天然色素的复配调色及稳定性研究

刘玲红，程荣，罗曼，王欣，赵安心*

1. 武汉淡雅香生物科技有限公司（武汉 430030）；2. 湖北工业大学生物工程与食品学院（武汉 430068）

天然色素是从天然植物原料、微生物等中提取并经过精制而得到的产品[1-2]。天然色素能赋予食物鲜艳的色彩，对多种疾病具有预防等保健功能。天然色素由于具有安全性高、色调柔、着色强和多功能性等特点，在食品领域应用广泛[3-5]。

栀子蓝色素是以茜草科植物山栀子的果实为原料，经过微生物发酵或酶的作用制得的天然食用色素，其稳定性能良好，安全无毒副作用，在食品、医药等行业中具有良好的应用前景[6-8]。姜黄素是从姜科植物姜黄中提取的多酚类活性物质，具有抗菌和抗氧化等作用，是一种天然无毒的食品色素[9-13]。红曲红色素是微生物发酵而来的一种安全、营养的食用色素，具有良好的着色性和多重功能活性，并且对光、热，金属离子的稳定性较好[14-16]。

自然界中单一天然色素的色调类别有限，不能满足实际应用需求。为更好地开发使用天然色素，可对不同颜色的色素进行复配，调配成其他色调[17-19]，以扩大食用色素的应用范围。试验选择3种天然色素进行复配，调配出具有不同颜色的复配天然色素，并对其稳定性进行研究，为天然色素应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

红曲红（WGFM201126，武汉绿孚生物工程有限责任公司）；姜黄素（YY-YH-71018WL，河北昱华生物科技有限公司）；栀子蓝[WGFB201125（A），武汉绿孚生物工程有限责任公司]。

1.2 试剂

HCl、NaOH、CaCl2、MgCl2、Fe2(SO4)3、CuSO4、NaCl等（均为AR级别，国药集团化学试剂有限公司）。

1.3 主要仪器与设备

WF28精密色差仪（深圳市威福光电科技有限公司）；DK-S22电热恒温水浴锅（上海精宏仪器设备有限公司）；FE20实验室pH计[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]；颜色标准色卡（GSB国标色卡，GSB05-1426-2001）；ME2204电子天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]；UPT-II-10T优普系列超纯水机。

1.4 方法

1.4.1 色素的参数

色素溶液颜色的参数测定通常包括亮度和色相，采用精密色差仪测定国际照明委员会（CIE）所制定的CIE表色系统中的L*，a*，b*参数[20-21]，其中L*表示亮度，L*值越小，样品的透光性越差、色泽越深。色品指数a*与b*的值表示颜色感觉中的彩色部分：a*表示红绿色程度，正值表示红色方向，负值表示绿色方向；b*表示黄蓝色程度，正值表示黄色方向，负值表示蓝色方向[22-23]。

1.4.2 色素复配调色

分别配制3种质量浓度为50 μg/mL的栀子蓝、红曲红、姜黄素溶液。将三种溶液分别按体积比1∶9，3∶7，5∶5，7∶3和9∶1两两复配调色。通过目视比色法观察复配调色后溶液的颜色，并采用精密色差仪测定复配调色后溶液的L*，a*，b*参数值[24]。

1.4.3 色差计算

复配色素溶液的稳定性以色差值（ΔE）为考察指标进行衡量，利用精密色差仪所检测的亮度值（L*）、绿红值（a*）和蓝黄值（b*），按式（1）计算色差值（ΔE）[24-25]。

式中：ΔL为处理后与处理前样品L*的差值；Δa为处理后与处理前样品a*的差值；Δb为处理后样品与处理前样品b*的差值。

1.4.4 复配色素溶液的稳定性

将1.4.2所配制的栀子蓝、红曲红和姜黄素溶液按体积比3∶7，5∶5和7∶3两两复配调色，研究温度、pH、光照和金属离子对其稳定的影响。

1.4.4.1 温度对复配色素溶液稳定性的影响

各取20 mL复配色素溶液置于烧杯中，用锡纸包裹烧杯。在避光条件下将其分别置于40，60，80和100 ℃水浴锅中加热处理1 h，观察其颜色变化，检测L*、a*和b*值，计算色差（ΔE），以初始时未经加热的超纯水配制的复配色素溶液作为参比液。

