“黑美人”土豆色素稳定性的研究

李彩霞，杨小龙，李 琼，高海宁，张 勇,*

(1.河西学院生命科学与工程系，甘肃 张掖 734000；2.兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

“黑美人”土豆色素稳定性的研究

李彩霞1，杨小龙1，李 琼2，高海宁1，张 勇1,*

(1.河西学院生命科学与工程系，甘肃 张掖 734000；2.兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

为了研究“黑美人”土豆色素的理化性质和稳定性，用0.1% HCl-乙醇溶液在恒温振荡条件下提取“黑美人”土豆色素，用分光光度计法测定该色素在不同环境下最大吸收波长处吸光度的变化，结果表明：该色素属于水溶性花色苷类色素，pH值对“黑美人”土豆色素稳定性的影响明显，酸性条件下该色素较稳定；金属离子Al3+对色素有增色作用，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+对色素稳定性基本无影响，而Cu2+、Fe3+则对色素稳定性有明显的不良影响；该色素耐辐射能力强，不耐自然光、高热，耐氧化性极差；低质量分数的蔗糖、VC和β-环糊精对色素稳定性影响不大；一定质量分数的柠檬酸具有增色作用，而山梨酸钾对色素稳定性有一定影响。通过初步研究，发现该色素有一定的开发利用价值，可作为食品添加剂广泛使用。

“黑美人”土豆；花色苷；稳定性

“黑美人”土豆是兰州陇神公司通过航天育种选育的新品种，其秧苗是黑紫色，块茎表皮呈黑色，肉呈紫色，含有多种营养型微量元素。其黑紫色是富含具有抗癌[1]、养颜、美容和防止高血压等多种保健作用的花青素[2-4]，因此，该资源具有广阔的开发和研究前景。目前，对“黑美人”土豆引种栽培方面的报道较多[5]，但对其色素的研究尚未见报道。本实验研究pH值、光照、温度、食品添加剂等因素对“黑美人”土豆色素稳定性的影响，以期为该色素的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“黑美人”土豆 市购，河西学院生命科学与工程系植物标本室鉴定。

9 5%乙醇、盐酸、柠檬酸、蔗糖、草酸、苹果酸、EDTA、VC均为国产分析纯；β-环糊精(β-CD)、山梨酸钾为食用级。

1.2 仪器与设备

HHS4电热恒温水浴锅 上海沪南科学仪器厂；

AE200电子天平 Mettler Toledo公司；760CRT双光束紫外-可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司；SHZ-2000型双配套循环水式多用真空泵 河南省巩义市英峪予华仪器厂；CR21GⅡ高速冷冻离心机 日立公司；VA1-2真空干燥箱 美国Shellab公司；HZP-250型全温振荡培养箱 上海精宏实验设备有限公司；MODEL-3旋转蒸发仪 上海医疗器械专机厂。

1.3 方法

1.3.1 色素的最佳提取方法选择

准确称取3份“黑美人”土豆各2.5g，按料液比1∶10(m/V)分别加入体积分数0.1% HCl-乙醇溶液[6]，1份放在60℃恒温水浴中浸提1h；另1份在强度40%条件下间隔2s超声波破碎15min；第3份于25℃恒温振荡提取1h(160r/min)。经过离心、定容至25mL，所得溶液在200～700nm波长范围内进行扫描，测定各提取液的最大吸收波长，根据Fuleki等[7]的方法计算色素的含量，依据提取量的大小和提取物成分复杂程度来确定最佳提取方法。

1.3.2 色素的提取工艺流程

“黑美人”土豆→洗净→打浆机打碎→浸提(料液比1∶1 0)至材料无色→抽滤→滤液减压浓缩(0.075MPa，30～40℃)→浓缩液冷冻过夜→低温10000r/min离心10min→收集色素液→乙醚洗涤多次→真空干燥→色素黏稠液冷冻备用。

1.3.3 色素的紫外-可见光谱特性

准确称取色素黏稠液1.0g，加适量体积分数0. 1%的HCl-乙醇溶解后定容至100mL，稀释10倍后，用双光束紫外-可见分光光度计在200～700nm波长范围内进行扫描，测其吸收光谱，根据图谱确定出色素的λmax。

