坚果果壳色素的研究进展1）

李德海，刘银萍，王蕾，史锦硕，贾庆伟

（东北林业大学 林学院，哈尔滨150040）

近年来，食用合成色素在食品工业中超量和违规使用，对消费者身体健康带来严重伤害，而天然色素具有安全性高、来源丰富和营养价值高等特点，某些色素还具有药理保健功能［1－2］，因此利用天然资源开发天然食用色素成为研究学者的开发重点。据统计，日本的天然食用色素年用量已超过18 000t，为合成食用色素用量10倍以上。美国天然食用色素近几年销售额年增长率均高于10%。在天然食用色素的研究开发中，日本在世界上处于领先地位，列入使用目录的天然食用色素已超过60种［3］。

坚果果壳色素属于天然色素中的植物色素类，主要以坚果果壳为原料进行提取加工得到的。坚果果壳是一类常见的坚果副产物，因其坚硬而不被利用，不仅造成资源浪费，而且污染环境。研究表明，许多坚果果壳是色素的良好来源，通常坚果果壳色素呈棕褐色，使用性能稳定，而且具有抗氧化和抑菌性能，已经成为天然色素行业发展的新趋势［4］。目前，关于坚果果壳色素的研究很多，但是系统性不强，为让研究者能够详细了解坚果果壳色素的发展动态，本文对坚果果壳壳色素的提取、分离纯化、理化性质以及功能性进行了详细综述，为坚果果壳色素的开发与利用奠定基础。

1 坚果果壳色素的概述

坚果又称壳果，食用部分多为坚硬果壳内的种仁或者胚乳，营养价值很高。蛋白质含量为4.89%～63.0%；脂肪含量为1.3%～58.8%；碳水化合物含量为7.99%～72.69%等。还含有多种大量的膳食纤维、必需氨基酸和不饱和脂肪酸，具有很强的保健作用，如清除脂质过氧游离基、降血脂、降低心脏性猝死率和抗心血管病等［5－6］。目前，坚果壳色素的研究开发并不是很广泛，现以壳色素的分离纯化，稳定性，功能及提取工艺的优化及精制等为研究重点。

2 坚果果壳色素的理化性质

大多坚果果壳色素对光、热、食品添加剂等较稳定，对处理时间、pH、氧化剂、金属离子等因果壳的不同而存在差别。研究表明，板栗壳色素在510nm处有最大吸光值，但其吸光值受pH值影响，当pH在2.0～6.0时，吸光值呈逐渐增加的趋势，当pH在8.0～14.0时，吸光值变化不大［7］。张志建等［8］详细研究了橡子壳色素在不同环境条件下吸光度的变化情况及色素颜色的变化情况，研究结果表明，橡子壳色素是一种由多种成分组成的红褐色粉末，可溶于极性溶剂（如水、酒精），不溶于非极性溶剂，在酸性（pH≤4）条件下显黄色，在碱性（pH≥8）条件下显红棕色，对光、热、氧化剂（过氧化氢）、还原剂（亚硫酸钠）及山梨酸钾均具有良好的稳定性，但对柠檬酸、抗坏血酸（VC）、苯甲酸的稳定性相对较差。杨林娴等［9］从黑葵花籽壳色素的稳定性的研究中发现，pH值、氧化剂、还原剂对该色素影响较大，如在酸性溶液中稳定，在碱性溶液中不稳定，并且随pH值的增加，颜色由红色向蓝色转移，而温度、日光、食品添加剂对该色素影响均不明显。邱贺媛等［10］研究油茶果壳色素的理化性质，发现油茶果壳色素对热、氧化剂和还原剂稳定性较好，常用食品添加剂对色素的色泽无不良影响，K＋、Ca2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ba2＋、Mg2＋对色素无不良影响而，Fe3＋对色素有减色作用，在pH2～7条件下该色素颜色均较稳定，碱对色素有增色作用。

从研究资料可以看出，坚果果壳色素的理化性质受到很多因素的影响，但从某些角度来看，不同来源的坚果果壳色素之间存在一定的共性，针对色素的发展来说，研究坚果果壳色素理化性质显得很重要。

