紅葡萄柚番茄紅素和色澤熱降解動力學及降解機制

徐 媛，潘思軼*

（1.江漢大學生命科學學院，湖北 武漢 430100；2.華中農業(yè)大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070）

紅葡萄柚番茄紅素和色澤熱降解動力學及降解機制

徐 媛1，潘思軼2,*

（1.江漢大學生命科學學院，湖北 武漢 430100；2.華中農業(yè)大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070）

對紅葡萄柚中番茄紅素和色澤進行熱降解動力學研究。結果表明，不同溫度條件下番茄紅素和色澤降解均為一級降解動力學，確定紅葡萄柚汁中番茄紅素含量與色澤可用線性關系C/C0= 1.770 7（a*/a0*）+0.801 2來表示；純化后番茄紅素含量與色澤在70、80、90 ℃條件下的線性關系分別為：70 ℃：C/C0=1.856（a*/a0*）－0.841 5；80 ℃：C/C0=1.714 （a*/a0*）－0.711 8；90 ℃：C/C0=1.492 1（a*/a0*）－0.467 2。高效液相色譜-二極管陣列在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)番茄紅素熱降解途徑為：加熱促使全反式番茄紅素向單順式異構體進行轉變，繼續(xù)加熱導致全反式和單順式異構體轉變?yōu)殡p順式異構體，而加熱過程中雙順式異構體也可轉變?yōu)閱雾樖疆悩嬻w或發(fā)生降解，從而造成總番茄紅素含量的下降。

紅葡萄柚；番茄紅素；色澤；熱降解動力學；降解機制

葡萄柚（Citrus paradise Macf.）屬蕓香科柑橘屬，其主要商業(yè)品種紅肉葡萄柚色澤艷麗，香氣獨特，果肉酸甜適中，營養(yǎng)豐富。紅肉葡萄柚為典型的因番茄紅素呈色的品種[1]，且番茄紅素具有抗氧化、抗腫瘤、提高免疫力[2-5]等保健功能。近年來，紅葡萄柚汁及其功能食品深受消費者喜愛。然而番茄紅素因其高度不飽和長鏈結構極易發(fā)生順反異構和氧化降解[6-7]，導致紅葡萄柚及其加工制品的顏色變化，影響產品品質及保健功能，是目前制約紅葡萄柚商業(yè)化生產的主要問題之一。

研究表明番茄紅素的降解主要受光照和熱處理的影響[8]，Lee等[9]研究發(fā)現(xiàn)加熱或光照條件下番茄紅素的降解符合一級動力學模型，且高溫會促使番茄紅素異構化加速。Lee[10]、Mayer-Miebach[11]、Lambelet[12]等先后對加熱前后柑橘、胡蘿卜和番茄中的番茄紅素進行分析，發(fā)現(xiàn)持續(xù)加熱會造成番茄紅素的順式異構化。這種反式向順式的轉化致使番茄紅素在溶液中的呈色能力明顯下降[13]。此外，不同處理溫度導致番茄醬中順式番茄紅素顯著增加、a*值顯著下降，且光輻照下a*值為一級降解反應[8,14]。但有關紅葡萄柚中番茄紅素熱降解動力學及其降解途徑以及色澤熱降解動力學研究鮮有報道。

本實驗通過紅葡萄柚汁及純化后番茄紅素熱降解動力學研究，得出熱處理過程中番茄紅素降解與色澤降解的對應關系，并通過色澤變化來表征番茄紅素含量的改變，為紅葡萄柚的在線監(jiān)測提供理論模型；同時運用高效液相色譜-二極管陣列（high performance liquid chromatography coupled with photodiode array detection，HPLC-PAD）法在線監(jiān)測熱處理對番茄紅素的結構影響及降解產物的變化情況，進而探討熱處理過程中番茄紅素的降解機制，為紅葡萄柚及其功能食品的生產加工提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅葡萄柚品種為“Star Ruby”，由浙江省農業(yè)科學研究所提供。

紅葡萄柚去除過熟和爛果后，手工去皮去籽，用組織研磨機進行均質處理后得到紅葡萄柚勻漿。灌裝后密封并置于－20 ℃條件下冷凍保存?zhèn)溆?。該紅葡萄柚勻漿黏度為23.8 mPa?s，其固形物含量為10.5 °Brix，pH值為3.04，番茄紅素含量為21.49 mg/kg。

丙酮、石油醚（60～90 ℃）、二氯甲烷（均為分析純）上海振興化工一廠；二丁基羥基甲苯（butylated hydoxy toluene，BHT）（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；甲醇、甲基叔丁基醚（methyl tertbutyl ether，MTBE）（均為色譜純） 美國Fisher Chemicals公司；番茄紅素（純度＞90%） 美國Sigma Aldrich公司。

1.2 儀器與設備

HR2168研磨機 美國Philips公司；RE52-99型旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；UV-1700 SPC型紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司；UitraScan XE型色度儀 美國HunterLab公司；HPLC儀（配2996型二極管陣列檢測器） 美國Waters公司；液相色譜柱（C30柱150 mm×4.6 mm，3 μm） 日本YMC公司。

