關于天然色素穩定性的綜述

尹鶴婷

上海太太樂食品有限公司（上海 202308）

食品對于人類而言至關重要，關乎人的健康與生存。人們對于食物的需求沒有改變過，但食物的類型已發生很大改變。在遠古時代，人類先狩獵動物、摘取植物作為食物。而現如今，新時代的人類已離不開對工業食品的需求。這種需求也促進此類商品在外觀、風味、保存時間等方面的創新。商品貿易的促進和交通效率的提高也提升對遠距離運輸食品的需求。在這種情況下，保持商品的品質至關重要。食品研發作為前端，大多數情況下，使用食品添加劑來減少食品的改變是性價比較高的選擇。食品添加劑的選擇繁多，需要滿足市場的需求和食品工業生產的實現，同時還應保證在相應法律法規下的合規性[1]。

對天然色素的穩定性進行綜述，包括對天然色素的定義介紹、結構、來源、作用、生物功效等，并將其與人工色素進行簡短的對比，介紹其優勢及劣勢。另外，以來源將天然色素進行分類，重點集中在對植物源和動物源的列舉，展示常見的天然色素來源。聚焦在對天然色素穩定性的討論中包括4個方面，分別是影響天然色素的因素、測定天然色素穩定性的方法、提高天然色素穩定性的方法和天然色素的發展現狀。對現有技術方法和觀點進行匯總，同時對未來進行展望。

1 食品添加劑概述

1.1 食品添加劑的法規定義

食品法典委員會（Codex Alimentarius Commission，CAC）將食品添加劑定義為“其本身通常不作為食品消費，不用作食品中常見的配料物質，無論其是否具有營養價值。在食品中添加該物質的原因是出于生產、加工、制備、處理、包裝、裝箱、運輸或儲藏等食品的工藝需求（包括感官），或者期望它或其副產品（直接或間接地）成為食品的一個成分，或影響食品的特性。該術語不包括污染物，或為了保持或提高營養質量而添加的物質”。我國會對食品添加劑的定義為“為改善食品品質和色、香、味，以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學合成或天然物質”。《食品添加劑使用標準》（GB2760—2014）將食品添加劑的功能分為22個類別，如抗結劑、抗氧化劑、著色劑等。

1.2 天然食品添加劑

天然食品添加劑的使用受到多方面的推動。在環保層面，其使用被認為是一種支持可持續發展的方法，它在滿足行業和社會的需求的同時，也不會造成食品需求的短缺[2]。在消費者層面，消費者對于健康飲食的感知越來越強，同時隨著食物的選擇越來越多，對于“清潔標簽（clean label）”的追求也隨之增多。這種消費者對于自身飲食的高要求和對健康食品的選擇偏向性在經濟發達的地區尤為明顯，他們更加意識到工業化食品可能給他們的飲食帶來的風險，購買習慣也隨之受到影響[3]。在食品中使用天然食品添加劑的主要驅動力之一就是消費者尋求與產品標簽之間有更透明的溝通。這也成為一股重要的市場力量，以促進低加工和更天然來源成分的使用[4]。

1.3 天然色素

顏色在產品的營銷中有著重要作用，它是消費者進行購買選擇的必要條件[4]。顏色作為食品的主要感官指標，會對消費者的飲食欲望產生積極影響[5]。用于食品生產的色素的選擇有人工合成色素和天然色素。在食品加工及儲存的過程中，人工合成色素一般為首選，這是由于與天然色素相比較而言，它們擁有更高的穩定性和更強的著色力，價格也更加便宜[4]。但是近年來，人們越來越關注到人工合成色素對人類健康的潛在危險。如食用大于50 mg人工合成色素會導致兒童運動過度，引起過敏性病變和神經系統疾病[6]。另外考慮到法規限制和消費者對天然食品的追求，食品企業趨向于用天然色素取代人工合成色素。

天然色素的優勢是顯著的。它們除了提供色彩外，還可以為配方產品提供生物活性[7]。它們的次級代謝物表現出有效的生物功效，如抗氧化，抗癌，抗肥胖和保護神經活性[8]。可為人體健康做出貢獻。另外，天然色素對人工色素的替換可滿足在現代食品購買行為中消費者對于清潔標簽的追求，以及契合部分食品企業對于天然和可持續發展的價值觀。盡管存在這樣的趨勢，但在技術上來說，用天然色素替代人造色素并不簡單。在配方產品中應用天然色素時，需要克服包括工藝和保質期在內的問題。這些問題源于一個事實，即天然色素不如人造色素純凈，其中含有其他成分，如蛋白質和糖。因此需要更高的劑量。這不僅對配方成本有影響，而且對食品基質的化學或物理性質也有影響[9]。

