外部因素對甜菜色素穩(wěn)定性的影響

羅成飛，代翠紅，程大友

(哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院)

0 前言

通常食品顏色是食物的重要屬性之一，它被認為是質量的一個指標，是為消費者所接受的重要感官特征。天然來源的色素變得尤為重要，其中常用的有自然衍生的食品著色劑，類胡蘿卜素，葉綠素，花青素和甜菜色素。天然食品原料的顏色在食品中扮演者很重要的角色。當天然色素從原材料中提取出來，并用于加工食品的著色，色澤的穩(wěn)定性和分子的完整性變得至關重要。這些色素的穩(wěn)定性不僅要持續(xù)到消費者購買這些產(chǎn)品的時候，還應當一直持續(xù)到消費結束，只有這樣這個色素的生物學功能才能算被萬民體現(xiàn)到產(chǎn)品中。影響甜菜色素穩(wěn)定性的外在因素包括氧，溫度，pH，光，以及食品加工過程中化學物質。另一方面，紅甜菜中的影響穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，除了原料的質量，還有甜菜中酶的作用，其中包括：多酚氧化酶(PPOs)和過氧化物酶(PODS)。

1 環(huán)境因素

1.1 溫度對甜菜色素穩(wěn)定性的影響

溫度是影響色素溫度的另外一個主要因素之一。同時我們也指導溫度也是常規(guī)食品加工過程中不可缺少條件。溫度常常造成甜菜色素以及維持色素穩(wěn)定性的許多其它成分的降解，盡管它也有積極的影響，比如導致酶失活。研究表明，甜菜色素熱降解主要取決于溫度，加熱的程度，氧和色素濃度[1]。另一項研究報告表明，甜菜苷在85℃加熱會導致主要水解裂解產(chǎn)物的形成和其他一些脫羧和脫氫產(chǎn)品的產(chǎn)生[2]。研究發(fā)現(xiàn)甜菜紅素，在pH為5.5的緩沖液中隔絕光線和空氣條件下40保存是穩(wěn)定的。研究還發(fā)現(xiàn)，甜菜紅素以凍干粉狀態(tài)存較在22℃的溶液中存儲其穩(wěn)定性可延長20個星期[3]，這是由于水活度產(chǎn)生的影響。這些結果表明，紅甜菜色素可用于如乳制品，冰淇淋和糖果等產(chǎn)品中。這需要在pH為5.5條件下制備，并存儲在22℃以下。在酸的存在時加熱紅甜菜汁會引起甜菜色素降解形成單羧酸鹽，二羧酸鹽和三羧酸鹽和甜菜紅素苷的混合物。純化甜菜紅素苷樣品加入乙酸后發(fā)生脫羧，然后在75-80℃下進行一個小時以上加熱。所得的產(chǎn)物用高效液相色譜法與串聯(lián)質譜(LC-MS / MS)和二極管陣列(LC-DAD)檢測分析。結果表明：可以形成許多衍生物，其中包括17-脫羧甜菜苷，2-脫羧甜菜苷，2,17-雙脫羧甜菜苷和其同種型14,15-雙脫氫甜菜苷，也被稱為新甜菜苷[4]。除了脫羧，加熱也是已知的可以產(chǎn)生甜菜色素脫氫衍生物的方法。一些主要的脫氫物質包括2,17-雙脫羧-2,3-脫氫新甜菜紅素，2-脫羧-2,3-脫氫新甜菜紅素，2,15,17-三脫羧-2,3-脫氫新甜菜紅素和14,15-脫氫甜菜紅素。甜菜色素熱處理后，單脫羧酸鹽，雙脫羧酸鹽，和三脫羧甜菜紅素的混合物以及它們的相應的新甜菜紅素一同被確定，其中對差向異構化以及一對脫羧甜菜紅素進行質譜(LC/ MS-MS)和二極管陣列(LC-DAD)分析(Wybraniec 2005) 。莧屬的甜菜紅素的粉狀提取物的穩(wěn)定性比其溶液形式相比更高，這表明干燥的粉末適合用于商業(yè)食品著色劑[5]。

