南極紅色素與胭脂蟲紅色素穩(wěn)定性對比*

金濱濱，王能飛，張梅，趙倩，吳佐浩，王以斌，臧家業(yè)

1(成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，四川成都，611130)2(國家海洋局第一海洋研究所，山東青島，266061)

胭脂蟲紅色素是一種品質(zhì)優(yōu)良的純天然、無任何毒副作用的動(dòng)物色素，也是唯一一種經(jīng)美國食品和藥物監(jiān)督管理局允許既可用于食品，又可用于藥品和化妝品的天然色素。胭脂蟲紅色素歷史悠久，在西班牙人發(fā)現(xiàn)美洲新大陸之前，胭脂蟲紅色素就被當(dāng)作染料。目前，胭脂蟲紅的國際市場價(jià)格已達(dá)到2 600元/kg，年市場需求量超過1 200 t，并以每年超過5%的速度增加，產(chǎn)品供不應(yīng)求。但是，由于其原料胭脂蟲的飼養(yǎng)受到食物、季節(jié)、天氣、溫度的影響較大，國內(nèi)還沒有胭脂蟲和胭脂蟲紅色素的生產(chǎn)，胭脂蟲紅色素一直依賴進(jìn)口，消耗我國大量外匯儲(chǔ)備［1］。尋找一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、能夠替代胭脂蟲紅色素用于食品、化妝品領(lǐng)域的替代色素已經(jīng)迫在眉睫。

自南極土壤樣品中分離純化得到1株產(chǎn)色素真菌Geomyces WNF-15A，通過菌落特征、顯微形態(tài)觀察和ITS序列分析，將其歸為地絲霉屬(Geomyces)［2］。Geomyces WNF-15A產(chǎn)色素能力優(yōu)良，每升發(fā)酵液經(jīng)處理后可得到紫紅色色素干品1.7 g。鑒于胭脂蟲紅色素生產(chǎn)的限制性，對比研究南極紅色素，希望能將南極紅色素開發(fā)成為一種胭脂蟲紅色素的替代品應(yīng)用于市場。

1 材料和儀器

1.1 材料

Geomyces WNF-15A菌種分離自南極土壤;胭脂蟲紅色素購于成都格雷西亞化學(xué)試劑有限公司，其余試劑均為分析純。

1.2 儀器

HZQ-F160A全溫?fù)u床，哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司;通用型冷凍離心機(jī)，德國sigma公司;GI54DS自動(dòng)高壓蒸汽滅菌器，致微(廈門)儀器有限公司;UV2550紫外可見分光光度計(jì)，島津公司;通用型冷凍干燥機(jī)、分析天平。

1.3 南極紅色素干品的制備［3］

PDA液體培養(yǎng)基培養(yǎng)Geomyces WNF-15A 14 d，發(fā)酵液7 000 r/min離心20 min除去菌絲體，4層紗布過濾，濾液用HPD-722型大孔樹脂靜態(tài)吸附24 h。將吸附飽和的大孔樹脂裝柱，水洗至澄清，體積分?jǐn)?shù)95%乙醇洗脫、濃縮，冷凍干燥得南極紅色素干品。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 波長掃描

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液，分別置于1 cm石英比色皿中，在200～700 nm波長內(nèi)掃描得出吸收光譜圖。

2.2 色價(jià)的測定［4］

精密稱定南極紅色素和胭脂蟲紅色素0.1 g(精確至0.000 1)，定容至100 mL，用1 cm石英比色皿分別測定其在最佳吸收波長下的OD值，結(jié)果用λmax表示。

2.3 紫外敏感性

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液，分別置于紫外燈下照射，在 0、1、2、3、4、5 h 測定吸收光譜，空白組靜置在暗處。

2.4 氧化劑(H2O2)、還原劑(Na2SO3)的影響［5］

2.4.1 耐氧化性

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液配制H2O2，使 H2O2濃度分別為 0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，對應(yīng)編號(hào)分別為 0、1、2、3、4，避光放置 1 h，測定吸收光譜。

