玫瑰花渣废水回收所得色素的稳定性研究

冯小叶，周慧，李琴，李延芳

（四川大学化学工程学院，四川 成都 610065）

作为食品添加剂，色素广泛应用于食品工业。根据其来源可分为天然色素和合成色素。虽然合成色素具有更好的着色能力和稳定性，但是研究发现它们可能具有慢性毒性、致癌性和致畸性[1-2]。与之相比，部分天然色素除了增色作用，还具有补充营养、抗氧化、抗癌、抗炎和抗菌等药理作用[3-5]。潘洪志等[6]发现番茄红素可以提高大鼠机体的抗氧化能力，还可以抑制脂质过氧化。此外，番茄红素还具有抗肿瘤、抗癌等多种生理活性[7-9]。花色苷类色素也具有抗氧化、抗炎、抗糖尿病、保护心血管等药理活性[10-12]。随着消费者健康意识的增强，天然色素在现代食品工业中的应用越来越广泛，新型天然色素的开发成为研究热点之一。

大马士革玫瑰（Rosa damascene）是一种应用历史悠久的药食两用植物，主产地为保加利亚、土耳其和伊朗，我国四川、云南等地也有引种[13-14]。文献报道其具有抗氧化、镇静、安眠、抗菌和抗病毒等作用[15-18]。此外，其含油量高，常用于生产玫瑰精油，得到的产品香气浓郁且品质好[19]。现有的研究报道中，多以玫瑰花为原料直接提取色素。葛红娟等[20]通过单因素试验和正交试验建立了从玫瑰花中提取玫瑰色素的工艺。陈雅妮等[21]也研究了玫瑰花中玫瑰色素的提取工艺，并考察了所得玫瑰色素的稳定性，结果表明金属离子、pH值、氧化剂和还原剂对色素稳定性影响较大。

利用水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油后，会产生大量的花渣废水。本课题组前期利用大孔吸附树脂进行了花渣废水的吸附，并将50%乙醇洗脱液经过冷冻干燥处理，得到了紫红色色素。鉴于从工业大生产所产生的大马士革玫瑰花渣废水中回收所得色素的稳定性未见报道，因此，本文以玫瑰色素为研究对象，考察了环境条件（pH值和温度）、常用食品添加剂（蔗糖、抗坏血酸、苯甲酸钠、Na2SO3）、食品消毒剂（H2O2）和 5 种金属离子（Fe3+、Al3+、Ca2+、Cu2+和 Mg2+）对其稳定性的影响，为后续玫瑰色素在食品工业中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玫瑰色素样品由四川大学化学工程学院李延芳实验室自制，为将玫瑰花渣废水（四川银谷玫瑰科技有限公司，2018年生产季提供）利用HPD100大孔树脂吸附后用50%乙醇洗脱再经冷冻干燥所得的紫红色样品。

无水乙醇、抗坏血酸、亚硫酸钠、苯甲酸钠、氢氧化钠、浓盐酸、蔗糖、30%过氧化氢、氯化铜、氯化镁、三氯化铁、氯化钙、氯化铝（分析纯）：四川科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

紫外分光光度计（UV2100型）、电热恒温水浴锅（B-490型）：北京中兴伟业仪器有限公司；超声波清洗器（KQ2200B型）：昆山市超声仪器有限公司；超纯水机（YL-100B-D型）：深圳亿源水处理设备有限公司；电子分析天平（FA1104B型）：上海越平科学仪器有限公司；电子pH计（PHS-2C型）：上海康仪仪器有限公司。

1.3 玫瑰色素的稳定性研究

1.3.1 全波长扫描

用去离子水配制0.1 mg/mL的玫瑰色素溶液，取2 mL色素溶液加入3 mL去离子水，在200 nm～700 nm处进行全波长扫描，以获得色素溶液的紫外-可见光谱图，并确定合适的检测波长。

1.3.2 pH值对稳定性的影响

使用NaOH和HCl配制pH 2～10的溶液，分别取色素溶于不同pH值的溶液中配制成0.04 mg/mL的溶液，避光静置，2h后测定溶液的吸光度变化，考察pH值对色素稳定性的影响。以色素水溶液作为空白对照。

1.3.3 温度对稳定性的影响

分别将4份2 mL的色素溶液分别加入3 mL去离子水，放置于 20、40、60、80 ℃下的水浴中，静置避光2 h，冷却至室温25℃后测定溶液的吸光度变化，考察温度对色素稳定性的影响。

1.3.4 蔗糖浓度对稳定性的影响

分别取2 mL的7份色素溶液，加入3 mL浓度为1%～6%的蔗糖溶液，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度。加入等量去离子水替代蔗糖溶液作为空白对照。

1.3.5 抗坏血酸浓度对稳定性的影响

分别取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL浓度为0.05%～0.25%的抗坏血酸溶液，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度。加入等量去离子水替代抗坏血酸溶液作为空白对照。

