天然色素微膠囊化研究進(jìn)展

1、天然色素微膠囊化研究進(jìn)展楊占苗 郭威 肖 娟 高 峰 (華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廣州 510631E-mail :peark0041摘要:天然色素是從各種植物、 動物及礦物質(zhì)中提取得到或天然存在色素的合成復(fù)制品, 具有許多生理功能。 它對外界環(huán)境因素十分敏感, 通過微膠囊化技術(shù)能夠改進(jìn)色素對外界環(huán) 境因素的敏感程度。 本文主要介紹了色素穩(wěn)定性的效應(yīng)以及天然色素微膠囊化常用的壁材和 方法。關(guān)鍵詞:天然色素,微膠囊化,穩(wěn)定性中圖分類號:1. 引言色素(pigment 是指動、植物或微生物中天然存在的有色物質(zhì)以及人工合成的有色物 質(zhì) 1。 根據(jù)其來源的不同, 分為天然色素和合成色素兩大類。 合成色

2、素主要屬于苯胺類色素, 其中有的在人體內(nèi)可以形成致癌物質(zhì) -萘胺和 -氯基萘酚 2。 而天然色素實質(zhì)上是由美國 食品及藥物管理局認(rèn)為為 豁免證明 的色素,是從各種植物、動物及礦物質(zhì)中提取得到或 天然存在色素的合成復(fù)制品(歐美已將人工合成的 -胡蘿卜素視為天然色素或天然同一色 素 3。大多數(shù)天然食用色素具有很好的抗氧化作用,有不少種類兼有藥理和美容的作用。 研究表明,給小鼠喂食紫色甘薯中?；ㄉ?(PSA,抗氧化能力顯著提高, 30分鐘后小鼠 血漿中的抗氧化劑水平由(58.0±12.0 mol/L增至 (89.2±6.8mol/L4;食用類胡蘿卜素豐富 的食物能夠降低心血管

3、疾病的發(fā)生,同時還能起到美容的作用 5。隨著消費者對合成色素安全性的擔(dān)憂, 在食品領(lǐng)域, 天然食用色素取代合成色素成為主 要食用色素是未來食品工業(yè)發(fā)展的趨勢。 然而, 與合成色素相比, 天然食用色素穩(wěn)定性較差, 價格貴, 在加工及流通過程中易受外界條件的影響。 另外從植物中得到的色素較不穩(wěn)定, 色 度變化大, 以及共存成分的影響, 使天然食用色素有異味、 異臭 3。 因此限制了它們的應(yīng)用。 微膠囊技術(shù)是指利用成膜材料將固體、 液體或氣體囊于其中, 形成直徑幾十微米至上千 微米的微小容器的技術(shù) 6。它已被應(yīng)用于一些天然色素提取后的加工過程中,不僅提高天然 色素對外界環(huán)境的穩(wěn)定性,而且利用微膠囊的

4、緩釋功能,使色素的功效得到更充分的發(fā)揮。 目前, 國內(nèi)外對色素的理化性質(zhì)及其微膠囊化作了一些研究, 并取得了可喜的進(jìn)展。 本文將 對此作一一概述,旨在為天然色素的開發(fā)利用提供參考。2. 天然色素天然色素種類很多,在食品工業(yè)中主要應(yīng)用的有類胡蘿卜素類 (梔子黃、辣椒紅、胭脂 樹色素 、卟啉類 (葉綠素、血紅素 、類黃酮類 (葡萄皮色素紅、甘藍(lán)色素、紅花黃色素、可 可色素 、 ¦Â-花青素類 (甜菜紅 和醌類 (蟲膠色素、胭脂蟲色素 等 7。根據(jù) GB2760-1996,我 國已批準(zhǔn)使用的食用天然色素共 48種 2。天然色素在生物體內(nèi)時通常處于穩(wěn)定狀態(tài),提取 后,受外界環(huán)境影響

5、,常變色變質(zhì) 7。 因此,天然色素的不穩(wěn)定性限制其在食品工業(yè)中的應(yīng) 用 8。在影響天然色素穩(wěn)定性的外界環(huán)境因素中,通常有光、熱、 pH 、金屬離子等。 廣東省科技計劃項目(2004B201010142. 1天然色素對光和熱的穩(wěn)定性總體而言, 大多數(shù)天然色素對光和熱的穩(wěn)定性比較好, 但不同色素對光和熱的穩(wěn)定性存 在一定的差異。紫甘薯色素、辣椒紅素、胭脂紅素日光下照射 2小時后,辣椒紅色素的吸光 值下降近 80%,而紫甘薯色素和胭脂紅色素幾乎沒有下降 9; 墨紅 (一種雜交月季品種 、 桑 椹、紅葉甜菜三種紅色素,在 100時,墨紅色素和甜菜紅色素?fù)p失率為 100%,而桑椹紅 色素?fù)p失率為 19.

