天然色素的来源、分类、稳定化及其在可食包装中的应用

邢金锋,王稳航

(天津科技大学 食品科学与工程学院,天津,300457)

色素在食品中作为一个非常重要的元素,对食品感官品质起到举足轻重的作用。食品色素可以分为人工食用色素和天然食用色素。大量使用人工色素会引起潜在的人体健康危害,如过敏反应、儿童多动症等[1],这使天然色素越来越引起食品界的广泛关注。天然食用色素来源于自然界的动物、植物和微生物等,对人体健康具有重要的促进作用,包括抗氧化、清除自由基的活性以及抗菌、抗癌和预防一些慢性疾病的作用[2]。

天然色素按结构可分为异戊二烯类、卟啉类、类黄酮类和含氮杂环类等,然而,它们自身的结构也导致了天然色素缺乏一定的稳定性[3],容易受到光照、氧气、pH以及温度等影响。近几年,为了解决这一问题,科研人员研究了一些提高天然色素的稳定化技术,包括微胶囊技术、加入抗氧化剂、添加色素稳定剂(EDTA等)和对色素结构基团的化学修饰等[4-6]。着色能力是另一个影响天然色素在食品领域应用的重要因素。这涉及到天然色素与食品大分子物质之间的相互作用关系,研究表明它们之间存在共价键相互作用和非共价键相互作用(氢键作用、范德华力以及疏水作用力等),这也为天然色素在食品中的应用提供了理论基础[7-8]。近些年,基于对环保的重视,天然色素在可食包装中的应用得到广泛研究,成为食品中重要的新兴领域,包括应用在食品涂层、有色可食膜、可食墨水印刷以及3D打印等。

本文根据近些年的相关研究介绍了天然色素的主要分类和性质,并对主要4类结构的天然色素稳定化以及与食品大分子等物质的相互作用机制进行阐述,最后列举了天然食用色素在食品领域中的新应用,并对天然色素在未来食品领域中的发展方向以及应用进行了展望,旨在为天然色素在食品领域中,尤其是可食包装中的应用提供基本理论和应用技术参考。

1 天然色素的分类及其性质

在自然界中,天然色素来源广泛,大多分布在植物、动物及微生物中。根据溶解性分为水溶性色素和脂溶性色素；按色调分为暖色调色素和冷色调色素；按化学结构可分为异戊二烯类色素、卟啉类色素、黄酮及其他多酚类色素和含氮杂环类色素等[6],如表1所示。

表1 天然食用色素的分类汇总表[9]

1.1 按来源分类

1.1.1 植物

植物色素是通过植物体内的一系列生物合成产生的,主要有类黄酮类、类胡萝卜素、卟啉类、含氮杂环类等[10],具有不同的化学性质。它们分布在植物体的各个部分(萼片、花瓣、花粉等),并在植物体内起到了一些重要的作用,比如光合作用、向外界传递信号、对天敌的防御以及与外界的热交换等[6,10]。

1.1.2 动物

天然色素在动物体内能够起到重要的生理作用,如作为传递信号的媒介、吸引异性配偶,同时还具有抗氧化活性,通过消除有害自由基从而保护细胞组织免受损伤等[11]。动物中的色素包括卟啉类、黑色素、蝶呤、黄酮类、蒽醌类等[11-12]。

1.1.3 微生物

微生物色素可以自身合成,也可以在培养过程中通过转化某些成分而形成,是一种次生代谢产物。常见的种类有类胡萝卜素、黑色素、醌类等,其中一些比较典型的色素有红曲色素、紫色杆菌素等[13]。微生物色素生产是目前研究的新兴领域之一,它在各种工业应用中具有巨大潜力[14]。

1.1.4 矿物质

矿物质色素是由地质作用形成的结晶元素或化合物,在食品、化妆品以及艺术品中的应用有着悠久的历史。矿物质色素会根据其化学成分或物理结构呈现出不同的色调,如绿色的铬酸盐、白色的二氧化钛等。

1.2 按溶解性质分类

天然色素按溶解性质可以分为水溶性色素、脂溶性色素和醇溶性色素。水溶性色素能够溶于水中；脂溶性色素不溶于水,能够溶于植物油脂中；醇溶性色素只能溶于体积分数70%以上的乙醇等醇溶液。天然色素的溶解性质是实际应用中的重要参考指标之一,如表2所示。