3 坚果果壳色素的功能性质

研究表明，坚果果壳色素具有抗氧化性和抑菌性等生物活性，如板栗壳色素，榛子壳色素，核桃壳色素等具有较强的抗氧化活性。有资料研究测定了9种坚果果壳色素的抗氧化活性，结果表明，葵花子＞核桃＞花生＞白果＞栗子＞莲子＞榛子＞松子＞南瓜子，最强与最弱相差681.4倍［11］。李云雁等研究了板栗壳色素［12］在猪油中的抗氧化性能，对其有效的抗氧化成分进行了初步鉴定，并分析了抗氧化机理。实验结果表明，板栗壳色素属于黄酮类色素，具有较好的抗氧化性，优于BHT、Ve，同时其抗氧化作用有很好的光稳定性。同时研究还发现，板栗壳色素对几种常见细菌、酵母菌和霉菌的抑制作用［13］，一定浓度的色素溶液对供试菌种都有较明显的抑制作用，如板栗壳色素对枯草芽胞杆菌、大肠杆菌、黑曲霉和青霉具有抑制作用，对苹果汁有一定的防腐效果［14］，热处理对色素的抑菌效果无影响。李军红等［15］采用滤纸片法探讨了花生、板栗和葵花子壳乙醇提取物对六种食品中常见污染菌的抑菌性，不同pH下抑菌活性的变化、防腐作用等进行比较研究。结果表明：3种提取物对6种试验菌均有很强的抑制作用，它们的抑菌性受pH影响很大，且抑菌性有很好的热稳定性。防腐实验研究表明，在48h内它们对3种试验食品的抑菌率大都在80%以上，最高达94.20%。

4 坚果果壳色素的提取

目前，坚果果壳色素的提取方法常见的有溶剂提取法和物理辅助溶剂提取法，物理辅助溶剂提取法有超声波辅助提取法、超临界提取法、微波萃辅助取法等方法。

4.1 溶剂提取法

溶剂提取法是目前从坚果果壳中提取色素的一种普遍常用的方法，常用的溶剂有水、酸碱溶液、乙醇、丙酮、甲醇、乙酸乙酯等。在提取过程中，浸提温度、浸提时间、料液比、溶剂pH等因素影响坚果果壳色素提取效果。张志健等［16］的研究表明，提取橡子壳色素的适宜条件是：提取剂为40%乙醇，料液比为1∶50（g／mL），温度为70℃，时间为5h；橡子壳棕色素的最大吸收波长是329nm，用非极性溶剂（如石油醚）处理橡子壳粗粉可提高色素提取效果。王振宇等［17］以红松松籽壳为原料，采用响应面法对水溶液提取松籽壳色素的条件进行优化并建立回归模型，得到最佳提取条件为：提取时间5.06h，温度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH＝12。周萍等人［18］研究核桃壳棕色素，并指明他的最佳提取条件为：在75℃时，用1%NaOH提取3次，每次浸提时间为2h。在此条件下，色素的提取率较高，达31%。还有吴雪辉等［19］通过试验确定了从板栗壳中提取天然食用色素的较佳工艺条件为：乙醇体积分数30%、提取温度90℃、提取时间3h、料液比1∶30、提取次数3次，为板栗壳食用色素的进一步开发利用奠定了基础，也为板栗加工副产物的综合利用提供了一条新途径。傅伟等［20］利用响应面法优化了化学预处理法提取榛壳棕色素的条件，研究了预处理的化学试剂、浓度、温度、时间、料液比5个单因素对预处理的影响，并在单因素试验的基础上，进行了响应面优化试验。优化结果表明，化学试剂预处理的最佳工艺条件为：化学试剂NaCl，浓度0.85%，温度34.2℃，时间0.98h和料液比1∶3.2。在此条件下预处理榛壳，可使棕色素提取效率提高54.3%，得率达到6.1%。由此看来不同的壳色素因其成分不同，所选溶剂与各类条件均有不同，最佳工艺条件也有一定的差别。

溶剂提取法工艺简单，设备投资少，操作较方便，便于生产，但此法浸提时间较长，劳动强度大，原料预处理时能耗大，色素溶解性较差。而且色泽变化较大，提取过程所需溶剂量较大，回收困难，不利于环保，因此影响了产品的开发和使用范围。