6、 6%10;紫甘薯、紫葡萄、紫蘇、黑米、紫李、黑豆六種紅色素在 90條 件下 3小時,紫薯的吸光值變化率為 13.7%,葡萄的吸光值變化率為 49.7%,紫蘇的吸光值 變化率高達(dá) 59.8%, 紫米的吸光值變化率為 13.2%,李皮的吸光值變化率為 15.7%,而黑豆 的吸光值變化率為 55.6%11。2. 2天然色素對 p H 的穩(wěn)定性酸堿度是影響天然色素穩(wěn)定性的重要因素。 (給你換了順序在不同 pH 值的條件下天 然色素會呈現(xiàn)不同的顏色及吸光值的變化,這主要是因為在不同的 pH 中,色素的分子結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化 7。葡萄籽花青素在 pH 2時,顏色為玫瑰紅色,在 pH 4時,顏色逐漸變?yōu)榘?藍(lán)

7、最后呈褐色 12; 玫瑰茄色素在不同 pH 值條件下的吸收曲線大不一樣, 呈現(xiàn)的色澤也不同, pH 值為 4時呈鮮紅色, pH 56時為橙色, pH 7以上則呈青紫色 13;紫色甘薯色素在酸性 條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在堿性條件下,隨著溶液 pH 增加,吸光值逐漸下降,當(dāng)溶液的 pH 大于10時,吸光值大幅度降低,尤其是強(qiáng)堿性下甚為明顯,其下降幅度達(dá)到 67%14。2.3天然色素對金屬離子的穩(wěn)定性金屬離子的存在對于天然色素的穩(wěn)定性影響也非常明顯, 它可以直接和色素發(fā)生反應(yīng)引 起色變,甚至生成沉淀,也可以在貯藏過程中促進(jìn)氧化反應(yīng),加速褪色 13。少量 Fe 3+能使山 楂紅色素溶液由紫紅色透明狀態(tài)變成褐

8、色半透明狀態(tài) 15; 紫色甘薯色素溶液中加入 Sn 2+, 色 素液顏色加深并生成沉淀 16; Fe 3+會使山茶紅色素溶液褪色,隨離子濃度的增加,易產(chǎn)生 褐色沉淀 17。3.天然色素的微膠囊化天然色素易受外界環(huán)境條件的影響發(fā)生變色變質(zhì), 因此常采用色素的精制、 改性、 加入 抗氧化劑、穩(wěn)定劑、金屬離子封鎖劑等方法提高色素的穩(wěn)定性 3。微膠囊化技術(shù)是近年來發(fā) 展起來的一種新技術(shù), 通過微膠囊化處理可以提高色素的穩(wěn)定性、 改善溶解性, 為天然色素 的利用提供了便利的條件。3. 1微膠囊技術(shù)的原理微膠囊技術(shù)的基本原理是針對不同的芯材和用途, 選用一種或幾種復(fù)合的壁材進(jìn)行包覆 18。微膠囊是由芯材和

9、壁材組成。由于作為芯材的天然色素有的呈水溶性,有的為脂溶性。 一般來說, 脂溶性芯材應(yīng)采用水溶性壁材, 而水溶性芯材必須采用脂溶性壁材 18。 在食品工 業(yè)中,基于產(chǎn)品用途的特殊性和食品安全性的考慮,選用壁材必須是無毒害、無異味、不與 芯材發(fā)生反應(yīng)的材料。3. 2天然色素微膠囊壁材微膠囊化的壁材是包埋芯材所使用的物質(zhì),其特性是影響微膠囊特性的至關(guān)重要的因 素。 無機(jī)材料和有機(jī)材料都可以作為微膠囊的壁材。 目前, 用作微膠囊壁材的材料主要分為 天然高分子材料(如各種淀粉、蛋白質(zhì)和膠 、半合成高分子材料(如羧甲基維生素、甲基 維生素等改性淀粉和全合成高分子材料(如聚丁二烯、聚乙烯、聚己二醇等 19

