天然花色苷色素穩(wěn)定化研究進(jìn)展

江玉婷 - 秦 昉 陳 潔 何志勇 -

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

花色苷作為一種水溶性的天然色素，廣泛存在于植物的根、葉、花、果實(shí)中，特征結(jié)構(gòu)為C6-C3-C6骨架，根據(jù)其B環(huán)上的羥基取代數(shù)和甲基化的差別，可將花青素大概分為6種：矢車(chē)菊素、飛燕草素、天竺葵素、矮牽牛素、錦葵色素、芍藥色素(表1)，結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。其次，除了作為天然著色劑添加到食品中外，由于花色苷本身具有降低冠心病、糖尿病并發(fā)癥和癌癥等疾病風(fēng)險(xiǎn)的作用[1]，還可以作為功效成分賦予產(chǎn)品健康功能性。

通常在低pH范圍內(nèi)(pH<3)，花色苷以明亮紅色的黃烊鹽陽(yáng)離子形式存在，隨著pH升高至4～6，水解成無(wú)色的半縮醛形式，或者去質(zhì)子化變成藍(lán)色的醌型堿，pH在接近7時(shí)，C環(huán)開(kāi)始打開(kāi)出現(xiàn)黃色的查爾酮形式[2]?；ㄉ赵诩庸?、貯藏過(guò)程中極易降解，容易受溫度、pH、光照、氧氣、酶和金屬離子等因素影響，從而限制了其在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。因此，花色苷穩(wěn)定性是天然色素工業(yè)化應(yīng)用中急需解決的主要問(wèn)題。本文介紹了目前研究花色苷穩(wěn)定化的幾種主要方法和技術(shù)，包括添加大分子食品組分、小分子輔色作用、金屬離子螯合作用以及包埋技術(shù)等，以期為花色苷穩(wěn)定性的提高及其作為天然色素的工業(yè)化應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

表1 6種常見(jiàn)的花青素結(jié)構(gòu)

圖1 花青素基本結(jié)構(gòu)

1 添加大分子物質(zhì)

花色苷類物質(zhì)作為天然著色劑常應(yīng)用于飲料等食品體系中，其與大分子食品組分之間的相互作用不可避免，且這種相互作用會(huì)不同程度地影響花色苷穩(wěn)定性，這類大分子物質(zhì)主要包括多糖類和蛋白類(表2)。

1.1 多糖類

1.1.1 果膠 Buchweitz等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在pH 3.0條件下，添加不同類型和來(lái)源的果膠對(duì)黑醋栗花色苷有不同的穩(wěn)定效果，酰胺化低酯果膠效果最好，柑橘果膠的穩(wěn)定效果比蘋(píng)果、甜菜果膠好。進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，柑橘果膠和飛燕草花色苷(含有3個(gè)羥基)的結(jié)合要強(qiáng)于與矢車(chē)菊花色苷(含有2個(gè)羥基)的結(jié)合，說(shuō)明兩者之間的結(jié)合主要是通過(guò)氫鍵。但柑橘果膠以及果膠類型對(duì)草莓花色苷顏色的穩(wěn)定卻無(wú)顯著影響，可能是草莓和黑醋栗中花色苷種類不同的緣故[4]。Fernandes等[15]利用STD NMR結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬分析認(rèn)為低酯柑橘果膠和花色苷之間可能主要是氫鍵和疏水相互作用。Holzwarth等[5]探究在不同溫度下使用商業(yè)果膠減壓制備草莓果醬發(fā)現(xiàn)，降低處理溫度雖然能在短時(shí)間內(nèi)保留花色苷含量，但未改善儲(chǔ)藏過(guò)程中的顏色穩(wěn)定性。

為能夠更好地探究果膠與花色苷之間的相互作用，Lin等[6]將藍(lán)莓果膠分成水溶性部分(WSF)、溶于螯合劑部分(CSF)和溶于碳酸鈉部分(NSF)，發(fā)現(xiàn)在pH 2.0～3.6時(shí)，CSF與花色苷有較強(qiáng)的結(jié)合能力，而在pH 3.6～4.5時(shí)則是NSF有較強(qiáng)的結(jié)合能力；兩者結(jié)合的主要機(jī)制可能是：花色苷黃烊鹽陽(yáng)離子和果膠游離羧基之間的離子相互作用以及花色苷的芳環(huán)堆積。

