全 文 ：第 37卷第 5期
2008年 5月
应　用　化　工
AppliedChemicalIndustry
Vol.37 No.5
May2008
收稿日期:2008-02-26
作者简介:郑成(1955-),男 ,广东遂溪人 , 广州大学教授 ,工学博士 , 博士生导师 , 从事精细化工产品研究与开发。电话:
020-39366198, E-mail:zhcheng123@yahoo.cn
pH和 Fe3+对番薯紫色素稳定性的影响研究
郑成 ,张新强 ,杨联锋 ,凌剑辉 ,毛桃嫣 ,周勇强
(广州大学 化学化工学院 ,广东 广州　510006)
摘　要:研究了番薯紫色素稳定性及其变色反应机理 ,选择了辅色剂和护色剂来增加其显色效果和稳定性。结果
表明 , pH值和 Fe3+是引起番薯紫色素变色和褪色的主要原因;EDTA-2Na有护色作用 , Fe3+有辅色作用 ,两者协同
作用能够增加其显色和稳定性 ,当两者浓度比为 0.5∶1时 , 协同效果最好 ,增色率达到 37%,转化率降低了 32.2%。
关键词:番薯紫色素;护色剂;辅色剂;稳定性
中图分类号:TS202.3 　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-3206(2008)05-0526-04
StudyonefectofpHandFe3+onstabilityofpurplesweet
potatopigment
ZHENGCheng, ZHANGXin-qiang, YANGLian-feng, LINGJian-hui,
MAOTao-yan, ZHOUYong-qiang
(SchoolofChemicalEngineering, GuangzhouUniversity, Guangzhou510006, China)
Abstract:Thestabilityandthemechanismofdiscolorreactionofpurplesweetpotatopigment(PSPP)
werestudied.InordertoincreasePSPPcolorandstability, acolordeveloperandacolorprotectionagent
wereselected.TheresultsshowedthatpHandFe3 + werethemainfactorsofchangingandfadingof
PSPP.EDTA-2NahadanefectofkeepingcolorandFe3+ hadcopigmentationtoPSPP.Theirsynergism
couldincreaseitscolorandstability.ThemostsuitableconcentrationratioofEDTA-2NaandFe3 + was
0.5∶1.Inthiscondition, colorpromotingratewas37.6% andconversionwasreducedby32.2%.
Keywords:purplesweetpotatopigment;colorprotectionagent;colordeveloper;stability
　　随着 2005年发生的 “苏丹红 ”事件 ,人们对合
成色素安全性疑虑也逐渐加深 ,于是更加关注天然
食用色素[ 1] 。近年来 ,由日本引进的紫心番薯优良
品种 “山川紫 ”富含番薯紫色素 ,是目前天然色素提
取研究的热点。番薯紫色素安全无毒 ,已经被现代
医学证明有明显的抗氧化 、抗突变 、减轻肝功能障
碍 、减少患心脏类疾病的危险等生理功能 [ 2] 。番薯
紫色素属于花青素类色素 ,分子不仅含有与芳环共
轭的双键 、吡喃阳离子 ,还含多个具有亲核性的羟
基 。这一结构特征 ,一方面决定了番薯紫色素在不
同 pH时由于分子重排引起外观颜色的改变;另一
方面 ,由于多个亲核性羟基的存在 ,使其易与金属离
子配位 ,形成更稳定的螯合物[ 2-3] 。由于花青素性质
