天然食用色素的研究进展

来源：食品添加剂供求网发布时间： 12/29/2015 9:24:41 AM

    食用色素可分为天然和人造色素两大类，在1856 年英国人W． H． Perkin 发明第一种合成色素苯胺紫之前，人们都是用天然色素来着色［1］。由于天然色素在着色力及对光、热、氧气和pH的稳定性比合成色素要差，而且提取不易，价格较贵，因此很快被色泽鲜艳、着色力强、稳定性高、价格低廉的合成色素所取代。但随着对合成色素的深入研究发现，很多合成色素对人体健康有害，有的在人体内可形成致癌物质β －萘胺和α －氨基萘酚等。同时国内外研究发现，天然色素不仅安全性高，色调柔和，再现了大自然的色彩; 而且有些具有一定的生理活性，属于功能性天然食用色素［2］。因而使近几年天然色素的研究、开发和应用成为持续热点。本文从天然食用色素的提取纯化方法和生理功能等方面对天然食用色素进行了阐述与讨论。
    1 ·食用天然色素的获得方法
    天然色素的获得主要有3 条途径: 直接提取、人工合成、利用生物技术生产。目前绝大多数天然色素是采用直接提取方法生产的; 人工合成方法只能生产极个别具有天然色素化学组成和分子结构的物质，如胡萝卜素等。由于生物合成代谢的复杂性，许多天然色素还难以在人工控制下化学合成，生产受到极大的限制［3］。近年来随着生物技术的发展，利用生物技术生产天然食用色素己为人们开阔了广泛的领域，如利用微生物发酵的方法生产红曲色素、类胡萝卜素等多种天然色素已成为现实; 而利用植物和组织培养合成技术来生产天然色素，特别是基因工程技术的应用，使得该领域的研究充满诱人的前景［4］。但人工合成和利用生物技术生产色素在实际生产上有一定的局限性，生产上基本都是用直接提取法提取色素，故下文主要介绍直接提取法提取色素。
    1. 1 溶剂浸提法
    普通溶剂浸提法是依据目标色素与杂质极性和溶解性的不同，选择不同的溶剂( 如水，酸碱溶液，乙醇、丙酮等有机溶剂) ，并运用相似相溶原理，来达到将色素分离出来的目的。主要有浸渍法、渗流法、回流、连续回流等提取方式。
    张雅君等采用单因素试验确定乙醇浓度、柠檬酸浓度、料液比和提取温度4 个因子对提取紫色玉米芯色素的影响范围。在最佳的提取条件下，紫色玉米花色苷色素最大吸收峰为526 nm［5］。徐固华等在提取剂为80% 乙醇与0. 5% 柠檬酸( 体积比5 ∶ 1) 的混合液、料液比为1 ∶ 7、pH 为3. 0、温度为70℃、提取时间为70min 的提取工艺条件下，可以有效地提取葡萄皮中的天然色素［6］。普通溶剂浸提法提取技术具有技术简单、操作较为简易等优点，在早期的物质分离提纯中发挥了一定作用，但这些技术又存在效率低、试剂耗量大、费时较长及产品品质差等缺点。为此，在用浸提法提取的基础上，再利用酶、超声波、微波和超临界流体辅助提取色素可以克服上述普通浸提法缺点，提高提取效率、降低生产成本及提高产品品质等。
    1. 2 酶提取法
    植物色素主要存在于细胞内，被细胞壁包裹着，而细胞壁通透性差，阻止了色素的溶出，降低了提取率。植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和果质。选用特定的酶将细胞壁水解，有利于色素与溶剂之间渗透，以此增加色素的溶解，提高天然色素的提取率。红花黄色素存在于红花管状花瓣中，该部位主要成分是纤维素类物质，它们是构成红花黄色素由植物材料向提取介质扩散的屏障。将纤维素酶作用于红花管状花，可以使细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解，从而使细胞壁及细胞间质的结构发生局部的疏松、膨胀、崩溃等变化，以致增大了胞内的有效成份即红花黄色素向提取介质扩散的传质面积，并减小传质阻力，从而有利于红花黄色素的提取［7］。