1.3 方法

1.3.1 紅葡萄柚番茄紅素的柱層析純化

有機溶劑法提取紅葡萄柚中番茄紅素[15]，將提取出的番茄紅素初提液用硅膠柱（200 mm×16 mm，100～200 目）分離，采用石油醚與丙酮體積比9∶1的洗脫液洗脫，收集番茄紅素部分，將此組分在30 ℃濃縮蒸干后用石油醚復溶進行二次柱層析，方法同前，得到的純化番茄紅素溶液濃縮蒸干后收集至25 mL棕色容量瓶中，石油醚定容。所有樣品體系初始濃度均保持一致，整個純化過程避光進行。

1.3.2 樣品熱處理

取各樣品10 mL于具塞試管中，根據生產加工溫度分別設定在70、80、90 ℃條件下對番茄紅素樣品進行熱處理，每隔1 h取樣檢測，熱處理后樣品立即冰浴處理以停止反應，整個實驗過程需避光進行。

1.3.3 番茄紅素含量測定[16]

將番茄紅素提取液旋蒸濃縮至干，用50 mL含2%二氯甲烷的石油醚定容，混勻。同時以2%二氯甲烷的石油醚作為空白溶劑，在502 nm波長處測定樣品的吸光度。提取液中番茄紅素含量按式（1）計算。

式中：ρ為番茄紅素的質量濃度/（g/mL）；A為溶液在502 nm波長處吸光度；E1%1cm為番茄紅素為1%時的消光系數(shù)，此處在2%二氯甲烷的石油醚的消光系數(shù)為3 087 mL/g。

1.3.4 色度的測定

色度采用UitraScan XE色度儀在RSIN（透射包含部分反射）模式下測定樣品CIELab各參數(shù)值，各樣品測定10 次取平均值。

1.3.5 HPLC分析

全反式番茄紅素的含量及番茄紅素異構體的鑒定通過HPLC分析完成[17]。全反式番茄紅素及熱處理后番茄紅素溶液過無水硫酸鈉柱，30 ℃條件下濃縮蒸發(fā)，收集至10 mL棕色容量瓶中，用含0.1% BHT的正己烷定容。準確吸取1.0 mL溶液，吹氮干燥后用0.1% BHT的MTBE復溶至1 mL，10 μL進樣HPLC測定。

色譜柱C30（150 mm×4.6 mm，3 μm）；洗脫條件如下：流動相為MTBE-甲醇-乙酸乙酯體積比為40∶50∶10；洗脫時間30 min；柱溫維持35 ℃，流速為1 mL/min，檢測波長476 nm。

通過與標準品的保留時間、紫外-可見光譜（ultraviolet-visible spectroscopy，UV-Vis）等對比進行全反式番茄紅素的判定。此外，其他cis-異構體的鑒定通過吸收光譜的特征數(shù)據及與文獻[15,18]中Q值對比而確定。取番茄紅素標品溶液，以25 μg/mL為間隔稀釋至0～250 μg/mL，進行標準曲線溶液配制，按上述條件進行HPLC分析，進樣量為10 μL，以峰面積對質量濃度繪制標準曲線，并按信噪比3測定最低檢出限為0.74 μg/mL。全反式番茄紅素的含量以μg/g組織樣表示。1.3.6 降解動力學參數(shù)計算

國內外研究表明番茄紅素熱降解遵循一級反應動力學模型[19-21]，總番茄紅素（all-trans與cis結構的總和）的降解速率常數(shù)k和半衰期t1/2可通過公式（2）、（3）計算得出。

式中：C為設定溫條件度下加熱t(yī)時間后番茄紅素含量/（μg/g）；C0為番茄紅素的初始含量/（μg/g）；t為熱處理時間/h；k為一級反應降解速率常數(shù)/h－1。

Arrhenius方程可用來表達番茄紅素降解過程的溫度依賴性。對一級反應降解速率常數(shù)的對數(shù)lnk和絕對溫度的倒數(shù)（1/T）進行線性回歸，可以求出降解反應的活化能Ea和頻率常數(shù)K0，見公式（4）。

式中：Ea為活化能/（kJ/mol）；R為氣體常數(shù)（8.314 J/（K·mol））；T為絕對溫度/K；k為一級反應速率常數(shù)/h－1；K0為頻率常數(shù)/h－1。

番茄紅素色澤熱降解同樣采用一級反應動力學模型進行表達[22]。由于番茄紅素呈紅色，因此以Hunter a*值對紅葡萄柚熱處理過程中色澤降解進行表征。其色澤降解一級反應動力學公式可以改寫為：

式中：a*為設定溫度條件下加熱t(yī)時間后樣品色度；a0*為樣品的初始色度。

1.4 數(shù)據分析

各熱處理后樣品含量及色澤測定均重復3 次并求平均值。所有數(shù)據通過SPSS 18.0軟件進行Duncan差異分析及方差分析。

2 結果與分析

2.1 紅葡萄柚番茄紅素及其色澤熱降解動力學

2.1.1 紅葡萄柚番茄紅素熱降解動力學

將紅葡萄柚汁置于70、80、90 ℃的水浴中進行熱處理，其番茄紅素在不同溫度條件下的熱降解如圖1所示。

圖1 紅葡萄柚番茄紅素不同溫度熱處理過程中的降解Fig. 1 Lycopene degradation in red grapefruit during thermal treatment at different temperatures