表2 主要天然色素的溶解性质分类汇总表

1.3 按色调分类

颜色按色调分为暖色调、冷色调和其他色调,在食品中多以暖色调和冷色调为主,其中暖色调主要分为红色、黄色和橙色等,冷色调分为绿色、蓝色和紫色等。

1.3.1 暖色调

1.3.1.1 红色

红色色调的来源比较广泛,主要包括番茄红素、胭脂虫红、花青素等。番茄红素是一种天然存在于植物中的具有生物活性的红色色素,它大量存在于红色水果和蔬菜中,如西红柿、木瓜、粉红葡萄柚、粉红番石榴和西瓜等[20],是一种不饱和的无环类胡萝卜素。胭脂虫红同样是一种天然的红色素,它是从干燥的雌性胭脂虫体内提取的,在食品着色剂、医药和化妆品等领域应用广泛[21]。花青素在低pH值的情况下会呈现出红色调,因此被广泛应用于食品工业作为合成色素的替代品,如取代人工色素诱惑红等[22]。

1.3.1.2 橙黄色

橙黄色作为暖色调的一种,广泛分布于自然界的动植物之中,如栀子黄色素是从栀子果实中提取的一种天然着色剂[17],其主要成分为藏花素,藏花素具有清热去火、利胆护肝、降低胆固醇等功效[23]。姜黄素是从食用香料姜黄中提取的疏水性多酚类化合物,具有多种药理作用,包括抗炎、抗氧化和抗血管生成活性等。传统上,姜黄被用于多种疾病的治疗,特别是作为消炎药,姜黄素已被确定为姜黄的有效成分[24]。

1.3.2.1 绿色

天然的绿色素主要为叶绿素,它不仅被用作医药和化妆品的添加剂,也被用作食品的绿色着色剂。叶绿素能够选择性地吸收红色和蓝色区域的光,因此发出绿色。叶绿素生产成本昂贵,工业生产较为困难,因此对于叶绿素的探讨还需进一步的研究。

1.3.2.2 蓝紫色

天然的蓝色素应用较少,一些色素在特定的pH下表现出蓝色色调,如花青素,pH越高花青素的颜色越蓝[25]。花青素在酸性条件下比较稳定,而在弱酸性和中性条件下是不稳定的,在自然界中需要通过糖基化和酰化作用来提高其稳定性[26]。栀子蓝是东亚地区广泛使用的一种天然食品蓝色着色剂。在历史上,栀子蓝被用作食品和化妆品的着色剂,也用于棉花、丝绸和羊毛等织物的染色[27]。目前,它被广泛应用于亚洲的冷冻甜点、糖果、烘焙食品、果酱、面条、饮料、葡萄酒和农产品等[28]。天然的紫色色素是一种介于红色和蓝色之间的色素,紫色调的天然色素多为花青素。据相关报道,紫色的花青素主要存在于紫色甘薯[29]、紫色玉米[30]和紫色胡萝卜等植物中,还有产紫色色素的一些微生物,如紫色杆菌等。

1.3.3 其他色调

1.3.3.1 黑色

当前,天然黑色素使用最多的是植物炭黑,其主要由树干、壳类等材料燃烧炭化精制而成。植物炭黑为黑色粉末,无毒无害,不溶于水和有机试剂。在我国,植物炭黑主要应用于糖果、饼干、米制品等。植物炭黑还可赋予食品多种特性,DING等[31]将植物炭黑与明胶结合形成明胶可食膜,赋予其抗紫外和抗氧化等特性。

1.3.3.2 白色

目前可以选择的天然白色素一般是矿物质,如二氧化钛。由于二氧化钛溶解度很低,它也被认为是较为安全的可食用色素。在食品配方中,二氧化钛以微粒形式分散在食品当中。

1.3.3.3 棕褐色

对于棕褐色色素,焦糖色素被广泛应用于市场中。焦糖也被称为烧焦糖,是通过对各种糖进行热处理而产生的。焦糖通过不同的加工处理方式可以产生多种棕色系列的颜色,如红棕色、黑棕色等[3]。

