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甜菜红色素的稳定性探讨

    天然染料是指从植物、动物或矿产资源中获得，很少或没有经过化学加工的染料。在合成染料高度发展的今天，天然染料之所以又重新受到关注，首先是因为天然染料中的动植物染料是从生物体中提取的，与环境相容性好，可生物降解；其次是由于毒性较低，并且生产这些染料的原料可再生。相比之下，生产合成染料的原料资源消耗很快，且短时间内不能再生。因此，开发天然染料对于保护自然资源和生态环境有着积极意义。很多植物染料作为中药，具有舒筋活血、祛病保健的功效，为过敏体质的人群带来极大的福音[1-3]。
    甜菜红是食用甜菜中所含有色化合物的总称，由红色的甜菜花青和黄色的甜菜黄素组成[4-5]。甜菜花青中主要是甜菜苷，属糖类衍生物，占红色素的75%~95%，其余为异甜菜苷、前甜菜苷和甜菜色素的降解产物（淡棕色）。除色素物质外，食用甜菜还含有糖、盐和蛋白质等。甜菜红色素色泽鲜艳、着色均匀、无异味，为块状、粉状或糊状物，易溶于水等溶剂[6-7]，本身是一种食用色素，无毒无公害，对环境污染小，作为绿色染料在国内外研究甚广，目前也有学者研究其用于羊毛、蚕丝等纤维的染色[8-9]。本文采用紫外可见分光光度计测量了不同条件下甜菜红溶液的光谱曲线，探讨了甜菜红色素的稳定性。
    1·试验
    1.1　材料
    染料：天然甜菜红色素（珠海靖浩生物科技有限公司）。
    化学品：氯化钠、pH 缓冲液调节剂（醋酸、硼酸、磷酸和氢氧化钠）、硫酸铜、硫酸亚铁（均为化学纯），氯化稀土（市售）。
    1.2　甜菜红稳定性试验
    将甜菜红色素配成1.5% 的水溶液， 于一定pH、温度条件下处理一定时间。
    1.3　测试
    吸收光谱曲线：甜菜红溶液的吸光度用TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析）测量；降解率：由降解前后溶液的吸光度计算得到。
    2 ·结果与讨论
    2.1　pH
    2.1.1　不加热时
    按试验配方配制4 g/L 甜菜红溶液，用pH 缓冲液分别调节pH 至2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，在室温30 ℃的条件下处理60 min，测量其吸收光谱，结果如图1。由图1（a）可知，当甜菜红溶液的pH 为2~4 时，随pH 的增大，吸光度值逐渐增大，但甜菜红色素的最大吸收波长λmax 基本不变，由此说明在此pH 范围内溶液的酸性越弱甜菜红色素的溶解性越好；由图1（b）可知，在pH 为5~12 时，随着pH 的增大，甜菜红色素的吸光度值逐渐减小，且最大吸收波长λmax 逐渐增大。这是因为在较强的酸性条件下，甜菜红色素稳定性比较好，分子结构未被破坏，最大吸收波长λmax 是由染料的分子结构决定的[9]，染料结构没有变化，因此最大吸收波长λmax 基本不变，染料的颜色又是由最大吸收波长决定的，因此，目测发现在强酸性条件下甜菜红色素溶液一直为红色。随着pH 的增大，在中性和碱性条件下，甜菜红色素稳定性较差，分子发生极化，分子结构遭到破坏，因此其最大吸收波长发生变化，溶液颜色也逐渐由原来的红色变为紫色。当碱性过强时，甜菜红色素中的甜菜色苷转化为甜菜黄素，使溶液呈现黄色。说明天然甜菜红色素即使在不加热的条件下也不耐弱酸和碱。
    
   
    2.1.2　加热时
    配制4 g/L 甜菜红溶液，用pH 缓冲液调节pH，在50 ℃下处理60 min，测量其吸收光谱，结果如图2 所示。由图2（a）可知，在pH 为2 和3 的强酸性条件下，吸光度值变化不大，最大吸收波长λmax 基本不变，随着pH 的增大而增加；当pH 为4 和5 时，吸光度值明显增大，但最大吸收波长λmax 基本不变，说明在pH=2~5 时，随着pH 的增加，甜菜红色素的溶解度逐渐增大，且色素稳定性较好。由图2（b）可知，在pH=6~12 时，随pH 的增大，吸光度值逐渐减小，最大吸收波长也有所增大。
   
    图1 和图2 相比不同的是吸光度值降低的幅度比较大，这也是由于甜菜红不耐碱、加热降解的缘故。
    2.2　温度
    配制4 g/L 甜菜红溶液，用pH 缓冲液调节pH 至4，在不同温度下处理60 min，测量其吸收光谱，结果如图3 所示。由图3 可知，当处理温度低于40 ℃时，吸光度值无明显变化，高于40 ℃时，吸光度值逐渐降低，但最大吸收波长λmax 不变。这是因为甜菜红色素在高温条件下会发生降解反应，破坏其分子结构[9]。因此，甜菜红色素在高温条件下稳定性较差。观察发现，随着处理温度的升高，处理后甜菜红溶液的颜色逐渐变浅，30~50 ℃时颜色变化不是很明显，60 ℃颜色明显变浅，90 ℃处理后溶液几乎无色。
   
    由图4 可知，甜菜红色素的降解率与处理温度呈较好的线性关系，随着处理温度的升高，甜菜红色素的降解率呈直线增加。
   
    2.3　金属离子
    考虑到甜菜红色素媒染染色过程中将与金属离子发生一定的络合，按试验配方配制4 g/L 甜菜红溶液，分别加入2 g/L 不同类型的金属离子，用pH 缓冲液调节pH 至4，50 ℃处理60 min，测量其吸收光谱，结果如图5 所示。由图5 可知，加入金属离子后甜菜红溶液的吸光度值均有所降低，尤其是加入Cu2+ 后吸光度值明显降低，最大吸收波长λmax 也有一定的变化，说明金属离子对甜菜红色素的稳定性有一定的影响。一方面，过多的金属离子（如Fe2+、Cu2+、Al3+、稀土等）都可以促使甜菜苷降解，从而降低甜菜红的色调，引起吸光度值和最大吸收波长λmax 的变化；另一方面，金属离子与甜菜红色素形成一定络合结构的化合物，使其吸光度和最大吸收波长发生改变，这一点可从加入金属离子后溶液的颜色看出，不加任何金属离子的溶液处理后仍为红色，加入Fe2+ 的溶液处理后为橙色，加入Cu2+ 的溶液处理后为深紫色，加入Al3+ 的溶液处理后为浅粉色，加入稀土的溶液处理后为深粉色。
   
    2.4　热处理时间
    按试验配方配制4 g/L 甜菜红溶液，用pH 缓冲液调节溶液的pH 至4，50 ℃处理0、15、30、45、60、90、120、180 min，测量其吸收光谱，结果如图6 所示。由图6 可知，随着热处理时间的延长，吸光度值逐渐减小，但是最大吸收波长λmax 几乎不变。
   
    由图7 可知，甜菜红色素的降解率与处理时间呈较好的线性关系，随着处理时间的延长，甜菜红色素的降解率呈直线增加。
   
     3·结论
    （1）甜菜红色素不耐高温、不耐碱，不宜处理较长时间，金属离子对其稳定性也有一定的影响。
    （2）甜菜红色素的降解率随处理温度的升高或处理时间的延长而呈直线增加。

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