色素在饲料中应用广泛,具有改善饲料及畜产品感官性状[1]、清除动物体内自由基、调节免疫、改善肠道健康等多种功效[2-5]。色素分为合成色素和天然色素两大类,但大多数人工合成的色素存在一定毒性,会危害动物机体健康[6-7]。自然界中天然色素通常以单体(如类胡萝卜素、黄酮、卟啉、叶绿素和血红蛋白等)和聚合体(如黑色素、鞣酸类和腐殖质)形式存在[8]。但大部分天然色素存在提取成本高、杂质多、功能不稳定等因素,限制了天然色素在畜牧业中的应用。地黄(Rehmannia glutinosa),别名怀庆地黄、地髓等,是玄参科地黄属的多年生草本的药食同源植物,在我国分布广泛[9]。地黄具有调节血糖血脂[10]、抗氧化[11]、调节免疫系统[12]、抗抑郁[13]、抗肿瘤[14]等多重功效。在六味地黄丸等中药的制造中会产生大量地黄药渣。地黄渣富含色素[15],除少量用于回收外,绝大多数被直接丢弃,会造成环境污染和资源浪费。因此,开发地黄渣色素具有较大的应用前景和价值。本研究采用超声辅助浸提法提取地黄渣色素,并探究地黄渣色素的稳定性及抗氧化性,为地黄渣色素作为饲用色素的开发与应用提供参考。1材料与方法1.1试验材料怀地黄渣取自焦作温县。无水乙醇、30% H2O2、过硫酸钾、硫酸亚铁(FeSO4)、水杨酸、维生素C等试剂均为分析纯,购自天津科密欧试剂有限公司,DPPH和ABTS均购自上海麦克林生化科技股份有限公司。1.2地黄渣色素的制备1.2.1原料预处理使用粉碎机将怀地黄渣粉碎,过60目筛,密封干燥保存。1.2.2制备地黄渣色素样品色素提液的制备参考吴琳珊[16]的方法,并适当修改。使用超声辅助浸提法提取地黄渣色素,在溶剂为75%乙醇、料液比为1∶60 g/mL、超声时间为40 min、超声温度30 ℃的条件下进行提取。提取后的溶液减压浓缩除去多余的乙醇,冷冻干燥制备色素样品,其中色素回收率为8.1%。1.3地黄渣色素抗氧化能力的检测1.3.1DPPH自由基清除率参照王振伟[17]的方法测定DPPH自由基清除率,并适当调整。配制100 mL,0.1 mmol/L DPPH-乙醇溶液和不同质量浓度色素溶液(0.125、0.250、0.500、1.000、2.000、3.000 g/L)各25 mL。样品组为2 mL DPPH-乙醇溶液加入2 mL不同浓度色素溶液,吸光度记为A1;空白组为2 mL无水乙醇代替地黄渣色素溶液加入2 mL DPPH乙醇溶液,吸光度记为A0;对照组为2 mL色素溶液加入2 mL无水乙醇代替DPPH乙醇溶液,吸光度记为A2。以上3组溶液充分涡旋混合,室温下避光反应30 min,于OD517 nm处测定吸光度。每组3个平行,取平均值,计算DPPH清除率,以维生素C作为阳性对照。DPPH清除率=A0- (A1-A2)A0×100% (1)1.3.2ABTS自由基清除率参照苏建青等[18]的方法测定ABTS自由基清除率,并适当调整。配制1.4 mmol/L过硫酸钾100 mL,7 mmol/L ABTS 10 mL,各取10 mL充分混合,室温避光反应16 h,制备ABTS自由基。使用前,于OD734 nm将ABTS自由基溶液稀释至吸光度(0.7±0.02)。配制不同质量浓度的地黄渣色素溶液(0.125、0.250、0.500、1.000、2.000、3.000 g/L)。样品组为0.1 mL不同质量浓度地黄渣色素溶液加入0.9 mL ABTS,吸光度记为A1;空白组为0.1 mL蒸馏水代替地黄渣色素溶液加入0.9 mL ABTS,吸光度记为A0;对照组为0.1 mL地黄渣色素溶液加入0.9 mL蒸馏水代替ABTS,吸光度记为A2。以上3组溶液充分涡旋混合,室温静置5 min,于OD734 nm测吸光度。每组3个平行,取平均值,计算ABTS清除率,以维生素C作为阳性对照。ABTS清除率=1- A1-A2A0×100% (2)1.3.3羟基自由基清除率参照德勒黑等[19]的方法测定羟基自由基的清除率,并适当调整。配制100 mL FeSO4(6 mmol/L)、100 mL H2O2(6 mmol/L)和100 mL 9 mmol/L水杨酸-乙醇溶液,不同质量浓度(0.125、0.250、0.500、1.000、2.000、3.000 g/L)色素溶液各25 mL。