天然色素的研究与应用

天然色素的研究与应用 摘要：本文主要论述了天然色素的特点与特性、分类、性质与作用、应用与开发，简要介绍了合成色素给人们带来的危害，倡导人们进一步研制开发出品种多样的天然色素。 关键词：色素；天然色素；花色素；应用开发； 1 天然色素的概况 随着社会的进步，天然色素在食品业和化妆行业的使用逐渐普及，使用技术逐渐提高，天然色素逐渐成为美化社会生活不可缺少的一部分。天然色素的研究与开发受到世界各国的重视。目前国际上已开发的食用天然色素共100余种。中国正式批准的(1998)共47种，日本列为允许使用的共102种，欧共体13种，英国26种。 目前，我国提取天然色素的原料多为植物性原料，主要包括以下三种:(1)从人工种植的植物中提取的天然色素，如辣椒红色素、甜菜红色素、姜黄色素、红花色素、黑芝麻色素、红甘蓝色素、黑米色素等；(2)从农产品副产物或废弃物中提取的天然色素，如高粱红色素(高粱壳)、β-胡萝卜素(蚕沙)、桔皮色素(桔皮)、紫草红色素(紫草根)等；(3)从野生植物和野浆果类提取的天然色素，如越桔红色素、黑加仑色素、万寿菊色素、茜草色素、桑椹色素等。这些资源在我国取之不尽，用之不完，如能科学合理的应用，不但可以大大降低天然色素的成本，增加经济收入，而且对国家农业种植结构的调整都将具有潜在的意义[1、2]。 2 天然植物色素的特点及特性 2.1 天然色素的呈色机理 植物的花、叶、果实、皮等往往呈现出各种各样的颜色，这与植物自身内部的天然色素有关。植物体内的一些有机分子(色素)在阳光的照射下，吸收了一定频率的有色光后，使分子内电子发生振动跃迁现象。由于各种植物的有机分子(色素)中的电子成键能力不同，电子激发跃迁时所需的能量也就不一样，故对吸收光的频率就有一定的选择性。不同植物具有合成适应自身特点的有机色素分子的能力各有差异，因此，不同的植物就表现出不同的体色及花色，从而使大自然呈现出姚紫嫣红的美丽景色。 2.2 天然植物色素的特点 (1)绝大多数天然色素无毒和无副作用，安全性高； (2)天然植物色素大多为花青素类、黄酮类、类胡萝卜素类化合物，它们不但具有着色作用，而且具有增强人体功能、保健防病等功效； (3)天然色素的着色色调比较自然，更加接近天然物质的颜色； (4)天然色素对pH值变化十分敏感，色调会随之发生很大变化。如花青素在酸性时呈红色，中性时呈紫色，碱性时呈蓝色。 诚然，天然色素也并不是完美无缺的，也存在一些缺陷: (1)溶解性差，溶解度较低，使用时不易混合均匀，有时易发生沉淀，不易调色和着色[3]； (2)纯度较低。天然色素是从天然动、植物等生物体中提取出来的化合物，常共存有其它成份，纯化难度较大； (3)色调不稳定，受周围环境影响较大。大部分天然色素对光、热、氧、金属离子、pH值等的变化敏感，稳定性较差[4]； (4)天然色素种类繁多、性质复杂，就一种天然色素而言，应用时专用性较强，运用范围较窄。 2.3 天然色素的特性 2.3.1 溶解性 天然植物色素中以叶绿素为主要代表的吡咯色素，它不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂中；胡萝卜素类为脂溶性色素，一般难溶于水和乙醇，而易溶于油脂、汽油或乙醚等，而胡萝卜醇类是以醇、酮、酸的形式存在，易溶于甲醇、乙醇；酚类色素是植物中水溶性或醇溶性色素的主要成分，一般易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂。 