堅(jiān)果果殼色素的研究進(jìn)展1）

李德海，劉銀萍，王蕾，史錦碩，賈慶偉

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱150040）

近年來，食用合成色素在食品工業(yè)中超量和違規(guī)使用，對消費(fèi)者身體健康帶來嚴(yán)重傷害，而天然色素具有安全性高、來源豐富和營養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)，某些色素還具有藥理保健功能［1－2］，因此利用天然資源開發(fā)天然食用色素成為研究學(xué)者的開發(fā)重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本的天然食用色素年用量已超過18 000t，為合成食用色素用量10倍以上。美國天然食用色素近幾年銷售額年增長率均高于10%。在天然食用色素的研究開發(fā)中，日本在世界上處于領(lǐng)先地位，列入使用目錄的天然食用色素已超過60種［3］。

堅(jiān)果果殼色素屬于天然色素中的植物色素類，主要以堅(jiān)果果殼為原料進(jìn)行提取加工得到的。堅(jiān)果果殼是一類常見的堅(jiān)果副產(chǎn)物，因其堅(jiān)硬而不被利用，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。研究表明，許多堅(jiān)果果殼是色素的良好來源，通常堅(jiān)果果殼色素呈棕褐色，使用性能穩(wěn)定，而且具有抗氧化和抑菌性能，已經(jīng)成為天然色素行業(yè)發(fā)展的新趨勢［4］。目前，關(guān)于堅(jiān)果果殼色素的研究很多，但是系統(tǒng)性不強(qiáng)，為讓研究者能夠詳細(xì)了解堅(jiān)果果殼色素的發(fā)展動態(tài)，本文對堅(jiān)果果殼殼色素的提取、分離純化、理化性質(zhì)以及功能性進(jìn)行了詳細(xì)綜述，為堅(jiān)果果殼色素的開發(fā)與利用奠定基礎(chǔ)。

1 堅(jiān)果果殼色素的概述

堅(jiān)果又稱殼果，食用部分多為堅(jiān)硬果殼內(nèi)的種仁或者胚乳，營養(yǎng)價(jià)值很高。蛋白質(zhì)含量為4.89%～63.0%；脂肪含量為1.3%～58.8%；碳水化合物含量為7.99%～72.69%等。還含有多種大量的膳食纖維、必需氨基酸和不飽和脂肪酸，具有很強(qiáng)的保健作用，如清除脂質(zhì)過氧游離基、降血脂、降低心臟性猝死率和抗心血管病等［5－6］。目前，堅(jiān)果殼色素的研究開發(fā)并不是很廣泛，現(xiàn)以殼色素的分離純化，穩(wěn)定性，功能及提取工藝的優(yōu)化及精制等為研究重點(diǎn)。

2 堅(jiān)果果殼色素的理化性質(zhì)

大多堅(jiān)果果殼色素對光、熱、食品添加劑等較穩(wěn)定，對處理時(shí)間、pH、氧化劑、金屬離子等因果殼的不同而存在差別。研究表明，板栗殼色素在510nm處有最大吸光值，但其吸光值受pH值影響，當(dāng)pH在2.0～6.0時(shí)，吸光值呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)pH在8.0～14.0時(shí)，吸光值變化不大［7］。張志建等［8］詳細(xì)研究了橡子殼色素在不同環(huán)境條件下吸光度的變化情況及色素顏色的變化情況，研究結(jié)果表明，橡子殼色素是一種由多種成分組成的紅褐色粉末，可溶于極性溶劑（如水、酒精），不溶于非極性溶劑，在酸性（pH≤4）條件下顯黃色，在堿性（pH≥8）條件下顯紅棕色，對光、熱、氧化劑（過氧化氫）、還原劑（亞硫酸鈉）及山梨酸鉀均具有良好的穩(wěn)定性，但對檸檬酸、抗壞血酸（VC）、苯甲酸的穩(wěn)定性相對較差。楊林嫻等［9］從黑葵花籽殼色素的穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，pH值、氧化劑、還原劑對該色素影響較大，如在酸性溶液中穩(wěn)定，在堿性溶液中不穩(wěn)定，并且隨pH值的增加，顏色由紅色向藍(lán)色轉(zhuǎn)移，而溫度、日光、食品添加劑對該色素影響均不明顯。邱賀媛等［10］研究油茶果殼色素的理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)油茶果殼色素對熱、氧化劑和還原劑穩(wěn)定性較好，常用食品添加劑對色素的色澤無不良影響，K＋、Ca2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ba2＋、Mg2＋對色素?zé)o不良影響而，F(xiàn)e3＋對色素有減色作用，在pH2～7條件下該色素顏色均較穩(wěn)定，堿對色素有增色作用。

