徐 媛,潘思轶

(1.江汉大学生命科学学院,湖北武汉 430100;2.华中农业大学食品科学与技术学院,湖北武汉 430070)



番茄红素在红葡萄柚汁模拟体系中降解机制研究

徐 媛1,潘思轶2，*

(1.江汉大学生命科学学院,湖北武汉 430100;2.华中农业大学食品科学与技术学院,湖北武汉 430070)

为探讨红葡萄柚中番茄红素的降解机制,本文通过构建红葡萄柚模拟体系对番茄红素进行降解动力学研究。结果表明抗坏血酸和糖类能显著促进番茄红素的热降解,而β-胡萝卜素却能延缓番茄红素的降解,且这种保护作用比前两者促进作用更有优势。β-胡萝卜素和抗坏血酸均能降低温度对番茄红素降解速率的影响,而糖类对番茄红素的促降解作用却与温度密切相关。与其他模拟体系不同,有糖存在的模拟体系中的番茄红素热降解并不符合一级反应动力学。糖类对番茄红素的促降解作用影响依次为:葡萄糖<蔗糖<果糖。红葡萄柚中主要内源因子在不同体系中对番茄红素降解协同表现出促进或保护作用,研究结果为红葡萄柚及番茄红素功能食品的研发提供了理论依据。

番茄红素,红葡萄柚,模拟体系,降解机制

红葡萄柚色泽艳丽,香气独特,果汁酸甜适度,营养丰富,其加工果汁在国内外市场具有较大市场竞争力。番茄红素(Lycopene,LYC)因其高度不饱和长链结构而具有独特的抗癌抗氧化、提高免疫力等生理活性[1-2],作为典型的因番茄红素呈色的水果[3],红葡萄柚在其贮藏和加工中极易因番茄红素的氧化降解而发生色泽与品质变化,并直接影响产品生理活性功能。红葡萄柚番茄红素的稳定性是红葡萄柚汁加工过程中亟待解决的重要问题,尤其是热处理对其影响极大。因此对于消费者和商家而言,如何防止番茄红素降解具有重要意义。

红葡萄柚中主要营养成分,如抗坏血酸、糖类、金属离子及其他类胡萝卜素类物质等内源因子,在番茄红素降解中存在重要影响。部分研究报道抗坏血酸的存在能显著降低番茄红素氧化速率,从而对番茄红素具有较好保护作用[4];而其他学者认为,抗坏血酸可能对番茄红素具有促氧化作用[5-6],这可能是由于抗坏血酸还原活性氧而生产大量羟基自由基,从而使番茄红素发生降解。部分报道糖类通过降低体系中溶解氧和水活从而减缓番茄红素的氧化降解[7-8],而糖的降解代谢产物呋喃型化合物等表现出明显的番茄红素促降解作用[9]。类胡萝卜素类作为天然色素及抗氧化剂的一种,可增强番茄红素的稳定性,并起到增色作用,因此可通过添加类胡萝卜素类物质防止番茄红素的降解。虽然部分学者对番茄红素降解做了研究[10-11],然而红葡萄柚体系中内源因子及其协同作用对番茄红素降解的影响未有报道。同时对番茄红素稳定性的相关研究中,也并没有考虑抗坏血酸、糖类、金属离子、类胡萝卜素及温度等对番茄红素降解的协同影响。