1.2 光對甜菜色素穩(wěn)定性的影響

光對甜菜色素穩(wěn)定性的影響也比較大。光甚至在低于40℃的條件下也會影響甜菜色素的穩(wěn)定。光導致甜菜色素的降解是由于光在紫外線和可見波長的吸收導致甜菜素生色團電子激發(fā)到更高能量的狀態(tài)引起的。這會導致更高的反應性或更低的分子活化能。光照和氧氣表現(xiàn)出對甜菜色素的協(xié)同降解能力。當單獨測試，光和氧會分別引起15.6%和14.6%的降解，而這兩者的組合則會引起28.6%的降解。通過一個紅甜菜色素穩(wěn)定性的研究，Herbach等人(2004)證明了由光引起的色素的降解取決于氧的存在，因為在厭氧條件下通過光誘導的降解可以忽略不計。光誘導的降解可以用0.1-1.0%水平抗壞血酸來保護，這進一步表明，溶解的氧起了作用[6]。從仙人掌科龍神柱屬的莖組織提取的色素表明，在pH5.5，87.09±8.53 JK-1mol-1光能下能誘導色素產(chǎn)生最大程度的降解[7](Reynoso et al. 1997) 。該研究還表明，金屬離子可引起色素降解。與鉻相比，鐵會產(chǎn)生較高的降解效率。在葉綠素和類胡蘿卜素降解的情況下，由光引起的甜菜色素的降解遵循一級動力學，而且死細胞中色素降解活細胞更快。在溶液中的降解模式取決于所使使用的有機溶劑。

并非所有的光源都會造成甜菜色素降解；不同波長的光對甜菜色素降解的影響不同。Kishima et al. (1995)通過輻照馬齒莧屬的愈傷屬組織，結果表明，藍光能夠誘導愈傷組織生產(chǎn)較多的甜菜色素[8]。另外，已知紫外光的組合對色素生產(chǎn)具有協(xié)同作用 。同樣，相似的研究表明，當對露出的紅甜菜毛根進行單獨或組合的藍色，紅色和遠紅外燈照射時產(chǎn)生的對色素方面的影響進行研究時藍光與遠紅外光的組合引起的不只是甜菜色素較高的積累，還包括總糖和蔗糖含量的升高[9]。

1.3 pH對甜菜色素的影響

pH值是影響甜菜顏色的穩(wěn)定性的主要因素。甜菜色素在pH值在3和7之間相對穩(wěn)定，如此寬范圍的pH值為其在食品飲料中的應用提供了一個很寬范空間[1]。我們知道，甜菜色素受pH值影響容易水解裂解。甜菜紅素和甜菜黃素降解的最佳pH是3.4 。

1.4 氧氣對甜菜色素穩(wěn)定性的影響

氧氣對甜菜色素的穩(wěn)定性影響比較大。當有氧氣存在的時候，甜菜黃素和甜菜紅苷都容易降解。當增加氧濃度時甜菜苷的穩(wěn)定性就會降低。過氧化氫是另一個造成甜菜色素的快速降解另一個重要的大氣因素，這可能是通過快速氧化發(fā)生作用的[10]。在氧氣存在條件下，甜菜紅苷的降解遵循一階動力學。然而，在缺氧的情況下，反應將偏離第一階動力學，這表明該反應在此條件下是可逆的。也有些觀察顯示氧氣造成的降解可能是不可逆的[11-12]。當甜菜色素溶解時，去除溶解的氧可以增加甜菜色素的穩(wěn)定性。這可以通過抗壞血酸和異抗壞血酸(強氧化劑)實驗得到證實。通過該實驗表明，不同的抗氧化劑在氧介導的甜菜色素降解中的作用，證明酚醛和含硫的抗氧化劑對甜菜色素的降解沒有保護作用。自由基清除劑對防止甜菜色素降解沒有作用。表明降解可能不涉及自由基介導的降解途徑。因此，氧氣在降解中起著關鍵作用，并且在光的存在和高于環(huán)境溫度的條件下，這種作用更明顯[11]。