1.4 按结构分类

天然色素的溶解性和颜色由它们自身的结构所决定,而它们的化学结构也决定了其理化性质。自然界中的天然色素按化学结构可分为异戊二烯类、卟啉类、黄酮及其他多酚类色素、含氮杂环类、蒽醌类和酮类色素等,下文将重点介绍前4类化学结构的代表性天然色素,其结构分子式如图1所示。

a-β-胡萝卜素;b-胭脂素;c-叶绿素;d-花青素;e-甜菜红素

1.4.1 类胡萝卜素

类胡萝卜素属于脂溶性天然色素被归类于异戊二烯类衍生物[32],具有生物活性。它们广泛存在于高等植物、藻类、真菌、细菌、鸟类等[3]。类胡萝卜素分为两大类：一类是胡萝卜素,只由碳和氢组成；另一类是叶黄素类,由碳、氢和氧组成[6]。据报道,类胡萝卜素能够合成维生素A 的前体(α-胡萝卜素和β-胡萝卜素)[33],同时类胡萝卜素具有一定的抗氧化活性,对人类的生命活动有至关重要的作用[3]。但是,由于在类胡萝卜素中含有丰富的电子和不饱和的化学结构,会导致在加工和储存过程中很容易被氧化和异构化[34-35]。其中氧化对类胡萝卜素的影响比异构化更为严重,前者会使其活性及颜色完全丧失,而后者只会引起活性和颜色饱和度的降低[4]。在植物中大部分的类胡萝卜素是反式异构体,在加工和储存过程中会出现反式异构体向顺式异构体转变的异构化现象[33],其中温度、光、酸是导致类胡萝卜素从反式异构体转向顺式异构体的主要因素[36]。

1.4.2 叶绿素

在植物界中,叶绿素是分布最为广泛的绿色色素,属于吡咯类的衍生物。吡咯的结构特征是由4个碳原子和1个氮原子组成的五元环。叶绿素主要分为叶绿素a和叶绿素b,它们在结构中的第7号位置不同,叶绿素a是由—CH3组成,叶绿素b是由—CHO组成。叶绿素对温度、氧、酸、光和酶比较敏感,它们在一定程度上会引起叶绿素降解和颜色的变化[37]。相关研究报道,常规加热会导致猕猴桃叶绿素含量减少42%～100%[38],因此,温度是影响叶绿素稳定性的一个非常重要的因素。对叶绿素研究发现,它也可作为一种除口臭剂且口服叶绿酸可有效预防因黄曲霉毒素引起的肝癌[39-40]。

1.4.3 花青素

花青素归类于类黄酮类色素,它们在植物中是以C6C3C6碳骨架为特征的二级代谢产物。花青素广泛存在于许多的水果和蔬菜中,包括许多浆果类水果、红甘蓝、紫薯、石榴等[41-42]。它们在水果蔬菜中能够产生红色、蓝色和紫色[43]。花青素的颜色取决于很多因素,如pH、浓度、温度、光、酶、其他类黄酮类以及金属离子等。在这些影响其稳定性的因素中,pH和温度是最重要的因素[44]。花青素在酸性条件下更加稳定,pH值为1时,花青素表现出强烈的红色调；pH值达到3.5时,颜色显示的强度开始降低,整体还是显示为红色调,pH继续升高,颜色逐渐褪色,显现出蓝色调；当pH>7时,花青素开始发生降解[3,45]。花青素的糖基化作用以及结构中的甲氧基和羟基的数量都会影响其颜色,羟基含量较高时呈蓝色调,含有较多的甲氧基时呈红色调[44,46]。研究表明,酰化花青素的颜色强度在pH 4.5～5时仍能够得到保持[3]；对于花青素的糖基化,糖分子通常附着在花青素分子的3-羟基位置上[47]。在自然界中,花青素都会有不同程度的酰基化和糖基化,这将会使它们以较高的稳定性存在。