因此,本文通过构建模拟体系研究各内源因子及其相互作用对番茄红素稳定性的影响,通过建立不同模拟体系热降解动力学研究抗坏血酸、糖及β-胡萝卜素在红葡萄柚番茄红素热降解中的综合作用,探讨在红葡萄柚各内源因子存在情况下番茄红素的降解情况,更有利于我们以较接近现实的体系了解番茄红素的降解机制,同时为红葡萄柚汁加工提供理论依据,并对其他富含番茄红素的果蔬类加工提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红葡萄柚 浙江省农业科学研究所“Star Ruby”品种。将红葡萄柚手工去皮去籽后,用组织研磨机均质处理得到的葡萄柚汁。灌装后密封并置于-20 ℃下冷冻保存备用。丙酮(分析纯)、石油醚(60～90 ℃)(分析纯) 上海上海振兴化工一厂;L-抗坏血酸、果糖、蔗糖、葡萄糖、柠檬酸均为分析纯 购于国药集团化学试剂有限公司;二丁基羟基甲苯(butylated hydoxy toluene,BHT)(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;甲醇(色谱纯) 美国Fisher Chemicals公司;甲基叔丁基醚(methyl tert-butyl ether,MTBE)(色谱纯) 美国Fisher Chemicals公司;番茄红素≥90% 美国Sigma Aldrich公司。

HR2168研磨机 PHILIPS;RE52-99型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;UV-1700 SPC型紫外可见分光光度计 日本SHIMADZU公司;UitraScan XE型色度仪 美国HunterLab公司;Waters高效液相色谱仪(配有2996 型二极管阵列检测器) 美国Waters公司;液相色谱保护柱(C18,50 mm×4.6 mm i.d.) 菲罗门科学仪器有限公司;液相色谱柱(YMC C30 3 μm,150 mm×4.6 mm i.d.) 日本YMC公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红葡萄柚汁中类胡萝卜素的分析测定 准确称取10.00 g红葡萄柚样品,以石油醚∶丙酮∶乙醇=2∶1∶1(v/v/v)为提取溶剂,溶液中加入0.01%的BHT以防止类胡萝卜素的氧化,剧烈震荡后,5000 r/min下冷冻离心15 min,收集上层有机相于棕色瓶中,整个过程避光进行。重复操作直至红葡萄柚汁变为无色,合并提取液后用无水Na2SO4干燥,过滤后将滤液于30 ℃下真空旋转蒸发至干,并用流动相复溶(MTBE∶甲醇=1∶1 v/v),并定容至10 mL,置于-20 ℃贮藏。

样品过0.22 μm的滤膜后,使用高效液相色谱仪进行分析。色谱柱:YMC C30(150 mm×4.6 mm i.d.);流动相:A:甲醇∶乙腈(75∶25,v/v);B:MTBE;进样量10 μL;洗脱条件:0 min 90% A,10% B;15 min 50% A,50% B;25 min 20% A,80% B;30 min 90% A,10% B;45 min 100% A,0% B。柱温维持30 ℃,流速为0.8 mL/min,检测波长450 nm[12]。按该色谱条件制作标曲并计算相应含量。

1.2.2 红葡萄柚中糖和抗坏血酸的含量测定 采用HPLC法测定红葡萄柚中糖的含量。准确称取10.00 g红葡萄柚样品,水浴超声波提取并离心超滤,滤液过Sep-pak C18固相萃取小柱,收集滤液用0.45 μm滤膜抽滤,取10 μL滤液进样分析。色谱条件如下:色谱柱:Agilent Zorbax carbohydrate 分析柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);柱温:(25±2) ℃;检测器:示差折光检测器,流动相:乙腈/水,80/20(v/v);流速:1 mL/min;进样体积:10 μL。以葡萄糖、果糖、蔗糖做标曲,计算含量。

同样采用HPLC法测定红葡萄柚汁中抗坏血酸含量。准确称取10.00 g红葡萄柚样品,用0.1%草酸溶液定容后用0.45 μm的滤膜过滤。色谱条件如下:色谱柱:sinochrom ODS-BP(4.6 mm×250 mm,5 μm);流动相:0.1%草酸溶液;流速:0.8 mL/min;进样体积:10 μL。HPLC分析制作标准曲线。根据标准曲线计算红葡萄柚中VC含量。