样品组离心管中依次加入1 mL地黄渣色素溶液、1 mL H2O2、1 mL FeSO4和1 mL水杨酸-乙醇溶液;吸光度记为A1;空白组为用蒸馏水代替色素溶液,管中依次加入1 mL蒸馏水、1 mL H2O2、1 mL FeSO4和1 mL水杨酸-乙醇溶液,吸光度记为A0;对照组为用蒸馏水代替H2O2溶液,管中依次加入1 mL地黄渣色素溶液、1 mL无菌水、1 mL FeSO4和1 mL水杨酸-乙醇溶液,吸光度记为A2;以上3组溶液用充分涡旋混匀,40 ℃水浴1 h,于OD510 nm测吸光度,每组3个平行试验,取平均值,维生素C作为阳性对照,计算羟基自由基清除率。羟基自由基清除率=1- A1-A2A0×100% (3)1.4地黄渣色素稳定性的检测1.4.1温度稳定性将3 g/L的地黄渣色素溶液在不同温度下(4、25、50、80 ℃)分别处理1、2、3、4、5 h,在OD419 nm测定地黄渣色素的吸光度,计算地黄渣色素损失率。损失率=ODt0-ODtiODt0×100% (4)式中:ODt0为0 h时地黄渣色素的吸光值;ODti为i h地黄渣色素的吸光值。1.4.2光照稳定性将3 g/L的地黄渣色素溶液分别置于自然光、紫外光(灯光15 W,300 lx;紫外光15 W,40 lx)以及黑暗的环境下分别处理1、2、3、4、5 h,在OD419 nm测定地黄渣色素的吸光度,按照公式(4)计算地黄渣色素损失率。1.4.3pH值稳定性将地黄渣色素分别使用不同pH值(3、5、7、9、11)的缓冲液稀释至相同质量浓度(3 g/L),随后分别处理1、2、3、4、5 h,并在OD419 nm测定色素的吸光度,并按照公式(4)进行计算地黄渣色素损失率。1.4.4金属离子稳定性将30 mL 3 g/L的地黄渣色素溶液置于5个50 mL离心管中,分别加入等量0.2%的硫酸铁、硫酸镁、硫酸铜、硫酸锌以及硫酸锰溶液,静置1、2、3、4、5 h,在OD419 nm测定色素的吸光度,并按照公式(4)计算地黄渣色素损失率。1.5数据统计与分析采用SPSS 20.0中单因素方差程序对数据进行分析,每个试验均做3个重复,LSD法进行多重比较。结果以“平均值±标准差”形式表示,P0.05表示差异显著。2结果与分析2.1不同质量浓度的地黄渣色素的抗氧化能力(见表1)由表1可知,不同质量浓度的地黄渣色素对DPPH和羟基自由基具有较好的清除作用,其清除效果随着地黄渣色素浓度的增加而逐渐增大,地黄渣色素质量浓度为3 g/L时,其对DPPH和羟基自由基的清除作用达到最大值,分别为89.74%、46.32%。不同质量浓度的地黄渣色素对ABTS具有一定的清除作用,清除效果也随着地黄渣色素浓度的增加而逐渐增大,当地黄渣色素质量浓度为3 g/L时,其对ABTS清除作用达到最大值,为14.25%。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.16.014.T001表1不同质量浓度地黄渣色素的抗氧化能力项目DPPH自由基清除率ABTS自由基清除率羟基自由基清除率0.125 g/L地黄渣色素3.10±1.02g1.28±0.57f1.16±0.31f0.250 g/L地黄渣色素16.60±0.74f2.67±0.81ef3.02±0.31f0.500 g/L地黄渣色素33.27±1.00e3.06±0.93e7.41±0.09e1.000 g/L地黄渣色素66.26±0.31d5.57±1.02d18.75±1.37d2.000 g/L地黄渣色素76.52±0.54c9.74±1.32c32.37±1.28c3.000 g/L地黄渣色素89.74±0.12b14.25±1.33b46.31±2.52b维生素C99.67±1.52a97.88±1.89a96.45±2.21a注:同列数据肩标不同字母表示差异显著(P0.05),相同字母或无字母表示差异不显著(P0.05)。%2.2地黄渣色素的稳定性分析2.2.1不同温度对地黄渣色素损失率的影响(见表2)由表2可知,地黄渣色素的损失率随时间的延长及温度的升高而逐渐增加,当加热温度为80 ℃,加热5 h时,地黄渣色素损失率最高为4.26%,表明色素热稳定性较好。