紫外可见光度计

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多条件在线光度法测定桑葚色素稳定性

发布日期:2021-04-15  点击次数:

关键词 分光光度法;在线测量;实时动力学;桑葚色素;稳定性;美析集团(www.macylab.com)

天然色素具有安全性高、营养丰富、色调自然等优点,在消费市场具有极高的认可度,目前已建立多种色素检测分析方法。桑葚富含花色苷类化合物,色彩鲜艳,色价高,以其为原料提取的色素,可广泛应用于高端食品、日用品、化妆品和药品等领域。近年来的研究表明天然色素具有一定的生理活性,具有巨大的开发利用潜力。
桑葚成熟期气温高,成熟集中、果期短,采摘不便,贮存困难,易造成巨大浪费和环境污染。开展桑葚色素高值化利用研究,拓展利用途径,提高产品附加值,对促进农业增收具有重要意义。目前,关于桑葚色素热稳定性的研究较多,但结果差异较大。光、包装材料、氧化剂及添加剂等对桑葚色素稳定性影响的研究较少,且普遍使用定性描述,因此建立桑葚色素稳定性准确、全面的定量描述极为必要。

目前,天然色素稳定性研究中多采用单条件控制、手动离散取样测定方案,劳动强度大,样品容易受到污染,测定准确性较差,不便于考察多种条件如温度、光照、pH 值、氧化、添加剂等对稳定性的影响。本研究开发了一种多条件控制在线光度法实时动力学测定装置,基于该装置采用初始动力学方法测定桑葚色素稳定性。本研究结果为桑葚色素开发利用提供技术支持,为天然色素稳定性研究提供新的测试方法。


1. 材料与方法

1.1    试剂与材料

甲酸、氢氧化钠、乙酸、三水乙酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、过氧化氢、维生素 C(分析纯级),国药集团化学试剂有限公司。

桑葚由宁波鄞州中铭农业科技有限公司提供,成熟果实,外观呈紫黑色。

1.2  设备与仪器

UV-1800 型紫外-可见分光光度计,上海美析仪器有限公司;

冷冻干燥机;

恒温循环器;

低温恒温槽;

 pH 计;

磁力搅拌器;

蠕动泵;

5 W 紫外灯(主波长 254 nm);

日光模拟灯(标识功率 300 W,其中波长 315~400 nm 的辐射功率 13.6 W,波长 280~315 nm 的辐射功率 3.0 W);

400 μL 流动比色皿;

2 mm 厚石英玻璃、2 mm 厚光学玻璃、1 mm 厚棕色光学玻璃;

0.15 mm 厚 PET  平板。

1.3    试验方法

反应器有效容积 100 mL,连接管路长度约 60 cm,连接管内径 1.6 mm,管路及流动比色皿体积约 1.6 mL。

桑葚果肉水提液过大孔树脂,合并色素洗脱液冷冻干燥,所得粉末为桑葚色素混合物,以缓冲溶液配制桑葚色素储备液。

移取一定量桑葚色素溶液加入反应器,设置控制条件,采集吸光度数据,采样间隔 1 min,总时长 5 h。桑葚色素降解反应速率常数较低,5 h 测定为其初始动力学数据。



2. 结果与分析

2.1多条件在线光度法动力学数据采集装置

如图 1 所示,装置主要由 7 部分组成。反应器为具有色素溶液流入流出接口的夹层烧杯,夹层通入恒温循环水保持体系温度稳定。反应器下方设置有磁力搅拌器,上方设置有光线阻隔材料平板,平板上方为外置光源,反应器内筒中色素溶液在蠕动泵驱动下流经流动比色皿-分光光度计检测器测定后流回循环。

装置管道及比色皿存在一定“死体积”,对反应器内样品施加实时“非全体性”影响时(如光照),理论上存在微小延迟,通过延迟动力学方程可予以消除, -dc   / d(t - τ) = kAm ,τ  为“死体积”对应延迟时间(h)。当反应速率常数较低、“死体积”远小于反应器容积、蠕动泵快速循环时,流动比色皿内溶液和反应器内溶液视为等效。


试验装置适用于慢速液体均相动力学过程初始、全程实时数据自动在线采集。测定天然色素褪色动力学时,向反应器内加入色素溶液,设置循环水温度、pH 值、外置光源、光线阻隔材料平板、添加物种类和浓度等一种或多种条件组合,开启搅拌和蠕动泵,分光光度计设置为动力学模式,检测波长为色素溶液最大吸收波长,设置采样间隔,采集数据。温度 20 ℃ , 以去离子水为参比, 在反应器内加入去离子水循环 1 h , 吸光度最大差值ΔAmax=0.0021,表明试验装置及测量系统噪音极低,具有良好的稳定性。


2.2 桑葚色素酸碱稳定性

桑葚色素用 pH 值为 3,4,5,6,7,8 的缓冲溶液稀释,在波长 400~800 nm 范围内进行扫描, 结果如图 2 所示,溶液颜色如插图所示,pH 值对桑葚色素颜色影响明显。pH 值为 3 时溶液中桑葚色素呈现纯正红色,鲜艳浓厚,适用于食品、药品、化妆品等产品调色,是桑葚色素最佳酸碱环境,最大吸收波长 514 nm。pH 值从 3 增大为 8  时,对应最大吸收波长红移,红色变浅并逐渐转变为暗红色、红棕色,颜色劣化,感官评价变差。

pH 值为 3 时,以吸光度 A0=0.968 的桑葚色素溶液为储备液,分别移取 0.05,0.1,0.2,0.4, 0.6,0.8 份储备液稀释到 1 份,吸收光谱无变化,稀释曲线线性良好,如图 3 所示。色素降解过程中在波长 514 nm 处监测吸光度的变化。


2.3 桑葚色素热稳定性

在室内自然光照,pH 值为 3,反应体系温度分别为 20~80  ℃,吸光度变化如图 4a 所示。由图 4a可知,20~50  ℃吸光度下降缓慢,20  ℃时桑葚色素吸光度 5  h 仅降低 0.004,主要为系统噪音贡献,60℃开始吸光度降速增加,并随温度升高加剧。对图 4a 吸光度变化进行一次动力学拟合,结果如图4b 所示,拟合反应速率常数及相关系数见图 4a 插表,20 ℃时吸光度变化过小,因噪音掩盖失真, 相关系数低,仅作为参考。30 ℃反应速率常数 k30℃=0.0023 h-1,半衰期 τ30℃=301.4 h,80 ℃反应速率常数 k80℃=0.0492 h-1,半衰期 τ80℃=14.1 h,表明桑葚色素对温度敏感,20 ℃及以下温度冷藏能长期保持颜色稳定,温度过高会加速花色苷破坏。

对不同温度反应速率常数按照阿伦尼乌斯方程 ln(k)=lnA-Ea/(RT)拟合,如图 4b 插图所示,表观活化能 Ea=60.2 kJ/mol,较大的活化能表明桑葚色素降解较为缓慢。温度对色素稳定性影响体现在 2 方面:一方面温度会影响氧化、还原、光解过程反应速率常数,另一方面升高温度使花色苷分子自身热分解更加显著。因此,温度对于色素稳定性极为关键,在生产、贮存、运输、货架等环节注意保持低温。