1.1.2 阿拉伯膠 據(jù)研究[7]，在pH 5.0和加熱條件下，阿拉伯膠能提高花色苷的熱穩(wěn)定性，可能是阿拉伯膠和花色苷發(fā)生疏水相互作用而形成復(fù)合物所致。另外，Chung等[8]在模擬飲料體系(含L-抗壞血酸)中發(fā)現(xiàn)，阿拉伯膠能夠有效提高花色苷的光穩(wěn)定性。在阿拉伯膠濃度為0.05%～1.50% 時(shí)，花色苷的光穩(wěn)定性提高，可能是花色苷與阿拉伯膠的糖蛋白部分發(fā)生氫鍵作用，而濃度為2.5%～5.0%時(shí)，阿拉伯膠降低其光穩(wěn)定性，可能是多糖構(gòu)象的變化，減少了可與花色苷反應(yīng)的糖蛋白數(shù)量。

1.1.3 瓜爾豆膠 De等[9]研究了在40 ℃和光照條件下儲(chǔ)藏10 d，添加0.75%～1.25%的瓜爾豆膠能夠顯著提高花色苷的顏色穩(wěn)定性，特別是濃度為1.25%時(shí)，花色苷的降解半衰期增加了2.4倍，最終花色苷濃度增加了約70%。

表2 穩(wěn)定花色苷的不同大分子化合物及其使用條件

1.2 蛋白質(zhì)

1.2.1 乳蛋白 目前研究與多酚等物質(zhì)結(jié)合的蛋白質(zhì)種類主要是乳蛋白，包括乳清分離蛋白、酪蛋白、乳球蛋白等。Chung等[10]在加速試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，加入乳清蛋白和熱改性乳清分離蛋白都能提高模擬飲料體系(含花色苷、抗壞血酸、鈣鹽)的顏色穩(wěn)定性，并通過(guò)熒光猝滅試驗(yàn)證實(shí)兩者可能通過(guò)氫鍵形成復(fù)合體，從而使花色苷免受抗壞血酸的影響。

He等[11]研究發(fā)現(xiàn)牛乳乳清蛋白、酪蛋白與葡萄皮紅色素復(fù)合后，可顯著減少色素在熱處理、氧化處理和光照處理中的降解，有效提升其穩(wěn)定性，并分析表明牛乳中α-酪蛋白以親水作用(范德華力或者氫鍵)與錦葵素-3-O-葡萄糖苷(葡萄皮紅色素中的主要花色苷)相互結(jié)合，而β-乳球蛋白和β-酪蛋白與錦葵-3-O-葡萄糖苷主要以疏水作用相互結(jié)合。He等[12,16]還發(fā)現(xiàn)預(yù)熱處理之后可以進(jìn)一步增強(qiáng)乳蛋白與花色苷之間相互作用，進(jìn)而提高花色苷的穩(wěn)定性。

1.2.2 其他蛋白 除了乳蛋白之外，Wu等[13]研究證明在pH 7.0中性條件下，酵母甘露糖蛋白能夠提高花色苷的穩(wěn)定性4～5倍。另外，據(jù)報(bào)道[14]，預(yù)熱處理的大豆分離蛋白也能夠有效提高黑大豆種皮花色苷提取物的熱和光穩(wěn)定性，特別在100，121 ℃預(yù)熱處理溫度下，大豆蛋白有最佳的保護(hù)效果。

從目前研究情況來(lái)看，生物大分子用于穩(wěn)定花色苷的研究存在的主要不足在于：① 所研究的食用多糖和蛋白質(zhì)種類偏少，今后需要深入挖掘更多具有花色苷穩(wěn)定效果的天然多糖和蛋白資源；② 關(guān)于多糖和蛋白大分子與花色苷的相互作用及其對(duì)花色苷呈色穩(wěn)定性的影響機(jī)制未徹底闡明，仍然需要依靠多種現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)手段開(kāi)展進(jìn)一步的分析研究；③ 多糖和蛋白與花色苷形成的復(fù)合物體系在實(shí)際食品加工和貯藏中的應(yīng)用穩(wěn)定性也需要進(jìn)一步研究。

2 小分子輔色

輔色作用分為分子內(nèi)輔色、分子間輔色以及自締合，其中花色苷與其他輔色因子形成的超分子，阻止水對(duì)黃烊鹽陽(yáng)離子的親核攻擊，是一種能有效提高花色苷顏色穩(wěn)定的方法。輔色現(xiàn)象是花色苷類物質(zhì)特有的，在其他多酚類物質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)[17]。這種結(jié)合可視為非共價(jià)相互作用，包括氫鍵和疏水效應(yīng)[18]。

