食用天然色素的制备及前景展望

食用天然色素的制备及前景展望摘要：综述了我国天然食用色素的提取、纯化方法与新分析技术,并分析了我国天然食用色素的开发前景关键词：天然食用色素；提取；纯化；分析；前景；食用色素又称食用着色剂,是改善食品色调和色泽的可食用物质,属于食品添加剂中的一大类。食用色素按其来源,可分为食用天然色素和食用合成色素两大类。食用天然色素主要是从植物、动物和微生物中提取的。其实人类自古以来就使用天然色素来给食品着色,如我国古代人们就利用红曲色素来制作红酒等。近年来,随着人们日益增长的物质生活需求及文化素养、科学水平的不断提高,人们意识到合成色素本身无任何营养价值,且对人体有害,某些合成色素食用过量甚至有致癌的危险。天然食用色素具有安全可靠、无毒副作用、色调自然、接近天然物质的颜色;有些天然食用色素还具有营养功效,如国外把胡萝卜素类列为营养添加剂,美国已把β-胡萝卜素应用到婴幼儿食品中[1];有些对人体的某些疾病具有预防、治疗等药理作用和保健功能。如花色苷具有消炎、抗肿瘤、清除氧自由基、抑制脂蛋白氧化和血小板聚集的功能[2]。因此，人们越来越倾向于食用天然色素,以减少毒副作用色，而天然食用色素的开发和应用俨然已成为了当代食品工业重要的研究课题。近年,我国在天然食用色素的研究方面做了大量的工作,并取得了可喜的成果。现在我国已经成为天然食用色素的品种和产量大国,并形成了一个初具规模的产业化行业。由于天然食用色素的市场巨大,所以,研究其制备技术的意义重大。1食用天然色素的提取方法1.1高压提取法研究发现在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,15~45min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[3]。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。1.2浸提法浸提法包括水浸提法和有机溶剂浸提法。水浸提法是提取水溶性天然色素行之有效的手段，大多采用热水、酸水、碱水浸提。热水浸提，如虎杖黄色素、红花黄色素、老鹰茶天然食用色素等；酸水浸提，如萝卜红天然食用色素、玫瑰茄红色素等；碱水浸提，如板栗壳天然棕色素等[3]。有机溶剂浸提法是目前从动植物中提取色素的一种常用方法。利用有机溶剂（甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等）提取姜黄得姜黄色素[4]，生产上普遍使用的有机溶剂为乙醇。乙醇具有无毒、安全性高、易回收利用等特点，主要用于醇浸提和酸醇浸提。如将虾壳用盐酸浸泡24h后过滤，滤渣用体积分数95％的乙醇浸泡，提取液经蒸馏后，可得到浓缩的粗制虾青素提取物[5]。相对而言，有机溶剂提取法的萃取剂便宜设备简单，操作简单易行，提取率较高，但用其提取的某些产品质量较差，纯度较低，有异味或有溶剂残留，影响产品的应用范围。1.3冻结-融解法冻结-融解法条件温和,操作温度不超过室温,对热敏性高的天然食用色素破坏较少,是生物化学研究中常用的破碎微生物细胞壁的方法[6]。当植物细胞壁破裂后,胞内可溶物迅速溶出,很容易得到高浓度的色素溶液,与常规浸提相比,由于避免了通过细胞壁传质的过程,浸提时间大为缩短。植物细胞壁破碎后,胞内可溶物都会溶出,为了得到较纯的产品,乙醇提取仍是不可缺少的。如对栀子、红蓝草、枫叶为原料3种色素提取的结果表明,此工艺对提取水-醇兼溶的植物色素具有较普遍的适用性[7],可推广于其它同类色素的工业化生产,甚至提取其他非色素类的胞内物质也有作用。1.4超声波强化提取超声波强化提取的作用主要来源于超声“空化效应。超声“空化”效应是指存在于液体中的微小气泡核，在超声波作用下被激活，表现为泡核的生长振荡、收缩及崩溃等一系列动力学过程。超声“空化”导致湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应。