花青素的酰基化改性研究進展

李春偉 孫理 歐陽瑞燦 李亦欣 陳寧昕

摘 要：花青素作為一種水溶性天然食用色素，具有隨pH值變化而呈現出不同顏色的性能，在食品新鮮度智能指示包裝領域具有廣泛的應用。本文在分析花青素結構的基礎上，闡述了花青素酰基化改性提升其顏色穩定性的內在機理，并從酰基化改性的供體、酰基化改性方法和改性花青素穩定性等方面進行了總結和歸納，最后展望了花青素改性的未來發展方向。

關鍵詞：花青素; 酰基化; 有機酸; 新鮮度指示

中圖分類號：TS262? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-146-002

花青素是自然界中常見的水溶性色素之一，廣泛存在于植物的細胞液泡中，使植物呈現不同的顏色。常見的植物如黑枸杞、玫瑰茄、葡萄皮、藍莓、玫瑰等都存在大量的花青素。花青素作為安全、無毒、來源豐富的可食用天然色素，已經廣泛應用在食品的各個領域。同時，花青素也是當下熱門的pH敏感型指示劑，可與（豬、牛、魚、蝦）等肉類產生的腐敗氣體發生反應，從而產生明顯的顏色變化。其工作原理即食品在儲藏過程中產生揮發性含氮化合物與指示劑發生反應，并產生相對應的顏色變化。然而花青素是不穩定的，由于其自身的羥基結構容易受到外界環境（pH值、光照、溫度、氧氣、金屬離子）的影響，從而發生降解，導致其新鮮度指示存在誤差。為了提升花青素的穩定性，研究人員采用了物理和化學方法對花青素進行處理，提升花色苷穩定性的效果十分有限。但利用化學方法對花青素進行酰基化改性可以更好地提升穩定性。所以對花青素進行酰基化改性，從而提高其顏色穩定性成為當前新鮮度指示包裝領域重要的研究方向。

1.花青素的結構特征

花青素是一種酚類化合物，屬于黃酮類物質，在自然界中廣泛存在，尤其大多數植物中都含有花青素。花青素作為新鮮度指示劑的主要原因是基于不同pH條件下結構的改變，在水溶液中，花青素常以黃鹽陽離子、醌型堿、醇型假堿、查爾酮形式存在。然而花青素由于自身結構，除了對pH敏感外，還容易受到外界環境的影響，例如光照、溫度、氧氣、金屬離子等，這些都會造成花色苷的降解從而影響其顏色指示功能。已有的研究表明，溫度會影響花青素的結構，花色苷在高溫下會首先釋放糖基，接著花色苷會進一步降解成酚酸和間苯三甲醛。正常狀態下，25℃是花青素最為穩定的一個溫度，當溫度逐漸升高到60℃時，花青素在水溶液中就以查爾酮的結構存在，顏色會變為無色。另外，光照對花青素的影響主要有兩個方面，在植物體內時光照會促進細胞中花青素的合成，另一方面當花青素從植物中提取后，光照會加速花青素的降解。研究表明，當花色苷經過長時間的光照時，花色苷的碳骨架從C2位上斷開，形成水解開環的C4羥基中間產物，之后進一步降解生成查耳酮，從而導致花青素顏色的喪失。因此花青素通常要避光保存。花青素穩定性還會受到一些金屬離子的影響如：Fe3+、Cu2+、Fe2+等，這些金屬離子可以與黃鹽陽離子發生絡合反應，從而導致花青素發生褪色現象。此外，由于花色苷結構中含有多個羥基，很容易被氧氣氧化逐漸降解為無色和棕色的物質。這些不足都會限制花青素在新鮮度指示包裝領域的應用，但是已有的實驗研究表明，酰基化改性可以提升花青素的穩定性。

2.酰基化改性的機理

花青素的酰基化可以提升自身的穩定性，其主要原因是花青素糖苷上部分或者全部-OH被有機酸酯化，降低了分子極性，同時也改變花色苷的空間結構。酰基的空間阻位效應保護了花色苷，并阻礙了無色假堿和查爾酮的形成。其中分子內共色作用和環境作用扮演著重要角色。

