子蓝稳定性的影响，为栀子蓝在食品工业中的储存和应用提供参考。京尼平和栀子蓝色素的结构式如图1所示。

图1 京尼平和栀子蓝色素的结构式

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

栀子蓝色素粉[武汉绿孚生物工程有限责任公司，批号：WGFB201126（A）]；30%过氧化氢、亚硫酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化镁、氯化钙、硫酸铜等（AR级别，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

752N紫外可见分光光度计（上海仪电分析仪器有限公司）；DK-S22电热恒温水浴锅（上海精宏仪器设备有限公司）；FE20实验室pH计[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]。

1.3 方法

1.3.1 栀子蓝色素损耗测定

根据朗伯-比尔定律使用色素的吸光度来表示色素的含量变化。前期试验测得栀子蓝水溶液在400~700 nm的最大吸收峰在592 nm，与黄薇等[12]、陈峰等[8]和肖亚中等[5]研究结果相近。因此采用592 nm作为评价栀子蓝色素损耗的吸光度波长。

1.3.2 温度对栀子蓝色素溶液稳定性的影响

参照邹立君[13]的方法，称取0.5 g色素粉末，置于250 mL容量瓶中，使用蒸馏水定容后用锡纸包裹。取8 mL于带盖玻璃试管中，密封并用锡纸包裹，置于20~100 ℃水浴锅中，放置0，1，2和4 h，稀释25倍后在592 nm下测定吸光度。

1.3.3 不同温度条件下食品添加剂和金属离子对色素稳定性的影响

参照张伦等[14]和陈小梅等[15]的方法，并进行了一定的修改。称取0.5 g栀子蓝，置于250 mL容量瓶中，分别用不同浓度的过氧化氢、亚硫酸钠溶液（0.1%~0.3%）、0.1%的不同金属离子溶液[CaCl2、MgCl2、FeSO4、Fe2(SO4)3、CuSO4]、不同浓度的食品添加剂溶液（碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸）定容至刻度，摇匀后取8 mL栀子蓝溶液置于带盖离心管中，并用锡纸包裹避光，置于20~100 ℃水浴锅中处理0~4 h，稀释25倍后在592 nm下测定吸光度。

1.4 数据处理

每组试验至少重复3次，使用Origin Pro 2017软件进行数据处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 环境温度对栀子蓝色素稳定性的影响

环境温度对栀子蓝色素的影响如图2所示。结果表明，栀子蓝色素在60 ℃及以下时色素颜色有少量加深，表现为吸光度的上升。同时在加热0~4 h后，其波动较小。这可能是残留的京尼平和氨基酸反应导致栀子蓝色素有所增加[11]。当温度超过60 ℃后，其吸光度开始下降，在100 ℃加热4 h时色素损失率最高，为9.94%。这表明该栀子蓝色素在60 ℃及以下具备较好的耐热性，但在温度上升至80 ℃以上时，其稳定性下降，与罗义发等[11]研究一致。

图2 温度对栀子蓝色素稳定性的影响

2.2 加热条件下过氧化氢对栀子蓝色素稳定性的影响

过氧化氢属于一类常见的食品加工助剂，其可用于食品的漂白、防腐、消毒和杀菌[16-17]，并可能会对食品的颜色有一定的影响。常温下不同浓度过氧化氢对栀子蓝色素稳定性的影响如图3所示。结果表明，栀子蓝色素常温下能够在0.1%~0.3%的过氧化氢水溶液中稳定存在，在4 h内最大损失率为1.6%，色素颜色没有明显的变化。

图3 不同浓度过氧化氢常温下对栀子蓝色素稳定性的影响

加热条件下0.3%的过氧化氢对栀子蓝色素稳定性影响如图4所示。结果表明，当环境温度低于40 ℃时，栀子蓝色素依旧能够在0.3%的过氧化氢溶液中稳定存在4 h以上。当温度提升至60 ℃以上时，栀子蓝色素的损失率开始加大，并且随着温度的升高，栀子蓝色素的损失量变大，色素溶液颜色从亮蓝色变成浅蓝色。在100 ℃下处理4 h后，色素颜色几乎消失，其损失率达95%以上。黄才欢等[18]研究米团花色素的耐氧化性发现，在不加热时，米团花色素的耐氧化性较好，即使加大过氧化氢的用量，色素的吸光度也没有发生明显的变化；但在加热时，色素的耐氧化能力降低，低浓度的过氧化氢可引起色素吸光度的升高，颜色由黄变褐，而在高浓度下吸光度显著降低，这可能是由于在高浓度下过氧化氢具有漂白作用。过氧化氢对栀子蓝色素的作用可能与此相似，上述结果说明，当温度大于60 ℃时，栀子蓝色素受过氧化氢氧化作用较强，在使用中需要注意。

图4 0.3%过氧化氢不同温度下对栀子蓝色素稳定性的影响

2.3 不同浓度、温度下亚硫酸钠对栀子蓝色素稳定性的影响

亚硫酸钠在食品中主要用作还原性漂白剂，对食品有漂白作用，对植物性食品内的氧化酶有强烈的抑制作用，常用于腐竹和果汁等食品[19-20]。不同浓度亚硫酸钠对栀子蓝稳定性的影响如图5所示。结果表明，当亚硫酸钠浓度较低（0.1%~0.2%）时，栀子蓝色素较为稳定，其1 h内损失率小于4%。但浓度较高且处理时间较长时，其损失率较高，最大可达15.19%。肖亚中等[5]同样发现栀子蓝在高浓度亚硫酸钠条件下其吸光度会出现下降的趋势。