Sato Shingo 等在制备红花红色素时，依次加入不同的纤维素酶、果胶酶和氧化－还原酶，在一定的催化反应条件下使红花黄色素B 转变为红花红色素，产品得率是未加酶时的2. 5 倍～ 10 倍［8］; 又如，禹华娟等利用纤维素酶和果胶酶对莲房组织进行酶解，采用四因素三水平正交实验对酶解时间、加酶量和酶解温度等提取工艺参数进行优化，并获得了最佳工艺参数，优化后的提取工艺与直接醇提法相比，能将莲房原花青素的提取率提高约48%［9］。上述表明酶解反应降低了有效成分从胞内向提取介质扩散的传质阻力，对传质过程有显著的促进作用。
    1. 3 超临界流体萃取法
    超临界流体萃取( Supercritical Fluid Extraction，简称SFE) 是近几十年发展起来的一种新型提取技术。超临界流体，是指处于临界温度( TC) 和临界压力( PC) 下的一种物质状态，PC和TC 称为临界点。在临界点附近的范围内，流体的密度变化非常大，气体与液体之间的区别消失，不会发生冷凝或蒸发，只能以流体的形式存在，其物理化学性质与在非临界状态下相比有显著不同。具有优异的溶剂性质，黏度低，密度大，有较好的流动、传质、传热和溶解性能［10］。
    超临界流体萃取技术具有萃取效率高、过程易控制、产物易与溶剂分离、能耗低等优点。在提高产物纯度、改进产品品质和提高经济效益等方面具有明显的优势。目前在超临界流体萃取技术中使用最普遍的溶剂是CO2，它兼备有气体低黏度、高扩散和流体的高密度、高溶解度两方面的特点，越来越受到人们的重视［11］。洪海龙等用SFE－ CO2萃取辣椒红色素时发现，除了产率明显比有机溶剂提取法高之外，产品的色价最高达到289. 3，比有机溶剂提取法高3 倍多［12］。梁瑞红等对新疆紫草进行了超临界萃取工艺研究，并与有机溶剂萃取的结果进行比较，结果表明，超临界萃取的紫草色素含杂质少，含有更多色素组分，并且含量更高，全过程仅需2. 5 ～ 3h，且产品色质好，避免了用有机溶剂萃取的溶剂残留等问题［13］。随着科技的不断发展，该萃取方法已与色谱、超滤及核磁共振等高新技术联用，拓宽超临界流体萃取应用范围。
    1. 4 超声波提取法
    超声波提取法是采用超声波辅助溶剂进行提取，声波产生高速、强烈的空化效应和搅拌作用，破坏植物细胞，使溶剂渗透到细胞内，缩短提取时间，提高提取率［14］。在利用超声波辅助提取色素的工艺中，超声波时间、强度、频率、料液比等是提高有效物质提取率的关键参数。李大婧等利用超声波辅助提取黑豆皮色素结果表明: 原料用量0. 5 g，在超声功率为80W、溶液pH 值1. 5、液固比30 ∶ 1( mL/g) 时，黑豆皮色素提取效果较好，在此条件下色素的提取率达到95. 6%［15］。胡晓丹等利用超声波辅助提取紫苏叶中色素时，通过正交实验，得到了超声波辅助提取的最佳工艺条件是: 以6%乙酸为提取溶剂，料液比为1 ∶ 10 ( g /mL) ，在室温下经225W 超声波提取2 次，每次20min。在此条件下，紫苏叶花色素苷的得率为5. 95%，初提物中的花色素苷的含量为29. 44%［16］。于畅等在利用超声波辅助提取绿豆皮中色素时发现，虽能利用浸提法和超声波辅助提取法提取色素的提取率( 92. 6% 和94. 2%) 相差不大，但是超声波辅助提取的时间大大低于乙醇溶剂浸提法［17］。所以在提取物质操作的过程中，超声波可以强化传导，增强溶剂向原料细胞的渗透过程，有效地加快了物质的提取过程，缩短了物质提取的时间。该方法是一种具有应用发展潜力，可利用强化外力提取的新型技术。
    1. 5 微波提取法
