超高壓加工過程中花色苷降解動力學(xué)研究

張海寧，　王亞超，　馬永昆，　William Tchabo，　葉　華（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

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超高壓加工過程中花色苷降解動力學(xué)研究

張海寧，王亞超，馬永昆*，William Tchabo，葉華
（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

摘要：為了了解超高壓加工過程中花色苷的穩(wěn)定性，以藍(lán)莓汁和模擬果汁為對象，研究兩種體系在200、400和600 MPa超高壓處理過程中花色苷降解動力學(xué)，并探討花色苷在超高壓加工過程中的降解機(jī)理。結(jié)果表明：在200 MPa和600 MPa超高壓處理過程中藍(lán)莓果汁花色苷含量呈現(xiàn)下降趨勢，在600 MPa超高壓處理過程中模擬果汁花色苷含量也有所減少；藍(lán)莓果汁和模擬果汁花色苷在超高壓加工中的降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)。在超高壓處理過程中花色苷會發(fā)生降解，這種降解不止是酶和熱造成的，壓力本身也會引起花色苷降解，花色苷在超高壓處理過程中的降解機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：超高壓；藍(lán)莓；花色苷；降解；動力學(xué)

藍(lán)莓、桑葚等小漿果中富含花色苷，它不僅賦予水果呈現(xiàn)多彩顏色，還具有抗氧化和抗腫瘤[1-2]、抗炎、改善心血管、降低肥胖等[3]多種生物活性。但是這些小漿果不易儲藏，除了鮮食外進(jìn)一步加工成果汁或者果酒等產(chǎn)品能夠更好的延長其貨架期。但花色苷很不穩(wěn)定，在加工儲藏過程中會因為pH、金屬離子、氧氣、光、溫度[4]等因素而發(fā)生降解，尤其是熱加工會導(dǎo)致花色苷快速降解，Kechinski等[5]研究藍(lán)莓中花色苷熱降解動力學(xué)時發(fā)現(xiàn)在隨著處理溫度的升高，藍(lán)莓花色苷降解半衰期快速減少。

超高壓作為一種非熱加工技術(shù)越來越多的應(yīng)用于果蔬加工儲藏過程中，由于其不涉及熱加工，與食品品質(zhì)相關(guān)的感官和營養(yǎng)成分在超高壓過程中幾乎不受影響，因此超高壓加工產(chǎn)品比傳統(tǒng)方法加工產(chǎn)品能更好的保持原有品質(zhì)[6]。有研究表明果汁中花色苷含量在超高壓處理過程中會出現(xiàn)降低現(xiàn)象[7]，但超高壓對花色苷影響的研究主要集中在超高壓處理后花色苷在儲藏過程中的變化[8-9]，超高壓加工過程中花色苷降解動力學(xué)的研究仍不全面。

作者以藍(lán)莓果汁和模擬果汁為對象，研究花色苷在不同超高壓處理條件下的含量變化，建立花色苷在超高壓處理下的降解動力學(xué)方程，并通過比較不同處理條件花色苷降解差異探討花色苷在超高壓處理過程中的降解機(jī)理，為利用超高壓技術(shù)加工高品質(zhì)藍(lán)莓果汁提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

兔眼藍(lán)莓：購于南京溧水白馬鎮(zhèn)，-20℃冰箱冷藏；藍(lán)莓果汁：藍(lán)莓榨汁，經(jīng)5 000 r/min離心20 min后取上清冷藏備用；藍(lán)莓花色苷：藍(lán)莓榨汁后殘渣40℃干燥后粉碎，過80目篩，使用酸性甲醇提取花色苷，大孔樹脂AB-8進(jìn)行初步純化去除糖和蛋白質(zhì)，40℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除提取溶劑后冷凍干燥得花色苷粉末冷藏備用。果汁模擬體系[10]：1.0 g檸檬酸三鈉，1.35 g檸檬酸，92.68 g蔗糖使用無二氧化碳水定容至1 L，2.0 mol/L HCl調(diào)整pH至3.0，加入藍(lán)莓花色苷使其終濃度為100.2 mg/L。

1.2主要儀器設(shè)備

HR-1843榨汁機(jī)：飛利浦公司產(chǎn)品；PHS-TC數(shù)顯酸度計：上海天達(dá)儀器有限公司產(chǎn)品；UV-1600紫外可見分光光度計：北京瑞利分析儀器公司產(chǎn)品；UHPF/3L/800MPa超高壓設(shè)備：包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.3試驗方法