對ln（C/C0）與t進行線性回歸，發(fā)現(xiàn)各溫度條件下其相關系數(shù)R2均大于0.98，表明紅葡萄柚中番茄紅素在不同溫度條件下的熱降解均是符合一級反應動力學的，這與多數(shù)學者研究相一致[23-25]。紅葡萄柚番茄紅素各溫度條件下熱降解參數(shù)如表1所示。

表1 不同溫度熱處理中紅葡萄柚番茄紅素的熱降解參數(shù)Table 1 Kinetic parameters for degradation of lycopene from red grapefruit during thermal treatment at different temperatures

由表1可知，70、80、90 ℃條件下紅葡萄柚番茄紅素降解的半衰期分別為10.45、6.11、3.37 h，表明70 ℃條件下番茄紅素降解最慢，而90 ℃條件下降解最快。且紅葡萄柚番茄紅素在90 ℃條件下降解速率常數(shù)最大，其k值是80 ℃條件下的1.81 倍，70 ℃條件下的3.10 倍。根據Arrhenius方程，得紅葡萄柚番茄紅素降解速率隨溫度變化的回歸方程為：y=－7 049.3x＋17.815，且相關系數(shù)R2=0.991 9，其活化能為58.61 kJ/mol。這與Sharma等[24]所測的番茄醬中番茄紅素降解活化能有所不同，這可能是由于其將番茄醬樣品進行烘箱加熱前處理而導致番茄紅素穩(wěn)定性下降。

2.1.2 紅葡萄柚色澤熱降解動力學

圖2 紅葡萄柚色澤不同溫度熱處理過程中的降解Fig. 2 Color degradation of red grapefruit during thermal treatment at different temperatures

紅葡萄柚汁在70、80、90 ℃條件下熱處理后的色澤熱降解如圖2所示?？梢钥闯觯t葡萄柚汁在不同溫度條件下的色澤熱降解也是符合一級降解動力學的，且回歸方程的R2均大于0.98。

根據Arrhenius方程，以降解速率常數(shù)的對數(shù)lnk對1/T進行線性回歸，得出紅葡萄柚色澤降解隨溫度變化的回歸方程為：y=－577 8.4x+13.333，且相關系數(shù)R2=0.991 2，其活化能為48.04 kJ/mol。表2為紅葡萄柚熱處理過程中色澤熱降解動力學的部分參數(shù)?？梢钥闯?，70、80、90 ℃條件下紅葡萄柚色澤降解的半衰期分別為23.26、14.12、9.21 h，表明70 ℃條件下色澤降解最慢，而90 ℃條件下降解最快，且90 ℃條件下紅葡萄柚色澤降解速率常數(shù)最大，這與紅葡萄柚中番茄紅素熱降解的規(guī)律是一致的。

表2 不同溫度熱處理中紅葡萄柚的色澤熱降解參數(shù)Table 2 Kinetic parameters for color degradation of red grapefruit during thermal treatment at different temperatures

根據表1、2熱降解參數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，番茄紅素熱降解的速率常數(shù)隨溫度升高而加速上升，80 ℃條件下k值為70 ℃條件下的1.81 倍，而90 ℃條件下k值為70 ℃條件下的3.10 倍；色澤熱降解的速率常數(shù)呈現(xiàn)相同變化趨勢，隨溫度升高k值增加速率加快，其80、90 ℃的k值分別為70 ℃的1.65、2.53 倍。由以上分析可知，溫度對紅葡萄柚番茄紅素和色澤熱降解的影響程度是相當?shù)?，但番茄紅素對溫度變化更為敏感。一般而言，較高活化能表示熱降解過程中溫度依賴性越大[22]，即溫度對其影響更大。紅葡萄柚番茄紅素熱降解Ea大于紅葡萄柚色澤熱降解Ea，因此在加熱過程中前者熱降解的溫度依賴性更大。

此外，紅葡萄柚番茄紅素及其Hunter a*在各溫度熱處理中的降解速率常數(shù)并不一致，因此其色澤降解并不能直接反映其番茄紅素的熱降解。即在紅葡萄柚汁生產加工等的在線品質監(jiān)控中，其色澤變化不能直接用以表征紅葡萄柚汁中番茄紅素含量變化及其對應降解情況，所以找出并建立番茄紅素熱降解與色澤熱降解的相互關系，對紅葡萄柚汁生產加工的品控管理是十分必要的。

2.1.3 紅葡萄柚番茄紅素熱降解與色澤熱降解的相互關系

由于紅葡萄柚色澤熱降解與番茄紅素熱降解在不同溫度條件下呈現(xiàn)相同趨勢，Hunter a*值變化受紅葡萄汁中番茄紅素含量變化的影響，隨著番茄紅素總量的下降其a*值也逐漸降低，因此可將兩者變化的相互關系進行線性擬合，設定C/C0=k1（a*/a0*）+k2，其中k1和k2為線性關系中的系數(shù)。以C/C0對a*/a0*作圖，發(fā)現(xiàn)兩者之間的線性關系較好，見圖3，不同處理溫度條件下的線性相關系數(shù)R2均大于0.98，說明此模型線性特征非常明顯，擬合直線能基本涵蓋實驗數(shù)據，且具有一般性。

