关于天然色素的研究进展.docx

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关于天然色素的研究进展

关于天然色素的研究进展

王桃云

摘要:

从天然色素的性质特点、天然色素的种类及化学结构、提取技术，色素结构鉴定与性能研究（稳定性，改性，功能性，染色性能，分析检测与评价技术，制备技术（生物制备技术，人工合成等，色素的安全性研究等方面介绍了我国天然食用色素的研究现状。

在我国“天然、健康、多功能”已经是食品添加剂的发展方向，目前，天然又兼具有生理功能的天然色素必将是今后优先快速发展的食品添加剂之一。

关键词天然色素，提取，性能，检测，制备，综合利用

食用色素是使食品着色或改善食品色调和色泽的食品添加剂，尽管食品中色素含量甚微，但对食品质量品质的影响却非常大。

随着对食品安全问题的重视，消费者对合成色素越来越担心。

天然色素是微生物、动植物物质和能量代谢物质，对人及动植物的生长、发育起着重要生理作用，据统计，世界仅含有色素的植物就有2000多种，植物成为人类获得安全可靠的食用色素的重要来源。

因而天然色素的研究、开发和应用成为持续热点。

本文从天然色素的性质特点、天然色素的种类及化学结构、提取技术，色素结构鉴定与性能研究（稳定性，改性，功能性，染色性能，分析检测与评价技术，制备技术（生物制备技术，人工合成等，色素的安全性研究与新色素资源的开发等方面介绍了我国天然食用色素的研究现状。

