不同环境因子对栀子黄/姜黄共混色素体系稳定性的影响

刘玲红，许国娟，程荣，陈凯，赵安心*

1(武汉淡雅香生物科技有限公司，湖北 武汉，430034)2(湖北工业大学 生物工程与食品学院，湖北 武汉，430068)

随着色素用途的多元化发展，单一色素的性能可能不能满足实际需求，多重色素复合使用成为发展趋势之一，可利用色素间优势互补的原则构建多色素共混体系[1]。天然色素资源丰富、无毒无害，被广泛应用于生活实践中。在智能标签比色指示剂的染料的研究中，研究人员利用姜黄素的抗氧化性弥补花青素的不稳定性，同时以花青素的广变色区间补充姜黄素的变色局限范围[2]；禽蛋蛋黄的颜色是评价其质量的重要感官指标，在饲料中添加1种色素只能使蛋黄颜色偏向该色值，往往2种色素配合使用，如万寿菊提取物与辣椒红同时使用[3]，能取得更好的效果。朱颖等[4]在蛋鸡日粮中添加1∶1的橙黄素和辣椒红，显著提高了蛋黄中叶黄素的含量和色度。

天然栀子黄色素是从茜草科植物栀子(Gardeniajasminnoides)的果实中提取精致的天然黄色食用色素物质，是一种混合物，主要成分为类胡萝卜素的藏花素和藏花酸，环烯醚萜甙类的栀子甙、黄酮和绿原酸[5-7](图1-a)。其中，藏花素和藏花酸是主要成分，藏花素是藏花酸的龙胆二糖酯，分子上的多个共轭双键赋予栀子黄以黄色[7]。天然栀子黄色素具有着色力强、色泽鲜艳、色调自然柔和、稳定性较好、溶解性强的特点，对人体安全无毒，且极易被人体吸收，转化为维生素A，与合成色素比较，着色自然新鲜，尤其对蛋白和淀粉染色性好，无异味。栀子黄的分子结构中存在多个共轭双键，是该色素的发色基团，也是发生不稳定的来源[7]。栀子黄分子容易受环境温度、光照、pH等因素影响而氧化，发生变色，直接影响了该色素的实际应用。

姜黄素是从姜科植物姜黄的根茎中提取出的一种多酚类活性物质(图1-b)，颜色呈明亮黄色，粉末为橙黄结晶状，着色力强，安全无毒，具有抗氧化、抗菌、消炎、抗癌等功效，被广泛用于有色酒类、甜品、饮料及保健食品中(GB 1886.76—2015)[8]。据报道，姜黄易受碱性、光照、热、氧气、金属离子等条件影响而降解，减弱明亮的色泽，这些都限制了姜黄在生产生活中的应用[9-10]。

本研究以栀子黄与姜黄按照不同配比共混制备色素溶液，采用不同的光照、温度、pH值、氧化剂、还原剂、金属离子等条件来处理此共混色素，考察栀子黄/姜黄共混色素的稳定性，探究2种色素在共混体系中对环境因素的响应，及两者间可能的分子相互作用。本文将为日用化工、食品、医药等领域更好地开发利用共混色素提供一定的理论依据。

a-栀子黄；b-姜黄素图1 栀子黄和姜黄素分子结构式Fig.1 Molecular structures of gardenia yellow and curcumin

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

栀子黄色素(食品级)，武汉绿孚生物工程有限公司；姜黄素(食品级)，河北昱华科技有限公司；氢氧化钠、磷酸、亚硫酸钠、过氧化氢、氯化镁、氯化铁、氯化钙、氯化锂(均为分析纯)，国药集团化学有限公司。

1.2 仪器与设备

FA3204B电子天平，上海天美天平仪器有限公司；HH-2恒温水浴锅，国华电器有限公司；UV-5200紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；SL1-PHSJ-4F酸度计，北京中西远大科技有限公司；GZX-250光照培养箱，常州国宇仪器有限公司；DHP-9052恒温干燥箱，上海精宏设备有限公司；Vertex 70傅立叶变换红外光谱仪，德国布鲁克有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 栀子黄/姜黄共混色素的配制和吸收波长检测

