胭脂蟲紅色素加工技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

張 弘， 鄭 華， 郭 元 亨， 馬 李 一， 甘 瑾， 張 忠 和

( 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所， 國家林業(yè)局資源昆蟲培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650224 )

0 引 言

胭脂蟲(Cochineal)是一類寄生在仙人掌類植物的資源昆蟲，屬同翅目(Homoptera)，粉蚧總科(Pseudococcoidea)，洋紅蚧科(Dactylopiidae)，洋紅蚧屬(Dactylopius)[1]；洋紅蚧屬共有9個(gè)種，國外飼養(yǎng)用于生產(chǎn)胭脂蟲紅色素的胭脂蟲蟲種主要為DactylopiuscoccusCosta[2-4]。胭脂蟲原產(chǎn)于拉丁美洲，我國本無胭脂蟲的天然分布，本世紀(jì)初先后由中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所引入我國，并在我國西南地區(qū)成功繁育[5-12]。胭脂蟲雌性成蟲體內(nèi)能產(chǎn)生一種蒽醌類色素——胭脂紅酸，是常用的優(yōu)質(zhì)天然染色劑-胭脂蟲紅色素的主要組成成分，胭脂紅酸的含量約占胭脂蟲干蟲體重的14%～26%[13-16]。

最早認(rèn)知和應(yīng)用胭脂蟲紅色素是南美的印第安人，而為世人所知迄今已有600年了。由于胭脂蟲紅色素來自于有生命的昆蟲體，其原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)未被改變，根據(jù)目前的研究尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)人體有毒副作用，因此，F(xiàn)AO/WHO認(rèn)為胭脂紅酸在食品添加劑領(lǐng)域的合理應(yīng)用具有良好的安全性，F(xiàn)DA允許胭脂紅酸用于食品同時(shí)也可用于醫(yī)藥品和化妝品[17]。

1 胭脂紅酸的理化特性

胭脂蟲紅色素的主要成分是胭脂紅酸，化學(xué)名：7-C-D-吡喃型葡萄糖苷-3,5,6,8-四羥基-1-甲基-9,10-二氧-2-蒽醌甲酸[(7-C-D-glycopyranosyl)-3,5,6,8-tetrahydroxy-1-methyl-9,10-dioxo-2-anthracenecarboxylic acid]。系為由D型吡喃葡萄糖和胭脂酮酸(kermesic acid)組成的糖苷[18]，其苷元-胭脂酮酸因其蒽醌結(jié)構(gòu)而為胭脂紅酸的發(fā)色團(tuán)。分子結(jié)構(gòu)詳見圖1。

胭脂紅酸屬水溶性蒽醌類色素，深紅色粉末，分子呈極性，由于分子內(nèi)含有8個(gè)羥基和1個(gè)羧

圖1 胭脂紅酸的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of carminic acid

基，而羥基和羧基都有很強(qiáng)的親水性，因此胭脂紅酸極易溶于水，也較易溶于甲醇、甲酸、二甲基亞砜等極性溶劑; 難溶于乙醚、氯仿、石油醚、甲苯、苯、油脂等非極性或弱極性溶劑中[19]；無明顯的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，溫度升高顏色加深；從水溶液中結(jié)晶的胭脂紅酸在130 ℃時(shí)為亮紅色晶體，250 ℃分解[20]。

胭脂紅酸水溶液呈酸性，分子在水溶液中有解離平衡，詳見圖2；在超純水系統(tǒng)中，用氫氧化鈉滴定胭脂紅酸，測得胭脂紅酸的解離常數(shù)為pKa=5.55[21]。隨著溶液pH值的增大，可見光吸收波長發(fā)生紅移[22]，胭脂紅酸水溶液顏色由橙色逐漸變?yōu)槌燃t色直至變?yōu)樽仙ｋ僦t酸水溶液的紫外最大吸收波長為280 nm[23-25]，可見吸收波長為494 nm[26-29]。

