功能性食用天然色素

《中国食 品添加剂》 China Food Additives 2003 No．1 功能性食用天然色素 郭清泉 陈焕钦 (华南理工大学化工所 ，广州 510640) 摘要：天然色素是色素发展方向，而功能性天然色素是发展的重点。本文论述了几种具有保健功能的食用 天然色素：姜黄色素、8一胡萝 卜素、虾青素、红花黄素，从其分子结构、物理化学性质、生理功能、提取方法以及未 来研究和发展方向等方面进行概述 ，以期促进色素工业进步。 关键词：天然色素，功能性 ，姜黄色素 ，8一胡萝 卜素，虾青素，红花黄素 Functional Edible Natural Pigment Guo Qingquan，Chen Huanqin (Chemical Engineering Research Center，South China University of Technology，Guangzhou 510640) A 由 ct：Natl瑚 I pigment is the direction of pigm ent development in food industry．Functional natural pigment is the focal point．The paper discusses solTle kinds of fun ctional natural pigm ents such flS lyeopene，curcmnin，H n pig— ment，~earotin，astaxan~ n，safflower yellow pigm ent．Itis describedinthe aspectsofmolecular stl~Otul'e，functionality and reserch prospects． Key words：Natural Pigment，Functionality，CLll'cumin，[3-carotin，Astaxanthin，Carthamidin 色素与食品的关系密不可分。色素赋予食品 诱人的色泽 ，从而给消费者带来良好的感官质量和 强烈购买欲。食用色素按来源可分为天然和人造 色素两大类。近年来发现人工化学合成色素有的 存在致癌和致突变作用，故天然色素日益受到人们 重视，而开发具有一定营养价值或药理作用的功能 性天然色素，是色素工业发展的重中之重。 本文对几种具有保健功能的食用天然色素进 行概述 ，对其分子结构 、物理化学性质、生理功能、 提取方法以及未来研究和发展方向进行介绍，以期 起到抛砖引玉的作用，促进色素工业的发展。 1 姜黄色素 姜黄色素是一种植物多酚，包括三种化合物： 姜黄素、脱甲氧基姜黄素和双脱甲氧基姜黄素，其 结构如图 1。姜黄色素易溶于 甲醇 、乙醇 、碱和冰 醋酸，微溶于水、苯和乙醚等。在酸性和中性溶液 中显黄色 ，在 pH大于 9．0的碱性溶液 中显红色。 由于姜黄色素分子中含有多个双键 ，酚羟基及羰基 等，所以其化学反应性较强，A1s 、Fe3 和 Cu2 等 金属离子及强光、高温等影响姜黄色素的稳定性， 但蔗糖、淀粉以及 Na 、C1一和 zn2 等离子对色素 的影响不大。姜黄素水溶液不稳定。 49 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2003 NO．1 0H 0H 姜黄素 30 CH 0H 脱甲氧基姜黄素 图 1 姜黄色素结构 1．1 姜黄色素的生理功能 姜黄素具有多种生理功能，人们正在逐步认识 和研究。①抗诱变作用，其可以代谢诱变物和间接 抑制诱变物的代谢。②抗肿瘤作用，其能清除自由 基，减少过氧化物生成 ，抑制花生 四烯酸代谢产物 的生成 ，抑制癌细胞达。③抗氧化作用 ，其可以 抑制空气和 Fd 、Cu2 氧化脂质，抑制亚硝酸氧化 血红蛋白利防止 DNA 的氧化损伤。④ 降血脂和 抗动脉粥状硬化作用 ，其能够抑制细胞氧化修饰低 密度脂蛋白匀(U)L)，而氧化 LDL在动脉粥状硬 化中起重要作用。此外 ，姜黄色素还具有抗炎、抗 凝 、抗 感 染、防 止 老 年 斑 的形 成 等多 种 生 理 功 1．2 姜黄色素提取【2】 1)有机溶剂提取法 ：用乙醇等有机溶剂浸提经 粉碎的姜黄原料 ，采用离心或过滤的方式分离提取 液。分离获得的提取液中除姜黄色素外，还含有大 量酯类等脂溶性杂质。 2)水提取法：姜黄色素易溶于碱水，可用 1％ 左右的NaOH加热浸提姜黄中的姜黄色素。由于 姜黄原料中淀粉含量高，所以色素实际上是与淀粉 一 起进入了碱性提取液。 1．3 姜黄色素的精制【3· ] 1)专一性溶剂法：利用对姜黄色素和其它杂质的 溶解能力差别大的单一型或混合型溶剂(如石油醚， 乙醚等)多次处理粗制品，使色素与其他杂质分开。 