1.3.1花色苷含量測定采用pH示差法[11]測定粗提物中花色苷含量：提取后于高速離心機(jī)中5 000 r/min離心10 min，收集上清液，取1 mL上清液分別用pH 1.0和pH 4.5緩沖液定容至10 mL，搖勻，平衡20 min，以蒸餾水做空白，分別于最大吸收波長（520 nm）和700 nm處測定吸光度，并按照公式（1）計算吸光值A(chǔ)。

按照公式（2）計算粗提液中花色苷質(zhì)量濃度C。

其中，C：待測樣品中花色苷質(zhì)量濃度，（mg/L）；MW：樣品中花色苷的相對分子質(zhì)量（以矢車菊-3-葡萄糖苷計），MW=449.2 g/mol；DF：稀釋倍數(shù)，此處為10；1指1 cm的比色杯；ε：花色苷的摩爾吸收率，ε=26 900 L/（mol·cm）

1.3.2藍(lán)莓汁超高壓處理超高壓設(shè)備有效體積為3 L，最高壓力為700 MPa，傳壓介質(zhì)為癸二酸二辛酯，油溫20～23℃，升壓速率為100 MPa/min，解壓時間為10 s，保壓過程中壓差不超過10 MPa。將20 mL藍(lán)莓果汁和模擬果汁分別裝在耐高壓聚乙烯袋中熱封口，超高壓處理條件為200、400、600 MPa分別保壓5、10、15、20、25、30 min，處理后樣品迅速置于4℃冰浴保存，12 h內(nèi)完成檢測。每個樣品重復(fù)處理3次。未處理樣品為空白對照。

1.3.3藍(lán)莓汁熱處理超高壓處理過程中溫度隨著壓力增加而升高，一般認(rèn)為每增加100 MPa壓力溫度升高3℃，以最高處理壓力600 MPa計算，升溫18℃，因此以40℃熱處理作為對照，研究超高壓過程中由于升溫引起的花色苷降解作用。

1.3.4花色苷降解動力學(xué)大量研究表明花色苷的熱降解動力學(xué)符合一級動力學(xué)反應(yīng)[5，11]，反應(yīng)速率常數(shù)（к）可用公式3計算，花色苷降解半衰期（t1/2）可用公式（4）計算。采用一級反應(yīng)動力學(xué)模型分析超高壓處理過程中花色苷的降解。

式中к表示降解速率常數(shù)，t表示處理時間，Ct、C0分別表示t時刻和0時刻時花色苷質(zhì)量濃度，其中花色苷殘留率=（Ct/C0）=（At/A0），At、A0分別表示不同處理時間時公式（1）中吸光值。

1.3.5統(tǒng)計分析方法

采用origin8.0和Excel2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1超高壓加工過程中花色苷殘留率變化

藍(lán)莓果汁及模擬果汁花色苷在超高壓處理過程中含量變化分別見圖1與圖2。

圖1　超高壓加工過程中藍(lán)莓汁中花色苷殘留率變化Fig. 1　 Change of anthocyanins content during high hydrostatic pressure processing in blueberry juice

如圖1所示，藍(lán)莓果汁在40℃熱處理、200 MPa和600 MPa超高壓處理過程中隨著處理時間延長花色苷含量呈現(xiàn)下降趨勢，隨著時間延長，藍(lán)莓果汁花色苷減少速率加快。這與Patras等研究類似，他們發(fā)現(xiàn)果蔬中花色苷在超高壓加工過程中會發(fā)生降解，這種降解作用可能是由于多酚氧化酶和過氧化物酶將花色苷氧化成為酚醌類物質(zhì)引起的[12]。但是在模擬果汁體系中，200 MPa和400 MPa超高壓處理過程中花色苷含量基本無變化，熱處理和600 MPa超高壓處理過程中隨著處理時間延長花色苷含量也呈現(xiàn)下降趨勢（見圖2），在600 MPa處理開始階段（0～10 min）模擬果汁花色苷含量基本處于穩(wěn)定，隨著保壓時間延長（20～30 min）花色苷含量減少加速。模擬果汁體系較為簡單，沒有蛋白質(zhì)（酶類），花色苷的降解主要是由非酶因素引起的，壓力和溫度可能是引起模擬果汁中花色苷降解的原因。

2.2超高壓加工過程中花色苷降解動力學(xué)

不同壓力處理后藍(lán)莓汁花色苷降解動力學(xué)曲線見圖3，模擬果汁花色苷降解動力學(xué)曲線見圖4。由于模擬果汁中200 MPa和400 MPa處理過程中花色苷質(zhì)量濃度基本沒有發(fā)生變化，因此未進(jìn)行動力學(xué)研究。

