谷子秸秆中黄色素成分的初步鉴定及其稳定性研究

张春凤，郝　林

（山西农业大学农学院，太谷山西　030801）



谷子秸秆中黄色素成分的初步鉴定及其稳定性研究

张春凤，*郝林

（山西农业大学农学院，太谷山西030801）

摘要：以谷子秸秆为原料，研究色素成分和不同外界因素对谷子秸秆中黄色素稳定性的影响。经紫外光谱扫描和颜色反应，该色素的最大吸收波长为444 nm，初步证明该色素为类胡萝卜素类物质，可能含有α-胡萝卜素- 5,6 -环氧化物。稳定性试验表明，该色素具有一定的耐热性和耐氧化性，耐光性较差；还原剂NaSO3对其有增色作用；该色素适合在中性或碱性条件下使用；可与蔗糖、氯化钠等食品添加剂共同使用，但不能与柠檬酸和苯甲酸钠共同使用；Cu2+对该色素有破坏作用，Fe3+有增色作用，K+，Ca2+和Mg2+对该色素基本无影响。

关键词：谷子秸秆；黄色素；稳定性

0　引言

食品色素可分为天然色素和合成色素。天然色素是从动植物组织中提取、分离得到的，除具有着色能力外，有的本身就是一种营养素，具有一定的保健和药理功能[1-3]。黄色素是一类重要的天然色素，占色素总需求量的60%，具有广阔的应用前景[4-6]。山西省素有“小杂粮王国”之称，其中谷子的种植面积较为广泛。随着人们生活水平的提高，焚烧秸秆成为农户的首选，但会造成严重的环境污染。而谷物的种皮、秸秆或胚芽中含有大量的天然色素，这类色素大部分属于类胡萝卜素或花色素[7]。本研究从谷子秸秆中提取黄色素，提取后的滤渣经回收利用可用于养殖业饲料、草浆造纸等，不仅为农副产物的加工利用提供了途径，而且为天然色素的开发做出了贡献[8-9]。天然色素从生物体中提取出来后，因其脱离了原有的生理环境，以及在加工过程中遇到光、热、酸、碱等因素的影响，导致其结构发生变化，进而影响其色泽。大多数天然色素的性质，如耐光性、耐酸碱性较差，温度、常见食品添加剂和金属离子等也可能对其造成不良的影响[10]。本试验以张杂谷10号的秸秆为原料，以微波辅助乙醇提取法提取黄色素，研究不同外界因素及条件对黄色素稳定性的影响，这对其以后的生产和应用提供了理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

谷子秸秆（张杂谷10号），山西农业大学农作站提供；小米黄色素，自制；无水乙醇、蔗糖、柠檬酸、H2O2等，均为国产分析纯。

UV WinLab V6型紫外可见分光光度计，珀金埃尔默仪器有限公司产品；JDG- 0.2型真空冻干试验机，兰州科近真空冻干技术有限公司产品；Starter 3100型pH计，奥豪斯仪器有限公司产品；722 G型可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司产品；HCP- 100型华晨高速多功能粉碎机，浙江省永康市金穗机械制造厂产品；TDL- 4型低速台式离心机，上海安亭科学仪器厂产品；HHS型电热恒温水浴锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂产品。

1.2工艺流程

1.2.1提取工艺流程

原料→清洗→40℃热风干燥→粉碎→过筛（60目）→微波辅助乙醇提取→抽滤→离心（4 000 r/min，10 min）→上清液→定容→母液。

1.2.2冻干工艺流程

提取所得上清液→纯化→预冻→升华干燥→解析干燥→砖红色絮状粗提物。

1.3黄色素的提取

称取一定量秸秆粉末，以微波辅助乙醇提取法的最佳工艺（乙醇体积分数72%，料液比1∶20，微波辐射功率320 W，微波辐射时间30 s，提取3次）进行提取。

1.4黄色素成分的鉴定

1.4.1最大吸收波长的确定

将母液稀释至一定浓度（以吸光度大小为准），用紫外可见分光光度计在380～800 nm内进行光谱扫描，确定该色素在可见光范围内的最大吸收波长[11]。

1.4.2颜色反应

各取0.050 0 g冻干小米黄色素和秸秆黄色素样品，先分别加入5 mL CHCl3，配成色素试样；再分别加入浓H2SO4或浓HCl，过滤，观察2种色素溶液的颜色变化。

1.5黄色素保存率的计算

1.5.1黄色素保存率

式中：A1——色素溶液的初始吸光度；

A2——样品经不同处理后的溶液吸光度。

1.6黄色素的稳定性研究

1.6.1黄色素的耐光性和耐热性

式中：A0——色素溶液初始吸光度；

A——样品经不同处理后的溶液吸光度。

1.5.2黄色素变化率

将相同质量浓度的母液分装于50 mL透明容量瓶中，分别放于室内暗箱、室内自然光照和室外太阳光照处，静置，每隔1 d于444 nm处测其吸光度，观察其颜色变化并计算保存率。

