第七章食品色素和着色剂

第七章食品色素和着色剂食品的质量除营养价值和卫生安全性外，还包括颜色、风味和质地。颜色是食品感官质量最重要的属性。食品的颜色不仅能引起人产生食欲，而且是鉴别食品质量优劣的一项重要感官指标，同时还影响人们对风味和甜味的感觉。因此，了解食品色素和着色剂的种类、特性及其在加上和贮藏过程中如何保持食品的天然颜色，防止颜色变化，是食品化学中值得重视的问题。天然色素一般对光、热、酸、碱和某些酶是敏感的，所以在食品加上中广泛使用合成色素以达到食品着色的目的。近来合成色素的安全性问题己引起人们的关注，合成色素颜色鲜艳稳定，但一般都具有不同程度的毒性，甚至有的还有致癌作用，因此，天然资源中无毒色素的开发利用己成为食品科学的重要研究课题。食品中的天然色素按来源分为动物色素、植物色素和微生物色素三大类。按其化学结构可分为卟啉类衍生物(如叶绿素、血红素和胆色素)、异戊二烯衍生物(如类胡萝卜素)、多酚类衍生物(花青素、类黄酮、儿茶素和单宁等)、酮类衍生物(红曲色素、姜黄色素)和酮类衍生物(虫胶色素和胭脂虫红等):若按色素溶解性可分为脂溶性色素和水溶性色素。第一节食品固有的色素一、叶绿素1.结构叶绿素是高等植物和其他所有能进行光合作用的生物体含有的一类绿色色素。在讨论叶绿素之前先对其结构和有关的名词加以介绍。(1)毗咯(pyrrole),即氮杂茂，是卟啉环的四个环状组分之一。(2)卟吩(porphine),即通过四个亚甲桥连接的四个毗咯环组成完全共扼的四个毗咯环骨架。(3)卟啉(porphyrin)，在叶绿素化学中，卟啉包括闭合、完全共扼的四毗咯类化合物，卟吩是这类化合物的母体，可被各种基团例如甲基、乙基或乙烯基所取代。卟吩的所有其他亚类是指这种化合物的氧化状态。因此，仅在毗咯环周围发生还原反应时形成双四(ditetra)或六氢卟吩，若在亚甲基碳上发生还原作用，则生成一类叫做卟啉原(还原卟琳)的化合物。(4)二氢卟酚(chlorin)，即二氢卟吩。(5)脱镁叶绿素母环类(phorbin)，在卟啉分子上增加一个C9~C10环。(6)脱镁叶绿素环类(phorbide)，所有天然存在的卟琳其7位上都有一个丙酸残基，在叶绿素中这个位置被长链醇(植醇或法呢醇)酉旨化，如果不含镁原子，对应的带有游离酸的结构叫做脱镁叶绿素环类。(7)植醇(phytol)，属于具有类异戊二烯结构的20碳醇。(8)叶绿素a(chlorophylla)，为四吡咯鳌合镁原子的结构，在1,3,5和8位上有甲基取代，2位上有乙烯基，4位上有乙基，7位上的丙酸被植醇所酯化，9位上有酮基，10位置上有甲酯基。分子式为C55H72O5N4Mg。(9)叶绿素b(chlorophyllb)，除了位置3为甲酞基而不是甲基外，其余与叶绿素a的构型相同，分子式为C55H72O5N4Mg(l0)脱镁叶绿素a(pheophytina)，是去掉镁原子的叶绿素a。(11)脱镁叶绿素b(pheophytinb)，为除去镁原子的叶绿素b。(12)脱植基叶绿素a(chlorophyllidea)，不含植醇的叶绿素a。(13)脱植基叶绿素b(chlorophllideb)，不含植醇的叶绿素b。(14)脱镁叶绿甲酯一酸a(pheophorbidea)，除去镁原子的脱植基叶绿素a。(15)脱镁叶绿甲酯一酸b(pheophorbideb)，除去镁原子的脱植基叶绿素b。2.植物中的叶绿素叶绿素有多种，例如叶绿素a,b,c和d，以及细菌叶绿素和绿菌属叶绿素等。与食品有关的主要是高等植物中的叶绿素a和b两种，两者含量比约为3:1。叶绿素存在于叶片的叶绿体内。叶绿体为有序的精细结构，在光学显微镜下观察象一个绿色浅碟54，长约5－l0um，厚1－2um。叶绿体内较小的颗粒称为基粒(gram),直径0.2－2um，它由0.01－0.02um大小不等的薄片组成。基粒之间是叶绿体基质(stroma)。叶绿素分子被嵌在薄片内并和脂类、蛋白质、脂蛋白紧密地结合在一起，靠相互吸引和每个叶绿素分子的植醇末端对脂类的亲合力，以及每个叶绿素分子的疏水平面卟啉环对蛋白质的亲合力，结合而成单分子层。