水溶性维生素稳定性分析

一、维生素C

维生素C，又名抗坏血酸（ascorbic acid, AA），是一个多羟基羧酸的内酯，具有烯二醇结构（图6-9）。维生素C的C4和C5是手性碳原子，C4位上的羟基排列差异产生D-型和L-型两种立体异构体，C5位上的羟基排列差异产生抗坏血酸和异抗坏血酸两种立体异构体。抗坏血酸的双电子氧化和氢离子的解离反应使之转变为脱氢抗坏血酸（DHAA）。

图6-9　L-抗坏血酸和L-脱氢抗坏血酸及其异构体的化学结构

自然界存在的维生素C主要是L-异构体，D-异构体的含量很少。其中以L-抗坏血酸生物活性最高。D-异构体的生物活性只有L-异构体的10%，但抗氧化性能相同。在食品工业中一般作为抗氧化剂添加到食品中。L-异抗坏血酸具有与L-抗坏血酸相似的化学性质，但不具有维生素C的生物活性，在食品工业中也是广泛作为抗氧化剂使用，用来抑制水果和蔬菜的酶促褐变。L-脱氢抗坏血酸在体内可以完全还原为L-抗坏血酸，因此具有与L-抗坏血酸相同的生物活性。

维生素C为白色或微黄色片状晶体或粉末，熔点为190～192℃，极易溶于水，微溶于乙醇，不溶于有机溶剂，无臭，味酸。维生素C分子中C2和C3位上有2个烯醇式羟基，极易解离出氢离子，故维生素C具有酸性和较强的还原性。相对来说，C3位上的羟基易电离（pKa1=4.04，25℃），C2位上的羟基较难电离（pKa2=11.4，25℃）。

维生素C化学性质较活泼，是最不稳定的维生素。维生素C固体在干燥条件下比较稳定，但在受潮或加热时容易发生分解，在酸性溶液中（pH﹤4）较稳定，在中性以上的溶液中（pH＞7.6）非常不稳定。因此，维生素C在加碱处理或加水蒸煮时损失较多，而在酸性溶液、冷藏及密闭条件下损失较少。

维生素C极易发生氧化降解（图6-10），这也是其损失的最主要原因。在有氧存在下，维生素C（AH2）首先降解形成单价阴离子（AH-），并很快通过单电子氧化途径转变为脱氢抗坏血酸（A），温和的还原反应可将脱氢抗坏血酸转化回抗坏血酸（维生素C），但在碱性环境中，脱氢抗坏血酸的转化是不可逆的，其内酯环被水解打开形成2，3-二酮基古洛糖酸（DKG），2，3-二酮基古洛糖酸进一步降解引起维生素C活性的损失。维生素C降解最终阶段中的许多产物可以与氨基酸反应引起食品发生非酶褐变，且参与风味物质的形成。光、射线、Cu2+和Fe2+等金属离子均会加速维生素C氧化降解。植物组织中存在的氧化酶（如抗坏血酸氧化酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、细胞色素氧化酶）也可以破坏维生素C。某些金属离子螯合物对维生素C有稳定作用，二氧化硫或亚硫酸盐处理也可减少维生素C的损失。此外，糖和糖醇也能保护抗维生素C免受氧化降解，这可能是它们结合了金属离子从而降低了后者的催化活性。

图6-10　维生素C的降解反应

维生素C具有的还原性和抗氧化性使其被广泛应用于食品加工中。维生素C可以保护食品中叶酸、类黄酮等其他易被氧化的成分不被氧化；可以使邻醌类化合物还原而有效抑制酶促褐变和脱色；在腌制肉品中促进发色并抑制亚硝胺的形成；在真空或充氮包装中作为除氧剂；在焙烤工业中作为面团改良剂，因为其氧化态可将面团中的巯基氧化成二硫基，从而使得面筋强化；作为维生素E或其他酚类抗氧化剂的增效剂；淬灭单线态氧和自由基，抑制脂类自动氧化；使其他抗氧化剂再生。

