食用天然色素的提取方法及发展趋势

《风味化学与食品添加剂》课程论文论文题目食用天然色素的提取方法与发展趋势学院食品科学与工程专业食品科学与工程毕业届别2010级姓名XXX指导教师梁琪教授日期2013.6.19食品科学与工程学院食用天然色素的提取方法与发展趋势XXX（甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州，730070）摘要：食用天然色素是指从植物、动物或微生物中提取的对食品具有着色能力的物质的总称。随着世界各国相继制订法规、淘汰大部分有毒的化学合成色素,那些不仅有染色功能,而且还有营养和保健功效,并能赋予食品许多新功能的天然色素将面临广阔的市场前景。文章详细地介绍了食用天然色素及其提取技术和发展趋势。关键词：食用天然色素提取方法发展趋势前言天然色素广泛存在于多种生物特别是动植物体中,其安全性和营养价值高,有的兼具一定的药理作用。用天然色素着色,色调自然纯正。由于传统的提取方法存在提取时间长,劳动强度大,原料预处理能耗高,热敏性组分易被破坏,生产的色素产品纯度差,有异味和溶剂残留等缺点,直接影响了天然色素的发展及应用。伴随着现代化工业技术的迅速发展以及人们安全意识的提高,一些现代化高新技术不断应用到天然色素的生产中。开发天然色素是世界食用色素业和医药等业的发展趋势之一。我国目前还处在合成色素与天然色素并存及同时发展的状态。由于合成色素的安全性问题,本文就目前天然色素的提取种类、提取方法及提取物的性质研究进行综述。1发展简史我国使用天然色素已有悠久历史，《史记·货殖传》记载：“茜栀千亩，亦比千乘之家。”说明古代就利用了茜草科植物和黄栀子等天然色素。北魏末年（公元6世纪）农学家贾思勰所著的《齐民要术》一书中就有从植物中提取色素的记载。［1］我国古代使用天然色素，在日本近年出版的《天然着色料》一书就引证了这些文献。公元前1500年，埃及墓碑上就绘有着色的糖果。公元前4世纪，葡萄酒就用色素着色，大不列颠的阿利克撒人就开始利用茜草色素。公元10世纪，美洲的托尔铁克人与阿芝特克族人相继栽培胭脂虫的寄生植物，繁殖胭脂虫，并提制胭脂红用于食品着色等。［2］然而，这些天然色素不论在品种上或是性能上都远不能满足食品工业发展的需要。天然色素着色力低，对光、热、氧气、pH等稳定性差，成本高。随着科学技术的发展，特别是染料化工的发展，出现了合成色素。1856年英国W.H．珀金斯(Perkins)发明了第一个合成有机色素苯胺紫，以后，又不断合成了许多新的有机合成色素，并有一些被应用在食品上，使得合成色素在食品的应用上得到迅速发展。［3］由于合成色素具有色泽鲜艳、着色力强、稳定性好、无臭无味、易于溶解和调色、成本低等优点，几乎取代了天然色素在食品中的应用。到20世纪初，用于食品着色的合成色素已发展到近80种之多。20世纪初，随着医学的发展，很多国家发现，许多合成色素对人体有害，除了它本身的化学性能危害人体健康，而且在合成过程中，还可能被砷、铅及其它有害化学物质所污染。专家们认为食品着色首先应当符合卫生学观点，必须对人体是无害的，尽管合成色素价格、色泽均优于天然色素，但不能提高食品的营养价值，有的甚至对人体有毒，因此，大部分国家先后制定出合成色素使用的立法条例，严格限制合成色素的应用，准许使用的数目逐年减少，1958年世界各国曾作为食用色素的品种有90余种，而现在仍在使用的仅50余种。［4］在这种情况下，人们对天然食用色素的兴趣就大大提高了，各国政府对使用天然食用色素的限制比较少。特别是以农作物和果菜类为原料的天然色素，人们安全感更高。目前国外食品色素都是以天然色素为主，合成色素为辅。所以，食用色素的发展可以概括为这样三个阶段：最初是以使用原始型天然色素（动、植物为原料）再发展到以合成色素为主、加工天然色素为辅的阶段，目前是以精制天然色素为主、合成色素为辅的阶段。2提取方法天然色素常用的制备方法,大致有萃取法、组织培养法、粉碎法、压榨法、酶反应法、微生物发酵法以及人工合成法,其中最常用的是萃取法。