植物色素在食品工业上的应用及开发前景.pdf

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1、天然植物色素开发现状及发展前景 摘要:本文阐述了天然植物色素的特性、应用现状,并结合开发技术的介绍,探讨了其发展前景。关键字:天然植物色素;开发现状;前景 天然植物色素是天然色素(包括动物色素、植物色素和微生物色素)的主要部分,作为食品添加剂和染色剂有着悠久的历史。在一个相当长的历史时期中,植物色素的应用一直局于主导地位。1856 年英国人 W.H.Perkis从煤焦油合成了第一个有机色素苯胺紫,此后合成色素逐步在工业化的食品、制药及化妆品等行业中的应用比例上升,并且由于其低成本、高稳定性和色彩的亮丽而得到广泛应用。然而在合成色素主导了色素市场一个半世纪后,随着科学技术的进步,特别是医学毒理学

2、和生物学试验的深入研究,发现合成色素多为焦油类物质,化学结构含有苯环或萘环,确认了部分合成色素在人体代谢过程中产生毒性,具有潜在的致癌及其他毒副作用,使合成色素的应用种类迅速下降,应用范围受到严格限制。与此同时,天然色素产业以工业化生产的方式重新崛起,呈现出新的强势发展的势头;天然色素代替合成色素在食品、化妆品和药品作为着色剂已成为必然的发展趋势。随着人们生活水平的日益提高,人们也越来越重视食品安全。作为食品添加剂之一的色素,也成为了食品安全的焦点。近年来,国家加强了对合成色素添加剂的管理,比如禁止使用色素“苏丹红一号”,严格控制柠檬黄、日落黄等色素在食品上的使用。随着科技的发展,越来越多的植

3、物色素被开发、使用,逐步替代传统合成色素。1 天然植物色素分类1 按植物色素化学结构归类,可分为花色苷(花青素)类、类胡萝卜素(多烯色素)类、黄酮类、四吡咯类、醌类、焦糖类及其他类。1.1 吡咯色素 吡咯色素一般称为叶绿素,叶绿素是一原子镁和卟啉构成的化合物。研究得较多的是叶绿素 A 和叶绿素 B。1.2 多烯色素 多烯色素是由异戊二烯残基为单元组成的共轭双键相连为基础的一类色素。这类色素又称为类胡萝卜素。类胡萝卜素按其结构和溶解性分为两大类:(1)胡萝卜素类,此类色素结构中古有大量共轭双键。如番茄红素及、-胡萝卜素等都是此类色素。(2)叶黄素类,此类色素的结构是共轭多烯烃的加氧衍生物。玉米黄

4、素、胭脂树橙色素、藏花酸等都是此类色素。1.3 酚类色素 酚类色素是多元酚的衍生物,它又可分为如下两类色素:(1)花青素类,这类色素的基本结构是 2-苯基苯并吡喃,即花色素基元。天竺葵色素,矢车菊色素,飞燕草色素,黄刺玫色素等都属于花青素类。(2)花黄素类,此类色素中一般具有 2-苯基苯并吡喃酮结构。高梁色素、菊花黄素、红花素、圣草素等都属于此类色素。1.4 酮、醌类色素 酮、醌类色素中含有酮类结构或醌类结构。散抹花、胡桃酮、白花丹素、芒果叶素都属于此类色素。1.5 其他天然植物色素 自然界中还有许多在结构上不同于上述物质,但属于色素的化合物。即使已经知道属于那一种化学结构类型,但由于来源不同

5、,化学结构上某些差异,所表现出来的性质也不同。天然植物食用色素管理上,也住往作为一个新品种加以研究。例如狐衣酸色素、吡咯-吡喃酮类等。2 植物色素特性 2.1 植物色素天然特性 天然色素在植物体中大量分布,并参与植物体的生物活动。植物色素所表达出的绚丽色彩是与其发色团和助色基密不可分的。有机物分子于紫外及可见光区域内(200-770nm)具有吸收峰的基因称为发色团(生色团或生色基),能显示颜色的各类色素都是由发色团和助色基所组成的,属于这些基团的有 C=C、C=0、-C-H、-C-OH、-N=N-、-N=0、-N0 2 、-C=S 等,当化合物的分子中有两个或两个以上的发色团共轭时,由于共轭体