圖2　超高壓加工過程中模擬果汁中花色苷殘留率變化Fig. 2　 Change of anthocyanins content during high hydrostatic pressure processing in the simulated juice

圖3　超高壓加工過程中藍(lán)莓果汁花色苷降解動力學(xué)曲線Fig. 3 Degradation kinetics of anthocyanins during high hydrostatic pressure in blueberry juice

圖3和圖4分別為花色苷含量和處理時間之間的做-ln（Ct/C0）—t圖。如圖3所示，在40℃熱處理、200 MPa和600 MPa超高壓處理過程中藍(lán)莓果汁花色苷的降解基本符合一級反應(yīng)動力學(xué)，相關(guān)系數(shù)大于85%。如圖4所示，40℃熱處理和600 MPa超高壓處理過程中模擬果汁花色苷降解也基本符合一級反應(yīng)動力學(xué)，相關(guān)系數(shù)大于85%。藍(lán)莓果汁和模擬果汁花色苷在超高壓加工過程中均符合一級降解動力學(xué)，與花色苷在熱處理過程中降解動力學(xué)類似，藍(lán)莓果汁和模擬果汁在超高壓加工過程中降解動力學(xué)參數(shù)見表1。

如表1所示，在藍(lán)莓果汁中降解反應(yīng)速率常數(shù)к大小依次為200 MPa、600 MPa、40℃，這說明200 MPa和600 MPa超高壓處理過程中花色苷降解速率高于40℃，同理可知在模擬果汁中600 MPa超高壓處理時花色苷降解反應(yīng)速率常數(shù)大于40℃熱處理時花色苷降解反應(yīng)速率常數(shù)，這表明無論在藍(lán)莓果汁中還是在模擬果汁中，溫度引起的花色苷降解作用都沒有超高壓引起的降解作用明顯。

圖4　超高壓加工過程中模擬果汁花色苷降解動力學(xué)曲線Fig. 4 Degradation kinetics of anthocyanins during high hydrostatic pressure in the simulated juice

表1　藍(lán)莓果汁和模擬果汁中花色苷超高壓處理過程中降解參數(shù)Table 1 Degradation parameter of anthocyanins during high hydrostatic pressure in blueberry juice and the simulated juice

2.3超高壓處理過程中花色苷降解機(jī)理初步探討

超高壓作為一種非熱加工技術(shù)能夠提高花色苷的儲藏穩(wěn)定性，但是有研究報道超高壓處理能夠影響花色苷種類[13]和含量[9]。但是影響花色苷穩(wěn)定性因素很多，花色苷的結(jié)構(gòu)、濃度，溶液的溫度、pH、光照、氧氣、酶、糖、抗壞血酸等都會導(dǎo)致花色苷的降解，其中溫度和酶是影響花色苷降解的主要因素[14]。

藍(lán)莓果汁在200 MPa和600 MPa下隨著處理時間延長花色苷質(zhì)量濃度降低，但是由表1可以看出，在藍(lán)莓果汁中200 MPa超高壓處理時花色苷降解速率常數(shù)大于600 MPa處理時花色苷降解速率常數(shù)，即與600 MPa相比200 MPa壓力能更快的降解果汁中花色苷，而600 MPa所引起的升溫效應(yīng)（18℃）高于200 MPa引起的升溫效應(yīng)（6℃），因此可推斷超高壓處理下花色苷降解不只是由升溫效應(yīng)引起的。這可能因為藍(lán)莓果汁是一個復(fù)雜的多元體系，存在其他可能引起花色苷降解的其他因素。β-葡糖苷酶、過氧化物酶和多酚氧化酶是引起花色苷降解主要酶類，β-葡糖苷酶是引起花色苷降解的一個重要酶類，它能夠水解花色苷的糖配基，從而使失去糖配基的花色苷更容易受到過氧化物酶的氧化作用。不同果蔬中氧化酶耐壓性不同，有研究表明在草莓汁中當(dāng)處理壓力達(dá)到300 MPa以上時過氧化物酶和多酚氧化酶活性開始降低，當(dāng)處理壓力在250 MPa以下時鱷梨中多酚氧化酶活性增加。因此200 MPa處理比600 MPa處理過程中花色苷降解速率快的原因可能是200 MPa超高壓處理下可能促進(jìn)了酶的活性，從而加快了花色苷的降解，當(dāng)壓力達(dá)到400 MPa時由于酶活性降低而表現(xiàn)出果汁中花色苷含量的穩(wěn)定，當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa時，花色苷的降解可能更多由壓力本身引起。