1.2.3 红葡萄柚中番茄红素的提取与纯化 称取100 g冻藏红葡萄柚汁,在提取温度30 ℃下,以液料比3.5∶1(mL/g)加入石油醚浸提3.8 h后过滤[12],将滤液进行旋转蒸发浓缩,该浓缩液即为番茄红素和β-胡萝卜素体系;将浓缩液用硅胶柱(200 mm×16 mm ID,100～200目)进行柱层析分离,采用石油醚∶丙酮=9∶1(v/v)为洗脱液[13],收集红色番茄红素部分,将此组分浓缩蒸干后用石油醚复溶进行二次柱层析,方法同前,即得去除其他类胡萝卜素的纯化的番茄红素溶液。

1.2.4 红葡萄柚汁模拟体系建立及热处理 采用pH与红葡萄柚汁相同的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,将番茄红素和β-胡萝卜素体系、纯化番茄红素溶解于有机溶剂(石油醚∶丙酮∶95%乙醇=2∶1∶1 v/v/v),根据红葡萄柚中各组分含量,分别添加L-抗坏血酸和不同糖类构建模拟体系,保持所有模拟体系中番茄红素浓度一致。取各样品10 mL于具塞试管中,根据红葡萄柚加工温度,分别设定在70、80、90 ℃条件下对各模拟体系进行热处理,每隔1 h取样检测番茄红素含量。

1.2.5 番茄红素含量测定 采用分光光度法测定提取液中番茄红素含量[14]。

1.3 热降解动力学模型

多数研究表明番茄红素热降解遵循一级反应动力学模型[15],假设模拟体系中番茄红素的热降解也符合一级降解动力学,其降解速率常数k和半衰期t1/2可通过以下公式计算得出:

Arrhenius方程可用来表达番茄红素降解过程的温度依赖性。活化能Ea和频率常数K0可从一级反应降解速率常数的对数ln(k)和绝对温度的倒数(1/T)线性回归后求出。

表1 红葡萄柚类胡萝卜素的色谱、光谱和Q值及其含量
Table 1 Chromatographic,UV-Vis,Q value and contents of the carotenoids in red grapefruit

峰aRt(min)b鉴定光谱(nm)c光谱/(nm)dQ值本次文献[17]含量(mg/kg)1435β-胡萝卜素4524784534771147±004291715-cis-番茄红素362437460492362446470506061075304±002396513-cis-番茄红素360440465496362446470500055055242±005410849-cis-番茄红素360440465496362446470500012012197±00352541番茄红素4464735034424765062341±003

注:a峰的编号见图1;b保留时间;c PDA检测的化合物光谱数据;d文献中相应化合物光谱数据[17]。

1.4 数据分析

各热处理后样品含量及色泽测定均重复三次并求平均值。所有数据通过SPSS 18.0软件进行Duncan差异分析及方差分析。

2 结果与分析

2.1 红葡萄柚中类胡萝卜素成分分析

红葡萄柚中类胡萝卜素的高效液相色谱图如图1所示,主要有5种天然的类胡萝卜素,以峰1和峰5为主。根据保留时间、吸收光谱和Q值数据(顺式吸收峰362 nm处吸收强度与最大吸收峰的吸收强度比值),结合文献[16-17],发现红葡萄柚汁中主要类胡萝卜素为β-胡萝卜素,15-顺式番茄红素,13-顺式番茄红素,9-顺式番茄红素和全反式番茄红素。各类胡萝卜素色谱、光谱数据及其含量见表1。

图1 红葡萄柚中类胡萝卜素高效液相色谱图Fig.1 HPLC analysis for carotenoids from red grapefruit

由表1可知红葡萄柚中类胡萝卜素主要以β-胡萝卜素和全反式番茄红素为主,其含量分别为(11.47±0.04) mg/kg和(23.41±0.03) mg/kg,其中番茄红素以全反式结构为主。当番茄红素从反式向顺式转变时,其特征吸收光谱会随之变化,在紫外区362 nm处会出现一个顺式峰;与全反式相比,顺式异构体主体吸收峰的最大吸收波长也会发生轻微紫移,峰高也相应降低。