当储存在4、25 ℃时地黄渣色素的损失率较低,表明地黄渣色素可室温保存,无须冷藏。研究表明,地黄渣色素具有较好的热稳定性。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.16.014.T002表2不同温度对地黄渣色素损失率的影响处理时间/h地黄渣色素损失率/%4 ℃25 ℃50 ℃80 ℃10.22±0.07Cb0.47±0.11Cc1.29±0.22Bc1.94±0.33Ad20.27±0.08Db0.52±0.11Cbc1.69±0.12Bbc2.53±0.19Ac30.32±0.08Cab0.57±0.14Cac1.87±0.33Bbc2.90±0.27Ac40.44±0.08Ca0.68±0.11Cab2.27±0.48Bab3.51±0.31Ab50.47±0.12Ca0.73±0.08Ca2.55±0.47Ba4.26±0.32Aa注:不同大写字母表示不同温度、同一时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05),不同小写字母表示同一温度、不同时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05)。2.2.2不同光照对地黄渣色素损失率的影响(见表3)由表3可知,地黄渣色素损失率在同一时间内随光照强度增加而变大,同一光照条件下,随着时间的增加色素损失率逐渐变大;光照强度越大,对地黄渣色素结构破坏性越大;与灯光及黑暗环境相比,紫外光照射对地黄渣色素的稳定性影响较大,在5 h后地黄渣色素损失率最大,为1.36%,黑暗条件下保存5 h后,地黄渣色素损失仅为0.33%。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.16.014.T003表3不同光照对地黄渣色素损失率的影响处理时间/h地黄渣色素损失率/%黑暗灯光紫外光10.19±0.08Bc0.24±0.14Bb0.55±0.04Ad20.22±0.07Cbc0.38±0.19Bab0.57±0.01Ad30.36±0.07Ca0.60±0.15Bab0.98±0.08Ac40.33±0.08Cab0.62±0.26Bab1.19±0.11Ab50.33±0.04Cab0.72±0.04Ba1.36±0.08Aa注:不同大写字母表示不同光照、同一时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05),不同小写字母表示同一光照、不同时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05)。研究表明,地黄渣色素能耐受长时间紫外光照,稳定性较好。2.2.3不同pH值对地黄渣色素损失率的影响(见表4)由表4可知,地黄渣色素的损失率随处理时间的延长而增大,相同处理时间下,随着pH值的减小,地黄渣色素损失率逐渐增大,在pH值3处理5 h时,地黄渣色素损失率最大,达到29.34%。在相同处理时间pH值为11时,地黄渣色素损失率均最小。研究表明,地黄渣色素具有宽泛的pH值耐受性,在碱性条件下更稳定,强酸会加速破坏地黄渣色素的结构,导致色素降解。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.16.014.T004表4不同pH值对地黄渣色素损失率的影响处理时间/h地黄渣色素损失率/%pH值3pH值5pH值7pH值9pH值11128.09±1.42A18.78±0.52BCd17.87±1.10CDc16.67±0.50DEc15.13±0.36Ec228.26±1.19A20.09±0.41Bcd18.69±1.02BCbc17.46±0.68CDc16.04±0.44Dbc328.40±1.34A20.64±0.56Bb19.48±1.35BCb17.75±1.65CDbc16.82±0.69Dc428.77±1.29A21.35±0.90Bb20.58±0.76BCb19.06±0.30Cbc17.30±0.89Dc529.34±1.79A23.21±1.60Ba21.08±1.08BCa20.10±0.27Ca17.58±0.91Da注:不同大写字母表示不同pH值、相同时间地黄渣色素损失率差异显著(P0.05),不同小写字母表示同一pH值、不同时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05)。