0H 0H 0H 双脱甲氧基姜黄素 2)酸碱法 ：用有机溶剂直接浸提姜黄原料时获 得的提取液蒸发浓缩后得到的产物含有大量酯类 ， 用酸碱对其进行恰当处理，使其中的酯类水解，可 以达到提纯 目的。 3)酶水解法：用水作溶剂提取姜黄色素时，提 取物中淀粉的存在降低了其色素的相对含量。可 用淀粉酶进行处理，从而达到纯化色素的目的。 4)柱层析法：用有机溶剂提取姜黄色素时，大 量脂溶性杂质也进入了提取液。利用姜黄色素组 成结构与其它脂溶性杂质的有所不同 ，它们的吸附 性质也不同，因而可以用吸附柱层析的方法将它们 分离。 1．4 姜黄色素的研究重点 应对姜黄素的生理功能及机制进行进一步研 究和探讨 ，如何提高姜黄素的稳定性，以便于其在 食品加工中的应用，更加高效、简便的提取方法等 是今后的研究与发展重点。 2 一胡萝 卜素 8一胡萝 卜素是类胡萝 卜素的一种，分子式为 C4oH56，两端各有一个紫罗兰酮环，是维生素 A的 前体，可分解成两分子维生素 A，其结构如图2所 示。8一胡萝 卜素主要以全反式、9一顺式、13一顺 式和 15一顺式 四种形式存在，其化学性质活泼 ，易 被空气氧化，紫外线照射能破坏其结构。 图 2 t3一胡萝 卜素结构(R=CH3) 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2003 No．1 2．1 8一胡萝 卜素的生理功能 经研究，p一胡萝 卜素主要具有以下生理功能 ①抗氧化的功能，能淬灭单线态氧和清除体内自由 基，对脂质过氧化有抑制作用，防止视网膜的光损 伤。②是维生素 A的前体，维生素 A是人体必需 的微量营养素。③免疫功能，能提高人体免疫力。 ④能预防癌症 ，延缓癌症的发展。⑤能促进细胞间 联结交流，间隙连接(gapjunction，GJ)是细胞间的 一 种重要连接方式 ，它允许分子量为 1000—1600 Pa以下的离子或小分子通过 ，从而保证细胞间正 常生长控制信号的传递。⑥能增强胰岛素的敏感 性，降低糖尿病的发病率。 2．2 p一胡萝 卜素的生产 以前 8一胡萝 卜素主要由化学法生产，但由于 毒性问题等原因，现在的发展重点放在发酵法上。 ①由光合细菌发酵生产。牟海津等人对光和 细菌的培养条件进行研究后发现提高菌种接种量、 增加光照强度以及微需氧性培养，均有助于提高光 合细菌的生长速度，而胡萝 卜素的产量基本上与菌 体生物量呈同步增长关系 ]。 ②由酵母发酵生产。胡萍对红酵母 Yh3发酵 生产 胡 萝 卜素 的培 养条件进行 优 化，结果 表 明 30g／L麦芽糖、lOg／L酵母 膏分别作为碳源和氮 源，在 Ph=6．0、摇床转速为 150rpm／min，添加 3×10 mol／L的优化条件下，红酵母 Ⅵ 的色素产 量可达到 10．38mg／LL 6l。 目前我国最大天然胡萝 卜素生产基地内蒙古 兰泰生物工程公 司正在进行技改，不久可望完成 ， 其是从盐藻中提取胡萝 卜素。国家重点科技攻关 项目的“发酵法生产天然 一胡萝 卜素”在湖北武 汉已通过验收，该项 目实现了年产 2000公斤 p一 胡萝 卜素产业化，技术在国际上也居领先地位。 2．3 B一胡萝 卜素的吸收 p一胡萝 卜素与食品中其它脂类物质在肠道中 经胆汁乳化成乳糜 ，然后由肠粘膜细胞吸收。8一 胡萝 卜素具有很好的吸收性，其维生素 A合成受 体有 自我调控能力，不至于达到维生素 A的毒性 水平_7]。生的胡萝 卜中 8一胡萝 卜素很难吸收，而 与脂类配合到一起的 p一胡萝 卜素或经过机械加 工处理的则容易被吸收。适度加热会促进 一胡 萝 卜素吸收 ，而过度加热会造成其活性损失 J。 2．4 8一胡萝 卜素的发展趋势 8一胡萝 卜素稳定性较差 ，对提高其稳定性的 研究是发展趋势之一。p一胡萝 卜素抗癌效果与机 理 目前还有不同的观点：p一胡萝 卜素在细胞水平 上的调控机理；同其它抗氧化物的关系，这些均有 待进一步研究。 3 虾青素 虾青素是存在于某些水生动物体内的一种类胡 萝 卜素，是一种红橙色物质，其化学名是：3 73 二羟 基一4，4 一二 酮基 一p一胡 萝 卜素；分 子式 是 ： G0}I52O4；结构式如图 3所示。虾青素易氧化成虾红 素。 3．1 虾青素的生理功能 ①虾青素具有抗氧化作用，能清除自由基，抑制 脂质过氧化反应。②虾青素能抑制和杀死肿瘤细 胞。 3．2 虾青素的生产 虾蟹壳中含有丰富的虾青素，而我国大多将其 用于提取几丁质或废弃掉。故从虾蟹壳中提取虾 红素大有前途。目前多采用有机溶剂萃取的方法 从虾蟹壳中提取虾青素 ，而从藻类和酵母中富集和 提取虾青素的研究也正在进行 9。 虾青素具有优异的生理功能，故研究和开发很 有必要。