2.1分子內共色作用

花色苷酰基化后能夠提升顏色穩定性，從立體化學機理上分析，酰基基團會引起花色苷分子內共色，一般分子內共色發生在特定的花色苷分子中，其中花色苷作為發色基團，酰基作為電子輔色基團。但是分子內共色也存在前提條件，就是被有機酸酰化的糖基團通常要與花色苷的C3或C5位點相連，當糖基連接到花色苷的C3位點時，此時的糖基團非常靈活，可以自由旋轉。在酸性或中性溶液環境中，酰化花色苷酰基的芳香環由于疏水作用與花色苷吡喃環（C環）的堆疊提高了花色苷的穩定性。

2.2環境作用

酰基上游離羧基具有酸化能力，當與花色苷發生酰基化的有機酸為二羧酸時，例如草酸、丙二酸、琥珀酸、蘋果酸等。一方面酰化了糖基上的-OH，另一方面，酰化后花色苷上的酰基仍具有游離的羧基。在水溶液環境中，游離的羧基-COOHs的質子解離產生H+，從而降低了溶液中的酸堿度。Figueiredo[1]等研究花色苷3-6-丙二酰基葡萄糖發現，C3鏈上游離的丙二酰基基團增強了顏色穩定性，主要是由于丙二酰基團的去質子化增加了培養基的酸度。而且，隨著酸堿度的降低促進了花色苷中黃鹽陽離子的生成，進而增強了花青素顏色的穩定性。

3.酰基化改性的供體

酰基化改性花青素的有機酸種類有兩種，分別為脂肪酸和芳香酸，其兩者的區別是，脂肪酸分子結構中沒有芳香環，而是含有直鏈或支鏈的碳鏈或非芳香環。芳香酸是分子結構中羧基與芳香環直接相連或與芳香環側鏈連接的一類有機化合物。

3.1脂肪酸

脂肪酸包括丙二酸、乙酸、琥珀酸、蘋果酸、草酸等。脂肪酸酰基對花青素穩定性的影響，其主要原因是有效降低花青素在水溶液中的溶解度，而且酰基產生的空間位阻效應也減少了花色苷受到的離子攻擊。因此，脂肪酸主要保護和穩定花青素分子。李穎暢[2]等利用乙酸對藍莓花青素進行酰基化改性，結果發現在80℃加熱18h，酰化花色苷保留率為82.92%，而未酰化花色苷的保留率為68.86%。說明花色苷酰基化修飾后的藍莓花色苷的熱穩定性顯著提高。王宇濱[3]等利用單寧酸、琥珀酸、草酸、蘋果酸、檸檬酸對紫玉米花青素進行輔色作用，結果發現單寧酸、草酸和檸檬酸的輔色作用增強了花青素的熱穩定性。古明輝等[4]研究了蘋果酸酰化對黑枸杞花青素穩定性的影響，并建立和驗證酰基化花青素熱降解動力學模型，在80℃條件下應用熱降解模型預測未酰化和酰化黑果枸杞花青素的半衰期，其結果分別為15.09和18.32h，說明酰化延長了花青素的半衰期。鄧潔紅[5]等對刺葡萄皮花色苷進行有機酸酰化就選用草酸、檸檬酸、乳酸、沒食子酸等，結果顯示相同濃度下，幾種有機酸的增色效果為草酸>檸檬酸>乳酸>沒食子酸，所以適量添加有機酸可以提高產品的顏色穩定性。

3.2芳香酸

芳香酸常見的兩大類分別是羥基肉桂酸（如香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、芥子酸）和羥基苯甲酸（如對羥基苯甲酸和沒食子酸）。芳香酸比脂肪酸酰基化后花色苷的穩定性更強，因為芳香酸可以促進花色苷分子內共色復合物的形成。一般來說，在天竺葵-3-葡糖苷、矢車菊素-3-葡糖苷和錦葵色素-3-葡糖苷酰化反應中，阿魏酸和咖啡酸作為酰基化供體增強穩定性的效果是最好的，綠原酸和迷迭香酸次之，最差的是沒食子酸。張智[6]等研究不同類型的酸如（鄰苯二甲酸、對羥基苯甲酸、三氯乙酸、水楊酸、冰乙酸、丁二酸、丁二酸酐）對藍靛果花色苷進行酰化改性，通過實驗對比表明鄰苯二甲酸和對羥基苯甲酸的添加使得藍靛果花色苷的最大吸收峰紅移，吸光值增大。李路寧[7]等以三乙酰沒食子酰氯對藍莓花青素進行酰基化改性，通過高效液相色譜法測定了酰化花青素水解液中的沒食子酸含量，由結果計算得大約1分子的花青素和2分子沒食子酸進行了結合。