不稳定 ,温度 、光照 、金属离子等都会导致其颜色和
性状的变化 ,甚至在水溶液中都会发生缓慢的转化 ,
因此增加了加工 、运输 、储存和使用难度 ,阻碍了产
业化的形成 [ 4] 。如何提高番薯紫色素的稳定性 ,对
于番薯紫色素的开发和推广都有重要的理论和实际
意义。此项研究分析了番薯紫色素在不同外部环境
条件下的稳定性 ,重点研究了 pH值以及护色剂和
辅色剂对番薯紫色素的稳定性的影响 ,筛选了最佳
的护色剂和辅色剂 ,并研究了添加护色剂和辅色剂
后番薯紫色素的稳定性 ,为进一步开发利用这一丰
富的天然色素资源提供科学依据 。
1　实验部分
1.1　试剂与仪器
　　番薯紫色素 ,自制 [ 2] ;焦磷酸钠 、六偏磷酸钠 、
三聚磷酸钠 、β-环糊精 、甘氨酸 、抗坏血酸 、EDTA-
2Na、FeCl3、AlCl3 、KCl、CuCl2、MgCl2均为分析纯。
pHS-25型 pH计;UV-2450紫外-可见分光光度
计;722-可见分光光度计 。
1.2　光谱和吸光度的测定方法
使用紫外 -可见分光光度计 ,以蒸馏水为参比 ,
对被测样品在一定波长范围内进行扫描 ,记录每个
样品的最大吸收波长和最大吸收峰值;采用可见分
光光度计测量最大吸收波长处的吸光度 。
1.3　色素液转化率和增色率测定方法
番薯紫色素在水溶液中会逐渐发生缓慢的褪
色 ,以刚配制好的色素溶液吸光度和 10 d后的吸光
DOI :10.16581/j.cnki.issn1671-3206.2008.05.028
第 5期 郑成等:pH和 Fe3+对番薯紫色素稳定性的影响研究
度作为色素转化率的测定点 ,则:
色素转化率 =初始吸光度 -10d后的吸光度初始吸光度 ×100%
　　护色剂或辅色剂能够增加番薯紫色素的显色效
果 ,显色效果以增色率来表示:
增色率 =加入护色剂辅色剂后的吸光度 -初始吸光度初始吸光度
　　　　×100%
2　结果与讨论
2.1　番薯紫色素的特征吸收谱
由波长 300 ～ 700nm范围内的扫描结果(图 1)
可知 ,当 pH为 4时 ,番薯紫色素有两个特征吸收
峰 ,波长为 323 nm和 535nm,分别位于紫外光区和
可见光区。从其特征吸收峰可推知 ,番薯紫色素属
于花色苷类色素 。以可见光区 535 nm波长作为吸
光度的测定波长 。
图 1　pH=4时番薯紫色素的特征吸收光谱
Fig.1　TheabsorptionspectrumofPSPPunderpH=4
2.2　pH值对番薯紫色素的影响
在波长 300 ～ 700nm范围内扫描不同 pH值的
0.01 mg/mL的番薯紫色素溶液 ,结果见表 1。
表 1　不同 pH值下番薯紫色素的特征
Table1　FeaturesofPSPPunderdifferentpH
pH值 最大吸收波长 /nm 最大吸收峰值 颜色
2 524 0.261 深红
3 529 0.106 红
4 535 0.063 浅红
5 544 0.050 紫红
6 548 0.049 紫红
6.5 563 0.051 紫
7 593 0.062 蓝紫
8 607 0.085 蓝
9 606 0.090 蓝绿
10 605 0.166 绿
11 604 0.099 黄绿
12 无 无 淡黄
　　由表 1可知 ,番薯紫色素在 pH为 2 ～ 5的水溶
液中 ,特征吸收峰位于 520 ～ 550 nm,色素颜色由深
红色到紫红色变化 ,吸收峰值也逐渐变小;当 pH为
6 ～ 7时 ,特征吸收峰发生红移 ,位于 550 ～ 600 nm,
色素溶液颜色由紫红色到蓝色变化;当 pH为 8 ～ 11
时 ,色素分子中共轭体系的增长 ,其特征吸收峰发生
更大的红移 ,位于 600 ～ 610 nm,色素溶液颜色由蓝
色到黄绿色变化 ,吸收峰值在 pH=10时达到最大;
当 pH>12时 ,在可见光区没有特征吸收峰 ,番薯紫
色素分子变为开环的苯丙烯酰苯结构 [ 5-6] ,使共轭键
缩短 ,导致色素变成淡黄色。
　　番薯紫色素随着 pH值增大会发生共轭键的增