湍动效应可引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速碰撞，使界面层变薄，增大传质速率；微扰效应可使固—液传质过程的瓶颈———微孔扩散得以强化；界面效应使气泡在崩溃时产生的微射流对固体表面产生剥离和凹蚀作用，从而创造出新的活性表面，增大传质表面积；聚能效应产生的局部高温高压，可使目标物质分子与原料固体表面分子的结合键断裂，加速目标物质的分离。因此超声波对提取过程的影响不仅在于提高传质速率、强化动力学过程，而且由于超声波与物质之间独特的相互作用，能打破体系固有的相界面平衡，提高提取过程的收率。由于超声波对体系的升温作用较小，因此很适于对热不稳定成分的提取。刘平等人采用提取温度70℃，提取时间90min固液比1∶15，超声波功率500W，提取2次的工艺条件，使板栗壳色素的提取率可达11.64％，其提取率远高于常规法[8]。1.5分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术,可以在高真空度下进行连续操作。其基本原理是基于不同物质分子在高真空下分子运动平均自由程的差别,在远低于物质常压沸点温度的条件下将其分离出来。该技术具有蒸馏温度低、蒸馏压力低、分离程度高、受热时间短等特点,因而能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏性物料的品质,真正保持了纯天然的特性。分子蒸馏技术适合于把粗产品中高附加值的成分进行分离和提纯,是其它常用分离手段难以完成的。钟耕[9]等采用分子蒸馏法,以冷榨甜橙油为原料,提取其中的类胡萝卜素,产品不含有机溶剂,纯度高,色价高。1.6微波萃取微波的频率与分子转动的频率相关联，它作用在极性分子上，能促进分子的转动。与传统加热萃取方法相比，微波强化萃取具有省时、高效、节能等优点。微波可穿透萃取介质，直接作用于物料内部，使内部温度迅速上升，增大目标物质在介质中的溶解度；微波可增强传质驱动力，加速目标物质由原料内部向界面层扩散，从而使萃取速率提高数倍。微波强化萃取天然食用色素的技术已取得了一些重要的试验研究成果。邓宇等人[10]在对番茄红素进行提取时发现，在微波功率为200W，料液比为1∶2的条件下，每次浸提80s，经过2次浸提，番茄红素的提取率达到97.56%。与传统加热提取方法相比，微波萃取具有十分显著的优势。微波萃取天然色素的技术虽然已经取得一定重要成果，但由于受它特性的限制，应用范围受到了一定的影响。1.7酶法处理在天然食用色素生产中，选用特定的酶，通过酶催化定向反应，可以达到其他方法难以达到的目的。纤维素酶可使纤维素、半纤维素等物质降解，引起细胞壁和细胞同质结构发生局部疏松和膨胀等变化，从而增大胞内有效成分向提取介质的扩散，促进色素提取效率的提高。与传统水浸提取工艺相比，应用纤维素酶提取红花中的红花黄色素，提取率提高了9.40％~13.35％。另外，采用酶对含桅子蓝色素的植物果实进行水解，也可明显提高桅子蓝色素的产量。酶法处理提取率高，具有提取条件温和，有效成分理化性质稳定等优点[11]。2天然食用色素的纯化2.1大孔树脂吸附分离技术大孔树脂吸附是近10年来发展起来的一类有机高分子聚合物吸附剂。采用大孔树脂吸附、精制天然食用色素，是提高色素纯度的有效方法。精制过程易于控制，并且树脂吸附洗脱后可以反复使用。大孔树脂具有物理化学稳定性高，吸附选择性强，不受无机物存在的影响，再生简便，解析条件温和，使用周期长，易于构成闭路循环，节省费用等优点，避免了有机溶剂提取分离造成的有机溶剂回收难、损耗大、成本高、易燃易爆，以及对环境造成污染等缺点[12]。马银海等人[13]研究了AB—8等树脂吸附、分离玫瑰红色素的方法。试验结果表明，AB—8树脂对玫瑰红色素的吸附效果最好，将被吸附的玫瑰红色素用体积分数80％的乙醇洗脱，流速为0.33mL/min。AB—8树脂非常稳定，使用18次后，其吸附能力仅降低1%左右。2.2膜分离技术膜分离技术也是一种新兴的高效分离技术，是以高分子膜为代表的一种新型的流体分离单元操作技术。