圖2 胭脂紅酸在水溶液中的解離式Fig.2 Dissociation reaction of carminic acid (CAH) to its anion (CA-)

胭脂紅酸因含多個(gè)羥基而有Borntr?ger反應(yīng)：胭脂蟲紅色素粉末加入硫酸水溶液和乙醚中振搖，靜止后稀硫酸溶液層為紅色，醚層為橙紅色；取醚層加入堿溶液后，醚層由橙紅色變?yōu)闊o色，堿性溶液層由無色變?yōu)樽霞t色[19]。

胭脂紅酸對(duì)光穩(wěn)定性較好，在室外陽光直射下，7 d 保存率仍在50% 以上；對(duì)溫度也較為穩(wěn)定，在4 ℃低溫至100 ℃高溫范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好，8 h保存率均超過95%。胭脂蟲紅色素有較強(qiáng)的抗氧化性，而還原劑可使胭脂蟲紅色素穩(wěn)定性略有下降；常用食品添加劑對(duì)胭脂蟲紅色素有增色及護(hù)色作用；Fe3+、Fe2+、Ca2+和Sn2+離子可破壞色素水溶液穩(wěn)定性，引起顏色變化、生成沉淀，造成紅色素?fù)p失；而其他金屬離子對(duì)穩(wěn)定性影響不明顯。pH值增大至堿性范圍會(huì)使穩(wěn)定性降低，而在酸性pH值下保存率較高[22]。

胭脂紅酸分子中的蒽醌發(fā)色團(tuán)上有4個(gè)羥基，其中兩個(gè)羥基在一個(gè)六元環(huán)的對(duì)位上，而這對(duì)羥基又與一對(duì)羰基相鄰，這種酮類的烯醇式結(jié)構(gòu)容易因質(zhì)子遷移產(chǎn)生烯醇式互變，形成另外3種結(jié)構(gòu)，詳見圖3[19]。

2 胭脂蟲紅色素提取精制

目前世界上進(jìn)行胭脂蟲色素生產(chǎn)及技術(shù)研究的主要國家有西班牙、秘魯、日本、韓國、德國、丹麥等，其中既有原料生產(chǎn)國，也有更多的是原料進(jìn)口國。

位于西班牙Navarra的CHR Hansen工廠是世界最大的天然胭脂蟲色淀供應(yīng)商之一，日處理胭脂蟲體800～1 000 kg，可得到胭脂蟲紅酸135～165 kg，然后將胭脂蟲紅酸作為生產(chǎn)不同商品化胭脂蟲色淀的前體。在這種對(duì)胭脂蟲進(jìn)行規(guī)?；崛∫垣@得色淀產(chǎn)品的過程中，大量加入氨水(作為浸提劑)、磷酸(作為酸化劑)，加工完畢后的廢水日產(chǎn)量達(dá)35 m3，其中有高含量的磷酸鹽和氨，化學(xué)耗氧量(COD)也很高，盡管巴塞羅那大學(xué)的研究者為此開發(fā)了相對(duì)經(jīng)濟(jì)的低純度氧化鎂(LG-MgO)處理法用于去除廢液中的氨和磷酸鹽，但仍需要較高成本的環(huán)保投入以控制污染。

在秘魯，對(duì)胭脂蟲進(jìn)行加工的工廠主要集中于首都利馬。利馬共有6個(gè)加工廠，以Montana S.A.為最大，該工廠每年可加工生產(chǎn)15 t左右的胭脂蟲紅色素，3.5 kg的干蟲可生產(chǎn)1 kg 52%的胭脂紅色素，這些色素依含量不同共分為25個(gè)品種，產(chǎn)品大部分銷往歐洲、美國及拉美國家。一些大企業(yè)采用正己烷-甲醇水溶液法進(jìn)行萃取，需要密閉性非常好的加工設(shè)備體系，以及完備的環(huán)保處理措施。

圖3 胭脂紅酸分子的烯醇式互變Fig.3 Molecular structures of the normal form (CAH) and three tautomers of carminic acid(CAH T1，CAH T2，CAH T3)