长 ,其结构变化可能见图 2。
图 2　不同 pH值下番薯紫色素分子的相互转化
Fig.2　ThemutualtransformationofPSPPmoleculeunderdiferentpH
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应用化工 第 37卷
　　在 pH<5时 ,色素分子基本保持 2-苯基 -1-苯并
吡喃阳离子的结构;在 pH为 5 ～ 7时 , 2-苯基-1-苯
并吡喃阳离子逐渐转化为醌型碱结构;在 pH为 7 ～
11时 , R1为羟基色素分子变为假碱结构;在 pH>
12时 ,色素分子转化为开环的苯丙烯酰苯结构 [ 7] 。
番薯紫色素在酸性比在中性和碱性条件下更加稳
定 。因此 ,在提取 、贮藏 、应用中宜采用酸性条件。
2.3　金属离子对番薯紫色素的影响
配制 pH=4的 FeCl3 , AlCl3 , KCl, CuCl2 , MgCl2
5组浓度均为 0.05 mg/mL的相同浓度色素溶液和
一个对照组 ,每隔 2.5h测各组溶液的吸光度 ,结果
见图 3。
图 3　不同金属离子对番薯紫色素的辅色效果
Fig.3　TheconcertedinterplayofPSPPunder
diferentmetalions
　　由图 3可知 , Fe3+对色素的吸光度和稳定性影
响最大 ,除 K+外(其结果与对照组一样),其他金属
离子都能一定程度的增加色素溶液的吸光度 ,而且
都比较稳定;最开始测量时 Fe3+对色素的辅色作用
是其他金属离子的 2倍以上 ,但这种增色效应稳定
性不好 , 10 h之后 ,色素溶液的吸光度降到与对照
组差不多大小。一般说来 , Fe3+ , Al3+ , Cu2+ , Mg2+
与色素分子中的羟基能够发生络合反应 ,并起到增
色效果 。Fe3+的增色效果最大 。因此 ,研究 Fe3 +作
为番薯紫色素辅色剂非常有意义。
2.4　不同浓度的 Fe3+对色素增色效果
配制 pH=4的 FeCl3浓度与色素浓度比为 0∶1,
0.5∶1, 1 ∶1, 3 ∶1, 5 ∶1的 0.01 mg/mL的 5组色素
溶液 ,在 450 ～ 700nm范围内扫描 ,结果见图 4。
　　由图 4可知 , FeCl3浓度与色素浓度比为 1 ∶1
的吸光度最大 ,增色率达到 35%。由于显色效果不
稳定 ,因此 ,找到一种能使含 Fe3+色素溶液稳定的
护色剂 ,才能使这种增色效应具有实际价值。
图 4　不同浓度的 Fe3+下番薯紫色素的吸收光谱
Fig.4　TheabsorptionspectrumofPSPPunderdifferent
concentrationsofFe3+
2.5　护色剂对色素稳定性的影响
配制 pH=4的焦磷酸钠 、六偏磷酸钠 、三聚磷
酸钠 、β-环糊精 (β-CD)、甘氨酸 、抗坏血酸 、EDTA-
2Na与色素浓度相等的 0.01 mg/mL的色素溶液和
一对照组 ,在 400 ～ 700 nm范围内扫描 ,对比最大吸
收峰值。各组色素溶液的最大吸收峰值 (均在
0.075左右)与对照组相差不大 ,均能在一定程度上
起到护色和降低色素转化率的作用(见表 2)。
表 2　不同护色剂的护色效果
Table2　Efectsofdifferentcolorprotectionagents
护色剂 转化率 /%
EDTA-2Na 19.6
焦磷酸钠 22.5
六偏磷酸钠 23.7
三聚磷酸钠 21.1
护色剂 转化率 /%
β-CD 27.8
甘氨酸 28.4
抗坏血酸 32.3
对照组 37.6
　　由表 2可知 , EDTA-2Na的护色效果最好 ,又因
为 EDTA-2Na与 Fe3 +络合形成的螯合物比较稳定 ,
能抑制 Fe3+对色素的影响 ,使其番薯紫色素色泽稳
定性提高 ,而且杨政水[ 8]做过 EDTA-2Na对含 Fe3+
商陆色素稳定性及安全性的研究 ,所以选择 EDTA-
2Na作为含 Fe3+色素护色剂。
