食用天然藍色素的開發(fā)與應(yīng)用

何易 許光治

色素分為天然色素和合成色素兩大類。天然色素可從動物、植物和微生物等天然資源中獲取，從植物提取的色素通常來自樹皮、根、根莖、葉、花和果實。常見的天然色素包括花青素、甜菜堿、葉綠素、姜黃素、胭脂酸、番茄紅素和類胡蘿卜素等。合成色素是通過化學合成的方式獲取的，因其產(chǎn)量高、耐久性好、價格低廉、著色力強、色彩多樣等優(yōu)點，曾經(jīng)幾乎取代了天然色素。然而有研究表明，合成色素中存在砷、鉛、汞、氯化物等物質(zhì)，它們對人體均有不同程度的毒性[1]。此外，由于“蘇丹紅”等類似事件頻發(fā)，人們逐漸意識到合成色素帶來的健康和環(huán)境問題。與合成色素相比，多源自植物的天然色素性質(zhì)穩(wěn)定、毒性低、無致癌風險，同時具有良好的生物相容性和生物降解性。因此，天然色素又重回大眾的視野，成為新時代食用色素的主力軍。

天然藍色素具有極高的應(yīng)用價值，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、印染及食品等多個領(lǐng)域。但其實在常見的天然色素中，藍色素的自然來源非常有限，這就導(dǎo)致消費者看到相關(guān)的藍色食品后往往會給其貼上“人造藍”的標簽，認為其可能具有潛在的健康風險[2]。此外，色彩往往會使消費者產(chǎn)生相應(yīng)的視覺心理效應(yīng)。過去，曾有研究者對黃薯和藍薯的消費情況進行過比較，用以驗證藍色食物給消費者帶來的心理影響和消費選擇。結(jié)果顯示只有28%的消費者選擇了藍薯，其原因僅僅出于他們對新產(chǎn)品的好奇心理。然而，近幾年這種現(xiàn)象基本消失了，市場上藍色冰激凌、藍色蛋糕以及深受兒童喜愛的藍色糖果隨處可見。經(jīng)典藍還被全球最權(quán)威的色彩研究機構(gòu)潘通（Pantone）確定為2020年流行色。

常見的天然藍色素包括環(huán)烯醚萜衍生物藍色素、藻藍色素、靛藍色素、蠔綠素和花青素等[3]，而在我國現(xiàn)行食品添加劑使用標準GB2760-2011中，允許使用的食用天然藍色素僅有梔子藍色素、藻藍色素和靛藍3種。

環(huán)烯醚萜衍生物藍色素

環(huán)烯醚萜衍生物藍色素有較長的安全使用記錄，與藻藍色素和花青素相比，環(huán)烯醚萜衍生物藍色素對熱、光和pH變化具有更高的穩(wěn)定性。該類藍色素的前體存在于茜草科植物中，如我國的梔子和美洲植物格尼帕。梔子是茜草科的常青樹，在我國廣泛栽培，果實小、橙色、橢圓形，長1.25～2.5厘米[4]。梔子苷是存在于梔子果實中的主要環(huán)烯醚萜苷類化合物之一，可作為天然黃色著色劑使用。梔子苷從植物原料中提取后，被β-葡萄糖苷酶水解，釋放出京尼平和葡萄糖，當京尼平與氨基酸等伯胺類化合物反應(yīng)時，就會生成藍色素。而當京尼平與不同的氨基酸縮合反應(yīng)時，則會生成不同的藍色素。梔子藍色素主要用于硬糖、飲料、果汁等的著色，使用量為0～1.5克/千克。此外，由于梔子藍色素溶解性好，著色力強，常見的金屬離子、酸、堿對其色調(diào)基本無影響，因此還廣泛應(yīng)用于藥品、化妝品和生物材料方面。

日本研究者曾對梔子藍色素的生成機理及應(yīng)用性進行了深入研究，解決了梔子藍色素色調(diào)暗的缺點，研制出了穩(wěn)定性優(yōu)良、色澤鮮明的梔子藍色素。我國于1980年代開始對梔子藍色素展開研究，研究人員采用微生物發(fā)酵和酶促發(fā)酵反應(yīng)分開的二步法制備了色澤鮮明的梔子藍色素。還有研究人員利用大孔吸附樹脂和離子交換樹脂對梔子藍色素進行分離純化研究，制備了純度高、色價優(yōu)良的梔子藍色素，在梔子藍色素的研究上取得了長足的進步。