将相同质量浓度的母液分别于20，40，60，80，100℃下恒温避光水浴3 h，每隔30 min取样，冷却至室温，于444 nm处测其吸光度，观察其颜色变化并计算保存率。

1.6.2黄色素的耐氧化性和耐还原性

各取母液9 mL，分别加入1 mL 0.09% H2O2和0.48×103mg/L NaSO3，室温避光放置2，24，48 h，于444 nm处测其吸光度，计算保存率。

1.6.3常见食品添加剂对黄色素稳定性的影响

各取母液9 mL，分别加入1 mL 5×103mg/L蔗糖溶液、5×103mg/L柠檬酸溶液、0.8×103mg/L苯甲酸钠溶液和0.8×103mg/L氯化钠溶液，室温避光放置2，24，48 h，于444 nm处测其吸光度，计算保存率或变化率。

1.6.4常见金属离子对黄色素稳定性的影响

各取母液9 mL，分别加入1 mL一定浓度KCl，CaCl2，CuSO4，MgSO4和FeCl3水溶液，配成最终金属离子为1×10-3mol/L的色素溶液，室温避光放置2，24，48 h，于444 nm处测其吸光度，计算保存率或变化率。

1.6.5pH值对黄色素稳定性的影响

各取最初pH值为7.92的母液，用0.1 mol/L NaOH和HCl溶液分别调pH值为3，5，7，9，11，13，室温避光放置2 d，于444 nm处测其吸光度。

2　结果与分析

2.1最大吸收波长的确定

在380～800 nm波长内对谷子秸秆黄色素提取液进行光谱扫描，该色素在400～500 nm波长内有3个显著吸收峰，符合类胡萝卜素的特征吸收。该图与小米黄色素[12]的光谱图相似，初步说明秸秆黄色素与小米黄色素的化学成分相似，可能为类胡萝卜素。

黄色素提取液的紫外可见吸收光谱见图1，小米黄色素的紫外可见吸收光谱见图2。

图1　黄色素提取液的紫外可见吸收光谱

由图1和图2可知，秸秆黄色素的最大吸收波长为444 nm（Amax=0.61），与小米黄色素的最大吸收波长445 nm（Amax=0.520 6）非常接近，说明秸秆黄色素和小米黄色素具有相似的化学成分。

2.2颜色反应

色素的颜色反应见表1。

图2　小米黄色素的紫外可见吸收光谱

表1　色素的颜色反应

由表1可知，该色素的氯仿溶液与浓HCl反应，溶液呈灰绿色，符合类胡萝卜素的颜色反应，即类胡萝卜素的氯仿溶液与浓HCl反应，若存在α-胡萝卜素- 5,6 -环氧化物，则生成灰绿色。秸秆黄色素的氯仿溶液与浓H2SO4反应，溶液呈灰蓝色，而小米黄色素氯仿溶液与浓H2SO4反应，溶液呈浅蓝色。二者均符合类胡萝卜素的显色特征，因此可进一步认定秸秆黄色素与小米黄色素成分相似，均属类胡萝卜素。

2.3稳定性试验结果

2.3.1光稳定性

光照条件对黄色素提取液吸光度的影响见图3。

图3　光照条件对黄色素提取液吸光度的影响

由图3可知，随放置时间延长，室内暗箱处色素溶液吸光度和颜色基本无变化；室内自然光照处吸光度呈缓慢下降趋势，对比标准比色卡，颜色由金黄变为黄红色；室外太阳光照处吸光度急剧下降后趋于平缓，颜色由金黄色变为金色，且稍有沉淀产生。放置9 d后，室内暗箱、室内自然光和室外太阳光照处色素溶液的保存率分别为96.5%，64.5%和17.8%，说明该色素的耐光性差，不宜在光照直射条件下存放。因此，在加工及运输过程中应注意避光保存。

2.3.2热稳定性

温度对黄色素稳定性的影响见表2。

由表2可知，色素提取液于20，40℃下恒温水浴3.0 h后，其吸光度基本无变化，保存率分别为99.3%和99.1%；60，80℃下恒温水浴3.0 h后，其吸光度稍有下降，保存率均为95.7%；100℃下恒温水浴3.0 h后，色素提取液吸光度明显下降，其保存率为87.1%。对比标准比色卡，溶液颜色由金黄色变为金色，并出现白色浑浊物。说明该色素具有一定的耐热性，但在使用过程中应避免过度高温或长时间受热，以不超过80℃为宜。