1.4.4 甜菜色素

甜菜色素是一种氮杂环类的水溶性色素。甜菜色素又被分为了两类：一类是由环多巴和甜菜醛氨酸缩合而生成的红紫色的甜菜红素；另一类是由胺类与甜菜醛氨酸缩合而生成的黄橙色的甜菜黄素。甜菜醛氨酸是甜菜色素形成过程中的一种中间产物[48]。在自然界中,甜菜红素更为常见。它们主要出现在如乌鲁库薯(具有重要经济作用的块根作物,在南美洲安第斯山脉地区种植广泛)、马拉巴尔菠菜、仙人掌果实(分布在拉丁美洲、南非和地中海地区)、红火龙果(分布在马来西亚、中国、日本、以色列和越南)、苋菜中[49]。其中,红甜菜和红火龙果是富含甜菜素的作物[50]。甜菜色素易受到外部环境的影响,在加工和储藏过程中受到一定的限制[51]。在众多影响因素中,温度对甜菜色素的影响最大[52]。同花青素相比,pH对甜菜色素的影响不是很大,甜菜色素在pH 3～7时是稳定的；而pH>3时,花青素颜色就开始发生了变化[3-4,6,50]。研究表明甜菜色素除了作为着色剂外,还具有抗氧化、抗癌、降脂、抗菌等药理作用,在人类健康中发挥着重要作用[49]。

1.4.5 其他

蒽醌类色素主要有胭脂虫红和紫胶红。胭脂虫红色素是由雌性胭脂虫中提取的一种红色色素,其主要成分为胭脂虫红酸。该色素不易溶于冷水,而溶于热水、乙醇等溶液中,具有一定的稳定性和安全性[53]。紫胶红又称虫胶红,是从紫胶虫分泌的紫胶中经碱水萃取精制而得的产品,紫胶红外观呈鲜红色或紫红色液体或粉末,呈酸性,不易溶于水、乙醇和丙二醇中,易溶于碱性溶液。

茶黄素是从茶叶中提取的一种多酚类色素。它易溶于水和乙醇水溶液,不溶于氯仿和石油醚。具有抗氧化、防癌抗癌、抗菌抗病毒、抗炎症、防治心脑血管疾病以及减肥降脂等多种保健功效[54]。

红曲色素是通过红曲霉菌发酵而成的天然食用色素,归类于酮类色素。红曲色素是一种安全性较高的天然色素,同时具有降血压、降血脂等生理活性,深受国内外使用者的喜爱。

2 天然色素的稳定化

天然色素因其较差的自身稳定性,限制了其在食品中的应用。影响天然色素稳定性的因素主要有温度、pH、光照、氧、金属离子、酶等。近些年来,学者加强了对天然色素稳定化的研究力度,针对不同种类的天然色素开发了大量的稳定化技术,为天然色素的实际应用提供了技术支持。

2.1 异戊二烯类—类胡萝卜素的稳定化

类胡萝卜素很容易被氧化和异构化,比如受到氧、光照、温度、金属离子以及过氧化物等的影响,其中氧化是类胡萝卜素发生降解的主要原因。为了防止氧化,可以采用微胶囊技术和纳米胶囊技术。该技术是将活性物质包封到微米或者纳米体系材料中,形成有效的物理化学屏障,以提高活性物质在加工或储存过程中对抗有害环境条件(如光、温度、氧气、与其他化合物的不良反应)[55]。RAHAIEE等[56]通过离子凝胶法制备的壳聚糖-海藻酸钠的纳米粒包封了藏花素,这种技术显著增强了藏花素在不利环境中的稳定性。在提取类胡萝卜素之前,对原料的预处理也是非常重要的环节,利用物理方法烫漂能灭活对色素不利的酶,如脂肪氧合酶,还有一些化学方法,如抗氧化剂(如柠檬酸、邻苯三酚)的添加,也可以降低色素的氧化速度[4]。

2.2 吡啉类—叶绿素的稳定化

影响叶绿素的稳定性的因素有很多,在这些影响因素中酸、酶是主要的影响因素。提高叶绿素的稳定性可以通过灭活不利的酶来实现,因此同样可通过烫漂预处理的方法提高其稳定性[57],同时还要控制酸的不利影响,此时可以加入碱性物质(如KOH、NaOH)以中和酸[58]。在保存过程中,将叶绿素进行低温避光保存,这种方式可以有效减少紫外光对色素的损伤从而维持其稳定性。金属离子替换叶绿素中的镁,以生成更稳定的叶绿素金属盐。王凤兰等[59]用CuSO4和乙酸锌处理小叶榕中的叶绿素,结果表明这2种试剂均能起到稳定叶绿素颜色的作用。这也证明Mg2+和Cu2+都能够起到护绿作用。