日本的三榮源食品有限公司采用的胭脂蟲紅色素提取方法是將胭脂蟲干粉浸泡在pH7.5的低碳醇溶劑中攪拌加熱或滲濾抽提[30]。

國內(nèi)對(duì)胭脂蟲紅色素提取工藝優(yōu)化的研究只是近些年的事情，對(duì)提取方法和提取工藝的研究還只是在探索階段[31-32]，主要是采用傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑浸提法。廣東藥學(xué)院的李浩明以市售干胭脂蟲通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)胭脂蟲紅酸的提取工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)與優(yōu)化，確定在75 ℃、以料液比1∶5(g/mL)的65%乙醇提取3次(每次1.5 h)的條件下，胭脂蟲紅酸的浸提率可達(dá)91.20%[33]。張建云等人研究了從胭脂蟲中提取胭脂紅酸的工藝，探討了浸提液pH值、乙醇濃度、浸提次數(shù)、浸提溫度、浸提時(shí)間、原料顆粒度、料液比等對(duì)胭脂紅酸得率的影響，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)胭脂紅酸的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定了適宜的提取工藝條件為：浸提液乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、浸提溫度80 ℃、浸提時(shí)間12 h、破碎粒度0.4 mm、料液比1∶5(g/mL)，浸提率為95.71%，提取率為35.80%[34]。而西北大學(xué)化工學(xué)院的崔易等人，采用響應(yīng)曲面法就胭脂蟲紅色素的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出胭脂蟲紅色素最佳工藝參數(shù)：溫度40℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)60%，提取3次，每次提取時(shí)間0.54 h，每次提取液，液料比為2∶1(mL/g)。在該條件下提取率30.62%，浸提率可達(dá)99.80%[35]。

蘇州大學(xué)的孫峰等人采用堿提酸沉法，把胭脂蟲粉末5 g置于50 mL水中，加入濃度為2.5 mol/L NaOH溶液1～3 mL，75 ℃提取10～20 min，在吸收波長540 nm處其光密度最大[36]。

為了減少溶劑的使用和化學(xué)物質(zhì)的添加，中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所采用了常規(guī)水浸提法提取胭脂蟲紅色素，通過單因素試驗(yàn)確定浸提溫度、時(shí)間和料液比的適用范圍，再利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行工藝優(yōu)化，得出水浸提提取胭脂蟲紅色素的最佳工藝條件。結(jié)果表明，水浸提法提取胭脂蟲紅色素的最佳提取工藝條件為提取溫度為80 ℃，提取時(shí)間為5 h，料液比為1∶4(g/mL)；合適的提取級(jí)數(shù)為6級(jí)，紅色素提取率為41.89%，其純度達(dá)32.15%[37]。在此基礎(chǔ)上，盧艷民等人使用微波輔助法提取胭脂蟲紅色素，取得了較好的效果，研究表明，微波功率為560 W、作用時(shí)間為40 s、料液比為1∶4(g/mL)、提取10次，紅色素提取率可達(dá)42.11%；這種方法不但安全無污染，而且大大縮短了胭脂蟲紅色素的提取時(shí)間，是一種良好的胭脂蟲紅色素輔助提取方法[38]。同時(shí)盧艷民等人還研究了超聲波強(qiáng)化提取胭脂蟲紅色素，通過單因素試驗(yàn)研究超聲波的功率，超聲波處理時(shí)間和脈沖時(shí)間，以及料液比，然后通過正交試驗(yàn)確定了最佳工藝參數(shù)：超聲波功率為1 400 W，超聲波處理時(shí)間為12 min，脈沖時(shí)間為(10 s，4 s)，料液比為1∶6(g/mL)，提取5次，紅色素得率可達(dá)42.08%[39]。以上3種方法胭脂蟲紅色素的提取率均在42%左右，純度在32%左右，綜合對(duì)比提取時(shí)間、提取級(jí)數(shù)和能耗，超聲波強(qiáng)化提取胭脂蟲紅色素方法有著更好的產(chǎn)業(yè)化前景[19]。