2.3.3氧化剂和还原剂对黄色素稳定性的影响

H2O2，NaSO3对黄色素稳定性的影响见图4。

图4　H2O2，NaSO3对黄色素稳定性的影响

由图4可知，随放置时间延长，该色素提取液在H2O2溶液中相对稳定，吸光度与初始值基本保持一致；而在NaSO3溶液中溶液吸光度先增加后降低，但始终高于初始值，48 h后色素溶液的吸光度增大了99.0%。说明氧化剂对该黄色素的影响不大，而还原剂影响较大，具有一定的增色作用。

2.3.4常见食品添加剂对黄色素稳定性的影响

常见食品添加剂对黄色素提取液吸光度的影响见图5。

由图5可知，与初始值相比，蔗糖和氯化钠对该色素吸光度影响不大，48 h后保存率分别为97.1%和96.7%；柠檬酸对该色素影响较大，具有消色作用，保存率为90.7%；苯甲酸钠对该色素影响也较大，具有增色作用，48 h后吸光度增大了6.1%。

2.3.5常见金属离子对黄色素稳定性的影响

图5　常见食品添加剂对黄色素提取液吸光度的影响

常见金属离子对黄色素提取液吸光度的影响见图6。

图6　常见金属离子对黄色素提取液吸光度的影响

由图6可知，相同浓度金属离子、不同时间下色素提取液的吸光度大小不同。Cu2+对该色素具有消色作用，48 h后色素提取液的保存率为66.1%，在加工运输过程中应避免接触和使用铜制品；Fe3+对该色素影响较大，有增色作用，48 h后其吸光度增大了56.2%；K+，Ca2+和Mg2+对该色素基本无影响。

2.3.6 pH值对黄色素稳定性的影响

不同pH值对黄色素提取液吸光度的影响见图7。

图7　不同pH值对黄色素提取液吸光度的影响

由图7可知，随pH值增大，该色素提取液的吸光度也增大。对比标准比色卡，溶液颜色变深，由黄色变为金黄色；反之，提取液吸光度随pH值减小而减小，颜色变浅。说明该色素适合在中性和碱性条件下使用，而酸性条件对色素具有消色作用。

3　结论

紫外吸收图谱及颜色反应试验表明，该色素的紫外吸收可见光谱与类胡萝卜素的特征吸收一致，且其最大吸收波长与小米黄色素的λmax非常接近，因此可初步认定秸秆黄色素与小米黄色素成分相似，且可能含有α-胡萝卜素- 5,6 -环氧化物。

该色素耐光性较差，应注意避光保存；该色素具有一定的耐热性，但在使用过程中应避免过度高温或长时间受热，以不超过80℃为宜。

H2O2对秸秆黄色素的影响不显著；NaSO3对色素具有一定增色作用。

蔗糖和氯化钠对该色素影响不大，该色素在食品加工过程中可以与蔗糖和氯化钠一起使用；柠檬酸对该色素有消色作用，苯甲酸钠有增色作用。

K+，Ca2+，Mg2+对该色素基本无影响；Cu2+对该色素具有消色作用；Fe3+对该色素具有增色作用，且随时间的延长，增色作用增大。

该色素适合在中性和碱性条件下使用，而酸性条件对色素具有消色作用。

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Stability Study of Yellow Pigment in Millet Straw Extracted by Microwave- ethanol

ZHANG Chunfeng，*HAO Lin
（Agronomy College，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030801，China）

Abstract：The millet straw is treated as raw material to study the contents and influence of outside factors to the stability of its yellow pigment. According to the ultraviolet spectrum plot and response of the color，the maximum absorption wavelength of the yellow pigment is 444 nm. Preliminary evidences that the pigment is carotenoids，maybe including Alpha- carotene-5,6- epoxide. Stability test shows that the pigment has certain degree thermostability and oxidative resistance. However，its photostability and reducing resistance is poor. The reductant NaSO3has hyperchromic effect. The yellow pigment is suitable for using in neutral or alkalineconditions. It can be used jointly with cane sugar，sodium chloride and other food additives，but citric acid and natrium benzoicum. Cu2+will damage the yellow pigmengt，Fe3+can increase its yellow color，too. K+，Ca2+and Mg2+almost have no effects on it.

Key words：millet straw；yellow pigment；stability

*通讯作者：郝林（1957—），男，教授，博士生导师，研究方向为食品生物技术。

作者简介：张春凤（1990—），女，硕士，研究方向为旱作栽培与作物生态。

收稿日期：2016- 01- 14

文章编号：1671- 9646（2016）03b- 0048- 04

中图分类号：TS207

文献标志码：A

doi：10.16693/j.cnki.1671- 9646（X）.2016.03.040