6、系中电子的离域作用,使分子对光的吸收向长波方向移动,共轭体系越长,该物质吸收峰所对应的波长也就越长,当物质吸收光的波长 移至可见光区域内时,则该物质呈色;而有些基团如-OH、-OR、-NH 2、-NR 2 、-SR 1 、-Cl、-Br 等,它们本身的吸收波段在紫外区,这些基团如果与共轭键或发色团相 连,则可以促使共轭键或发色团的吸收波段向长波的方向移动,这些基团称为助色基,其特点是均含有未共用电子对,并可与发色团或共轭键共轭2。2.2 植物色素的食用特性:(1)绝大多数植物色素无副作用,安全性高。(2)植物色素大多为花青素类、类胡萝卜素类、黄酮类化合物,是一类生物活性物质,是植物药和保健食品

7、中的功能性有效成分。鉴于植物色素作为着色用添加剂而应用于食品、药品及化妆品中,用量达不到医疗及保健品的量效比例,在保健食品应用中,这一类植物色素可分别发挥增强人体免疫机能、抗氧化、降低血脂等辅助作用;在普通食品中有的可以发挥营养强化的辅助作用及抗氧化作用。(3)植物色素的着色色调比较自然,既可增加色调,又与天然色泽相近,是一种自然的美。(4)植物色素在植物体中含量较少,分离纯化较为困难,其中有的共存物存在时还可能产生异味,因此生产成本较合成色素高。(5)大部分植物色素对光、热、氧、微生物和金属离子及 pH 值变化敏感,稳定性较差;使用中一部分植物色素须添加抗氧化剂、稳定剂方可提高商品的使用周期

8、。(6)大部分植物色素染着力较差,染着不易均匀,不具有合成色素的鲜丽明亮。(7)植物色素种类繁多,性质复杂,应用时专用性较强,应用范围有一定的局限性。3 植物色素的生产工艺 植物色一般的主要提取工艺过程为:原料处理-溶剂萃取-分离及纯化-浓缩及干燥。3.1 原料处理 原料处理包括:原料分级、清洗、破碎。其中破碎度将直接影响浸提工艺,适当的原料粒度将提高萃取的效率,降低杂质对过滤的影响。3.2 植物色素提取方法:3.2.1 溶剂萃取法 根据植物色素的溶解性,利用水、食用酒精及其他有机溶剂,使植物色素溶解于溶剂中,然后经过分离、提纯等工艺过程得到最终产品。这种方法具有耗时、低效、低品质、操作复杂等

9、缺点。3.2.2 微波、超声波辅助萃取法 采用微波、超声波等物理场辅助萃取,将可强化溶剂萃取过程,有利于缩短工艺时间和提高产品得率。超声波辅助萃取技术主要利用超声振动产生的能量及超声空化作用,使介质结构发生变化,促使植物细胞壁破裂,从而改变细胞质膜的通透性,促进细胞内外物质的交换,使细胞内提取的目标成分(色素)迅速地溶解于溶剂之中;辅助萃取技术的原理则是在溶剂萃取的基础上,利用不同结构的物质吸收微波能力的差异,使植物组织中的细胞体被选择性加热,促使细胞壁破裂,使目标成分(色素)迅速溢出,进人到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取溶剂中。物理场辅助萃取具有热效率高、省时、产品质量高、原料的利用

10、率商、设备简单等优点。3.2.3 超临界流体萃取技术 超临界流体萃取技术主要利用流体在临界点压力和温度的微小变化可导致流体密度相当大的变化,改变临界点附近的压力和温度即可进行定向萃取,并且具有远大于液态下的萃取速率。由于 CO 2 的临界温度接近于室温(31.1)、临界 压力处于中等压力之间(2.38MPa),超临界 CO 2 技术得到了较多应用。CO 2 无毒安全,有极强的均一化作用,液态的及超临界态的 CO 2 能与众多非极性、弱极性化合物 混溶;对强极性官能团的引进会使化合物溶解度降低,对于无机盐、极性较强的物质(如糖类、氨基酸、淀粉及蛋白质)和相对分子质量超过 500 的高分子化合物