1、天然色素的性质特点

天然色素的性质特点：

天然色素作为重要的食品添加剂，其性质特点如下：

①绝大多数天然色素无副作用、安全性高。

②很多天然色素中含有人体必需的营养物质或其本身就是维生素或具有维生素性质的物质，如β-胡萝卜素。

③有的具有医疗保健作用，如黄酮类色素，它对心血管系统疾病及别的许多疾病有防治作用。

④天然色素色调比较自然、接近于天然物质，具有较高的实用价值和经济价值。

2、天然色素的种类及化学结构

吡咯色素：

吡咯色素一般称为叶绿素，叶绿素是一原子镁和卟啉构成的化合物。

研究得较多的是叶绿素A和叶绿素B。

多烯色素：

多烯色素是由异戊二烯残基为单元组成的共轭双键相连为基础的一类色素。

这类色素又称为类胡萝卜素。

类胡萝卜素按其结构和溶解性可分为两类：

①胡萝卜素类，此类色素含有大量共轭双键。

如番茄红素和α、β、γ-胡萝卜素。

②叶黄素类，此类色素是共轭多烯烃的加氧衍生物。

如玉米黄素、胭脂树橙色素、藏花酸等。

酚类色素：

酚类色素是多元酚的衍生物。

它又可分为两类色素，①花青素，此类色素的基本结构是2-苯基苯并吡喃，即花色素基元。

②黄酮类色素（又名花黄素），此类色素一般含有2-苯基苯并吡喃酮结构，高粱红素、菊花黄素、红花素等都属于此类色素。

其他天然色素：

自然界中还有一些结构上不同于上述物质，但属于色素的化合物。

即使已经知道属于那一种化学结构类型，但由于其来源不同，化学结构上某些差异，所表现出来的性质也不同，因而，把它们作为新品种加以研究。

3提取技术

天然色素的提取通常采用在一定温度条件下，在提取罐中溶剂浸泡、沥滤、渗漉等方法。

这些常规浸提法有工艺简单设备投资少，提取操作简单，便于生

产的优点，但存在浸提时间长、劳动强度大、原料预处理能耗大、产品质量不太理想（色素溶解性差、色泽变化较大等缺陷，且有大量溶剂回收导致产品生产成本高的问题。

研究利用高新技术改进常规技术或开发新技术成为研究的热点之一。

3.1浸提法

工艺流程：

原料采集---筛选---水洗---干燥---原料处理---浸提---分离纯化---干燥浓缩---制品化

绝大多数天然色素都可采用浸提法提取。

其操作过程如下：

（1）利用在一般条件下制得的色素成品，用分光光度计测得天然色素的最大吸收峰所对应的波

长，以此波长为测定标准，对浸提剂种类、浸提剂浓度、浸提温度、浸提时间、浸提液pH和料液比这六个因子进行较大范围的单因子试验，得到各单因子的最佳条件。

（2）以单因子最佳条件为中心，向两边扩展，选择各个因子的具有代表性的若干个水平（一般是四个水平）进行正交试验，以确定试验因子对试验结果的综合影响和各因子对色素提取影响的大小。

（3）利用不同浸提次数所对应的总提取率，确定其最佳浸提次数。

三者综合起来就得到该种天然色素的最佳浸提工艺。

3.2酶反应法

通过酶反应产生所需要的颜色。

如：

栀子果实提取的黄色素，在食品加工中经酶处理产生栀子蓝色素、栀子红色素。

3.3压榨法

利用挤压方法，将粉碎的新鲜材料中的天然色素成分挤压出来，此法适宜用于水溶性色素提取。

如：

苋菜红色素的提取。

3.4熬煮法

将本来无色的物质或非需要色的物质，经熬煮转化成需要色的物质，如：

焦糖色素。

3．5超声提取法

有关超声强化提取姜黄色素和栀子黄色素的研究表明，浸取率比常规法提高11％～41％，而且时间减少。

超声浸取时间、温度对色素提取率的影响

有类似趋势，随着时间、温度的增加提取率增加，但当达到一定水平后提取率反而会下降[3]。

研究采用的超声浸取设备为间接作用式的超声清洗器（多为40kHz，作用时间可调和直接作用式的变辐杆超声细胞破碎机（20kHz，输出功率和作用时间可调，多为单频超声波。

超声频率、功率变化、不同频率组合等对浸取成分和浸取效果的影响很少有人研究，超声浸取能量消耗大等工业化问题也很少有人涉及。

3．6微波提取法

微波法提取的高效率已被证实，微波浸取柚皮中天然食用色素的时间仅是

传统方法的1／30E。

研究还发现，色素浓度和浸取率并不是随微波功率和处理时间的增加一直增加的；微波处理使表面组织变得更为松散，细胞内原生物质已经很少，收缩成为层状，细胞间的间隙数量更多。

研究微波、超声波对植物结构的影响是不多见的。

微波提取的选择性主要取决于目标物质和溶剂的性质。

介质吸收微波的能力主要取决于其介电常数、介质损失因子、比热和形状等。

极性较大的目标成分或溶剂，其吸收微波的能力强，能迅速升温。

利用不同的物质的介电性质差异可以实现选择性提取。

但是，这方面研究不多。

人们已经注意到微波和超声波处理过度会引起色素结构变化，但是深入的研究还未开展。

多数研究采用家用微波炉，不易控制，没有可测参数。

微波浸取工业化设备早已开发成功，但尚未见用于食用色素工业化生产的报道。

3．7超临界萃取法

利用临界状态流体的高渗透、高溶解能力的超临界萃取法一直是人们研究的热点。

番茄红色素_6J、辣椒红色素_7]等超临界流体萃取技术研究表明，浸取率和色价是常规法的数倍，显示出该技术的优势。

但是设备投资高和能耗高导致的高成本，限制了该技术的工业应用。

3．8多级或连续浸取技术

__多级浸取，特别是连续浸取技术在技术原理上比间歇浸取技术有无可比拟的优势。

不仅可以同时实现高浓度、高浸取率、高浸取效率，而且能耗低，工人劳动强度低，易于实现自动控制。

多级浸取叶绿素和B一胡萝卜素J得率比单罐间歇提取提高16％～56％，技术优势明显。

3．9高压提取技术

研究发现在100-250MPa范围内，高压预处理的压力越高天然植物色素浸取效果越好，处理次数越多浸取效果越好，l5～45min高压处理时间的影响不明显，以乙酸乙醋为溶剂从番茄中提取番茄红素的前3次提取量是未经高压处理时的