2.3.2 在不同pH值下的显色 天然色素中的类胡萝卜素是包含红色、橙色及黄色在内的一大类色素，它对pH值的适应性强，颜色不会因酸碱性的不同而轻易改变。类黄酮可呈现出浅黄至深黄的各种色泽，酸性越强，黄色就变得越浅，碱性越强，黄色就变得越深。花青素呈现的色泽是一个幅度较大的色域，如橙色、红色、紫色、蓝色等，它因酸碱性的改变所引起的颜色变化更大，一般酸性时呈红色，中性时呈紫色，而碱性时呈蓝色。 2.3.3 稳定性 一般对天然色素稳定性的检验主要考虑以下几方面的因素:第一, pH值的影响：它是指色素在不同的酸碱条件下，其色泽的稳定情况或变化规律等；第二，光照的影响：一般是指在紫外线和阳光直射的条件下色泽的变化情况；第三，温度的影响：主要考察在不同的环境中色素的耐热性；第四，金属离子的影响：是指食品中常见的金属离子Na+, Ca2+,Cu2+, Mg2+, A13+,Fe3+ ,Zn2+等对色素的影响。有些金属离子可能会使色泽变色或褪色，而有些金属离子却有增色的作用；第五，色素的抗氧化和还原能力：试验中常用的抗氧化剂和还原剂有H2O2,NaClO,Vc,K2S2O8,Na2S2O3等；第六，碳水化合物的影响：在一定浓度的色素溶液中加葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉等试验色素的稳定性。 3  天然色素的分类 色素分为天然色素和合成色素两大类。天然色素来自天然物，主要从植物组织中提取，也包括来自动物和微生物的一些色素。合成色素是指用人工化学合成方法所制得的有机色素，主要是以煤焦油中分离出来的苯胺染料为原料制成的。 天然色素可根据化学结构、来源、溶解性等分类： 按来源可分为：植物色素、动物色素和微生物色素三大类； 按其溶解性质不同又可分为水溶性色素和脂溶性色素； 按其化学结构分类，可以分为以下五大类: 3.1 类胡萝卜素类 多烯类色素是由异戊二烯(CH2=C(CH3)-CH=CH2)残基为单元组成的共轭双键相连的一类色素，为脂溶性色素。类胡萝卜素是多烯类色素的代表，它是胡萝卜素(carotene)和胡萝卜醇(xanthophylls)的总称。它们广泛分布于生物界中，目前已发现的类胡萝卜素就有600多种。类胡萝卜素按其组成和溶解性质可分为两类：①胡萝卜素类，此类色素结构中含有大量共轭双键，如番茄色素，α、β、γ-胡萝卜素等；②叶黄素类，此类色素是共轭多烯的含氧衍生物，辣椒红素、玉米黄素、叶黄素等都是此类色素。 类胡萝卜素类是国际公认的具有生理活性的功能性抗氧化剂，单线态氧的有效淬灭剂，能消除羟基自由基，在细胞中与细胞膜中的脂类相结合，有效抑制脂质氧化。较多地摄入类胡萝卜素能减少老年性前列腺症和老年性视网膜黄斑变性[5]。近来还报道说它们在抗癌、抗衰老等方面也有不少创新的功能价值，因此类胡萝卜素类色素是一类开发前景十分广阔的功能性食品添加剂。 3.2 花青素类 花色素又叫做花青素，存在于植物的果实、花、茎和叶中的液泡内，是植物体内的一种水溶性色素。由于各种花色素分子结构上的差异或酸碱度的不同，花色素就显出红、紫、蓝等不同的颜色。花青素广泛存在于植物的花、果实、根、茎、叶中，是各种花色苷的总称。据初步统计，27个科，72个属植物均含花青素[6]。现在已知的有20多种，一般为六种花青素即天兰葵色素(pelargonidin)、飞燕草色素(dulphinidin)、矢车菊色素(cynidin)、芍药色素(peonidin)、牵牛花色素(petunidin)和锦葵素(malvidin)[7]。 