2.3 类黄酮类—花青素的稳定化

对于来自不同植物体的花青素其结构不同,稳定性也会不同。花青素对pH、温度、光、酶和其他黄酮类物质比较敏感,它们会影响花青素的稳定性。CHUNG等[60]研究证实了添加阿拉伯胶(0.05%～5.0%)可提高花青素在抗坏血酸存在下的稳定性,添加1.5%阿拉伯胶时的稳定性最高。花青素与其他分子(如氨基酸、有机酸、金属离子、类黄酮、多糖和其他的花青素)相互作用可以增强其稳定性,这是因为这些物质起到了辅色作用，即一些辅色剂(如金属离子、多糖和其他黄酮类化合物)与花青素形成超分子组装,辅色作用是一种可以增强单一花青素的颜色稳定性的方法[61]。CHUNG等[62]研究了不同的果胶和乳清蛋白对紫胡萝卜中花青素颜色稳定性的影响,得出变性乳清蛋白稳定花青素的效果最好。GRIS等[63]研究了赤霞珠葡萄提取物中的花青素与咖啡酸之间的相互作用,结果表明由于咖啡酸的加入显著增强了花青素的稳定性。金属离子与花青素分子络合同样会使花青素的稳定性提高,花青素-金属络合物中最常见的金属为铜、铁、铝、镁和钾[64]。微胶囊化技术也被用于提高花青素的稳定性,TAN等[65]报道了利用儿茶素调节由硫酸软骨素和壳聚糖组成的反离子聚电解质复合物中花青素的共着色和包封,研究表明辅色作用结合微胶囊化技术显著提高了花青素的稳定性。

2.4 含氮杂环类—甜菜色素的稳定化

甜菜色素会受到很多外界因素影响,如温度、光照、pH、金属离子等。可以通过增加浓度的方式来提高其稳定性,并且拥有高水平的酰化和糖基化以及处于阴暗和低温环境中的甜菜色素稳定性都能得到提高[50]。研究表明,加入抗氧化剂(如抗坏血酸、异抗坏血酸)、稳定剂(EDTA)[5, 66]、环糊精等[67]化合物也能起到稳定甜菜色素的作用。甜菜色素同样可以通过烫漂的方法灭活不利的酶来增强稳定性,但温度也会对甜菜色素产生一定的影响,此时向其中加入有机酸(如抗坏血酸)则可以使色素再生,但是只适合甜菜红素而不适合甜菜黄素[4]。

3 天然色素与食品大分子之间的相互作用

天然色素在食品内部和表面的附着性是决定其应用性能的重要因素,这涉及到其与蛋白质、多糖等食品大分子的相互作用。天然色素可与这些大分子通过共价键作用和非共价键作用(氢键、疏水作用以及范德华力等)来相互结合并吸附在其表面。

3.1 水溶性天然色素与大分子物质之间的相互作用

水溶性天然色素可与亲水性的大分子物质相互作用。氢键作用、疏水作用力、范德华力等非共价键作用是有机小分子与蛋白质等食品大分子之间主要的相互作用力[68],同时它们之间也存在共价键相互作用[7]。近些年,其与蛋白质之间的作用关系得到了广泛的讨论。WANG等[8]研究了水稻蛋白与天冬草叶色素的相互作用,作用之后色素的抗氧化活性和游离多酚含量显著降低,结果表明天冬草叶色素是通过疏水和氢键的作用与水稻蛋白发生反应。花青素是一种小分子活性物质,能够与蛋白结合形成复合物,江连洲等[69]发现大豆分离蛋白与花青素间存在强烈的相互作用,二者可形成结合位点近似于1的复合物。张国文等[68]研究了桑色素(具有药理活性的小分子)与蛋白质之间的相互作用,结果表明桑色素与牛血清蛋白可通过范德华力和氢键产生作用。此外,邓凡政等[70]通过加入不同类型的表面活性剂探讨了食用色素樱桃红与蛋白质之间的作用机理,证明色素与蛋白质之间存在着较强的作用。共价键作用是一种比较强的结合作用,研究表明多酚类色素与食品大分子之间同样存在共价键作用,其共价键结构可能是由氧化和亲核加成过程而产生[7]。