2.2.4不同金属离子对地黄渣色素损失率的影响(见表5)由表5可知,Fe3+、Mg2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+对地黄渣色素的稳定性具有一定影响。金属离子孵育1 h地黄色素损失较明显,随着孵育时间延长,地黄渣色素损失趋于平稳。与其他金属离子相比,Mn2+对地黄渣色素的稳定性影响最大,孵育5 h后地黄渣色素损失率达到30.68%。Fe3+对色素稳定性影响最小,孵育5 h后地黄渣色素损失率为18.27%。研究表明,地黄渣色素具有较好的色素稳定性,在保存过程中,可适当避开金属容器。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.16.014.T005表5不同金属离子对地黄渣色素损失率的影响处理时间/d地黄渣色素损失率/%Fe3+Cu2+Zn2+Mg2+Mn2+116.86±0.43Eb23.13±0.12Dc27.14±0.57Cac29.31±0.37Bb30.27±0.33217.07±0.53Eb23.46±0.04Dbc27.39±0.67Ca29.50±0.22Bab30.39±0.22317.23±0.49Eb23.60±0.11Dab27.51±0.63Ca29.57±0.15Bab30.45±0.22417.49±0.67Dab24.08±0.08Cab27.81±1.00Ba29.64±0.29Aa30.55±0.32518.27±0.68Da24.43±0.13Ca27.88±0.96Ba29.73±0.36Aa30.68±0.38注:不同大写字母表示不同金属离子、相同时间地黄渣色素损失率差异显著(P0.05),不同小写字母表示同一金属离子、不同时间的地黄渣色素损失率差异显著(P0.05)。3讨论3.1地黄渣色素的抗氧化能力分析本试验表明,地黄渣色素质量浓度为3 g/L时,其对DPPH自由基清除率、ABTS自由基清除率和羟基自由基清除率分别为89.74%、14.25%、46.31%,表明地黄渣色素的抗氧化能力较强。Zhu等[20]发现,从黑芝麻中提取的色素具有较高的DPPH自由基和羟基自由基清除率,在2.5 g/L质量浓度时分别达到65.0%、63.6%。Chen等[21]发现,1 000 mg/L紫红色米糠色素对ABTS自由基的清除率达到40%。Hasanien等[22]发现,从紫云英菌发酵液中提取蒽醌色素衍生物具有较高的DPPH清除率,其在浓度为1 mg/L时对DPPH清除率达到84.13%。动物生长阶段的变化、环境因素的改变以及饲料中霉菌毒素含量均会导致动物机体中产生过量氧化自由基,进而导致机体氧化还原平衡失调,这也是引起动物疾病和生产性能降低的重要原因之一。有研究表明,原花青素可通过上调颗粒细胞活力,提高抗氧化能力,降低活性氧(ROS)水平,提高雌二醇的分泌水平,从而保护牦牛颗粒细胞免受玉米赤霉烯酮诱导的氧化损伤[23]。Yin等[24]研究发现,日粮中添加甘草类黄酮粉可通过调节仔猪血清生化酶活性、促进肝脏代谢功能、提高抗氧化能力、抑制炎症相关基因的表达、提高仔猪血清IgG含量等途径改善断奶仔猪的健康状况。目前,地黄色素在动物生产上的应用研究未见报道,但其他来源色素在动物的研究也为地黄色素在动物生产方面的应用提供了参考。3.2地黄渣色素的稳定性分析3.2.1不同温度对地黄渣色素稳定性的影响高温使色素中黄酮类化合物分解,破坏了发色基团和助色团,导致色素损失率增加。Sen等[25]研究发现,火龙果果皮色素在37、50、70、85 ℃热处理30 min,其色素损失较高,分别为40%、53%、62%、80%,可能是由于甜菜素分子的C-11位置的水分子的亲核攻击,导致产生无色的环多巴-5-O-糖苷。