11、几乎不溶3。超临界 CO 2 萃取产品纯度高,无有机溶剂残留,已在辣椒红色素、番茄红色素及-胡萝卜素提取中得到成功应用。3.2.4 生物技术生产天然色素 由于天然色素使用天然原料来提取,受外界因素影响较大,为了解决这个问题,人们开始采用生物技术来生产天然色素。选取含有植物色素的细胞,在人工控制条件下进行培养、增殖,可在短期内培养出大量的色素细胞,然后用常规方法提取。这种方法不受自然条件的限制,能在短期内生产大量的色素。此外工业上还采用超临界液体萃取等方法。而对植物色素的提纯主要采用酶精制法、超滤精制法、吸附树脂精制法、凝胶层析法等。3.3 植物色素的纯化 3.3.1 大孔树脂吸附分离技术 大孔

12、树脂吸附分离技术主要利用多孔树脂的物理吸附及解析功能进行目标产物的分离纯化。根据大孔吸附树脂的物理性能即孔结构(孔径、孔度、孔容、比表面积)、化学性能即极性(非极性、弱极性、中极性及强极性)选择适当的树脂是应用这一技术的关键4。植物色素分离工艺过程的主要影响因素为溶剂种类、pH 值及溶剂浓度等。采用醇沉法、离子沉淀法及微滤技术与大孔吸附树脂技术相结合,能更有效地去除杂质固形物,选择性地保留有效成分(色素)。3.3.2 膜分离技术 膜分离技术是采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,将溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。膜是膜分离技术中的核心,膜材料的物化性质和膜的选

13、择透过性对膜分离的性能和效率起着决定性的影响。膜分离方法及膜类型选择确定后,其溶液的流速、操作压力是主要工艺参数。膜分离是一个高效的过程,在分离过程中不发生“相”的变化,并且通常在室温下进行,这对于在热条件下的植物色素不稳定的特性,其工艺条件尤其适应;膜分离过程可以同时实现分离和浓缩,可大大提高过程效率,有利于降低能耗;膜分离过程可实现连续操作,单元工艺和设备易与其它分离过程耦合。膜分离技术的特点使其在植物色素的制备中应有较大的发展空间。3.4 浓缩干燥 浓缩一般是利用加热的方法将溶液加热至沸腾状态,使其中的溶剂部分汽化并移出(或溶剂回收),以提高溶液中的溶质浓度和分离溶剂的过程。浓缩实质为蒸

14、发操作。蒸发的形式主要分为常压蒸发和减压蒸发。在较高的真空度条件下,溶液的沸点降低,在加热蒸汽温度一定时,蒸发器传热的平均温差增大,所需传热面积减小,并可利用低压蒸发或废热蒸汽加热,故一般多采用减压蒸发(或称真空浓缩)。干燥工艺除考虑植物色素热敏性的特点外,应考虑色素产品的颗粒细微和分散均匀的商品要求,不宜采用普通烘干技术,一般选用喷雾干燥技术可以达到均匀干燥的要求。4 植物色素的应用现状和发展前景 随着食品安全观念的加强,植物色素被越来越多食品企业和消费者采纳。目前世界天然色素销售额的年增长率高达 10%左右,合成色素的年增长率仅为 3%左右。据估计,目前世界食品色素贸易额在 9.4 亿美元左右,其中天然色素 2.5 亿美元,天然来源色素 1.89 亿美元,焦糖色素 l 亿美元。国外天然色素 94 种,合成色素 58种。美国允许使用的天然色素品种为 26 个。日本是世界上使用天然色素最多的国家之一,收入食品添加剂目录的品种有 2O 多种。欧共体批准使用的天然