提高天然色素稳定性方法的研究进展

徐馨，丁金龙

(广东工业大学 轻工化工学院，广州 510006)

色素可分为天然色素和合成色素两大类。合成色素具有成本低廉、稳定性好、使用方便等优点，曾得到了广泛的应用，在市场上有着举足轻重的地位。但随着应用与研究的深入，发现曾允许使用的很多合成色素都会对人体产生一定的危害[1]，如致泄性、致癌、致突变等[2,3]，所以不少合成色素在食品行业和医药行业逐渐被禁止使用。相对合成色素而言，天然色素源于自然，具有安全性高、无毒副作用、色调自然等优点，许多天然色素还有一定的生物活性，对某些疾病有预防和治疗作用，因此，天然色素的开发与应用逐渐受到人们的重视。但因其总体稳定性偏差，很大程度限制了天然色素的产业化开发与应用。本文综述了影响天然色素稳定性的主要因素，并对提高天然色素稳定性的方法进行了归纳分析，拟为提高天然色素稳定性研究提供理论及方法学参考。

1 影响天然色素稳定性的主要因素

天然色素按其来源可分为植物色素、动物色素和微生物色素三大类；按照化学结构，则可分为吡啶类色素、花青素类色素、黄酮类色素、类胡萝卜类色素、萘醌类色素等；而按照溶解性的不同则可分为水溶性色素和脂溶性色素等[4,5]。综合文献报道，大部分天然色素的稳定性较差，归纳分析影响天然色素稳定性的主要因素包括pH值、金属离子、光照、温度、氧化剂和还原剂等。

1.1 pH值

许多天然色素对pH值的变化很敏感，色调会随之发生很大的变化。例如，范春梅等研究姜黄色素，发现在pH为2时，水溶性姜黄色素出现黄色沉淀，吸光度明显减低；在pH为3～7时，颜色变化不明显，为柠檬黄色，且吸光度变化很小，说明该色素在此条件下较稳定；当pH为8时，颜色为橙黄色，吸光度变大；pH≥9时，颜色为红棕色，说明该色素在碱性条件下变化较大[6]。陈杰等研究紫甘薯色素，发现该色素在pH为2时呈深红色；pH升高至6时，呈紫色；pH增高至9时，逐渐变成蓝色；随着pH增高，最大吸收波长也向长波方向移动，呈现出蓝移的趋势[7]。李金星等研究花青素，发现当pH≤3时，该色素稳定性较好，10天后的保存率依然达到83%以上；pH≥4时，2天后该色素的保存率就降到80%以下，因此，提出花青素应在pH≤3的条件下保存[8]。

1.2 金属离子

很多金属离子也会对天然色素的稳定性产生影响，有的会起到护色作用，有的则导致色素褪色。于有伟等研究叶黄素，发现浓度均为0.5 g/L的不同金属离子对叶黄素稳定性的影响具有一定差异，Na+和Zn2+对该色素的稳定性影响较小；Cu2+和Fe3+对该色素的稳定性影响较大，加入这两种金属离子会导致该色素的保存率显著下降[9]。李金星等研究花青素，发现在金属离子浓度低于0.1 mol/L的情况下，不同浓度的Na+，K+，Ca2+，Cu2+对该色素的稳定性没有显著影响；浓度低于0.05 mol/L的Mg2+使该色素的保存率高于对照组，而浓度达到0.1 mol/L的Mg2+则使该色素的保存率降低，说明低浓度的Mg2+对该色素具有一定的保护作用；与对照组相比，加入Fe3+的花青素保存率大幅度下降，且Fe3+对该色素稳定性的破坏作用随浓度的增大而加强。

1.3 光照

很多天然色素在光照下会褪色，这些天然色素具有光不稳定性。乔华研究发现红曲色素在自然光或紫外光照射下含量均会减少，光照能促进褪色反应的发生[10]。陈冠林的研究发现室外自然光或室内散射光都会加快火龙果红色素的降解，光照强度越强，该色素稳定性越差[11]。李越鲲等研究叶黄素，发现在自然光照射下，该色素迅速降解；而在避光保存的条件下，该色素降解速率明显变缓，因此，提出叶黄素应在避光条件下保存[12]。

1.4 温度

天然色素在应用于食品着色时，很多需要加热处理，因此，需要注意高温对色素稳定性的影响。很多天然色素在高温条件下会发生褪色，具有热不稳定性。陈杰等研究紫甘薯色素，发现在40,60,80,100 ℃处理6 h，该色素的保存率分别为91.47%，84.65%，59.23%，43.23%，表明随着温度的升高，该色素的保存率也随之下降，当处理温度超过80 ℃时，温度对该色素的影响较大。高玉荣等研究玉米红曲红色素，发现冰箱冷藏7天后，保存率依然在90%以上，而高温处理对该色素的影响显著，100 ℃处理0.5 h，保存率仅为61.8%，高温会降低该色素的稳定性[13]。

