紅甜菜和甜菜紅素的綜合應(yīng)用研究進展

劉亞昕，閆 樺，唐 玲，譚文勃，興 旺，劉大麗

（1國家甜菜種質(zhì)中期庫/黑龍江大學，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室/黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080）

0 引言

紅甜菜(Beta vulgaris)又名紫菜頭、紅菜頭，因營養(yǎng)價值豐富且主要分布在地下塊根，還被稱作紅歐參。其特點是根皮、根肉多為紅色或紫紅色，既可生食也可熟食，還可加工開發(fā)為其他產(chǎn)品。作為重要的健康食品，歐美國家以紅甜菜的紫紅色根部為主要食用部分。紅甜菜具有安全、健康、保健、無毒副作用等特點，在商業(yè)上被廣泛應(yīng)用，紅甜菜中含有大量的甜菜紅素，這些甜菜紅素常作為天然色素應(yīng)用。近年來，隨著對甜菜紅素理化性質(zhì)不斷深入研究，甜菜紅素的更多特性被不斷發(fā)現(xiàn)。因此甜菜紅素除了在食品、醫(yī)藥等方面的傳統(tǒng)應(yīng)用外，也被應(yīng)用于其他新興領(lǐng)域。紅甜菜是一種開發(fā)潛力很大的作物，在未來會與多領(lǐng)域開展更廣泛、更深入的應(yīng)用，但目前國內(nèi)對于紅甜菜品種的選育及開發(fā)工作重視程度稍弱，相關(guān)工作開展較晚。導致國內(nèi)紅甜菜的深加工相對于國外較為落后，國內(nèi)產(chǎn)品大多以小型企業(yè)生產(chǎn)的甜菜色素及紅甜菜粉末等技術(shù)含量低的產(chǎn)品為主，設(shè)備落后、技術(shù)不先進、科研投入少。筆者對紅甜菜及甜菜紅素的應(yīng)用現(xiàn)狀進行歸納，并探討其開發(fā)利用前景，以期為紅甜菜產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 抗氧化性

由于外界環(huán)境，如呼吸（氧化反應(yīng)）、外部污染、輻射等其他因素，人體中會產(chǎn)生自由基?？茖W研究顯示，癌癥、衰老等問題都與過量的自由基產(chǎn)生直接相關(guān)。甜菜紅色素是雜環(huán)酪氨酸衍生的色素，酚部分和環(huán)狀氨基被認為是賦予了這類化合物還原性的關(guān)鍵所在[1]。隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，抗氧化作用被保健品、化妝品企業(yè)列為主要的研發(fā)方向之一，也是市場最重要的功能性訴求之一。紅甜菜含有高濃度的甜菜紅素和甜菜堿，這些物質(zhì)常用做食品著色劑和食品添加劑。通常紅甜菜在食用前需要進行加工，這會影響甜菜堿的穩(wěn)定性和甜菜紅素的抗氧化活性，從而影響紅甜菜食品的健康特性和人們的可接受程度。在驗證植物化學物質(zhì)保留量[2]的試驗中，紅甜菜在微波、煮沸、烘烤和真空處理后，雖然其體內(nèi)甜菜堿含量降低，但抗氧化活性卻有所增加，而這種甜菜堿濃度降低和抗氧化活性增加大多在處理后呈現(xiàn)間接相關(guān)的特點。紅甜菜的高抗氧化活性，使其作為添加劑原料在食品、化妝品和制藥工業(yè)中具有潛在的應(yīng)用價值。甜菜紅素具有抗疲勞作用及抗氧化作用[3]，能夠應(yīng)用于食品保健品方向。

2 生物活性應(yīng)用

2.1 抗瘧性與抑菌性

富含甜菜紅素的莧菜在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出顯著的抗瘧性。莧菜內(nèi)的甜菜紅素和莧菜紅素的含量較高，能夠螯合寄生蟲體內(nèi)不可或缺的陽離子(Ca2+、Fe2+、Mg2+)，并阻斷寄生蟲膽堿在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運，這對瘧原蟲的抑制起到至關(guān)重要的作用[4]。據(jù)推測，甜菜紅素的抗菌活性是由于其對微生物細胞膜的功能、結(jié)構(gòu)和滲透等造成不利反應(yīng)，最終導致細胞死亡[5]。此外，甜菜渣具有抑制金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、鼠傷寒沙門菌(Samonella typhimurium)、蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)的生長的作用[6]。富含甜菜紅素的紅心火龍果提取液在7.8 mg/mL濃度水平下表現(xiàn)出了對革蘭氏陰性菌的廣譜抑菌性[7]。