在胭脂紅蟲紅色素精制方法的研究方面，國外主要是日本的三榮源有限公司的專利“提純的胭脂蟲紅色料和生產(chǎn)它的方法”，使用的方法有：吸附處理、離子交換處理、酸處理、膜處理等，也包括對(duì)蛋白質(zhì)的水解和去除其中相對(duì)分子質(zhì)量大于6 000的成分[30]。

國內(nèi)就如何精制胭脂蟲紅色素及提高其穩(wěn)定性，目前也有初步探索，中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所的盧艷民等人，研究了胭脂蟲紅色素的超濾膜精制加工的工藝，通過比較不同載留率的超率膜過濾色素液時(shí)蛋白除去率和色素的損失率，結(jié)果表明，將胭脂蟲紅色素的提取液pH調(diào)至4，靜置了24 h后濾去沉淀，用5 ku的螺旋卷式再生纖維素超濾膜過濾精制，可除去大部分蟲體蛋白，提高胭脂蟲紅色素的純度，色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)54%[40]。

盧艷民等人還研究了使用硅膠-凝膠層析法精制胭脂蟲紅色素，該研究通過薄層層析試驗(yàn)確定洗脫劑為氯仿、甲醇和水，采用梯度洗脫，洗脫劑配比依次為氯仿：甲醇(4∶1→3∶2→2∶3→1∶4)→甲醇→甲醇∶水(9∶1→4∶1→7∶3→3∶2→1∶1)。研究發(fā)現(xiàn)：通過硅膠柱層析可以有效地去除色素中極性小的脂質(zhì)類物質(zhì)及極性很大的部分雜質(zhì)。硅膠柱層析的優(yōu)化層析條件為：硅膠含水量為10%～14%，洗脫劑體積流量為5 mL/min，負(fù)載量為9 g/kg硅膠。經(jīng)過硅膠層析精制后胭脂蟲紅色素的純度為54.37%，得率為75.61%。 經(jīng)過硅膠純化后的色素進(jìn)一步進(jìn)行凝膠過濾層析可以得到純度為85.76%的產(chǎn)品，其得率為69.53%[41]。

意大利米蘭大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院Pietro Allevi等人，通過一系列加成和取代，化學(xué)方法合成了胭脂紅酸[42]。

3 胭脂紅酸應(yīng)用方面的研究

Russo和Mazzeo對(duì)胭脂蟲紅色素作為染色劑在食品、化妝品、制藥業(yè)中的應(yīng)用有詳細(xì)的介紹[43]，也有胭脂蟲紅色素的光致突變性和光毒性的研究報(bào)道[44]。作為食用紅色素，中國有使用限量規(guī)定，在GB 2760—2007中標(biāo)明可用于食品著色，如乳制品、果醬、蜜餞、可可制品、焙烤和膨化食品、飲料和配制酒、可食用動(dòng)物腸衣等，最大使用量為0.025～0.5 g/kg；而在2005年聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織羅馬第二十八次會(huì)議及食品添加劑和污染物法規(guī)委員會(huì)海牙第三十七次會(huì)議通過的食品法典則規(guī)定：胭脂蟲紅酸可用于蔬菜、調(diào)料、面食和魚類制品、飲料和酒、口香糖等著色，最高使用限量為100～1 020 mg/kg。

蘭州大學(xué)王國華等人研究了使用胭脂紅酸熒光光度法測定微量鋁的方法，研究表明：在增敏劑正丙醇存在的條件下，pH為5左右，顯色時(shí)間為5 min左右，胭脂紅酸可作為顯色劑快速、準(zhǔn)確、靈敏的對(duì)微量鋁定量分析[45]。潘虹研究用胭脂紅酸分光光度法測定廢水中的硼，其檢測限為0.063 6 mg/L，所需儀器試劑普遍易得，操作簡便[46]。同樣該種方法也被應(yīng)用于測定廢水中的鉻、錳和鎳等元素[47-49]。國外有人利用胭脂紅酸作為顯色劑，用分光光度法測定硼[50-53]、鈹[54]、鋨[55]、鈾[56]、釷[56]。

