食用天然藍(lán)色素的開發(fā)與應(yīng)用

何易 許光治

色素分為天然色素和合成色素兩大類。天然色素可從動(dòng)物、植物和微生物等天然資源中獲取，從植物提取的色素通常來自樹皮、根、根莖、葉、花和果實(shí)。常見的天然色素包括花青素、甜菜堿、葉綠素、姜黃素、胭脂酸、番茄紅素和類胡蘿卜素等。合成色素是通過化學(xué)合成的方式獲取的，因其產(chǎn)量高、耐久性好、價(jià)格低廉、著色力強(qiáng)、色彩多樣等優(yōu)點(diǎn)，曾經(jīng)幾乎取代了天然色素。然而有研究表明，合成色素中存在砷、鉛、汞、氯化物等物質(zhì)，它們對(duì)人體均有不同程度的毒性[1]。此外，由于“蘇丹紅”等類似事件頻發(fā)，人們逐漸意識(shí)到合成色素帶來的健康和環(huán)境問題。與合成色素相比，多源自植物的天然色素性質(zhì)穩(wěn)定、毒性低、無致癌風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有良好的生物相容性和生物降解性。因此，天然色素又重回大眾的視野，成為新時(shí)代食用色素的主力軍。

天然藍(lán)色素具有極高的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、印染及食品等多個(gè)領(lǐng)域。但其實(shí)在常見的天然色素中，藍(lán)色素的自然來源非常有限，這就導(dǎo)致消費(fèi)者看到相關(guān)的藍(lán)色食品后往往會(huì)給其貼上“人造藍(lán)”的標(biāo)簽，認(rèn)為其可能具有潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)[2]。此外，色彩往往會(huì)使消費(fèi)者產(chǎn)生相應(yīng)的視覺心理效應(yīng)。過去，曾有研究者對(duì)黃薯和藍(lán)薯的消費(fèi)情況進(jìn)行過比較，用以驗(yàn)證藍(lán)色食物給消費(fèi)者帶來的心理影響和消費(fèi)選擇。結(jié)果顯示只有28%的消費(fèi)者選擇了藍(lán)薯，其原因僅僅出于他們對(duì)新產(chǎn)品的好奇心理。然而，近幾年這種現(xiàn)象基本消失了，市場(chǎng)上藍(lán)色冰激凌、藍(lán)色蛋糕以及深受兒童喜愛的藍(lán)色糖果隨處可見。經(jīng)典藍(lán)還被全球最權(quán)威的色彩研究機(jī)構(gòu)潘通（Pantone）確定為2020年流行色。

常見的天然藍(lán)色素包括環(huán)烯醚萜衍生物藍(lán)色素、藻藍(lán)色素、靛藍(lán)色素、蠔綠素和花青素等[3]，而在我國(guó)現(xiàn)行食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)GB2760-2011中，允許使用的食用天然藍(lán)色素僅有梔子藍(lán)色素、藻藍(lán)色素和靛藍(lán)3種。

環(huán)烯醚萜衍生物藍(lán)色素

環(huán)烯醚萜衍生物藍(lán)色素有較長(zhǎng)的安全使用記錄，與藻藍(lán)色素和花青素相比，環(huán)烯醚萜衍生物藍(lán)色素對(duì)熱、光和pH變化具有更高的穩(wěn)定性。該類藍(lán)色素的前體存在于茜草科植物中，如我國(guó)的梔子和美洲植物格尼帕。梔子是茜草科的常青樹，在我國(guó)廣泛栽培，果實(shí)小、橙色、橢圓形，長(zhǎng)1.25～2.5厘米[4]。梔子苷是存在于梔子果實(shí)中的主要環(huán)烯醚萜苷類化合物之一，可作為天然黃色著色劑使用。梔子苷從植物原料中提取后，被β-葡萄糖苷酶水解，釋放出京尼平和葡萄糖，當(dāng)京尼平與氨基酸等伯胺類化合物反應(yīng)時(shí)，就會(huì)生成藍(lán)色素。而當(dāng)京尼平與不同的氨基酸縮合反應(yīng)時(shí)，則會(huì)生成不同的藍(lán)色素。梔子藍(lán)色素主要用于硬糖、飲料、果汁等的著色，使用量為0～1.5克/千克。此外，由于梔子藍(lán)色素溶解性好，著色力強(qiáng)，常見的金屬離子、酸、堿對(duì)其色調(diào)基本無影響，因此還廣泛應(yīng)用于藥品、化妝品和生物材料方面。