虾青素的具体生理功能机制及提取物腥 味的去除是当前的研究重点。虾青素产品主要应 用到药品、水产品佐饵和禽畜饲料中。 o 图 3 虾青素结构(R=CH3) 51 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2003 NO．1 4 红花黄素 红花是 中医临床上 的常用 中药 ，具 有活血祛 瘀，通经止痛的功效。而红花黄素是从红花中提取 出来的一种水溶性黄酮类色素。红花黄素是水溶 性色素，溶于水及乙醇，不溶于乙醚、氯仿等有机溶 剂 ，遇醋酸铅产生沉淀，能被活性炭吸附，其颜色随 pH的不同而改变。 近几年来 ，中外学者对红花黄素的提制和药理 作用进行广泛而深入的研究 ，研究发现红花黄素不 仅是一种很有价值 的天然食用色素 ，具有色泽艳 丽，耐高温、耐高压、耐低温、耐光、耐酸、耐还原和 抗微生物等优点[10]，而且还有扩张冠脉、抗氧化、 保护心肌、降血压、免疫抑制和脑保护等多种药理 功能[1l，l 2l。 4．1 红花黄素的提取工艺 红花黄素的传统工艺如下 ： 红花一粉碎一蒸馏水浸提得浸提液一精制过 滤一滤液减压浓缩 (70℃)一浓缩液沉淀一离心分 离一真空干燥一粉碎一成品 传统工艺过于复杂且所得红花黄素品质较差、 色泽发暗。李倬等对传统工艺进行改进，工艺如 下 [13]： 红花一粉碎一加水提取 2次滤液合并一滤液 减压浓缩一加乙醇一放置过滤一沉淀一 千燥一 粉 碎一成品 改进后的提制工艺简单 ，成本低 ，精制过程 中 损失少，收率由原来的20％提高到25％，所得成品 色泽好 。杨志福等人发现水和 70％甲醇对红花黄 色素的提取效果很好 ，认为采用水提方法对红花色 素进行提取效果好、快速、便捷【HJ。 红花在我国分布广泛 ，产量较大 ，故红花黄素 的开发在我国大有潜力，今后要进行的研究重点是 提取工艺的进一步简化与产品质量的提高，红花黄 素对心肌保护的机理机制等。 此外 ，具有功能性的天然食用色素还有番茄红 素、红 曲色素、辣椒红素、叶黄素、血红素、黑色素、 52 核黄素等，如发现辣椒红素可用来治疗脑血管硬化 症 ，叶黄素可以防止动脉硬化 、治疗眼部疾病 ，血红 素可以提高人体对铁的吸收率等。 我国食用色素产业今后发展方针是大力发展 “天然、营养、多功能”的食用天然色素 ，故今后应当 着力研究 、开发、生产、使用对人体具有某些生理功 能的天然色素。可以预见具有保健功能的天然食 用色素的开发与应用大有潜力。 参考文献 1．Korutla L，Cheung JY，et a1．Inhibition of ligand—induced activa— tion of epidermalgrowthfactor receptortyrosinephosphorylafionby curcumin．Carcinogenesis，1995，16(8)：1741—1475 2．赵革平 ，沃兴德 ．姜黄素及其衍生物 的抗氧化作用研究概况 ． 浙江中医学院学报，1998，22(6)：1O一12 3．大泽俊彦 ．7，一 7，7， 少 一 7 工 色 素 ．食 品 上开发 (日)，1998，33(8)：5—10 4．M asudaT，et a1．Anti—oxidative andan ti—inflammatoryt2urolmm-re． 1ated phenolies from rhizomes of eureuma domestiea．Phytochem ， 1993，32(6)：1557—1560 5．牟海津等 ．光合细菌类胡萝 卜素的研究 ．海洋湖沼通报 ，1998 (4)：32—38 6．胡萍 ．红酵母发酵生产胡萝 卜素培养条件的优化研究 ．食品科 学 ，2000，21(9)：19—21 7．Bendich A．The safetyofbeta-caroten e．Perspectives in AppliedNu— trition，1993，1(1)：14 8．KhachikF M ，GoliB，et a1．EffectoffoodpreparationOilqualitative and quanitative distribution of major carotenoid constituents of tomatoesand severalgreenvegetables．JAgileFoodChem，1992，56 ：128—135 9．汪振诚等 ．虾壳红色素 的抗氧化和抗肿瘤作用 ．东海海洋 ， 1999。17(2)：26—29 10．T~hiro W 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