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天然色素研究与应用

摘要: 本文关键叙述了天然色素特点与特征、 分类、 性质与作用、 应用与开发, 简明介绍了合成色素给大家带来危害, 提倡大家深入研制开发出品种多样天然色素。
关键词: 色素; 天然色素; 花色素; 应用开发;

1 天然色素概况
伴随社会进步, 天然色素在食品业和化妆行业使用逐步普及, 使用技术逐步提升, 天然色素逐步成为美化社会生活不可缺乏一部分。天然色素研究与开发受到世界各国重视。现在国际上已开发食用天然色素共100余种。中国正式同意(1998)共47种, 日本列为许可使用共102种, 欧共体13种, 英国26种。
现在, 中国提取天然色素原料多为植物性原料, 关键包含以下三种:(1)从人工种植植物中提取天然色素, 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。这些资源在中国取之不尽, 用之不完, 如能科学合理应用, 不仅能够大大降低天然色素成本, 增加经济收入, 而且对国家农业种植结构调整都将含有潜在意义[1、 2]。

2 天然植物色素特点及特征
2.1 天然色素呈色机理
植物花、 叶、 果实、 皮等往往展现出多种多样颜色, 这与植物本身内部天然色素相关。植物体内部分有机分子(色素)在阳光照射下, 吸收了一定频率有色光后, 使分子内电子发生振动跃迁现象。因为多种植物有机分子(色素)中电子成键能力不一样, 电子激发跃迁时所需能量也就不一样, 故对吸收光频率就有一定选择性。不一样植物含有合成适应本身特点有机色素分子能力各有差异, 所以, 不一样植物就表现出不一样体色及花色, 从而使大自然展现出姚紫嫣红漂亮景色。
2.2 天然植物色素特点
(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, 它们不仅含有着色作用, 而且含有增强人体功效、 保健防病等功效;
(3)天然色素着色色调比较自然, 愈加靠近天然物质颜色;
(4)天然色素对pH值改变十分敏感, 色调会随之发生很大改变。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, 也存在部分缺点:
(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值等改变敏感, 稳定性较差[4];
(4)天然色素种类繁多、 性质复杂, 就一个天然色素而言, 应用时专用性较强, 利用范围较窄。
2.3 天然色素特征
2.3.1 溶解性
天然植物色素中以叶绿素为关键代表吡咯色素, 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, 通常难溶于水和乙醇, 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关键成份, 通常易溶于极性溶剂, 难溶于非极性溶剂。
2.3.2 在不一样pH值下显色
天然色素中类胡萝卜素是包含红色、 橙色及黄色在内一大类色素, 它对pH值适应性强, 颜色不会因酸碱性不一样而轻易改变。类黄酮可展现出浅黄至深黄多种色泽, 酸性越强, 黄色就变得越浅, 碱性越强, 黄色就变得越深。花青素展现色泽是一个幅度较大色域, 如橙色、 红色、 紫色、 蓝色等, 它因酸碱性改变所引发颜色改变更大, 通常酸性时呈红色, 中性时呈紫色, 而碱性时呈蓝色。
2.3.3 稳定性
通常对天然色素稳定性检验关键考虑以下几方面原因:第一, pH值影响: 它是指色素在不一样酸碱条件下, 其色泽稳定情况或改变规律等; 第二, 光照影响: 通常是指在紫外线和阳光直射条件下色泽改变情况; 第三, 温度影响: 关键考察在不一样环境中色素耐热性; 第四, 金属离子影响: 是指食品中常见金属离子Na+, Ca2+,Cu2+, Mg2+,
A13+,Fe3+ ,Zn2+等对色素影响。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作用; 第五, 色素抗氧化和还原能力: 试验中常见抗氧化剂和还原剂有H2O2,NaClO,Vc,K2S2O8,Na2S2O3等; 第六, 碳水化合物影响: 在一定浓度色素溶液中加葡萄糖、 蔗糖、 可溶性淀粉等试验色素稳定性。

