天然色素的研究和應用

1、天然色素的研究與應用摘要：本文主要論述了天然色素的特點與特性、分類、性質與作用、應用與開發(fā)，簡要介紹了合成色素給人們帶來的危害，倡導人們進一步研制開發(fā)出品種多樣的天然色素。關鍵詞：色素；天然色素；花色素；應用開發(fā)；1天然色素的概況隨著社會的進步，天然色素在食品業(yè)和化妝行業(yè)的使用逐漸普及，使用技術逐漸提高，天然色素逐漸成為美化社會生活不可缺少的一部分。天然色素的研究與開發(fā)受到世界各國的重視。目前國際上已開發(fā)的食用天然色素共100余種。中國正式批準的（1998）共47種，日本列為允許使用的共102種，歐共體13種，英國26種。目前，我國提取天然色素的原料多為植物性原料，主要包括以下三種：（1）從人

2、工種植的植物中提取的天然色素，如辣椒紅色素、甜菜紅色素、姜黃色素、紅花色素、黑芝麻色素、紅甘藍色素、黑米色素等；（2）從農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物或廢棄物中提取的天然色素，如高粱紅色素（高粱殼）、3-胡蘿卜素（蠶沙）、桔皮色素（桔皮）、紫草紅色素（紫草根）等；（3）從野生植物和野漿果類提取的天然色素，如越桔紅色素、黑加侖色素、萬壽菊色素、茜草色素、桑棋色素等。這些資源在我國取之不盡，用之不完，如能科學合理的應用，不但可以大大降低天然色素的成本，增加經(jīng)濟收入，而且對國家農(nóng)業(yè)種植結構的調整都將具有潛在的意義12o2天然植物色素的特點及特性2.1 天然色素的呈色機理植物的花、葉、果實、皮等往往呈現(xiàn)出各種各樣的顏色

3、，這與植物自身內部的天然色素有關。植物體內的一些有機分子（色素）在陽光的照射下，吸收了一定頻率的有色光后，使分子內電子發(fā)生振動躍遷現(xiàn)象。由于各種植物的有機分子（色素）中的電子成鍵能力不同，電子激發(fā)躍遷時所需的能量也就不一樣，故對吸收光的頻率就有一定的選擇性。不同植物具有合成適應自身特點的有機色素分子的能力各有差異，因此，不同的植物就表現(xiàn)出不同的體色及花色，從而使大自然呈現(xiàn)出姚紫嫣紅的美麗景色。2.2 天然植物色素的特點（1）絕大多數(shù)天然色素無毒和無副作用，安全性高；（2）天然植物色素大多為花青素類、黃酮類、類胡蘿卜素類化合物，它們不但具有著色作用，而且具有增強人體功能、保健防病等功效；（3）天

4、然色素的著色色調比較自然，更加接近天然物質的顏色；（4）天然色素對pH值變化十分敏感，色調會隨之發(fā)生很大變化。如花青素在酸性時呈紅色，中性時呈紫色，堿性時呈藍色。誠然，天然色素也并不是完美無缺的，也存在一些缺陷：（1）溶解性差，溶解度較低，使用時不易混合均勻，有時易發(fā)生沉淀，不易調色和著色冏；（2）純度較低。天然色素是從天然動、植物等生物體中提取出來的化合物，常共存有其它成份，純化難度較大；（3）色調不穩(wěn)定，受周圍環(huán)境影響較大。大部分天然色素對光、熱、氧、金屬離子、pH值等的變化敏感，穩(wěn)定性較差4;（4）天然色素種類繁多、性質復雜，就一種天然色素而言，應用時專用性較強，運用范圍較窄。2.3 天

5、然色素的特性2.3.1 溶解性天然植物色素中以葉綠素為主要代表的口比咯色素，它不溶于水，而溶于乙醇、乙醛、氯仿等有機溶劑中；胡蘿卜素類為脂溶性色素，一般難溶于水和乙醇，而易溶于油脂、汽油或乙醍等，而胡蘿卜醇類是以醇、酮、酸的形式存在，易溶于甲醇、乙醇；酚類色素是植物中水溶性或醇溶性色素的主要成分，一般易溶于極性溶劑，難溶于非極性溶劑。2.3.2 在不同pH值下的顯色天然色素中的類胡蘿卜素是包含紅色、橙色及黃色在內的一大類色素，它對pH值的適應性強，顏色不會因酸堿性的不同而輕易改變。類黃酮可呈現(xiàn)出淺黃至深黃的各種色澤，酸性越強，黃色就變得越淺，堿性越強，黃色就變得越深?；ㄇ嗨爻尸F(xiàn)的色澤是一個幅度