二、维生素B1（硫胺素）

维生素B1，又称硫胺素（thiamin），由一个含氨基的嘧啶环和一个含硫的噻唑环通过亚甲基桥连接而成（图6-11）。

图6-11　维生素B1的化学结构

维生素B1为白色至黄白色细小结晶，熔点为249℃，具有潮解性，溶于水，微溶于乙醇，不溶于有机溶剂，气味似酵母，味苦。维生素B1分子中有两个碱基氮原子，一个在氨基基团中，另一个在具有强碱性质的季铵基团中，因此维生素B1能与酸反应形成相应的盐。同时由于季铵盐氮的存在，维生素B1具有强碱性，在食品的整个正常pH范围内完全离子化，其电离程度取决于pH。

维生素B1是B族维生素中最不稳定的一种，温度和pH是影响其稳定性的重要因素。在低水分活度和室温条件下，维生素B1稳定性相当高。随食品加工和贮藏温度的升高和水分活度的增加，维生素B1的损失也逐渐增多。在酸性条件下维生素B1是稳定的，pH3.5以下加热至120℃仍不分解，而在中性或碱性条件下煮沸或是室温贮藏维生素B1也会被破坏。

维生素B1的热降解通常由两环之间的亚甲基桥的断裂引起，其降解速率和机制受pH和反应介质的影响较大。当pH小于6时，维生素B1的热降解速度缓慢，亚甲基桥断裂释放出较完整的嘧啶和噻唑组分；pH在6～7时，维生素B1的降解速度加快，同时噻唑环碎裂程度增加；在pH为8时，降解产物中几乎没有完整的噻唑环，而是许多种含硫化合物。维生素B1热解过程中噻唑环开环分解形成硫、硫化氢、呋喃、噻吩和二氢噻吩等物质，使烹调食品产生“肉香味”。食品组分中的单宁能与维生素B1形成加成物而使其失活；类黄酮使其分子发生变化；二氧化硫或亚硫酸盐使亚甲基碳上发生亲核反应而导致其降解；胆碱使其分子开裂而加速其降解；亚硫酸盐与嘧啶环上的氨基反应使得其发生损失。但蛋白质与维生素B1的硫醇形式形成二硫化物可阻止其热降解。维生素B1的降解过程见图6-12。

图6-12　维生素B 1的降解过程

三、维生素B2（核黄素）

维生素B2，又称核黄素（riboflavin），是含有核糖醇侧链的异咯嗪衍生物，其母体结构为7，8-二甲基-10-（1′-核糖醇）异咯嗪（图6-13）。

图6-13　维生素B2的化学结构

维生素B2为黄至黄橙色针状结晶，熔点为282℃，微溶于水（27.5℃时100 mL水可溶12 mg），极易溶于碱液，水溶液呈现黄绿色荧光，不溶于有机溶剂，微臭，味微苦。

维生素B2在酸性环境中最稳定，在中性环境中稳定性降低，在碱性环境中迅速分解。维生素B2具有较强的热稳定性，不受空气中氧的影响，即使在120℃下加热6h也仅有少量被破坏，而此时维生素B1全部丧失。在食品热加工、脱水和烹调中维生素B2损失较少，一般能保存90%以上。但是维生素B2对光（特别是紫外线）非常敏感，光降解反应是引起其破坏的主要因素，如牛奶在日光下存放2h后维生素B2损失50%以上，放在透明玻璃器皿中也会产生“日光臭味”，导致营养价值降低。维生素B2的光降解反应分为两个阶段：第一阶段是在光辐照表面的迅速破坏阶段；第二阶段为一级反应，系慢速阶段。光强度是整个反应速度的决定因素。维生素B2在酸性或中性条件下光解为光色素（lumichrome），在碱性条件下光解生成光黄素（lumiflavin）（图6-14）。光黄素是一种强氧化剂，其氧化性强于维生素B2，可以破坏许多其他的维生素，尤其是维生素C。