從研究資料可以看出，堅(jiān)果果殼色素的理化性質(zhì)受到很多因素的影響，但從某些角度來看，不同來源的堅(jiān)果果殼色素之間存在一定的共性，針對色素的發(fā)展來說，研究堅(jiān)果果殼色素理化性質(zhì)顯得很重要。

3 堅(jiān)果果殼色素的功能性質(zhì)

研究表明，堅(jiān)果果殼色素具有抗氧化性和抑菌性等生物活性，如板栗殼色素，榛子殼色素，核桃殼色素等具有較強(qiáng)的抗氧化活性。有資料研究測定了9種堅(jiān)果果殼色素的抗氧化活性，結(jié)果表明，葵花子＞核桃＞花生＞白果＞栗子＞蓮子＞榛子＞松子＞南瓜子，最強(qiáng)與最弱相差681.4倍［11］。李云雁等研究了板栗殼色素［12］在豬油中的抗氧化性能，對其有效的抗氧化成分進(jìn)行了初步鑒定，并分析了抗氧化機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，板栗殼色素屬于黃酮類色素，具有較好的抗氧化性，優(yōu)于BHT、Ve，同時(shí)其抗氧化作用有很好的光穩(wěn)定性。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，板栗殼色素對幾種常見細(xì)菌、酵母菌和霉菌的抑制作用［13］，一定濃度的色素溶液對供試菌種都有較明顯的抑制作用，如板栗殼色素對枯草芽胞桿菌、大腸桿菌、黑曲霉和青霉具有抑制作用，對蘋果汁有一定的防腐效果［14］，熱處理對色素的抑菌效果無影響。李軍紅等［15］采用濾紙片法探討了花生、板栗和葵花子殼乙醇提取物對六種食品中常見污染菌的抑菌性，不同pH下抑菌活性的變化、防腐作用等進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：3種提取物對6種試驗(yàn)菌均有很強(qiáng)的抑制作用，它們的抑菌性受pH影響很大，且抑菌性有很好的熱穩(wěn)定性。防腐實(shí)驗(yàn)研究表明，在48h內(nèi)它們對3種試驗(yàn)食品的抑菌率大都在80%以上，最高達(dá)94.20%。

