不同加工方式對甜菜紅素穩定性的影響研究進展

李國林，林平，何揚波，李詠富

（1.貴州省農業科學院現代農業發展研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州省金農輻照科技有限責任公司，貴州 貴陽 550006）

甜菜紅色素是一類含氮的、水溶性的生物堿類色素。根據其吸光性的不同分為β-花青苷和甜菜黃素，其中甜菜黃素包含甜菜苷類、千日紅苷類、莧菜苷類等[1]。甜菜紅素可使植物呈現絢麗的顏色，具有吸引蜜蜂等昆蟲的作用，有利于植物授粉和傳播[2]。甜菜紅素是石竹目植物中特有的色素，目前為止，已經在17種石竹目植物中分離鑒定出有明確結構的甜菜紅素共75種[3-4]。甜菜紅素安全性高，美國食品藥品督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準甜菜紅素作為食品添加劑在食品中使用[5]，我國國家標準GB 2760—2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》中規定甜菜紅素是在各類食品中按生產需要適量使用的食品添加劑，沒有限量規定[6]。

經莽草酸途徑生成的絡氨酸為甜菜紅素生物合成的前體物質，絡氨酸在絡氨酸羥化酶的作用下生成3，4-二羥基-L-苯丙氨酸（L-多巴），L-多巴會分成兩條反應途徑：一條是在4，5-多巴雙加氧酶催化下生成甜菜醛氨酸，甜菜醛氨酸是甜菜紅素的基本構成單元及發色團[7]；另一條途徑在多巴氧化酶和多酚氧化酶作用下生成環狀多巴。Joy等[8]發現在Phytolacca americana中，多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）參與了環狀多巴的生成。Tanaka等[9]認為莧菜苷是由環多巴-5-O-葡糖醛酸葡萄糖苷與甜菜醛氨酸直接生成，而Polturak等[1]則認為是由甜菜紅苷在葡糖基轉移酶參與下直接生成。甜菜紅素的合成途徑如圖1所示[1，8-9]。

圖1 甜菜紅素的部分生物合成途徑Fig.1 Proposed partial biosynthetic pathway for betalain pigment

1 甜菜紅素的生物活性

1.1 抗氧化活性

Cai等[10]采用 1，1-二苯基-2-苦基肼法（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）評價了從莧科植物中提取的甜菜紅素的抗氧化性，發現千日紅紫素和甜菜黃素的抗氧化性最強，EC50分別為3.7 μmol/L和4.2 μmol/L，抗氧化能力強于蘆丁（EC506.1 μmol/L），是抗壞血酸（EC5013.9 μmol/L）的3倍多，同時發現6-O-糖基化β-花青苷比5-O-糖基化的β-花青苷具有更高的抗氧化活性。甜菜紅素的抗氧化能力同其結構有著密切關系，有研究表明甜菜紅素若發生糖基化反應會降低其抗氧化活性，但是酰基化反應可以增強抗氧化活性，C-5位的羥基官能團也可以增加抗氧化活性，與抗氧化活性類似，甜菜紅素自由基清除能力也同羥基的位置有關[10]。甜菜紅苷和甜菜紅苷配基抑制由細胞色素C引起的亞油酸過氧化的EC50為0.4 μmol/L和0.8 μmol/L，強于兒茶素和維生素E的1.2 μmol/L 和 5.0 μmol/L，此外，甜菜紅苷可以抑制細胞膜和亞油酸的脂質過氧化[11]。Tesoriere等[12]研究表明，雖然甜菜紅苷親水性物質，但無論在體內還是體外，它們都可以與人體低密度脂蛋白結合并阻止其氧化反應的發生。

1.2 抗癌活性

Wu等[13]發現紅肉火龍果H.polyrhizus果皮中β-花青苷在體外具有較強的抗癌活性，能夠抑制B16F10黑色素瘤癌細胞的增殖，抑制效果要強于果肉中的β-花青苷。甜菜中提取的甜菜紅苷在體外條件下濃度為200 μg/mL時可以抑制49%的HepG2肝癌細胞增殖[14]。體內研究證實在小鼠體內甜菜紅苷對由化學致癌物引起的皮膚癌和腎癌具有長期的抑制效果[9]。

1.3 抗炎活性

甜菜紅苷和刺果仙人掌黃質通過抑制細胞間附著分子-1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）來阻止內皮細胞氧化還原態的改變，起到抗炎的作用[15]。Vidal等[16]研究甜菜紅素對炎癥反應的關鍵酶脂氧合酶（lipoxygenase，LOX） 和環氧合酶（cyclooxygenase，COX）的抑制作用時發現，甜菜紅苷、多巴黃質和甜菜紅配基對LOX和COX均有抑制作用，甜菜苷配基的濃度在0～350 μmol/L時對LOX活性抑制存在劑量依賴，多巴黃質和甜菜紅苷在pH6和pH9環境下能顯著抑制LOX活性，在pH9時能夠完全抑制LOX活性，且甜菜紅苷比多巴黃質對COX的活性抑制更明顯。