6、較大的色域，如橙色、紅色、紫色、藍色等，它因酸堿性的改變所引起的顏色變化更大，一般酸性時呈紅色，中性時呈紫色，而堿性時呈藍色。2.3.3 穩(wěn)定性一般對天然色素穩(wěn)定性的檢驗主要考慮以下幾方面的因素：第一，pH值的影響：它是指色素在不同的酸堿條件下，其色澤的穩(wěn)定情況或變化規(guī)律等；第二，光照的影響：一般是指在紫外線和陽光直射的條件下色澤的變化情況；第三，溫度的影響：主要考察在不同的環(huán)境中色素的耐熱性；第四，金屬離子的影響：是指食品中常見的金屬離子Na+,Ca2+,Cu2+,Mg2+,A13+,Fe3+,Zn2+等對色素的影響。有些金屬離子可能會使色澤變色或褪色，而有些金屬離子卻有增色的作用；第五，色

7、素的抗氧化和還原能力：試驗中常用的抗氧化劑和還原劑有H2O2,NaClO,Vc,K2s2O8,Na2s2。3等；第六，碳水化合物的影響：在一定濃度的色素溶液中加葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉等試驗色素的穩(wěn)定性。3天然色素的分類色素分為天然色素和合成色素兩大類。天然色素來自天然物，主要從植物組織中提取，也包括來自動物和微生物的一些色素。合成色素是指用人工化學合成方法所制得的有機色素，主要是以煤焦油中分離出來的苯胺染料為原料制成的。天然色素可根據(jù)化學結構、來源、溶解性等分類：按來源可分為：植物色素、動物色素和微生物色素三大類；按其溶解性質不同又可分為水溶性色素和脂溶性色素；按其化學結構分類，可以分為以下

8、五大類：3.1 類胡蘿卜素類多烯類色素是由異戊二烯(CH2=C(CH3)-ch=ch2)殘基為單元組成的共軻雙鍵相連的一類色素，為脂溶性色素。類胡蘿卜素是多烯類色素的代表，它是胡蘿卜素(carotene)和胡蘿卜醇(xanthophylls)的總稱。它們廣泛分布于生物界中，目前已發(fā)現(xiàn)的類胡蘿卜素就有600多種。類胡蘿卜素按其組成和溶解性質可分為兩類：胡蘿卜素類，此類色素結構中含有大量共軻雙鍵，如番茄色素，“、3、丫胡蘿卜素等；葉黃素類，此類色素是共軻多烯的含氧衍生物，辣椒紅素、玉米黃素、葉黃素等都是此類色素。類胡蘿卜素類是國際公認的具有生理活性的功能性抗氧化劑，單線態(tài)氧的有效淬滅劑，能消除羥基

9、自由基，在細胞中與細胞膜中的脂類相結合，有效抑制脂質氧化。較多地攝入類胡蘿卜素能減少老年性前列腺癥和老年性視網(wǎng)膜黃斑變性5。近來還報道說它們在抗癌、抗衰老等方面也有不少創(chuàng)新的功能價值，因此類胡蘿卜素類色素是一類開發(fā)前景十分廣闊的功能性食品添加劑。3.2 花青素類花色素又叫做花青素，存在于植物的果實、花、莖和葉中的液泡內，是植物體內的一種水溶性色素。由于各種花色素分子結構上的差異或酸堿度的不同，花色素就顯出紅、紫、藍等不同的顏色?；ㄇ嗨貜V泛存在于植物的花、果實、根、莖、葉中，是各種花色昔的總稱。據(jù)初步統(tǒng)計，27個科，72個屬植物均含花青素6?，F(xiàn)在已知的有20多種，一般為六種花青素即天蘭葵色素(p

10、elargonidin)、飛燕草色素(dulphinidin)、矢車菊色素(cynidin)、芍藥色素(peonidin)、牽牛花色素(petunidin)和錦葵素(malvidin)7?；ㄇ嗨仡惒粌H資源豐富，色彩絢麗，構成了色素王國中的絕大部分，而且生理活性也高，它是羥基供體，自由基清除劑8,在眼科學和治療各種血液循環(huán)失調疾病等方面均有療效。3.3 黃酮類色素黃酮類色素是廣泛分布于植物組織中的一類天然色素，多呈淺黃色乃至無色，少數(shù)為鮮亮的橙黃色。一般黃酮類化合物可分為：黃酮及黃酮醇類，如芹菜素、棚皮素；雙黃酮類，如銀杏素；二氫黃酮及二氫黃酮醇類，如橙皮黃；查耳酮類，如紅花黃；黃烷醇類，如兒茶