日本研究者曾對(duì)梔子藍(lán)色素的生成機(jī)理及應(yīng)用性進(jìn)行了深入研究，解決了梔子藍(lán)色素色調(diào)暗的缺點(diǎn)，研制出了穩(wěn)定性優(yōu)良、色澤鮮明的梔子藍(lán)色素。我國(guó)于1980年代開始對(duì)梔子藍(lán)色素展開研究，研究人員采用微生物發(fā)酵和酶促發(fā)酵反應(yīng)分開的二步法制備了色澤鮮明的梔子藍(lán)色素。還有研究人員利用大孔吸附樹脂和離子交換樹脂對(duì)梔子藍(lán)色素進(jìn)行分離純化研究，制備了純度高、色價(jià)優(yōu)良的梔子藍(lán)色素，在梔子藍(lán)色素的研究上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

筆者團(tuán)隊(duì)基于以往學(xué)者的研究，利用新型賴氏菌菌種（Leifsonia sp. ZF2019）進(jìn)行微生物發(fā)酵，創(chuàng)新性地從梔子黃廢液中制備出了色澤亮麗、穩(wěn)定性良好的梔子藍(lán)色素。此外，還從該菌種中篩選出了高活性的β-葡萄糖苷酶，可用來定向催化生成性能和穩(wěn)定性優(yōu)異的梔子藍(lán)色素，對(duì)今后開展大規(guī)模的工藝制備起到了積極的推動(dòng)作用。然而，當(dāng)前對(duì)梔子藍(lán)色素的生物活性研究得相對(duì)較少，僅有少數(shù)研究指出其具有良好的抗氧化性能，因此，有待于今后進(jìn)行深入的研究與探索。

格尼帕是美洲本土植物，也屬于茜草科[5]。果實(shí)為橢圓形，長(zhǎng)5～8厘米，可食用。由于其果肉多汁、酸甜可口，因此成熟的格尼帕果實(shí)主要用于果汁、果醬和酒類生產(chǎn)。通常，從格尼帕果實(shí)中提取京尼平時(shí)，需要監(jiān)測(cè)該果實(shí)的成熟度，因?yàn)榫┠崞絻H在其未成熟的果實(shí)中大量存在。當(dāng)未成熟的格尼帕果實(shí)被切開并暴露在空氣中，它的果肉會(huì)逐漸變成藍(lán)色。這是由于在氧氣的作用下，京尼平與天然存在于格尼帕果肉中的氨基酸發(fā)生了反應(yīng)后產(chǎn)生了藍(lán)色素。與未成熟的果實(shí)相比，成熟果實(shí)的環(huán)烯醚萜含量降低了90%。

藻藍(lán)色素

藻藍(lán)色素又稱藻藍(lán)蛋白，是一種來自真核藻類，如紅藻、隱藻和藍(lán)藻等的藍(lán)色著色劑。其主要來自鈍頂節(jié)螺藻，俗稱鈍頂螺旋藻。其干燥生物質(zhì)的商業(yè)名稱為螺旋藻。藻藍(lán)蛋白被認(rèn)為是一種用途更廣的食品著色劑，主要應(yīng)用于果凍和軟糖類食品。然而，由于藻藍(lán)蛋白本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)，其穩(wěn)定性受到很多因素的限制，因此主要應(yīng)用于pH為中性或微酸性的含糖食品。通常來說，藻藍(lán)蛋白主要適用于高糖、高蛋白質(zhì)、低含水量以及酒精含量在20%以下的食品環(huán)境。