4.酰基化改性的方法

4.1化學酰化

化學酰化改性就是選擇合適的有機酸酰基供體與催化劑，對花青素進行酰基化改性。趙立儀[8]利用月桂酸酰基對矢車菊素-3-O-葡萄糖苷酰基化改性，通過比較化學法和酶法后，選擇化學法對其進行改性，研究發現酰化后矢車菊素-3-O-葡萄糖苷在溫度、光照、氧化還原等方面的穩定性明顯增加。孫華鈴[9]以丁二酸酐為酰基供體對黑米花青素進行酰化修飾，當pH 6時黑米色素溶液變淺紅，但是酰化后的產物依然呈現紅色，說明酰化后的穩定性要比未改性的花青素好。然而，化學酰化也存在某些缺點，例如反應區域選擇性差，酰基供體與花色苷發生酯化反應時，-OH可以是在花色苷上，也可以是在糖苷上。同時實驗中會引入許多溶劑，分離純化困難，也容易生成大量的副產物。

4.2酶法酰化

因為酶法催化底物有良好的專一性和選擇性，解決了化學酰化中反映區域選擇性差和副產物多等缺點，而且酶法酰化反應條件溫和，催化作用高效，所以酶法酰化發展十分迅速。脂肪酶 Novozym435作為當下酶法酰化常用的催化劑，具有pH使用范圍廣和熱穩定性高等特點，在不對稱催化反應中具有較高的立體選擇性。

5.酰化后花青素的穩定性

當花青素作為新鮮度指示劑應用到包裝領域時，其顏色的變化除了受到pH的影響外，還會受到外界環境（溫度、光照、氧化還原）等其它因素的干擾。而酰基化改性可以從本質上提升花青素對溫度、光照、氧化還原的抗性。Peng Fei等[10]采用馬來酸酐固相枝接法對藍莓花青素進行酰化改性，改性后的花青素紅外光譜圖上出現了新的吸收峰，表明馬來酸酐成功嫁接到藍莓花青素上。通過比較不同酸堿度下天然和酰化花色苷溶液的顏色表明酰化程度對花色苷酸堿度響應特性影響不大。并且在NH3氣體響應測試中，UV可見光譜圖表明酰化后的花色苷響應滯后，表明馬來酸酰化后的花色苷在顏色指示包裝中可以有更長的壽命和更準確的新鮮度監測能力。已經有研究人員將酰化后的花青素應用到生鮮肉類的新鮮度指示中，盧立新[11，12]等利用乙酸對玫瑰茄花青素進行酰化改性并制備了新鮮度指示復合膜用于監測鯧魚的新鮮度，結果表明改性玫瑰茄花青素在指示膜中仍保持著生理活性，并具有較高的光穩定和熱穩定性。

6.結論與展望

花青素作為天然色素，來源廣泛，安全無毒，可以對腐敗氣體作出響應，是理想的新鮮度指示劑，但其穩定性差限制了進一步的應用。目前酶法酰化技術已經有了很大的發展，酶法酰化花色苷的產率更高，并且具有選擇性，修飾的位點也明確，通過酶法酰化可以較好的提升花青素的穩定性。但是，酶法酰化仍存在一些問題需要解決，包括酰基供體，催化劑和反應介質的選擇，酰化后花青素應用在食品包裝領域的安全性評價。如果能解決相關問題，未來酰化花青素在新鮮度指示包裝領域可以得到更廣泛的應用。

基金項目：東北林業大學大學生科研訓練計劃資助項目，項目名稱：酰基化改性花青素新鮮度指示包裝膜的制備

參考文獻：

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[11]賈代濤，盧立新，潘嘹，等.改性花青素涂覆聚丙烯新鮮度指示膜的制備與研究[J]功能材料，2019，50（06）：6211-6215

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