2.2 红葡萄柚汁模拟体系的构建

酚酞变色范围是pH 8.2～10.0。当pH＞8.2时为红色的醌式结构，酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中很不稳定，它会慢慢地转化成无色羧酸盐式。酚酞试剂滴入浓碱液时，酚酞开始变红，很快红色退去变成无色，当遇到氢离子后即变回红色[2]，在pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构。通过溶液中酚酞颜色突变时计算机显示溶液的pH了解中和反应接近完成。

通过HPLC方法首先测定红葡萄柚中L-抗坏血酸,糖和其他类胡萝卜素的含量。HPLC分析显示,红葡萄柚汁中含有的糖为葡萄糖,果糖和蔗糖。番茄红素,L-抗坏血酸,糖及β-胡萝卜素的含量如表2所示。根据此测定结果,分别设计含有L-抗坏血酸、各单糖及总糖、β-胡萝卜素的模拟体系并进行配制,11组模拟体系具体构成如表3所示。

表2 红葡萄柚中番茄红素,L-抗坏血酸,糖及其他类胡萝卜素的含量
Table 2 The concentrations of lycopene,L-AA,sugars and carotenoid in red grapefruit juice

番茄红素(mg/kg)糖类(g/L)葡萄糖蔗糖果糖L-抗坏血酸(mg/L)β-胡萝卜素(mg/kg)21492044214101147

2.3 模拟体系中抗坏血酸对番茄红素降解的影响

根据模拟体系设置添加抗坏血酸量,研究不同热处理温度下抗坏血酸对番茄红素降解的影响。各温度下番茄红素及添加抗坏血酸番茄红素体系(LYC-AA)的热降解如图2所示,结果表明在所设定温度下抗坏血酸均能显著促进番茄红素的降解(p<0.05),且不同温度下ln(C/C0)与时间t之间线性关系良好,表明该模拟体系中LYC的降解符合一级反应动力学,各热降解动力学参数如表4所示。

图2 不同温度下LYC和LYC-AA体系中番茄红素的热降解Fig.2 Degradation of lycopene in LYC system and LYC-AA system at different temperature

实验结果表明,与LYC体系相比,当体系中添加抗坏血酸后番茄红素的降解速率是随着温度变化而改变的。然而这种作用并不是因为随着温度升高抗坏血酸能增进番茄红素的降解,实际上通过数据分析可知,LYC-AA与LYC两个体系中番茄红素降解速率之比是随着温度升高而减小的,70 ℃时两体系k值之比为5.9,而90 ℃其比值则降为2.4(表4)。由此可知,虽然抗坏血酸能促进番茄红素降解,但温度对其促进作用并不显著。从表4可知,LYC体系番茄红素90 ℃下k值为70 ℃的4.47倍,而LYC-AA体系中90 ℃下番茄红素降解速率为70 ℃时的1.81倍,该结果表明温度和抗坏血酸在番茄红素降解过程中并不是增效作用。

表3 模拟体系中番茄红素(LYC),抗坏血酸(AA),糖(Sugars)和β-胡萝卜素的添加量
Table 3 Fortified content of lycopene(LYC),ascorbic acid(AA),sugars andβ-carotene in various model systems

模拟体系LYC(mg/kg)Sugars(g/L)glucosesucrosefructoseAA(mg/L)β-carotene(mg/kg)Lycopene(LYC)2149-----LYC-AA2149---410-LYC-Sugars2149204421--LYC-Glucose214920----LYC-Sucrose2149-44---LYC-Fructose2149--21--LYC-β-carotene2149----1147LYC-AA-β-carotene2149---4101147LYC-AA-Sugars2149204421410-LYC-β-carotene-Sugars2149204421-1147LYC-AA-β-carotene-Sugars21492044214101147