2.2 心血管疾病

在全球范圍內(nèi)，心血管疾病(CVD)是導致人類死亡和殘疾的主要原因，而不健康的飲食被認為是造成心血管疾病最重要的危險因素之一[8]。總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇和甘油三酯濃度是心血管疾病的風險標志指標。有研究小組通過觀察22名18～45歲的學生食用30天的藜麥（藜麥含有高水平的甜菜色素630.4 mg/100 g）對心血管疾病風險標志物的影響進行了評估。分析發(fā)現(xiàn)，大約42.2%和40.7%的個體分別出現(xiàn)血壓和體重下降的現(xiàn)象[9]。同時，一項雙盲研究中發(fā)現(xiàn)，每天食用25 g藜麥片的絕經(jīng)后婦女的總膽固醇和低密度脂蛋白降低，谷胱甘肽增加，繼而降低了她們患心血管疾病的風險[10]。48名男性冠心病患者接受約50 mg甜菜紅素，并在補充后3、8、24 h分別采集血樣和尿樣，最終這2種補充劑均顯著降低了血同型半胱氨酸、葡萄糖、總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白的濃度[11]。在超重/肥胖的個體中，高脂肪餐(HFM)攝入可能會引起短暫的餐后動脈粥樣硬化反應(yīng)，包括導致血管內(nèi)皮功能受損。給15名超重/肥胖男性和絕經(jīng)后女性在短期服用和長期服用紅甜菜根汁后，進行HFM前后測量其內(nèi)皮功能和血流動力學的基線評估，超重人群在攝入HFM后內(nèi)皮功能不再受損害[12]。高濃度低密度脂蛋白與血管壁膽固醇的沉積增加和動脈粥樣硬化有關(guān)，應(yīng)設(shè)法降低其在血液中的水平。甜菜色素可降低血液低密度脂蛋白，增加高密度脂蛋白和血管舒張度。然而，還需進一步的研究來證實甜菜色素對CVD治療的有效性[13]。

2.3 細胞保護作用

依靠其抗氧化性，甜菜紅素還具有細胞保護作用。Zielińska等[14]通過試驗得出，甜菜紅素對中性粒細胞中ROS的產(chǎn)生、DNA損傷和細胞凋亡具有調(diào)節(jié)作用。紅甜菜根提取物可減輕毒死蜱引起的大鼠氧化應(yīng)激、炎癥和細胞凋亡，以保護大鼠的睪丸組織[15]。El?bieta等[16]發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵后的紅甜菜提取液可以防止大鼠結(jié)腸中異常隱窩灶癌前異常隱窩的形成，同時減少糞便液的細胞毒性和基因毒性作用，改善生物體的氧化狀態(tài)。

2.4 抗炎性

研究表明，甜菜色素可以改善與炎癥有關(guān)的癥狀。Dai[17]的研究小組利用小鼠模型檢驗了甜菜色素對過敏性哮喘的治療潛力。哮喘是一種慢性肺部炎癥性疾病，其特征是粘液分泌過多、氣道高反應(yīng)性和支氣管收縮。使用甜菜紅素治療可有效降低哮喘誘導小鼠的肺質(zhì)量和BAL液中炎性細胞，并降低IgE、嗜酸性粒細胞趨化因子和細胞因子水平。甜菜紅素還可以作為有效的炎癥因子清除劑，用于治療由過量次氯酸引起的炎癥。富含甜菜色素的紅甜菜提取物具有很高的抗次氯酸鹽活性[18]。此外，Pietrzkowski等[19]發(fā)現(xiàn)，攝入劑量大于35 mg的紅甜菜提取物對骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的疼痛產(chǎn)生有益的影響。紅甜菜提取物可能抑制由中性粒細胞釋放的次氯酸引起的蛋白質(zhì)氧化。在另一組試驗中，Pietrzkowski使用紅甜菜濃縮液和安慰劑對膝關(guān)節(jié)不適患者進行隨機和盲法治療，中短期使用紅甜菜濃縮液可顯著改善膝關(guān)節(jié)不適和關(guān)節(jié)功能[20]。

