食品添加剂对甜菜汁中甜菜红色素热稳定性的影响

徐 菡,赵镇雷,李晓璐,冯咏梅,常秀莲,展亚莉,郭仁红

(1.烟台大学生命科学学院,山东 烟台 264005;2.青岛理工大学学生处,山东 青岛 266033;3.青岛鹏远康华天然产物有限公司,山东 莱西 266612)

甜菜红色素是食用甜菜中有色化合物的总称,它包括红色的甜菜红素和黄色的甜菜黄素．甜菜红素中最主要的是甜菜苷,是一种糖类衍生物,分子式为 C24H26N2O13,占甜菜红素的75%～95%[1]．甜菜红色素耐热性较差,若将其溶液于80 ℃水浴加热,可见其红色逐渐变浅,最终变成淡黄褐色．加热温度越高、加热时间越长,高温对甜菜红色素的破坏作用越明显[2]．李伟[3]认为,温度大于70 ℃时,甜菜红色素受到较明显的破坏．在不同pH值下将甜菜红色素溶液于100 ℃加热结果表明,甜菜红色素在pH值4.0～5.0之间热稳定性最大,色素降解的速度随温度的升高而迅速增加[4]．毕丽君等[5]在甜菜红色素水溶液中分别加入0.02%的茶多酚、0.05%的抗坏血酸、20%乙醇,结果表明,茶多酚、抗坏血酸、20%乙醇均能增强色素对热的稳定性,其中茶多酚效果较好．李达等[2]认为抗坏血酸对甜菜红色素具有降解作用,但高彦祥等[6]认为抗氧化剂如抗坏血酸和异抗坏血酸,可以保护甜菜红色素．在甜菜红色素水溶液中,加入柠檬酸可以起到保护甜菜红色素的作用[6],但是张建霞等[7]认为柠檬酸对甜菜红色素稳定性的影响较小． 综上所知,许多有关甜菜红色素稳定性的研究结论还不太一致,有待于进一步的验证．

甜菜红素和甜菜黄素分别在535 nm和483 nm处有最大吸收[8-9],因此可用535 nm处的吸光度值表示甜菜红色素的相对含量．甜菜汁的A483/A535为其中甜菜黄素含量与甜菜红素含量之比,反映了2种色素在甜菜汁中含量的差异．在制备甜菜汁的过程中,甜菜红素很容易转化为甜菜黄素,使得A535减小,A483增大,从而A483/A535增大,故甜菜汁A483/A535的数值大小可以反映出其中甜菜红色素的稳定性,即A483/A535越小,甜菜红色素的稳定性越好．

本文针对上述甜菜红色素研究中存在的问题,以生产甜菜红色素的甜菜汁为样品,以A483/A535值为甜菜红色素的热稳定性指标,研究不同添加剂对甜菜红色素的热稳定性的增强效果．

1 材料与方法

1.1 原料

红甜菜块根,由青岛鹏远康华天然产物有限公司提供．

1.2 主要仪器

HR7633型榨汁机(飞利浦家庭电器有限公司);LXJ-IIB型低速大容量多管离心机(上海安亭科学仪器厂);752S型紫外可见分光光度计(上海棱光技术有限公司);RE-52A型旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂);HH-S型水浴锅(郑州长城科工贸有限公司);SHB-BA95型循环水式真空泵(郑州长城科工贸有限公司)等．

1.3 甜菜汁的制作

用清水洗净甜菜根,然后将其切成小块,置于榨汁机中榨汁,榨取的液汁用双层纱布过滤后于离心机中在4 800 r/min下离心10 min,再用双层纱布过滤1次,即得新鲜甜菜汁．注意制得的新鲜甜菜汁要放于冰箱中低温保存,且保存时间不宜过长．

1.4 甜菜汁的稳定性实验

将甜菜汁分装于20 mL具塞试管,每管20 mL．向试管中分别加入不同物质并调节至不同pH值．再将上述具塞试管,放于恒温的水浴锅中水浴3 h,并测定各样品水浴完毕时的pH值及其在483 nm、535 nm处的吸光度A483、A535．