花青素类不仅资源丰富，色彩绚丽，构成了色素王国中的绝大部分，而且生理活性也高，它是羟基供体，自由基清除剂[8]，在眼科学和治疗各种血液循环失调疾病等方面均有疗效。 3.3 黄酮类色素 黄酮类色素是广泛分布于植物组织中的一类天然色素，多呈浅黄色乃至无色，少数为鲜亮的橙黄色。一般黄酮类化合物可分为：黄酮及黄酮醇类，如芹菜素、棚皮素；双黄酮类，如银杏素；二氢黄酮及二氢黄酮醇类，如橙皮甙；查耳酮类，如红花甙；黄烷醇类，如儿茶素；其它黄酮类，如异芒果素等等。其中黄酮和黄酮醇是植物界分布最广的黄酮类化合物，广泛存在于蔬菜、水果及中草药中，目前己知的这类色素有400余种[9、10]。 近来众多的研究结果表明：多数黄酮类色素有抗氧化、消除自由基、抗脂质过氧化活性，预防心血管疾病以及抗菌、抗病毒、抗过敏等功效。有时与花青素协同使用，可以减少氧化对花青素的破坏作用且起到一定的增色效果。因此随着科学技术及其仪器分析的发展，黄酮类色素王国的成员还将会不断扩大，对其生理功能活性方面的基础理论研究也将会进一步深入，这必将为天然色素合理、科学、广泛地应用提供科学的依据和广阔的天空。 3.4 吡咯类色素 吡咯衍生物类色素广泛地存在于绿色植物的叶绿体中。这类色素主要包括叶绿素及其铜钠盐、锌钠盐。叶绿素广泛存在于高等植物的叶、果实和藻类中，和蛋白质形成叶绿体，是绿色植物中绿色的来源，也是植物进行光合作用所必需的催化剂，常见的有蚕纱、苜蓿、菠菜、玉米穗丝、萝卜叶、三叶草、雏菊、甘蓝、竹叶、松针叶等。 叶绿素具有补血、促进造血、活化细胞、抗菌消炎等功效，近年来还发现叶绿素有抑制癌细胞生成的作用，因而是一种非常健康的食用色素。叶绿素锌钠在医用上能用于治疗慢性骨髓炎、慢性溃疡、皮肤创伤、白血球减少等症，在食品工业上是很好的着色剂和营养强化剂，在日用化工上可用于化妆品、牙膏等产品的添加剂。叶绿素铜钠除了作为一种绿色素、脱臭剂外，在医学上也有许多的生理功能，如叶绿素铜钠盐或其衍生物能促进机体细胞新陈代谢、胃肠溃疡面的愈合及肝功能的恢复，能用于治疗传染性肝炎、痔疮、白血病、子宫疾患及胃和十二指溃疡等，还能增进造血机能及促使放射线损伤机体的恢复。因此它们既有利于人们的健康，同时也满足了人们对食品美观的要求，是一类非常理想的食用天然色素。 3.5 其它类 主要指红曲色素、姜黄色素和紫草色素等类色素。 红曲色素除应用于食品中，起到增强食品风味和抗菌、抑菌、提高产品保质期的作用外，还具有抗菌作用。另外，红曲色素作为中药还具有降脂、降压、降糖、抑制肿瘤细胞及治疗痢疾和胃病等功能。 姜黄色素，因其着色力强且具有抗炎症、消除自由基、抑制毒素和抗癌等性能而广泛应用于食品及医药中，是难得的药食两用的药材，同时还是一种香料。但是它最主要的生理功能为抗氧化功能，以及与之相关的生理功能，如它可以保护细胞的组分子不被破坏，对癌症的引发有抑制作用，甚至有报道说它还具有抗HIV病毒的功能等。 紫草作为中草药，其临床已有相当长的历史，具有凉血、活血、解毒、透疹的功效和抗炎、抗菌、抗病毒等作用。而从中提取的紫草色素，是一种很有前途的生物色素，其鲜艳明亮的红色用作化妆品添加剂，能明显提高化妆品的抗菌、消炎、润肤、消斑的功效；用作果酒、饮料、点心等食品添加剂，能增加其清热消毒、消炎抗菌、防病抗癌等功能。 4 天然色素的生理功能 天然色素中有的是从长期食用的生物体的可食性部分提取的，有的是从药食两用的植物之根、茎、叶、果实中提取的，有的是从生物体的外壳或果皮中提取。