图3 不同温度下LYC体系和LYC-β-carotene体系中番茄红素的降解Fig.3 Degradation of lycopene in LYC system and LYC-β-carotene system at different temperature

注:含有Sugars体系的为添加葡萄糖、果糖及蔗糖三种内源糖的复合体系。

2.4 模拟体系中β-胡萝卜素对番茄红素降解的影响

图3反应了不同温度下模拟体系中β-胡萝卜素对番茄红素降解的影响。结果表明:各体系在70、80、90 ℃下ln(C/C0)与时间t之间线性关系良好,模拟体系中LYC的降解符合一级反应动力学;由图3可知,LYC-β-carotene体系中番茄红素的降解曲线均位于LYC体系降解曲线上方,表明LYC-β-carotene体系热降解进程较慢,各体系中热降解动力学参数如表4所示。

表4 不同温度下模拟体系及红葡萄柚汁中番茄红素降解参数
Table 4 Kinetic parameters of lycopene degradation in model systems and red grapefruit juice at different temperatures

模拟体系温度(℃)k(1/h)at1/2(h)Ea(kJ/mol)aK0(1/h)Lycopene(LYC)7000433(09942)1608000811(09912)85774(09880)254E+109001936(09924)36LYC-AA7002568(09956)278003621(09948)19308(09945)127E+04900465(0996)15LYC-β-carotene7000379(09966)1838000701(09970)99612(09919)776E+079001234(09903)56LYC-AA-β-carotene7000413(09888)1688000759(09939)91706(09883)225E+099001617(09968)43LYC-AA-Sugars7003058(09965)438004218(09949)14287(0994)72E+039005317(09969)08LYC-β-carotene-Sugars7000381(09964)1828000764(09934)91721(09997)36E+099001533(09954)45LYC-AA-β-carotene-Sugars7000825(09918)848001195(09895)58448(09902)52E+059001960(09913)35红葡萄柚汁7000663(09901)1058001134(09950)61586(09979)546E+079002057(09941)34

注:a表示括号内标注的为相关系数(R2);表4中所有模拟体系的热降解均遵从一级动力学,但是LYC-Sugars,LYC-Glucose,LYC-Sucrose,LYC-Fructose四个体系的热降解不符合一级动力学,故不包括在表4中,下面有关于这四个体系的降解动力学分析。

由表4可知,LYC-β-carotene体系中番茄红素降解速率在不同温度下均小于LYC体系,表明β-胡萝卜素对番茄红素的降解具有保护作用,这主要是由于β-胡萝卜素等类胡萝卜素本身具有较强的抗氧化性,因此温度对其具有竞争氧化作用,从而减少热能对番茄红素的影响以达到保护番茄红素稳定性的作用。

对实验结果分析可知LYC与LYC-β-carotene两者体系的番茄红素降解速率在70 ℃下比值为1.14,而在90 ℃时则为1.57(表4),然而这并不表示β-胡萝卜素对番茄红素的保护作用随着温度的升高而增强,对比两个体系Ea值可以得知,这主要是由于LYC-β-carotene体系具有较低活化能,因此该体系中番茄红素的降解对温度依赖性较小。

2.5 模拟体系中糖类对番茄红素降解的影响

当向模拟体系中分别添加葡萄糖、蔗糖和果糖后,在不同温度下进行热处理,研究各糖类对番茄红素降解的影响,以ln(C/C0)对t作图,结果发现含有这些糖的模拟体系下番茄红素的降解均不符合一级降解动力学,LYC-Sugars,LYC-Glucose,LYC-Sucrose,LYC-Fructose四个体系中不同温度下的降解反应速率并不恒定,且随着反应时间的延长番茄红素的降解呈现加速趋势。