圖3 紅葡萄柚熱處理過程中番茄紅素含量與色澤的相互關系Fig. 3 Relationship between lycopene content and a* value of red grapefruit during thermal treatment

表3 熱處理中紅葡萄柚番茄紅素含量與色澤線性關系的相關系數(shù)Table 3 Linear correlation coefficients between lycopene content and a* value during thermal treatment

熱處理過程中紅葡萄柚番茄紅素含量與色澤變化的相關性方程系數(shù)如表3所示，在不同設定溫度條件下，3 個線性回歸方程的k1和k2的差異均不顯著，因此可用同一相關性方程來表示番茄紅素含量變化與Hunter a*值變化的關系，將3 個溫度條件下的k1和k2取平均值，得熱處理過程中番茄紅素與色澤變化的相互關系為：C/C0=1.770 7（a*/a0*）+0.801 2。因此，實際生產加工中可用紅葡萄柚色澤變化對番茄紅素的降解情況進行表征，從而達到實時在線監(jiān)控的目的。

2.2 番茄紅素純化物及色澤熱降解動力學

2.2.1 番茄紅素純化物的熱降解動力學

將純化后番茄紅素溶液置于70、80、90 ℃的水浴環(huán)境中進行熱處理，其在不同溫度條件下的熱降解如圖4所示。

圖4 純化番茄紅素在不同溫度熱處理過程中的降解Fig. 4 Degradation of purified lycopene during thermal treatment at different temperatures

對ln（C/C0）與t進行線性回歸，發(fā)現(xiàn)各溫度條件下其R2均大于0.99，表明純化后番茄紅素在不同溫度條件下的熱降解均是符合一級反應動力學的，且可以看出，隨著加熱溫度升高，番茄紅素降解速率逐漸增大。根據Arrhenius方程，得純化后番茄紅素降解速率隨溫度變化的回歸方程為：y=－9 314.7x+23.959，R2=0.988 0，純化后番茄紅素各溫度條件下的熱降解參數(shù)如表4所示。

表4 不同溫度熱處理中純化番茄紅素的熱降解參數(shù)Table 4 Kinetic parameters for degradation purified lycopene from red grapefruits during thermal treatment at different temperatures

由表4可知，70、80、90 ℃條件下純化番茄紅素降解的半衰期分別為16.01、8.55、3.58 h，其活化能為77.44 kJ/mol，表明70 ℃條件下番茄紅素降解最慢，而90 ℃條件下降解最快。與紅葡萄柚番茄紅素降解比較可知，純化后番茄紅素的熱降解具有更高的活化能，其Ea為77.44 kJ/mol，遠高于紅葡萄柚番茄紅素的Ea值58.61 kJ/mol。而Ea越高表明反應所需能量也就越高，其反應也越不易進行[23]。因此純化后番茄紅素的降解速率慢于紅葡萄柚汁中番茄紅素的熱降解，70、80、90 ℃條件下其熱降解的半衰期分別為紅葡萄柚汁番茄紅素的1.53、1.40、1.06 倍，由此可知，當番茄紅素從紅葡萄柚中提取純化后其熱穩(wěn)定性增強，這可能是由于紅葡萄柚中的一些內源物質如VC、糖、金屬離子等對體系中番茄紅素具有促降解作用。

2.2.2 純化番茄紅素的色澤熱降解動力學

圖5 不同溫度熱處理純化番茄紅素過程中的色澤降解Fig. 5 Color degradation of purified lycopene during thermal treatment at different temperatures

純化后番茄紅素體系在70、80、90 ℃條件下熱處理過程中其色澤熱降解情況如圖5所示，不同溫度條件下體系的ln（a*/a0*）與t之間線性關系良好，其回歸方程的R2均大于0.98，表明該體系中色澤熱降解也是符合一級反應動力學模型的。

表5 不同溫度熱處理純化番茄紅素的色澤熱降解參數(shù)Table 5 Kinetic parameters for color degradation of purified lycopene during thermal treatment at different temperatures

根據Arrhenius方程得純化番茄紅素色澤降解隨溫度變化的回歸方程為：y=－9 423.4x+23.587，且相關系數(shù)R2=0.981 7，其活化能為78.35 kJ/mol。由表5可知，70、80、90 ℃條件下純化番茄紅素色澤熱降解的半衰期分別為31.80、16.95、6.99 h，表明70 ℃條件下番茄紅素色澤降解最慢，而90 ℃條件下降解最快，這與純化番茄紅素的熱降解規(guī)律是一致的，且90 ℃條件下其色澤降解速率常數(shù)最大，k值為0.099 2 h－1，是80 ℃條件下的2.43倍，70 ℃條件下的4.55 倍，由圖5也可明顯看出，溫度越高，色澤降解速率越快，失色越明顯。