2.5 神經(jīng)保護作用

阿茲海默病(AD)是一種慢性的神經(jīng)退行性疾病，其主要癥狀是認知能力下降，嚴重到足以干擾日常生活活動[21]。AD的特征是杏仁核、海馬、大腦皮層和大腦基底節(jié)的膽堿能神經(jīng)元變性，導致神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的合成和分泌減少，淀粉樣β(Aβ)沉積，進而癡呆[22,23]。金屬是氧化應(yīng)激誘導神經(jīng)變性的病原體之一，如AlCl3在化學工業(yè)中用于生產(chǎn)潤滑劑、橡膠、油漆、木材防腐劑、殺蟲劑、止汗劑等，AlCl3是有害的，其通常通過飲用水和飲食進入人體[24]，并導致神經(jīng)元疾病的發(fā)生[25]。Shunan等，發(fā)現(xiàn)甜菜色素可以通過激活NF-κβ途徑來抑制氧化自由基的產(chǎn)生，從而抑制了AlCl3誘導的認知障礙、組織損傷和膽堿功能障礙，推測可能是由于甜菜色素的強抗氧化性[24]。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)，甜菜色素可以抑制導致阿爾茨海默病的Aβ聚集。Tomohiro等[26]通過硫黃素T熒光分析、圓二色譜分析和透射電鏡觀察，證實了甜菜色素在體外對Aβ40和Aβ42聚集的抑制作用。同時，利用轉(zhuǎn)基因隱桿線蟲檢測甜菜色素干擾Aβ毒性的能力時發(fā)現(xiàn)，50 μmol/L甜菜色素顯著延緩了線蟲的癱瘓。帕金森病是另一種常見的神經(jīng)退行性疾病，其神經(jīng)變性的原因是氧化應(yīng)激促進了細胞凋亡。有研究小組指出，甜菜紅素也具有對誘導的PC12細胞毒性和氧化損傷的保護作用，使用20、50 μmol/L的甜菜紅素預處理可使PC12細胞凋亡減少。因此，甜菜紅素依靠其良好的抗氧化性和抗凋亡作用，可以用于預防或延緩帕金森病神經(jīng)死亡[27]?？偟膩碚f，甜菜色素具有成為治療神經(jīng)退行性疾病的藥物的潛力。還需要進一步的研究來驗證甜菜色素對其他模型的抗神經(jīng)退行性疾病活性的抑制作用。

2.6 病毒

Ying等[28]發(fā)現(xiàn)，提取自紅心火龍果與紅菠菜中的甜菜紅素能夠抑制登革病毒2型(DENV-2)的傳染性，表現(xiàn)出抗DENV-2的抗病毒活性。來源于紅心火龍果的甜菜紅素的半抑制濃度(IC50)為125.8 μg/mL，來源于紅菠菜的甜菜紅素IC50為14.62 μg/mL，后者表現(xiàn)出更好的抗病毒特性。甜菜紅素未來有可能被開發(fā)為抗DENV-2的抗病毒藥物，但仍需進一步研究其作用機制和體內(nèi)藥物分析。近幾年，COVID-19是全球范圍內(nèi)需要解決的重大公共衛(wèi)生問題。Tallei等[29]利用生物信息學技術(shù)評估預測甜菜紅素與SARS-CoV-2的4個靶點之間的結(jié)合親和力模擬，研究結(jié)果表明，甜菜紅素和SARS-CoV-2受體之間存在強烈的相互作用，有可能作為候選藥物，治療COVID-19。此外，甜菜紅素是治療多種疾病的候選藥物，還具有緩解COVID-19患者并發(fā)癥癥狀的潛力。Shedid[30]的研究小組電離輻射誘導大鼠肝損傷，甜菜紅素通過抗氧化性增強肝臟解毒、減少細胞凋亡，使肺部纖維化標志物的水平顯著改善，從而緩解了肝纖維化的發(fā)展。

3 食品開發(fā)應(yīng)用

Vasconcellos Julia等通過比較甜菜根汁、甜菜薯條、甜菜粉、煮熟的甜菜根等幾種加工方式中總抗氧化潛力、總酚、硝酸鹽、糖和有機酸含量發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)甜菜根的加工方法都有利于人體健康[31]，在滿足不同人群對風味上追求的同時，還能夠給人體帶來益處，因此紅甜菜具有極高的食品應(yīng)用價值。

3.1 膳食食品

合理膳食是指一日三餐所提供的營養(yǎng)必須滿足人體的生長、發(fā)育和各種生理、體力活動的需要。合理飲食可以達到顯著減肥的目的。紅甜菜根是一種富含硝酸鹽、抗氧化劑和酚類化合物的膳食蔬菜，合理攝入可以改善心血管功能和運動表現(xiàn)。紅甜菜所含的甜菜色素通過抑制脂質(zhì)氧化、過氧化來保護人體免受與應(yīng)激障礙相關(guān)的疾病，進而起到抗炎作用，甜菜色素還提供優(yōu)良的抗自由基和抗氧化活性[32]。膳食纖維食品具有防治癌癥、冠心病、高血壓、高膽固醇、糖尿病和肥胖癥等6種疾患的保健功能。重慶安吉娜紅甜菜食品開發(fā)有限公司以紅甜菜濕纖維為主料，以小麥粉、玉米粉、糯米粉或赤豆粉作配料，以油、鹽、糖、酸、香、辣、甜味劑等添加劑為佐料，經(jīng)混合、加水、揉胚、碾片、成形，再經(jīng)烘烤、油炸、膨化或蒸煮熟化等工藝，制造出面包、餅干、桃酥、鍋巴、餡料或珍珠丸子等食品，實現(xiàn)以紅甜菜粕膳食纖維直接生產(chǎn)的保健食品[33]。

