吳京平

(北京聯(lián)合大學 師范學院，北京 100011)

新型天然食品紅色素的提取和穩(wěn)定性研究

吳京平

(北京聯(lián)合大學 師范學院，北京 100011)

簡單概述了國內(nèi)外天然食品色素的研究狀況，具體介紹了紫甘薯、樹莓和草莓這三種新型天然食品紅色素的提取以及穩(wěn)定性研究成果，分析比較了它們的最佳提取條件和方法，以及色素穩(wěn)定性的主要特點等，指出今后食品色素的研究方向，為開發(fā)、利用食品天然色素提供信息和參考。

食品;天然紅色素;提取;穩(wěn)定性

天然食品色素是指采用天然物質(zhì)(包括動植物或微生物代謝物)，利用加工所獲得的有機著色劑。植物性天然色素多數(shù)安全性較高，屬綠色食品添加劑。目前，我國允許使用的食品天然色素有四十余種，均制定了相應的國家標準。近年來，人們發(fā)現(xiàn)，合成色素大多數(shù)具有慢性毒性和致癌作用，已經(jīng)意識到合成色素對健康帶來了越來越嚴重的威脅，并開始限制合成色素的使用。開發(fā)天然色素已經(jīng)成為世界實用色素發(fā)展的總趨勢。與合成色素相比，天然色素是源于天然資源的食用色素，具有以下突出優(yōu)點:

1) 絕大多數(shù)天然色素無毒副作用，安全性高。

2) 一般天然色素保留了很多天然物質(zhì)(如維生素、氨基酸、核苷酸、小分子活性肽、芳香物質(zhì)及其某些必須元素等)，或其本身就是一種營養(yǎng)素(如核黃素、β-胡蘿卜素等)，具有一定的營養(yǎng)價值和保健功能。

3) 有些天然色素還具有一定的藥理功效，對某些疾病有預防治療作用。

4) 天然色素的著色比較自然，更接近于天然物質(zhì)的顏色等等［1］。

但是，在食品加工過程中，天然色素容易受到外界條件，如光熱、pH值等眾多因素的影響，且提取工藝的不同也會影響到色澤的穩(wěn)定性和提取率等。由于上述種種原因，天然色素的應用受到了一定的限制。因此，如何提高天然色素的穩(wěn)定性就成了推廣使用天然色素的關(guān)鍵。

目前，我國雖然還處于合成色素與天然色素并存及同時發(fā)展的狀態(tài)，但天然食品色素必將是我國食品色素發(fā)展的主要方向。我國天然色素資源豐富、種類繁多，可開發(fā)和利用的品種也多樣化，因此更多有益于人體健康的天然色素將被不斷地開發(fā)和應用。

1 紫甘薯紅色素

甘薯亦稱番薯、紅薯、白薯、薯、地瓜，是廣泛栽培于全世界熱帶和亞熱帶地區(qū)的一種雜糧作物。甘薯的塊根斷面有白色、黃色、橙色和紫色多種類別，品種約為500種，均可作為糧食或制取淀粉、酒精等的原料。橙色品種富含β-胡蘿卜素，黃色品種富含黃酮類色素，紫色品種富含鮮紅色花色素苷，但由于含量很低(一般色價僅為1左右)，所以過去很少有生產(chǎn)意義上的甘薯紅色素［2］。日本經(jīng)雜交后得到一種新品種，并命名為“阿雅紫”。這種甘薯所含的花色素苷含量為原品種的8倍，并且因栽培特性等改良，使畝產(chǎn)量大大增加，因而可作為天然食用色素生產(chǎn)的原料，這使得PSPC產(chǎn)業(yè)化成為可能。在我國，紫甘薯的產(chǎn)量一直以來都很低，難以實現(xiàn) PSPC商品化生產(chǎn)。1980年，從國外引進了“紫玫瑰”等品種，經(jīng)雜交改良，獲得產(chǎn)量和色素含量均較理想的品系，可滿足工業(yè)化提取色素的要求［3］。