1.5 筛选添加剂

取26只装有20 mL甜菜汁的具塞试管,分别编号为1～26号．

1号、2号不加任何物质,作为对照．

3～14号加入单种添加剂,分别为抗坏血酸、草酸、植酸、柠檬酸、L-半胱氨酸、CaCl2、 EDTA、Na2SO3、NaHSO3、偏重亚硫酸钠、β-糊精、β-环糊精;加入量均为0.05% (W/V)．本研究中添加剂的加入量v均按质量体积比计算．

15～25号加入复配添加剂,在加入0.05%的抗坏血酸的基础上再分别加入草酸、植酸、柠檬酸、L-半胱氨酸、CaCl2、 EDTA、Na2SO3、NaHSO3、偏重亚硫酸钠、β-糊精、β-环糊精,加入量均为0.05%．在26号加入抗坏血酸、植酸、L-半胱氨酸、EDTA,加入量均为0.05%．温度为60 ℃．

用浓盐酸调节2号pH值为4.5,其他均不调pH值．实验温度为60 ℃．

1.6 正交实验法优化添加剂种类及其用量

1.6.1 正交实验 根据之前实验的实验结果,以抗坏血酸、CaCl2、柠檬酸、β-环糊精的加入量v为考察因素,设计四因素三水平的正交实验L9(34)(表1)来进一步确定能保持甜菜红素稳定性的物质及其加入量,实验温度为70 ℃．

表1 正交实验L9(34)因素水平

1.6.2 正交补充实验 取4只装有20 mL甜菜汁的具塞试管,分别编号为1～4号．加入物质及加入量见表2,实验温度为80 ℃．

表2 正交补充实验设计

2 结果与讨论

2.1 单种添加剂对甜菜红色素稳定性的影响

单种添加剂对甜菜汁中甜菜红色素稳定性的影响见表3．从表3可知,抗坏血酸、植酸、草酸、柠檬酸、L-半胱氨酸、CaCl2、EDTA、β-环状糊精能够增强甜菜汁中甜菜红色素的稳定性．其中,抗坏血酸的效果最为明显,与1号空白相比,可使A483/A535由0.984降至0.706,但其保护机理未见文献报道．Cai等[10]在含有甜菜红色素的饮料和果冻中,加入0.1%～0.5%的抗坏血酸对色素起保护作用,0.5%～1.0%范围的抗坏血酸则起破坏作用,我们推测可能是抗坏血酸过量,易与溶解氧反应生成过氧化氢,反而起到助氧化剂的作用[11]．本实验中抗坏血酸的加入量没有超过0.5%,因此是起保护作用,这点与Cai等[10]和高彦祥[6]的结果一致,李达等[5]采用的是精制的色素粉末,溶解后做的实验,而且没有不加抗坏血酸的空白对照,本研究采用的是色素粗提液,里面含有抗氧化剂和多酚等成分[12],可能会与抗坏血酸共同起抗氧化作用,对提取液中的色素起保护作用．从1号和2号两个空白比较,1号的稳定性高于2号,差异是pH值不同,1号是自然pH值5.93,2号pH值4.5下的色素没有自然pH值下的溶液稳定．β-糊精对甜菜汁中甜菜红色素的稳定性几乎没有影响．Na2SO3、NaHSO3、偏重亚硫酸钠会减弱甜菜汁中甜菜红色素的稳定性．观察甜菜汁的外观,起始甜菜汁是明亮的红紫色,热处理后,先变成暗紫色,而后又变成黄褐色,A535越低和A483/A535越高,黄褐色的色调越明显．

表3单种添加剂对甜菜汁中甜菜红色素稳定性的影响(60℃)

Tab.3 The effect of single additive on the stability of betalains in beet juice(60 ℃)