藍(lán)莓果汁和模擬果汁在600 MPa超高壓處理過程中花色苷減少量都多于40℃熱處理時花色苷減少量。因此推斷在600 MPa超高壓處理過程中花色苷的降解不只是由升溫效應(yīng)（40℃）引起的，600 MPa壓力會加快花色苷的降解。這一點從模擬果汁中花色苷含量在200 MPa和400 MPa下較為穩(wěn)定而在600 MPa時含量減少得到驗證。模擬果汁體系較為簡單，只有糖、檸檬酸和花色苷提取物，沒有酶、有機(jī)酸等可能引起花色苷降解的因素，超高壓處理過程中會產(chǎn)生高壓物理能，并使反應(yīng)體積縮小，從而會加快各種物理化學(xué)反應(yīng)速度。Srivastava 等[14]發(fā)現(xiàn)在儲藏過程中花色苷發(fā)生降解作用是因為其和原花青素會發(fā)生縮合反應(yīng)形成花色苷—原花青素聚合物，從而表現(xiàn)出花色苷含量減少，這種聚合反應(yīng)可以直接形成，也可以通過乙醛或者糠醛催化形成。花色苷在超高壓加工過程中的降解可能是由于較高的壓力促進(jìn)了花色苷—原花青素聚合物的形成，從而表現(xiàn)出花色苷在600 MPa處理過程中含量減少。但是本課題組前期通過高效液相色譜對不同壓力處理后花色苷進(jìn)行分離發(fā)現(xiàn)600 MPa超高壓處理后花色苷種類發(fā)生變化，這說明600 MPa超高壓處理引起的花色苷降解還可能包括壓力導(dǎo)致的花色苷結(jié)構(gòu)的變化，具體機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

超高壓在果汁方面的應(yīng)用主要集中在殺菌滅酶方面，這樣既可以保持果汁的營養(yǎng)不被破壞，又不會引起不良風(fēng)味產(chǎn)生。根據(jù)作者研究，在低壓長時間和高壓長時間都會導(dǎo)致果汁中花色苷的降解，因此在果汁的超高壓加工過程中應(yīng)該使用中壓長時間或者高壓短時進(jìn)行。

由于超高壓處理果汁一般不超過30 min，因此作者沒有延長超高壓處理時間，進(jìn)一步延長保壓時間會不會加快或者減緩花色苷降解有待繼續(xù)研究。

3　結(jié)語

1）花色苷在超高壓加工過程中存在少量降解情況。

2）超高壓加工過程中花色苷的降解基本符合一級反應(yīng)動力學(xué)。

3）超高壓對花色苷的降解具有促進(jìn)作用，花色苷在超高壓加工過程中的降解不只是由于熱效應(yīng)或者高壓直接作用，可能某些間接作用影響了花色苷的降解。

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Degradation Kinetics Study of Anthocyanins under High Hydrostatic Pressure Processing

ZHANG Haining，WANG Yachao，MA Yongkun*，William Tchabo，YE Hua
（School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

Abstract：The degradation kinetics of anthocyanins under 200，400 and 600 MPa treatment was studied using blueberry juice and a simulated juice to understand the anthocyanins stability during high hydrostatic pressure processing and the mechanism of anthocyanins degradation was discussed. A decrease of anthocyanins content in blueberry juice was observed with 200MPa and 600 MPa treatment，and the anthocyanins content in the simulated juice also decreased under 600MPa processing. The degradation of anthocyanins in blueberry juice and the simulated juice followed the first-order kinetics. The degradation of anthocyanins under high hydrostatic pressure treatment was not only caused by the enzyme and heat，but also caused by the pressure. The mechanism of anthocyanins degradation calls for further investigation.

Keyword：high hydrostatic pressure，blueberry，anthocyanins，degradation，kinetics

*通信作者：馬永昆（1963—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工學(xué)博士，教授，主要從事食品風(fēng)味化學(xué)及非熱加工研究。E-mail：mayongkun@ujs.edu.cn

作者簡介：張海寧（1986—），男，河南柘城人，食品科學(xué)與工程博士研究生，主要從事非熱加工技術(shù)研究。E-mail：zhn19862006@163.com

基金項目：江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（CXZZ13_0696）。

收稿日期：2014-12-09

中圖分類號：TS 255.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673—1689（2016）01—0072—05