藻藍(lán)蛋白近年來獲得了大量的關(guān)注和研究，具有很高的營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值[6]。其具有的多種生物活性，如免疫調(diào)節(jié)、抗癌，抗糖尿病、抗氧化、抗炎、抗病毒、抗真菌、抗纖維化、降脂、金屬螯合以及對(duì)生殖系統(tǒng)和多種器官的保護(hù)作用等均已被廣泛報(bào)道。此外，藻藍(lán)蛋白的離體實(shí)驗(yàn)表明其具有類似紅細(xì)胞生成素的作用，可刺激紅細(xì)胞集落生成。同時(shí)，許多研究也進(jìn)一步支持了提高螺旋藻生物量和純化藻藍(lán)蛋白將有益人體健康的觀點(diǎn)。藻藍(lán)蛋白還具有獨(dú)特的熒光性質(zhì)，我國(guó)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，高度純化的藻藍(lán)蛋白可作為生物醫(yī)學(xué)研究和診斷的示蹤劑，也可作為食品中的重金屬示蹤劑。除此之外，作為藻藍(lán)蛋白干燥生物質(zhì)的螺旋藻在化妝品中可用作著色劑、抗氧化劑、增稠劑和水結(jié)合劑等。因此，應(yīng)當(dāng)給予藻藍(lán)蛋白及相關(guān)產(chǎn)品更高的關(guān)注度，開發(fā)出更多的產(chǎn)品種類，進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

靛藍(lán)色素

靛藍(lán)是人類已知的最古老的色素之一，易著色，有獨(dú)特的色澤。有研究顯示，靛藍(lán)提取物具良好的抗氧化、鎮(zhèn)痛和抗炎活性[7]。我國(guó)食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB2760-2011中規(guī)定，靛藍(lán)可在蜜餞類、果蔬汁飲料類、涼果類等多種食品中使用，允許添加量為0～0.3克/千克。

天然靛藍(lán)色素來自靛藍(lán)植物或菘藍(lán)植物，其前體物質(zhì)為吲哚，因被氧化而產(chǎn)生了綠藍(lán)色。隨著靛藍(lán)在食品、化妝品及印染業(yè)的大量應(yīng)用，對(duì)天然靛藍(lán)的需求也逐年增加，因此通過環(huán)保途徑合成靛藍(lán)的方法得到了越來越多的重視。天然植物靛藍(lán)的制備是將含有吲哚酸的植物浸泡在發(fā)酵池中，在微生物分泌酶的作用下經(jīng)過氧化縮合進(jìn)而生成不溶于水的靛藍(lán)。然而，這類植物原材料的獲取容易受到季節(jié)、氣候、產(chǎn)地等因素的制約，因此微生物產(chǎn)藍(lán)色素正在逐漸成為制備天然靛藍(lán)色素的重要來源之一。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者已利用多種生物轉(zhuǎn)化合成酶的方法生產(chǎn)天然靛藍(lán)色素。研究者利用定點(diǎn)突變技術(shù)定向進(jìn)化來自巨大芽孢桿菌的細(xì)胞色素P450BM-3，獲得具有3個(gè)突變位點(diǎn)的突變酶，并發(fā)現(xiàn)該突變酶能夠催化吲哚生成靛藍(lán)。此外，研究者又以細(xì)胞色素P450BM-3為親本酶，通過易錯(cuò)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體外定向進(jìn)化技術(shù)，獲得了高活力的突變株，而這些突變株和催化吲哚的衍生物則會(huì)生成天然靛藍(lán)類染料。因此，未來需要進(jìn)一步在菌株篩選上開展詳細(xì)分析，以獲得更多高活性、能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的工程菌。

花青素

花青素一詞取自希臘語“Anthos”（花）和“kyanos”（藍(lán)色），是一種存在于植物中的黃酮類化合物。花青素是水溶性著色劑中最大的一類，同時(shí)也是除葉綠素之外肉眼最容易看到的著色劑。花青素能產(chǎn)生從紅紫色到深藍(lán)色的各種顏色，通常來說，在酸性環(huán)境（pH<2）中，其呈現(xiàn)深紅色到橙色；而當(dāng)pH為2～4時(shí)，其主要呈藍(lán)色[9]。花青素存在于顏色鮮艷的植物的根、葉或花瓣中。一般來說，花青素在水果，特別是漿果，如藍(lán)莓、櫻桃、樹莓、草莓、黑加侖等中的含量十分豐富。