3 天然色素分类
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, 关键从植物组织中提取, 也包含来自动物和微生物部分色素。合成色素是指用人工化学合成方法所制得有机色素, 关键是以煤焦油中分离出来苯胺染料为原料制成。
天然色素可依据化学结构、 起源、 溶解性等分类:
按起源可分为: 植物色素、 动物色素和微生物色素三大类;
按其溶解性质不一样又可分为水溶性色素和脂溶性色素;
按其化学结构分类, 能够分为以下五大类:
3.1 类胡萝卜素类
多烯类色素是由异戊二烯(CH2=C(CH3)-CH=CH2)残基为单元组成共轭双键相连一类色素, 为脂溶性色素。类胡萝卜素是多烯类色素代表, 它是胡萝卜素(carotene)和胡萝卜醇(xanthophylls)总称。它们广泛分布于生物界中, 现在已发觉类胡萝卜素就有600多个。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, 这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, 这类色素是共轭多烯含氧衍生物, 辣椒红素、 玉米黄素、 叶黄素等都是这类色素。
类胡萝卜素类是国际公认含有生理活性功效性抗氧化剂, 单线态氧有效淬灭剂, 能消除羟基自由基, 在细胞中与细胞膜中脂类相结合, 有效抑制脂质氧化。较多地摄入类胡萝卜素能降低老年性前列腺症和老年性视网膜黄斑变性[5]。最近还报道说它们在抗癌、 抗衰老等方面也有不少创新功效价值, 因这类胡萝卜素类色素是一类开发前景十分宽广功效性食品添加剂。
3.2 花青素类
花色素又叫做花青素, 存在于植物果实、 花、 茎和叶中液泡内, 是植物体内一个水溶性色素。因为多种花色素分子结构上差异或酸碱度不一样, 花色素就显出红、 紫、 蓝等不一样颜色。花青素广泛存在于植物花、 果实、 根、 茎、 叶中, 是多种花色苷总称。据初步统计, 27个科, 72个属植物均含花青素[6]。现在已知有20多个, 通常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, 组成了色素王国中绝大部分, 而且生理活性也高, 它是羟基供体, 自由基清除剂[8], 在眼科学和诊疗多种血液循环失调疾病等方面都有疗效。
3.3 黄酮类色素
黄酮类色素是广泛分布于植物组织中一类天然色素, 多呈浅黄色乃至无色, 少数为鲜亮橙黄色。通常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黄酮类化合物, 广泛存在于蔬菜、 水果及中草药中, 现在己知这类色素有400余种[9、 10]。
最近众多研究结果表明: 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, 能够降低氧化对花青素破坏作用且起到一定增色效果。所以伴随科学技术及其仪器分析发展, 黄酮类色素王国组员还将会不停扩大, 对其生理功效活性方面基础理论研究也将会深入深入, 这必将为天然色素合理、 科学、 广泛地应用提供科学依据和宽广天空。
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叶绿体中。这类色素关键包含叶绿素及其铜钠盐、 锌钠盐。叶绿素广泛存在于高等植物叶、 果实和藻类中, 和蛋白质形成叶绿体, 是绿色植物中绿色起源, 也是植物进行光合作用所必需催化剂, 常见有蚕纱、 苜蓿、 菠菜、 玉米穗丝、 萝卜叶、 三叶草、 雏菊、 甘蓝、 竹叶、 松针叶等。
叶绿素含有补血、 促进造血、 活化细胞、 抗菌消炎等功效, 多年来还发觉叶绿素有抑制癌细胞生成作用, 所以是一个非常健康食用色素。叶绿素锌钠在医用上能用于诊疗慢性骨髓炎、 慢性溃疡、 皮肤创伤、 白血球降低等症, 在食品工业上是很好着色剂和营养强化剂, 在日用化工上可用于化妆品、 牙膏等产品添加剂。叶绿素铜钠除了作为一个绿色素、 脱臭剂外, 在医学上也有很多生理功效, 如叶绿素铜钠盐或其衍生物能促进机体细胞新陈代谢、 胃肠溃疡面愈合及肝功效恢复, 能用于诊疗传染性肝炎、 痔疮、 白血病、 子宫疾患及胃和十二指溃疡等, 还能促进造血机能及促进放射线损伤机体恢复。所以它们现有利于大家健康, 同时也满足了大家对食品美观要求, 是一类非常理想食用天然色素。
3.5 其它类
关键指红曲色素、 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、 提升产品保质期作用外, 还含有抗菌作用。另外, 红曲色素作为中药还含有降脂、 降压、 降糖、 抑制肿瘤细胞及诊疗痢疾和胃病等功效。
姜黄色素, 因其着色力强且含有抗炎症、 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, 是难得药食两用药材, 同时还是一个香料。不过它最关键生理功效为抗氧化功效, 以及与之相关生理功效, 如它能够保护细胞组分子不被破坏, 对癌症引发有抑制作用, 甚至有报道说它还含有抗HIV病毒功效等。
紫草作为中草药, 其临床已经有相当长历史, 含有凉血、 活血、 解毒、 透疹功效和抗炎、 抗菌、 抗病毒等作用。而从中提取紫草色素, 是一个很有前途生物色素, 其鲜艳明亮红色用作化妆品添加剂, 能显著提升化妆品抗菌、 消炎、 润肤、 消斑功效; 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、 防病抗癌等功效。
4 天然色素生理功效
天然色素中有是从长久食用生物体可食性部分提取, 有是从药食两用植物之根、 茎、 叶、 果实中提取, 有是从生物体外壳或果皮中提取。从天然色素原料起源能够看出, 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。
即使多种天然色素关键成份不一样, 但现代科学研究已表明, 天然色素中有是大家必需维生素起源, 有参与生理代谢, 有含有抗菌、 防治疾病作用。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产品, 其中α-胡萝卜素是A类营养色素, 在医学上对诊疗VA缺乏和光敏感患者有显著作用, 同时还含有防癌、 抗癌、 预防心血管疾病等功效; 醌类色素则含有抗菌、 抗癌、 抗病毒作用, 有些醌类色素还含有凝血作用[11]; 栀子黄色素是从茜草科栀子果实中提取, 是很好着色剂, 含有镇静、 止血、 消炎、 利尿、 退热等药效。
值得一提是, 最近大家已发觉天然色素含有抗氧化作用。花色素是一个强有力自由基捕捉剂[12]。自由基是带有未成对电子分子, 因为未成对电子趋向成对, 自由基化学性质非常活泼, 它经过抢夺电子形式破坏其它分子[13]。体内正常新陈代谢产生一定量自由基, 通常自由基产生和清除是平衡, 但因为环境污染、 重金属、 紫外线、 食品中添加剂等影响, 自由基会在体内积聚, 造成多个疾病。花色素能够清除体内过多自由基, 恢复代谢平衡, 诊疗。对一系列由自由基造成损伤引发疾病, 如炎症疾病、 心血管疾病、 血循环障碍、 关节炎、 循环疾病、 神经疾病和很多与衰老相关疾病等均含有预防和改善作用。花色素体内吸收快, 能经过血脑屏障, 可对自由基所造成脑和脊髓神经损伤起保护作用, 避免所以而引发帕金森氏综合症、 早老性痴呆症等。