1.5 氧化剂和还原剂

氧化剂、还原剂等因素也会对许多天然色素的稳定性产生影响[14]。李玮等研究黑色素，发现随着双氧水质量浓度的升高，该色素液的吸光值呈明显的下降趋势，氧化剂对该色素具有一定的破坏作用；随着抗坏血酸质量浓度的升高，该色素液的吸光值有明显下降的趋势，强还原剂对该色素也具有一定的破坏作用[15]。牛世全等研究产蓝色素，发现加入双氧水后，该色素液吸光值急剧下降，之后趋于平稳，氧化剂对该色素具有较强的破坏作用[16]。王晓婷等研究核桃青皮色素，发现随着双氧水浓度的增加，该色素液吸光值降低，颜色逐渐变浅，氧化剂对该色素具有一定的破坏作用[17]。

2 提高天然色素稳定性的方法

天然色素总体稳定性较差，很大程度限制了天然色素的开发应用。采取一定方法提高天然色素的稳定性，可以显著扩大天然色素的应用范围，取得良好的经济效益。分析归纳文献报道，目前提高稳定性的方法主要包括添加稳定剂、微胶囊化、色素分子结构修饰、改善色素加工储存环境等。

2.1 添加稳定剂

综合文献报道，在天然色素的加工、储存过程中加入一定量特殊的化学物质，可以延缓天然色素的褪色，提高其稳定性。目前，研究报道可选用的化学物质有抗氧化剂、防腐剂等。

抗氧化剂β-胡萝卜素、抗坏血酸、异抗坏血酸等都可以延缓天然色素的褪色，提高天然色素的稳定性，从而使其可以更好地保存。孙红男等研究发现，β-胡萝卜素和异抗坏血酸钠都对红曲红色素有护色作用，其护色效果为β-胡萝卜素>异抗坏血酸钠[18]。另有报道显示加入适量的抗坏血酸，可以提高甜菜红素的稳定性[19]；同样，加入异抗坏血酸也可以提高甜菜红素的稳定性，但抗坏血酸对色素的稳定效果优于异抗坏血酸。

另外，不同稳定剂也可以组合使用，形成复合护色剂，提高天然色素的稳定性。许程剑等研究发现抗坏血酸钠+柠檬酸+维生素B的稳定剂组合可以提高彩色小麦中天然色素的稳定性，加热1 h后，色素的保存率高达96.3%，色素液稳定性好[20]。 D-异抗坏血酸钠、苯甲酸钠都可以提高甜菜红素的稳定性，当两者以不同比例混合时所形成的复合护色剂也能明显提高甜菜红素的稳定性，其中以 0.5%的D-异抗坏血酸钠和0.05%的苯甲酸钠配合使用时护色效果最好，且优于两者单独使用，色素保存率较无添加时的色素保存率提高了60%，效果显著[21]。

2.2 微胶囊化

微胶囊是一种具有聚合物囊膜的微型容器。微胶囊技术就是将特定固体或液体包埋、封存在一种微型胶囊内成为一种固体微粒产品的技术。该技术可以将被包埋的物质与导致该物质不稳定的外界环境隔绝开来，只有在一定的条件下才会将被包埋的物质释放出来，从而提高该物质的稳定性[22]。在提高天然色素的稳定性上，微胶囊化技术有减少色素向环境的扩散、减弱外部环境对色素的影响、提高难溶性色素溶解性等优点[23]。这些特点可以有效提高天然色素的稳定性，扩大天然色素的应用范围。

周丹红等研究苋菜红色素，发现使用阿拉伯胶、β-环糊精、蔗糖(1∶1∶1)作为复合壁材，对该色素进行微胶囊化处理，可以提高该色素的稳定性，贮存时间更长久[24]。刘兆芳等研究发现以橘皮色素为芯材，加入微孔淀粉，以明胶为壁材，对该色素进行微胶囊化，可以改善该色素对光、温度、pH等的稳定性[25]。韩爱芝等研究发现以阿拉伯树胶和β-环糊精为壁材，采用喷雾干燥法包埋花色苷，可以减缓外界条件对花色苷的影响，提高花色苷的稳定性[26]。Ravichandran等研究发现用黄原胶作为包埋材料，喷雾干燥法对甜菜红色素进行微胶囊化，可以提高该色素的稳定性[27]。胡婷婷等研究发现微胶囊化提高了虾青素在水溶液中的稳定性，而且不会影响该色素的生物活性[28]。此外，在对天然色素进行微胶囊包埋处理时，还可以在其中添加一些抗氧化剂来提高色素的稳定性[29]。