10、。在食品工業(yè)中, 選擇壁材的基本原則是:能與芯材相配伍但不發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 能滿足食品工業(yè)的安 全衛(wèi)生要求,同時還應(yīng)具備適當(dāng)?shù)臐B透性、吸濕性、溶解性和穩(wěn)定性等特性 18。目前,天然色素的微膠囊化中,一般選用水溶性膠類、淀粉、糖、纖維素衍生物、動物 膠、酪蛋白、海藻酸鹽等物質(zhì)。如阿拉伯膠、明膠、海藻酸鈉 , 羧甲基纖維素、甲基纖維素、 聚乙二醇、聚乙烯醇、大豆分離蛋白 (SPI、酪蛋白、酪蛋白酸鈉等 20。在實際應(yīng)用中常將幾 種壁材混和使用。 鐘耀廣等選用麥芽糖、 ¦Â-環(huán)糊精和阿拉伯膠為壁材將亞硝基亞鐵血色原色 素微膠囊化, 最佳組合的壁材為麥芽糊精 (55%, ¦

11、Â-環(huán)糊精 (25%, 阿拉伯膠 (20%21; 花青素 的微膠囊壁材為明膠 /海藻酸鈉 (1:4 ,殼聚糖 (0.75% 22。因此,應(yīng)根據(jù)制作微膠囊方法以 及色素的種類選用不同的微膠囊壁材,并且篩選適當(dāng)?shù)谋诓脑吓浔取?. 3天然色素微膠囊化的方法依據(jù)囊壁形成的機(jī)制和成囊條件, 微膠囊化方法大致可以分為三類:即物理法, 化學(xué)法, 物理化學(xué)法 19。物理法主要是采用物理的方法把壁材從連續(xù)相中分離出來, 包括有噴霧干燥法、 噴霧冷 卻法、流化床法、擠壓法、旋轉(zhuǎn)分離與離心共擠出法、凝聚法、超臨界流體快速膨脹法、分 子包接法 32。 其中, 物理法中的噴霧干燥法微膠囊技術(shù)是將囊心物質(zhì)首先

12、分散于壁材物質(zhì)形 成的溶液中,而后進(jìn)行均質(zhì)乳化,最后在干燥塔中將混合液霧化干燥 30。其具有成本低,設(shè) 備簡單,可選用的壁材種類廣泛,對芯材的包埋率高,產(chǎn)品的穩(wěn)定性好等優(yōu)點 23。劉云海等 采用噴霧干燥法制備花青素微膠囊噴霧干燥進(jìn)口溫度為 130, 出口溫度為 90時, 花青素 的微膠囊化效果最好,包埋率高。目前,噴霧干燥被廣泛應(yīng)用于辣椒紅素、番茄紅素、姜黃 素等微膠囊化制備中。化學(xué)法是建立在化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上的微膠囊制備技術(shù), 主要是利用單體分子發(fā)生聚合反應(yīng) 生成高分子成膜材料并將芯材包覆, 一般包括界面聚合法、 原位聚合法和銳孔法。 界面聚合 和原位聚合法均是以單體為原料 , 并經(jīng)聚合反應(yīng)形成

13、囊壁,而銳孔法則是因聚合物的固化導(dǎo) 致微膠囊囊壁的形成 24。 王愛玲等采用海藻酸鈉與明膠協(xié)同固定化制備微膠囊, 制備為條件 是 CaCl 2濃度為 10%,滴定速度為 180滴 /min,浸泡時間為 30min 31。物理化學(xué)法是將芯材乳化或者分散在有壁材的溶液中, 然后采用幾種不同的方法使壁材 溶解度降低, 從連續(xù)相中分離出來, 把芯材包裹形成微膠囊 25。 它包括單凝聚法、 復(fù)凝聚法、 水相分離法、油相分離法、干燥浴法 (復(fù)相乳化法 和熔化分散冷凝法等 6。王會娟等采用單 凝聚相法制備番茄紅素的微膠囊,得到微膠囊的平均包封率(包封率 =番茄紅素含量 ×微膠 囊重量 /投料量 &