1.4.4.2 pH对复配色素溶液稳定性的影响

使用氢氧化钠和盐酸溶液分别配制pH为2.0，4.0，6.0，8.0，10.0和12.0的溶液。取8 mL不同pH的溶液与8 mL色素溶液混合，另取8 mL超纯水与色素溶液混合作为参比。室温避光下静置1 h后，观察其颜色变化，测定L*、a*和b*值，计算不同pH的色差（ΔE）。

1.4.4.3 光照对复配色素溶液稳定性的影响

各取40 mL复配色素溶液，分别置于黑暗避光、室内自然光条件下10 d，分别在2，4，8 和10 d观察其颜色变化，检测L*、a*和b*值，计算各时间点的色差（ΔE），以初始时各光照条件下超纯水配制的复配色素溶液作为参比液。

1.4.4.4 金属离子对复配色素溶液稳定性的影响

分别配制金属离子质量浓度为0.01 g/mL的NaCl、FeSO4、MgCl2、CaCl2、CuSO4金属盐溶液。分别取8 mL所配制的不同盐溶液与8 mL色素溶液混合，另取8 mL的超纯水与色素溶液混合作为参比。室温避光下静置1 h后，测定其L*、a*和b*值，计算色差（ΔE）。

1.5 统计分析

试验均进行3次平行试验，采用Origin 2018作图，利用SPSS statistics 25软件进行数据分析，p＜0.01代表极显著性差异，p＜0.05表示显著差异。

2 结果与分析

2.1 色素的复配调色

由表1可知，同浓度的栀子蓝与姜黄素按照体积比为1∶9，3∶7，5∶5，7∶3和9∶1复配时，随着栀子蓝含量增加，复配溶液a*值先减小后增大。当两者体积比5∶5时，复配溶液的a*值最小，复配溶液的绿色最深。复配溶液b*值逐渐减小，黄色调逐渐减弱，溶液颜色从绿中带黄变为绿色再变为蓝色。随着栀子蓝含量增加，亮度L*值先增后减，复配溶液的亮度L*值在3∶7，5∶5和7∶3时较大，此时复配色素溶液的颜色最明亮，通过目测比色法观测到该3种溶液分别呈现豆绿、豆蔻绿、稚蓝3种新的复配色调。

表1 栀子蓝/姜黄素复配调色结果

由表2可知，同浓度的红曲红与姜黄素按照体积比为1∶9，3∶7，5∶5，7∶3和9∶1复配时，随着红曲红含量增加，复配溶液a*值逐渐增大，说明溶液中的红色调逐渐加强。复配溶液b*值逐渐降低，说明黄色调逐渐减弱，溶液颜色从绿中带黄变为纯正的桔黄再变为朱红色。随着红曲红含量增加，复配溶液亮度L*值逐渐减小，复配色素颜色亮度降低。色素复配体积比3∶7，5∶5和7∶3时，通过目测比色法观测到溶液分别呈现柠黄、桔黄、桔红3种新的复配色调。

表2 红曲红/姜黄素复配调色结果

由表3可知，同浓度的红曲红与栀子蓝按照体积比1∶9，3∶7，5∶5，7∶3和9∶1复配时，随着红曲红含量的增加，复配溶液a*和b*值逐渐增大，说明该溶液中的红色调逐渐加强，蓝色调逐渐减弱。随着红曲红含量增加，复配溶液亮度L*值逐渐减小，颜色亮度降低。色素复配体积比3∶7，5∶5和7∶3时，通过目测比色法观测到溶液分别呈现紫色、粉红、桔红3种新的复配色调。