上述研究表明：微胶囊技术是提高天然色素稳定性的一种较为有效的方法。

此外，包合技术一定程度上也可以提高色素稳定性。包合技术，是指一种分子的全部或部分包入另一种分子，形成分子胶囊。环糊精由于其结构具有“外亲水，内疏水”的特殊性及无毒的优良性能，可与多种客体包合，因此，采用适当方法制备的包合物能使客体的某些性质得到改善。如Stella等研究甜菜红色素，发现用环糊精对该色素进行包合处理，形成包合物，可以提高该色素的稳定性[30]。

2.3 色素分子结构修饰

对天然色素分子的不稳定基团进行结构修饰，可以有效地提高天然色素的稳定性、着色力、溶解性，有很好的应用前景。杨云利用金属离子改造，把芸香苷改成其金属盐，有效提高了该色素的色价和稳定性[31]。王效山研究发现对叶绿素的结构进行改造，将中心原子镁换成铜，并把酯基水解成游离的羧基，生成叶绿素铜，能有效提高叶绿素的稳定性[32]。另外，Donald K等研究发现对天然色素进行酰基化改造，例如利用胡萝卜细胞进行花青素的培养，在培养过程中加入苯乙烯酸还有其他芳香酸，得到了新型的单酰花青素，酰化后得到的花青素的酰基与发色基团间有较好的相互作用，从而提高了花青素的稳定性[33]。

色素的稳定性和色素的化学结构有密切的关系，要提高天然色素的稳定性，最好是从天然色素稳定性和结构的关系入手，通过修饰天然色素的分子结构来达到提高天然色素稳定性的目的。然而，目前对很多天然色素的化学结构和天然色素变色褪色机理的研究并不是很清楚，因此，该方法的推广应用还有较多限制。

2.4 改善色素加工储存环境

大量报道表明：天然色素在避光、低温、真空包装等环境下具有较高的稳定性，因此，在天然色素的加工、储存过程中应尽量维持避光、低温和采取真空包装等方法[34]。吴京平研究草莓红色素，发现该色素在低温条件下相对稳定，高温会促进该色素的降解[35]。赵珍珍研究火龙果红色素，发现该色素在避光条件下较稳定，太阳光或室内自然光都会导致该色素褪色[36]。

氧化剂、金属离子等也会对很多天然色素的稳定性产生影响，因此，在这些天然色素的加工储存过程中也应尽量避免与这些物质接触。H2O2等氧化剂会导致脂肪族天然色素快速褪色，说明脂肪族天然色素抗氧化能力很差，在其加工过程中，应避免与氧化性物质接触[37]。甜菜红色素对金属离子比较敏感，Cu2+和Fe3+等金属离子均会使该色素颜色发生改变，使溶液变色或褪色[38]，因此，在该色素的加工、储存过程中应尽量避免与这些金属离子接触。

芳香族天然色素和脂肪族天然色素在作用机理、表现行为和主要影响因素三方面有一定的差异，比如，芳香族天然色素的褪色主要是发生结构重排或与金属离子反应形成配合物，脂肪族天然色素的褪色主要是发生水解重排或以光催化氧化，这两种天然色素稳定性影响因素是不一样的，芳香族天然色素易受到pH、金属离子等因素的影响，脂肪族天然色素则易受到光照、氧气等因素的影响，所以加工、运输、储存时所应注意的事项也不一样。利用芳香族天然色素和脂肪族天然色素的互补特性，也可以协调使用改善两者的稳定性。还有，在一样的环境下，不同色素不稳定性的表现方式有时也会存在很大的不同，综合利用这些色素的差异，也可以起到提高色素稳定性的效果，如将芸香苷和花色苷混合，可络合成稳定性较高的色素。

此外，还可以采取低温流通、低温加热、开发专用的包装材料等措施来消除各种外部不利因素对天然色素稳定性的影响。

3 展望

天然色素具有安全性高、来源广泛等优点，在人们日益重视健康的今天，开发利用天然色素以及提高其稳定性逐渐成为研究热点。

目前研究开发的天然色素的种类很多，但研究提高天然色素稳定性方法的却很少，一般通过改善加工储存运输环境、添加稳定剂、微胶囊化来提高天然色素的稳定性，仅局限于研究外部条件对天然色素稳定性的影响，却很少涉及到化学动力学的研究，也没能把天然色素的化学结构和反应历程联系在一起，无法从根本上解决问题，从而不能更好地提高天然色素的稳定性。因此，在进一步的研究中应尽可能分析清楚天然色素的成分和化学结构，然后从根本上探明造成色素不稳定的原因并加以针对性改进，以提高天然色素的稳定性，扩大天然色素的应用范围。

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