1.1 提取方法

紫甘薯紅色素的提取主要有溶劑法和發(fā)酵法。目前大多采用溶劑法，常用的提取劑有醋酸、鹽酸、硫酸、甲酸、檸檬酸、乙醇等［4］。對于甘薯紅色素的提取，國外曾采用鹽酸化甲醇提取，國內(nèi)則采用0.5%檸檬酸，乙醇或酸化乙醇(體積比為85∶15)提?。?］。陸國權(quán)等人經(jīng)比較，發(fā)現(xiàn)酸化甲醇對PSPC的提取效果最好，稀鹽酸和稀檸檬酸提取效果次之［6］。但由于甲醇揮發(fā)性強，又有一定毒性，因此不宜用作天然色素的提取劑。食品中使用的色素要求安全性比較高，而檸檬酸是食品工業(yè)中常用的酸性介質(zhì)，故使用檸檬酸作為提取劑比較合適。

發(fā)酵法的基本工藝過程:將一定量的紫甘薯洗凈，蒸熟后冷卻、粉碎，與一定量的米調(diào)制的一次醪混合，發(fā)酵幾天，調(diào)制二次醪，過濾二次醪，減壓濃縮，即可得到濃縮色素液。此法得到的色素液含淀粉成分非常少，是一種澄清的色素液。

1.2 穩(wěn)定性研究

1.2.1 加熱對色素穩(wěn)定性的影響

將紫甘薯紅色素配制成色素溶液，置于90℃的水浴中加熱3 h，取出后快速冷卻至室溫，在其特征吸收峰處測定其吸光度，可知紫甘薯紅色素對熱具有較強的穩(wěn)定性。但如果在100℃受熱5 h后與原吸光度比較，發(fā)現(xiàn)下降了50%左右，因此，受熱溫度越高，受熱時間越長，對色素的穩(wěn)定性越不利。另外，溫度對光密度的影響似乎與pH有關(guān)，當pH為3時，該色素對熱表現(xiàn)出相對穩(wěn)定性;而當pH為5時，且較長時間高溫時，則其色素穩(wěn)定性有所下降，但下降幅度并不大，說明其耐熱性較強。但在實際生產(chǎn)中，為了減少對該色素的破壞，應盡量避免高溫長時間加熱。

1.2.2 光照對色素穩(wěn)定性的影響

在pH=3條件下，將紫甘薯紅色素置于室內(nèi)暗處、室內(nèi)自然光、室外自然光和紫外光下保存幾周后，該色素仍表現(xiàn)出相當好的穩(wěn)定性，光密度的變化也很小。陸國權(quán)等人曾在相同的光照條件下對紫薯色素、葡萄皮色素、紫蘇色素和黑米色素進行比較，發(fā)現(xiàn)紫薯色素的穩(wěn)定性最好［7］。

1.2.3 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響

Fe2+、Al3+、Fe3+、K+、Cu2+、Mg2+、Ca2+等常見金屬離子對紫甘薯紅色素沒有影響，所以在實際生產(chǎn)中可以不用考慮其所用容器的材質(zhì)。但是，當加入Fe3+時溶液呈紫褐色，然而卻不能得出 Fe3+可以增強其顏色，因為Fe3+本身也有顏色，所以其機理有待進一步研究。

2 樹莓紅色素

樹莓是薔薇科懸鉤子屬植物，為多年生灌木型果樹。研究表明，樹莓果實富含維生素、氨基酸、糖、有機酸及微量的鉀、鋅、鐵、銅、錳等酶的輔因子等營養(yǎng)成分［8］。另外，樹莓還含有豐富的次生代謝產(chǎn)物，如鞣花酸、黃酮、水楊酸、咖啡酸、色素等［9-10］，故它可以在食品、醫(yī)藥等工業(yè)中廣泛應用［11］。