2.4.2 耐還原性

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液配制{Na2SO3}，使 Na2SO3濃度分別為 0、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/mL，對應(yīng)編號(hào)分別為 0、1、2、3、4，避光放置 1 h，測定吸收光譜，

2.5 常用食品添加劑的影響［6］

分別用山梨酸鉀、碳酸鈉、酒石酸鈉、檸檬酸鈉、苯甲酸、磷酸鈉、蔗糖、VC、檸檬酸配制2 mg/mL的色素溶液，用食鹽配制0.01 g/mL的色素溶液，用可溶性淀粉配制0.5 mg/mL的色素溶液，用乳酸配制0.5%的色素溶液，避光放置1 h，測定吸收光譜，與空白色素溶液作對比。

2.6 金屬離子穩(wěn)定性［7］

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液，分別加入NaCl、KCl、FeCl3、MgCl2、CaCl2、CuCl2、ZnCl2、Fe2SO4、Pb(CH3COO)2，使其濃度達(dá)到10-2mol/L。在不同時(shí)間點(diǎn)測定吸收光譜，與空白色素溶液作對比。

2.7 酸堿穩(wěn)定性［8］

取南極紅色素和胭脂蟲紅色素水溶液，用HCl和 NaOH 分別調(diào)溶液 pH 為 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13，避光放置 1 h，測定吸收光譜，與空白色素溶液作對比。

3 結(jié)果與分析

3.1 波長掃描

波長掃描結(jié)果如圖1和圖2所示。由波長掃描圖可看出的最佳吸收波長分別為528 nm和508 nm。由此可以得出，南極紅色素和胭脂蟲紅色素屬于同一色系。

3.2 色價(jià)的測定

經(jīng)測定南極紅色素和胭脂蟲紅色素的色價(jià)分別為144.3和120.1。南極紅色素色價(jià)明顯高于胭脂蟲紅色素。

3.3 紫外敏感性

紫外照射結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可看出，2種色素對紫外照射的穩(wěn)定性都比較高，紫外照射對2種色素?zé)o影響。由南極紅色素對紫外照射的耐受性上可推測，南極紅色素有開發(fā)成化妝品輔料的潛質(zhì)。

圖1 南極紅色素波長掃描Fig.1 Absorption spectrum of Antarctic red pigment

圖2 胭脂蟲紅色素波長掃描Fig.2 Absorption spectrum of cochineal pigment

圖3 紫外照射對南極紅色素的影響Fig.3 Effect of UV on the stability of Antarctic red pigment

圖4 紫外照射對胭脂蟲紅色素的影響Fig.4 Effect of UV on the stability of cochineal pigment

3.4 氧化劑(H2O2)、還原劑(Na2SO3)的影響

3.4.1 耐氧化性

不同濃度的氧化劑(H2O2)的影響結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可看出，不同濃度的H2O2分別使南極紅色素的OD值降至93.55%、88.92%、85.05%、77.96%;使胭脂蟲紅色素的 OD值降至96.42%、93.85%、91.99%、86.98%。H2O2可降低2種色素的吸收峰，而且隨濃度增加吸收峰降低明顯，但是對最佳吸收峰沒有影響。H2O2對2種色素的穩(wěn)定性均有一定程度的影響。

圖5 不同濃度的H2O2對南極紅色素的影響Fig.5 Effect of H2O2on the stability of Antarctic red pigment

圖6 不同濃度的H2O2對胭脂蟲紅色素的影響Fig.6 Effect of H2O2on the stability of cochineal pigment

3.4.2 耐還原性

不同濃度的還原劑(Na2SO3)的影響結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可看出，Na2SO3可降低南極紅色素的吸收峰，而且隨濃度增加吸收峰降低。當(dāng)Na2SO3濃度增加到8 mg/mL時(shí)，南極紅色素OD值下降到96%(λmax未變);當(dāng) Na2SO3濃度增加到6 mg/mL和8 mg/mL時(shí)，胭脂蟲紅色素OD值分別降至66.6%(λmax變?yōu)?443 nm)和 86.2%(λmax變?yōu)?436 nm)。高濃度Na2SO3使胭脂蟲紅色素失去了染色功效，對胭脂蟲紅色素的穩(wěn)定性影響很大，而對南極紅色素沒有影響。