1.5 水分活度對甜菜色素的影響

水分活度是指系統(tǒng)中水分存在的狀態(tài)，即水分的結合程度(游離程度)。水分活度是對系統(tǒng)中水的能量的測量，水分活度值越高，結合程度越低；水分活度值越低，結合程度越高。水分活度Aw的定義為一定溫度下食品所顯示的水蒸氣壓P與同一溫度下純水蒸氣壓Po之比，即：Aw=P/Po。

提取物中水/濕氣的含量可以顯著地影響其降解。水可以顯著影響甜菜色素水解活性。在許多食品中，水分含量小于5%，該含水量的產(chǎn)品有利于防止甜菜色素的降解。換句話說，食品中水活度0.64(Aw)以下的甜菜色素更具有長期穩(wěn)定性[13]。像果膠和糖酸等植物成分具有低的水活度，它們對其他像花青素等類似色素的降解起保護作用。植物組織在甜菜色素和其它色素的穩(wěn)定性方面也起著重要作用[1]。紅甜菜和仙人掌(火龍果)是甜菜色素的兩個主要來源。它們含有高濃度的果膠，這可能使得色素具有更好的穩(wěn)定性。因此，在甜菜色素的商業(yè)產(chǎn)品在提取過程時，常常是一起進行提取，而不是純的提取甜菜色素。這不僅是為了成本，主要是從色素穩(wěn)定性的角度出發(fā)。通過噴霧干燥后存儲在明膠殼中甜菜色素的比果膠殼中的穩(wěn)定性更強。

2 加工處理對色素穩(wěn)定性的影響

2.1 在食品及飲品中的穩(wěn)定性

甜菜色素被用于在許多食品中，如果汁，香腸，蛋糕、巧克力和其他糖果[14-15]，它可以補償加工過程的色素損失并可賦予食品賦予不同的風味。用甜菜色素作為食品著色劑的歷史可以追溯到十八世紀，當時甜菜紅色素是用來著色煎餅。傳統(tǒng)上紅甜菜是紅葡萄酒的一種成分，腌制的紅甜菜用來放在漢堡中。作為著色劑碳酸飲料已經(jīng)開發(fā)并獲得專利。目前有研究人員開發(fā)了一種穩(wěn)定的紅甜菜濃縮劑，這是由正常食用紅甜菜根和毛根共同經(jīng)過特殊工藝制成，以糖漿形式的保存的色素，可以廣泛的使用于一系列食品中。但該產(chǎn)品還有待于接受如光，水活性，空氣和溫度等惡劣條件的檢驗。仙人掌汁成品已被廣泛用于甜菜紅色素穩(wěn)定性的研究[16]。對于紅甜菜色素的粉劑等固體樣品，經(jīng)過膠囊化和噴霧干燥的甜菜色素有了較好的等穩(wěn)定性，并在食品著色應用方面已經(jīng)取得初步成功。明膠包封的產(chǎn)品顯示出更高的穩(wěn)定性[17]。美國(No.1600)和歐盟(E-162)紅甜菜的甜菜紅素已經(jīng)被批準使用作商業(yè)上的食品添加劑。并且甜菜色素被認為是天然可以被免除認證。這些商業(yè)色素被廣泛應用于全世界[18]。甜菜紅素在包裝的豬肉香腸中進行了測試，產(chǎn)品中分別加了紅曲(紅曲霉)大米，紅甜菜根汁和甜菜苷(E162)，加了紅甜菜根的香腸的顏色屬性最接近新鮮香腸，而那些加了紅曲米的顯著降低的顏色值。通過使用兩種不同類型的光對這款產(chǎn)品進行照射后發(fā)現(xiàn)，甜菜的顏色不僅可以保護香腸免受變色，還可以延長儲藏期約4天。而且加了紅甜菜根的香腸更容易被消費者所接受。因此，紅甜菜汁可以作為天然的著色劑應用在新鮮豬肉香腸以及其它肉制品中[19]。這些商業(yè)紅甜菜粉在乳制品和果汁店和糕點店這類食品飲料品店中會有更好的應用前景。