3.2 飲料

飲品是指以水為基本原料，由不同的配方和制造工藝生產(chǎn)出來，供人們直接飲用的液體食品。在不同品種的飲品中含有不等量的糖、酸、乳以及各種氨基酸、維生素、無機鹽等營養(yǎng)成分，具有一定的營養(yǎng)。進入21世紀，重慶安吉娜紅甜菜食品開發(fā)有限公司便開始研究紅甜菜相關(guān)保健飲品，其中紅甜菜格瓦斯[34]、可樂[35]、啤酒[36]產(chǎn)品被國家知識產(chǎn)權(quán)局授予發(fā)明專利權(quán)。近年來，研究方向多為甜菜汁發(fā)酵及復合果蔬飲料研制。此外還有果醋、朗姆酒[37]、復合果汁[38]等。國外的研究方向主要有復合果汁、益生菌飲料、乳酸發(fā)酵紅甜菜汁等。韓國在2019年研制出紅甜菜與蘋果汁復合果蔬汁并測定了其抗氧化活性[39]。對比國外的紅甜菜飲品開發(fā)，國內(nèi)大多為復刻已有產(chǎn)品，在創(chuàng)新突破領(lǐng)域存在不足。

3.3 添加劑

食品添加劑是為改善食品品質(zhì)和色香味以及為滿足防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學合成或天然物質(zhì)。利用天然促健康添加劑對食品進行功能化研究得到了廣泛關(guān)注。甜菜紅素是紅甜菜的天然色素，以其促進健康的特性而著稱。由于其市場應(yīng)用潛力、高效的自由基清除能力以及安全、健康的特性，甜菜紅素作為添加劑的使用也越來越多。紅甜菜添加劑可以顯著改變酸奶的流變和理化特性，在羅馬尼亞，Adriana Dabija等[40]利用一些羅馬尼亞當?shù)刂参镌仙a(chǎn)一種新型酸奶的研究中，在這些植物原料中，紅甜菜顯著改善了酸奶的流變學特性，降低了析水率，提高了酸奶樣品的持水力，研究結(jié)果使酸奶產(chǎn)品在多樣化方面具有更高的經(jīng)濟性。Zahra等[41]研制出含紅甜菜提取物和羅勒籽膠的益生菌酸奶，其中甜菜色素是水溶性色素，在食品中具有的抗氧化和著色的作用，能夠起到很好的保健功效。Ashwini Gengatharan等[42]發(fā)現(xiàn)來自紅色火龍果的甜菜紅素可能是一種潛在的天然功能性著色劑，可以代替牛奶中的草莓色澤，相比于牛奶中常用的草莓色素，甜菜紅素具有更天然且保健的特點。通過觀察不同pH處理和4℃冷藏對甜菜紅素穩(wěn)定性的影響研究發(fā)現(xiàn)，甜菜紅素減少了酸奶中的脫水收縮速率并維持了酸奶培養(yǎng)菌的活力[43]。2020年，有研究人員成功利用果膠酶輔助提取甜菜紅素作為天然食品色素添加在冰淇淋中，增強了冰淇淋的抗氧化性能[44]。Lee Kyo Yeon等[45]將紅甜菜粉添加至豆腐中提高了其功能品質(zhì)和保質(zhì)期。因此，使用含有營養(yǎng)化合物的植物提取物也是一種新興的提高食品品質(zhì)的方法。