3.5 常用食品添加劑的影響

各種食品添加劑的測試結(jié)果見表1。由表1可看出，南極紅色素和胭脂蟲紅色素對測試的各種食品添加劑穩(wěn)定性優(yōu)良。但是胭脂蟲紅對堿性的碳酸鈉耐受性差，色素殘存率只有84.4%，遠(yuǎn)低于南極紅色素的102.6%，這是南極紅色素的一個(gè)非常明顯的優(yōu)勢。

圖7 不同濃度的Na2SO3對南極紅色素的影響Fig.7 Effect of Na2SO3on the stability of Antarctic red pigment

圖8 不同濃度的Na2SO3對胭脂蟲紅色素的影響Fig.8 Effect of Na2SO3on the stability of cochineal pigment

表1 食品添加劑的測試結(jié)果Table1 Effect of food additives on the stability of Antarctic red pigment and cochineal pigment

3.6 金屬離子穩(wěn)定性

2種色素對金屬離子穩(wěn)定性如圖9和圖10。南極紅色素溶液加入微量Fe2+、Zn2+，放置7d后產(chǎn)生微量暗紅色沉淀(色素殘存率分別為69.0%和71.3%);加入微量Fe3+，放置7 d后產(chǎn)生少量白色沉淀(色素殘存率為33.9%);加入微量Pb2+，放置24 h后產(chǎn)生黑色沉淀(色素殘存率為28.4%)。南極紅色素對 K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+、Cu2+(圖11)穩(wěn)定性高，對 Fe3+、Pb2+穩(wěn)定性較差，λmax均未變化(圖12、圖13)，可能由于色素中某些成分和Fe3+、Pb2+絡(luò)合形成沉淀，導(dǎo)致染色效果減弱。胭脂蟲紅色素溶液中加入微量Fe3+后立即變?yōu)辄S棕色，放置2 d后產(chǎn)生紅棕色沉淀，溶液顏色變淺，4 d后變?yōu)闊o色(色素殘存率為10.2%)，λmax未變化;加入微量Cu2+溶液變?yōu)辄S棕色，λmax變?yōu)?60 nm(色素殘存率為49.5%);加入微量Fe2+、Pb2+，放置4 d后含有色素溶液也產(chǎn)生微量沉淀(色素殘存率分別為93.4%和93.2%)，λmax未變化。胭脂蟲紅色素對K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+、Pb2+(圖 14)穩(wěn)定性高，對Fe3+、Cu2+穩(wěn)定性較差(圖15、圖16)，無論吸光度還是最大吸收波長都發(fā)生變化，徹底失去染色效果。

圖9 不同金屬離子對南極紅色素的影響Fig.9 Effect of metal ions on the stability of Antarctic red pigment

圖10 不同金屬離子對胭脂蟲紅色素的影響Fig.10 Effect of metal ions on the stability of cochineal pigment

圖11 含Cu2+南極紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描圖Fig.11 Effect of Cu2+on the stability of Antarctic red pigment

圖12 含F(xiàn)e3+南極紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描Fig.12 Effect of Fe3+on the stability of Antarctic red pigment

圖13 含Pb2+南極紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描Fig.13 Effect of Pb2+on the stability of Antarctic red pigment

圖14 含Pb2+胭脂蟲紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描Fig.14 Effect of Pb2+on the stability of cochineal pigment

圖15 含F(xiàn)e3+胭脂蟲紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描Fig.15 Effect of Fe3+on the stability of cochineal pigment

圖16 含Cu2+胭脂蟲紅色素不同時(shí)間點(diǎn)波長掃描Fig.16 Effect of Cu2+on the stability of cochineal pigment