从天然色素的原料来源可以看出，大多数天然色素安全性高，对人体健康几乎无不良影响。如栀子黄色素源于山栀子果实，辣椒红色素源于红辣椒果实，胡萝卜色素源于胡萝卜，虫胶红源于寄生在豆科、桑科植物的昆虫，血红素源于猪、牛、羊血，红曲色素源于红曲发酵产物，核黄素源于微生物发酵培养物等。 虽然各种天然色素的主要成份不同，但现代科学研究已表明，天然色素中有的是人们必须的维生素来源，有的参与生理代谢，有的具有抗菌、防治疾病的作用。如类胡萝卜素是联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)食品添加剂委员会一致推荐的产品，其中α-胡萝卜素是A类营养色素，在医学上对治疗VA缺乏和光敏感患者有明显作用，同时还具有防癌、抗癌、预防心血管疾病等功效；醌类色素则具有抗菌、抗癌、抗病毒作用，有些醌类色素还具有凝血作用[11]；栀子黄色素是从茜草科栀子果实中提取的，是很好的着色剂，具有镇静、止血、消炎、利尿、退热等药效。 值得一提的是，近10年来人们已发现天然色素具有抗氧化作用。花色素是一种强有力的自由基捕获剂[12]。自由基是带有未成对电子的分子，由于未成对电子趋向成对，自由基的化学性质非常活泼，它通过抢夺电子的形式破坏其它分子[13]。体内正常的新陈代谢产生一定量的自由基，通常自由基的产生和清除是平衡的，但由于环境污染、重金属、紫外线、食品中的添加剂等的影响，自由基会在体内积聚，导致多种疾病。花色素可以清除体内过多的自由基，恢复代谢平衡，治疗。对一系列由自由基造成的损伤引起的疾病，如炎症疾病、心血管疾病、血循环障碍、关节炎、循环疾病、神经疾病和许多与衰老有关的疾病等均具有预防和改善作用。花色素体内吸收快，能通过血脑屏障，可对自由基所导致的脑和脊髓神经的损伤起保护作用，避免因此而引发的帕金森氏综合症、早老性痴呆症等。 5  我国天然色素存在的问题 由于天然色素性质不稳定，应用过程中容易受到一些因素如光照、温度、氧化、pH值、介质极性、金属离子、各种添加剂等的影响而发生色调、吸光度等方面的变化，而影响食品的着色效果，极大地阻碍了天然色素作为食品添加剂应用于食品工业的进程。我国天然食用色素产业是改革开放以来，随着食品工业的蓬勃发展而壮大起来的。虽然发展非常迅速，但也存在着许多问题，如: ①目前，我国色素生产与国外色素生产相比，普遍存在成本较高，提取效率较低的现象。我国绝大多数色素生产行业在技术、工艺方面比较落后，设备陈旧或简陋。因此，必须不断创新。在天然色素的生产过程中，可以采用如下的高新技术：基因、细胞工程、发酵工程、吸附色谱、凝胶过滤、微孔过滤、超滤、反渗透、膜分离技术、超临界CO2(丙烷)流体萃取分离技术、冷冻干燥等。采用高新技术，提高设备的装备水平，是提高天然色素的收率、产量、保证优质的基础。 ②我国各天然色素生产企业一般规模都偏小，产品单一，经济效益不明显，抗风险能力差。多数工厂生产的是原料型的天然色素，一般不能直接使用，因而价格低，经济效益不高。就某一种天然色素而言，企业也没有完全做到标准化、系列化，欠缺实用技术的开发。因此，应当鼓励企业与科研单位结合，使科研成果能有效地转化为生产实践，产生经济效益。 ③在色素资源开发利用当中，许多单位只注重开发，不注重保护，致使资源枯竭。我们应尽量把资源开发与资源保护相结合，发展人工栽培，弥补天然资源之不足以利于持续利用。 ④现在的色素研究中，色素除杂工艺研究的不多，应该加大除杂工艺研究力度，以提高色素产品质量。 ⑤现在对色素的毒理学评价、色素的性质及系统的检测方法还不尽完善，应尽快加以完善，以更好地促进我国天然色素的研究和利用。 因此在开发应用天然色素的过程中应注意利用天然色素的性质，因势利导，发挥其所长；改进生产工艺，提高产品质量；制定相应的经济政策和规划等等。 6  合成色素及其危害 6.1 合成色素致毒致癌 化学合成色素多以苯、甲苯、萘等化工产品为原料，经过磺化、硝化、卤化、偶氮化等一系列有机反应化合而成。从结构上分为偶氮色素类(苋菜红、胭脂红、日落黄、柠檬黄等)，即含有R-N=N- R'键、苯环或氧杂蕙结构的化合物；非偶氮色素类(赤藓红、亮蓝、靛蓝等)。这类色素不仅无营养价值，而且其化学构成物质本身对人身体有害，同时在合成过程中产生的杂质如砷、汞、苯酚、苯胺、铅、福、乙醚、氯化物、硫酸盐等均有不同程度的毒性，但由于其成本低廉，着色力强、颜色鲜艳稳定而被广泛运用。 合成色素进入人体后会大量消耗体内解毒物质，干扰人体正常代谢功能并直接作用靶器官，其毒性表现主要有三方面：一般毒性(致肝炎、结石、过敏症等)，致泻作用(腹痛、腹泻、消化不良)，三致作用(致突变、致畸形、致癌)。合成色素中的某些组份可以导致生育力下降、畸胎等，并可以转换成致癌物质，其中偶氮化合物类合成色素致癌作用更明显。 6.2 合成色素导致现代少年儿童行为过敏 根据最新科学调查研究证明“少儿多动症”、少年儿童行为过激，表现出愈来愈任性、顽皮、反叛、情绪不稳定、脾气暴躁，自制力差等特点与长期过多食用含有合成色素的食品有关。中山医科大学资深儿科专家郑主任医师指出：少年儿童正处于生长发育期，体内器官功能比较脆弱，神经系统发育尚不健全，对化学物质敏感，若过久地进食含合成色素的食品，会影响神经系统的冲动传导，刺激大脑神经而出现躁动、情绪不稳、注意力不集中、自制力差、思想叛逆、行为过激等症状。同时由于肝脏解毒功能和肾脏排泄功能都不健全，致使大量消耗体内解毒物质，千扰体内正常代谢功能，从而导致腹泻、腹涨、腹痛、营养不良、智力低下和多种过敏症，如皮疹、寻麻疹、哮喘、鼻炎等，严重影响少年儿童的生长发育。 6.3 合成色素的其他危害 除了注意食品中合成色素的危害，非食品性合成色素的危害也不容忽视。非食品性合成色素主要包括三部分：化妆品中的合成色素，药品中的合成色素和饲料中的合成色素。大部分化妆品中都含有色素，化妆品中所含色素颜料大多是以煤焦油为原料的人工合成色素，有一定的毒性。化妆品中的色素还与人类皮肤的色素沉着有一定的关系，因属焦油衍生物的化妆品色素长期食用会对光线发生敏感反应，从而导致色素沉着，并伴有皮肤潮红、丘疹等炎症。色素还是导致人们对化妆品过敏的重要原因之一，常常会引起烧灼、骚痒、表皮脱落、疼痛等过敏症状。药品中的着色大都采用合成色素，这些色素与食品用合成色素完全一样，也主要是煤焦油色素，对于长期服药的慢性患者，其危害性尤为突出。 7  结束语 综上所述，天然色素的主要成份不但起着着色作用，而且具有营养、保健、药效等功能，对人体健康起着重要的保护作用。 目前，天然色素的应用已经初步发展起来，从营养品、化妆品和医药到食品添加保护剂，天然色素都取得了可喜的结果，展现出广阔的应用前景。 但是，要开发出天然、高效的天然食用色素，就必需做更细致的工作，以开发出更加稳定且具有生理功能活性的天然食用色素。 参考文献 [1]王桃云,万承永,王飞.我国天然植物色素研究与开发初探: 浙江林业科技,2001, 21 (2): 71－73. 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