表3 红曲红/栀子蓝复配调色结果

2.2 复配色素溶液的稳定性研究

将不同颜色的色素进行两两复配，两者比例为3∶7，5∶5和7∶3时产生新的复配色调，故研究该3种复配比例下复配色素溶液的稳定性。

2.2.1 温度对复配色素溶液稳定性的影响

由图1可知，温度40～60 ℃时，复配色素溶液色差变化较小。温度继续升高，色差显著增大，且色差值为豆绿＞豆蔻绿＞稚蓝。由此可知，在60 ℃以下时，栀子蓝/姜黄素复配色素的稳定性较好，温度高于60 ℃时，随着温度升高，复配色素溶液的稳定性显著降低，且稳定性为稚蓝＞豆蔻绿＞豆绿。

图1 温度对豆绿、豆蔻绿、稚蓝色素稳定性的影响

由图2可知，随着温度升高，红曲红/姜黄素复配色素的色差值逐渐升高，且色差值为柠黄＞桔黄＞桔红。由此可知，温度对柠黄、桔黄、桔红稳定性影响较大，复配所得的色素稳定性为桔红＞桔黄＞柠黄色素。

图2 温度对柠黄、桔黄、桔红色素稳定性的影响

由图3可知，随着温度升高，红曲红/栀子蓝复配色素的色差值变化较小，且色差值为桔红＞粉红＞紫色。由此可知，温度对桔红、粉红、紫色稳定性影响较小，且色素稳定性为紫色＞粉红＞桔红。

图3 温度对紫色、粉红、桔红色素稳定性的影响

2.2.2 pH对复配色素溶液稳定性的影响

由图4可知，在pH2.0～8.0范围内，栀子蓝/姜黄素复配色素溶液的色差变化不明显。但在pH8.0～12.0范围内，色素溶液的色差随pH增加而增大，色差值为豆蔻绿＞豆绿＞稚蓝。由此可知，豆绿、豆蔻绿、稚蓝色素在中性及酸性条件下稳定性较好，强碱条件下稳定较差，强碱性条件下稳定性为稚蓝＞豆蔻绿＞豆绿。

图4 pH对豆绿、豆蔻绿、稚蓝色素稳定性的影响

由图5可知，在pH 2.0～10.0范围内，红曲红/姜黄素复配色素溶液的色差变化不大。但从pH10.0变为pH12.0时，色素溶液的色差显著增大，色差值为柠黄＞桔黄＞桔红。由此可知，柠黄、桔黄和桔红色素溶液在pH小于10时稳定性较好，在pH大于10时稳定较差，在强碱性环境中稳定性为桔红＞桔黄＞柠黄。

图5 pH对柠黄、桔黄、桔红色素稳定性的影响

由图6可知，在pH2.0～10.0范围内，红曲红/栀子蓝复配色素溶液的色差变化不明显。但当从pH10.0变为pH12.0时，复配色素溶液的色差值显著增大，且色差值为桔红＞紫色＞粉红。由此可知，复配所得紫色、粉红、桔红色素溶液在小于pH10时，稳定性较好，但在大于pH10的强碱条件下稳定性较差，且强碱性条件下复配所得色素的稳定性为粉红＞紫色＞桔红。

图6 pH对紫色、粉红、桔红色素稳定性的影响

2.2.3 光照对复配色素溶液稳定性的影响

由图7可知，光照条件下色差值为豆绿＞豆蔻绿＞稚蓝，色差值高达21.45，显著高于温度和强碱作用下的色差值，由此表明光照对其破坏作用大于温度和强碱。与光照相比，避光显著降低栀子蓝/姜黄素复配色素的色差值。在避光条件下随着贮藏时间增加，色素溶液的色差值逐渐增加，色差值为豆蔻绿＞豆绿＞稚蓝。

图7 光照对豆绿、豆蔻绿、稚蓝色素稳定性的影响

由图8可知，光照条件下红曲红/姜黄素复配色素溶液色差变化较大（5～15），色差值为柠黄＞桔黄＞桔红。与光照条件相比，避光显著降低复配色素的色差值。随着贮藏时间增加，桔黄、桔红色差变化不明显，柠黄色素的色差逐渐上升，第10天达14.12。由此可知，贮藏时间延长对柠黄色素稳定性影响较大。