    微波辅助提取技术是微波技术与提取技术相结合产生的新技术，该技术研究最早始于1986 年，匈牙利学者Canzler K．用微波提取法从土壤、种子、食品、饲料中分离了各类化合物。微波萃取法是利用萃取体系中某些组分在微波场中吸收微波能的差异，被选择性加热。被萃取物从体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中，以达到萃取目的［18］。微波萃取与传统热萃取相比，具有选择性作用、加热速度快、控制方便、受热体系温度均匀、节约能量等优点。张小曼等在1% HCl 水溶液为提取溶剂，微波功率400W，时间15min，提取料液比为1 ∶ 10 ( g /mL) 条件下， “转心乌”洋芋皮红色素得率可达86. 79%，与传统溶剂浸提法相比，红色素得率可提高15. 85%［19］。微波辅助提取与超声波辅助提取虽有相同作用方式，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，致细胞破裂; 细胞内有效成分自由流出，促进提取溶剂与有效成分充分溶解，提高提取率。但微波辅助提取时，提取物质和提取溶剂对微波能具有吸收作用，且微波所产生的电磁场也能加速被提取部分成分向提取溶剂界面的扩散速率，所以在较低的温度条件下也能达到提取速率的成倍提高，而超声波辅助提取却没有这一优点。陈海华等在研究微波、超声波辅助提取法以及常规提取法对红枣红色素提取时发现，与常规提取法相比，超声波辅助提取法对改善红枣色素提取率的效果不显著，而微波辅助提取法能明显提高红枣色素的提取率［20］。贺喜莹等在提取陈皮桔黄色素时同样也发现，与微波辅助提取法相比，超声波辅助提取时，升温过程较缓慢，试验准备时间长，提取效果不如微波辅助提取法［21］。
    2· 天然色素的纯化
    近几年来，在食用天然色素纯化方面有了更进一步的研究，在现代食用天然色素纯化方法中，主要有: 大孔树脂吸附、凝胶层析、膜技术分离法、高速逆流色谱( HSCCC) 技术等。
    2. 1 大孔树脂吸附法
    大孔吸附树脂是一种不溶于酸、碱及各种有机溶剂的有机高分子聚合物，该分离技术是20 世纪60 年代末发展起来的分离技术之一。大孔吸附树脂内部具有三维空间立体孔结构，其孔径与比表面积都比较大，吸附作用强。吸附树脂主要通过偶极－偶极相互作用，范德华作用力及氢键作用对溶液中的物质进行选择性吸收。该方法主要是根据混合物中各组分性质的不同( 主要是极性) ，选用相应的吸附树脂、洗脱剂，通过吸附解吸来有选择性分离纯化物质。吸附树脂根据其极性大小，可分为四大类，即非极性吸附树脂、中极性吸附树脂、极性吸附树脂和强极性吸附树脂; 从极性物质中吸附非极性物质常用非极性树脂，而极性树脂适用于从非极性物质中吸附极性物质［22 － 23］。现常用的吸附树脂中X － 5 和HP20为非极性吸附树脂，AB － 8 和D101 为中性极性吸附树脂，S8 和NKA9 为极性吸附树脂。王峰等用乙醇作为提取剂，对大孔树脂纯化黑花生衣色素进行了研究，结果表明，非极性和弱极性大孔树脂对黑花生衣色素吸附效果较好，其中，HP20大孔树脂对黑花生衣色素的比上柱量、比吸附量和比洗脱量均明显高于其他几种供试大孔树脂［24］。刘卉琳等分析了五种大孔树脂对黏性红圆酵母产β －胡萝卜素分离纯化效果，最终确定了X － 5 型大孔吸附树脂对黏性红圆酵母发酵产生的β －胡萝卜素粗提液具有良好的分离纯化效果。经纯化，β －胡萝卜素纯度达到33. 29%，与未纯化相比，提高了6. 87 倍［25］。李紫薇等研究大孔树脂分离纯化野酸梅皮色素的条件与方法，结果表明: D101 树脂对野酸梅皮色素的吸附效果最佳，以体积分数80%乙醇溶液作洗脱剂洗脱效果较好［26］。当然，在大孔树脂精制、纯化色素的过程中，对树脂进行筛选是非常有必要的，但影响吸附效果的因素如色素溶液浓度、pH、温度、树脂投入比例以及影响解吸效果的各因子( 如解吸剂种类、浓度、pH、解吸剂温度等) 也要根据所选择的树脂进行优化，达到吸附解析最大效果。