云南大學(xué)的程偉賢等人以胭脂紅酸為底物，加入抗氧化物質(zhì)，通過測定胭脂紅酸吸光度變化值來檢測物質(zhì)的抗氧化活性，并由此來計(jì)算和判斷試樣的抗氧化劑活性的大小，試驗(yàn)證明了量效關(guān)系的正確性[57]。青島科技大學(xué)孫偉等人，利用胭脂紅酸加入人血清白蛋白(HSA)后，兩者之間發(fā)生結(jié)合反應(yīng)形成復(fù)合物，其還原峰電位不變，而還原峰電流明顯下降且峰電流的降低與蛋白質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)成正比的原理，建立了測定血清白蛋白的電化學(xué)分析新方法，應(yīng)用于人血清白蛋白的測定，其線性范圍好。結(jié)果與傳統(tǒng)的考馬斯亮藍(lán)光度法一致，方法簡便、準(zhǔn)確、靈敏，選擇性和重復(fù)性好[58]。近來也有人用胭脂紅酸作為紅色玻璃的配溶膠[59]。

伊朗大不里士大學(xué)化學(xué)院分析化學(xué)系的Jamshid L. Manzoori等人，利用鋨元素能夠催化過氧化氫氧化胭脂紅酸的原理，通過分光光度法測定胭脂紅酸在堿性介質(zhì)中被過氧化氫氧化而退色的程度，定量分析鋨元素的含量，該研究比較了不同的堿性介質(zhì)、不同的pH值、過氧化氫和胭脂紅酸的濃度、緩沖液濃度、溫度和離子強(qiáng)度，并做校準(zhǔn)曲線，最終確定了用胭脂紅酸定量分析鋨的最佳條件：胭脂紅酸濃度為1×10-4mol/L ，過氧化氫為0.013 mol/L，pH=10，溫度為25 ℃；最低檢出限為0.02 ng/mL[55]。

波蘭的Sylwia Gaweda等研究發(fā)現(xiàn)，由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，胭脂紅酸分子可以和二氧化鈦相互作用，形成一種新型的納米感光材料，這種新型的納米感光材料中，胭脂紅酸分子的蒽醌環(huán)起了電子緩沖的作用，在必要的時(shí)刻提供或接受電子，從而使這種新型納米材料能在可見光區(qū)300～650 nm完成光電流轉(zhuǎn)換，而不像普通二氧化鈦感光材料僅僅對(duì)紫外區(qū)的光波可以進(jìn)行光電流轉(zhuǎn)換。與普通的二氧化鈦感光材料相比，胭脂紅酸-二氧化鈦納米感光材料的能級(jí)差較小，光譜吸收范圍廣，因此，光電流轉(zhuǎn)換效率更高，能夠大大提高光能的利用率，是一種具有廣闊利用前景的新型光電流轉(zhuǎn)換材料[60]。

Evangelina A. Gonzálezt等人，研究了胭脂蟲的提取物，主要是胭脂蟲紅色素的清除自由基能力和抗氧化活性，通過研究胭脂蟲紅色素對(duì)DPPH5和ABTS+5的清除能力，以及對(duì)β-胡蘿卜素亞油酸氧化酶的抑制作用。結(jié)果表明：胭脂蟲紅色素在水和甲醇介質(zhì)中，有相當(dāng)強(qiáng)烈的清除自由基的能力，其活性和熟知的櫟精及維生素C相當(dāng)；另外，胭脂蟲紅色素還在β-胡蘿卜素與亞油酸耦合氧化中，可以保護(hù)β-胡蘿卜素，而在這個(gè)過程中，胭脂蟲紅色素的主要作用是抑制氧化酶。因此該研究認(rèn)為胭脂蟲紅色素可以作為一種功能性染色劑，作為食品添加劑在一定濃度下可以保護(hù)食品的某些成分不被氧化[61]。