2.1 提取方法

劉虎岐、陳鐵山等人對樹莓色素的提取溶劑、方法及去除雜質(zhì)等方面進行了研究，優(yōu)選出最佳提取方法。樹莓色素是水溶性色素，研究者分別用水、石油醚、氯仿、乙醚、乙醇這五種不同的提取溶劑進行色素提取的對比試驗，由此選出最佳提取溶劑。比色結(jié)果顯示水提取液顏色最深，乙醇提取液顏色較淺，其他提取液很少含有有色成分。所以，水為樹莓色素的最佳提取溶劑。研究者還以水為提取劑，進一步考察了不同提取方法對提取效果的影響，以此確定最佳提取方法。實驗結(jié)果顯示，采用滲漉法、加熱回流法和水蒸氣蒸餾法效果較為理想。綜合以上實驗，可以認為，以水做提取溶劑，采用滲漉法、加熱回流法和水蒸氣蒸餾法都可以有效的提取色素成分，但考慮到樹莓中富含揮發(fā)油成分，所以水蒸氣蒸餾法應該是首選、經(jīng)濟的方法，在提取色素成分(分布于水溶液中)的同時，也提取到了揮發(fā)油成分(分布于蒸出液中)，可以說是一舉兩得，事半功倍。另外，針對樹莓色素提取水溶液中的主要雜質(zhì)如脂類、蛋白、糖、油脂、蠟等成分，也進行了去除試驗。去除以上雜質(zhì)主要是依照其性質(zhì)，向水提液的濃縮液中加入95%乙醇，不溶于乙醇的脂類、蛋白、糖、油脂、蠟等將逐漸沉淀析出，對于不易析出的油脂、蠟類雜質(zhì)，可向濃縮液中加入石油醚萃取除去。除雜后，色素色澤不變，純度提高。

楊萬政、劉海青等人也進行了樹莓色素的提取實驗，通過采集成熟樹毒黑墓果實，除去果柄，水洗，干燥，搗碎，采用水作溶劑，常溫下浸提，然后將提取液抽濾，除去固體不溶物，將濾液濃縮，得到紫紅色粘稠濃縮液，再用石油醚洗滌濃縮，以除去脂溶性物質(zhì)，真空干燥得到褐色浸膏狀固體，主要為花青素，產(chǎn)率達32.5%。這里提示與樹莓原料接觸者均需采用不銹鋼、耐酸耐堿陶瓷或玻璃制品，所用溶劑水也需去離子水，嚴防金屬離子污染產(chǎn)品。

2.2 穩(wěn)定性研究

2.2.1 酸度對色素穩(wěn)定性的影響

劉虎岐、陳鐵山等人通過測定不同pH值下樹莓色素水溶液的顏色，對樹莓色素的酸堿穩(wěn)定性進行了研究。實驗結(jié)果表明，pH值在2～5之間，色素水溶液為紅色;pH值在5～8之間，色素水溶液為淺紅到橙紅;pH值在9～11之間，色素水溶液為青紫色。研究者認為，pH=4時，樹莓色素為鮮亮的紅色，是樹莓色素的最佳pH值。楊萬政、劉海青等人的研究也證實了以上結(jié)論，并分析說明了樹莓色素的顏色隨pH值的變化而變化的原因，即在不同pH值下，花青素的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致。由于花青素分子中吡喃環(huán)上氧原子為四價，所以具有堿性，可接受質(zhì)子;而分子中的酚羥基可解離，給出質(zhì)子又具酸性，這樣就使此類物質(zhì)具有隨介質(zhì)pH值變化而改變結(jié)構(gòu)的特點，故由于結(jié)構(gòu)的改變而產(chǎn)生顏色變化。

2.2.2 溫度對色素穩(wěn)定性的影響

劉虎岐、陳鐵山等人通過觀察不同pH值下、不同溫度處理后的樹莓色素溶液的消光值(540 nm)的變化，對樹莓色素的熱穩(wěn)定性進行了研究。實驗結(jié)果說明，在100℃以內(nèi)，pH值2～5范圍，消光值降低較小，可見樹莓色素基本是穩(wěn)定的;當溫度超過100℃以后，樹莓色素穩(wěn)定性有所下降，但總體而言其仍具有一定的耐高溫的性能。楊萬政、劉海青等人在pH=4下也考察了樹莓色素的熱穩(wěn)定性。將色素提取液分別置于不同溫度恒溫熱水浴中加熱1 h，冷卻后在510 nm測定其吸光度值。實驗結(jié)果顯示，加熱溫度從室溫變化至100℃，吸光度值相應從0.169降至0.162，只改變了0.007，說明樹莓色素有較好的熱穩(wěn)定性。