2.2 發(fā)酵對甜菜紅素穩(wěn)定性的影響

發(fā)酵指人們借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體本身、或者直接代謝產(chǎn)物或次級代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵過程會去除碳水化合物和含氮化合物。在甜菜汁中，80%的果汁固形物是碳水化合物和含氮化合物[20-21]，利用發(fā)酵去除掉它們可以提高剩余的甜菜紅色素的濃度。通過調(diào)整發(fā)酵時的pH、所用的有機物、發(fā)酵條件可以降低或提高甜菜紅色素以及它的衍生物色素的含量和穩(wěn)定性。一項研究報告顯示乳酸介導的發(fā)酵導致了60%的色素含量的損失，而在未接種對照樣本中顯示，甜菜紅色素損失了80-90%[22]。的研究表明，德氏乳桿菌0854和副干酪乳桿菌/桿菌0923可以導致紅甜菜色素的最大損失[23]。另一方面，短乳桿菌/副干酪乳桿菌/干酪0944/0916導致紅甜菜品種色素的最大損失。發(fā)酵可誘導形成甜菜配基和異甜菜素。另一項研究報告了使用釀酒酵母對仙人掌(梨果仙人掌)汁的發(fā)酵。在50℃，70℃和90℃下進行的動力學研究表明色素降解是溫度的函數(shù)。人們還發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵不影響色素的熱穩(wěn)定性。發(fā)酵過程已顯示出可溶性固形物的含量下降了44%，這可能會提高色素的穩(wěn)定性有所幫助[24]。另一項研究表明，在發(fā)酵過程中甜菜紅色素的穩(wěn)定性將增加20-40%(Socaciu 2007)。Baráth et al( 2004)等人的研究表明，Curvatus2770乳桿菌提供在24小時內(nèi)最快酸化產(chǎn)生最佳發(fā)酵效果。

2.3 加工和儲藏過程中的穩(wěn)定性

食品加工過程可能對色素的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面的影響，在食品中使用的食物基質和其它成分也可以具有積極的影響。如，利用生物反應器培養(yǎng)的毛根甜菜，其特點是色素均勻、色素含量高，因此，利用其生產(chǎn)色素穩(wěn)定性會更好。毛根生產(chǎn)的甜菜紅色素降解較少可能是由于在毛根中多酚氧化酶的活性比正常甜菜根中的活性低。此外。利用一些食品添加劑也可以增加甜菜紅素在儲藏過程中的穩(wěn)定性。如，抗壞血酸和異抗壞血酸等抗氧化類食物添加劑可以通過去除氧來提高甜菜紅素的穩(wěn)定性[15-25]。除了抗氧化劑，像檸檬酸和EDTA等螯合劑也可以增加存儲過程中的紅色素的穩(wěn)定性。葡萄糖氧化酶和β-環(huán)糊精可以分別通過吸收水分和除去溶解的氧氣來提高紅色素的穩(wěn)定性[25]。

2.4 封裝對甜菜紅素穩(wěn)定性的影響

現(xiàn)有的研究結果表明，封裝是保持紅甜菜色素的穩(wěn)定性的很有前途一種方法。增加甜菜色素的穩(wěn)定性和生物活性利用微膠囊封裝是比較有效的方法之一。研究表明，使用阿拉伯樹膠微膠囊的甜菜紅素在小于0.5低濕度條件下的儲存，可以保持色素含量達45天。然而，儲存在水分活度0.7-0.8間的封裝的樣品隨著抗氧化活性的回升而會現(xiàn)出降解情況[27]。在另一項研究中，甜菜紅素豐富的仙人掌果汁和含有麥芽糊精和胰島的乙醇提取物的微囊顯示出顯著保留特性在60℃可以保存高達44天[28]。