與紅葡萄柚的色澤熱降解情況比較可知（表2），70、80 ℃條件下純化番茄紅素的色澤更為穩(wěn)定，其熱降解半衰期分別為紅葡萄柚汁半衰期的1.37、1.20 倍，而90 ℃條件下純化番茄紅素色澤熱降解半衰期為紅葡萄柚汁的0.76 倍，說明高溫條件下純化番茄紅素色澤降解速率更快。而總體而言，熱處理過程中純化番茄紅素擁有更高的降解活化能，其Ea值78.35 kJ/mol，遠高于紅葡萄柚色澤降解的Ea值48.04 kJ/mol。因此純化番茄紅素色澤對溫度的敏感性也遠高于紅葡萄柚色澤的溫度敏感性，隨著體系熱處理溫度升高，純化番茄紅素色澤降解速率k值加速增加，80 ℃條件下k值為70 ℃條件下的1.88 倍，而90 ℃條件下則為70 ℃的4.55 倍；紅葡萄柚汁色澤降解具有較低的活化能，故其降解速率k隨溫度上升增加的較為緩慢，80 ℃條件下k值為70 ℃條件下的1.65 倍，90 ℃則為70 ℃條件下的2.53 倍，遠低于純化番茄紅素體系的4.55 倍。

2.2.3 純化番茄紅素熱降解與色澤熱降解相互關系

圖6 純化番茄紅素熱處理中番茄紅素含量與色澤的相互關系Fig. 6 Relationship between lycopene content and a* value of purified lycopene during thermal treatment

以C/C0對a*/a0*作圖并進行線性擬合，見圖6，發(fā)現(xiàn)兩者之間的線性關系較好，不同處理溫度條件下的線性相關系數(shù)R2均大于0.97，說明此模型線性特征明顯，擬合直線能基本涵蓋實驗數(shù)據且具有一般性。

表6 熱處理中純化番茄紅素含量與色澤線性關系的相關系數(shù)Table 6 Linear correlation coefficients between lycopene content and a* value of purified lycopene during thermal treatment

熱處理過程中純化番茄紅素含量與色澤變化的相關性方程系數(shù)如表6所示，設定C/C0=k1（a*/a0*）＋k2，其中k1和k2為線性關系中的相應系數(shù)。可以看出，在不同溫度條件下其線性方程的k1和k2值均有較大差異，因此3 個溫度條件下的番茄紅素含量并不能用單獨一個方程來表征。70、80、90 ℃條件下番茄紅素含量變化與色澤變化的線性方程分別為：C/C0=1.856（a*/a0*）－0.841 5（70 ℃）、C/C0=1.714（a*/a0*）－0.711 8（80 ℃）、C/C0=1.492 1（a*/a0*）－0.467 2（90 ℃）。

由以上分析可知，在不同設定溫度下，紅葡萄柚汁中番茄紅素熱降解與色澤熱降解的關系可用同一線性方程表征；而純化番茄紅素熱降解與其色澤熱降解關系隨著溫度的變化而改變。由圖3與圖6可知，在70 ℃條件下，紅葡萄柚汁色澤的變化大于純化番茄紅素色澤的變化程度；而隨著溫度升高，純化番茄紅素色澤熱降解加速進行，在80、90 ℃條件下，紅葡萄柚汁色澤的變化小于純化番茄紅素體系的色澤變化程度。這可能是由于紅葡萄柚汁這一體系比純化番茄紅素體系復雜，隨著溫度升高，其中含有的許多內源物質對其色澤具有一定掩蓋性及保護作用，而純化番茄紅素的色澤則表現(xiàn)更高的溫度敏感性。

2.3 全反式番茄紅素的熱降解途徑

表7 紅葡萄柚中番茄紅素異構體的鑒定及色譜數(shù)據Table 7 Identification and chromatographic data of isomers of lycopene in red grapefruit (Citrus paradise Macf.)

為了揭示紅葡萄柚番茄紅素在食品加工熱處理中降解機制，將純化后番茄紅素體系置于90 ℃水浴中進行熱降解研究，除每小時對其番茄紅素含量進行分光光度法測定外，并對熱處理后樣品進行HPLC分析。其中全反式（all-trans-），番茄紅素的鑒定通過與標準品的保留時間、UV-Vis等對比進行；其他單順式（mono-cis-）及雙順式（di-cis-）異構體的鑒定通過吸收光譜的特征數(shù)據及與文獻中Q值（順式吸收峰362 nm處吸收強度與最大吸收峰的吸收強度比值）對比而確定[15]，通過標準曲線計算all-trans-番茄紅素的含量，見表7。

當番茄紅素從反式向順式轉變時，其特征吸收光譜會在362 nm處出現(xiàn)一順式特征峰，并且發(fā)生順式異構的位置越靠近分子中部該特征峰越高；與all-trans-相比，cis-異構體主吸收峰的最大吸收波長也會發(fā)生輕微紫移，峰高也相應降低，因此常用Q值作為判斷順反異構體的依據，并以此作為異構體特征吸收光譜的標記。本實驗中根據保留時間、光譜圖及Q值等特征值對番茄紅素異構體進行了推測，這種判別方法比之核磁共振分析來說相對簡便。

表8 90 ℃熱處理過程中番茄紅素及其順式異構體含量及比例變化Table 8 Changes in contents of lycopene and its cis-isomers during heating at 90 ℃