同样,天然色素与多糖类物质之间也存在相互作用,许多天然色素在植物细胞液泡中与糖类物质相连[10]。BOWLES等[71]证明了酶参与将糖残基转移到植物细胞的色素中,糖的结合在一定程度下增加了色素的稳定性。刘立增等[72]探讨了淀粉与红曲红色素的吸附机理,结果表明红曲红色素分子与淀粉颗粒间存在以氢键为主的物理吸附作用。

天然色素与蛋白质、多糖之间存在大量的弱键相互作用以及潜在的共价键相互作用,它们之间的结合方式、强度也反映出天然色素的着色能力,这可为天然色素在相关类产品加工应用中提供理论参考。

3.2 脂溶性天然色素与大分子物质之间的相互作用

根据相似相溶原理,脂溶性色素不溶于水、醇等,只能溶于油脂中,但很多的应用需要将它们与亲水性的物质结合,所以需要对脂溶性色素进行一定的处理,而使它们能够与亲水性物质结合。

天然叶绿素不易溶于水,但利用铜离子取代叶绿素中的镁离子制成叶绿素铜钠,则其能够溶于水中。LPEZ-CARBALLO等[73]利用叶绿素铜钠与明胶结合,结果证明由于叶绿素铜钠的加入增强了明胶膜的抑菌性能。DE CARVALHO等[74]报道利用微胶囊技术将番茄红素进行包埋,使其能够更容易地分散在水里并能够与明胶结合。RESZCZYNSKA等[75]应用分子光谱技术研究3种类胡萝卜素(胡萝卜素、叶黄素和玉米黄质)与牛血清蛋白等相互作用,该研究利用PBS(pH 7.4)制备牛血清蛋白溶液,再将类胡萝卜素溶解到四氢呋喃中(四氢呋喃对类胡萝卜素具有较高的溶解度阈值,与水具有很好的混溶性,且不会引起蛋白质的结构变化),之后在37 ℃下将类胡萝卜素溶液注入蛋白溶液中,连续振荡1 h使其充分混合,结果证明类胡萝卜素与蛋白质之间存在作用并能够相互结合。在实际生产中,人们往往希望将脂溶性色素的溶解性质进行相应的转换,这可通过化学修饰、微胶囊技术以及乳化作用等来实现,从而能够将脂溶性天然色素灵活的应用到食品生产中。

4 天然食用色素在可食包装中新应用

由于天然色素与一些食品大分子之间存在一定的相互作用,这也为在食品领域包括在可食包装(如可食膜、涂层等)中的应用提供了基础。它们可以在一定条件下相互结合并分布于产品内部或吸附在其表面,从而达到显现颜色的目的,如图2所示。

a-糖果涂层;b-可食性油墨印刷薯片;c-可食性油墨印刷空心胶囊

4.1 天然食用色素在食品涂层中的应用

近些年来,基于天然色素的绿色、健康等特性,其在食品涂层中的应用越来越受到人们的关注。涂层可以起到提供颜色、风味和保护内部食品的作用,它可被制成具有光滑均匀的硬质或者软质的涂层。MANDATI等[76]研制出有色硬质的口香糖和糖果产品,其中涂层中的香精与色素被分离开,可以防止色素与其他物质相互作用而降低其稳定性。HITZFELD等[77]将胭脂树橙进行微胶囊化,使其以分散体或粉末形式加入到可食用涂层中,这种方法制备的涂层可用于糖果(巧克力豆等),涂层可以将糖果包裹而呈现出红橙的颜色。由于需要维持胭脂树橙的稳定性,所以在配方中pH应控制在5～8。在涂层的应用中,保持天然色素的稳定性是一个重要的因素。所以在实际生产时,需要尽可能的使天然色素与配方的环境相适配。不同类型的产品对色素的要求也不同,如产品的酸碱性和溶解性条件都需要选择相适配的天然色素[78]。对于涂层制备,天然色素替代人工色素是一个重要的挑战,因为不仅要保证色素在体系中的稳定性还要考虑到其颜色要与市场中的颜色相适配等问题[79]。颜色外观对于糖果类食品十分重要,实现天然色素替代人工色素更是为糖果类食品的安全性提供保障。不过由于各类天然色素自身性质不稳定的限制,还需对其进一步的改性研究。