图6-14　维生素B2的光降解反应

四、维生素B3（尼克酸）

维生素B3，又称尼克酸（niacin）、维生素PP、烟酸，是吡啶-3-甲酸和具有类似生物活性的吡啶衍生物的总称，包括尼克酸（niacin）和尼克酰胺（nicotinamide）（图6-15）。(www.xing528.com)

图6-15　尼克酸和尼克酰胺的化学结构

尼克酸和尼克酰胺都是白色针状结晶，前者熔点为235.5～236℃，后者熔点为129～131℃，溶于水和乙醇，而尼克酰胺更易溶解，不溶于有机溶剂，无臭或微臭，味微酸。尼克酸是最稳定的维生素，对热、酸、碱、光、氧等均不敏感，高压下120℃加热20 min也不会被破坏，一般食品加工、烹调热损失极小。在酸性或碱性条件下加热可使尼克酰胺转变为尼克酸，其生物活性不受影响。尼克酸的损失主要与食品加工原料的清洗、热烫和修整等有关。

五、维生素B6

维生素B6，又称吡哆素，是吡啶的衍生物，其基本结构是2-甲基-3-羟基-5-羟甲基吡啶（图6-16）。维生素B6包括吡哆醇（pyridoxine, PN）、吡哆醛（pyridoxal, PL）和吡哆胺（pyrodoxamine, PM）三种形式，它们的差别在于4位上一碳取代基的不同，分别为醇、醛和胺。

维生素B6的3种形式均为白色晶体，易溶于水和乙醇，微溶于有机溶剂，无臭。维生素B6在食品加工中可发生热降解和光化学降解，也可能与蛋白质发生不可逆结合，从而降低其生物活性。维生素B6的三种形式都具有热稳定性，其热降解与pH有关，在酸性溶液中所有维生素B6都是稳定的，在碱性溶液中容易发生分解，其中吡哆胺损失最大。维生素B6对光敏感，尤其是紫外线，光降解的最终产物是无生物活性的4-吡哆酸。维生素B6可与蛋白质中的含硫氨基酸（如半胱氨酸）发生加成反应生成无生物活性的含硫衍生物，或与其他氨基酸作用生成Schiff碱，在酸性条件下这些Schiff碱会进一步解离或是发生重排生成环状化合物。此外，维生素B6也可与自由基反应而生成无活性产物，如维生素C降解产生的羟自由基可以直接进攻吡啶环的C6位，生成无生物活性的6-羟基衍生物。

图6-16　维生素B6的化学结构

六、叶酸（B11）

叶酸（folate），又称维生素B11，是一系列与蝶酰谷氨酸（pteroylgglutamic）化学结构相似、生物活性相同的化合物的总称，其分子由蝶啶（pteridine nucleus）、对氨基苯甲酸（p-aminobenzoic acid）和谷氨酸（glutamic acid）三部分组成（图6-17）。天然存在的叶酸是含有3～7个谷氨酸残基的聚谷氨酰叶酸，其活性形式是蝶啶环中5、6、7、8位加上4个氢原子的四氢叶酸（THFA）。

叶酸为黄色或橙色薄片状或针状结晶，微溶于水，但其钠盐溶解度较大，不溶于有机溶剂，无臭，无味。叶酸在维生素中是较不稳定的一种，在水溶液中易被光解破坏，在酸性溶液中对热不稳定，超过100℃即被破坏，但在中性和碱性溶液中即使加热到100℃维持1 h也不被破坏。各种叶酸的衍生物以蝶酰谷氨酸最稳定，四氢叶酸最不稳定，易遭受氧化降解而失去活性（图6-18）。硫醇、维生素C等还原剂能清除氧自由基，防止四氢叶酸的氧化作用，可以从多方面保护叶酸。环境中的亚硫酸盐与叶酸作用，导致叶酸侧链解离，生成还原型蝶啶-6-羧醛和氨基苯甲酰谷氨酸。亚硝酸盐与叶酸作用，生成N-10-硝基衍生物，对小白鼠有致癌作用。