表8為純化后番茄紅素熱處理過程中各順反異構體的含量及占總番茄紅素含量百分比變化。其中all-trans-番茄紅素在90 ℃條件下加熱8 h后損失了14.11 μg/g，損失達總量的79%。由表8及圖7的A、B可以看出，在熱處理的前2 h，13-cis-的含量呈上升趨勢，可能是由于加熱促使all-trans-發(fā)生異構化而轉變而成[28]。研究稱β-胡蘿卜素中心雙鍵異構化所需活化能比其他位置要少，據此理論可知番茄紅素中13-cis-異構體增加的最多，其次為9-cis-和15-cis-。雖然理論上應該15-cis-含量最多，然而由于空間位阻效應而較難形成15-cis-，就算生成也容易轉變?yōu)槠渌鹀is結構。從加熱2 h開始，番茄紅素體系中逐漸生成di-cis-番茄紅素9,13’-di-cis-、9,13-di-cis-番茄紅素（圖7C），這可能是由all-trans-轉變?yōu)閙ono-cis-異構體，再由monocis-異構體轉變而成。隨著熱處理時間的繼續(xù)延長，所有的單順式異構體mono-cis-均呈現(xiàn)下降趨勢（圖7D），這可能是由于其向di-cis-異構體或all-trans-番茄紅素的轉變，并進一步發(fā)生氧化降解所致。而di-cis-在4 h內繼續(xù)增加，然而在4 h后也開始出現(xiàn)下降趨勢（圖7D），這表明di-cis-可能轉化為mono-cis-或隨著加熱時間延長而發(fā)生氧化降解。Sharma[24]、Cole[29-30]等推測番茄紅素的降解經歷了從all-trans-到mono-cis-或多順式（poly-cis-）的轉變，和進一步氧化降解成小分子物質兩個階段，本研究結果也顯示純化番茄紅素在高溫條件下從all-trans-到mono-cis-再到di-cis-的轉變，這些變化將導致番茄紅素的顏色變淺直至消失，其生物活性也會逐漸喪失。

圖7 熱處理過程中番茄紅素及其順式異構體的HPLC分析Fig. 7 HPLC analysis of lycopene and its cis-isomers during thermal treatment

在熱處理之前，番茄紅素體系中分別含有94.1%的all-trans-番茄紅素，1.04%的15-cis-、2.25%的13-cis-及1.21%的9-cis-番茄紅素。加熱8 h后，體系中分別含有87.1%的all-trans-番茄紅素、0.21%的9,13’-di-cis-、0.08%的9,13-di-cis-、1.02%的15-cis-、3.23%的13-cis-及1.35%的9-cis-番茄紅素，可以發(fā)現(xiàn)加熱后單順式番茄紅素總含量有些微上升，雙順式異構體也明顯增加，而全反式all-trans-番茄紅素百分比顯著下降。由此可知，在番茄紅素熱降解過程中，雙順式異構體di-cis-是由all-trans-及mono-cis-異構體轉變而成，而mono-cis-異構體也是由all-trans-轉變而來，此外di-cis-異構體也可轉變?yōu)閙ono-cis-異構體，但持續(xù)加熱會促使這類di-cis-異構體和mono-cis-異構體發(fā)生降解生成小分子物質，所以各異構體含量在加熱8 h后均發(fā)生顯著損失。純化番茄紅素熱處理過程中的降解途徑如圖8所示。

圖8 熱處理過程中番茄紅素的降解途徑Fig. 8 Proposed degradation pathway of lycopene during thermal treatment

3 結 論

在所設定溫度條件下，紅葡萄柚汁中番茄紅素及色澤熱降解均為一級降解動力學，且二者線性關系良好，在所選溫度范圍內二者關系為：C/C0= 1.770 7（a*/a0*）+ 0.801 2，表明在線監(jiān)測紅葡萄柚加工過程中番茄紅素含量變化這一難題可由在線監(jiān)測色澤變化來解決，從而實現(xiàn)生產過程中的品質管理與實時監(jiān)控。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)紅葡萄柚汁中番茄紅素的熱穩(wěn)定性較純化后番茄紅素體系熱穩(wěn)定性差，半衰期更短，可能是內源因子如VC、糖、部分金屬離子等對番茄紅素具有促降解作用；純化后番茄紅素在模擬體系中也是符合一級降解動力學的，其色澤變化同樣符合一級反應動力學，二者線性關系良好。但與紅葡萄柚汁體系不同的是，番茄紅素與色澤線性關系隨溫度變化而發(fā)生改變，70、80、90 ℃條件下線性方程分別為：C/C0=1.856（a*/a0*）－0.841 5（70 ℃）、C/C0=1.714（a*/a0*）－0.711 8（80 ℃）、C/C0=1.492 1（a*/a0*）－0.467 2（90 ℃）。純化番茄紅素色澤對溫度的敏感性遠高于紅葡萄柚色澤的溫度敏感性，高溫條件下（80、90℃）當番茄紅素含量變化時，純化番茄紅素體系的色澤變化高于紅葡萄柚汁色澤的變化；這一差異可能是由紅葡萄柚汁復雜體系中所含的其他物質對番茄紅素的降解所造成的。