因此，在叶绿体内，叶绿素可看成是嵌在蛋白质层和带有一个位于叶绿素植醇链旁边的类胡萝卜素脂类之间。当细胞死亡后，叶绿素即从叶绿体内游离出来，游离叶绿素很不稳定，对光或热都很敏感。图7-2为植物性食品在加上时叶绿素可能产生的某些降解产物。3.物理化学性质叶绿素a和脱镁叶绿素a均可溶于乙醇、乙醚、苯和丙酮等溶剂，不溶于水，而纯品叶绿素a和脱镁叶绿素a仅微溶于石油醚。叶绿素b和脱镁叶绿素b也易溶于乙醇、乙醚、丙酮和苯，纯品几乎不溶于石油醚，也不溶于水。因此，极性溶剂如丙酮、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、吡啶和二甲基甲酞胺能完全提取叶绿素。叶绿素a纯品是具有金属光泽的黑蓝色粉末状物质，溶点为117-120℃，在乙醇溶液中呈蓝绿色，并有深红色荧光。叶绿素b为深绿色粉末，熔点120-130℃，其乙醇溶液呈绿色或黄绿色，有红色荧光，叶绿素a和b都具有旋光活性。菠菜是含叶绿素最丰富的蔬菜。每kg新鲜植物叶用丙酮可提取出叶绿素0.9－1.2g，每kg干叶用石油醚提取可得到5－10g。脱植基叶绿素和脱镁叶绿素甲酯一酸分别是叶绿素和脱镁叶绿素的对应物，两者都因不含植醇侧链，而易溶于水，不溶于脂。叶绿素在食品加上中最普遍的变化是生成脱镁叶绿素，在酸性条件下叶绿素分子的中心镁原子被氢原子取代，生成暗橄榄褐色的脱镁叶绿素，加热可加快反应的进行。单用氢原子置换镁原子还不足以解释颜色急剧变化的原因，很可能还包含卟琳共振结构的某些移位。叶绿素在稀碱溶液中水解，除去植醇部分，生成颜色仍为鲜绿色的脱植基叶绿素。植醇和甲醇，加热可使水解反应加快。脱植基叶绿素的光谱性质和叶绿素基本相同，但比叶绿素更易溶于水。如果脱植基叶绿素除去镁，则形成对应的脱镁叶绿素甲酯一酸，其颜色和光谱性质与脱镁叶绿素相同。这些化合物之间的相互关系可用以下图解说明:叶绿素及其衍生物在极性上存在一定差异，可以采用HPLC进行分离鉴定，也常利用它们的光谱特征进行分析。表7-1是叶绿素a、叶绿素b及其衍生物的光谱特征。4.叶绿素的变化(1)酶促变化叶绿素酶是目前己知的唯一能使叶绿素降解的酶。叶绿素酶是一种酯酶，能催化叶绿素和脱镁叶绿素脱植醇，分别生成脱植基叶绿素和脱镁脱植基叶绿素。对于叶绿素的其他衍生物，因其结构不同，叶绿素酶的活性显示明显的差别。叶绿素酶在水、醇和丙酮溶液中具有活性，在蔬菜中的最适反应温度为60－82℃，因此植物体采收后未经热加上，脱植基叶绿素不可能在新鲜叶片上形成。如果加热温度超过80℃,酶活力降低，达到100℃时则完全丧失活性。图7-3是菠菜生长期和在50℃贮藏时的叶绿素酶活力变化。2)化学变化叶绿素具有官能侧基，所以能够发生许多其他反应，碳环(isocyclicring)氧化形成加氧叶绿素(allomerizedchlorophyll)，四毗咯环破裂形成无色的终产物。在食品加上中，这类反应很可能进行到某种程度，但是与叶绿素的脱镁反应比较不是主要的。在适当条件下，分子中的镁原子可被铜、铁和锌等取代。叶绿素在加热或热加上过程中可形成两类衍生物，即四毗咯环中心有无镁原子存在。含镁的叶绿素衍生物显绿色，脱镁叶绿素衍生物为橄榄褐色。后者还是一种鳌合剂，在有足够的锌或铜离子存在时，四毗咯环中心可与锌或铜离子生成绿色配合物，其中叶绿素铜钠的色泽最鲜亮，对光和热较稳定，是一种理想的食品着色剂。叶绿素分子受热首先是发生异构化，形成叶绿素a和叶绿素b，当叶片在100℃加热lOmin，大约5%一10%的叶绿素a和叶绿b异构化为叶绿素a′和叶绿素b′。叶绿素中镁原子易被氢取代，形成脱镁叶绿素，极性小于母体化合物，反应在水溶液中是可逆的。叶绿素a的转化速率比叶绿素b快，在加热时叶绿素b显示较强的热稳定性，因为叶绿素bC3位甲酰基的吸电子效应和叶绿素的大共扼结构，使电荷是从分子的中心向外转移，结果是吡咯氮上的正电荷增加，从而降低了反应中间产物形成的平衡常数。