11、素；其它黃酮類，如異芒果素等等。其中黃酮和黃酮醇是植物界分布最廣的黃酮類化合物，廣泛存在于蔬菜、水果及中草藥中，目前己知的這類色素有400余種9'10。近來眾多的研究結果表明：多數(shù)黃酮類色素有抗氧化、消除自由基、抗脂質過氧化活性，預防心血管疾病以及抗菌、抗病毒、抗過敏等功效。有時與花青素協(xié)同使用，可以減少氧化對花青素的破壞作用且起到一定的增色效果。因此隨著科學技術及其儀器分析的發(fā)展，黃酮類色素王國的成員還將會不斷擴大，對其生理功能活性方面的基礎理論研究也將會進一步深入，這必將為天然色素合理、科學、廣泛地應用提供科學的依據(jù)和廣闊的天空。3.4 口比咯類色素口比咯衍生物類色素廣泛地存在于綠

12、色植物的葉綠體中。這類色素主要包括葉綠素及其銅鈉鹽、鋅鈉鹽。葉綠素廣泛存在于高等植物的葉、果實和藻類中，和蛋白質形成葉綠體，是綠色植物中綠色的來源，也是植物進行光合作用所必需的催化劑，常見的有蠶紗、苜蓿、菠菜、玉米穗絲、蘿卜葉、三葉草、雛菊、甘藍、竹葉、松針葉等。葉綠素具有補血、促進造血、活化細胞、抗菌消炎等功效，近年來還發(fā)現(xiàn)葉綠素有抑制癌細胞生成的作用，因而是一種非常健康的食用色素。葉綠素鋅鈉在醫(yī)用上能用于治療慢性骨髓炎、慢性潰瘍、皮膚創(chuàng)傷、白血球減少等癥，在食品工業(yè)上是很好的著色劑和營養(yǎng)強化劑，在日用化工上可用于化妝品、牙膏等產(chǎn)品的添加劑。葉綠素銅鈉除了作為一種綠色素、脫臭劑外，在醫(yī)學上也

13、有許多的生理功能，如葉綠素銅鈉鹽或其衍生物能促進機體細胞新陳代謝、胃腸潰瘍面的愈合及肝功能的恢復，能用于治療傳染性肝炎、痔瘡、白血病、子宮疾患及胃和十二指潰瘍等，還能增進造血機能及促使放射線損傷機體的恢復。因此它們既有利于人們的健康，同時也滿足了人們對食品美觀的要求，是一類非常理想的食用天然色素。3.5 其它類主要指紅曲色素、姜黃色素和紫草色素等類色素。紅曲色素除應用于食品中，起到增強食品風味和抗菌、抑菌、提高產(chǎn)品保質期的作用外，還具有抗菌作用。另外，紅曲色素作為中藥還具有降脂、降壓、降糖、抑制腫瘤細胞及治療痢疾和胃病等功能。姜黃色素，因其著色力強且具有抗炎癥、消除自由基、抑制毒素和抗癌等性能

14、而廣泛應用于食品及醫(yī)藥中，是難得的藥食兩用的藥材，同時還是一種香料。但是它最主要的生理功能為抗氧化功能，以及與之相關的生理功能，如它可以保護細胞的組分子不被破壞，對癌癥的引發(fā)有抑制作用，甚至有報道說它還具有抗HIV病毒的功能等。紫草作為中草藥，其臨床已有相當長的歷史，具有涼血、活血、解毒、透疹的功效和抗炎、抗菌、抗病毒等作用。而從中提取的紫草色素，是一種很有前途的生物色素，其鮮艷明亮的紅色用作化妝品添加劑，能明顯提高化妝品的抗菌、消炎、潤膚、消斑的功效；用作果酒、飲料、點心等食品添加劑，能增加其清熱消毒、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從長期食用的生物體的可食性部