5 中国天然色素存在问题
因为天然色素性质不稳定, 应用过程中轻易受到部分原因如光照、 温度、 氧化、 pH值、 介质极性、 金属离子、 多种添加剂等影响而发生色调、 吸光度等方面改变, 而影响食品着色效果, 极大地阻碍了天然色素作为食品添加剂应用于食品工业进程。中国天然食用色素产业是改革开放以来, 伴随食品工业蓬勃发展而壮大起来。即使发展非常快速, 但也存在着很多问题, 如:
①现在, 中国色素生产与国外色素生产相比, 普遍存在成本较高, 提取效率较低现象。中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。所以, 必需不停创新。在天然色素生产过程中, 能够采取以下高新技术: 基因工程、 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。采取高新技术, 提升设备装备水平, 是提升天然色素收率、 产量、 确保优质基础。
②中国各天然色素生产企业通常规模都偏小, 产品单一, 经济效益不显著, 抗风险能力差。多数工厂生产是原料型天然色素, 通常不能直接使用, 所以价格低, 经济效益不高。就某一个天然色素而言, 企业也没有完全做到标准化、 系列化, 欠缺实用技术开发。所以, 应该激励企业与科研单位结合, 使科研结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, 很多单位只重视开发, 不重视保护, 致使资源枯竭。我们应尽可能把资源开发与资源保护相结合, 发展人工栽培, 填补天然资源之不足以利于连续利用。
④现在色素研究中, 色素除杂工艺研究不多, 应该加大除杂工艺研究力度, 以提升色素产品质量。
⑤现在对色素毒理学评价、 色素性质及系统检测方法还不尽完善, 应立刻加以完善, 以愈加好地促进中国天然色素研究和利用。
所以在开发应用天然色素过程中应注意利用天然色素性质, 因势利导, 发挥其所长; 改善生产工艺, 提升产品质量; 制订对应经济政策和计划等等。

