食用天然色素的性質(zhì)及其熱穩(wěn)定性分析

徐雄 汪航 曹玉清

近兩年來，孔雀石綠、蘇丹紅等一系列事件的發(fā)生，讓食品安全問題成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)于合成色素安全性的顧慮也越來越嚴(yán)重。天然色素因?yàn)樵醋钥墒秤玫膭?dòng)植物組織，具有更高的安全性，且部分天然色素中含有人體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及維生素，同時(shí)色調(diào)自然，所以在食品生產(chǎn)制作中得到了廣泛應(yīng)用。然而，天然色素存在穩(wěn)定性差、價(jià)格偏貴等問題，使其開發(fā)應(yīng)用存在一定的限制，因此加大對(duì)天然色素穩(wěn)定性的考察分析，對(duì)于推動(dòng)天然色素市場(chǎng)的發(fā)展具有積極意義。

一、儀器與原料

恒溫水浴，江蘇奈樂儀器設(shè)備制造有限公司；UV-Probe2550雙光束紫外光譜儀，日本島津公司；pHS-2型酸度計(jì)，上海分析儀器廠；紅辣椒、玉米淀粉、β-胡蘿卜素（市售）、紅心蘿卜（市售）、高粱殼、番茄、紅曲米、紫色葡萄、梔子、紅花，其余試劑都是分析純。

二、實(shí)驗(yàn)與方法

1.待測(cè)色素溶液制備。使用一定量的乙酸乙酯對(duì)β-胡蘿卜素進(jìn)行充分溶解，并使用65%乙醇溶液將其充分稀釋，標(biāo)注待測(cè)β-胡蘿卜素溶液，冷藏備用。將番茄、紅辣椒（去籽）、梔子（脫殼搗碎）、玉米淀粉、紫色葡萄皮、紅曲米、紅花、紅心蘿卜、高粱殼分別采用一定量的溶劑進(jìn)行3次浸提、過濾，標(biāo)注待測(cè)色素溶液，冷藏待用。

2.光譜掃描與吸光度測(cè)量。從待測(cè)色素溶液中吸取相應(yīng)量的液體，用水充分稀釋，使用UV-Probe2550雙光束紫外光譜儀掃描200-800nm的吸收光譜，將不同色素最大吸收波長(zhǎng)視作測(cè)定波長(zhǎng)，對(duì)其實(shí)驗(yàn)前后的吸光度情況展開測(cè)量，并根據(jù)公式（1）進(jìn)行吸光度殘存率計(jì)算，對(duì)不同條件下的色素穩(wěn)定情況展開計(jì)算。

吸光度殘存率= ? ? ? ? ? （1）

在公式（1）中，AO代表樣品起始吸光度，AX代表通過查考處理樣品吸光度。

三、分析與討論

1.光照對(duì)色素色澤穩(wěn)定性造成的影響分析。量取一定量的待測(cè)色素溶液，置于25mL比色管中，用水充分稀釋至刻度線處，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程中掃描出的最大吸收波長(zhǎng)，分別測(cè)量并得到在室內(nèi)進(jìn)行10天自然光照前后的吸光度情況，計(jì)算吸光度殘存率，重點(diǎn)分析不同色素受到室內(nèi)自然光照后所產(chǎn)生的改變，得出的最終數(shù)據(jù)詳見表1。通過為期10天的室內(nèi)自然光照作用，脂肪族、芳香族天然色素的殘存率分別為30%以下和80%以下，凸顯了芳香族天然色素的強(qiáng)耐光性特征，而脂肪族天然色素相對(duì)遜色，原因可能是脂肪族天然色素分子結(jié)構(gòu)中存在長(zhǎng)鏈共軛雙鍵，長(zhǎng)鏈烯烴里的鍵會(huì)因氧化、光照等干擾而褪色。在該結(jié)構(gòu)的影響下，脂肪族天然色素除了具有顏色外，受到光照影響后色素色澤也不穩(wěn)定。但是芳香族色素分子結(jié)構(gòu)中具有穩(wěn)定性稍強(qiáng)的共轆芳香環(huán)，在光照環(huán)境下不會(huì)發(fā)生明顯改變，因此表現(xiàn)出一定的耐光性。由此得出，天然色素的光穩(wěn)定性與分子結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)，后者會(huì)對(duì)前者造成極大影響。

2.色素分子結(jié)構(gòu)和光照下色澤穩(wěn)定情況的相關(guān)性分析。在Cambridge Soft Corp Chem3D軟件中輸入并優(yōu)化一些脂肪族和芳香族天然色素的分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)計(jì)算法AM1，對(duì)分子生成熱（OH）展開計(jì)算，結(jié)果如表1所示。由表1可知，芳香族色素生成熱大部分低于-130Kca1/mol，但是脂肪族色素生成熱基本都超過-90Kca1/mol，與實(shí)驗(yàn)方法的最終結(jié)論一致。

3.避光存放給色素色澤穩(wěn)定性帶來的影響分析。依次取各類待測(cè)色素溶液，加入25mL比色管中，并用水充分稀釋至刻度線處，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程掃描得到的最大吸收波長(zhǎng)，測(cè)量其在避光環(huán)境下存放1個(gè)月前后的吸光度，對(duì)吸光度殘存率進(jìn)行計(jì)算，分析避光存放對(duì)各類色素所造成影響，具體數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，相較于芳香族天然色素，脂肪族天然色素的耐氧化性較弱。