1.3.6 H2O2浓度对稳定性的影响

H2O2作为一种氧化剂，常被用于食品消毒剂。分别取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL浓度为0.5%～2.5%的H2O2溶液，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度。加入等量去离子水替代H2O2溶液作为空白对照。

1.3.7 Na2SO3浓度对稳定性的影响

根据文献[22]，食品中可添加的Na2SO3最大浓度为0.05%。故以Na2SO3为还原剂，分别取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL浓度为0.01%～0.05%的Na2SO3溶液，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度。加入等量去离子水替代Na2SO3溶液作为空白对照。

1.3.8 苯甲酸钠浓度对稳定性的影响

分别取2 mL的6份色素溶液，加入3 mL浓度为0.1%～0.5%的苯甲酸钠溶液混合，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度。加入等量去离子水替代苯甲酸钠溶液作为空白对照。

1.3.9 金属离子浓度对稳定性的影响

配制 0.005、0.01、0.015、0.02、0.025 mol/L 的 CuCl2、MgCl2、FeCl3、CaCl2和 AlCl3溶液，各取 3mL 分别与 2mL的色素溶液混合，避光静置，2 h后测定溶液的吸光度，考察金属离子浓度对色素稳定性的影响。加入等量去离子水替代金属离子溶液作为空白对照。

1.4 数据处理

所有试验平行重复3次，并使用Minitab 2017软件进行数据的分析，显著性水平为0.05，且p<0.05表示差异显著。试验结果使用均值±标准误差的形式表示。

色素的保存率/%=反应溶液的吸光度/空白对照的吸光度×100

2 结果与分析

2.1 玫瑰色素的吸收光谱

在前期研究中，对50%乙醇洗脱液冷冻干燥得到的色素进行了成分分析，结果表明其中主要含有槲皮素的糖苷和山奈酚的糖苷，皆为黄酮类化合物。玫瑰色素的紫外可见光谱图见图1。

图1 玫瑰色素的紫外-可见光谱图Fig.1 UV-VIS spectrogram of rose pigment

由图1可知，0.04 mg/mL的色素溶液在264 nm和348 nm处有两个明显的吸收峰，符合黄酮类化合物的紫外吸收特点，由于黄酮类化合物的最大吸收范围在300 nm～400 nm，故本试验选择了348 nm作为后续考察稳定性的波长。

2.2 pH值对稳定性的影响

不同pH值对色素溶液的影响结果如图2所示。

图2 pH值对色素稳定性的影响Fig.2 Influence of pH on the stability of rose pigment

由图2可知，pH值小于5时，玫瑰色素溶液的吸光度显著下降（p<0.05），当pH值为6～10时玫瑰色素溶液的吸光度变化不明显。由此可见，强酸性环境对此色素溶液有破坏作用，在中性和碱性环境下可以较好的保存及使用。此时，空白对照的吸光度为0.544 4。

2.3 温度对稳定性的影响

不同温度对色素溶液的影响结果如图3所示。

图3 温度对色素稳定性的影响Fig.3 Influence of temperature on the stability of rose pigment

由图3可知，在设定的20℃～80℃温度范围内，2 h内色素溶液的吸光度没有显著的变化（p>0.05）。由此说明此色素溶液具有较好的耐热性，可在较苛刻的温度条件下作为食品添加剂使用。

2.4 蔗糖浓度对稳定性的影响

不同蔗糖浓度对色素溶液的影响结果如图4所示。

图4 蔗糖浓度对色素稳定性的影响Fig.4 Influence of sucrose concentration on the stability of rose pigment

由图4可知，在设置的蔗糖浓度范围内，蔗糖浓度对色素吸光度无显著影响（p>0.05）。由此表明此玫瑰色素在蔗糖溶液中较为稳定，可与蔗糖配伍作为食品添加剂使用。

2.5 抗坏血酸浓度对稳定性的影响

由于抗坏血酸具有还原性，在食品中被广泛用作抗氧化剂。不同抗坏血酸浓度对色素溶液的影响结果如图5所示。

由图5可知，加入0.05%的抗坏血酸溶液后，色素溶液的吸光度显著降低，此时色素的保存率为86.02%。由此可见，抗坏血酸对玫瑰色素具有一定的破坏能力，可能是由于抗坏血酸的溶液偏酸性。因此，抗坏血酸不可用作增色剂和还原剂添加到玫瑰花色素中。

图5 抗坏血酸浓度对色素稳定性的影响Fig.5 Influence of ascorbic acid concentration on the stability of rose pigment

2.6 Na2SO3浓度对稳定性的影响

不同Na2SO3浓度对色素溶液的影响结果如图6所示。

图6 Na2SO3浓度对色素稳定性的影响Fig.6 Influence of Na2SO3concentration on the stability of rose pigment

