苋菜红色素的化学问题研究进展

苋菜红色素的化学问题研究进展 摘要：天然苋菜红色素是一种安全的食用色素。由于苋菜分布广且工艺简单，色素相对安全无毒，所以作为食品添加剂它的开发和利用有着广阔的发展前景。本文综合概述了天然苋菜红色素的应用背景、结构性质以及多种常见的分离提取与测定方法。 Abstract: Natural amaranth pigment is a kind of security edible pigment. Because amaranth is wide-spread and the pigment is innocuity safety relatively,as a food additive,its exploitation and utilization have a wide development prospect. This paper summarized comprehensively natural amaranth pigment’s application background，structural property and many common methods of separation and extraction admeasurement. 关键词：天然苋菜红色素 结构稳定性 分离提取 分析测定 1 应用背景 1.1天然色素： 人工合成色素虽然色泽鲜艳，着色力强、坚牢度大、稳定性好，成本低廉，但是人们发了现合成色素的毒性甚至有些合成色素有致癌或诱导染色体变异作用，因而相继从各国许可使用色素的名单上撤除。有的国家甚至禁止使用任何合成色素。天然色素安全无毒，本身还具有一定的营养和药用价值，所以它是目前世界上食品工业中竞相重点开发的食品添加剂之一。 1.2来源广泛： 红苋菜作为长于南方的一年生草本植物，在田野、路旁和村庄的杂草中均有分布。叶呈紫红色，茎内部呈红色，含有清热解毒、清肝利胆、抗菌消炎等功效的活性因子，但大量红苋菜仅作为夏季普通蔬菜在售卖，经济效益低。因此加快苋菜红色素的研究和开发有长远意义。 1.3工艺优势： 天然苋菜红色素生产工艺简单,“三废”少，商品价格低廉，仅为合成苋菜红的1／5[1]。 2 化学结构与性质 2.1结构： 主要成份为苋菜苷和少量甜菜红苷等。 苋菜苷：R=β-D-吡喃葡萄糖基糖醛酸；分子式：C30H34O19N2； 甜菜红苷：R=H；分子式：C24H26O13N2[2]。 2.2性质：在读取了数篇关于苋菜红色素稳定性研究的文献后，汇总如下： 2.2.1吸收光谱：天然色素中含有大量非色素成分所以不能用一般测定色素质量的方法来表示。国际上惯用色价法，我国食品添加剂标准用吸光度表示。谢嘉霖[3]发现苋菜色素液在438、540、680nm均有吸收，对应颜色是黄绿、紫红和蓝绿，其中只有吸收波长为540nm的物质才是苋菜色素中的红色素。 2.2.2氧化剂：王怀宗[2]等人色素的吸光度随着氧化剂（H2O2）浓度的升高和时间的延长而降低，但用目视法看不出颜色变化，说明苋菜红色素有一定的抗氧化能力，因此利用这一特点添加此色素的食品不需要再加抗氧化剂和防腐剂，可以大大提高食品的安全性。 2.2.3还原剂：还原剂（Na2SO3）的还原能力越强，对苋菜红稳定性破坏越大。色素在保存和使用中应避免与还原剂接触。 2.2.4金属离子：在Ca2+、Cu2+、Na+、Fe2+、Pb2+、Zn2+、Fe3+、Al3+、K+里，Cu2+和Zn2+能够降低色素的吸光度，但是所有金属离子都没有改变色素的最大吸收波长，所以在色素生产和使用过程中应注意避免和Cu2+、Zn2+的接触。 2.2.5常用食品添加剂：柠檬酸、苯甲酸钠、抗坏血酸及葡萄糖、蔗糖等食品添加剂对苋菜红色素的影响均不明显，仅随浓度增加吸光度稍微降低，因此天然苋菜红色素可以与这几类食品添加剂共用。 2.2.6pH值: 胡喜兰[4]等人研究发现红苋菜色素在PH≤1和PH≥13时，颜色由玫瑰红变黄色，在可见区无吸收峰，在3≤PH≤11之间，最大吸收峰均在一处，且颜色无明显变化。由此可见，红苋菜色素在弱酸，弱碱和中性条件下比较稳定，而在强酸、强碱下不稳定。 2.2.7光照：黄丽莎[5]等人发现随着天数的增长，苋菜红色素吸光度逐渐变小，颜色有明显变化。说明该色素对光敏感，不能长期放于阳光直射处．而且要密封保存。 2.2.8温度：色素在常温下是紫红色；40℃加热后目视颜色基本不变；60℃加热后颜色略为变浅；80℃变化为橙色；而100℃加热后变为亮黄色。因此苋菜红色素在热条件下降解严重。 3 分离提取 3.1浸提法： 张萃明[6]发现用无水乙醇和NaOH溶液萃取色素变为黄绿色，而用NaCl溶液和水萃取有同等效果，于是用水做浸提剂。而潘其建[7]等人通过单因素实验确定40％乙醇为最佳提取溶剂，选取温度、时间、料液比3个因素正交试验，从极差分析得知提取率影响因素顺序为料液比＞提取时间＞提取温度。 最终确定的提取苋菜红色素的最佳条件：40％乙醇作浸提剂，料液比l：30，提取时间1.0h，提取温度30℃。过滤后的残渣再经浸泡2小时，将滤液合并并减压浓缩至一定量，离心分离8min(3000r／min)，将上清液于50℃、0.095MPa减压浓缩至粘稠，最后用乙醇精制，真空干燥，产率达到9.4%。 