4.2 天然食用色素在可食膜制备中的应用

为了增强可食膜的颜色感官效果,将天然色素与可食膜结合成为了人们研究的对象。有色可食膜会给人们提供更有吸引力的感官色彩,在一定程度上也会增加人们的购买欲。BURGUETE等[80]发明了用于制备填充肉制品的人造肠衣,人造肠衣中含有还原糖,能够使填充肉制品的成品呈现令人愉悦的金棕色。SOBRAL等[81]研究了在明胶膜中加入叶绿素铜钠,探讨色素对膜性能的影响,同时使产品在外观上更具吸引力。将番茄红素与明胶膜结合,可使明胶膜在透明的基础上具有了一定的颜色特性[74]。在国外研究中,有色可食膜已经有所报道,国内对于有色可食膜的研究几乎还未开始。对于未来国内可食膜的发展,将无毒、绿色以及具有生理活性功能的天然色素与可食膜结合,这一成果将会得到重视健康的人们的广泛欢迎。

4.3 天然食用色素在可食墨水印刷中的应用

近些年,利用天然色素制成的可食墨水进行印刷成为了人们研究的热点。可食用的墨水具有无毒、色彩鲜艳、可食用等特点,已成为食品、医药包装的首选。利用可食墨水印刷可以在食品、药品(胶囊、药片)表面刻出图案、文字等,这种食品不仅可以增加对儿童的吸引力,也可以有效地减少在食品包装上对于传统印刷而造成的污染。可食墨水大多由色素、连接料、溶剂以及助剂等成分组成[82]。SHASTRY等[83]报道了可食用底材上高分辨率的喷墨印刷技术,该可食墨水的配方中含有色素、脂肪和蜡基,食用底材可以是具有疏水曲面的糖果块(如蜡抛光糖果)等。POWAR等[84]以甜菜根等为原料制成有色的草本墨水,其特点是在墨水中增加了药理活性,如降压、心血管保护、血管扩张和抗菌等。LIU等[85]对紫土豆色素进行了提取并使用其制备了可食油墨,结果表明所制得的可食用油墨在不同的底物上均有良好的显色效果。此外,WU等[86]研究了在壳聚糖/琼脂糖水凝胶中嵌入花青素的电化学书写方法,其书写底材为多糖膜,与传统印刷不同,该实验利用一根不锈钢丝(代替笔)作为负极与水凝胶接触并在多糖膜上进行书写,这种电化学书写的特点是利用花青素会随着pH变化来响应颜色的变化。基于绿色理念,新型环保油墨代替传统油墨成为未来发展趋势,而对于数字印刷技术和可食油墨的结合,更是为其应用打下了坚实基础。在国内可食油墨还处于探索阶段,但是由于人们对饮食健康以及审美要求的提高,这种可食油墨将会得到广泛研究并应用于市场。

4.4 天然食用色素在3D打印中的应用

3D 打印技术利用“分层制造、逐层叠加”的制备原理,具有方便、快捷等特点[87]。3D食品打印技术同样具有上述特点,该技术主要分为4类：选择性热风烧结、热熔挤压、粘结剂喷射和喷墨打印[88]。其中喷墨打印是一种以分层方式沉积液体材料的方法,当多种分层叠加在一起时就形成了三维物体[89]。打印材料可以混入天然食用色素,使其具备一定的颜色特性[87,90]。3D食品打印的优势在于可以定制食品设计、简化供应链和拓宽可利用的食品材料等。不过,3D打印技术的精度、准确性以及打印速度还有望进一步的突破。3D打印技术在食品领域的应用将会推动设计和开发新型的食品产品。

5 展望

随着人们对健康和环保需求的日益增加,天然色素在食品包装中发挥了越来越重要的作用。近些年,天然色素在可食包装中的应用更是引起了人们的广泛关注。但是,在这些实际应用中,仍存在巨大的挑战,比如如何使天然色素保持并稳定足够长的时间,以及怎样解决它们的着色力弱、颜色不匹配等相关问题。目前,在这些方面的研究还停留在初步阶段,未来需要不断加大对天然色素的基础和应用研究。随着科学技术的发展,凭借着其对人类健康的潜在价值、无毒无害的本质属性以及赋予食品多种颜色的特性,天然色素将会越来越多地应用到新兴的可食包装领域,从而有助于推动健康食品全产业链的快速稳定发展。