从图4可以看出,不同模拟体系中糖对番茄红素的降解具有双重作用,即在热降解初期糖类对番茄红素的降解具有保护作用,图4中不同温度热处理初始阶段1 h内,四条降解曲线均位于直线之上,表明在此时间段中四个含糖模拟体系的降解速率均小于番茄红素自身热降解;但随着热处理的延长,1 h后四条曲线均降到直线之下,表明随后四个含糖模拟体系的降解速率又远大于LYC体系的自身降解,糖在此时对番茄红素表现出明显的促降解作用,90 ℃下这种情况最为显著。

图4 添加不同糖的模拟体系中番茄红素的降解Fig.4 Degradation of lycopene in different model systems fortified with various sugars

以90 ℃为例(图4C),在反应初始阶段1 h内,添加葡萄糖、果糖、蔗糖及总糖后的模拟体系中番茄红素的热降解速率比LYC体系中慢,这可能是由于糖能够降低体系中的溶解氧和水活作用而使番茄红素更为稳定。但加热1 h后,添加糖类的体系中番茄红素的降解速率明显快于LYC体系,这主要是由于糖在加热过程中生成的热降解产物,如呋喃型化合物等,参与了番茄红素的降解反应,促进了番茄红素的热降解。

由实验可知,在所有添加糖的体系中番茄红素lnC/C0的变化随着温度的升高呈线性增大。这可能是由于在较低温度下糖的热降解产物形成速率较慢,所以番茄红素降解速率就较慢。当高温长时加热时,糖形成热降解产物的速率加快且超过其降低水活的作用时,番茄红素热降解也随之加速。并且,在反应2.5 h之后,LYC-Sugars体系在70 ℃和80 ℃情况下番茄红素剩余量分别为68.61%和55.47%,90 ℃下仅为22.26%。由此可知90 ℃下糖的热降解产物形成速率远远快于80 ℃和70 ℃。因此,在红葡萄柚生产加工过程中应尽量避免高温条件下进行长时间热处理。

此外,研究结果表明各种糖对番茄红素降解的促氧化作用依次为:葡萄糖<蔗糖<果糖。导致这种现象的原因,可能是由于果糖比葡萄糖更容易形成呋喃型化合物如糠醛等,呋喃型化合物具有极强的亲电反应能力,能攻击番茄红素电子云使其发生氧化降解。而蔗糖是双糖,需水解为葡萄糖和果糖才能形成糠醛,因此它所引起的番茄红素降解速率介于果糖和葡萄糖之间。

2.6 模拟体系中抗坏血酸及β-胡萝卜素对番茄红素降解的影响

抗坏血酸及β-胡萝卜素对番茄红素热降解的影响如图5所示,LYC-AA-β-carotene体系中番茄红素的热降解也符合一级反应动力学,其降解动力学参数见表4。

90 ℃下,LYC-AA-β-carotene体系中番茄红素的热降解速率是LYC-β-carotene体系中的1.31倍,但LYC体系却是LYC-AA-β-caratene体系的1.20倍,LYC-AA体系是LYC-AA-β-carotene的2.88倍。以上结果表明β-胡萝卜素能阻止抗坏血酸与番茄红素的氧化降解,且当β-胡萝卜素与抗坏血酸共同作用时,β-胡萝卜素对番茄红素的保护作用在番茄红素降解过程中为主导作用。

图5 添加抗坏血酸以及β-胡萝卜素的模拟体系中番茄红素的降解Fig.5 Degradation of lycopene in model systems fortified with AA and β-carotene to the same level of red grapefruit juice

2.7 模拟体系中糖及β-胡萝卜素对番茄红素降解的影响

如图6所示,在添加了β-胡萝卜素之后,可以观察到其对糖催化的番茄红素热降解具有明显保护作用。由表4数据分析可知LYC-β-carotene-Sugars体系中番茄红素的降解速率k要小于LYC体系,说明当β-胡萝卜素与糖类物质共存时,β-胡萝卜素对番茄红素的保护作用远大于糖类对番茄红素的促降解作用,其保护作用占主导地位。β-胡萝卜素可能通过以下三种方式阻止番茄红素的热降解:第一,与番茄红素共同竞争糖的热降解产物;第二,β-胡萝卜素阻止了糖的热降解进程;第三,β-胡萝卜素作为抗氧化剂阻止番茄红素的热降解。