2.1溶剂提取法溶剂提取法是目前从动植物中提取色素的一种普遍常用的方法。溶剂提取法包括浸渍法、渗入法、煎煮法和回流提取法。以水为溶剂提取天然色素可用浸渍法和煎煮法,前者适用于有效成分能溶于水,对湿、热稳定且不易挥发的原料用有机溶剂提取可采用回流提取法。主要工艺是将采集的天然色素植物原料,通过分选、水洗去泥、晒干去水,再经粉碎机粉碎后置于溶液中浸泡提取，提取液经离心分离、浓缩、干燥、精制而得成品。工艺流程图为:原料分选→水洗→干燥粉碎→溶剂萃取→过滤分离→干燥→精制→成品［5］溶剂提取法萃取剂便宜，设备简单，操作步骤简单易行，提取率较高，但用其提取的某些产品的质量较差，纯度较低，有异味或溶剂残留，影响产品的应用范围。2.2超临界CO2流体萃取法超临界二氧化碳流体萃取是近二十年发展起来的一种新型物质分离、精制技术。它兼备有气体低粘度、高扩散和流体的高密度、大溶解度两方面的特点。由于超临界CO2提取工艺简单,能耗低,萃取剂便宜,提取的产品具有纯度高,溶剂残留少,无毒副作用等优点,越来越受到人们的重视。Tsunc等的专利报道中,应用超临界CO2从虾壳中提取虾青素,浓度可达到8.331%。［6］宿树兰等采用正交试验优化超临界流体萃取姜黄药材中姜黄素,得到姜黄素占萃取物量高达8.91%。［7］2.3微波萃取法微波萃取是在密闭容器中用微波加热样品及有机溶剂,将待测物质组分从样品基体中提取出来的一种方法,是由密闭容器中酸硝解样品和液固萃取有机物两种技术相结合演变出来的,其能在短时间内完成多种样品组分的萃取。工艺流程为：原料的预处理→溶剂与原料的混合→微波萃取→冷却→过滤→滤液→溶剂与萃取组分分离→萃取组分［7］微波萃取溶剂用量少,结果重现性好，克服了超临界萃取和溶剂萃取方法的上述缺陷,既降低了操作费用,又符合环境保护的要求,表现出良好的发展前景和巨大的应用潜力。陈栓虎等［8］利用微波萃取了柿子红色素,该色素属多酚类水溶性色素,对光、热稳定性好,对大多数食品添加剂影响不大,安全性高,是一种很有开发前景的食用色素新品种。2.4分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液—液分离技术,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。钟耕等［9］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。结果表明,采用分子蒸馏法,从脱蜡的甜橙油中一步提取的色素,不含有机溶剂,纯度高,色价高。2.5双水相萃取技术(ATPE)双水相萃取技术是二十世纪60年代以来研究开发的新型固—液分离技术。其基本原理是利用被提取物质在不同的两相系统间分配行为的差异进行分离。与传统的萃取方法相比,ATPE技术所形成的两相大部分为水,两相界面张力很小,为有效成分的溶解和萃取提供了适宜的环境,相际间的质量传递快,操作方便,时间短,条件温和,易于工程放大和连续操作。2.6液相色谱技术2.6.1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。该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的分离分析。对于热不稳定性或极性大的天然色素来说,HPLC是一种有效的分离分析方法。赵明波等［10］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。2.6.2高速逆流色谱技术(HSCCC)HSCCC是近20年发展起来的一种不用任何固态载体或支撑体的液—液分配色谱技术,其基本原理是利用样品在两相中分配系数的不同实现分离。与传统分析方法相比,HSCCC具有分离效率高,产品纯度高,不存在载体对样品的吸附和粘染,制备量大和溶剂消耗量少等优点。MichaelS等采用HSCCC分离分析了接骨木果汁中的花青素,溶剂系统为正丁醇-TBME-乙腈-水,体积比3∶1∶1∶5,流速5.0mL/min。