    2. 2 凝胶层析分离法
    凝胶层析所用的凝胶珠呈多孔、高交联的网状结构。是一种按分子量大小分离物质的层析方法。当混合物流经层析柱洗脱时，大分子物质不能进入凝胶珠内部，只能在凝胶颗粒间隙随洗脱剂向下移动，因此能较快的流出层析柱; 而小分子物质直径小，能自由出入凝胶网孔中，因此需较长时间流出层析柱。这样由于不同大小的分子所经过路径和在层析柱中所停留的时间不同而得到分离［27］。在实际生产中，凝胶层析并不单独运用于天然色素的提纯，而是在大孔树脂分离获得天然色素后，再进一步进行纯化。如陈聪等采用吸附树脂法和凝胶层析法对大蒜绿色素进行了分离纯化研究，先将大蒜绿色素粗提液通过XAD －16 型大孔树脂吸附，用含0. 2% HCl 的甲醇作为洗脱液，收集绿色素溶液再经过Sephadex LH － 20凝胶层析，用纯甲醇作为洗脱液，绿色素样品达到较高的纯度［28］。
    2. 3 膜分离法
    膜分离是一种新兴的生化分离技术，是指借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集。根据分离物质和推动力的不同，膜分离可分为一下6 种，微滤: 其膜孔径在0. 05 ～20μm 之间，所需压力为100kPa 左右，适用于细菌、微粒等的分离; 超滤: 以压力差为推动力，膜孔径在0. 0015 ～ 0. 02μm 之间，所需压力为100～ 1 000 kPa 左右，从溶液脱大分子及大分子分级; 纳滤: 以压力差为推动力，膜孔径平均为2nm ，适用于从水溶液中分离除去小分子物质;反渗透: 以压力差为推动力，膜孔径小于0. 002μm ，所需压力为0. 1 ～ 10MPa 左右，适用于低分子无机物和水溶液的分离; 渗析: 以浓度差为推动力，适用于水溶液中无机盐和酸的脱出; 电渗析: 以电位差为推动力，适用于从溶液中脱出或富集电解质的过程［29 － 30］。李媛媛等研究膜纯化栀子黄色素萃取液实验表明，微滤和纳滤联用能够在常温下纯化和浓缩栀子黄色素浓液，色素损失率较低，是栀子黄色素工业化生产较为理想的工艺［31］。胡建农等对膜技术应用在玫瑰茄红色素提取工艺的初步研究表明，膜技术对色素分离效果好，操作简便、安全、节能，产品纯度高、稳定性好［32］。
    2. 4 高速逆流色谱( HSCCC) 技术
    高速逆流色谱( High － Speed Counter － CurrentChromatography，HSCCC) 是上世纪80 年代初美国Ito 教授研制出来，现已在生物化学、医药、食品等众多领域广泛应用。HSCCC 是以液－液萃取和离心分配为基础，利用螺旋形柱体在做高速行星式运动时产生的离心力，使互不相溶的两相溶剂不断混合，随流动相引入螺旋形柱体的样品在两相之间反复分配。由于样品中各溶质组分在两相中的分配能力不同，故其在蛇形管中的移动速度也不同，因而使样品组分得到分离［33］。溶剂系统的物性参数对固定相保留率有很大的影响，物性参数包括两相密度差、黏度、界面张力等。Berthod 等研究表明，两相的密度差对固定相保留率的影响最大，固定相保留率和密度差基本呈线性关系，流量和转速同样也影响固定相保留率［34］。杨玲等采用高速逆流色谱分离制备药桑花色苷时，以甲基叔丁基醚－正丁醇－乙腈－水－三氟乙酸( 2 ∶2 ∶ 1 ∶ 5 ∶ 0. 01，v /v) 为溶剂体系，进样量50mg，分离得到纯度分别为99. 24%、88. 5%、99. 9% 和96% 的4 个花色苷单体［35］。裴海闰等对螺旋管进行了重新设计，把J 型多层缠绕的聚四氟乙烯螺旋管设计成圆盘嵌入式螺旋管柱，并使螺旋槽的螺距明显增加，提高了固定相的保留率。此方法同时也克服了一些极性强、黏度高的溶剂体系保留能力较弱的特点。裴海闰等同时也将此方法用于黑果枸杞花青素样品的分离，由于螺距的改变，使HSCCC 对溶剂的保留率得到了极大的改善和提高，这在传统多层缠绕HSCCC 上是无法实现的［36］。