本實驗利用HPLC-PAD對熱處理過程中番茄紅素的降解途徑進行了監(jiān)測，對比其在加熱過程中各順反異構體的含量與百分比變化，進而了解其降解規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)隨著熱處理過程延長，單順式mono-cis-異構體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，加熱2 h后生成的雙順式di-cis-異構體由于向mono-cis-轉變或發(fā)生降解，其含量在加熱4 h后也開始下降，而全反式all-trans-番茄紅素在整個加熱過程中呈持續(xù)下降趨勢，這是由于其轉變?yōu)閙ono-cis-異構體繼而發(fā)生氧化降解所造成的。表明番茄紅素的熱降解是由多種異構化反應而造成的，當異構化反應達到最大化后，繼續(xù)加熱會導致這些異構化產物氧化為小分子醛酮，從而造成總番茄紅素含量的下降。

[1] PUPIN A M, DENNIS M J, TOLEDO M C F, et al. HPLC analysis of carotenoids in orange juice[J]. Food Chemistry, 1999, 64(2): 269-275. DOI:10.1016/S0308-8146(98)00095-8.

[2] 楊陽, 劉蕊, 王英明, 等. 番茄紅素提純工藝條件的研究[J]. 中國釀造, 2016, 35(3): 111-113. DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2016.03.025.

[3] MEL?NDEZ-MART?NEZ A J, VICARIO I M, HEREDIA F J. Review: analysis of carotenoids in orange juice[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2007, 20(7): 638-649. DOI:10.1016/ j.jfca.2007.04.006.

[4] P?REZ-MASI? R, LAGARON J M, LOPEZ-RUBIO A. Morphology and stability of edible lycopene-containing microand nanocapsules produced through electrospraying and spray drying[J]. Food Bioprocess Technology, 2015, 8(2): 459-470. DOI:10.1007/s11947-014-1422-7.

[5] 孫杰, 胡奇, 李世芬, 等. 番茄紅素的安全性評價及對小鼠免疫功能的影響[J]. 食品科學, 2015, 36(9): 170-175. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201509031.

[6] MART?NEZ-HERN?NDEZ G B, BOLUDA-AGUILAR M, TABOADA-RODR?GUEZ A, et al. Processing, packaging, and storage of tomato products: influence on the lycopene content[J]. Food Engineering Reviews, 2016, 8(1): 52-75. DOI:10.1007/s12393-015-9113-3.

[7] 擺玉芬, 劉玉梅. 番茄紅素分析方法的研究進展[J]. 食品研究與開發(fā), 2004, 35(3): 264-267. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201403052.

[8] JOHN S, YUZHU D, YUKIO K, et al. Effect of heating and exposure to light on the stability of lycopene in tomato puree[J]. Food Control, 2008, 19(5): 514-520. DOI:10.1016/j.foodcont.2007.06.002.

[9] LEE M T, CHEN B H. Stability of lycopene during heating and illumination in a model system[J]. Food Chemistry, 2002, 78(4): 425-443. DOI:10.1016/S0308-8146(02)00146-2.

[10] LEE H S, CASTLE W S, COATES G A. High-performance liquid chromatography for the characterization of carotenoids in the new sweet orange (Early gold) grown in Florida[J]. Journal of Chromatography A, 2001, 913(1/2): 371-377. DOI:10.1016/S0021-9673(00)01029-3.

[11] MAYER-MIEBACH E, BEHSNILIAN D, REGIER M, et al. Thermal processing of carrots: lycopene stability and isomerisation with regard to antioxidant potential[J]. Food Research International, 2005, 38(8/9): 1103-1108. DOI:10.1016/j.foodres.2005.03.018.

[12] LAMBELET P, RICHELLE M, BORTLIK K, et al. Improving the stability of lycopene Z-isomers in isomerised tomato extracts[J]. Food Chemistry, 2009, 11(1): 156-161. DOI:10.1016/ j.foodchem.2008.05.053.

[13] 陳偉, 丁霄霖. 番茄紅素化學和生物學特性[J]. 糧食與油脂, 2002(7): 47-49. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2002.07.018.

[14] LEE H, COATE S G. Thermal pasteurization effects on color of red grapefruit juices[J]. Journal of Food Science, 2006, 64(4): 663-666. DOI:10.1111/j.1365-2621.1999.tb15106.x.

[15] XU Yuan, PAN Siyi. Effects of various factors of ultrasonic treatment on the extraction yield of all-trans-lycopene from red grapefruit (Citrus paradise Macf.)[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(4): 1026-1032. DOI:10.1016/j.ultsonch.2013.01.006.

[16] 張連富, 丁霄霖. 番茄紅素簡便測定方法的建立[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2001, 27(3): 51-55. DOI:10.3321/j.issn:0253-990X.2001.03.015.

[17] 惠伯棣, 李京, 裴凌鵬. 應用C30-HPLC-PDA分離與鑒定番茄紅素幾何異構體[J]. 食品工業(yè)科技, 2006, 27(7): 49-54. DOI:10.13386/ j.issn1002-0306.2006.07.009.

[18] SUN Yujing, LIU Donghong, CHEN Jianchu, et al. Effect of different factors of ultrasound treatment on the extraction yield of the all-transβ-carotene from citrus peels[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2011, 18(1): 243-249. DOI:10.1016/j.ultsonch.2010.05.014.