15、分提取的，有的是從藥食兩用的植物之根、莖、葉、果實中提取的，有的是從生物體的外殼或果皮中提取。從天然色素的原料來源可以看出，大多數(shù)天然色素安全性高，對人體健康幾乎無不良影響。如桅子黃色素源于山桅子果實，辣椒紅色素源于紅辣椒果實，胡蘿卜色素源于胡蘿卜，蟲膠紅源于寄生在豆科、桑科植物的昆蟲，血紅素源于豬、牛、羊血，紅曲色素源于紅曲發(fā)酵產(chǎn)物，核黃素源于微生物發(fā)酵培養(yǎng)物等。雖然各種天然色素的主要成份不同，但現(xiàn)代科學研究已表明，天然色素中有的是人們必須的維生素來源，有的參與生理代謝，有的具有抗菌、防治疾病的作用。如類胡蘿卜素是聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）食品添加劑委員會一致推薦的產(chǎn)品

16、，其中“-胡蘿卜素是A類營養(yǎng)色素，在醫(yī)學上對治療Va缺乏和光敏感患者有明顯作用，同時還具有防癌、抗癌、預防心血管疾病等功效；醍類色素則具有抗菌、抗癌、抗病毒作用，有些醍類色素還具有凝血作用11;桅子黃色素是從茜草科桅子果實中提取的，是很好的著色劑，具有鎮(zhèn)靜、止血、消炎、利尿、退熱等藥效。值得一提白是，近10年來人們已發(fā)現(xiàn)天然色素具有抗氧化作用?；ㄉ厥且环N強有力的自由基捕獲劑12。自由基是帶有未成對電子的分子，由于未成對電子趨向成對，自由基的化學性質非?；顫姡ㄟ^搶奪電子的形式破壞其它分子13。體內正常的新陳代謝產(chǎn)生一定量的自由基，通常自由基的產(chǎn)生和清除是平衡的，但由于環(huán)境污染、重金屬、紫外

17、線、食品中的添加劑等的影響，自由基會在體內積聚，導致多種疾病?；ㄉ乜梢郧宄w內過多的自由基，恢復代謝平衡，治療。對一系列由自由基造成的損傷引起的疾病，如炎癥疾病、心血管疾病、血循環(huán)障礙、關節(jié)炎、循環(huán)疾病、神經(jīng)疾病和許多與衰老有關的疾病等均具有預防和改善作用?；ㄉ伢w內吸收快，能通過血腦屏障，可對自由基所導致的腦和脊髓神經(jīng)的損傷起保護作用，避免因此而引發(fā)的帕金森氏綜合癥、早老性癡呆癥等。5我國天然色素存在的問題由于天然色素性質不穩(wěn)定，應用過程中容易受到一些因素如光照、溫度、氧化、pH值、介質極性、金屬離子、各種添加劑等的影響而發(fā)生色調、吸光度等方面的變化，而影響食品的著色效果，極大地阻礙了天然

18、色素作為食品添加劑應用于食品工業(yè)的進程。我國天然食用色素產(chǎn)業(yè)是改革開放以來，隨著食品工業(yè)的蓬勃發(fā)展而壯大起來的。雖然發(fā)展非常迅速，但也存在著許多問題，如：目前，我國色素生產(chǎn)與國外色素生產(chǎn)相比，普遍存在成本較高，提取效率較低的現(xiàn)象。我國絕大多數(shù)色素生產(chǎn)行業(yè)在技術、工藝方面比較落后，設備陳舊或簡陋。因此，必須不斷創(chuàng)新。在天然色素的生產(chǎn)過程中，可以采用如下的高新技術：基因工程、細胞工程、發(fā)酵工程、吸附色譜、凝膠過濾、微孔過濾、超濾、反滲透、膜分離技術、超臨界CO2（丙烷）流體萃取分離技術、冷凍干燥等。采用高新技術，提高設備的裝備水平，是提高天然色素的收率、產(chǎn)量、保證優(yōu)質的基礎。我國各天然色素生產(chǎn)企業(yè)

19、一般規(guī)模都偏小，產(chǎn)品單一，經(jīng)濟效益不明顯，抗風險能力差。多數(shù)工廠生產(chǎn)的是原料型的天然色素，一般不能直接使用，因而價格低，經(jīng)濟效益不高。就某一種天然色素而言，企業(yè)也沒有完全做到標準化、系列化，欠缺實用技術的開發(fā)。因此，應當鼓勵企業(yè)與科研單位結合，使科研成果能有效地轉化為生產(chǎn)實踐，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。在色素資源開發(fā)利用當中，許多單位只注重開發(fā)，不注重保護，致使資源枯竭。我們應盡量把資源開發(fā)與資源保護相結合，發(fā)展人工栽培，彌補天然資源之不足以利于持續(xù)利用?，F(xiàn)在的色素研究中，色素除雜工藝研究的不多，應該加大除雜工藝研究力度，以提高色素產(chǎn)品質量。現(xiàn)在對色素的毒理學評價、色素的性質及系統(tǒng)的檢測方法還不盡完善，應