2.2.3 光照對色素穩(wěn)定性的影響

張存莉、張宏昌等人通過采用不同光照時間處理樹莓色素后，觀察其消光值改變的方法，對樹莓色素的光穩(wěn)定性進行了研究。實驗選擇光照時間從0到70天，測定相應消光值從0.54變化至0.41，只降低了0.13?？梢姡瑯漭卦诠庹諚l件下具有相當?shù)姆€(wěn)定性，比其他色素光穩(wěn)定性要好。

3 草莓紅色素

草莓是薔薇科。草莓屬多年生漿果，為花青素類色素，主要成分為天竺葵素232葡萄糖苷，此外，還發(fā)現(xiàn)其他4種天竺葵素苷及2種矢車菊色素苷的衍生物。天竺葵素232葡萄糖苷由于在其分子β環(huán)4’含有1個酚羥基，因此穩(wěn)定性優(yōu)于其他花青素類色素。草莓味甘、微酸、性涼、清涼止渴、健胃消食，可治口渴、食欲不振、消化不良等癥［12］。由草莓中提取的天然草莓紅色素是一種安全無毒的食用色素，具有一定的營養(yǎng)價值和保健功能，是一種很有發(fā)展前途的天然食用色素［13］。

3.1 提取方法

羅凱、胡廷章等人對草莓色素的提取分別進行了提取溶劑的篩選以及提取劑的濃度和pH值、浸提溫度和時間等最佳提取條件的實驗研究。提取溶劑的篩選實驗選取了常用溶劑石油醚、乙醚、水、丙酮、95%乙醇和50%乙醇，進行了色素的浸提取。結(jié)果表明，色素在石油醚中幾乎不溶解，在乙醚中溶解很小，在水、丙酮、95%乙醇、50%乙醇中溶解較好。但丙酮提取液稍有渾濁，故以此為溶劑不便于研究，同時考慮到價格和食用性，選用水和乙醇為提取溶劑較適宜。最佳提取條件實驗表明，提取劑乙醇的濃度為50%時效果最好;提取劑的pH值對色素提取率的影響較大，色素提取率隨pH值的減小而增大，pH值越大，紅色素越不穩(wěn)定，故選擇酸性條件下提取為宜;浸提溫度實驗顯示，在20～80℃范圍內(nèi)提取，紅色素較穩(wěn)定，但考慮到工業(yè)化生產(chǎn)和節(jié)約能源，應選擇20～40℃提取更實際;提取時間的考察結(jié)果是，浸提1.5～2.0 h最佳。綜上所述，最優(yōu)的提取條件為:pH=4的50%乙醇，在20～40℃條件下浸提1.5～2.0 h。

楊佩榮、康建彪等人對草莓色素的提取最佳條件也進行了研究。他們選取無水乙醚、丙酮、三氯甲烷、水、乙醇和鹽酸作為提取劑，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):草莓色素易溶于水、乙醇和鹽酸，不溶于無水乙醚、丙酮、三氯甲烷，微溶于0.4%的 NaOH溶液，故選擇鹽酸(1.5 mol/L)-乙醇(97.5%)溶液和水作為提取劑來確定最佳的工藝。提取溫度實驗顯示:最佳提取溫度為50℃。溫度越低，色素提取越不完全，但溫度過高，色素則易分解，吸光度下降;提取時間實驗表明:隨提取時間延長，色素提取率有所增加，但2 h后增加較緩慢，故選擇提取時間為1.5～2.0 h較宜。