图5 不同浓度亚硫酸钠常温下对栀子蓝色素稳定性的影响

不同温度条件下亚硫酸钠对栀子蓝色素稳定性的影响如图6所示。在加热条件下，0.3%的亚硫酸钠溶液对栀子蓝色素稳定性与室温（20 ℃）下显著不同。当温度大于40 ℃时，0.3%亚硫酸钠溶液使得栀子蓝色素溶液的吸光度均显著上升，这是由于亚硫酸钠对栀子蓝色素具备一定增色效应，表明其具备增色效应，并且随着温度的升高，增色效应变强。赵亚南[21]研究表明在低浓度（0.025%）条件下，亚硫酸钠对栀子蓝具有增色效果（6 h内可增色3.27%）。因此，可能亚硫酸钠在较高浓度（0.1%~0.3%）条件下，其增色效果受温度影响较大。

图6 0.3%亚硫酸钠不同温度下对栀子蓝色素稳定性的影响

2.4 不同温度下金属离子对栀子蓝色素稳定性的影响

食品在生产过程中，金属离子是不能避免接触的物质，常影响到色素着色效果。不同温度下金属离子对栀子蓝色素稳定性的影响如图7所示。结果表明，Fe2+、Fe3+、Cu2+等对栀子蓝稳定性影响较大，且随着加热时间的延长，其破坏效果显著加强。其中Fe3+破坏效果最强，在常温下栀子蓝色素就出现浑浊、褪色等情况，加热4 h栀子蓝的损失率可达87.3%，颜色变为褐黄色并有明显沉淀物。该效果可能是由于Fe3+容易与栀子蓝的氨基酸残基发生螯合反应，生成沉淀，破坏栀子蓝色素的结构，由此产生褪色[22]。Fe2+、Cu2+可能是能够与栀子蓝色素通过配位键形成络合物，导致溶液褪色。对于花色苷也有类似的效果，李颖畅等[23]发现Fe2+和Fe3+对花色苷具有破坏作用，使花色苷的稳定性下降。Ca2+、Mg2+在常温和加热条件下对栀子蓝色素稳定性的影响不大，加热条件下处理1 h最大损失率为6.60%，且颜色依然呈现亮蓝色，这与付学军等[16]和耿宇[24]研究结果一致。

图7 不同温度条件下不同金属离子对栀子蓝色素稳定性的影响

2.5 不同温度下碳酸氢钠、碳酸钠和柠檬酸对栀子蓝色素稳定性的影响

碳酸钠、碳酸氢钠在食品中通常作为膨松剂，常用在饼干、面包等食品的生产中。如图8和图9所示，0.1%~1%的碳酸氢钠和碳酸钠对栀子蓝色素具有增色作用。随温度的升高，增色效果越发明显。罗义发等[11]研究了1%~6%碳酸氢钠对栀子蓝色素稳定性的影响，结果表明碳酸氢钠在1%浓度下对栀子蓝色素具有增色作用。这可能是碳酸钠、碳酸氢钠在水中水解生成OH-，并且随着温度的升高，碳酸钠和碳酸氢钠的水解程度增大，使溶液偏碱性，栀子蓝色素在碱性条件下具有增色效应，这与Paik等[25]研究一致，说明碳酸钠和碳酸氢钠在生产中可以作为栀子蓝色素的保护剂。

图8 不同温度和浓度条件下碳酸氢钠对栀子蓝色素稳定性的影响

图9 不同温度和浓度条件下碳酸钠对栀子蓝色素稳定性的影响

柠檬酸是一种酸味剂，在食品中用途很广泛，李栋等[26]研究表明酸味剂柠檬酸对桑果花色苷影响不明显。如图10所示，0.1%~1%的柠檬酸对栀子蓝色素稳定性影响较大，环境温度低于60 ℃时，放置1 h，色素损失率稳定在16%，当温度大于60 ℃时，色素损失加剧，在100 ℃下处理1 h色素损失率达30%，是低温下色素损失的2倍，说明柠檬酸对栀子蓝具有破坏作用，在储存和使用中应尽量避免接触柠檬酸。

图10 不同温度和浓度条件下柠檬酸对栀子蓝色素稳定性的影响

3 结论

栀子蓝色素具备一定耐热性，在60 ℃以下损失较小，在100 ℃处理4 h损失率达9.94%。常温下对过氧化氢、Ca2+、Mg2+稳定，受Fe2+、Fe3+、Cu2+及亚硫酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸等影响较大。但在不同环境成分存在情况下，其稳定性出现了明显变化。当温度大于40 ℃时，其对0.3%过氧化氢不稳定，且随着温度的升高，色素损失增加，100 ℃下4 h后色素损失率高达94.87%。在常温下，随亚硫酸钠含量的增加，色素损失越发严重，但当环境温度大于60 ℃时，0.3%亚硫酸钠对栀子蓝色素具有增色效应，其增色机理有待进一步研究。Fe3+对色素稳定性影响最明显，能快速使栀子蓝色素变色，并形成褐色沉淀。100 ℃下Fe2+、Cu2+能明显使栀子蓝色素颜色变浅，而Mg2+、Ca2+在加热条件下对栀子蓝影响较小；碳酸钠、碳酸氢钠对栀子蓝色素有增色效果，且随加热时间和温度的加长，其效果可以强化。在环境温度高于60 ℃时，柠檬酸可显著破坏色素稳定，100 ℃下处理1 h色素损失率可达30%。因此，虽然栀子蓝色素具备一定的耐热性，但在实际加热应用环境中需要考虑环境成分对其稳定性的影响。