4．8倍，用高压预处理可有效地提高天然色素的提取效率。

但是高压处理影响天然植物色素提取的机理研究尚未开展，设备投入和操作费用可能成为工业化应用的障碍。

3．10酶法辅助提取技术

植物色素多处于细胞内，纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶可以使其细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素、果胶等物质降解，使细胞壁及细胞间质结构发生局部疏松、膨胀、崩溃等变化，减小胞内有效成分（即色素向溶剂扩散的阻力，提高了色素提取率u。

自然界中虾青素主要以酯的形式大量存在于虾、蟹等甲壳纲动物的壳内，在外表皮、卵巢、下皮等组织中与蛋白质亚基以非共价键结合，或简单地分散在脂蛋白亚基中的脂部分，木瓜蛋白酶可选择性降解甲壳素的GleNAe—GleN糖苷键提高色素提取率。

而酶法与其他提取技术的联用可以获得更好的效果，先用纤维素酶处理，再超声提取，花色苷提取率比单独酶法高6．0％，比超声波法高65．9％。

适当的物理场可以强化酶的作用，但尚无用于色素提取的报道。

4色素结构与性能研究

4．1色素稳定性研究

色素稳定性研究包括：

温度、酸碱性、金属离子、光照、氧化还原剂，糖、淀粉、盐、柠檬酸和小苏打等食品配料和食品添加剂[]的影响。

仅仅研究人体所需的微量元素，如Ca2、Na、Fe、M：

gZ、M1、Zn和Fe”，而没有研究多个金属离子同时对色素的影响是不够的。

另外，研究多采用单因素模型（温度、酸碱性、光照等是各自进行，少数也仅采用温度一pH和光照一pH双因素模型，与实际应用条件相差非常大，研究结论对色素直接使用的参考价值降低。

4．2改性研究

对脂熔性色素进行改性，增加色素水溶性，稳定性和染着力，扩大其使用范围及提高其使用价值，以减少其包装、运输和保存中的困难，但目前有关这方面的研究不多。

4．3功能性研究

在药典和本草上记载的天然色素植物有红花、栀子、蓼蓝、姜黄、苏木、五加皮、紫草、郁金、茜草、皂荚、大血藤、光叶菝葜、葡萄、橘红、金缨子等品种。

这植物色素大多具有消炎杀菌的功效，来源也很广泛。

在现代研究中，食品

色素的功能性一直是热点，但很少研究功能构效关系。

4．4染色性能研究

食品中原料众多，性质各异，对染色性能影响差异很大，极性、电荷间的库仑力等弱作用力都是影响染色性的原因。

有关食品色素染色性能的研究并不多。

焦糖的染着性及色泽的稳定性与色率及色调无直接关系，而与焦糖的制造工艺有关，染着性好的焦糖上色快，色泽稳定性好。

5分析检测与评价技术

5．1分析检测

纸色谱法、薄层色谱法及柱层析法通常作为分析前的样品制备，也可使用标准品或洗脱后依靠特征吸收峰进行定性分析，分离迅速、效率高、灵敏度高的薄层色谱可以用于制备和定量分析。

紫外分光光度法利用特征吸收峰进行定量测定是目前应用最普遍的方法。

但是，许多结构、性质相似的色素共生于同一生物体中，如类胡萝b素的番茄红素、a--胡萝b素、β--胡萝卜素，红曲红中红曲红色素、红曲黄色素、红曲蓝色素等，在浸取、分离过程中准确测定含量是工艺研究、技术开发、生产控制中需要解决的问题，研究避免其他色素干扰的检测技术是有实际价值的。

