“食品色彩化學(xué)”的建立及其學(xué)科框架構(gòu)建

馬海樂(lè) 段玉清 何榮海 曲文娟 王 蓓 張 迪 郭志明

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江212013）

1 “食品色彩化學(xué)”建立的意義

色、香、味、形是人們通過(guò)感官評(píng)價(jià)食品的四大要素。一個(gè)色彩鮮艷、香氣迷人、味道濃郁、造型巧妙的食品一定會(huì)誘發(fā)胃液分泌，增加人的食欲，提高飲食的愉悅感。 在廚房食品的烹飪和工業(yè)食品的制造中，改善食品的色、香、味、形，成為食品設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的目標(biāo)。其實(shí)不僅如此，食品的色、香、味、形還與食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、保健活性有密切的關(guān)系[1]。這種關(guān)系的研究對(duì)于高品質(zhì)食品的開(kāi)發(fā)有重要的意義， 近年來(lái)正在成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。

多年來(lái)，“食品風(fēng)味化學(xué)” 作為一門(mén)食品科學(xué)的一個(gè)重要分支， 已經(jīng)形成了完整的學(xué)科體系[2]。我國(guó)絕大部分食品專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè) “食品風(fēng)味化學(xué)”課程，如北京工商大學(xué)還專(zhuān)門(mén)建設(shè)了“北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。大量的科學(xué)研究從呈味物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)認(rèn)知食品味道的合成機(jī)制， 從味蕾的細(xì)胞構(gòu)成揭示人體味覺(jué)的感知機(jī)制， 深入挖掘成味物質(zhì)對(duì)人體健康的影響， 這些研究成果對(duì)食品的風(fēng)味設(shè)計(jì)發(fā)揮了重要的作用。在“色、香、味、形”感官品質(zhì)4 要素中色彩排在首位， 因?yàn)橐曈X(jué)是人們最為快速和直接感知食物信息的器官， 影響著人們對(duì)食品品質(zhì)優(yōu)劣、新鮮與否的判斷。雖然目前“食品色彩化學(xué)”還沒(méi)有作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科被系統(tǒng)的研究， 但是近些年相關(guān)的零散的研究工作越來(lái)越多（圖1 和圖2），內(nèi)容涉及到農(nóng)業(yè)科學(xué)、食品科學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科?？萍冀缗c產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越認(rèn)為，深入探討食品色彩形成的原因，建立相應(yīng)的控制方法， 挖掘食品色彩與其營(yíng)養(yǎng)和生物活性之間的關(guān)系， 開(kāi)發(fā)色彩的快速感知技術(shù)等工作對(duì)于食品的色彩科學(xué)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)利用必不可少。建立“食品色彩化學(xué)”學(xué)科，系統(tǒng)而深入地研究食品的色彩問(wèn)題非常迫切。早在2002年英國(guó)雷丁大學(xué)D. Mac Dougall 就主編了一本 《Colour in Food》[3]， 從顏色的感知與測(cè)量和食品中色彩的控制兩個(gè)大的方面論述了食品中的色彩問(wèn)題， 說(shuō)明國(guó)際上已經(jīng)有學(xué)者關(guān)注與之相關(guān)的研究體系的探討。

從圖1 和圖2 可以看出， 關(guān)于食品色彩研究的英文文獻(xiàn)數(shù)2003年之后呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)、中文論文數(shù)1997年之后呈現(xiàn)出迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明我國(guó)對(duì)食品色彩研究在國(guó)際上起步較早。 從圖3 可以看出，國(guó)際上研究最多的食品色彩是紅色、綠色，其次是黑色、橙色、黃色；從圖4 可以看出，我國(guó)研究最多的食品色彩是紅色、黃色、黑色，其次是紫色、綠色、藍(lán)色。 對(duì)顏色的關(guān)注度除了營(yíng)養(yǎng)科學(xué)之外， 與一個(gè)國(guó)家的飲食文化有著不可分割的關(guān)系。

圖1 發(fā)表的涉及食品色彩研究的英文文獻(xiàn)數(shù)量（檢索自www.sciencedirect.com）Fig.1 Number of English Literatures on Food Color Research （from www.sciencedirect.com）