2.1 多酚和黃酮類

目前報(bào)道的具有輔色作用的多酚有蘆丁[19]、表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(EGCG)[20]等。而且，不同的酚類物質(zhì)由于其不同的空間構(gòu)型而顯示出不同的輔色效應(yīng)。Hernández-Herrero等[19]將pH 3.7的模擬果汁(含李子花色苷、蘆丁和抗壞血酸)在20 ℃黑暗中儲(chǔ)存17周后發(fā)現(xiàn)，蘆丁有效地提高了花色苷的顏色穩(wěn)定性。Chung等[20]將EGCG、綠茶提取物等輔色因子添加到pH 3.0模擬飲料(含抗壞血酸和紫色胡蘿卜提取物)中，并在40 ℃光照條件下儲(chǔ)藏7 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠茶提取物對(duì)飲料顏色有最顯著的保護(hù)效果，花色苷半衰期從2.9 d增加到了6.7 d。Xu等[21]研究表明相比于其他常用的輔色素EGCG、茶多酚等，添加槲皮素更有效地改善了葡萄皮花色苷的光、熱穩(wěn)定性，而且槲皮素和花色苷的最佳比例與體系的pH值有關(guān)，pH為3.0，4.0，5.0時(shí)的最佳配比分別為1∶10，1∶5，1∶1。

2.2 肽和氨基酸類

Chung等[22]研究了3種氨基酸(L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸)和一種多肽(多聚-L-賴氨酸)在pH 3.0和40 ℃條件下儲(chǔ)存7 d對(duì)紫色胡蘿卜花色苷顏色穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示L-賴氨酸的添加效果最顯著，并且熒光猝滅研究顯示L-賴氨酸和花色苷的結(jié)合是通過(guò)氫鍵和疏水相互作用。Stebbins等[23]在40 ℃加速試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽可延長(zhǎng)黑莓花色苷的降解時(shí)間，有明顯的保護(hù)效果，但是兩者之間的結(jié)合機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

2.3 有機(jī)酸類

在pH 3.6的葡萄酒溶液中，香豆酸、咖啡酸和阿魏酸對(duì)錦葵-3-O-葡萄糖苷有輔色作用，且輔色強(qiáng)度和這些有機(jī)酸的濃度和分子結(jié)構(gòu)相關(guān)[24]。Zhang等[25]評(píng)估了沒(méi)食子酸和鞣花酸作為預(yù)發(fā)酵添加物對(duì)老化葡萄酒顏色影響，結(jié)果在pH 3.6下發(fā)現(xiàn)鞣花酸是相對(duì)較好的輔色因子。但是這兩者之間自發(fā)的輔色作用需要一定的時(shí)間且效率較低，而結(jié)合高靜水壓處理可以加快有機(jī)酸和花色苷之間的輔色反應(yīng)[26]。

盡管小分子輔色作用有增色效果，但由于有機(jī)試劑、儲(chǔ)藏時(shí)間等因素的影響，花色苷與各輔色物質(zhì)產(chǎn)生的復(fù)合物易分解，而達(dá)不到長(zhǎng)期穩(wěn)定的效果。鑒于此，今后需要加強(qiáng)輔色作用和其他穩(wěn)定化技術(shù)協(xié)同穩(wěn)定花色苷呈色方面的研究工作。

3 金屬離子螯合

有研究發(fā)現(xiàn)在藍(lán)色鴨跖草、車(chē)輪草和鼠尾草的花瓣中存在由花青素、金屬離子和非花色苷類輔色素形成的超分子復(fù)合物[27]，復(fù)合物在完整的植物細(xì)胞環(huán)境和濃縮液中很穩(wěn)定，但是用水稀釋后，金屬—花色苷復(fù)合物極易分解變?yōu)闊o(wú)色，可能是它們之間的相互作用力較弱[28]。

部分花色苷能夠和二價(jià)或三價(jià)的金屬離子(Fe3+、Fe2+、Mg2+、Cu2+、Al3+等)形成復(fù)合物，此類花色苷在B環(huán)上有2個(gè)以上相鄰的羥基，比如矢車(chē)菊素苷、飛燕草素苷等[29]，并且B環(huán)上的羥基越多，金屬離子價(jià)位越高，吸收光譜的紅移就越明顯[30-31]。Buchweitz等[32]發(fā)現(xiàn)在pH 3.6～5.0時(shí)，含有相對(duì)較多的鐵離子和鋁離子的低分子量果膠多糖對(duì)藍(lán)色花色苷有更好的穩(wěn)定效果，并且pH值越高，效果越好。Sigurdson等[30]研究發(fā)現(xiàn)在pH 3～6時(shí)，兩種花色苷與Al3+螯合后，飛燕草色素苷的紅移比矢車(chē)菊素苷要更明顯。

