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天然食用色素制备技术简介

上一篇 / 下一篇 2008-10-23 11:07:34 / 个人分类：食品调色技术

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食用色素作为一种食品添加剂在食品工业中越来越受到重视，由于合成色素均具有不同程度的毒性，长期和过量使用会危害人类健康，甚至有致癌和致畸作用，现各国都在限制合成色素的使用。天然食用色素安全性高，色调柔和、自然，且不少具有较高的营养价值和药理作用，有利于人类的健康。随着人们卫生保健意识的提高，崇尚自然的风气日益增强，天然食用色素将更加受到人们的欢迎。因此，天然食用色素的开发和应用已成为当代食品工业重要的研究课题。
近年，我国在天然食用色素的研究方面做了大量的工作，并取得了可喜的成果。我国批准允许使用的天然食用色素共47种(GB2760-1996)，具体品种有红曲红、甜菜红、辣椒红、玉米黄、可可色素、高粱红、菊花黄、天然苋菜红等。现在我国已经成为天然食用色素的品种和产量大国，并形成了一个初具规模的产业化行业。2003年我国天然食用色素总产销量约为21万吨，绝大部分产品用于国内，其中约有17个天然食用色素品种出口，出口金额约2.8亿元。由于天然食用色素的市场巨大，所以，研究其提取技术的意义重大。

1 制备技术
1.1 溶剂提取法
用有机溶剂浸提，然后经过滤、减压浓缩、真空干燥精制等工艺过程得到最终产品。根据色素的性质、所用原料选择的不同提取色素所用的溶剂，常用的有水、酸碱溶液、有机溶液如乙醇、丙酮、烷烯烃、苯、油脂类及二氧化碳等。此法工艺简单，设备投资少，提取操作方便，对环境无污染，成本低，便于生产，但存在着浸提时间长，劳动强度大，原料预处理能耗大，产品质量不太理想，色素溶解性差，色泽变化较大等缺点，且提取过程要用大量的溶剂，回收困难，导致产品生产成本高。文献报道[1]，乙醇是天然食用色素较优提取剂。对于含水量较少的红辣椒和郁金香，用95%乙醇较佳；对于含水量较多的萝卜，用无水乙醇作为提取剂。而提取紫色菜苔色素[2]时，其最佳提取工艺条件是浸取液为pH值1左右的稀酸水溶液，浸取时间1.5h，温度60℃。此色素水溶性强，耐光、耐热，在一般介质中稳定，可作为酸性食品如饮料、冷饮、糖果、糕点等的着色剂，它可能成为一种值得开发的天然食用色素资源。

1.2 冻结-融解法
冻结-融解法条件温和，操作温度不超过室温，对热敏性高的天然食用色素破坏较少，是生物化学研究中常用的破碎微生物细胞壁的方法[3]。当植物细胞壁破裂后，胞内可溶物迅速溶出，很容易得到高浓度的色素溶液，与常规浸提相比，由于避免了通过细胞壁传质的过程，浸提时间大为缩短。植物细胞壁破碎后，胞内可溶物都会溶出，为了得到较纯的产品，乙醇提取仍是不可缺少的。如对栀子、红蓝草、枫叶为原料3种色素提取的结果表明，此工艺对提取水-醇兼溶的植物色素具有较普遍的适用性[4]，可推广于其它同类色素的工业化生产，甚至提取其他非色素类的胞内物质也有作用。

1.3 超临界流体提取法　
超临界流体提取是食品工业新兴的一项提取和分离技术，是利用液体在超临界区域兼有气液两性(即与气体相当的高渗透能力和低黏度及与液体相当的密度和对物质优良的溶解力)的特点和它对溶质溶解能力随压力和温度改变而在相当宽的范围内变化这一特性而实现溶质溶解与分离的一项技术[5]。利用这种超临界流体可从多种液态或固态混合物中萃取出待分离的组分，一般采用CO2作为提取剂。超临界CO2提取技术是以液态CO2为溶剂进行提取的，是一种不同于传统天然食用色素提取的新工艺，其提取率与提取温度、提取压力、CO2消耗量等因素有关。此技术的主要特点是兼具传统溶剂提取法和蒸馏法的双重功能,尤其对热敏性物质和不挥发性物质的分离更具特色。因此，超临界CO2提取技术符合人们回归自然的潮流，可以带动相关产业发展，带动我国化学溶剂法的技术改造，促进行业发展，是一种从天然物质中提取、制备及分析样品的优良方法。如对天然番茄红素的超临界CO2提取研究表明[6]，番茄红素的生产工艺参数为压力约 15MPa，温度约45℃，时间约1.5h。

1.4 大网络树脂吸附法
吸附树脂是近10年发展起来的一类有机高分子聚合物吸附剂，它具有物理化学稳定性高，吸附选择性强，不受无机物存在的影响，再生简便，解吸条件温和，使用周期长，宜于构成闭路循环，节省费用等诸多优点，避免了用有机溶剂提取分离造成的有机溶剂回收难、损耗大、成本高、易燃易爆、对环境污染严重等缺点，现已广泛用于有机物浓缩、分离、制备与提纯等方面[7]。吸附树脂对物质的吸附作用不仅同树脂的物理和化学性质有关，而且同吸附物质的性质、介质的性质及操作方法等因素有关。此项技术多用于提取花青素类色素，它是将植物用酸性溶液浸提后过滤，滤液用大网络吸附树脂吸附后再用合适的溶剂洗脱，将洗脱液浓缩或喷雾干燥即得最终产品。经过大网络吸附树脂的处理，色素得到了纯化。如用AD-50大网络吸附树脂提取精制紫叶小檗叶红色素[8]的最佳条件为，AD -50树脂在50℃、吸附液pH3～4时对紫叶小檗叶红色素的吸附能力较强，以95%乙醇作为解吸剂，20℃以下洗脱效果最好。