此外，叶绿素b降解反应的活化能较高，为52.7－147.4kJ/mol(随介质pH和温度而异)，因此，叶绿素b具有较高的热稳定性。pH影响蔬菜组织中叶绿素的热降解，在碱性介质中(pH9.0),叶绿素对热非常稳定，然而在酸性介质中(pH3.0)易降解。植物组织受热后，细胞膜被破坏，增加了氢离子的通透性和扩散速率，于是由于组织中有机酸的释放导致pH降低一个单位，从而加速了叶绿素的降解。盐的加入可以部分抑制叶绿素的降解，有试验表明，在烟叶中添加盐(如NaCl,MgCl2和CaCl2})后加热至90℃，脱镁叶绿素的生成分别降低47%,70%和77%，这是由于盐的静电屏蔽效果所致。表7-2列出了某些市售蔬菜罐头中叶绿素的降解产物含量。叶绿素在受热时的转化过程是按下述动力学顺序进行:叶绿素一脱镁叶绿素一焦脱镁叶绿素。不含镁的叶绿素衍生物的四吡咯核的2个氢原子容易被锌或铜离子置换形成绿色的金属配合物。脱镁叶绿素a和b由于金属离子的配位，使之在红区的最大吸收波长向短波方向移动，而蓝区则向长波方向移动。不含植醇基的金属配合物与其母体化合物的光谱特征相同。锌和铜的配合物在酸性溶液中比在碱性溶液中稳定。前面己经指出，当在室温时添加酸，叶绿素中的镁易被脱除，而锌的配合物在pH2的溶液中则是稳定的。铜被脱除只有在pH低至卟啉环开始降解才会发生。己知植物组织中，叶绿素a的金属配合物的形成速率高于b的金属配合物。叶绿素的植醇基由于空间位阻降低了金属配合物的形成速率，在乙醇中脱镁叶绿酸盐a比脱镁叶绿素a和叶绿素铜钠a的反应速率快四倍。Schanderl比较了蔬菜泥中铜和锌金属鳌合物的形成速率，结果表明，铜比锌更易发生鳌合，当铜和锌同时存在时，主要形成叶绿素铜配合物。pH值也影响配合物的形成速率，将蔬菜泥在121℃加热60min,pH从4.0增加到8.5时，焦脱镁叶绿素锌a的生成量增加11倍。然而在pH10时，由于锌产生沉淀而使配合物的生成量减少(图7-4)。叶绿素铜配合物由于在食品加上的大多数条件下具有较高的稳定性及安全性，因而我国和欧洲共同体也相继批准作为色素使用。(3)叶绿素的加氧作用与光降解叶绿素溶解在乙醇或其他溶剂后并暴露于空气中会发生氧化，将此过程称为加氧作用(allomerization)。当叶绿素吸收等摩尔氧后，生成的加氧叶绿素呈现蓝绿色。植物正常细胞进行光合作用时，叶绿素由于受到周围的类胡萝卜素和其他脂类的保护，而避免了光的破坏作用。然而一旦植物哀老或从组织中提取出色素，或者是在加上过程中导致细胞损伤而丧失这种保护，叶绿素则容易发生降解。当有上述条件中任何一种情况和光、氧同时存在时，叶绿素将发生不可逆的褪色。叶绿素的光降解是四吡咯环开环并降解为小分子量化合物的过程，主要的降解产物为甲基乙基马来酞亚胺、甘油、乳酸、柠檬酸、琥珀酸、丙二酸和少量的丙氨酸。己知叶绿素及类似的卟啉在光和氧的作用下可产生单重态氧和羟基自由基。一旦单重态氧和羟基自由基形成，即会与四吡咯进一步反应，生成过氧化物及更多的自由基，最终导致卟啉降解及颜色完全消失。4)在食品处理、加上和贮藏过程中的变化食品在加上或贮藏过程中都会引起叶绿素不同程度的变化。如用透明容器包装的脱水食品容易发生光氧化和变色。食品在脱水过程中叶绿素转变成脱镁叶绿素的速率与食品在脱水前的热烫程度有自接关系。菠菜经热烫、冷冻干燥，叶绿素a转变成脱镁叶绿素a，比对应的叶绿素b的转化快2.5信，并且这种变化是水活性(aw)的函数。许多因素都会影响叶绿素的含量。绿色蔬菜在冷冻和冻藏时颜色均会发生变化，这种变化受冷冻前热烫温度和时间的影响。有人发现豌豆和菜豆中的叶绿素由于脂肪氧合酶的作用而降解生成非叶绿素化合物，脂肪氧合酶还会使叶绿素降解产生自由基。食品在γ射线辐照及辐照后的贮藏过程中叶绿素和脱镁叶绿素均发生降解。黄瓜在乳酸发酵过程中，叶绿素降解成为脱镁叶绿素、脱植基叶绿素和脱镁叶绿甲酯一酸。绿色蔬菜在酸作用下的加热过程中，叶绿素转变成脱镁叶绿素，因而颜色从鲜绿色很快变为橄榄褐色