但是對(duì)于復(fù)雜多樣的食品體系來(lái)說(shuō)，不同組分對(duì)金屬—花色苷螯合物穩(wěn)定性的影響仍有待研究。有報(bào)道[32-33]稱金屬離子—花色苷復(fù)合物和某些多糖相互作用，有助于進(jìn)一步提高花色苷的穩(wěn)定性。Tachibana等[34]在矢車(chē)菊素-3-葡萄糖苷(C3G)中先后加入Fe3+和海藻酸鈉，在pH 6.0和60 ℃下加熱80 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉能夠有效抑制C3G-Fe3+復(fù)合物產(chǎn)生聚集，并進(jìn)一步探明海藻酸鈉是通過(guò)與C3G-Fe3+復(fù)合物中的Fe3+結(jié)合以提高穩(wěn)定性。Luna-Vital等[35]研究發(fā)現(xiàn)使用Zn2+和海藻酸鹽可穩(wěn)定紫玉米皮中花色苷，主要是由于三者之間的相互作用減緩了花色苷的化學(xué)降解。對(duì)于單一使用金屬離子對(duì)花色苷進(jìn)行穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)復(fù)合物容易解離變成無(wú)色這一問(wèn)題，未來(lái)的研究中利用多糖或蛋白大分子與金屬離子的共同結(jié)合，對(duì)花色苷色素進(jìn)行雙重保護(hù)可能是一個(gè)不錯(cuò)的解決辦法。

4 包埋技術(shù)

包埋是將不穩(wěn)定的物質(zhì)(芯材)封裝進(jìn)另一種或幾種物質(zhì)(壁材)中，以保護(hù)芯材的生物活性和各種物理化學(xué)性質(zhì)等[36]。目前應(yīng)用于花色苷這種親水性活性物質(zhì)的包埋技術(shù)主要有噴霧干燥、冷凍干燥、微凝膠、凝聚作用等。

4.1 干燥方法

噴霧干燥能夠?qū)⑷芤恨D(zhuǎn)化成能應(yīng)用性強(qiáng)的固體顆粒，是一種應(yīng)用十分成熟的技術(shù)。在噴霧干燥中，入口溫度和芯材壁材比率是影響包埋效率和顏色穩(wěn)定的兩個(gè)重要因素[37-38]。De等[39]探究了噴霧干燥中不同的入口溫度和不同濃度的麥芽糊精對(duì)葡萄釀酒后副產(chǎn)物中花色苷穩(wěn)定性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在入口溫度170 ℃和30%麥芽糊精條件下，花色苷的保留率最高，達(dá)到97%。不同的壁材組合也會(huì)對(duì)花色苷顏色穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，且最優(yōu)壁材組合的選擇是根據(jù)不同的儲(chǔ)存條件而定的[40]。

對(duì)于花色苷這類熱敏感性物質(zhì)，冷凍干燥比噴霧干燥在包埋效率和花色苷的保留量上更具優(yōu)勢(shì)[41-43]，但缺點(diǎn)是耗能大、耗時(shí)長(zhǎng)。Khazaei等[44]的研究結(jié)果表明在pH 2時(shí)，以阿拉伯膠和麥芽糊精作為壁材的冷凍干燥過(guò)程中，麥芽糊精含量最高時(shí)顏色變化最小。Souza等[45]研究了以麥芽糊精、果膠和大豆多糖作為壁材，運(yùn)用了冷凍干燥技術(shù)對(duì)含有花色苷的粉末進(jìn)行包埋，結(jié)果顯示能延長(zhǎng)其貨架期。

噴霧干燥或者冷凍干燥技術(shù)確實(shí)能很好地提升花色苷在固體粉末狀態(tài)下的穩(wěn)定性，但是穩(wěn)定化后的花色苷在液態(tài)、凝膠態(tài)等終端產(chǎn)品中的應(yīng)用穩(wěn)定性是否良好，仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 微凝膠

花色苷的微凝膠包埋是以生物大分子基材料為主要壁材，利用擠出技術(shù)或者乳化技術(shù)形成微凝膠從而實(shí)現(xiàn)包埋。生物大分子被美國(guó)食品和藥品管理局認(rèn)定為通常是安全的，因此很多食品組分都可用來(lái)制作微凝膠，比如海藻酸鈉[46]、殼聚糖[47]等。De等[48]利用雙重乳化將木槿花花色苷提取物溶解在低酰胺化果膠中，分別使用液滴擠出和霧化兩種造粒技術(shù)形成微膠囊，結(jié)果顯示，形成的兩種微粒都可以有效提高花色苷對(duì)溫度的耐受性。Guo等[49]研究發(fā)現(xiàn)在pH 3.0時(shí)，海藻酸鹽—果膠水凝膠包埋藍(lán)莓和紫玉米花色苷提取物能夠顯著降低花色苷光降解作用，半衰期提高約11倍，且藍(lán)莓提取物比紫色玉米提取物的包埋效率要高得多。