图6-17　叶酸的化学结构

图6-18　5-甲基四氢叶酸的氧化降解

七、维生素B12（钴胺素）

维生素B12，又称钴胺素（cobalamin），是一类含金属钴的咕啉衍生物。维生素B12是化学结构最为复杂的一种维生素（图6-19），也是唯一一种含有金属元素的维生素。它包括两个特征组分，一是类似核苷酸的部分，由5，6-二甲苯并咪唑通过α-糖苷键与D-核糖连接，核糖3’位置上有一个磷酸酯基团；二是中心环的部分，是一个类似铁卟啉的咕啉环系统，由1个钴原子与咕啉环中4个内氮原子配位键合，钴原子的第5个配位共价键与二甲苯嘧啶环上的氮原子结合，第6个配位位置可被氰基、甲基、水、羟基、亚硝基或其他配体所占据；咕啉环上的含酰胺侧链通过酯键与类核苷酸部分相连。

图6-19　维生素B12的化学结构

维生素B12是一种红色针状结晶，熔点很高，在320℃时不熔，无臭，无味，溶于水和乙醇，不溶于有机溶剂。维生素B12的水溶液在室温并且不暴露在可见光或紫外光下是稳定的，最适宜pH范围是4～6，在此范围内，即使高压加热，也仅有少量损失。在碱性溶液中加热，酰胺键发生水解生成无活性的羧酸衍生物，从而导致维生素B12的定量破坏。pH低于4时，维生素B12核苷酸组分发生水解，强酸下发生降解。维生素C或亚硫酸盐会破坏维生素B12。维生素B1与维生素B3的联合作用可缓慢地破坏维生素B12。三价铁离子对维生素B12有保护作用，而二价铁离子则加速维生素B12的破坏。

八、泛酸（维生素B5）

泛酸（pantothenic acid），又称维生素B5、遍多酸，由β-丙氨酸与泛解酸（2，4-二羟基-3，3-二甲基丁酸）以酰胺键相连而成（图6-20），是辅酶A的重要组成部分。

图6-20　泛酸的化学结构

泛酸为黄色黏稠油状物，呈酸性，易溶于水和乙醇，不溶于有机溶剂，在空气中稳定，对氧化剂和还原剂极为稳定，但对酸、碱、热不稳定。泛酸在碱性溶液中水解为β-丙氨酸与泛解酸，在酸性溶液中水解为泛解酸的γ-内酯，在pH为5～7的水溶液中最为稳定。在食品加工和贮藏过程中，尤其在低水分活度条件下，泛酸具有相当好的稳定性。在烹调和热加工过程中，泛酸损失率随着处理温度的升高和溶水流失程度的增大而增大，通常在30%～80%。

九、生物素（维生素H）

生物素（biotin），又称维生素B7或维生素H，与维生素B1一样，是一种含硫维生素，由脲和噻吩组成五元骈环，并带有戊酸侧链（图6-21）。生物素分子中有3个不对称碳原子，存在8种可能的立体异构体，但只有D-生物素才具有相应的生物活性。

图6-21　生物素的化学结构

生物素为无色的细长针状结晶，熔点为232～233℃，能溶于热水和乙醇，但不溶于有机溶剂，无色，无味。生物素对光、氧和热非常稳定，在弱酸、弱碱环境（pH为5～8）中也相当稳定，但强酸、强碱会使得生物素环上的酰胺键水解而导致其降解失活。某些氧化剂（如过氧化氢、高锰酸钾）可使生物素分子中的硫氧化，生成无生物活性的生物素亚砜或砜。总体而言，生物素在食品加工和贮藏过程中保存率较高，特别是在低水分活度的食品（如谷物制品）中的损失很小，其损失的主要原因是溶水流失，也有部分是由于酸碱处理或氧化造成的破坏。