参照国标GB 7912—2010的方法，称取质量比分别为1∶1、3∶2、4∶1的栀子黄和姜黄混合物，总质量为0.5 g，置于500 mL容量瓶中定容，摇匀静置得到1 mg/mL共混色素标准溶液，以蒸馏水作空白，用紫外可见分光光度计对该样品溶液进行全波长扫描，确定最大吸收波长。

1.3.2 傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometry，FTIR)检测

配制纯栀子黄溶液、纯姜黄溶液以及3种配比的共混溶液，用移液枪取少量溶液分别涂布于溴化钾晶片上，室温下自然阴干成薄膜状，尽量避免其他环境因子对色素的影响，室温下运用FTIR在500～4 000 cm-1扫描，分辨率为4 cm-1。

1.3.3 环境因子对共混色素的稳定性影响

1.3.3.1 不同光照类型的影响

分别取3种配比的共混色素溶液3 mL，置于太阳光、日光灯(GZX-250光照培养箱)和黑暗条件下，分别在0、2、4、6、8 h测定吸光度，实验重复3次。

LED单色光处理[11]：自制60 cm×60 cm×60 cm可封闭不透光纸箱，在纸箱内测顶部分别安装蓝光(480 nm)、绿光(540 nm)、红光(660 nm)的LED单色光灯带；将共混色素溶液添加到24孔板，用单色光照射处理，分别在0、2、4、6、8 h取样测定吸光度，每个处理3个平行重复，实验重复3次。

1.3.3.2 不同温度的影响

分别取3种配比的共混色素溶液3 mL，置于玻璃试管中，避光分别放入4、20 ℃的冰箱以及60、100 ℃ 的水浴条件下处理，分别在0、2、4、6、8 h取样测定吸光度，实验重复3次。

1.3.3.3 不同pH值的影响

称取3种配比的共混色素各0.1 g，用pH为2、4、6、7、8、10、12的氢氧化钠/磷酸缓冲液定容至100 mL，摇匀静置，以蒸馏水定容的溶液为对照。处理6 h后测定溶液吸光度，实验重复3次。

1.3.3.4 不同浓度氧化剂、还原剂的影响

分别以体积分数0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的H2O2溶液和质量浓度为0、2、4、6、8、10 μg/mL的Na2SO3溶液将3种配比的共混色素0.1 g 定容至100 mL，摇匀静置，处理6 h后测定溶液吸光度，实验重复3次。

1.3.3.5 不同浓度金属离子的影响

以质量浓度为0、1、2、3、4、5 μg/mL的氯化钙、氯化镁、氯化铁、氯化锂溶液分别将3种配比的共混色素0.1 g定容至100 mL，摇匀静置，处理6 h后测定溶液吸光度，实验重复3次。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2019和Origin 9.0对数据进行处理和作图，以平均值±标准误差(standard error, SE)表示数据点。

2 结果与分析

2.1 栀子黄/姜黄共混色素体系特征吸收波长检测

如图2所示，在150～500 nm进行全波长扫描，1∶1、3∶2、4∶1三种配比的栀子黄/姜黄共混色素溶液均在430 nm处出现特征吸收峰，与单一色素的最大吸收波长接近。栀子黄水溶液的特征吸收峰在440 nm，姜黄水溶液的特征吸收峰在425 nm，参考GB 7912—2010[2]和GB 1886.76—2015[8]。本实验采用430 nm作为共混色素体系的最大吸收波长进行后续稳定性检测。图2可见1∶1配比的共混溶液的A430 nm最大，表明姜黄占比越大可能对吸光度的影响越大，酚羟基的增加有助于色素体系的加强，对吸光度的贡献更大，共混体系中姜黄分子的主导作用可能大于栀子黄分子。

图2 栀子黄/姜黄共混色素吸收波长图谱Fig.2 Absorption spectrum of gardenia yellow/curcumin blend pigments

2.2 FTIR检测与体系分子互作

结合紫外吸收波长的图谱结果，通常单一的栀子黄色素溶液经紫外可见分光光度计全波长扫描会出现3个典型的特征吸收峰，对应的波长为236、326、442 nm，442 nm为主要成分藏花素和藏花酸的特征吸收峰[7]；单一的姜黄素溶液的特征吸收峰对应的波长为425 nm。本研究3种配比溶液仅在430 nm处出现吸收峰，没有检测到多个吸收峰，推测该共混体系分子间不再是单一组分游离状态，进一步表明栀子黄与姜黄形成了复合体系。