筆者團隊基于以往學者的研究，利用新型賴氏菌菌種（Leifsonia sp. ZF2019）進行微生物發(fā)酵，創(chuàng)新性地從梔子黃廢液中制備出了色澤亮麗、穩(wěn)定性良好的梔子藍色素。此外，還從該菌種中篩選出了高活性的β-葡萄糖苷酶，可用來定向催化生成性能和穩(wěn)定性優(yōu)異的梔子藍色素，對今后開展大規(guī)模的工藝制備起到了積極的推動作用。然而，當前對梔子藍色素的生物活性研究得相對較少，僅有少數(shù)研究指出其具有良好的抗氧化性能，因此，有待于今后進行深入的研究與探索。

格尼帕是美洲本土植物，也屬于茜草科[5]。果實為橢圓形，長5～8厘米，可食用。由于其果肉多汁、酸甜可口，因此成熟的格尼帕果實主要用于果汁、果醬和酒類生產(chǎn)。通常，從格尼帕果實中提取京尼平時，需要監(jiān)測該果實的成熟度，因為京尼平僅在其未成熟的果實中大量存在。當未成熟的格尼帕果實被切開并暴露在空氣中，它的果肉會逐漸變成藍色。這是由于在氧氣的作用下，京尼平與天然存在于格尼帕果肉中的氨基酸發(fā)生了反應(yīng)后產(chǎn)生了藍色素。與未成熟的果實相比，成熟果實的環(huán)烯醚萜含量降低了90%。

藻藍色素

藻藍色素又稱藻藍蛋白，是一種來自真核藻類，如紅藻、隱藻和藍藻等的藍色著色劑。其主要來自鈍頂節(jié)螺藻，俗稱鈍頂螺旋藻。其干燥生物質(zhì)的商業(yè)名稱為螺旋藻。藻藍蛋白被認為是一種用途更廣的食品著色劑，主要應(yīng)用于果凍和軟糖類食品。然而，由于藻藍蛋白本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)，其穩(wěn)定性受到很多因素的限制，因此主要應(yīng)用于pH為中性或微酸性的含糖食品。通常來說，藻藍蛋白主要適用于高糖、高蛋白質(zhì)、低含水量以及酒精含量在20%以下的食品環(huán)境。

藻藍蛋白近年來獲得了大量的關(guān)注和研究，具有很高的營養(yǎng)和藥用價值[6]。其具有的多種生物活性，如免疫調(diào)節(jié)、抗癌，抗糖尿病、抗氧化、抗炎、抗病毒、抗真菌、抗纖維化、降脂、金屬螯合以及對生殖系統(tǒng)和多種器官的保護作用等均已被廣泛報道。此外，藻藍蛋白的離體實驗表明其具有類似紅細胞生成素的作用，可刺激紅細胞集落生成。同時，許多研究也進一步支持了提高螺旋藻生物量和純化藻藍蛋白將有益人體健康的觀點。藻藍蛋白還具有獨特的熒光性質(zhì)，我國學者研究發(fā)現(xiàn)，高度純化的藻藍蛋白可作為生物醫(yī)學研究和診斷的示蹤劑，也可作為食品中的重金屬示蹤劑。除此之外，作為藻藍蛋白干燥生物質(zhì)的螺旋藻在化妝品中可用作著色劑、抗氧化劑、增稠劑和水結(jié)合劑等。因此，應(yīng)當給予藻藍蛋白及相關(guān)產(chǎn)品更高的關(guān)注度，開發(fā)出更多的產(chǎn)品種類，進一步促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

靛藍色素

靛藍是人類已知的最古老的色素之一，易著色，有獨特的色澤。有研究顯示，靛藍提取物具良好的抗氧化、鎮(zhèn)痛和抗炎活性[7]。我國食品添加劑使用衛(wèi)生標準GB2760-2011中規(guī)定，靛藍可在蜜餞類、果蔬汁飲料類、涼果類等多種食品中使用，允許添加量為0～0.3克/千克。

天然靛藍色素來自靛藍植物或菘藍植物，其前體物質(zhì)為吲哚，因被氧化而產(chǎn)生了綠藍色。隨著靛藍在食品、化妝品及印染業(yè)的大量應(yīng)用，對天然靛藍的需求也逐年增加，因此通過環(huán)保途徑合成靛藍的方法得到了越來越多的重視。天然植物靛藍的制備是將含有吲哚酸的植物浸泡在發(fā)酵池中，在微生物分泌酶的作用下經(jīng)過氧化縮合進而生成不溶于水的靛藍。然而，這類植物原材料的獲取容易受到季節(jié)、氣候、產(chǎn)地等因素的制約，因此微生物產(chǎn)藍色素正在逐漸成為制備天然靛藍色素的重要來源之一。