图6 添加糖以及β-胡萝卜素的模拟体系中番茄红素的降解 Fig.6 Degradation of lycopene in model systems fortified with AA and β-carotene to the same level of red grapefruit juice

2.8 模拟体系中抗坏血酸及糖对番茄红素降解的影响

抗坏血酸及糖类作用对番茄红素降解的影响如图7所示。在实验温度下,除90 ℃加热后期外,抗坏血酸具有比糖更显著的番茄红素促降解作用。这可能是由于在70 ℃和80 ℃下糖自身的热降解较慢,而抗坏血酸却降解较快,因此使抗坏血酸引起的番茄红素降解速率大于糖体系中降解速率;但当温度上升至90 ℃后,糖的热降解显著加快,而抗坏血酸体系中番茄红素热降解Ea较小,其番茄红素热降解对温度敏感性较差,因此温度升高使抗坏血酸引起的番茄红素降解速率变化不大,从而导致90 ℃下糖对番茄红素的降解作用大于抗坏血酸。

图7 添加糖以及抗坏血酸的模拟体系中花色苷的降解Fig.7 Degradation of anthocyanins in model systems fortified with AA and flavonoids to the same level of blood orange juice

而当体系中同时添加抗坏血酸和糖类时,两者对番茄红素的热降解起到非常明显的增效作用(图7)。这主要是由于抗坏血酸和糖类对番茄红素的稳定性均为负作用,且二者的降解产物会促进番茄红素的降解,因此促降解的叠加效果明显;但是在90 ℃时的反应后期,抗坏血酸和糖对番茄红素的降解作用并没有单独糖的降解作用明显,这可能是高温长时加热致使糖生成的热降解产物浓度上升,从而会影响抗坏血酸和糖类之间对番茄红素降解的增效作用。

2.9 模拟体系中抗坏血酸,β-胡萝卜素及糖对番茄红素降解的影响

当抗坏血酸,β-胡萝卜素和糖同时添加到模拟体系中时,该体系中番茄红素降解速率比LYC-AA-β-carotene体系要快,而比LYC-AA-Sugars体系慢(表4)。这与前面的实验结论相一致:抗坏血酸和糖能共同促进番茄红素的热降解,但β-胡萝卜素则对番茄红素的降解具有保护作用。

此外,除90 ℃外,红葡萄柚汁和LYC-AA-β-carotene-Sugars体系中番茄红素的降解速率明显大于LYC体系(图8)。这表明当体系中共同存在抗坏血酸和糖时,β-胡萝卜素对番茄红素的降解保护作用会被抵消。然而,在90 ℃下热处理时,LYC体系、红葡萄柚汁和LYC-AA-β-carotene-Sugars体系中番茄红素的降解速率并无显著性差异(p>0.05)(表4)。这表明当温度上升至90 ℃时LYC体系中番茄红素的降解速率明显加快,而相比之下,LYC-AA-β-carotene-Sugars体系和红葡萄柚汁体系具有较低活化能,温度对这两个体系中番茄红素降解速率的影响比LYC体系小(图8C)。由表4可知,在70 ℃,80 ℃下红葡萄柚汁和LYC-AA-β-carotene-Sugars体系中番茄红素的热降解有些微差异,这很可能是由于红葡萄柚汁中的一些其他成分,如氨基酸、金属离子、蛋白质等对番茄红素的降解作用所造成的。

图8 红葡萄柚汁及模拟体系中番茄红素的降解Fig.8 Degradation of lycopene in red grapefruit juice and model systems