4 堅(jiān)果果殼色素的提取

目前，堅(jiān)果果殼色素的提取方法常見的有溶劑提取法和物理輔助溶劑提取法，物理輔助溶劑提取法有超聲波輔助提取法、超臨界提取法、微波萃輔助取法等方法。

4.1 溶劑提取法

溶劑提取法是目前從堅(jiān)果果殼中提取色素的一種普遍常用的方法，常用的溶劑有水、酸堿溶液、乙醇、丙酮、甲醇、乙酸乙酯等。在提取過程中，浸提溫度、浸提時(shí)間、料液比、溶劑pH等因素影響堅(jiān)果果殼色素提取效果。張志健等［16］的研究表明，提取橡子殼色素的適宜條件是：提取劑為40%乙醇，料液比為1∶50（g／mL），溫度為70℃，時(shí)間為5h；橡子殼棕色素的最大吸收波長是329nm，用非極性溶劑（如石油醚）處理橡子殼粗粉可提高色素提取效果。王振宇等［17］以紅松松籽殼為原料，采用響應(yīng)面法對水溶液提取松籽殼色素的條件進(jìn)行優(yōu)化并建立回歸模型，得到最佳提取條件為：提取時(shí)間5.06h，溫度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH＝12。周萍等人［18］研究核桃殼棕色素，并指明他的最佳提取條件為：在75℃時(shí)，用1%NaOH提取3次，每次浸提時(shí)間為2h。在此條件下，色素的提取率較高，達(dá)31%。還有吳雪輝等［19］通過試驗(yàn)確定了從板栗殼中提取天然食用色素的較佳工藝條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)30%、提取溫度90℃、提取時(shí)間3h、料液比1∶30、提取次數(shù)3次，為板栗殼食用色素的進(jìn)一步開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)，也為板栗加工副產(chǎn)物的綜合利用提供了一條新途徑。傅偉等［20］利用響應(yīng)面法優(yōu)化了化學(xué)預(yù)處理法提取榛殼棕色素的條件，研究了預(yù)處理的化學(xué)試劑、濃度、溫度、時(shí)間、料液比5個(gè)單因素對預(yù)處理的影響，并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化結(jié)果表明，化學(xué)試劑預(yù)處理的最佳工藝條件為：化學(xué)試劑NaCl，濃度0.85%，溫度34.2℃，時(shí)間0.98h和料液比1∶3.2。在此條件下預(yù)處理榛殼，可使棕色素提取效率提高54.3%，得率達(dá)到6.1%。由此看來不同的殼色素因其成分不同，所選溶劑與各類條件均有不同，最佳工藝條件也有一定的差別。

溶劑提取法工藝簡單，設(shè)備投資少，操作較方便，便于生產(chǎn)，但此法浸提時(shí)間較長，勞動強(qiáng)度大，原料預(yù)處理時(shí)能耗大，色素溶解性較差。而且色澤變化較大，提取過程所需溶劑量較大，回收困難，不利于環(huán)保，因此影響了產(chǎn)品的開發(fā)和使用范圍。

4.2 超聲波輔助提取法

物理輔助提取法的基本原理是利用超聲波的空化作用加速堅(jiān)果果殼色素的溶出，另外超聲波的次級效應(yīng)，如機(jī)械振動乳化、擴(kuò)散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等也能加速欲堅(jiān)果果殼色素的擴(kuò)散釋放，使其充分與溶劑混合，有利于提取，且方法簡單、操作時(shí)間短、萃取率高。趙云等［21］采用響應(yīng)曲面法，對超聲波提取板栗殼色素進(jìn)行了工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了超聲波提取板栗殼色素的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，探討了主要因素的影響效應(yīng)及其交互作用，確定了提取的最佳工藝條件：溫度54℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)39%，料液比1∶34。而劉平，李云雁等［22］就板栗殼色素超聲波提取工藝中的提取劑、提取時(shí)間、提取溫度、超聲波功率、固液比和提取次數(shù)對色素提取率的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過正交試驗(yàn)得出最佳工藝條件為：提取溫度70℃，提取時(shí)間90min，固液比（g／mL）1∶15，超聲波功率500W，提取2次。其中提取時(shí)間和提取溫度對色素提取率有顯著性影響，板栗殼色素的提取率可達(dá)11.64%。用95%乙醇分別進(jìn)行索氏提取、熱過濾抽提、超聲波輔助提取等5種萃取時(shí)，超聲波輔助提取的得率較高?？梢娕c傳統(tǒng)方法相比較，超聲波提取技術(shù)既保證了提取效率，又縮短了提取時(shí)間，從節(jié)約能源和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度來看，是一種比較理想的方法，但超聲波法依然存在著溶劑殘留問題。