1.3.4 色素的溶解性

分别称取0.1 g色素黏稠液依次用水、无水乙醇、95%乙醇、0.1% HCl-乙醇、甲醇、0.1% HCl-甲醇、氯仿、丙酮、乙醚、乙酸乙酯各5 m L混合、振荡，观察色素的溶解性和颜色变化[8]。

1.3.5 色素的稳定性

1.3.5.1 色素液的制备

称取色素黏稠液10.00g，用0.1%的HCl-乙醇溶解并定容于500mL棕色容量瓶中，作为色素原液避光冷藏备用。

1.3.5.2 pH值对色素稳定性的影响

取1mL色素原液，分别用pH值为1、2、3、4、5、6、7、9的溶液定容至10mL，放置6h，每隔1h在λmax处测定色素液的吸光度，并观察颜色的变化，分析不同pH值对色素稳定性的影响。

1.3.5.3 酸味剂对色素稳定性的影响

(1)不同种类的酸味剂对色素稳定性的影响。取1mL色素原液用质量分数为0.25%的乙酸、柠檬酸、苹果酸、草酸、琥珀酸溶液定容至10mL，然后在λmax处测定色素液的吸光度，并观察颜色的变化，分析不同酸味剂对色素稳定性的影响。

(2)不同质量分数的柠檬酸对色素稳定性的影响。取1mL色素原液用质量分数为0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%的柠檬酸溶液定容至10mL，然后在λmax处测定色素液的吸光度，并观察颜色的变化。

1.3.5.4 温度对色素稳定性的影响

将配制好的pH值为1、2的酸性色素溶液和色素水溶液分别置于3组具塞试管中，然后分别放在10、25、40、50、60、70、80、90℃条件下恒温1h，立即冷却后，在室温下于λmax处测定不同温度下色素液的吸光度，并观察色素液的颜色变化。

1.3.5.5 光对色素稳定性的影响

(1)紫外光对色素稳定性的影响。将配制好的pH值为1、2的酸性色素液及色素水溶液分别置于3组具塞试管中，然后置于紫外灯(6W，365nm)下，照射距离15cm，照射时间分别为0、10、20、40、60min，然后在λmax处测定色素液的吸光度，并观察色素液的颜色变化。

(2)可见光对色素稳定性的影响。将配制好的pH值为1、2的酸性色素液及色素水溶液按无菌操作分别置于3组灭菌后的透明玻璃瓶，并将其放置在自然光、室温避光及低温避光条件下，放置7d，每隔1d在λmax处测定色素液的吸光度。

1.3.5.6 食品添加剂对色素稳定性的影响

分别用pH值为2的柠檬酸-磷酸缓冲液配制不同质量分数的H2O2、VC、β-CD、蔗糖、山梨酸钾溶液，取1mL色素原液，用上述溶液定容至10mL，在λmax处测定色素液的吸光度，并观察色素液的颜色变化。

1.3.5.7 金属离子对色素稳定性的影响

吸取1mL的色素液分别加入不同浓度金属离子溶液，用pH2柠檬酸-磷酸缓冲液定容至10mL，使金属离子浓度为0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1mol/L，然后在λmax处测定色素液的吸光度，并观察色素液的颜色变化。

以上处理均重复3次，图表中数据均为3次数据的平均值。

2 结果与分析

2.1 色素的最佳提取方法选择

图1 色素的最佳提取方法选择Fig.1 Optimal extraction method for pigments

由图1可知，3种提取方法提取的色素含量分别为6.89、4.80、4.15mg/100g。从图1可以看到，用摇床振荡提取液中色素含量较高，杂质较少；而用60℃恒温水浴提取时，虽然所得色素含量较高，但在紫外区杂质较多，波峰不光滑，同时提取液过滤困难；超声波提取色素含量也较高，但仪器较昂贵。因此选用25℃恒温振荡提取较好。

2.2 “黑美人”土豆色素的光谱特性

图2 色素的紫外-可见光谱Fig.2 UV-visible spectra of pigment from Black Beauty potato

从图2可知，“黑美人”土豆色素在紫外区有两个强烈的吸收峰，即在波长210nm和280nm附近；可见光区510～540nm范围内有一个大的吸收峰，这些特征说明“黑美人”土豆色素主要成分为花色苷类色素[9-11]，同时也含有少量的黄酮类化合物。