图3 栀子黄、姜黄及共混色素FTIR图Fig.3 FTIR spectrum of gardenia yellow, curcumin and blend pigments

2.3 不同环境因子对栀子黄/姜黄共混体系的影响

2.3.1 不同光照类型的影响

图4显示，3种配比的共混色素溶液受太阳光、日光灯和避光处理后，体系吸光度逐渐减小，色素有一定损失。日光灯和避光处理对体系影响较小，太阳光照射的影响比较显著，表明色素体系对太阳光的稳定性较差。萝卜红色素、蓝莓色素等，具有较好的耐光性[14-15]，与该共混体系有一定差别；与前人研究结果类似，本研究中太阳光处理8 h后体系色素损失率约18%，据报道，栀子黄溶液经太阳光或日光灯照射8～12 h，色素损失率近20%，耐光性较弱[7,16]；姜黄色素受光照影响很大，其溶液吸光度变化很大。2种色素均建议避光保存[10]。

图5显示，单色光对共混色素的影响与多色光基本相似，均引起吸光度逐渐减小，蓝光比绿光和红光的作用更明显，造成体系吸光度显著降低，表明蓝光造成共混体系的色素损失最大。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1图4 多色光照对共混色素稳定性的影响Fig.4 Effect of light on the stability of the blend pigments

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1图5 LED单色光对共混色素稳定性的影响Fig.5 Effect of LED monochromatic light on the stability of the blend pigments

2.3.2 温度敏感性

单一栀子黄溶液对温度敏感，在60 ℃以下时，色素损失率可达到50%左右，100 ℃下损失率大于70%；多项研究表明姜黄素对温度不敏感，20～100 ℃内不同温度处理后，吸光度变化不明显[7,17]。不同配比溶液中，4 ℃处理吸光度变化极小，20 ℃下体系吸光度变化较小，60 ℃下吸光度下降明显，100 ℃ 处理吸光度急剧下降，3种配比间变化趋势相似，表明该共混色素能耐冷藏、室温，不耐高温，建议保存时避免高温环境(图6)。另外，共混色素在4、20、60及100 ℃下的损失率分别为2%、12%、30%及55%左右，显著低于单一栀子黄色素的损失率，表明姜黄的加入对栀子黄有保护作用。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1图6 温度对共混色素稳定性的影响Fig.6 Effect of temperature on the stability of the blend pigments

2.3.3 pH值对共混色素稳定性的影响

由前人研究可知，在强酸或强碱环境下，栀子黄色素损失率在15%左右，pH 5～9时损失率小于10%[6]；姜黄素溶液受pH值影响很大，在酸性和中性条件下呈现亮黄色、黄色，色素溶解度降低，在碱性条件下呈现橙红色，吸光度增大，但分子结构未受影响[17]。pH值在2～6和8～12时，3种配比的共混色素溶液的吸光度下降较多，酸性和碱性越强，吸光度变化越大，体系色素损失也越大；pH值为7时，吸光度与对照组相比无明显下降，表明栀子黄/姜黄共混溶液的耐酸碱性较弱，可能跟栀子黄和姜黄中所含的羧基和羟基有关，应避免强酸强碱的处理(图7)。4∶1 配比的色素溶液在不同pH下的吸光度对其他配比的色素溶液具有显著性差异，表明栀子黄在共混体系中影响较大。此共混体系对pH值的敏感性符合相关报道，单独的栀子黄或姜黄色素受pH的影响较大，颜色发生较大变化[18-19]。

图7 pH值对共混色素稳定性的影响Fig.7 Effect of pH value on the stability of the blend pigments

2.3.4 氧化剂、还原剂对共混色素稳定性的影响

经不同浓度的过氧化氢溶液处理后，3种配比的栀子黄/姜黄共混色素吸光度呈减小趋势，损失率均小于10%，不同浓度H2O2对1∶1和3∶2的共混色素稳定性影响几乎一致，4∶1配比的共混色素所受影响存在显著性差异，表明共混色素对氧化剂H2O2比较稳定，栀子黄在此共混体系中对氧化剂相对更加敏感(图8)。有研究表明，单独的栀子黄或姜黄溶液均具有一定的耐氧化性[7,20]，稳定性良好。