3.2 穩(wěn)定性研究

3.2.1 pH值對色素穩(wěn)定性的影響

楊佩榮、康建彪等人將草莓色素溶于不同pH值的水溶液中，放置0.5 h后觀察顏色變化，考查其對pH值的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，草莓色素隨著pH值的增加，紅色逐漸減弱，黃色逐漸增強。當pH為1、2、3時，溶液呈橙紅色;當 pH為4時，溶液呈粉紅色;當 pH為7、8、9時，溶液呈紫褐色;pH為12時，溶液為黃色。由此說明，色素的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化［14-15］。將pH為1～6的各色素溶液在常溫下放置1、2、3 d，分別測其在501 nm波長處的吸光度，結(jié)果顯示，草莓色素在pH≤2的酸性條件下，放置3 d后吸光度值由最初的0.581變化至0.535，色素基本上沒有降解，顏色基本保持穩(wěn)定，而當pH≥4時，色素溶液經(jīng)放置出現(xiàn)了渾濁或沉淀現(xiàn)象。

3.2.2 溫度對色素穩(wěn)定性的影響

楊佩榮、康建彪將草莓色素溶于pH=2的溶劑中，分別置于室溫和不同溫度的水浴中加熱1 h，于波長501 nm處測其吸光度，進行熱穩(wěn)定性的考察。由實驗結(jié)果分析可知，草莓色素隨溫度的升高，吸光度下降，在高溫下的耐熱性較差，在60℃以下則相對穩(wěn)定，若高于70℃，則顏色逐漸變淺，可見高溫對色素有一定的降解作用。

3.2.3 金屬離子對色素穩(wěn)定性的影響

研究者通過在草莓色素溶液中添加含有不同金屬離子的溶液，對其穩(wěn)定性展開研究。配制的含各種金屬離子溶液的濃度分別為0.005、0.05和0.1 mol/L，色素原液量取5 mL，分別加入5 mL各種金屬離子溶液，在相同條件下放置1、2、3 h，并在波長501 nm處測其吸光度。由實驗可知，當加入Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+時，較高的離子濃度和較長的接觸時間會導致色素降解，使色素的吸光度下降，甚至出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，顯然加入的這4種金屬離子影響色素的穩(wěn)定性。而在 Zn2+、Mg2+、K+、Na+、Ca2+等離子存在的條件下，色素非常穩(wěn)定，且色澤鮮艷，說明這后5種金屬離子對草莓色素的穩(wěn)定性沒有影響。

3.2.4 氧化劑和還原劑對色素穩(wěn)定性的影響

楊佩榮、康建彪等人通過在草莓色素原液中添加氧化劑或還原劑后觀察其吸光度改變的方法，考察了氧化劑和還原劑對色素穩(wěn)定性的影響。具體方法:取色素原液各5 mL，分別加入5%的過氧化氫(氧化劑)、5%的亞硫酸鈉(還原劑)、5%的 VC(還原劑)各5 mL，對照組中加入5 mL蒸餾水，置501 nm下測其吸光度。由測定結(jié)果可知，過氧化氫、亞硫酸鈉和VC均可以使色素的顏色由紅色變?yōu)闊o色，吸光度與對照組相比明顯下降。由于草莓色素屬多元酚結(jié)構(gòu)，極易氧化，因此可以導致草莓色素的降解［16］?？梢?，氧化劑或還原劑對草莓色素的穩(wěn)定性都會產(chǎn)生較大影響，使其失去顏色。

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Research on Extraction and Stability of Natural Red Pigment

WU Jing-ping

(Normal College of Beijing Union University，Beijing 100011，China)

Natural food pigment and extraction and stability of purple sweet potato，raspberry and strawberry are briefly introduced.Their best extraction condition，method and stability are analyzed.The future research direction of food pigment is indicated and information and reference for developing and utilizing it is provided.

food;natural red pigment;extraction;stability

TS 202.3

A

1005-0310(2010)01-0017-04

2009－12－11

吳京平(1957—)，女，北京市人，北京聯(lián)合大學師范學院副教授，主要從事有機化學、食品科學和生物技術(shù)等領(lǐng)域的教學與研究。

(責任編輯 李亞青)