2.6　EDTA-2Na的浓度的选择
配制 6组 pH=4的 EDTA-2Na与 Fe3 +浓度比
为 0∶1, 0.5∶1, 1∶1, 2∶1, 4 ∶1, 8∶1的 0.05 mg/mL
的色素溶液 ,每隔 2.5 h在 535 nm波长下测定吸光
度 ,见图 5。
　　由图 5可知 ,当浓度比为 0.5 ∶1时 ,护色效果
最好 。因此 ,选择 0.5 ∶1浓度比作为含 Fe3 +色素的
最佳护色浓度比。
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第 5期 郑成等:pH和 Fe3+对番薯紫色素稳定性的影响研究
图 5　EDTA-2Na最佳护色浓度的选择
Fig.5　Selectionofthebestcolorprotectionconcentration
ofEDTA-2Na
2.7　EDTA-2Na与 Fe3+对色素的稳定效应
2.7.1　温度对护色后色素的稳定性　配制 5组 pH
=4的 EDTA-2Na与 Fe3+浓度比为 0.5 ∶1的 Fe3+
与色素浓度均为 0.05 mg/mL的色素溶液和 5个对
照组 ,将各组分别放入 0, 20, 40, 60, 80℃的环境中 ,
测定 1, 3, 5h后色素溶液的吸光度 ,结果见图 6。
图 6　EDTA-2Na与 Fe3+协同作用下番薯紫色素的热稳定性
Fig.6　ThethermalstabilityofPSPPunderthesynergism
ofEDTA-2NaandFe3+
　　由图 6可知 ,加了 EDTA-2Na与 Fe3+的色素溶
液 ,在 0 ～ 60 ℃的条件下很稳定 ,而且增色率达到
37%;但当温度高于 60 ℃时 ,稳定性下降 ,并且在
80 ℃加热 3 h后出现沉淀;对照组在 0 ～ 40 ℃环境
中比较稳定 ,当温度高于 40℃时 ,稳定性开始下降 。
因此 ,在 EDTA-2Na与 Fe3+协同作用时 ,色素溶液有
比较好的热稳定性 ,但在实际应用中 ,不应长时间加
热 。
2.7.2　光照对护色后色素的稳定性　在常温室内
日光灯照射下 , 0.05 mg/mL的色素溶液变为紫色
时 ,转化率为 37.6%,而 EDTA-2Na与 Fe3+的协同
作用能使色素转化率降低到 5.4%,即转化率降低
了 32.2%。因此 , 在 EDTA-2Na与 Fe3+协同作用
时 ,色素溶液有比较好的光稳定性。
3　结论
(1)番薯紫色素属于水溶性花色苷类色素 , pH
和 Fe3+是导致其颜色和性状变化的主要原因;护色
剂和辅色剂可以增加其显色效果和稳定性。
(2)随着 pH值增大 ,番薯紫色素分子会以 2-苯
基-1-苯并吡喃阳离子结构 、醌型碱结构 、假碱结构 、
开环的苯丙烯酰苯结构存在于水溶液中;结构之间
的相互转化 ,引起色素溶液发生由深红※紫※蓝※
绿※淡黄色的变化;当 pH=2 ～ 5时 ,最大吸收峰发
生微小的红移 ,峰值逐渐减小;当 pH=6 ～ 7时 ,最
大吸收峰发生很大的红移 ,但峰值变化不大;当 pH
=8 ～ 11时 ,吸收峰位于 600 ～ 610nm, pH=10时峰
值最大;当 pH>12时 ,色素分子在可见光区没有吸
收峰 。
(3)Fe3+、Al3+、Cu2+、Mg2 +与色素分子中的羟
基能够发生络合反应 ,有助于增加番薯紫色素的显
色 ,可以作其辅色剂。其中 Fe3+的辅色效果最明
显 ,并且当 Fe3 +与色素浓度比为 1 ∶1时 ,其辅色效
果最好。
(4)食品中常用的护色剂焦磷酸钠 、六偏磷酸
钠 、三聚磷酸钠 、 β-环糊精 、甘氨酸 、抗坏血酸 、
EDTA-2Na都有一定的护色作用 ,能够延缓色素变
色和褪色;其中 EDTA-2Na的护色效果最明显 ,并且
当 EDTA-2Na与 Fe3+以 0.5 ∶1的浓度比协同作用
时 ,增色率达到 37%,转化率降低了 32.2%。
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