4.2 超声波辅助提取法

物理辅助提取法的基本原理是利用超声波的空化作用加速坚果果壳色素的溶出，另外超声波的次级效应，如机械振动乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲坚果果壳色素的扩散释放，使其充分与溶剂混合，有利于提取，且方法简单、操作时间短、萃取率高。赵云等［21］采用响应曲面法，对超声波提取板栗壳色素进行了工艺优化设计，建立了超声波提取板栗壳色素的二次多项数学模型，探讨了主要因素的影响效应及其交互作用，确定了提取的最佳工艺条件：温度54℃，乙醇体积分数39%，料液比1∶34。而刘平，李云雁等［22］就板栗壳色素超声波提取工艺中的提取剂、提取时间、提取温度、超声波功率、固液比和提取次数对色素提取率的影响进行了系统研究。通过正交试验得出最佳工艺条件为：提取温度70℃，提取时间90min，固液比（g／mL）1∶15，超声波功率500W，提取2次。其中提取时间和提取温度对色素提取率有显著性影响，板栗壳色素的提取率可达11.64%。用95%乙醇分别进行索氏提取、热过滤抽提、超声波辅助提取等5种萃取时，超声波辅助提取的得率较高。可见与传统方法相比较，超声波提取技术既保证了提取效率，又缩短了提取时间，从节约能源和技术经济性的角度来看，是一种比较理想的方法，但超声波法依然存在着溶剂残留问题。

4.3 微波辅助提取法

微波辅助提取法是将微波与传统的溶剂萃取法结合起来而形成的新型萃取技术，其基本原理是：在微波场中利用吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体和体系中分离。微波辅助萃取技术在坚果果壳色素的提取上取得了较好的效果，邱贺媛等［23］以油茶果壳为原料，利用微波辐照提取棕色素，通过L9（34）正交试验确定油茶果壳棕色素的最佳提取工艺条件。结果表明，色素最佳提取工艺条件为微波辐照时间240s、微波功率320W、乙醇体积分数70%、料液比1∶10（g／mL），该条件下得率为5.92%；林棋等［24］对福建产花生壳进行了微波萃取天然黄色素及其稳定性的研究。研究表明微波萃取的工艺条件是：以pH＝3，体积分数70%的乙醇水溶液作提取剂，原料与提取剂配比为1g∶5mL，微波辐射功率为120W，辐射时间240s。吴春华等人采取了微波辅照提取板粟色素，通过对色素的定性实验和稳定性实验，表明该板栗壳色素属于黄酮类色素，其对光照、温度、还原剂、氧化剂、pH值有良好的稳定性［25］。可以看出，微波辅助提取法与传统加热法相比，具有选择性高、萃取时间短、温度低、溶剂消耗量少、色素成分萃取率高、不产生噪音、操作成本低、减少原料预处理并对环境友好、适合于热不稳定物质等特点，但存在溶剂残留的问题，由于它的特性所限，其应用范围受到了一定的限制，现在只停留在实验小试的水平，距工业化应用还有许多工作要做［26］。

4.4 超临界流体萃取法

超临界流体萃取是食品工业新兴的一项提取和分离技术，是利用液体在超临界区域兼有气液两性（既具有气体的高渗透能力和低黏度又具有液体的高密度和对物质良好的溶解力）的特点，从而实现了溶质溶解和分离。该项技术的主要特点是兼有传统溶剂提取法和蒸馏法的双重功能，尤其是对热敏物质和不挥发性物质的分离效果更佳。郑剑研究超临界流体技术提取板栗壳色素，通过单因素实验和正交试验确定出最佳工艺参数：压力为20MPa，温度为25℃，时间为3h［27］。结果表明，超临界提取法与常规法相比较，具有提取时间短、色素提取率较高、色素天然活性损失小等优点，可以提高生产效率。目前使用最普遍的流体溶剂是二氧化碳。超临界二氧化碳萃取色素稳定性强、保持生物活性、不易受热分解、无污染、无残留、符合环保要求，色味纯正、产品品质高及提取率高，是一种从天然物质中提取、制备和分析样品的优良方法，但超临界萃取设备一次性投资大，工业化较复杂，因而影响了这种方法的应用推广。而用二氧化碳超临界——超声波联用技术是一项新颖的萃取技术，特别适于萃取挥发性、热敏性或脂溶性色素［28］。此法与溶剂法相比，无化学溶剂的消耗、残留和污染，并可避免萃取物在高温下分解，保护物质的生理活性，保持萃取物的天然风味［29］。

5 坚果果壳色素的分离纯化

天然色素的分离纯化方法很多，包括重结晶法、化学沉淀法、膜过滤、反渗透及色谱法等。重结晶法和醇沉法色素沉淀不彻底、效率低、且醇沉法较浪费试剂、效率较高；酸沉法色素沉淀彻底、效率高。相比较之下，重结晶法和醇沉法获得纯化色素的层析效果比酸沉法要好［30］。因此，实际应用中可以先用酸沉法，起到浓缩色素的目的，当色素浓度较高则选用醇沉法，最后选用重结晶法。