目前，國內(nèi)外研究者已利用多種生物轉(zhuǎn)化合成酶的方法生產(chǎn)天然靛藍色素。研究者利用定點突變技術(shù)定向進化來自巨大芽孢桿菌的細胞色素P450BM-3，獲得具有3個突變位點的突變酶，并發(fā)現(xiàn)該突變酶能夠催化吲哚生成靛藍。此外，研究者又以細胞色素P450BM-3為親本酶，通過易錯聚合酶鏈式反應(yīng)體外定向進化技術(shù)，獲得了高活力的突變株，而這些突變株和催化吲哚的衍生物則會生成天然靛藍類染料。因此，未來需要進一步在菌株篩選上開展詳細分析，以獲得更多高活性、能應(yīng)用于實際生產(chǎn)的工程菌。

花青素

花青素一詞取自希臘語“Anthos”（花）和“kyanos”（藍色），是一種存在于植物中的黃酮類化合物?；ㄇ嗨厥撬苄灾珓┲凶畲蟮囊活悾瑫r也是除葉綠素之外肉眼最容易看到的著色劑?；ㄇ嗨啬墚a(chǎn)生從紅紫色到深藍色的各種顏色，通常來說，在酸性環(huán)境（pH<2）中，其呈現(xiàn)深紅色到橙色；而當pH為2～4時，其主要呈藍色[9]?；ㄇ嗨卮嬖谟陬伾r艷的植物的根、葉或花瓣中。一般來說，花青素在水果，特別是漿果，如藍莓、櫻桃、樹莓、草莓、黑加侖等中的含量十分豐富。

花青素具有很強的抗氧化活性，同時還具有良好的抗炎、抗癌和抗菌活性。此外，研究表明花青素還可預(yù)防糖尿病、肥胖癥以及心血管疾病的發(fā)生?；谶@些特性，作為天然著色劑的花青素有望成為合成食用著色劑的替代品，引起了食品行業(yè)和消費者的極大興趣。然而，花青素的色澤和穩(wěn)定性易受到多種因素，如溫度、光照、金屬離子、氧化劑、還原劑等的影響，因此研究人員需采取一定的措施來增強花青素在食品基質(zhì)中的穩(wěn)定性。已有研究顯示，紫甘藍中的花色素可與鐵離子絡(luò)合成穩(wěn)定的藍色素，這為今后進一步開展有關(guān)花青素穩(wěn)定性的研究及開發(fā)增強其穩(wěn)定性的相關(guān)方法提供了借鑒。

蠔綠素

蠔綠素是一種由海洋硅藻合成的藍綠色色素，是動物王國中為數(shù)不多的藍色素之一。蠔綠素溶于水，在酸性條件下為藍色，在堿性條件下則為綠色，瘀傷是導(dǎo)致其變藍的主要因素[8]。利用微生物和藻類提取蠔綠素類著色劑的主要問題是整個提取過程的成本過高，這就使其較難得到廣泛的應(yīng)用。此外，目前鑒于蠔綠素的化學結(jié)構(gòu)尚不明確，對于蠔綠素是否可應(yīng)用于食品以及是否會影響人體健康也有待于進一步研究。

隨著社會的發(fā)展，消費者越來越熱衷于選擇更健康的產(chǎn)品。在食品行業(yè)，天然色素對健康具有諸多益處，逐漸取代合成色素將是必然的。然而，從上述介紹的幾種天然藍色素的研究中可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天然藍色素缺乏穩(wěn)定性。而從天然藍色素的提取、食品加工及最終產(chǎn)品的儲存等，每一個階段都可能導(dǎo)致天然藍色素的降解。色素降解既損害產(chǎn)品的感官屬性，也影響其生物活性價值。因此，將天然藍色素應(yīng)用于食品中仍然具有一定的挑戰(zhàn)性，研究者需不斷創(chuàng)新提取和制備工藝，開發(fā)出更多的可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的穩(wěn)定天然藍色素。

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關(guān)鍵詞：食用天然藍色素 制備 應(yīng)用 ■