由图6可知，在所测试的Na2SO3浓度范围内，反应前后色素溶液的吸光度没有明显的变化（p>0.05），即Na2SO3浓度对色素吸光度无明显的影响。表明此玫瑰色素在Na2SO3溶液中较为稳定，可与Na2SO3配伍使用。

2.7 H2O2浓度对稳定性的影响

不同H2O2浓度对色素溶液的影响结果如图7所示。

由图7可知，在所测试的H2O2浓度范围内，反应前后色素溶液的吸光度没有明显的变化（p>0.05），即H2O2浓度对色素吸光度无明显的影响，表明此玫瑰色素在H2O2溶液中较为稳定。

2.8 苯甲酸钠浓度对稳定性的影响

不同苯甲酸钠浓度对色素溶液的影响结果如图8所示。

由图8可知，在所测试的苯甲酸钠浓度范围内，反应前后色素溶液的吸光度没有明显的变化（p>0.05）。由此可见，在苯甲酸钠对色素溶液没有明显的影响，说明此玫瑰色素在苯甲酸钠溶液中较为稳定，可与配伍作为食品添加剂使用。

图7 H2O2浓度对色素稳定性的影响Fig.7 Influence of H2O2on the stability of rose pigment

图8 苯甲酸钠浓度对色素稳定性的影响Fig.8 Influence of sodium benzoate concentration on the stability of rose pigment

2.9 金属离子的种类和浓度对稳定性的影响

5种金属离子对色素溶液的影响结果如表1和表2所示。

表1 Cu2+和Al3+对色素稳定性的影响Table 1 Influence of Cu2+and Al3+on the stability of rose pigment

由表2所知，加入Mg2+后，溶液的吸光度没有明显的变化。加入Fe3+后，溶液产生墨绿色沉淀，无法测定吸光度，说明Fe3+对色素有强烈的破坏作用，可能是由于Fe3+与黄酮类化合物形成了螯合物。当Al3+浓度为0.005 mol/L时，玫瑰色素的保存率为81.22%，说明Al3+的加入会造成玫瑰色素的降解，但此作用与Al3+的浓度没有明显的相关性。加入Cu2+后，溶液的吸光度有一定程度的降低，并且当Cu2+的浓度由0.005 mol/L升高至0.025 mol/L时，反应后玫瑰色素的保存率分别为94.18%和90.15%，说明Cu2+的加入会加速玫瑰色素的降解，降解作用与Cu2+离子浓度呈负相关关系。当金属离子浓度为0.005 mol/L时，与Cu2+和Al3+反应后的玫瑰色素保存率分别为94.18%和81.22%，而Fe3+的加入使得溶液出现墨绿色沉淀，说明3种金属离子对玫瑰色素溶液的影响程度为Fe3+>Al3+>Cu2+。此外，随着Ca2+浓度的升高，色素溶液吸光度有较明显的升高。

表2 Fe3+、Mg2+和Ca2+对色素稳定性的影响Table 2 Influence of Fe3+，Mg2+and Ca2+on the stability of rose pigment

3 结论

本文通过多组试验考察了2种环境条件（pH值和温度）、4种常用食品添加剂（蔗糖、抗坏血酸、苯甲酸钠、Na2SO3）、1 种食品消毒剂（H2O2）和 5 种金属离子（Fe3+、Cu2+、Al3+、Ca2+和 Mg2+）对从大马士革玫瑰精油提炼后的玫瑰花渣废水中回收所得色素稳定性的影响。结果表明，在测试时间内玫瑰色素在较宽的温度范围内保持稳定，在强酸性条件下色素显著下降（p<0.05），在中性和碱性条件下比较稳定。防腐剂苯甲酸钠、还原剂Na2SO3、氧化剂H2O2和蔗糖的加入对色素稳定性无明显影响，而抗坏血酸的加入会造成溶液pH值的降低，从而导致色素的降解。

此外，金属离子对玫瑰色素的稳定性试验结果表明，Mg2+对色素没有明显的影响。Al3+的加入使得色素溶液的保存率降低，且此作用与离子浓度没有明显的关系；Cu2+可加速玫瑰色素降解，且此作用与Cu2+的浓度呈负相关关系；Fe3+的加入对色素有强烈的破坏作用；3种金属离子对玫瑰色素溶液的影响程度为Fe3+>Al3+>Cu2+。此外，Ca2+对玫瑰色素有增色作用，此作用与Ca2+浓度呈正相关关系。

综上，此玫瑰色素在中性和碱性环境下较稳定，温度、氧化剂H2O2和Mg2+离子对其稳定性无明显影响，其可与蔗糖、Na2SO3和苯甲酸钠几种常用食品添加剂配伍使用，但在贮存过程中应尽量避免接触Fe3+、Al3+、Cu2+、Ca2+及强还原剂抗坏血酸。