编号加入的物质A535A483/A535 1-0.3690.984 2-(浓盐酸调pH值为4.5)0.2751.182 3抗坏血酸0.6600.706 4植酸0.4420.889 5草酸0.4730.922 6柠檬酸0.4450.868 7L-半胱氨酸0.4950.893 8CaCl20.4950.828 9EDTA0.4420.885 10Na2SO30.1841.217 11NaHSO30.2650.989 12偏重亚硫酸钠0.3420.898 13β-糊精0.3740.979 14β-环状糊精0.4430.883

2.2 复配添加剂对甜菜汁中甜菜红色素稳定性的影响

复配添加剂对甜菜汁中甜菜红色素稳定性的影响见表4．

由表4可见,柠檬酸、CaCl2与β-环糊精分别与抗坏血酸的复配能够进一步增强抗坏血酸对甜菜汁中甜菜红色素的保护效果．其中,CaCl2与抗坏血酸的复配效果最好,A535比1号空白提高了81%,A483/A535由0.984降至0.687．而植酸、草酸、L-半胱氨酸、EDTA、Na2SO3、 NaHSO3、偏重亚硫酸钠、β-糊精与抗坏血酸的复配不但没有增强反而还减弱了抗坏血酸对甜菜汁中甜菜红色素的保护效果．将26号分别与15号、18号、20号相比较,发现植酸、半胱氨酸、EDTA 3种物质同时与抗坏血酸的复配对甜菜汁中甜菜红色素的保护效果还不如它们分别与抗坏血酸的复配,这说明,并不是向甜菜汁中加入的添加剂越多越好.由于甜菜汁所含的成分较多,所发生的反应也较为复杂,所以选择适宜的复配配方是十分关键的．

表4复配添加剂对甜菜汁中甜菜红色素稳定性的影响(60℃)

Tab.4 The effect of complex additives on the stability of beta-lains in beet juice(60 ℃)

编号加入的物质A535A483/A535 3抗坏血酸0.660.706 15抗坏血酸、植酸0.5630.774 16抗坏血酸、草酸0.6270.753 17抗坏血酸、柠檬酸0.6610.694 18抗坏血酸、L-半胱氨酸0.5950.743 19抗坏血酸、CaCl20.6680.687 20抗坏血酸、EDTA0.5920.738 21抗坏血酸、Na2SO30.1981.126 22抗坏血酸、NaHSO30.4470.783 23抗坏血酸、偏重亚硫酸钠0.5830.726 24抗坏血酸、β-糊精0.6030.723 25抗坏血酸、β-环状糊精0.6520.696 26抗坏血酸、植酸、半胱氨酸、EDTA0.4960.796

2.3 正交实验法优化甜菜汁中甜菜红色素添加剂的种类及其用量

正交实验结果分析见表5至表8．

从表5和表6可见,各因素对甜菜汁中甜菜红色素稳定性和甜菜汁A483/A535值影响的主次顺序为抗坏血酸>CaCl2>柠檬酸>β-环糊精．表7表明,在α=0.10的条件下,抗坏血酸、CaCl2对甜菜汁中甜菜红素稳定性影响显著,而柠檬酸、β-环糊精对甜菜汁中甜菜红素的稳定性影响不显著;表8表明,在α=0.05的条件下,抗坏血酸对甜菜汁影响显著,而CaCl2、柠檬酸以及β-环糊精对甜菜汁中甜菜红素稳定性影响不显著．

从表5和表6可以看出,欲使经过水浴的甜菜汁的甜菜红素损失最少以及最终A483/A535值最小,最优的添加剂组成为:0.15% 抗坏血酸、0.05% CaCl2、0.1%β-环糊精,这个组合在实验中没有出现过,故须做在此最优条件下的补充实验．另外,在此次正交实验中,抗坏血酸、β-环糊精的最好水平均在实验设计所定的最高水平上,因此还须考察增大抗坏血酸、β-环糊精用量的补充实验．β-环糊精价格较高,且其对甜菜汁中甜菜红素稳定性及甜菜汁的A483/A535的影响不显著,所以还应作补充实验,比较组成为0.15%抗坏血酸、0.05% CaCl2的添加剂与组成为0.15%抗坏血酸、0.05% CaCl2、0.1%β-环糊精的添加剂对甜菜汁中甜菜红素稳定性及甜菜汁A483/A535值影响的差异,以确定在制备甜菜浓缩汁的过程中是否添加β-环糊精．