1.5 微波提取法
微波指频率在300～300 000MHz之间的电磁波，亦称超高频波。微波提取的机制，一方面是微波辐照过程是微波射线自由透过透明的提取介质，到达生物材料的内部维管束和腺胞系统。由于吸收微波能，物料内部温度突然升高，天然物料的维管束和腺胞系统升温更快，保持此温度直至其内部压力超过细胞壁膨胀的能力，细胞破裂。位于细胞内的有效成分从细胞壁周围自由流出，传递转移至提取介质周围，在较低的温度下被提取介质捕获并溶解其中，过滤分离残渣，即得提取物。另一方面，微波产生的电磁场加速被提取组分由物料内部向提取溶剂界面的扩散速率。如物料中的水分子，由于微波能量发生器以每秒百万次变化的正负极电荷中心发出高频幅射能，产生交变电场，在其作用下，水分子吸收电场能，有转动的趋势，当交变电场频率足够高时，水分子高速转动成为激发态，而激发态是一种高能量不稳定状态，或者水分子汽化，加强提取组分的驱动力，或者水分子本身释放能量回到基态，所释放的能量传递给其它物质分子，加速其热运动，缩短提取组分的分子由食品物料内部扩散到提取溶剂界面的时间，从而提高提取速率。
微波提取方法的优点是提取率高、准确、快速、操作成本低，减少原料预处理费并对环境无害。微波射线穿透性极好，可施加于任何天然生物材料，在接近环境温度下抽提所需的有效成分，对于热敏性成分的提取极为有效，而且还可将其与超临界流体提取结合运用，解决微波提取中溶剂残留问题，这是现有的各种提取法难以达到的。随着微波技术在工业中的普及，微波提取作为一种新的顺应潮流的高新技术必将得到迅速发展。如微波提取法提取栀子黄色素[9]的工艺条件，提取功率 210W、提取剂500g/L的乙醇水溶液、提取时间80s、提取级数2级、料液比1∶12，在此条件下色素的提取率可达到98.2%。

1.6 酶法提取
对于一些被细胞壁包围不易提取的原料可用酶法提取[10]，如红花黄色素。红花黄色素存在于红花管状花花瓣中，此部位植物材料的化学成分主要为纤维素类物质，它们构成了红花黄色素由植物材料向提取介质扩散的屏障。应用纤维素酶作用于红花管状花，使其细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质降解，使细胞壁及细胞间质结构发生局部疏松、膨胀、崩溃等变化，从而增大胞内有效成分(即红花黄色素) 向提取介质扩散的传质面积，减小传质阻力，从传质角度促进红花黄色素提取率提高。此过程的实质是利用与非有效成分纤维素作用的酶解反应强化有效成分的传质，从而提高了红花黄色素的提取率。
在纤维素酶制剂中，除了主要成分纤维素酶之外，还含有少量半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶等。由于植物材料中不仅含有纤维素，而且含有半纤维素、果胶、蛋白质、木质素等物质，在提取过程中，纤维素酶制剂中的半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶等由于底物的存在也同时显示催化活性。因此，不同的纤维素酶制剂作用于同一种植物材料时，有效成分提取率的高低不仅与制剂中纤维素酶的含量、活性有关，也与酶制剂中半纤维素酶、果胶酶等的含量、活性有关。因此，应对不同来源的纤维素酶进行筛选，以获得与植物材料匹配的、具有最大提取率的纤维素酶。在红花黄色素酶法提取工艺[11]中，适宜提取条件是，温度为50℃, pH4.4，纤维素酶与红花材料的配料比为1∶80(重量)。在红花黄色素的酶法提取过程中，应选择与提取材料匹配的酶制剂。

1.7 超声波法
超声波作为一种新的应用技术，近年来广泛应用于天然植物的提取。其原理是超声波可在液体中产生“空穴作用”，而“空穴作用”产生的冲击波和射流可以破坏植物细胞和细胞膜结构，从而增加细胞内容物通过细胞膜的穿透能力，有助于天然色素的释放与溶出。超声波使提取液不断震荡，有助于溶质扩散，同时超声波的热效应使水温达到57℃，对原料有水浴作用。因此，超声波法大大缩短了提取时间，提高了有效成分的提出率和原料的利用率。如以水为介质，应用超声波技术提取密蒙花黄色素。实验结果表明，超声波处理密蒙花[12]有利于黄色素的浸出，黄色素提取率可达14.1%。在超声波频率40kHz下，最佳提取条件是，75℃，45min，浸提固液比1:30。

2 展望
我国幅员辽阔，位处寒、温、亚热、热带地区，植物资源丰富，品种多，许多品种产地集中，南北都有天然色素的原料，都可以开发利用。特别是一些农产品，如玉米、高粱、辣椒、萝卜等更是随处可见，这就为天然食用色素的开发提供了丰富的原料，也为农副产品深加工开辟了新的途径。随着人民生活水平的提高和食品工业的不断发展，及我国食品行业对高新技术的日益重视，天然食用色素在具有广阔的前景。为此，我们应抓住机遇，立足国内市场，开拓国际市场，大力开发 “天然、营养、多功能”的天然食用色素，如胡萝卜素、黄酮类色素、番茄红素等。同时采用高新技术，不断提高装备水平，提高产品产量、生产技术与产品的竞争力。

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