膜分离系统具有许多其他分离方法所没有的优点：①膜分离工艺都是纯物理的分离，即被分离的组分既不会有热学性的变化，也不会有化学性和生物性的变化；②膜分离技术具有能耗低、化学品消耗少、操作方便，以及不易产生二次污染，可避免组分受热变质和混入杂质等优点，浓缩产品时不需要相变，而且不需要蒸发器或冷冻设备，投资成本低，可以节约能源和经费等[14]。由于膜分离过程中不需要受热，容易保持分离物质的某些功效和风味。因此，膜分离技术在纯化色素方面有很大的发展前景。利用膜分离技术对色素进行提取，解决了其提取过程中的色变问题。北京食品研究所于20世纪80年代以玫瑰茄和紫背天葵为对象，开展了膜技术对天然食用色素提取、纯化的工艺研究。他们首先通过超滤将色素粗提液中90%以上的果胶等大分子物质脱除，然后再用反渗透膜浓缩。在此过程中，色素几乎未发生衰减，膜对色素的截留率接近100%，所得色素的溶解度及澄清度好，色价高。3.3超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术（SFE）是近年来研究开发的一项新的分离溶剂萃取技术。尽管传统的操作简单，生产成本较低，但往往造成热敏性和化学不稳定性成分在加工过程中被破坏；而超临界流体萃取技术主要利用温度、压力高于临界点的超临界流体（SCF）作为溶剂来进行物质的萃取，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。在食品、医药、化工等领域有着广阔的应用前景。尤其在生物活性物质、热敏性物质的分离与提纯方面，具有无可比拟的优越性[15]。超临界流体萃取技术已经成功地应用在辣椒红素、番茄红素、β-胡萝卜素和栀子黄色素等天然食用色素的萃取和精制中。4我国天然食用色素开发的新分析技术天然食用色素经过提取、分离、精制成为单体化合物后,需进行结构鉴定,才可能为应用提供可靠依据,仪器分析提供快速可靠的手段,积累了大量科学数据。目前用于分析天然色素结构的手段有很多,如薄层色谱法、紫外吸收光谱法、红外吸收光谱法、气相色谱法、高效液相色谱法、核磁共振谱及液质联用等技术。4.1紫外吸收光谱紫外吸收光谱法(UV)是确定天然色素成分最常用的手段,可确定紫外检测的吸收峰,检验样品纯度及粗略定性化合物的种类[16]。例如花青素具有类黄酮的典型结构,但由于花青素中苷元结构不同,不同类型的花青素类化合物表现出的紫外-可见光谱也有很大差异,利用这种差异进行鉴定已成为经典分析方法之一。除花青素外,其他类别如黄酮类、类胡萝卜素类等均可利用紫外吸收光谱法鉴定。4.2红外吸收光谱法红外吸收光谱法(IR)也是天然食用色素鉴定常用的一种手段,它能确定分子功能基团的特征。早在1950年代Wagenknecht和Forsyth等人就利用红外光谱对花青素色素结构进行鉴定。1972年日本学者斋田规夫等人对6种花青素苷元和18种花青素色素的红外谱进行了研究。吴信子等人[17]曾用红外吸收光谱对蓝靛果花色苷进行研究。4.3高效液相色谱(HPLC)技术HPLC是一种以液体为流动相的现代柱色谱分离分析技术,具有分离效率高、分析速度快、用样量少、灵敏度高、流出组分可收集,兼具分析和制备等优点,适应于高沸点、大分子、强极性和热稳定性差的化合物分离分析。对于热不稳定性或极性大的天然食用色素来说,HPLC是一种有效的分离分析方法。赵明波等[18]建立了菊科植物红花中的主要有效成分羟基红花黄色素A的HPLC定量分析方法。4.4高效毛细管电泳(HPCE)技术HPCE是20世纪80年代发展起来的一种新型液相分析技术。其基本原理是以高压电场为驱动力,以毛细管为分离通道,依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异实现分离分析的。近年来,HPCE已被应用于天然食用色素结构分析中,如吕元琦等[19]采用HPCE技术分析了密蒙花中的橙皮素、木犀素和芹菜素。4.5色谱-质谱联用技术色谱-质谱联用技术结合了色谱、质谱两者的优点,实现了优势互补,成为现代仪器分析的热点。色谱是利用各物质在固定相和流动相之间物理分配性质的差异,具有高分离能力,高灵敏度和高分离速度等优点,可以直接分析不挥发性化合物中的多种成分相互分离。而质谱是一种灵敏度高、选择性好,具有较强的定性功能的现代仪器,在一次分析