差示扫描量热法（DSC是简便、快速、准确的产品纯度检验方法。

HPLC法可以实现同时将多种色素准确定量_3，且有分析速度快、样品用量少等优点，尽管费用较高但已经成为色素研究的主要分析手段。

与HPLC相比，超临界C02色谱法具有分析时间短、定量准确、测定结果重复性、平行性好等优点，已经用于色素的分析。

5．2色素色调与染色评价

在稳定性研究中色调的评价多采用语言描述，很少采用色差计测量。

我国对食品色素产品的质量指标通常以特定吸收峰的吸光值，即色价来评价。

由于产品纯度问题带来的色调差异和变化，在色差计应用不普遍的情况下，在实际应用中很难用色价对色素品质进行精确评价。

使用红色指数[37]和黄色指数[]的评价焦糖色素的红色调和黄色调，使常规比色法评价色素色调成为可能，为建

立色素色调评价方法提供了可行途径。

由于食品品质的特殊性，色调的不均匀性并不受到特别关注。

但是，有些食品色调的不均匀已经成为食品品质缺陷的重要成因，目前尚没有这方面研究的报道。

5.3天然色素的安全性研究

研究天然色素开发的目的主要就是为了用于食品着色。

因此,天然色素的安全与否,关系到人们的身体健康。

天然色素安全性研究一般分为三个方面的研究。

通过研究动物在一定时间内以一定剂量天然色素进入体内所引起的反应，来作为天然色素安全性的一个判断标准。

它一般分为急性毒性试验、遗传性毒性试验、亚慢性毒性试验和慢性毒性试验（包括致癌试验）这四个阶段。

天然色素在生产、贮存和运输过程中，可能会有一些有毒微量元素带入，因此必须对一些常见有害微量元素进行检测。

国家规定的常见几种微量元素在天然色素中的含量标准如下：

砷（As）是2mg/kg，铜（Cu）应在30mg/kg以下，汞（Hg）含量应在0.3mg/kg以下，铅（Pb）含量应在10mg/kg以下。

在完成前面两项检验合格后，还要对天然色素进行卫生检验。

主要检验一些致病微生物和农药残留。

一般对食用天然色素的要求是致病菌阳性、DDT、六六

六、菌曲霉未检出。

6综合利用与新色素资源的开发

我国可利用的植物、动物、微生物资源众多。

而且，还有许多尚未利用的二次资源。

例如，在湿法玉米淀粉的生产过程中，玉米黄色素与蛋白质一起被分离，在副产物玉米蛋白粉中玉米黄色素的含量达0．20～0．37mg／g，具有开发利用的价值¨。

利用低档茶叶生产茶绿素等对提高资源利用率都很有意

义。

大型真菌色素作为天然色素，安全可靠，色泽自然，并兼有营养和保健作用而倍受人们的青睐，极具开发潜力。

我国大型真菌资源丰富，但对大型真菌色素的研究还很少，大型真菌色素性质的稳定性是影响在食品工业中应用的原因。

因

此筛选更多性质稳定、色价较佳、安全无毒的大型真菌色素是未来研究领域之一，而通过改性等措施提高色素的稳定性是可行的技术途径。

挖掘微生物菌种资源对于天然色素的开发研究很有意义。

菌种筛选将是研究的重点。

藻类中1％品种能产生虾青素，如雨生红球藻（Hacmatococcuspluviallis就是很重要的虾青素产生藻，该藻既能自养，也能异养。

国外优良的雨生红球藻体中虾青素一般占类胡萝卜素总量的10％以上。

我国这方面的工作应该加强。

与微生物相比，藻类的高效大规模培养还有一些关键技术问题需要解决。

在我国“天然、健康、多功能”已经是食品添加剂的发展方向，目前，几十种天然色素已经允许在食品加工制造中使用，2003年我国天然色素的产量已经是食用合成色素的2l倍。

全球天然色素销售额占食用着色剂的60％左右，市场需求量以近10％速率增长。

天然又兼具有生理功能的天然色素必将是今后优先快速发展的食品添加剂之一。

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