饲料生产中需要经过制粒、膨胀、烘干等环节,需耐受机械压缩、物料摩擦和热蒸汽喷涂等带来的高温环境(80 ℃左右)[26]。较多饲用抗氧化剂(多酚、维生素C等)由于热稳定性差需要通过后喷涂、包被等方式添加或直接饲喂,增加了生产操作复杂性和生产成本。本试验结果显示,地黄渣色素在80 ℃加热5 h后,仅损失4.26%,表明地黄渣色素具有优良的热稳定性,能够在高温条件下较稳定保存。因此,地黄色素具有耐受制粒等高温加工环节的能力,可作为耐热型饲用色素添加剂直接添加。3.2.2不同光照对地黄渣色素稳定性的影响物料加工贮藏过程中的光照会对色素的稳定性产生影响[27]。由于紫外线环境下可使色素分子发生能级跃迁,使分子结构产生更多的顺反异构体,使电磁波谱蓝移2~10 nm,或者加速色素分子链的氧化和降解断裂,使光谱突出向紫外区移动从而分解失色[27-28]。有研究表明,木槿花色素在光照条件下会被降解,主要是因为光可以加速花青素降解,并从C4羟基产生中间产物,其在C2位置水解以打开环并最终产生查耳酮,随后产生的查耳酮迅速降解为小分子产物,如苯甲酸和2, 4, 6-三羟基苯甲醛[29]。本试验结果表明,紫外光照射5 h后地黄渣色素损失率为1.36%,降解损失较小,在紫外光下较稳定,表明地黄色素在储存或长途运输过程中,即使遭受较强的光照仍可保持稳定。3.2.3不同pH值对地黄渣色素稳定性的影响饲用添加剂的pH稳定性也是影响该类产品应用效果的关键因素[30-31]。本试验表明,在pH值为3时,地黄渣色素损失率最高(28.09%~29.34%),原因是在酸性条件下地黄渣色素降解及异构化反应同时发生,使地黄渣色素降解成更小分子或者异构成其他物质,导致色素含量降低。此外,地黄渣色素在酸性条件下不稳定,也可能是由于在酸性条件下,亲核试剂的攻击可破坏黄烷间连接,使其形成黄烷醇单元及C正离子直接转变成单体衍生物[25]。Sen等[25]发现,火龙果果皮色素在pH值4~6稳定性最强,碱性条件会导致色素损失,是由于醛二胺键水解造成[32],而弱酸性(pH值4~6)条件导致环多巴5-O-β-葡萄糖苷与甜菜酸的再缩合反应以再生甜菜花青素[33]。因此,地黄色素在pH值3条件下处理5 h,仍有70%以上的含量,表现出较好的pH值稳定性,能够耐受动物的胃酸环境,并在肠道碱性条件下发挥最佳活性。3.2.4金属离子对地黄渣色素稳定性的影响微量元素在动物生命活动(生长、代谢、遗传等)中起着重要的作用,是较多酶活性中心的重要辅助因子[34-35]。地黄渣色素对金属离子较敏感,可能是由于Fe3+等容易与地黄渣色素的氨基酸残基发生螯合反应,生成沉淀,破坏地黄渣色素的结构,由此产生褪色[36]。此外,Fe3+、Cu2+可能与地黄渣色素通过配位键形成络合物,导致溶液褪色。不同金属离子对色素溶液的影响不同,主要是由于金属离子与地黄渣色素中的一些发色基因络合,络合物的结构会导致色素溶液的增色或褪色,所以金属离子种类会对色素的稳定性造成影响[37-39]。有研究表明,当Mg2+和Al3+离子浓度大于0.5 mol/L时,花青素提取物的吸光度显著降低[29],主要是由于花青素与金属离子的络合,尤其是在B环上带有二羟基的花青素,会导致吸光度降低[40]。因此,地黄色素的金属离子耐受性较好,可通过减少金属贮存容器或添加包被微量元素等形式可以减少地黄色素或微量元素的损失。稳定性试验目的是考察饲料添加剂的性质在温度、光照、光照等条件的影响下随时间变化的规律,可以为饲料添加剂的生产、包装、贮存、运输条件和有效期的确定等方面提供参考,以确保上市饲料添加剂的安全有效[41]。综合本试验结果可知,地黄色素具有较强的稳定性。4结论本研究采用超声波辅助浸提法提取地黄渣色素,当地黄渣色素浓度为3 g/L时,其对DPPH自由基、羟基自由基和ABTS自由基清除力分别为89.74%,46.31%、14.25%,表明地黄渣色素具有较好的体外抗氧化能力。稳定性结果表明,地黄渣色素具有较好的热稳定性和宽泛的pH值耐受性,耐受紫外光照,强酸和金属离子会在一定程度上降低色素的稳定性。因此,地黄渣色素具有开发成为饲用色素的潜力。
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