随着科技的发展，膜分离技术在制备天然有效成分方面取得成功的应用。膜分离工艺都是纯物理的分离，即被分离的组分既不会有热学性的变化，也不会有化学性和生物性的变化；并且它具有能耗低、化学品消耗少、操作方便、不易产生二次污染、可避免组分受热变质和混入杂质等优点，浓缩产品时不需加热，而且不需要蒸发器或冷冻设备，投资成本低，可以节约能源和经费等［31－32］。由于分离过程中不需要受热。容易保持分离物质的某些功效和风味。因此，膜分离技术在纯化色素方面有很大的发展前景。膜过滤或超滤工艺可选用适当孔径的超滤膜，使水分子甚至小分子杂质通过超滤膜，而使溶剂中有效成分被分离，从而使色素达到某种程度的纯化和高倍数浓缩［33］。

大孔树脂吸附法以其有机溶剂用量少、耗能少、吸附量大、吸附速度快、易于解吸附、可重复使用等特性，在色素精制中的应用越来越广泛。研究表明，在有机合成和植物化学的常规分离中，至少80%以上的色谱制备性分离工作都是在硅胶柱上进行的。李永祥等在应用硅胶柱层析对板栗壳色素化学性质及结构的初步研究表明。硅胶柱层析是纯化色素的一种简单有效且经典的方法［34－35］。

6 坚果果壳色素的应用与展望

我国天然食用色素的研究起步较晚，尚处于天然色素与合成色素并存的现状［36］。但我国有丰富的植物资源，开发和利用植物天然色素，具有广阔的发展前景。而坚果壳色素作为天然色素之一，已经被大量开发和应用，如从向日葵籽壳中提取的食用色素有着与其它植物色素不同的特色，其液体在酸性条件下为玫瑰红色，碱性条件下为绿色，若将该色素置于阴暗处，即使放置一年，其颜色也无明显变化。可用于冷饮、冰棒、冰淇淋、果酒等食品的着色。绝大多数的坚果果壳色素具有水溶性好、对光热稳定、耐糖耐盐、安全无毒的特性，可用作天然抗氧化剂。目前，我国开发的坚果果壳色素已进入产业化阶段，主要有膏状和粉状两种产品，已经广泛用于食品加工、医药保健品、化妆品行业。

随着食品与医药等轻工业的发展和人们对合成色素危害性及天然色素健康性认识的增加，天然色素的市场需求量大幅度增加。坚果壳色素原料成本低，对这类资源的不断开发有利于山区农民脱贫致富，能使壳类这一副产品得到合理的利用，实现了资源合理开发，具有一定的经济和社会价值。并且有些坚果壳色素还具有抗氧化惑抑菌的功能，而功能性色素的开发在当代社会更是存在着很大的市场潜力，可涉及到各个领域。

目前对坚果壳色素的开发利用还不是很充分，为此，应当抓住机遇，把握好方向，立足于国内市场，积极开拓国际市场，大力开发天然、营养、多功能的坚果壳色素，研发出高效经济的提取分离技术，针对某些壳色素的缺陷深入研究，找出更好的解决方法，使其得到更广泛的利用，从而提升了产品的市场竞争力。相信在不久的将来，天然色素在食品、医药等方面的应用，必定有着比合成色素更广阔的发展前景。

［1］ Alison Downham，Paul Collins.Colouring our foods in the last and next millennium［J］.International JouraaI of Food Science and Technology，2000，35（1）：5－22.

［2］ Mekkawy H A，Ali M O，El－ZwaIIry A M.OP3A18－Toxic effect of synthetic and natural food dyes on renal and hepatic functions in rats［J］.Toxicology Letters，1998，95（1）：155－155.

［3］ 马自超.天然食用色素化学及生产工艺学［M］.北京：中国林业出版社，1994：1－2.

［4］ 李传欣，张华，李景琳.食用天然色素的应用及发展趋势［J］.辽宁农业科学，2001（1）：29－32.

［5］ 陆美芳.坚果类食物的营养保健功能［J］.营养保健，2004（8）：28，31.

［6］ 裴宁.保健食品看坚果［J］.中国保健营养，2005（1）：46－47.

［7］ 李永祥，詹少华，蔡永萍，等.板栗壳色素的提取、纯化及稳定性［J］.农业工程学报，2008，24（9）：298－302.

［8］ 张志健，李新生.橡子壳色素稳定性研究［J］.中国食品添加剂，2010（3）：135－138.