圖2 發(fā)表的涉及食品色彩研究的中文文獻(xiàn)數(shù)量（檢索自epub.cnki.net）Fig.2 Number of Chinese Papers on Food Color Research （from epub.cnki.net）

圖3 食品色彩研究中涉及不同色彩的英文文獻(xiàn)數(shù)量的排序（1994-2017）Fig.3 Ranking of English Literatures with Different Colors in Food Color Research（1994-2017）

圖4 食品色彩研究中涉及不同色彩的中文論文數(shù)量的排序（1980-2017）Fig.4 Ranking of Chinese Papers with Different Colors in Food Color Research （1980-2017）

2 “食品色彩化學(xué)”學(xué)科框架的構(gòu)建

“食品色彩化學(xué)”可被定義為研究食品呈色物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、自然合成機(jī)制、人工調(diào)控技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)功能特性、檢測(cè)評(píng)價(jià)方法的一門(mén)科學(xué)，主要研究?jī)?nèi)容包括：食品原料色彩的自然形成、食品色彩的分子特征與營(yíng)養(yǎng)功能、 食品加工中色彩的保護(hù)與形成、食用天然色素的提取、天然色素修飾改性與食用色素人工合成、 食品色彩的檢測(cè)評(píng)價(jià)等6 個(gè)部分（圖5）。

圖5 “食品色彩化學(xué)”研究?jī)?nèi)容的設(shè)置Fig.5 Setting of research contents of food color chemistry

植物、動(dòng)物、微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)自然地合成出豐富的色彩，與其物種、基因、生長(zhǎng)環(huán)境、氣候條件等有密切的關(guān)系， 因此色彩的自然形成是研究食品色彩的基礎(chǔ)。 食品加工中色彩的保護(hù)與形成、天然色素的提取、食用色素人工合成與天然色素修飾改性三部分研究?jī)?nèi)容主要是為了滿(mǎn)足食品開(kāi)發(fā)中人們對(duì)視覺(jué)感官的需求， 一直以來(lái)是技術(shù)人員開(kāi)發(fā)產(chǎn)品關(guān)注的重點(diǎn)， 合成與修飾部分也是食品添加劑的主要研究?jī)?nèi)容。 近些年來(lái)隨著人們健康意識(shí)的加強(qiáng)， 食品色彩的分子特征與營(yíng)養(yǎng)功能的研究愈來(lái)愈多， 其研究成果能夠從分子層面揭示色素物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值， 因此食品色彩化學(xué)研究的另一價(jià)值就是在理論上支撐色素功能食品的開(kāi)發(fā)研究。 食品色彩的檢測(cè)評(píng)價(jià)主要應(yīng)用于食品生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)食品品質(zhì)的調(diào)控， 以及對(duì)成品的品質(zhì)評(píng)價(jià)，分為化學(xué)分析和色度檢測(cè)。當(dāng)然食品色素的安全性也非常重要[4]，國(guó)際上也出現(xiàn)過(guò)多起類(lèi)似于蘇丹紅的重大食品安全事件。

“食品色彩化學(xué)”的基礎(chǔ)課程包括有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等；在食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)經(jīng)典的專(zhuān)業(yè)課程中， 與其相關(guān)的主要包括食品工藝學(xué)、 食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)、 食品添加劑、儀器分析等。

3 “食品色彩化學(xué)”研究?jī)?nèi)容的設(shè)置

近年來(lái)， 科技界與產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多地研究表明，深入探討食品色彩形成的原因、建立相應(yīng)的調(diào)控方法， 挖掘食品色彩與其營(yíng)養(yǎng)和生物活性之間的關(guān)系， 開(kāi)發(fā)色彩的快速感知技術(shù)等涉及到食品呈色物質(zhì)化學(xué)基礎(chǔ)的一些關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)于食品的色彩設(shè)計(jì)有著重要的影響。因此，“食品色彩化學(xué)”的主要研究?jī)?nèi)容應(yīng)當(dāng)包括：