14、#215;100% 為 81.20%, 平均載藥量為 17.91%26。 在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中,常采用 幾種方法綜合使用。4.天然色素微膠囊化效果研究表明, 微膠囊化天然色素不僅能夠改進(jìn)配料對外界環(huán)境的穩(wěn)定性, 還能改善食品的 功能特性。 用噴霧干燥法制備番茄紅素微膠囊, 其水溶性、 流動性和穩(wěn)定性均得到較好的改 善 18。另外,把色素微膠囊化,可以使它們具有衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定、著色均一、使用方 便的優(yōu)點。4. 1微膠囊化色素對光和熱的穩(wěn)定性增強(qiáng)微膠囊化使色素對光和熱穩(wěn)定性有了明顯的改善。番茄紅素用 4000Lx 強(qiáng)光處理 10天, 與未微膠囊化色素相比,微膠囊化之后色素?fù)p失率降低了 38.2

15、8%26;微膠囊化的姜黃色素 在 100的條件下處理 50分鐘, 吸光度的減少率僅為 0.7%, 而未微膠囊的色素吸光度的減少率為 12.3%27;微膠囊化番茄紅素在 60條件下處理 10天,與未微膠囊化的色素相比, 損失率降低了 23.27%26;姜黃色素微膠囊化顯示,微膠囊化的姜黃色素在 100條件下 10分鐘損失率為 15. 63%,而未微膠囊化的色素?fù)p失率高達(dá) 56. 6%28。4. 2微膠囊化色素對 p H 值的穩(wěn)定性增強(qiáng)微膠囊化之后, 色素對 pH 值的穩(wěn)定性明顯提高。 原花青素微膠囊化后隨著 pH 的升高, 微膠囊化之后色素保存率幾乎沒有下降,而微膠囊化之前色素隨著 pH 的升高

16、,保存率下降 比較快,在 pH10時保存率下降近 10%29;微囊化九頭獅子草紅色素液在 pH3.012.條件下 放置 1小時,目測結(jié)果表明,微囊化色素在酸性條件下仍具有較好的色澤 20。4. 3微膠囊色素對金屬離子的穩(wěn)定性增強(qiáng)天然色素微膠囊化之后,對金屬離子的穩(wěn)定性有了顯著的提高。九頭獅子草紅色素經(jīng)過 微膠囊化之后, 對 Fe 3+穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。 在最優(yōu)壁材配比條件下, 與未微膠囊化的色素相比, 微膠囊化九頭獅子草紅色素的吸光值損失率由 48.94%降到 36.83%20。5.天然色素微膠囊化的應(yīng)用前景目前, 國外微膠囊化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品和飼料的工業(yè)中。 在國外, 天然色素微膠 囊技

17、術(shù)研究已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某删汀?如微膠囊化的番茄紅素已經(jīng)廣泛應(yīng)用到食品行業(yè)。 但是, 在國內(nèi)天然色素的微膠囊化方面還是剛剛起步。 天然色素微膠囊化技術(shù)還存在諸如包埋率偏 低、壁材成本高等許多理論和實際問題,還需要進(jìn)一步的研究和解決。最近,采用雙重包埋 新技術(shù)能夠進(jìn)一步提高色素的穩(wěn)定性 28, 是一個研究的熱點。 針對微膠囊包埋率偏低的問題, 現(xiàn)在新開發(fā)出的納米膠囊技術(shù)是一個新領(lǐng)域,但是迄今尚未見在色素中應(yīng)用的報道。因此, 加強(qiáng)該技術(shù)的理論研究以及在色素中的應(yīng)用可能成為一個大有希望的研究領(lǐng)域。此外, 通過采用理化方法改造或修飾色素的化學(xué)結(jié)構(gòu), 在不影響天然色素的安全性的前 提下進(jìn)行色素改性, 可以

18、增強(qiáng)色素的著色力。 若能色素的改性與微膠囊化技術(shù)相結(jié)合, 有可 能使色素的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,從而使天然色素在食品工業(yè)中更具實用性和競爭力。 隨著人們對天然色素功能特性了解的不斷深入, 天然色素的應(yīng)用范圍將會越來越廣。 目 前, 很多的天然色素已經(jīng)被提取出來, 通過微膠囊化技術(shù)可提高天然色素的穩(wěn)定性, 為天然 色素的廣泛應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。 因此, 天然色素的微膠囊化生產(chǎn)一定有廣闊的市場 發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1譚景瑩 , 董志偉 , 生化分子生物學(xué)英漢詞典 M,科學(xué)出版社 , 2000, p748.2劉梅森 , 何唯平 , 食用色素特性及發(fā)展趨勢 J , 中國食品添加劑 , 2003, 4:

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