2.3 色素的溶解性

“黑美人”土豆色素的溶解性实验表明，色素易溶于水、无水乙醇、95%乙醇、0.1% H Cl-乙醇、甲醇、0.1% HCl-甲醇等亲水性溶剂，但不溶于氯仿、丙酮、乙醚、乙酸乙酯等有机溶剂。以上特征说明该色素为一种水溶性花色素苷[12]。

2.4 色素的稳定性

2.4.1 pH值对色素稳定性的影响

由表1可知，在酸性条件下色素液呈红色或粉红色，pH值越低，颜色越深，色素较稳定，λmax在520～ 523nm；当pH≥6时，色素液颜色由红变紫、再由褐变蓝，且随pH值升高色素液颜色加深，λmax向长波方向移动，吸光度增加。另外，由表1还可以看出，在4≤pH≤7时，随着放置时间的延长色素液的吸光度减小，颜色也变淡，甚至褪至无色。以上特征表明该色素属于花色苷类色素，在酸性环境中比较稳定[13-14]。

表1 不同pH值的色素液的颜色、λmax及吸光度随时间的变化Table 1 Changes in color,λmaxand absorbance of pigment solution under various pH levels as the change of time

2.4.2 有机酸对色素稳定性的影响

2.4.2.1 不同种类的有机酸对色素稳定性的影响

依据文献[15-16]有机酸的添加量以柠檬酸在饮料里的添加≤0.3%为标准。从表2可知，不同种类的有机酸对“黑美人”土豆色素有一定的护色作用，其中草酸的护色效果最好，柠檬酸次之。但草酸在食品和饮料中不宜添加，而柠檬酸对身体有营养作用，是食品中常用的添加剂。

表2 不同种类有机酸对色素稳定性的影响Table 2 Effect of organic acid on stability of pigment

2.4.2.2 不同添加量的柠檬酸对色素稳定性的影响

由图3可知，不同添加量的柠檬酸对“黑美人”土豆色素的影响呈先增大后降低的趋势，当质量分数

达到0.15%时，色素液的吸光度达到最大，研究结果显示，柠檬酸的添加不宜过多，当柠檬酸添加量大于0.15%时，对色素的稳定性有影响。

图3 不同质量分数的柠檬酸对色素稳定性的影响Fig.3 Effect of citric acid at various concentrations on stability of pigment

图6 可见光对色素稳定性的影响Fig.6 Effect of light on stability of pigment

2.4.3 温度对色素稳定性的影响

图4 温度对色素稳定性的影响Fig.4 Effect of temperature on stability of pigment

从图4可知，各色素液在低温下稳定性较好，随着温度的升高色素的稳定性下降，溶液的颜色变浅，色素液的吸光度下降。各色素液在温度50、90℃热处理1h，色素的残存率分别为79.66%、71.66%、72.29%和60.71%、62.40%、61.10%。以上结果说明“黑美人”土豆色素耐热性较差，使用时应避免高温。在高温条件下pH值为2时色素的残存率相对较高。

2.4.4 光对色素稳定性的影响

2.4.4.1 紫外光对色素稳定性的影响

图5 紫外光对色素稳定性的影响Fig.5 Effect of UV on stability of pigment

从图5可知，在紫外线照射10min后，pH1和pH2色素液的吸光度稍有增大，但增幅不大，之后随着照射时间的延长，色素液的吸光度有所下降，但下降幅度不大，从总体上看，紫外线对色素的影响较小，因此可说明该色素有较强的抗辐射能力，特别在酸性环境中抗辐射能力更强。

2.4.4.2 可见光对色素稳定性的影响

从图6可知，可见光对色素稳定性的影响很大，在自然光照下随着光照时间的延长，色素液的吸光度持续下降，到第7天色素几乎损失75%左右；低温避光保藏和室温避光保存组色素液吸光度稍有下降，但基本稳定，说明日光照射对“黑美人”土豆色素具有强烈的降解作用，因此在其贮存和放置时应避免光线直接照射，在低温避光处保存，以延长色素的货架期。

2.4.5 食品添加剂对色素稳定性的影响

2.4.5.1 氧化剂对色素稳定性的影响

从图7可知，该色素的耐氧化性很差，随着氧化剂质量分数的增大、放置时间的延长，色素液的吸光度明显下降，颜色逐渐变淡，在10min后接近无色，因

此该色素在使用时应避免与氧化剂接触。

图7 H2O2对色素稳定性的影响Fig.7 Effect of H2O2on stability of pigment

2.4.5.2 VC和β-CD对色素稳定性的影响

图8 VC、β-CD对色素稳定性的影响Fig.8 Effects of vitamin C and β-CD on stability of pigment

图8表明，VC和β-CD对该色素稳定性影响很小，随着添加剂质量分数的增大，色素液的吸光度有所下降，但趋势较小，颜色由粉红变到淡粉红。因此认为该色素可在低浓度的VC或β-CD中使用，添加质量分数在0.4%以下较好。