4.介質(zhì)極性變化給色素色澤穩(wěn)定性帶來的影響分析。依次取各類待測(cè)色素溶液，使用無水乙醇配制成乙醇體系百分比分別為0、28%、38%、45%且色素濃度一致的色素溶液，置于室內(nèi)給予10天的自然光照，再根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程掃描得到的最大吸收波長(zhǎng)對(duì)吸光度實(shí)施測(cè)定，通過公式計(jì)算吸光度殘存率，分析介質(zhì)極性與色素穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)性，具體數(shù)據(jù)如表1所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，隨著介質(zhì)極性增大，脂肪族天然色素穩(wěn)定性降低，芳香族天然色素穩(wěn)定性本應(yīng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，至于為何會(huì)出現(xiàn)這種情況尚未明確，仍有待探究。

5.金屬離子為色素色澤穩(wěn)定性帶來的影響分析。依次取各類待測(cè)色素溶液，加入25mL比色管中，將各類金屬離子也加入比色管內(nèi)，進(jìn)行金屬離子（Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+）溶液的配制（濃度為0.01mg/mL），對(duì)溶液的變化情況展開分析，同時(shí)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程中掃描得到的最大吸收波長(zhǎng)，對(duì)金屬離子添加前后溶液吸光度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算吸光度殘存率，明確金屬離子和各類色素之間存在的關(guān)聯(lián)性，具體情況如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，受到金屬離子的作用，所有芳香族色素最大吸收峰均產(chǎn)生相應(yīng)位移，脂肪族天然色素中除了鐵離子，其余的離子基本無改變，原因可能是一些金屬離子和芳香族色素作用改變了芳香族色素溶液，導(dǎo)致難溶性沉淀形成。

6.pH轉(zhuǎn)變給色素色澤穩(wěn)定性帶來的影響分析。使用pH分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0的緩沖液配制不同pH的待測(cè)色素溶液，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程中掃描得到的最大吸收波長(zhǎng)，對(duì)所配制的pH溶液、原色素溶液吸光度展開測(cè)量，計(jì)算吸光度殘存率，分析pH與各類色素之間存在的關(guān)系，具體情況如表1所示。當(dāng)pH從3.0升高至10.0時(shí)，脂肪族天然色素色澤不會(huì)發(fā)生改變，表示pH變化帶來的影響非常??；但pH改變會(huì)給芳香族天然色素帶來較大的干擾，且pH增長(zhǎng)時(shí)，除了可可色素外，其余色素的色澤均發(fā)生了改變。

7.溫度為色素色澤穩(wěn)定性帶來的影響分析。依次取各類待測(cè)色素溶液，加入50mL圓底燒瓶中，添加適量水充分進(jìn)行稀釋，再依次將各類色素溶液置于100℃恒溫環(huán)境中進(jìn)行1h加熱回流，并冷卻定容，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程掃描得到的最大吸收波長(zhǎng)對(duì)加熱前后的吸光度進(jìn)行測(cè)量，明確溫度與各待測(cè)色素之間的關(guān)系。通過表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，除了紅曲色素和蘿卜紅素外，其余的芳香族以及脂肪族天然色素均具有一定的耐熱性。

四、結(jié)果

脂肪族天然色素和芳香族天然色素具備以下特征差異：

1.表現(xiàn)行為差異。天然食用色素色澤不穩(wěn)定，芳香族天然色素的反應(yīng)是變色，脂肪族天然色素的反應(yīng)是褪色，二者存在一定差異。

2.作用機(jī)理差異。兩種天然色素的色彩變化機(jī)理不同，脂肪族天然色素的褪色原理為光催化氧化、水解重排，芳香族天然色素的變色原理為結(jié)構(gòu)重排、金屬離子配位。

3.關(guān)鍵影響要素。光照不同、氧化、介質(zhì)極性增大是脂肪族天然色素發(fā)生褪色的關(guān)鍵，pH改變、部分金屬離子本身是引起芳香族天然色素變色的關(guān)鍵。

4.存在大量互補(bǔ)特性。兩種天然色素具有互補(bǔ)特性，其中光、氧、介質(zhì)極性增大會(huì)導(dǎo)致脂肪族天然色素呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特征，芳香族色素能夠?qū)υ撎匦源嬖诘牟蛔氵M(jìn)行補(bǔ)充；pH變化、部分金屬離子本身的存在同樣會(huì)干擾芳香族天然色素，使其呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特征即發(fā)生變色，但是脂肪族色素能夠?qū)υ撎匦源嬖诘牟蛔阌枰匝a(bǔ)充。

綜上，本文分析了常見天然食用色素的色澤穩(wěn)定性，從天然食用色素分子結(jié)構(gòu)著手，提出了改善天然色素色澤穩(wěn)定性的舉措：一是通過改變色素所處微環(huán)境來增強(qiáng)色素色澤穩(wěn)定性；二是利用互補(bǔ)特性改善色素色澤穩(wěn)定性；三是通過不同穩(wěn)定劑的添加改善色素色澤穩(wěn)定性。

作者簡(jiǎn)介：徐雄（1992-），男，漢族，江西鷹潭人，助理工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)樘烊簧氐奶匦约皯?yīng)用。