4.3 微波輔助提取法

微波輔助提取法是將微波與傳統(tǒng)的溶劑萃取法結(jié)合起來而形成的新型萃取技術(shù)，其基本原理是：在微波場中利用吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體和體系中分離。微波輔助萃取技術(shù)在堅(jiān)果果殼色素的提取上取得了較好的效果，邱賀媛等［23］以油茶果殼為原料，利用微波輻照提取棕色素，通過L9（34）正交試驗(yàn)確定油茶果殼棕色素的最佳提取工藝條件。結(jié)果表明，色素最佳提取工藝條件為微波輻照時(shí)間240s、微波功率320W、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、料液比1∶10（g／mL），該條件下得率為5.92%；林棋等［24］對福建產(chǎn)花生殼進(jìn)行了微波萃取天然黃色素及其穩(wěn)定性的研究。研究表明微波萃取的工藝條件是：以pH＝3，體積分?jǐn)?shù)70%的乙醇水溶液作提取劑，原料與提取劑配比為1g∶5mL，微波輻射功率為120W，輻射時(shí)間240s。吳春華等人采取了微波輔照提取板粟色素，通過對色素的定性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，表明該板栗殼色素屬于黃酮類色素，其對光照、溫度、還原劑、氧化劑、pH值有良好的穩(wěn)定性［25］?？梢钥闯?，微波輔助提取法與傳統(tǒng)加熱法相比，具有選擇性高、萃取時(shí)間短、溫度低、溶劑消耗量少、色素成分萃取率高、不產(chǎn)生噪音、操作成本低、減少原料預(yù)處理并對環(huán)境友好、適合于熱不穩(wěn)定物質(zhì)等特點(diǎn)，但存在溶劑殘留的問題，由于它的特性所限，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制，現(xiàn)在只停留在實(shí)驗(yàn)小試的水平，距工業(yè)化應(yīng)用還有許多工作要做［26］。

4.4 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取是食品工業(yè)新興的一項(xiàng)提取和分離技術(shù)，是利用液體在超臨界區(qū)域兼有氣液兩性（既具有氣體的高滲透能力和低黏度又具有液體的高密度和對物質(zhì)良好的溶解力）的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了溶質(zhì)溶解和分離。該項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是兼有傳統(tǒng)溶劑提取法和蒸餾法的雙重功能，尤其是對熱敏物質(zhì)和不揮發(fā)性物質(zhì)的分離效果更佳。鄭劍研究超臨界流體技術(shù)提取板栗殼色素，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定出最佳工藝參數(shù)：壓力為20MPa，溫度為25℃，時(shí)間為3h［27］。結(jié)果表明，超臨界提取法與常規(guī)法相比較，具有提取時(shí)間短、色素提取率較高、色素天然活性損失小等優(yōu)點(diǎn)，可以提高生產(chǎn)效率。目前使用最普遍的流體溶劑是二氧化碳。超臨界二氧化碳萃取色素穩(wěn)定性強(qiáng)、保持生物活性、不易受熱分解、無污染、無殘留、符合環(huán)保要求，色味純正、產(chǎn)品品質(zhì)高及提取率高，是一種從天然物質(zhì)中提取、制備和分析樣品的優(yōu)良方法，但超臨界萃取設(shè)備一次性投資大，工業(yè)化較復(fù)雜，因而影響了這種方法的應(yīng)用推廣。而用二氧化碳超臨界——超聲波聯(lián)用技術(shù)是一項(xiàng)新穎的萃取技術(shù)，特別適于萃取揮發(fā)性、熱敏性或脂溶性色素［28］。此法與溶劑法相比，無化學(xué)溶劑的消耗、殘留和污染，并可避免萃取物在高溫下分解，保護(hù)物質(zhì)的生理活性，保持萃取物的天然風(fēng)味［29］。

5 堅(jiān)果果殼色素的分離純化

天然色素的分離純化方法很多，包括重結(jié)晶法、化學(xué)沉淀法、膜過濾、反滲透及色譜法等。重結(jié)晶法和醇沉法色素沉淀不徹底、效率低、且醇沉法較浪費(fèi)試劑、效率較高；酸沉法色素沉淀徹底、效率高。相比較之下，重結(jié)晶法和醇沉法獲得純化色素的層析效果比酸沉法要好［30］。因此，實(shí)際應(yīng)用中可以先用酸沉法，起到濃縮色素的目的，當(dāng)色素濃度較高則選用醇沉法，最后選用重結(jié)晶法。