1）食品原料色彩的自然形成 食品色彩按照顏色分為黑、紅、黃、藍(lán)、綠、白等，按照合成方式分為天然色素和合成色素兩類(lèi)， 天然色素的來(lái)源包括植物、動(dòng)物和微生物，按照化學(xué)結(jié)構(gòu)又分為吡咯色素、多烯色素、酚類(lèi)色素、醌類(lèi)色素等。天然色素是在植物、動(dòng)物、微生物的生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)光合作用、生物代謝等途徑合成而成，因其生長(zhǎng)的物種不同、化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其合成途徑有著顯著的差異[5-10]。 從食品色彩化學(xué)的角度重新研究不同呈色物質(zhì)在自然生長(zhǎng)中合成途徑， 對(duì)于后續(xù)進(jìn)行食品加工中色彩的控制、評(píng)價(jià)與檢測(cè)有重要的作用。

2）食品色彩的分子特征與營(yíng)養(yǎng)功能 近年大量的研究發(fā)現(xiàn)， 食品因?yàn)轭伾牟煌憩F(xiàn)出不同的營(yíng)養(yǎng)和活性功能[11]，例如黃色、橙色、紅色的蔬菜和水果大多含有多烯結(jié)構(gòu)，具有抗氧化、延緩衰老、解毒、抗癌、預(yù)防心血管疾病和保護(hù)肝臟等的營(yíng)養(yǎng)功能[12]；紫色、黑色、紅色的漿果、谷物和堅(jiān)果類(lèi)食品都含有花色素/花色苷結(jié)構(gòu)，具有顯著的抗氧化性、延緩衰老、改善記憶、抗炎性、抗腫瘤等的營(yíng)養(yǎng)功能[13-14]；一些姜黃色的食品擁有酮類(lèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)，具有抗氧化、抗腫瘤、抗HIV 病毒等功效[15]；白色食品可以補(bǔ)充人體的膳食纖維的不足[16]。 不同色彩食品的營(yíng)養(yǎng)功能依賴(lài)于其分子結(jié)構(gòu)的不同[17]。 因此，探討食品色彩的分子特征與營(yíng)養(yǎng)功能之間的關(guān)系， 對(duì)于發(fā)揮食品色彩分子的保健作用有重要的價(jià)值。

3）食品加工中色彩的保護(hù)與形成 天然色素在POP 等酶的作用下非常容易分解，其穩(wěn)定性成為了食品保持原有色彩的難題， 因此在食品加工工藝方法設(shè)計(jì)時(shí)， 根據(jù)不同色素的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及其所在食品體系的特征，通過(guò)滅酶、色素分子結(jié)構(gòu)改造、分子包埋等方法進(jìn)行色素保護(hù)，是食品加工的一個(gè)重要內(nèi)容[18-21]。 另外，有些食品通過(guò)加工工藝的巧妙設(shè)計(jì)，形成豐富色彩，例如食品焙烤通過(guò)美拉德反應(yīng)形成橙黃色、 大米炒制通過(guò)焦糖化反應(yīng)形成黑紅色、 大蒜自然發(fā)酵通過(guò)生物轉(zhuǎn)化形成黑色素[22-25]。 因此，創(chuàng)建食品加工中色彩分子的化學(xué)保護(hù)和物理保護(hù)技術(shù)， 探討食品加工中色彩形成方法， 對(duì)于制造一個(gè)色彩豐富的食品有重要的價(jià)值。

4）食用天然色素的提取 對(duì)天然產(chǎn)物中具有食用安全性的色素進(jìn)行提取并作為食品添加劑， 一方面利用其色彩可以增加不同顏色食品的開(kāi)發(fā)， 另一方面利用其保健功能可以進(jìn)行健康食品的開(kāi)發(fā)， 因此對(duì)于新型食品的開(kāi)發(fā)具有重要的意義[26]。 按照色素分子的極性不同，建立不同的提取方法。對(duì)于大分子極性色素，傳統(tǒng)的方法是采取不同極性的溶劑進(jìn)行提取。 為了減少溶劑的使用量或者取代溶劑的使用、提高提取效率、增加提取得率、保護(hù)色素原有的分子結(jié)構(gòu)，目前成功的方法就是采取超聲波等物理場(chǎng)強(qiáng)化提取過(guò)程[27]。 對(duì)于非極性色素， 常規(guī)的方法是采取非極性或弱極性的溶劑進(jìn)行提取。 為了減少溶劑引起的食用安全性，降低高溫對(duì)色素分子結(jié)構(gòu)的影響，成功的方法就是引入超臨界流體萃取技術(shù)[28]，目前不少研究將重點(diǎn)放在如何通過(guò)溶劑優(yōu)化、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)備，提高提取效率，降低超臨界流體萃取的生產(chǎn)成本，讓其可以更為廣泛的應(yīng)用于非極性或弱極性色素的提取[29-31]。