夏明等［11］用HSCCC对提取得到的红曲色素进行分离,溶剂系统为石油醚-甲醇-乙酸乙酯-水,体积比3∶6∶5∶4,流速1.0mL/min,将一种黄色素与一种紫红色素分离。2.6.3高效毛细管电泳技术(HPCE)HPCE是二十世纪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已被广泛应用于天然色素结构分析中。吕元琦等［12］采用HPCE技术分析了密蒙花中的橙皮素、木犀素和芹菜素。HPCE技术克服了HPLC试验成本高,重现性差,时间长的缺点。2.7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。目前,联用技术在天然色素分析中的应用有一些报道,如尹佩玉等［13］利用气相色谱-质谱(GC-MS)联用分析技术发现黑芝麻中的黑色素具有儿茶酚型黑色素的结构特征。刘良忠等［14］采用薄层色谱、高效液相色谱-质谱-质谱(HPLCMS-MS)及高分辨电子轰击质谱(EI-MS)方法研究发现,红心鸭蛋中的红色素为一种含羰基的类胡萝卜素紫杉紫素,其中含有多种紫杉紫素的顺式异构体。2．8酶反应法提取法酶反应法是通过酶反应产生所需要的颜色,如桅子黄色素经酶处理可产生桅子蓝色素、红色素。酶反应法工艺流程为：原料→筛选→水洗干燥→破碎→萃取→酶反应→萃取、浓缩→千燥制成粉剂或加溶剂→成品在植物色素提取的过程中,色素往往被包裹在细胞壁内,而大部分植物的细胞壁由纤维素构成。用纤素酶可以破坏β-D-葡萄糖苷键,使植物细胞壁破坏,有利于成分提取。根据此原理,在提取植物成分前先用纤维素酶酶解,使植物细胞壁破坏后再进行提取,可提高活性成分的提取率。而不管是否使用酶,提取物的成分一致,这说明酶解没有破坏植物色素的成分。应用纤维素酶提取红花中的红花黄色素,与传统水浸提取工艺相比,提取率提高9.40%-13.35%,具有提取条件温和,有效成分理化性质稳定等优点。应用酶促反应还可改变天然栀子黄色素中的栀子苷的结构,生产出栀子红、蓝色素。近年来随着生物技术的发展,利用生物技术生产天然色素已为人们开阔了广泛的领域,利用微生物发酵方法生产蓝色素、红曲色素等多种天然色素已成为现实[15]。2.9膜分离法膜分离法是用天然或人工合成的高分子膜,以外界能量或化学位差为推动力对混合物进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。在色素分离中,利用色素与杂质分子大小的差异,采用纤维超滤膜和反渗透膜,可阻留各种不溶性大分子如多糖、蛋白质等。该法工艺简单,效能高,可用于可可色素、红曲色素的分离。2.10柱层析分离法柱层析是利用不同吸附剂或固定相通过柱层析分离提纯色素。沈勇根［16］等研究发现,X-5树脂在吸附液pH为4,流速为2.0mL/min时吸附能力较强。在室温和解吸流速为1.5mL/min的条件下,以φ=60%乙醇作为解吸剂,洗脱效果最好,用它精制紫红薯色素能得到较高纯度的色素。茹克也木·沙吾提出将山城紫苕萃取液经AB-8大孔吸附树脂的柱层析富集精制,获得了高质量、高纯度的花青素类天然色素。2.11超声波提取法超声波提取法就是利用超声波产生的强烈振动、很高的加速度、强烈的空化效应、搅拌等特殊作用来破坏植物细胞,使溶媒渗透到被提取物的细胞中,以使被提取物的化学成分溶于液体之中,再通过化学分离提纯得到所需成分。超声提取的主要动力是声空化。超声波强化萃取技术现已用于叶绿素、姜黄色素、桅子黄色素、板栗壳棕色素、桑套红色素等多种天然食用色素的提取。2.12压榨法利用挤压方法将粉碎后的新鲜植物的叶、果、皮中色素成分随植物浆液挤压出来。该法适用于提取水溶性色素,但提取的色素杂质含量较高,需进一步精制。2.13粉碎法植物样品干燥后,粉碎制成色素制品,如可可豆色素。粉碎法的简易工艺流程为：原料→筛选→水洗干燥→粉碎→成品3发展趋势3.1市场动态来自《食