东北特色坚果壳色素研究进展

朱世龙,于艳玲,程大友

(哈尔滨工业大学 化工与化学学院,哈尔滨 150001)

0 前言

随着新时代的到来,人们的生活消费水平不断提高,广大人们群众对美好生活的要求不断提高,绿色健康逐渐成为人们最为关心的问题。人工合成色素危害人们身体健康的案例层出不穷,例如有研究表明人工合成色素如赤藓红对人体甲状腺有所损害[1]。然而大部分天然色素成分多样、无副作用、安全性高,就染色而言颜色自然,就食品添加剂而言有增强人体功能、保健防病等功效[2],所以天然色素取代人工合成色素不仅是人民所盼亦是市场所趋[3]。

1 东北特色坚果种类

东北独特的地理位置和气候条件造就了独具特色的林产品产品,其中包括但不局限于以下几种特色坚果:

红松:松科松属植物,常绿乔木、裸子植物,耐寒,宜种植与微酸性土地中,其树干纹理笔直,材质轻软,松针含有可以直接或间接促进抗炎、抗菌和抗氧化活性的活性物质[4];多酚是松仁中的主要生物活性成分,可增强体质和预防癌症[5];

山核桃:胡桃科山核桃属植物,落叶乔木,叶中含有大量的挥发性活性物质[6];山核桃仁中富含饱和脂肪酸、氨基酸、镁、钾、钙等矿质元素有多种功效,含油脂且具有良好的氧化稳定性[7]。

榛子:桦木科榛属落叶,灌木或小乔木,榛子果仁出油率高[8],被誉为“坚果之王”,目前中国平榛面积约111 333 hm2,产量大约2 600万kg[9]。

蒙古栎:壳斗科栎属,落叶乔木,抗风、抗冻、对干旱具有一定的耐受性,生长在各种各样的土壤类型上,从贫瘠和干燥的沙土,pH值范围从4.3到7.3[10]。蒙古栎橡子中含有多种氨基酸、蛋白质、矿物质,具有很高的营养价值[11]。

2 东北特色坚果壳色素理化性质

理化性质是评价色素稳定性的重要参考。理化性质不仅对色素提取工艺条件提出要求,而且限制了色素的应用场景,一个性质稳定、颜色鲜艳的色素将拥有更广阔的应用场景。理化性质包括:热稳定性、光稳定性、pH值稳定性、金属离子影响等,目前对东北特色坚果壳色素理化性质的研究有以下内容:

王孟歌等以吸光度为指标探究红松松子壳色素光稳定性:室温放置自然光下2个月,置于暗处8个月色素能吸光度基本不变说明光稳定性较好;在100℃下加热3 h吸光度没有明显变化,说明热稳定性较好;稳定pH范围是6～14之间;色素受Ca2+、Cu2+影响较大,目测溶液颜色加深成褐色[12]。文攀等发现多种食品添加剂对红松松子壳色素的吸光度有较大影响,苯甲酸钠的影响最明显,但是没有改变颜色[13]。

邵婧等研究发现:山核桃壳色素pH稳定范围为3～12;山核桃壳棕色素在超过80℃的环境下吸光度显著增大,说明温度超过80℃时色素不稳定;色素受Cu2+影响较大;受苯甲酸(防腐剂)的影响较大,所以应用山核桃壳色素在食品添加剂中应避免加入苯甲酸[14]。

金玲等通过实验对比不同条件对色素溶液吸光度的影响,得出榛子壳棕色素热稳定性、光稳定性较好,受Fe3+、Cu2+、Al3+、Zn2+影响较大,尤其是Fe3+[15]。付沁璇等通过对比发现榛子壳棕色素受高浓度的食品添加剂如山梨酸钠、葡萄糖、蔗糖影响较大[16]。

3 东北特色坚果壳色素提取工艺

高效的提取方法不仅提高实验的准确性而且可以提高效率节约资源,是色素的研究前提。经过前人的不懈努力,总结出以下几种东北特色坚果壳色素提取技术。

3.1 溶剂提取法

溶剂提取法是一种比较传统的提取方法,通过相似相溶原理将活性物质萃取出来。用溶剂提取法提取东北特色坚果壳色素的例子有很多,本文整理成表1,方便查看比较。

表1 溶剂提取法提取东北特色坚果壳色素

3.2 超声辅助法

超声辅助法是天然活性物质提取中最常见的方法,其原理是利用超声波辐射压强产生的空化作用和次级效应,使细胞破裂从而加快溶质运动、提高溶剂穿透能力。超声波辅助法具有提取效率高,用时短,绿色安全等优点。