5）天然色素修飾改性與食用色素人工合成解決天然色素穩(wěn)定性差的重要途徑之一就是對(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾改性，例如糖基化修飾、酰化修飾、去糖基化改性、苯環(huán)取代基修飾、活潑亞甲基取代、單羰基衍生化、發(fā)酵法改性、酶解法改性、胺化合成改性等[32-35]。 由于天然色素受穩(wěn)定性的限制，進(jìn)行天然分子呈色部位的人工合成，成為了食品色素工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容， 提高合成色素的食用安全性是目前國(guó)內(nèi)外色素合成研究的重點(diǎn)[36-37]。因此，在食用安全性保障的前提下，進(jìn)行天然色素修飾改性與食用色素人工合成是目前色素工業(yè)中難以取代的組成部分。

6）食品色彩的檢測(cè)評(píng)價(jià) 對(duì)于食品色彩的定量檢測(cè)評(píng)價(jià)，分為化學(xué)分析和色度檢測(cè)[38-40]。 化學(xué)分析主要根據(jù)色彩分子結(jié)構(gòu)及其化學(xué)特征的差異， 利用分析化學(xué)的方法， 借助常規(guī)的分光光度計(jì)、液相色譜儀、氣相色譜儀、電位滴定儀等化學(xué)分析儀器完成。 色度學(xué)是一門(mén)研究彩色計(jì)量的科學(xué)，根據(jù)色度學(xué)原理，研制的色度檢測(cè)儀器分為兩大類(lèi)[41]：一類(lèi)是光譜光度儀，另一類(lèi)是光電積分測(cè)色儀器。 化學(xué)分析法適宜于進(jìn)行色素化學(xué)性質(zhì)研究、分子結(jié)構(gòu)改造等情況下使用，其主要不足在于檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)； 色度檢測(cè)儀可以快速獲得食品色彩的定量信息，適宜色素提取、合成研究，產(chǎn)品色彩質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)[42-44]，尤其是隨著食品智能制造技術(shù)的發(fā)展， 這種快速評(píng)價(jià)技術(shù)更加展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

開(kāi)展食品色彩研究對(duì)于提高食品開(kāi)發(fā)水平具有重要的意義。 進(jìn)行“食品色彩化學(xué)”的學(xué)科體系建設(shè)，系統(tǒng)研究食品色彩相關(guān)共性基礎(chǔ)問(wèn)題，對(duì)于充分發(fā)揮食品色彩研究在高品質(zhì)食品開(kāi)發(fā)中的作用有重要的價(jià)值。

在人才培養(yǎng)上，作為“食品風(fēng)味化學(xué)”的姊妹篇，需要啟動(dòng)“食品色彩化學(xué)”全國(guó)統(tǒng)編教材的編寫(xiě)工作， 逐漸在食品科學(xué)與工程本科生或者研究生中開(kāi)設(shè)“食品色彩化學(xué)”課程，培養(yǎng)從事該領(lǐng)域科學(xué)研究的專(zhuān)門(mén)人才。

在科學(xué)研究上， 需要強(qiáng)化食品色彩化學(xué)研究的試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，設(shè)立專(zhuān)門(mén)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，積極推進(jìn)食品呈色物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、自然合成機(jī)制、人工調(diào)控技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)功能特性、檢測(cè)評(píng)價(jià)方法等方面的基礎(chǔ)理論研究工作， 支撐食品呈色技術(shù)和色彩功能食品的開(kāi)發(fā)研究。