图8 过氧化氢对共混色素稳定性的影响Fig.8 Effect of H2O2 on the stability of the blend pigments

经不同浓度的Na2SO3溶液处理后，3种配比的栀子黄/姜黄共混色素吸光度呈减小趋势，色素损失率为10%～20%，表明该共混色素溶液对此还原剂较为稳定。不同浓度的Na2SO3对此共混溶液的影响无显著差异(图9)。基本符合前人研究结论，栀子黄溶液在Na2SO3环境中具有良好的稳定性，磷酸钠溶液可使姜黄色素溶液吸光度增大产生增色作用[7,21]。

有研究表明，栀子黄色素经过不同浓度的过氧化氢或者亚硫酸钠处理，损失率为15%左右，对氧化剂和还原剂比较稳定；姜黄素对H2O2有很强的抗氧化性，经磷酸钠处理发生增色效应，吸光度显著增大[17,22]。本研究中，共混色素经H2O2或者Na2SO3处理后，吸光度降幅不大；氧化剂处理时，4∶1配比的共混溶液吸光度显著低于1∶1和3∶2配比的溶液，可能是栀子黄占主体的共混溶液抗氧化性较弱。因此，有氧化剂或还原剂参与的环境，建议适当提高姜黄的比例，有利于共混体系稳定性的提升。

图9 亚硫酸钠对共混色素稳定性的影响Fig.9 Effect of Na2SO3 on the stability of the blend pigments

2.3.5 金属离子对共混色素稳定性的影响

如图10所示，不同浓度金属离子处理栀子黄/姜黄共混色素溶液后，3种配比的共混色素吸光度均逐渐下降。其中Fe3+的影响最大，引起吸光度急剧下降，体系损失率为65%左右，相对其他离子产生的影响具有显著性差异，Ca2+、Li+及Mg2+(色素损失率约5%)作用效果基本一致。据报道，Fe3+对栀子黄色素的破坏相当明显，2 h可引起色素损失率大于80%，溶液几乎褪色为无色，栀子黄对Mg2+、Ca2+、Li+非常稳定[23]；Fe3+和Ca2+可引起姜黄溶液变色[7,24]。结果表明共混体系相较于单一色素的稳定性更好，受金属离子处理后损失率相对更低；但共混体系对Fe3+环境不稳定性，与前人的研究一致，可能是因为金属离子与色素发生了氧化还原反应或者螯合作用[1]。

近几十年来，研究人员积极探索稳定天然色素的可用方法。目前，常用的方法有添加共色素化合物、形成超分子配合物、纳米载体的包封体系和屏蔽保护等[1]。比如前人运用酚类化合物等来稳定花青素，以及运用Fe3+、Ca2+、Al3+等离子与色素共着色来提升天然色素的稳定性[25]，金属离子与天然色素发生氧化还原反应或螯合作用是颜色改变的可能机理之一[1]。本研究中，姜黄分子为多酚化合物，可能对栀子黄分子有提升稳定性作用，有待进一步研究。

a-1∶1；b-3∶2；c-4∶1图10 金属离子对共混色素稳定性的影响Fig.10 Effect of metal ions on the stability of the blend pigments

3 结论

本研究表明栀子黄/姜黄的共混体系分子间可能发生了以氢键为主的复合作用，形成较稳定的复合物；本文共混色素比单一色素的耐光性稍强，色素受太阳光和单色光蓝光的影响较大；共混体系对不同温度的稳定性优于单一色素，但在60 ℃以条件下同样不稳定；共混体系在酸碱条件不稳定；在氧化剂、还原剂、金属离子的环境中，共混体系相较于单一色素更加稳定，Fe3+环境下稳定性差；不同环境因子对3种配比共混体系的作用显示，适当增大体系中姜黄的比例有利于增强共混色素的稳定性。本研究可为共混色素的研究和应用提供理论参考。