花青素具有很強(qiáng)的抗氧化活性，同時(shí)還具有良好的抗炎、抗癌和抗菌活性。此外，研究表明花青素還可預(yù)防糖尿病、肥胖癥以及心血管疾病的發(fā)生。基于這些特性，作為天然著色劑的花青素有望成為合成食用著色劑的替代品，引起了食品行業(yè)和消費(fèi)者的極大興趣。然而，花青素的色澤和穩(wěn)定性易受到多種因素，如溫度、光照、金屬離子、氧化劑、還原劑等的影響，因此研究人員需采取一定的措施來增強(qiáng)花青素在食品基質(zhì)中的穩(wěn)定性。已有研究顯示，紫甘藍(lán)中的花色素可與鐵離子絡(luò)合成穩(wěn)定的藍(lán)色素，這為今后進(jìn)一步開展有關(guān)花青素穩(wěn)定性的研究及開發(fā)增強(qiáng)其穩(wěn)定性的相關(guān)方法提供了借鑒。

蠔綠素

蠔綠素是一種由海洋硅藻合成的藍(lán)綠色色素，是動(dòng)物王國(guó)中為數(shù)不多的藍(lán)色素之一。蠔綠素溶于水，在酸性條件下為藍(lán)色，在堿性條件下則為綠色，瘀傷是導(dǎo)致其變藍(lán)的主要因素[8]。利用微生物和藻類提取蠔綠素類著色劑的主要問題是整個(gè)提取過程的成本過高，這就使其較難得到廣泛的應(yīng)用。此外，目前鑒于蠔綠素的化學(xué)結(jié)構(gòu)尚不明確，對(duì)于蠔綠素是否可應(yīng)用于食品以及是否會(huì)影響人體健康也有待于進(jìn)一步研究。

隨著社會(huì)的發(fā)展，消費(fèi)者越來越熱衷于選擇更健康的產(chǎn)品。在食品行業(yè)，天然色素對(duì)健康具有諸多益處，逐漸取代合成色素將是必然的。然而，從上述介紹的幾種天然藍(lán)色素的研究中可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天然藍(lán)色素缺乏穩(wěn)定性。而從天然藍(lán)色素的提取、食品加工及最終產(chǎn)品的儲(chǔ)存等，每一個(gè)階段都可能導(dǎo)致天然藍(lán)色素的降解。色素降解既損害產(chǎn)品的感官屬性，也影響其生物活性價(jià)值。因此，將天然藍(lán)色素應(yīng)用于食品中仍然具有一定的挑戰(zhàn)性，研究者需不斷創(chuàng)新提取和制備工藝，開發(fā)出更多的可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的穩(wěn)定天然藍(lán)色素。

[1]Sava V M， Yang S M， Hong M Y， et al. Isolation and characterization of melanic pigments derived from tea and tea polyphenols. Food Chemistry， 2001， 2（8）： 177-184.

[2]Spence C. What is so unappealing about blue food and drink？ International Journal of Gastronomy and Food Science， 2018， 14： 1-8.

[3]Sigurdson G T， Tang P， Giusti M M. Natural colorants： Food colorants from natural sources. Annual Review of Food Science and Technology， 2017， 8： 261-280.

[4]Buchweitz M. Natural solutions for blue colors in food. Handbook on Natural Pigments in Food and Beverages， 2016， 17： 355-384.

[5]Ramos-de-la-Pe？a， A M. Temperature model for process impact non-uniformity in genipin recovery by high pressure processing. Food Chemistry， 2015， 187： 444-50.

[6]Eriksen， N T. Production of phycocyanin-a pigment with applications in biology， biotechnology， foods and medicine. Applied Microbiology and Biotechnology， 2008， 80（1）： 1-14.

[7]Gerometta E. A review of traditional uses， phytochemistry and pharmacology of the genus Indigofera. Journal of Ethnopharmacology， 2020， 253： 112608.

[8]Newsome A G， Culver C A， van Breemen R B， Nature’s palette： the search for natural blue colorants. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2014， 62（28）： 6498-6511.

[9]Horbowicz， M. Anthocyanins of fruits and vegetables-their occurrence， analysis and role in human nutrition. Journal of Fruit and Ornamental Plant Research， 2008， 68（1）： 5-22.

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