1.4 天然色素的來源

天然色素的來源包括植物、動物、微生物和礦物質[10]，它們有著顯著的結構多樣性。商業使用的天然色素大多為植物來源。它們從天然植物的某些部分中提取而來，包括莖、根、花、葉、果實和果皮[11]。紅色和橙色可以來源于姜黃、番茄、甜菜根、辣椒等，提取出的天然色素的主要成分有姜黃素、β-胡蘿卜素、辣椒紅素、葉黃素、番茄紅素、蝦青素等[10]。藍色可以來源于綠色植物和蔬菜，一般為靛藍植物[12]，主要成分包括花青素等。但藍色的天然色素相較于紅色和綠色的來說是更為短缺[11]。據Siddique等[13]的解釋，這是由于可見光譜的藍色部分提供足夠的能量將軌道電子提升到激發態，從而迫使分子吸收它，導致這些色素看起來更紅或更綠。因此紅、橙、黃、綠色調的天然植物來源比藍色的要多很多。

動物同樣也是天然性色素的來源之一。最常見的是動物源天然色素是胭脂紅或胭脂紅酸，它的來源是干燥和粉碎后的雌性蚜蟲（Dactylopius coccusCosta）[10]。胭脂紅酸是一種水溶性蒽醌，呈現品紅色，且對光、熱和氧氣具有與植物源色素相比更高的穩定性[14]。但其生產會受到區域和季節的波動性影響，這是由于蚜蟲的胭脂紅酸含量會因上述因素產生影響[15]。與其他天然紅色色素相比，它非常昂貴[1]。另外，還有的動物源色素是從蝦殼中分離出的蝦青素和從棘皮動物中分離出的棘皮色素，甚至還有部分海洋動物也可作為源頭[16]。

微生物被Manzoor等[10]稱為有希望的天然色素來源。相對于植物與動物來源，微生物提取色素的原料更容易獲得，且易于培養的特性使其可以迅速生長，因而生產成本更低，Juri?等[17]持相同觀點。微生物天然色素已有一些應用實例，紅曲真菌可用于提取橙色、紅色和黃色[18]，甲基桿菌在使用單碳和多碳化合物的選擇性分離培養基上可形成粉紅色至紅色的菌落，以及來自棉假囊酵母菌的核黃素，來自與球藻的蝦青素等[19]。Manzoor等[10]研究顯示，通過優化發酵條件（pH、曝氣、溫度和培養基成分等）可最大限度地提高天然色素的產量。在近幾十年中，工業微生物發酵和基因改造技術取得突破，從而批量生產了具有許多健康益處的天然色素。表1對常見天然色素進行匯總。

表1 常見天然色素

2 討論

2.1 影響天然色素穩定性的因素

天然色素存在許多已知優勢，但由于天然的屬性，也存在一些劣勢，穩定性不佳是被討論最多的缺點之一。色素質量的保留率不穩定。對于天然色素來說，他們對于外部的干擾很敏感。可能影響其穩定性的因素包括光、溫度、濕度、氧氣、pH、酶等，還包括其中含有的蛋白質及金屬離子[31]。這些影響因素可能來自于前期的原材料的儲存階段、中期的產品的加工階段和后期的存放階段。不同類別或結構的天然色素在同一條件下受到的影響不同，如不同花青素中羥基化及甲基化的數量和程度不同，隨之花青素的穩定性表現不同。羥基化會使色素的顏色發青且穩定性降低，而甲基化會使色素的顏色發紅且穩定性提高[32]。天然色素對于不同外部環境敏感度也不一樣，如與花青素相比，甜菜堿在高溫和pH 3～7的環境下更穩定[33]，因此它可被用于低酸和中性食品中。通常來說，顏色的不穩定及變化程度由色素內部結構和外部環境共同決定。以類胡蘿卜素為例，它的特征性黃色可能與擴展的共軛雙鍵系統有關，在分子兩側存在2個環狀結構，它可以吸收在可見光譜中波長區域較短的光。因此高溫、光線可能會影響分子結構的完整性，限制其生物活性，造成顏色損失。另外在應用中，類胡蘿卜素之一的葉黃素，它的水溶性限制其在消化過程中的吸收，從而降低其在營養保健品中的可利用性[32]。

除了色素的保留率不穩定之外，天然色素在生產率和品質的統一性上也很難保持一致。來自于植物的天然色素的獲取會受到季節的影響，且年產量非常有限[11]，許多植物1年只收獲1次。這也間接提高了采購成本。就算是可以全年收獲的植物，受到氣候條件的限制，生產也只能在某些地區進行[15]。天然動物源的色素也同樣受原產地區限制，如胭脂紅在南美洲生產，特別是秘魯。且蚜蟲中的胭脂紅酸含量存在波動，導致胭脂紅的質量也受到影響[34]。相比較而言，微生物源的天然色素比動物及植物來源的更穩定，原因之一是微生物的生產條件更加可控，而且色素在使用過程中的穩定性表現也更優秀[14]。