3.7 酸堿穩(wěn)定性

2種色素溶液在不同pH時(shí)穩(wěn)定性相差較大，如圖17～圖20所示。由圖17可看出，隨著酸性的增加，南極紅色素的吸光度逐漸降低，但是最大吸收波長不變，可能是由于隨著酸性的增加，溶液中的色素成分逐漸析出，濃度降低的緣故。由圖18可看出，隨著堿性的增加，南極紅色素的吸光度逐漸降低，而且最大吸收波長也在發(fā)生變化，可能在強(qiáng)堿性條件下色素成分結(jié)構(gòu)遭到破壞的原因。南極紅色素的最適pH值范圍在6～10之間。由圖19可看出，隨著酸性的增加胭脂蟲紅色素的吸光度逐漸降低，但是最大吸收波長幾乎不變，可能是由于隨著酸性的增加，溶液中的色素成分逐漸析出，濃度降低的緣故。由圖20可看出，隨著堿性的增加胭脂蟲紅色素的吸光度逐漸降低，而且最大吸收波長也在發(fā)生變化，在強(qiáng)堿性條件下徹底失去染色效果，可能在強(qiáng)堿性條件下色素成分結(jié)構(gòu)遭到破壞的原因。經(jīng)對照發(fā)現(xiàn)，在任意相同pH值，特別是強(qiáng)酸堿條件下，胭脂蟲紅色素的穩(wěn)定性都低于南極紅色素。南極紅色素在酸堿穩(wěn)定性方面要優(yōu)于胭脂蟲紅色素，這是南極紅色素一個(gè)突出的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

胭脂蟲紅色素提取自胭蚧科胭蚧屬胭脂蟲的雌性干體［9］。胭脂蟲紅色素是一種應(yīng)用歷史悠久的蒽醌類色素。胭脂蟲必須寄生在印榕仙人掌片上，只有通過吸取仙人掌汁液才生長，而且采收胭脂蟲也是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型工作，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。另外，印榕仙人掌和胭脂蟲的生長易受到季節(jié)、天氣、天敵及產(chǎn)地的影響［10］，這些因素限制了胭脂蟲紅色素的發(fā)展。

圖17 酸性條件下南極紅色素波長掃描Fig.17 Absorption spectrum of Antarctic red pigment under the condition of acid

圖18 堿性條件下南極紅色素波長掃描Fig.18 Absorption spectrum of Antarctic red pigment under the condition of alkaline

圖19 酸性條件下胭脂蟲紅色素波長掃描Fig.19 Absorption spectrum of cochineal pigment under the condition of acid

圖20 堿性條件下胭脂蟲紅色素波長掃描Fig.20 Absorption spectrum of cochineal pigment under the condition of alkaline

通過對比研究發(fā)現(xiàn)南極紅色素與胭脂蟲紅色素具有相近的吸收波長，屬于同一色系，但是南極紅色素具有更高的色價(jià)，染色能力更強(qiáng)。對還原劑、食品添加劑、酸堿環(huán)境的穩(wěn)定性優(yōu)于胭脂蟲紅色素，對紫外線、氧化劑、大部分的金屬離子也都具有良好的耐受性。此外，南極紅色素還具有其它優(yōu)于胭脂蟲紅色素的特點(diǎn):(1)來源于微生物，生產(chǎn)周期短，并且不受季節(jié)和產(chǎn)能限制。(2)色素成熟后分泌到細(xì)胞外，不需要破碎細(xì)胞，預(yù)處理工藝簡單。(3)水溶性，在食品中應(yīng)用更容易著色均勻，水溶液中不產(chǎn)生沉淀。(4)胭脂蟲紅色素提取自動(dòng)物［11-12］，處理不合理可能導(dǎo)致蛋白過敏［13-14］，而南極紅色素來源于微生物沒有這種隱患。南極紅色素?zé)o論是在產(chǎn)品功能，還是在穩(wěn)定性上都類似甚至優(yōu)于胭脂蟲紅色素，因此具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景和市場開發(fā)潛力。

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