    3· 天然色素的生理功能
    随着人们日益关注食品安全及其保健性，天然色素必将逐渐取代合成色素。天然色素除了安全无毒外，绝大多数还都具有一定的生理活性，对人体有直接或间接的营养与保健作用。研究表明，与其他的天然食品相比，天然色素最主要的活性是其具有抗氧化活性。如类胡萝卜素的抗氧化性是VE 的100 倍，能清除机体内的自由基修复机体损伤，抑制癌细胞的增生与扩散及抗动脉粥样硬化等作用［37］。玉米黄色素还能转化成VA，有着保护视力和提高免疫力功能［38］。花青素同样具有抗氧化性作用，是自由基的清除剂和羟基供体。如花青素中的葡萄皮红色素具有预防冠心病和动脉粥硬化作用，紫苏色素具有解毒、散寒、行气和胃的功效等［39］。黄酮类色素中的高粱红色素具有生津止渴，扩张血管、降血糖血压等多种生理功能［40］。叶绿素分子与人体的血红蛋白分子结构十分相似，诺贝尔得奖人Dr．Ｒichard Willstatter和Dr． Hans Fisher 发现叶绿素有造血功能，产妇和意外失血者饮用叶绿素对其血液恢复会有很大的帮助。同时叶绿素锌纳盐在医学上能用于幼儿缺锌症、皮肤创伤、胃肠溃疡面的愈合及肝功能的恢复等［41］。天然色素具有多种生理功能，这就为开发具有较高附加值、且对人体健康有益的食品奠定了基础。
    4· 我国天然色素发展存在的问题
    我国食品工业的快速发展以及人们日益关注食品安全问题，带动了我国天然色素产业的发展。自1992 年以来，我国食品添加剂行业就提出“天然、营养、多功能添加剂”的发展方针，并倡导在食品中优先使用天然色素。经过10 多年的发展，我国天然色素行业在产业规模、市场开拓以及生产技术上取得长足的发展，但是仍有一些亟待解决的问题。
    4. 1 加强新技术开发和应用
    我国天然色素行业起步较晚，技术水平与国外相比还有一定差距。而天然色素行业是新型精细化工业之一，且我国天然色素生产企业都是中小企业，资金和技术投入及企业管理水平相对薄弱，很难在新产品开发上取得大的突破。因此我们应加强新技术在天然色素上的应用，可将超临界萃取、微胶囊、膜分离等技术作为改造传统生产工艺的新技术，并加以推广和应用。
    4. 2 加强产品及其资源开发
    我国虽能是天然色素资源大国，但我国大部分优良天然色素种源都是来自国外的种业公司，不仅价格高，种源供应也存在不确定性，导致天然色素原料供应不足，产品成本增高。天然色素资源不仅少，且色泽不稳定，在光热和酸碱作用下容易褪色，需在一定的条件下才能显现其特定的颜色。如蓝色天然色素资源只有栀子蓝和海藻蓝色素，且这两类色素必须在特定的pH 条件下呈现蓝色。因此现需开发色素含量高、易于大规模栽培和利用的天然色素资源和产品，并加大复配型天然色素的开发。
    4. 3 加强行业发展的计划性
    近几年来，我国食品工业年平均增长速度都在10%以上，使我国成为天然色素品种、产量的世界大国。天然色素生产与开发也出现一哄而上的现象，政府部门缺乏行业有效宏观调控; 企业只顾地方效益，缺乏全面计划与布局考虑而盲目布点生产的现象层出不穷，需要通过积极的引导与规划来避免这些不良现象。

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