2.2 測定天然色素穩定性的方法

評價天然色素的穩定性可從很多個維度進行，色素的主要功能是為產品提供視覺色彩，因此顏色的穩定性是最主要的被評價維度。食品中的顏色值通常借助色度計或分光光度計確定[35]。在多個研究中也輔以人工的感官評估[36]。在借助高效液相色譜法（HPLC）進行檢測時，通常先對制備好的色素溶液進行最佳波長檢測，使其成為后續實驗測定吸光度的波長標準。緊接著配制多個梯度的溶液樣品，有的研究會將它們置于不同的物理環境中，如不同溫度條件、加熱時間[37]和光照條件[38]。也有研究會向基礎溶液中加不同濃度的金屬離子或不同的化學添加劑，又或是設置多個pH梯度[39]。另外也可以同步使用比色法進行檢測，此時需要通過3個維度獲得色度特征，它們分別是亮度（L*），紅色或綠色（a*）和黃色或藍色（b*）[38]。最終通過差異比色法對顏色的變化進行衡量[37]。在采用上述2種方法的基礎上，一些研究會再使用感官評價作為結果的輔佐。感官評定小組通常由多名訓練有素的成員組成[36]。多方法同時進行可提高測試結果的準確性。

2.3 提高天然色素穩定性的方法

影響天然色素穩定性的因素有多方面，食品行業所面臨的挑戰是尋找在加工技術和產品呈現中提高天然色素穩定性的方法。此類色素的可持續性和健康性受到一致認可，盡管作為著色劑，無論是人工的還是天然的，他們的添加量都在法規的認可范圍內，這被認為是沒有健康危害的。但天然的色素無疑將消費者的顧慮降到最低，也為產品本身帶來聲譽的可能。為最大限度利用天然色素，人工改進加工技術以確保提高生物利用度的原則之一就是保證分子不降解[40]。以花青素為例，微囊化被提出是一種可以提高色素溶解度、穩定性、分散性和確保色素生物利用度的有效方法[31]。同時在加工過程中采用低溫處理的新興綠色提取技術能防止這些天然色素受到熱損傷和酶降解。研究表明，對色素進行包封，將該技術與其他方法相結合，可達到穩定產品顏色和抗氧化活性的好處[41]。針對花青素，Chung等[42]研究發現在含有抗壞血酸的飲料產品中使用氨基酸和多肽具有改善顏色穩定性的潛力。對于葉黃素而言，Steiner等[43]通過微膠囊化和使用基于乳液的輸送系統對葉黃素進行保護，充分利用其親脂性的生物活性，以防止它們在食品基質中的降解，從而提高其生物利用度。還有的研究發現使用輻照會對紅葡萄酒[44]和黃瓜[45]中的色素保留有積極作用。針對天然色素的保護已有許多研究提及，但針對本身成本即高于人工的天然色素而言，對于其穩定性的保護措施無疑再次給其成本加上了一筆。因此在食品工業實踐中，這些措施的使用仍待考究。

2.4 天然色素的發展現狀

在我國，土地資源廣闊，物產豐富，種類多樣。普通的農副產品如玉米、高粱、辣椒等隨處可見，而更為稀有的動植物和礦產也在我國有所分布，特別是可用于中藥調配及藥食同源的一些原材料。我國的豐富資源為天然色素的開發和提取提供原料，這是相較于國外而言的優勢。但同時許多天然色素的原材料存在獨特的地域性，稀有性較高，對任何一個國家而言進口的成本都很高。因此各國也在積極探索自己國家特有原材料的可用性、可提取性和可持續性，如澳大利亞在積極探索使用本國叢林食品（Edible native flora或“Bushfoods”of Australia）的風味和色彩[46]。在天然原材料的開發、提取和利用上，已有許多研究提出可行的實驗方案，但如何將其技術應用在大規模食品工業上仍有待解決。常用于商業色素提取的辦法繁瑣、耗時且用材較多，如加熱、浸漬、研磨等。已被提出的環保工藝在一定程度上解決低提取率、低利用率和顏色不穩定的問題[10]，但其低普及率和高技術難度對于食品生產商來說仍是問題。另外，在相應的政策、法規和使用規劃上，仍待各國政府和行業各界綜合原料、市場、生產設備和技術力量進行制定。需充分考慮到其對于人類健康性和環境可持續性的影響，將資源的開發真正合理化和合法化。

3 結語

人工合成色素被廣泛用于食品產品中，但天然色素已逐漸對其取代。天然色素被認為對人體是相對安全且環境友好的。它的作用是為食品增添感官豐富度，天然的來源讓它擁有高質量和高效率的感官特性。但天然色素的劣勢也較明顯，原材料的質量不穩定、對環境的敏感性高、產量低、難以用于大批量工業生產等問題仍擺在食品企業面前。未來在探求天然色素源頭和穩定性的同時，其毒理性和有關安全問題的法規約束也應該更多地被關注到。而后可以探索其搭配的多樣性，使用較為穩定的天然色素對現有產品的顏色進行定制化，并且研制可以實現大規模生產天然色素的設備，實施新的創新和工業解決方案。