1.4 其他活性

此外，通過動物體內實驗發現甜菜紅素還具有修復由百草枯農藥引起的腎臟和肺損傷的功能，在小鼠體內表現出輻射防護和促進免疫系統康復的作用，隨著對甜菜紅素活性功能的研究不斷深入，更多的生物活性功能不斷被發現，有研究報道，甜菜紅素對高血壓、動脈粥樣硬化、神經系統及消化系統疾病均顯示出有利效果[17]。

2 加工方式對甜菜紅素的影響

2.1 加熱

Von Elbe等[18]發現甜菜加工中的加熱處理促進了甜菜紅苷的差向異構化作用，甜菜紅苷與異甜菜紅苷的比例隨著加熱溫度的升高和時間的延長而逐漸降低，在甜菜汁罐頭燙漂和滅菌過程中，甜菜紅素的含量相比于未加工的鮮甜菜汁有41%的損失，甜菜紅素分解為甜菜醛氨酸和環多巴?；瘕埞?0℃加熱30 min后，β-花青苷的損失率為43%，溫度增大到85、90、95℃，加熱30 min后，損失率分別達到59%、68%、72%，高溫對β-花青苷的破壞較為顯著[19]。Chew等[20]發現從火龍果果皮提取的β-花青苷在80℃加熱時比相同溫度加熱的甜菜黃素降解速度更快。同時，pH值是影響甜菜紅素耐熱性的重要因素，火龍果果皮中的甜菜紅素在pH值為3.7～5.5時，能夠耐受100℃10 min的加熱而不發生降解[21]。

研究顯示從火龍果皮提取的β-花青苷和甜菜黃素在加熱溫度為70℃～120℃時，降解的速率符合第一動力學模型，隨著加熱時間的延長和加熱溫度的升高，色素的降解速率也會增大，溫度從70℃升至120℃，β-花青苷的降解速率常數k增大了10倍，但甜菜黃素的降解速率常數只增大了5倍[20]。火龍果果汁在加熱濃縮時，甜菜紅素的降解速率也符合第一動力學模型，而且濃縮后的果汁在4℃貯藏比在25℃貯藏時甜菜紅素的保留率更高[22]。

2.2 添加食品添加劑

甜菜紅素對不同種類濃度的食品添加劑敏感性有差異，醋酸、磷酸、鹽酸、硫酸、檸檬酸及酒石酸5種酸味劑中，醋酸對甜菜紅素的影響最小，在pH6時，色素保留率能達100%；抗氧化劑中，茶多酚對甜菜紅素穩定作用最強且與添加量成正比，迷迭香對甜菜紅素無穩定作用；甜味劑中，甜蜜素的添加濃度對紅甜菜色素保留率幾乎無影響，其次白砂糖和木糖醇對甜菜紅素保留率的影響也較小，但隨著添加量增大，對色素保留率的影響增大；防腐劑中苯甲酸鈉和山梨酸鉀均對甜菜紅素的穩定性有一定影響，添加0.1%苯甲酸鈉溶液放置20 d后甜菜紅素保留率在90%以上[23]。畢麗君等[24]的研究也證實0.02%茶多酚增強了甜菜紅素的穩定性，此外，0.05%的抗壞血酸、20%乙醇均能增強色素的穩定性。在pH4的紫肉火龍果果汁中，添加1%的抗壞血酸、異抗壞血酸和檸檬酸，經過85℃加熱1 h后，β-花青苷的保留率分別為82.9%、75.3%和55.1%，而未添加的對照組僅為36.9%[25]。徐菡等[26]發現在適量濃度范圍內添加抗壞血酸、植酸、草酸、檸檬酸、L-半胱氨酸、氯化鈣、乙二胺四乙酸、β-環狀糊精能夠增強甜菜汁中甜菜紅色素的穩定性。其中，抗壞血酸的效果最為明顯，但過量添加抗壞血酸會破壞甜菜紅素的穩定性。Cai等[27]研究發現，在含有甜菜紅素的飲料和果凍中加入0.1%～0.5%的抗壞血酸對色素起保護作用，0.5%～1.0%的抗壞血酸則起破壞作用。徐菡等[26]推測這可能是過量抗壞血酸易與溶解氧反應生成過氧化氫，起到助氧化的作用，引起甜菜紅素的降解。

2.3 滅菌

短波紫外線殺菌對火龍果果汁中的甜菜紅素也有降解作用，Ochoa-Velasco等[28]用1.026 kJ/m2短波紫外線照射火龍果果汁進行滅菌，果汁流速分別為16.49、23.78、30.33 mL/s，甜菜紅素含量從 110 mg/L 分別降至98、95、94 mg/L，流速對色素含量的降解影響不顯著。Herbach等[29]采用3種加熱滅菌方式對火龍果果汁滅菌，高溫短時滅菌（加熱溫度92℃，流速100 L/h，預熱時間7 s，保持時間26 s）和熱交換器加熱滅菌（加熱溫度92℃，流速120 L/h，預熱時間53 s，保持時間26 s）對甜菜紅素的保留率均優于蒸汽加熱滅菌（加熱溫度92℃，預熱時間85 min）。在火龍果果汁中添加0.25%的抗壞血酸再經過巴氏殺菌，果汁中β-花青苷的保留率最高，達到85%，當果汁中的抗壞血酸添加量超過0.5%時，保留率低于對照，這證實了Cai等[27]關于過量添加抗壞血酸會破壞色素的結論[20]。