2.4.5.3 甜味剂对色素稳定性的影响

图9 蔗糖对色素稳定性的影响Fig.9 Effect of sucrose on stability of pigment

从图9可知，蔗糖对色素稳定性有一定的影响，随着蔗糖质量分数的增大色素液的吸光度下降，但下降趋势不大，尤其在2%～4%时吸光度下降趋势不明显。由此可知，该色素的耐糖性较好，在蔗糖质量分数为2%～4%的食品或饮料中使用较宜。

2.4.5.4 防腐剂对色素稳定性的影响

图10 山梨酸钾对色素稳定性的影响Fig.10 Effect of potassium sorbate on stability of pigment

图10表明，山梨酸钾对色素稳定性的影响比较明显，随着山梨酸钾质量分数的增大，色素液的颜色由粉红逐渐变为橙色，色素液的吸光度减小，且减小趋势较大。因此，在添加防腐剂保存该色素时，应使用低质量分数的山梨酸钾。

2.4.6 金属离子对色素稳定性的影响

图11 金属离子对色素稳定性的影响Fig.11 Effects of metal ions on stability of pigment

由图11可以看出，Al3+的存在对色素有增色作用，色素液为红色，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+对色素基本无影响，而Fe3+对色素稳定性有显著的影响，随浓度升高色素液颜色由红色逐渐变为橙色，且出现沉淀；Cu2+对色素稳定性也有明显的不良影响，随浓度升高色素液的颜色由红色变为红褐色至黄褐色，色素液的吸光度变小。因此，该色素在使用和保存时应注意避免和铁制、铜制容器接触。

3 结 论

3.1 “黑美人”土豆色素含量较高，根据色素的光谱特性、溶解性以及不同p H值色素溶液的色泽变化，“黑美人”土豆色素属于水溶性花色苷类色素。

3.2 该色素不耐自然光、高热，耐氧化性差，耐辐射性强，在酸性环境中较稳定。低质量分数的蔗糖、VC和β-CD对色素的色泽影响不大，一定质量分数的柠檬酸具有增色作用，而山梨酸钾对色素稳定性有一定

影响。金属离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+对色素稳定性影响不大，Cu2+、Fe3+则对色素有明显的不良影响，Al3+对色素有增色作用。因此，在色素的保存和使用时应避光、低温，避免与氧化剂和铁、铜制容器接触。

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Stability of the Pigment from Black Beauty Potato

LI Cai-xia1，YANG Xiao-long1，LI Qiong2，GAO Hai-ning1，ZHANG Yong1,*
(1. Department of Life Science and Engineering, Hexi University, Zhangye 734000, China；2. College of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

In order to investigate physiochemical properties and stability of the pigment from Black Beauty potato, the change in maximum absorption wavelength of this pigment under different conditions was determined through a spectrophotometer. Results indicated that this pigment was a water-soluble anthocyanin. An obvious effect of pH on stability of this pigment was observed and this pigment exhibited better stability in acidic environments. In addition, Al3+revealed an color enhancement effect on this pigment, while Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Zn2+exhibited little effect. In contrast, Cu2+and Fe3+contributed obvious adverse effects on stability. This pigment also exhibited strong resistance to radiation, but poor resistance to oxidation, light and heat. Although no obvious effects of sucrose at low concentration, VC and β-CD on stability of this pigment were observed, an enhanced effect of citric acid on pigment was observed. These investigations demonstrated exploitation and utilization values of this pigment in the industry of food additives.

Black Beauty potato；anthocyanin；stability

TS202.3

A

1002-6630(2010)09-0089-06

2009-08-11

民乐县科技局与河西学院合作项目

李彩霞(1967—)，女，高级实验师，研究方向为天然产物开发利用。E-mail：lipeng@hxu.edu.cn

*通信作者：张勇(1963—)，男，教授，博士，研究方向为植物学、植物分子生物学。E-mail：zhangyong@hxu.edu.cn