［9］ 杨林娴，张家林.黑葵花子壳色素的提取及稳定性研究［J］.科技创新导报，2010（17）：249－249.

［10］ 邱贺媛，陈洁曼，胡静如.微波辐照提取油茶果壳棕色素及其稳定性研究［J.食品科学，2009，30（16）：198－202.

［11］ Cao G，Alessio H M，Cutle R G.Oxygen－radic absorbance capacity assay for antioxidants［J］.Free Radical Biol Med，1993，14：303－311.

［12］ 李云雁，宋光森.板栗壳色素抗氧化性研究［J］.中国油脂，2004，29（5）：46－48.

［13］ 李云雁，宋光森.板栗壳色素抑菌性的研究［J］.湖北农业科学，2004（5）：63－65.

［14］ 周国燕，桑迎迎，宫春波，等.板栗壳色素的提取工艺优化及其抑菌性能［J］.食品科学，2010（31）：22－101.

［15］ 李军红，田胜尼，陆晓宇.三种坚果类食品壳提取物的抑菌性比较研究［J］.食品科学，2008（8）：70－73

［16］ 张志健，李新生.橡子壳色素提取技术研究［J］.中国食品添加剂，2010（02）：105－110.

［17］ 郭庆启，毛佳，王萍，等.响应面法优化红松松籽壳色素提取工艺的研究［J］.食品工业科技，2010（11）：262－264.

［18］ 周萍，许兴景，王敏，等.核桃壳棕色素的提取和稳定性研究［J］.安徽农业科学，2011，39（7）：3912－3913，3983.

［19］ 吴雪辉，黄敏胜，张远志，等.板栗壳食用色素的提取工艺条件研究［J］.食品添加剂，2004（4）：57－59.

［20］ 王金玲，傅伟，王振宇，等.化学预处理法提取榛子壳棕色素条件的响应面优化［J］.东北农业大学学报，2010（8）：109－114.

［21］ 赵云，李涛，陈增洁.超声波辅助提取板栗壳色素工艺的研究［J］.农产品加工，2011（6）：57－60.

［22］ 刘平，李云雁.板栗壳色素超声波提取方法研究［J］.江苏农业科学，2007（4）：196－198.

［23］ 邱贺媛，陈洁曼，胡静如.微波辐照提取油茶果壳棕色素及其稳定性研究［J］.食品科学，2009（16）：198－202.

［24］ 林棋，魏林海，陈焦阳.微波萃取花生壳天然黄色素及其稳定性研究［J］.化学研究，2002，13（3）：38－40.

［25］ 吴春华，张加研，秦永剑，等.微波辅照提取板粟壳色素的研究［J］.林产化学与工业，2007，27（21）：121－124.

［26］ 李巧玲.微波萃取技术在天然食用色素提取上的应用［J］.中国食品添加剂，2003（4）：105－107.

［27］ 郑剑.超临界流体技术萃取板栗壳色素的研究［J］.食品研究与开发，2008，29（8）：188－190.

［27］ Sun Qingjie，Gu Qiongfang.Supereritical liquid extraction technique applied in natural pigments［J］.Agriculture Products Development，1997（12）：3－5.

［29］ Xu Haiqing，Ming Xia.Extraction on naturul pigment and its physiological Functions［J］.Applied Chemical Industry，2005，34（05）：268－270.

［30］ 李永祥，詹少华，蔡永萍，等.板栗壳色素的提取、纯化及稳定性［J］.农业工程学报，2008，24（9）：298－302.

［31］ 符向民.膜分离技术及其在食品工业中的应用［J］.广州食品工业科技，1999，15（2）：43－47.

［31］ 李嫒嫒，高彦祥.膜分离技术纯化栀子黄色素的研究［J］.食品科学，2006，27（6）：113－116.

［33］ 郑健仙.食品工程分离技术［M］.北京：轻工业出版社，1999：50－68.

［34］ 李永祥，詹少华，樊洪泓.等.板栗壳色素化学性质及结果的初步探究［J］.食品科学，2008，29（21）：51－54.

［35］ He X J，Liu R H.Cranberry Phytochemicals；Isolation，Structure Elucidation，and Their Antiproliferaative and Antioxidant Activities［J］.J Agric Food Chem，2006，54：7069－7040.

［36］ Tan Guojin，Jiang Linbin，Huang Renjin，et a1.Current research situation of natural edible plant－pigment and its prospect［J］.Tochnology ＆ Development of Chemical Industry，2005，34（6）：25－29.