3 结论与讨论

本研究通过模拟体系构建,揭示了红葡萄柚中主要内源因子对红葡萄柚番茄红素降解的协同作用。其中抗坏血酸和糖类能显著促进番茄红素的热降解,且抗坏血酸具有比糖更显著的番茄红素促降解作用,当体系中同时存在抗坏血酸和糖类时,番茄红素的热降解表现为明显的增效作用;而β-胡萝卜素却对番茄红素具有保护作用,且当与抗坏血酸或糖类共存时,这种保护作用在番茄红素降解中占主导地位,其原因可能是β-胡萝卜素作为抗氧化剂能阻止番茄红素的热降解和糖的热降解,并与番茄红素共同竞争糖的热降解产物如呋喃型化合物。β-胡萝卜素和抗坏血酸均能降低温度对番茄红素降解速率的影响,而糖类对番茄红素的促降解作用却随着温度升高而显著增加。

此外,研究表明除单独添加各糖类的模拟体系外,其余各模拟体系中LYC热降解均属于一级反应动力学,然而设定温度下糖存在模拟体系中的番茄红素热降解并不符合一级降解动力学,其热降解随着温度升高呈加速趋势,为复合动力学反应。实验表明糖类和抗坏血酸对番茄红素热降解的影响机制并不相同,糖类对番茄红素热降解具有双重作用,在降解初期糖能够降低体系中的溶解氧和水活而使番茄红素更为稳定;持续热处理后糖类产生热降解产物如呋喃型化合物等具有较强的亲电反应能力,能攻击番茄红素电子云而使其发生氧化降解;根据生成呋喃型化合物的难易程度,糖类对番茄红素的促降解作用影响依次为:葡萄糖<蔗糖<果糖。抗坏血酸对番茄红素的促降解作用可能是由于抗坏血酸可作为氧分子的催化剂从而产生自由基,这类自由基会攻击番茄红素共轭双键的电子云,从而引起番茄红素降解。

由于目前食品加工业尤其是果汁生产过程中,生产人员习惯添加抗坏血酸作为抗氧化剂以增加产品的营养品质,保护产品所含的生物活性成分不被氧化,并抑制酶促或非酶褐变所导致的色泽损失。抗坏血酸作为重要的抗氧化剂已有大量研究成果,然而目前国内外已有部分研究发现抗坏血酸具有抗氧化和促氧化的双向作用[18-19],其促氧化机理可能是与过渡旋离子有关,同时与其在体系内清除活性氧时发生还原反应产生自由基有关[20]。本研究表明,并不是所有的食品体系均能添加抗坏血酸作为抗氧化剂,且在所有含有番茄红素等类胡萝卜素的食品中不易添加抗坏血酸,否则不但不能起到抗氧化作用,反而会促进番茄红素降解而导致产品的品质损失。

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Degradation mechanism of lycopene
in the model systems of red grapefruit juice

XU Yuan1,PAN Si-yi2,*

(1.College of Life Sciences,JiangHan University,Wuhan 430100,China;2.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

To evaluate the degradation mechanism of lycopene from red grapefruit,degradation kinetics of lycopene were investigated by constructing model systems of intrinsic factors in red grapefruit juice. The results indicated that lycopene degradation was significantly accelerated by ascorbic acid and sugars. However,β-carotene had a protective effect on the degradation of lycopene,which was more important comparing to the negative effect of ascorbic acid or sugars in the degradation of lycopene. Lycopene degradation was promoted by sugars which was closely related to temperature,and the degradation of lycopene in the presence of sugars followed complex reaction kinetics at comparatively higher temperature. The stimulative effects of sugars on lycopene degradation were according to the following descending order:glucose

lycopene;red grapefruit;model systems;degradation mechanism

2016-06-06

徐媛(1986-)，女，博士，讲师，研究方向：食品科学，E-mail：xuyuan0804@163.com。

*通讯作者:潘思轶(1965-)，男，博士，教授，研究方向：食品科学，E-mail：pansiyispkx@163.com。

国家自然科学基金(31571847)。

TS202.3

A

1002-0306(2016)23-0053-09

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.002