表5影响甜菜红素A535的添加剂及其加入量v的正交实验L9(34)方案与极差分析(70℃)

Tab.5 Analysis of orthogonal experiments related with the sta-bility of betalains(70 ℃)

实验号v抗坏血酸/%vCaCl2/%v柠檬酸/%vβ-环糊精/%A535 10.0500.100.444 20.050.050.050.050.501 30.050.100.10.524 40.100.050.10.527 50.10.05000.633 60.10.10.10.050.565 70.15000.050.550 80.150.050.10.10.632 90.150.10.0500.559 均值10.4900.5070.5470.545 均值20.5750.5890.5290.539 均值30.5800.5490.5690.561 极差R0.0900.0820.0400.022 较好水平0.150.0500.1 因素顺序3233

表6影响甜菜汁A483/A535的添加剂及其加入量v的正交实验L9(34)结果与极差分析(70℃)

Tab.6 Analysis of orthogonal experiments related with the val-ue ofA483/A535(70℃)

实验号v抗坏血酸/%vCaCl2/%v柠檬酸/%vβ-环糊精/%A483/A535 10.0500.100.829 20.050.050.050.050.804 30.050.100.10.788 40.100.050.10.748 50.10.05000.703 60.10.10.10.050.756 70.15000.050.725 80.150.050.10.10.699 90.150.10.0500.732 均值10.8070.7670.7610.755 均值20.7360.7350.7610.762 均值30.7190.7590.7390.745 极差R0.0880.0320.0220.017 较好水平0.150.0500.1 因素顺序3233

表7影响甜菜红素稳定性的添加剂及其加入量v的正交实验L9(34)方差分析

Tab.7 Variance analysis of orthogonal experiments related with the stability of betalains

因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性 v抗坏血酸/%0.016210.6676.940∗(F0.10) v抗坏血酸/%0.01026.6676.940∗(F0.10) v抗坏血酸/%0.00221.3336.940 v抗坏血酸/%0.00120.6676.940 误差0.0004

注:*表示显著．

表8影响甜菜汁A483/A535的添加剂及其加入量v的正交实验L9(34)方差分析

Tab.8 Analysis of orthogonal experiments related with the value ofA483/A535

因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性 v抗坏血酸/%0.013226.0006.940∗(F0.05) v抗坏血酸/%0.00224.0006.940v抗坏血酸/%0.00122.0006.940v抗坏血酸/%0.00020.0006.940 误差0.0004

注:*表示显著．

2.4 正交补充实验

正交补充实验结果列于表9．比较2号与1号,发现β-环糊精的加入没有明显增强甜菜红色素的稳定性,反而会增加成本,由此可知,组成为抗坏血酸0.15%、CaCl20.05%的添加剂比组成为抗坏血酸0.15%、CaCl20.05%、β-糊精0.05%的添加剂更适宜作为甜菜汁中甜菜红色素的稳定剂．比较1号、3号、4号,可以看出,增加抗坏血酸的加入量可以增强甜菜红色素的稳定性,但是效果与其加入量不成正比．而选择组成为抗坏血酸0.15%、CaCl20.05%的添加剂就可使得甜菜浓缩汁达到指标,而且抗坏血酸价格较高,故选择组成为抗坏血酸0.15%、CaCl20.05%的添加剂作为制备甜菜浓缩汁过程中的稳定剂．

表9 正交补充实验结果(80 ℃)

3 结 论

(1)抗坏血酸、CaCl2、柠檬酸和β-环糊精较适宜作为甜菜浓缩汁制备过程中的稳定剂．草酸、植酸、L-半胱氨酸、EDTA、Na2SO3、NaHSO3及偏重亚硫酸钠则不适宜作为稳定剂．

(2)通过正交实验及其补充实验,得出最优的稳定剂组成:0.15%抗坏血酸和0.05%CaCl2的复配物．

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