[19] LEE M, CHEN B. Separation of lycopene and its cis isomers by liquid chromatography[J]. Chromatographia, 2001, 54(9): 613-617. DOI:10.1007/BF02492187.

[20] SCHEIBNER M, H?LSDAU B, ZELENA K. Novel peroxidases of Marasmius scorodonius degrade β-carotene[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 77(6): 1241-1250. DOI:10.1007/s00253-007-1261-9.

[21] COLLE I J P, LEMMENS L, BUGGENHOUT S V. Modeling lycopene degradation and isomerization in the presence of lipids[J]. Food and Bioprocess Technology, 2013, 6: 909-918. DOI:10.1007/ s11947-011-0714-4.

[22] 曹少謙, 劉亮, 張超, 等. 桑葚花色苷的分離純化及其熱降解動力學研究[J]. 中國食品學報, 2015, 15(5): 55-62. DOI:10.16429/j.1009-7848.2015.05.008.

[23] 王曉文, 張華偉, 閆圣坤, 等. 番茄紅素在微乳液制備和貯藏過程中構型轉化及穩(wěn)定性研究[J]. 食品與生物技術學報, 2013, 32(1): 22-29. DOI:10.3969/j.issn.1673-1689.2013.01.004.

[24] SHARMA S K, MAGUER M L. Kinetics of lycopene degradation in tomato pulp solids under different processing and storage conditions[J]. Food Research International, 1996, 29(3/4): 309-315. DOI:10.1016/0963-9969(96)00029-4.

[25] PATIL B S, VANAMALA J, HALLMAN G. Irradiation and storage influence on bioactive components and quality of early and late season ‘Rio Red’ grapefruit (Citrus paradisi Macf.)[J]. Postharvest Biology and Technology, 2004, 34(1): 53-64. DOI:10.1016/ j.postharvbio.2004.03.015.

[26] THIZIRI H, CLAUDIE D M, KHODIR M, et al. Thermal degradation kinetics of xanthophylls from blood orange in model and real food systems[J]. Food Chemistry, 2013, 138(4): 2442-2450. DOI:10.1016/ j.foodchem.2012.12.022.

[27] DUTTA D, DUTTA A, RAYCHAUDHURI U, et al. Rheological characteristics and thermal degradation kinetics of beta-carotene in pumpkin puree[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 76(4): 538-546. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2005.05.056.

[28] SRIVASTAVA S, SRIVASTAVA A K. Lycopene, chemistry, biosynthesis, metabolism and degradation under various abiotic parameters[J]. Journal of Food Science and Technology, 2015, 52(1): 41-53. DOI:10.1007/s13197-012-0918-2.

[29] COLE E R, KAPUR N S. The stability of lycopene I, degradation by oxygen[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1975, 8: 360-365. DOI:10.1002/jsfa.2740080610.

[30] COLE E R, KAPUR N S. The stability of lycopene II, oxidation during heating of tomato pulps[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1975, 8: 366-368. DOI:10.1002/jsfa.2740080611.

Thermal Degradation Kinetics and Mechanism of Lycopene and Color in Red Grapefruit

XU Yuan1, PAN Siyi2,*
(1. College of Life Sciences, Jianghan University, Wuhan 430100, China; 2. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

The thermal degradation kinetics of lycopene and color in red grapefruit was investigated. The results indicated that the degradation of lycopene and color followed the first-order kinetics. The relationship between lycopene content and color during thermal processing at selected temperatures could be expressed by the same equation: C/C0= 1.770 7 (a*/a0*) + 0.801 2. The relationship between purified lycopene content and color at 70, 80 and 90 ℃ could be described by the following equations: C/C0= 1.856(a*/a0*) ? 0.841 5, C/C0= 1.714 (a*/a0*) ? 0.711 8, and C/C0= 1.492 1 (a*/a0*) ? 0.467 2, respectively. The thermal degradation pathway of lycopene as determined by high performance liquid chromatography coupled with photodiode array detection (HPLC-PAD) included the transformation of all-trans-lycopene into mono-cis-isomer and further into di-cis-isomer during heating, which could be transformed into mono-cis-isomer or degraded, resulting in a decrease in the content of total lycopene.

red grapefruit; lycopene; color; thermal degradation kinetics; degradation mechanism

10.7506/spkx1002-6630-201711014

TS202.3

A

1002-6630（2017）11-0081-08

徐媛, 潘思軼. 紅葡萄柚番茄紅素和色澤熱降解動力學及降解機制[J]. 食品科學, 2017, 38(11): 81-88. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201711014. http://www.spkx.net.cn

XU Yuan, PAN Siyi. Thermal degradation kinetics and mechanism of lycopene and color in red grapefruit[J]. Food Science, 2017, 38(11): 81-88. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711014. http://www.spkx.net.cn

2016-06-01

國家自然科學基金面上項目（31571847）

徐媛（1986—），女，講師，博士，研究方向為食品科學。E-mail：xuyuan0804@163.com

*通信作者：潘思軼（1965—），男，教授，博士，研究方向為食品科學。E-mail：pansiyispkx@163.com