用超声辅助法提取东北特色坚果壳色素的例子众多,整理成表2,方便查看比较。

表2 超声辅助法提取东北特色坚果壳色素

3.3 微波辅助法

微波辅助法是常用的一种提取天然活性物质的方法,其主要原理是采用频率在300兆赫至300千兆赫的电磁波穿透萃取介质到达物料内部,使植物细胞内部温度上升,压力上升导致细胞破裂,目标成分从细胞内流出,从而达到萃取目的。具有色素产率高、节省时间、设备简单等优点,但同时微波萃取法有可能会使热敏物质失活。

用微波辅助法提取东北特色坚果壳色素的例子有付容霞运用微波辅助法以蒸馏水为提取剂来提取松子壳色素,最佳工艺条件为:微波时间 160 s;微波功率420 W;料液比1∶18[17];赵玉红等用超声辅助法以2%NaOH为提取剂提取榛子壳色素,最佳工艺条件为微波时间180 s;微波功率800 W;料液比1∶20[18]。

3.4 超临界法

超临界法是最近一种新型的提取活性物质的方法,超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态,利用超临界流体可以高效的提取天然色素,缺点是设备造价高、维修保养费用高且对水溶性物质效果差,所以运用超临界法的研究并不多,孙长霞等运用超临界法提取榛子壳色素,最终确定最佳提取工艺参数为:夹带剂流速:0.62 mL/min、萃取时间25.3 min、萃取温度39℃[19]。

4 东北特色坚果壳色素纯化工艺

生物活性物质的分离和纯化,是现代生物学、生物医学及药物化学等领域的关键技术之一。主流的分离纯化方法有以下几种。

4.1 大孔树脂法

大孔树脂是一种具有较大表面积和多孔结构的高分子化合物,可以通过与溶质产生范德华力从而选择性的吸附有机物。大孔树脂纯化法具有吸附选择性好、速度快、方便再生等优点,在天然色素纯化领域运用广泛。

运用大孔树脂法纯化东北特色坚果壳色素的文献整理成表3,方便查看对比。

表3 大孔树脂纯化东北特色坚果壳色素

4.2 柱层析法

柱层析法分离的原理主要是根据样品混合物中各组分在固定相和流动相中分配系数不同,然后再用洗脱剂将样品进行分离。与其他纯化方法相比,柱层析法能耗低、流动相易于回收,仍是目前应用最广泛的纯化方法,缺点是耗时长、流动相用量大、难以工业化等。用柱层析法分离东北特色坚果壳色素的例子有:在王振宇等的研究中,洗脱剂2 组分别为正己烷与乙酸乙酯和乙酸乙酯与甲醇进行梯度洗脱,结果共分离得到 26 组洗脱物,分离效果较好[32]。

4.3 膜分离法

膜分离法的原理是利用膜的选择透过性能将离子或分子或某些微粒从溶剂中分离出来,膜分离技术主要包括透析、微滤、纳滤、气体渗透和反渗透等方法。膜分离法的优点是常温进行、选择性好、能耗低,缺点是成本高、普适性差。

王金玲等利用NT纳滤膜来纯化榛子壳棕色素,所得最优工艺条件为:温度=35℃,pH=7,进膜压力=0.70 MPa[33]。

5 总结

目前对于榛子壳色素的研究已经非常全面了,在提取方法、纯化方法方面应用了多种方法,也对其理化性质进行了深入的研究,并且对其结构也进行了研究,在其功能方面也有了相应的应用。

对于红松松籽壳色素与山核桃壳色素虽然开展的研究不多,但是也是有一套完整的研究结构的,不足之处就是研究方法单一,研究数据单一,不能进行不同方法的比较。

至于蒙古栎橡子壳色素,国内研究较少,但是关于同属植物的研究还是比较全面的,可以从中汲取经验。

总体来看,目前国内对东北特色坚果壳色素的研究只停留在性质、提取工艺条件以及纯化工艺条件等方面,鲜有更加深入的研究,如色素的化学组成与结构、色素的应用等方面。通过对色素化学组成与结构的研究可以探究色素的功能原理、发色基团,可以通过与其他色素的比较发现东北特色坚果壳色素的独特优势;而对于色素应用的研究可以挖掘东北特色坚果壳色素更多应用场景,产生更多经济价值。

所以,东北特色坚果壳色素研究还有很多空白需要填补,还有更大的价值等待研究人员发掘。