2.4 包埋

Azeredo等[30]研究了微膠囊化對甜菜紅素保留率的影響，結果表明，保留率與噴霧干燥時麥芽糊精與甜菜的質量比沒有直接關系，質量比為 3∶1、4∶1、5∶1時，甜菜紅素的保留率均在90%左右，但與儲藏條件有關，將微膠囊存放在深色罐中放置6個月后，色素的降解率為30%，而在透明罐中的降解率為57%，并且發現質量比為5∶1時，降解率略低于其他兩種質量比的微膠囊?；瘕埞刑崛〉奶鸩思t素分別經過磷酸化馬鈴薯淀粉和琥珀?；R鈴薯淀粉包埋后，形成的微膠囊在40℃儲藏39 d后，磷酸化淀粉和琥珀酰化淀粉中β-花青苷的損失率分別為22.6%和23.2%，而兩種改性淀粉中甜菜黃素的損失率為41.06%和45.60%，且兩種淀粉中β-花青苷和甜菜黃素的保留率均比采用麥芽糊精和菊粉作包埋材料的微膠囊要高，說明這兩種改性淀粉更適用于作甜菜紅素的包埋材料[31-32]。

2.5 其他加工方式

Ruiz-Gutiérrez等[33]用雙螺桿擠壓機對紅仙人掌果實進行擠壓膨化研究時發現，甜菜紅素的保留量和加工溫度和螺桿旋轉速度有關，且在相同溫度條件下，甜菜黃素的降解速率要大于β-花青苷，說明在擠壓膨化加工中，甜菜黃素對溫度更為敏感。

紅肉火龍果的濃縮果汁和未濃縮的鮮果汁分別放置在4℃和25℃下56 d，甜菜紅素的保留率由高到低排列為濃縮果汁4℃＞濃縮果汁25℃＞鮮果汁4℃＞鮮果汁25℃，表明濃縮果汁在低溫下存放更有利于甜菜紅素的保存，較低的水分活度更有利于增強甜菜紅素的穩定性[18]。

加工中的攪拌過程對甜菜紅素也有破壞作用，Wong等[19]的研究表明，將火龍果汁置于220 r/min的搖床中振蕩35 d，其中的β-花青苷含量要顯著低于對照組，攪拌加速了β-花青苷的降解。這是由于攪拌增加了果汁與氧氣的接觸面積，而氧化作用會降低β-花青苷的穩定性。

羅進等[34]研究加工中果膠酶酶解條件對火龍果果汁中甜菜紅素保留率的影響，結果發現少量果膠酶的加入便會引起甜菜紅素的降解，降解量與酶解時間、酶解溫度成正比，酶解環境pH值在4.5時，甜菜紅素的降解量最少。

3 存在的問題與展望

相比于人工合成色素，天然色素有價格高、穩定性差的缺點，但天然色素具有人工合成色素無法比擬的潛在健康效能。常用的天然色素有類胡蘿卜素、葉綠素、花青素和甜菜紅素。由于甜菜紅素的強抗氧化性，特別在慢性疾病的形成和發展方面，被認為是理想的保健食品[35]。關于甜菜紅素的研究發展迅速，其在植物中的合成途徑已基本明確。已鑒定出的75種甜菜紅素中有32種甜菜黃素、42種β-花青苷及甜菜醛氨酸[7]。

由于不同植物來源的甜菜紅素中β-花青苷與甜菜黃素的比例不同，造成不同植物中的甜菜紅素的穩定性也不同[36]。加工過程對甜菜紅素影響較為顯著，提高甜菜紅素的穩定性是保持色澤的重要途徑，目前發現添加適量抗壞血酸、濃縮、微膠囊包埋對色素穩定性有促進作用，能夠維持色素顏色，但加熱、攪拌等加工操作對甜菜紅素有降解作用。因此，甜菜紅素在各種加工條件下的穩定性還需要更多的研究確認。

此外，不同種類甜菜紅素的穩定性也有差異。因此，發現和鑒定出更多種類的甜菜紅素是下一步的研究方向，也可以利用微生物發酵工程定向產生更多的甜菜紅素來彌補甜菜紅素在自然界中含量缺乏的不足。另一方面，甜菜紅素在加工中會產生降解，降解產物的安全性和生物活性也是未來的研究熱點。

綜上所述，隨著人們生活水平的提高，對食品安全問題的關注和對健康飲食的追求，天然色素替代化學合成色素使用會變成必然趨勢。甜菜紅素不僅可以作為色素使用，更重要的是具有抗氧化等多種生物活性。但目前甜菜紅素在加工中的穩定性還沒有徹底解決，制約了富含甜菜紅素果實的加工以及甜菜紅色素的使用。因此，甜菜紅素在加工中的穩定性還有待更深入的研究，這對甜菜紅素在實際生產中的應用具有重要意義。