隨著科技的發(fā)展，膜分離技術(shù)在制備天然有效成分方面取得成功的應(yīng)用。膜分離工藝都是純物理的分離，即被分離的組分既不會有熱學(xué)性的變化，也不會有化學(xué)性和生物性的變化；并且它具有能耗低、化學(xué)品消耗少、操作方便、不易產(chǎn)生二次污染、可避免組分受熱變質(zhì)和混入雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，濃縮產(chǎn)品時(shí)不需加熱，而且不需要蒸發(fā)器或冷凍設(shè)備，投資成本低，可以節(jié)約能源和經(jīng)費(fèi)等［31－32］。由于分離過程中不需要受熱。容易保持分離物質(zhì)的某些功效和風(fēng)味。因此，膜分離技術(shù)在純化色素方面有很大的發(fā)展前景。膜過濾或超濾工藝可選用適當(dāng)孔徑的超濾膜，使水分子甚至小分子雜質(zhì)通過超濾膜，而使溶劑中有效成分被分離，從而使色素達(dá)到某種程度的純化和高倍數(shù)濃縮［33］。

大孔樹脂吸附法以其有機(jī)溶劑用量少、耗能少、吸附量大、吸附速度快、易于解吸附、可重復(fù)使用等特性，在色素精制中的應(yīng)用越來越廣泛。研究表明，在有機(jī)合成和植物化學(xué)的常規(guī)分離中，至少80%以上的色譜制備性分離工作都是在硅膠柱上進(jìn)行的。李永祥等在應(yīng)用硅膠柱層析對板栗殼色素化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的初步研究表明。硅膠柱層析是純化色素的一種簡單有效且經(jīng)典的方法［34－35］。

6 堅(jiān)果果殼色素的應(yīng)用與展望

我國天然食用色素的研究起步較晚，尚處于天然色素與合成色素并存的現(xiàn)狀［36］。但我國有豐富的植物資源，開發(fā)和利用植物天然色素，具有廣闊的發(fā)展前景。而堅(jiān)果殼色素作為天然色素之一，已經(jīng)被大量開發(fā)和應(yīng)用，如從向日葵籽殼中提取的食用色素有著與其它植物色素不同的特色，其液體在酸性條件下為玫瑰紅色，堿性條件下為綠色，若將該色素置于陰暗處，即使放置一年，其顏色也無明顯變化?？捎糜诶滹?、冰棒、冰淇淋、果酒等食品的著色。絕大多數(shù)的堅(jiān)果果殼色素具有水溶性好、對光熱穩(wěn)定、耐糖耐鹽、安全無毒的特性，可用作天然抗氧化劑。目前，我國開發(fā)的堅(jiān)果果殼色素已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，主要有膏狀和粉狀兩種產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛用于食品加工、醫(yī)藥保健品、化妝品行業(yè)。

隨著食品與醫(yī)藥等輕工業(yè)的發(fā)展和人們對合成色素危害性及天然色素健康性認(rèn)識的增加，天然色素的市場需求量大幅度增加。堅(jiān)果殼色素原料成本低，對這類資源的不斷開發(fā)有利于山區(qū)農(nóng)民脫貧致富，能使殼類這一副產(chǎn)品得到合理的利用，實(shí)現(xiàn)了資源合理開發(fā)，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值。并且有些堅(jiān)果殼色素還具有抗氧化惑抑菌的功能，而功能性色素的開發(fā)在當(dāng)代社會更是存在著很大的市場潛力，可涉及到各個(gè)領(lǐng)域。

目前對堅(jiān)果殼色素的開發(fā)利用還不是很充分，為此，應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，把握好方向，立足于國內(nèi)市場，積極開拓國際市場，大力開發(fā)天然、營養(yǎng)、多功能的堅(jiān)果殼色素，研發(fā)出高效經(jīng)濟(jì)的提取分離技術(shù)，針對某些殼色素的缺陷深入研究，找出更好的解決方法，使其得到更廣泛的利用，從而提升了產(chǎn)品的市場競爭力。相信在不久的將來，天然色素在食品、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用，必定有著比合成色素更廣闊的發(fā)展前景。

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