图8 光照及贮藏时间对柠黄、桔黄、桔红色素稳定性的影响

由图9可知，光照条件下，红曲红/栀子蓝复配色素溶液色差值较大，紫色＞粉红＞桔红，说明光照显著降低复配色素的稳定性。在避光条件下，色素溶液的色差值随贮藏时间延长而增加，紫色在贮藏10 d后色差值从1增加至9，粉红色从1.5增加至4，桔红色基本保持不变。由此可知，在0～8 d范围内，避光可显著降低紫色色素的损失。

图9 光照及贮藏时间对紫色、粉红、桔红色素稳定性的影响

2.2.4 金属离子对复配色素溶液稳定性的影响

由图10可知，金属离子对豆绿色素稳定性影响大小顺序为Fe3+＞Cu2+＞Ca2+≈Na+＞Mg2+，金属离子对豆蔻绿色素稳定性影响大小顺序为Mg2+≈Na+＞Fe3+＞Cu2+＞Ca2+，金属离子对稚蓝色素稳定性影响大小顺序为Fe3+＞Ca2+＞Cu2+＞Na+＞Mg2+。由此可知，Fe3+、Cu2+对豆绿色素影响较大，Mg2+、Na+、Fe3+、Cu2+对豆蔻绿色素影响较大，Fe3+、Ca2+对稚蓝色素影响较大。

图10 不同金属离子对豆绿、豆蔻绿、稚蓝色素稳定性的影响

由图11可知，金属离子对柠黄色素稳定性的影响大小顺序为Cu2+＞Na+＞Fe3+≈Mg2+＞Ca2+，金属离子对桔黄色素稳定性的影响大小顺序为Cu2+≈Fe3+＞Na+＞Mg2+＞Ca2+，金属离子对桔红色素稳定性影响较小，大小顺序为Fe3+≈Mg2+＞Cu2+＞Ca2+＞Na+。由此可知，Cu2+、Na+对柠黄色素影响较大，Cu2+、Fe3+对桔黄色素影响较大，Fe3+、Mg2+对桔红色素影响较大。

图11 不同金属离子对柠黄、桔黄、桔红色素稳定性的影响

由图12可知，金属离子对紫色色素稳定性的影响大小顺序为Fe3+＞Cu2+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+，金属离子对粉红色素稳定性的影响大小顺序为Fe3+＞Cu2+＞Na+≈Mg2+＞Ca2+，金属离子对桔红色素稳定性的影响相差不大，其色差值均在1左右。由此可知，Fe3+、Cu2+对紫色色素稳定性影响较大，Fe3+对粉红色素稳定性影响较大。

图12 不同金属离子对紫色、粉红、桔红色素稳定性的影响

3 结论

对红曲红、栀子蓝、姜黄素3种天然色素进行两两复配调色，结果表明：栀子蓝/姜黄素色素经复配调色可得到豆绿、豆蔻绿、稚蓝；红曲红色素/姜黄素色素经复配调色可得到柠黄、桔黄、桔红；红曲红/栀子蓝色素经复配调色可得到紫色、粉红、桔红。

以色差为评价指标，考察温度、pH、光照和金属离子对复配天然色素稳定性影响。结果表明，复配色素稳定性均随着温度升高而降低，其中，红曲红与栀子蓝复配所得的紫色、粉红和桔红损失率最低。复配色素在中性及酸性条件下稳定性较好，在pH10～12范围内稳定性显著降低，栀子蓝与红曲素色素经复配所得的紫色、粉色、桔红在该范围内稳定性优于其他体系的复配色素。避光均可以显著降低复配色素溶液的损失，其中，光照对红曲红与姜黄素复配所得的紫色、粉红、桔红稳定性影响最低。金属离子Fe3+、Cu2+对复配色素稳定性影响高于Na+、Mg2+、Ca2+。其中，Mg2+对豆蔻绿的影响较为显著。红曲红与栀子蓝复配所得桔红色素对金属离子的稳定性较高。