2.5 提取方法對甜菜紅素穩(wěn)定性的影響

提取甜菜紅素的方法比較多。甜菜色素的提取效率取決于萃取方法。在這些不同的技術中，脈沖電場處理、超聲以及γ射線可以增加提取效率 。實驗發(fā)現(xiàn)擴散萃取，固-液萃取和超細過濾提取技術比傳統(tǒng)的液壓技術更有效[12]。添加抗氧化劑,如抗壞血酸(50 mM)和維生素E可以提高色素的穩(wěn)定性[7]。用微酸化(抗壞血酸或乙酸)的水來提取甜菜色素可以增加色素的穩(wěn)定性，這是由于多酚氧化酶的失活[15]。對萃取物(食用紅甜菜根)進行短時間的預熱有助于防止色素的酶解。其他因素可以用于提高色素穩(wěn)定性。例如，在黑暗條件下提取，用氧氣取代氮氣使用螯合劑或者利用低溫[1]。另外，在真空狀態(tài)下提取可以減少色素氧化，增加其穩(wěn)定性。

2.6 其他因素的影響

甜菜紅素降解的其他原因中不適當?shù)臏缑富钜彩菍е绿鸩思t素降解的原因之一。主要是如b-葡糖苷酶，多酚氧化酶和抗氧化酶。這些酶對甜菜色素的失活有作用。通常認為色素的降解是過氧化造成的，這其中主要是過氧化物酶在起作用。甜菜紅素與甜菜黃素相比更容易在過氧化物酶的作用下被降解，因為甜菜中富含過氧化物酶[29]，在加工過程中這種酶的快速滅活處理至關重要，此過程建議使用溫度處理。在紅甜菜毛根中，在50℃時，過氧化物酶可以穩(wěn)定存在超過一個小時，而這種酶在pH6和pH9的環(huán)境中萃取時對溫度卻非常敏感[29]。大概由于這些原因，毛根色素提取物比正常甜菜中的更穩(wěn)定。在紅甜菜的提取中，在55℃條件下，使用7.5兆帕二氧化碳高壓，連續(xù)的進行的30分鐘的短時間處理，發(fā)現(xiàn)73%的過氧化物酶和93%的多酚氧化酶失活。其中，在傳統(tǒng)的加工過程中，也可以在95℃加熱5分鐘，這也可在一定程度上可降低甜菜苷穩(wěn)定性[30]。過氧化氫酶的存在可以完全降解甜菜紅素，這主要是由于甜菜色素對葡糖苷酶引起葡糖苷化而產(chǎn)生的過氧化氫具有靈敏性。這種對酶的敏感性已被靈活地應用于生產(chǎn)不同水平的降解的甜菜色素。現(xiàn)有的研究表明，甜菜色素的熱降解并沒有造成任何抗氧化活性的損失[31]，這表明甜菜色素在煮熟的肉制品中除著色作用降低之外其他功效還存在。

3 小結

在導致甜菜色素不穩(wěn)定的因素中，內(nèi)部(酶和紅甜菜其他組件)因素和外部因素都發(fā)揮重要作用。影響色素降解的主要因素如表1。

表1 影響甜菜色素穩(wěn)定性的主要因素(引自食用甜菜)

續(xù)表1

總之，甜菜色素是具有相當好的穩(wěn)定性和廣泛的著色性能優(yōu)良的天然著色劑。

憑借廣泛的生物來源和健康的有益性，甜菜色素成為理想來源的天然食用色素；甜菜色素擁有巨大的市場前景和經(jīng)濟前景[31-33]。目前食物色素的市場價值大約20億美元，有5萬噸以上的需求量，其中，甜菜色素占據(jù)了很大的份額。雖然已有研究表明，即使是降解的色素也有有益效果[34]。研究還表明，甜菜色素褐變可通過除氧和抑制氧化酶來控制。甜菜提取物中氮的含量高可以通過發(fā)酵過程加以解決。除了紅甜菜根，紅甜菜細胞培養(yǎng)物已經(jīng)用于色素開發(fā)[35]。另外，根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，利用生物技術手段培養(yǎng)食用紅甜菜毛根生產(chǎn)甜菜色素具有含量高、品質好、甜菜土臭素含量低、加工方便等優(yōu)點，這是生產(chǎn)甜菜紅素較好的一個途徑，也是為了的發(fā)展方向。