4.3 凝聚技術(shù)

簡(jiǎn)單的凝聚只需要一種聚合物，而復(fù)合凝聚必須使用兩種或甚至更多種聚合物類型。在大多數(shù)情況下，凝聚層是蛋白質(zhì)—多糖復(fù)合物，有時(shí)也會(huì)是蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)混合物。近年來(lái)，凝聚技術(shù)逐漸成為熱點(diǎn)，相比于其他包埋技術(shù)，凝聚技術(shù)有操作溫度低、可控釋放等優(yōu)勢(shì)[50]。Shaddel等[51]研究不同濃度的壁材(明膠和阿拉伯膠)以不同比例在pH 4.0下包埋覆盆子花色苷，穩(wěn)定性最大提高了約23%。但也有研究[52]指出，凝聚技術(shù)更適用于封裝疏水性物質(zhì)，對(duì)于花色苷類親水性物質(zhì)的封裝需要做一些改變，比如在凝聚之前進(jìn)行雙重乳化等。

4.4 聚電解質(zhì)絡(luò)合作用

聚電解質(zhì)絡(luò)合是指分別帶有正負(fù)電荷的聚電解質(zhì)之間通過(guò)分子間的靜電相互作用進(jìn)行的自聚合，優(yōu)點(diǎn)在于不需要有機(jī)試劑和過(guò)高的處理溫度。Tan等[53]利用殼聚糖和硫酸軟骨素聚電解質(zhì)絡(luò)合作用來(lái)包埋接骨木花色苷提取物，在pH 3.0條件下，兩種多糖以質(zhì)量比1∶1形成聚電解質(zhì)復(fù)合物時(shí)，達(dá)到88%的最高包埋率，以及40 ℃下的加速試驗(yàn)顯示出了更高的花色苷保留量。

以上所述部分包埋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于體系的pH值等因素，特別是聚電解質(zhì)絡(luò)合作用形成的復(fù)合物需要在特定的pH范圍，因此大大限制了這些技術(shù)的應(yīng)用范圍。同時(shí)，在之后的食品加工和貯藏過(guò)程中，形成的復(fù)合物也可能因?yàn)轶w系環(huán)境的變化而解離，從而達(dá)不到保護(hù)作用。

5 總結(jié)和展望

花色苷作為天然著色劑使用最大的挑戰(zhàn)在于其穩(wěn)定性，本文綜述了目前研究較多的穩(wěn)定花色苷的幾種技術(shù)方法。通常，將體系pH值調(diào)到3以下，這樣的酸性環(huán)境有利于花色苷向黃烊鹽陽(yáng)離子形式轉(zhuǎn)變，賦予更好的穩(wěn)定性，但同時(shí)也限制了其在弱酸性和中性食品體系中的應(yīng)用。其次食品基質(zhì)復(fù)雜，采用大分子物質(zhì)和小分子輔色來(lái)穩(wěn)定花色苷時(shí)，其多組分之間的相互作用及其對(duì)花色苷穩(wěn)定性影響仍需要進(jìn)一步深入探究。對(duì)于藍(lán)色色調(diào)的天然色素，金屬陽(yáng)離子和花色苷的螯合物體現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性。目前，最常用的穩(wěn)定花色苷方法是包埋，但是某些包埋技術(shù)最終的產(chǎn)品形態(tài)是凝膠狀態(tài)，這對(duì)于應(yīng)用在飲料等溶液體系產(chǎn)品中有一定的難度，可能會(huì)增加產(chǎn)品黏稠度，改變產(chǎn)品原有的感官形態(tài)。

使用花色苷作為著色劑的有效性除與應(yīng)用環(huán)境條件有密切關(guān)系外，還必須考慮到花色苷產(chǎn)品本身的純度、結(jié)構(gòu)等的不同。另外，伴隨著食品工業(yè)的發(fā)展，不斷有新型食品面世，因此花色苷類天然色素在食品中的穩(wěn)定化應(yīng)用研究仍然是今后花色苷研究的重點(diǎn)方向，并且未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)在花色苷保護(hù)方面的新技術(shù)、新材料，以及針對(duì)不同種類食品體系專屬定制穩(wěn)定化方法的研究開(kāi)發(fā)工作。