20、盡快加以完善，以更好地促進我國天然色素的研究和利用。因此在開發(fā)應用天然色素的過程中應注意利用天然色素的性質，因勢利導，發(fā)揮其所長；改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質量；制定相應的經(jīng)濟政策和規(guī)劃等等。6合成色素及其危害6.1 合成色素致毒致癌化學合成色素多以苯、甲苯、蔡等化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)過磺化、硝化、鹵化、偶氮化等一系列有機反應化合而成。從結構上分為偶氮色素類(范菜紅、胭脂紅、日落黃、檸檬黃等)，即含有R-N=N-R'鍵、苯環(huán)或氧雜蕙結構的化合物；非偶氮色素類(赤群紅、亮藍、靛藍等)。這類色素不僅無營養(yǎng)價值，而且其化學構成物質本身對人身體有害，同時在合成過程中產(chǎn)生的雜質如神、汞、苯酚、苯胺、鉛、

21、福、乙醛、氯化物、硫酸鹽等均有不同程度的毒性，但由于其成本低廉，著色力強、顏色鮮艷穩(wěn)定而被廣泛運用。合成色素進入人體后會大量消耗體內解毒物質，干擾人體正常代謝功能并直接作用靶器官，其毒性表現(xiàn)主要有三方面：一般毒性(致肝炎、結石、過敏癥等)，致瀉作用(腹痛、腹瀉、消化不良),三致作用(致突變、致畸形、致癌)。合成色素中的某些組份可以導致生育力下降、畸胎等，并可以轉換成致癌物質，其中偶氮化合物類合成色素致癌作用更明顯。6.2 合成色素導致現(xiàn)代少年兒童行為過敏根據(jù)最新科學調查研究證明“少兒多動癥”、少年兒童行為過激，表現(xiàn)出愈來愈任性、頑皮、反叛、情緒不穩(wěn)定、脾氣暴躁，自制力差等特點與長期過多食用含有

22、合成色素的食品有關。中山醫(yī)科大學資深兒科專家鄭主任醫(yī)師指出：少年兒童正處于生長發(fā)育期，體內器官功能比較脆弱，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育尚不健全，對化學物質敏感，若過久地進食含合成色素的食品，會影響神經(jīng)系統(tǒng)的沖動傳導，刺激大腦神經(jīng)而出現(xiàn)躁動、情緒不穩(wěn)、注意力不集中、自制力差、思想叛逆、行為過激等癥狀。同時由于肝臟解毒功能和腎臟排泄功能都不健全，致使大量消耗體內解毒物質，干擾體內正常代謝功能，從而導致腹瀉、腹?jié)q、腹痛、營養(yǎng)不良、智力低下和多種過敏癥，如皮疹、尋麻疹、哮喘、鼻炎等，嚴重影響少年兒童的生長發(fā)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視。非食品性合成色素

23、主要包括三部分：化妝品中的合成色素，藥品中的合成色素和飼料中的合成色素。大部分化妝品中都含有色素，化妝品中所含色素顏料大多是以煤焦油為原料的人工合成色素，有一定的毒性?；瘖y品中的色素還與人類皮膚的色素沉著有一定的關系，因屬焦油衍生物的化妝品色素長期食用會對光線發(fā)生敏感反應，從而導致色素沉著，并伴有皮膚潮紅、丘疹等炎癥。色素還是導致人們對化妝品過敏的重要原因之一，常常會引起燒灼、騷癢、表皮脫落、疼痛等過敏癥狀。藥品中的著色大都采用合成色素，這些色素與食品用合成色素完全一樣，也主要是煤焦油色素，對于長期服藥的慢性患者，其危害性尤為突出。7結束語綜上所述，天然色素的主要成份不但起著著色作用，而且具有營養(yǎng)、保健、藥效等功能，對人體健康起著重要的保護作用。目前，天然色素的應用已經(jīng)初步發(fā)展起來，從營養(yǎng)品、化妝品和醫(yī)藥到食品添加保護劑，天然色素都取得了可喜的結果，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。但是，要開發(fā)出天然、高效的天然食用色素