4 發(fā)展趨勢

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們對(duì)食品健康的關(guān)注程度增加，人類社會(huì)對(duì)天然色素的需求量將會(huì)越來越大，胭脂蟲紅色素作為一種健康的天然色素，其需求量也將隨之增加。據(jù)估計(jì)，市場需求量將會(huì)以每年3%～5%的速度增加，歐洲各國正對(duì)食品工業(yè)中的色素和其他添加劑制定規(guī)范條例，合成色素有可能在大范圍內(nèi)被禁止使用[62]，因此，胭脂蟲紅色素將有很廣闊的發(fā)展前景。上世紀(jì)末代我國大量引種印榕仙人掌，隨之引入了胭脂蟲，雖然廣大科技工作者付出了艱辛的努力，但我國胭脂蟲紅色素產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)未成熟，每年仍需大量進(jìn)口胭脂蟲紅色素用于食品、醫(yī)藥品及化妝品的加工。我國有廣大的亞熱帶半干旱地區(qū)，分布著大面積的干熱河谷，如金沙江、紅河、瀾滄江等流域的許多地區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，不適于發(fā)展農(nóng)業(yè)，但卻適于胭脂蟲的寄主-仙人掌生長[63]。在這些地方推廣種植印榕仙人掌并飼養(yǎng)胭脂蟲，不但可以綠化荒山，改善生態(tài)環(huán)境，而且能增加農(nóng)民收入，還可解決農(nóng)村大量閑散勞動(dòng)力問題。

目前國內(nèi)胭脂蟲紅色素開發(fā)和應(yīng)用的研究，主要集中在胭脂蟲的生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特性、人工規(guī)?；别B(yǎng)技術(shù)，胭脂蟲紅色素的提取以及胭脂蟲紅色素在檢測指示劑方面的應(yīng)用領(lǐng)域，而在胭脂蟲紅色素的精制純化、拓展適用途徑以及提高其商品價(jià)值等方面，研究較少。為了更加安全地使用胭脂蟲紅色素，需從胭脂蟲雌成蟲干體中分離提取高純度的色素。胭脂蟲紅色素中的主要非色素組分為蟲體蛋白，蟲體蛋白不僅影響色素品質(zhì)(如使色素產(chǎn)品產(chǎn)生沉淀、出現(xiàn)異味)，而且有可能影響人體健康，近年相繼發(fā)現(xiàn)殘留在色素產(chǎn)品中的蟲體蛋白可能成為人體致敏原，使人體過敏，導(dǎo)致過敏性哮喘等疾病[64-67]。國內(nèi)已經(jīng)有人對(duì)使用酶水解分離胭脂蟲紅色素中的蟲體蛋白做過探索[68]，使用微生物消耗蟲體蛋白，然后用超濾法除去微生物，無疑將揭開生物方法除色素蛋白的新篇章。而光致敏材料的研發(fā)，無疑將極大地?cái)U(kuò)展胭脂蟲紅色素的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)的進(jìn)步使得天然色素的廣泛使用成為可能。第一個(gè)在商業(yè)上使用的天然色素只是簡單的植物提取物，隨著技術(shù)水平的提高，人們便可以生產(chǎn)出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的具有更長貨架期的高質(zhì)量產(chǎn)品，預(yù)計(jì)在未來，天然色素的需求趨勢將會(huì)進(jìn)一步升高，越來越多的食品和輕工紡織企業(yè)將會(huì)使用天然色素來代替合成色素，從而促進(jìn)更多的消費(fèi)者追求天然和健康的生活方式。具有高質(zhì)量和長貨架期的天然色素的使用量將會(huì)進(jìn)一步增加，從而全面取代合成色素。作為天然色素中的優(yōu)良品種-胭脂蟲紅色素一定會(huì)得到發(fā)展，而我國的胭脂蟲產(chǎn)業(yè)將在機(jī)遇期中成長、壯大。

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