3.2微波萃取法： 王怀宗[2]等人则采取新兴的微波萃取技术，置阴处自然晾干、切碎的红苋菜于微波萃取罐，加入pH=5．0的NaOH和邻苯二钾酸氢钾缓冲液20 mL。设定多步微波萃取条件：温度40℃、压力0.3MPa,各步时间为3min、5min、5 min。微波萃取苋菜红色素，具有节省时间、提取率高、耗能低、溶剂用量少及操作简单、色泽鲜艳等诸多优点。 3.3超声法： 高英[8]等人采取超声萃取20min后过滤，残渣加入同样提取剂，再超声10min，过滤并将滤液合并，其余操作相同。虽然超声提取的产率6.9%低于浸提法，但省时省料，也防止了原料在浸泡过程中霉变。 3.4超滤-树脂联用技术： 张小曼[9]等人采用膜分离技术和树脂提纯方法联用对苋菜红色素分离提纯进行了尝试，并对超滤和树脂组合工艺进行了优化，最终确定了适宜的操作条件：：操作压差0.10 MPa，膜面流速1500 L/h。超滤液经HPD-100A 树脂吸附后用70 %乙醇洗脱、蒸发、干燥可得到纯度较高的苋菜红色素产品。 4 分析测定 常见的苋菜红的检测方法有HPLC法、示波极谱法、分光光度法、薄层色谱法和三氯化钛滴定法（标准法）等，现在汇总如下： 4.1HPLC: HPLC 法作为国家标准检验方法的第一法,其仪器分析灵敏度高、精密度好,是合适的仲裁分析方法。 章家伟[10]等人采用安捷伦C18柱，以甲醇-0.02mol/L乙酸铵溶液( 15:85)为流动相,流速为1.0 mL /min，检测波长为218 nm，柱温为35℃ 。结果: 苋菜红色素的线性较好, r= 0.9999,平均回收率为100.0%,；RSD= 0.23%,精密度也较好。通过精密度实重复性实验、稳定性实验、回收率实验以及检出限实验得出高效液相色谱法可作为苋菜红色素的定量依据。 莫翠云和曹玉珍[11]也采用反相高效液相色谱较好地测定了苋菜红及其主要降解产物，将该法应用于印染厂废水中分离出的希瓦氏菌新种S12对偶氮染料苋菜红的生物降解产物的分析。 4.2示波极谱法： 宋新[12]等人实验中设置极谱条件为：滴汞电极,三电极制,底液A的初始扫描电位为- 0.20 V , 终止扫描电位为- 0.90 V；底液B 的初始扫描电位为0.0 V ,终止扫描电位为- 1.0 V。用F 检验和t 检验对加标回收试验与对比试验的精密度与准确度结果进行验证，两种方法测定结果差异无统计学意义。 HPLC 法的色素提取步骤和谱图扫描时间较长,并且由于需要梯度洗脱装置,仪器价位较高。而示波极谱法测定食品中食用色素同样灵敏度高、精密度好，便于大批样品的常规分析,适合在基层疾病预防控制机构检测工作中普及应用。当不改变底液pH值时，还可用连续示波极谱法同时测定多种色素。 4.3分光光度法： 适用于饮料中两种色素在各自吸收峰干扰较少情况下的测定。李紫薇[13]等人采用紫外可见分光光度法同时测定市售醒目葡萄味饮料中苋菜红和柠檬黄的含量，原理是根据二者在可见光区吸收峰有部分重叠而吸光度有加和性原则。此方法测苋菜红色素的相对标准偏差（RSD）为0.10%，回收率为95.0%～98.1%，不需要进行色素的预分离。 4.4薄层色谱法： 戈早川和林辉概[14]在聚酸胺片上以13%SDBS+7%Triton X-100+(2+3)氨水为展开剂，用胶束薄层色谱法分离和测定了苋菜红等色素。设置狭缝宽度为2×2mm,在参比波长610nm、测定波长535nm处反射锯齿形进行扫描，测得线性范围为0.05 ～0.1。 4.5改良聚酰胺吸附—高效毛细管电泳内标法： 闰正[15]等人以日落黄为内标物，建立了碳酸饮料中亮蓝和苋菜红的高效毛细管电泳内标测定方法。设置毛细管有效长度40cm，内径75μm，分离电压20 kV，进样量14 kPa×3 s，室温下分离，缓冲溶液为10 mmol/L,磷酸氢二钠(pH8．56)。检测波长390nm。定量限为4.160 mg／L，回收率为94.07％一103．8％。 通过样品预处理的优化、背景干扰的扣除以及内标法定量，使得该方法定量的稳定性基本达到了HPLC水平，可满足实际样品测定。对于碳酸饮料中色素的内标测定法，应选择与被测组分性质相近的内标物质，即在样品预处理过程中，内标物与组分有相同的吸附特性，这样可避免由于吸附特性差异所带来的系统误差。碳酸类饮料由于组成简单，基质干扰较小，因而该方法用于此类饮料的测定。 5 结论 苋菜分布广且苋菜红色素安全无毒，制取工艺简单。 天然苋菜红色素易溶于水，不溶于无水乙醇、乙醚、石油醚等有机溶剂，在醇—水溶液中稍溶。最大吸收波长为540nm，在弱酸低温条件下较稳定，有一定抗氧化性，耐热性与耐光性较差，宜于低温和避光保存。 分离提取方法包括浸提法、微波萃取法、超声法以及超滤-树脂联用技术等，都可获得纯度较高的苋菜红色素产品，还有产率高、回收率高、节省原料等特点。 分析测定法包括高效液相色谱、示波极谱法、分光光度法、薄层色谱法、改良聚酰胺吸附—高效毛细管电泳内标法等，在可以对色素定量的基础上还各有优势。可以同时测定多种色素、分析降解产物、不需要预分离色素、可避免由于吸附特性差异引入的系统误差等。