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, 而且其化学组成物质本身对人身体有害, 同时在合成过程中产生杂质如砷、 汞、 苯酚、 苯胺、 铅、 福、 乙醚、 氯化物、 硫酸盐等都有不一样程度毒性, 但因为其成本低廉, 着色力强、 颜色鲜艳稳定而被广泛利用。
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效并直接作用靶器官, 其毒性表现关键有三方面: 通常毒性(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)。合成色素中一些组份能够造成生育力下降、 畸胎等, 并能够转换成致癌物质, 其中偶氮化合物类合成色素致癌作用更显著。
6.2 合成色素造成现代少年儿童行为过敏
依据最新科学调查研究证实“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、 脾气急躁, 自制力差等特点与长久过多食用含有合成色素食品相关。中山医科大学资深儿科教授郑主任医师指出: 少年儿童正处于生长发育期, 体内器官功效比较脆弱, 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食品, 会影响神经系统冲动传导, 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。同时因为肝脏解毒功效和肾脏排泄功效都不健全, 致使大量消耗体内解毒物质, 千扰体内正常代谢功效, 从而造成腹泻、 腹涨、 腹痛、 营养不良、 智力低下和多个过敏症, 如皮疹、 寻麻疹、 哮喘、 鼻炎等, 严重影响少年儿童生长发育。
6.3 合成色素其她危害
除了注意食品中合成色素危害, 非食品性合成色素危害也不容忽略。非食品性合成色素关键包含三部分: 化妆品中合成色素, 药品中合成色素和饲料中合成色素。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人工合成色素, 有一定毒性。化妆品中色素还与人类皮肤色素沉着有一定关系, 因属焦油衍生物化妆品色素长久食用会对光线发生敏感反应, 从而造成色素沉着, 并伴有皮肤潮红、 丘疹等炎症。色素还是造成大家对化妆品过敏关键原因之一, 常常会引发烧灼、 骚痒、 表皮脱落、 疼痛等过敏症状。药品中着色大都采取合成色素, 这些色素与食品用合成色素完全一样, 也关键是煤焦油色素, 对于长久服药慢性患者, 其危害性尤为突出。

7 结束语
总而言之, 天然色素关键成份不仅起着着色作用, 而且含有营养、 保健、 药效等功效, 对人体健康起着关键保护作用。
现在, 天然色素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结果, 展现出宽广应用前景。
不过, 要开发出天然、 高效天然食用色素, 就必需做更细致工作, 以开发出愈加稳定且含有生理功效活性天然食用色素。

参考文件
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