3.4 肉制品

香腸是一種利用了非常古老的食物生產(chǎn)和肉食保存技術(shù)的食物，其將動物的肉絞碎成條狀，再灌入腸衣制成。在肉類制品中亞硝酸鹽允許作為發(fā)色劑和防腐劑限量使用。亞硝酸鹽主要指亞硝酸鈉，能使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，因高鐵血紅蛋白失去攜氧能力而引起組織缺氧，進而引發(fā)中毒，長期食用甚至會導致食道癌和胃癌的發(fā)生。Sang-Keun Jin等[48]以紅甜菜粉加入乳液型豬肉香腸替代亞硝酸鈉的作用進行評價，探討添加紅甜菜粉對乳液型豬肉香腸在10℃下存放6周的理化特性的影響，結(jié)果對比乳液型豬肉香腸的顏色，對照（亞硝酸鈉0.01%）的輕質(zhì)值明顯高于其他組別。韓國的Jeong Ho Jin等[46]建議紅甜菜作為天然著色劑，可用于降低低脂香腸加工過程中亞硝酸鹽的含量。

3.5 功能性食品

McMahon Nicholas等[47]研究認為，膳食硝酸鹽的使用及其在血管功能中的作用可以提高運動員的表現(xiàn)。紅甜菜汁作為硝酸鹽補充劑可以改善有氧代謝功能，并為中長距離騎自行車的人提供潛在的呼吸代謝的益處。研究發(fā)現(xiàn)，紅甜菜濃縮物配方的理想應(yīng)用人群是上班人群或偶爾運動的人[49]。由于紅甜菜汁濃縮功能性飲料同時還具有血管擴張的特性，未來可以拓寬在降血壓、預防血栓等與心血管健康相關(guān)的市場。

3.6 生物合成甜菜紅素

甜菜中甜菜紅素的主要來源是紅甜菜，但許多因素顯著影響紅甜菜中甜菜紅素的產(chǎn)量。上海師范大學將水稻胚乳代謝工程成功應(yīng)用于甜菜紅素生物合成。通過引入3個合成基因(meloS、BvDODA1S、BvCYP76AD1S)，對水稻胚乳進行甜菜紅素生物合成的工程化。這些基因在水稻胚乳特異啟動子驅(qū)動下過量表達甜菜紅素，并產(chǎn)生了新的種質(zhì)類型——‘Betanin Rice’(BR)，BR籽粒中富含甜菜紅素，具有較高的抗氧化活性[50]。該大米可作為促進健康的功能性谷物，也可作為加工膳食補充劑的原料。

3.7 食品相關(guān)的其他應(yīng)用

重慶醫(yī)科大學在2007年開發(fā)出紅甜菜浸膏或浸膏粉以及用其制備的系列產(chǎn)品[51]，最大程度地保留了紅甜菜自身的豐富營養(yǎng)。劉琪龍等[52]研究甜菜紅素噴霧干燥粉(betacyanins spray-dried powder，BSP)的抗氧化作用及其咀嚼片的研制，認為BSP抗氧化能力較強，且其咀嚼片口感良好。Morgado Marina等[53]開發(fā)了一種甜菜根營養(yǎng)凝膠，并與甜菜根汁進行了比較，評價了其體外生物可給性、總抗氧化能力、總酚和鉀含量。

4 耐鹽性

大多數(shù)植物都生長在中性偏酸的土壤上。對鹽堿土壤而言，由于其水文和地質(zhì)條件相對惡劣，排水不暢，加上蒸發(fā)強烈，鹽分不斷積累于地表，因此不利于植物生長，使得鹽堿地種植的作物產(chǎn)量降低。在鹽堿地種植耐鹽植物是提高經(jīng)濟產(chǎn)量的方法之一。紅甜菜具有較強的耐鹽性。Vitali Victoria等[54]將紅甜菜暴露在持續(xù)增加的NaCl濃度中，以確定紅甜菜對維持根系水勢調(diào)節(jié)能力至關(guān)重要的組分。研究表明，紅甜菜根系可以維持恒定的自發(fā)滲出量，且滲出量與NaCl濃度無關(guān)，其根系的水勢調(diào)節(jié)模式有助于滿足紅甜菜的水分需求。

5 凈水能力

陳永華等[55]選用25種冬季濕地植物進行人工濕地污水凈化潛力篩選試驗，采用建立的凈化潛力評價體系將測試植物聚類分為3類，第1類凈化力強，植物種類有水芹、油菜、燈芯草、虎耳草等；第2類凈化力中等，植物種類有羽衣甘藍、金盞菊、紅甜菜、杜鵑等；第3類凈化力弱，植物種類有白菜、五月菊、月季等?？梢钥闯黾t甜菜具有一定的污水凈化能力。李衛(wèi)星等[56]研究了水培蔬菜對城市河道污水凈化能力。通過水箱靜態(tài)培養(yǎng)試驗，探討紫背天葵、生菜、茼蒿、水芹和紅甜菜5種蔬菜對富營養(yǎng)化水體的凈化效果。5種蔬菜在污水中均能夠旺盛生長，且鮮重、株高、根長均有所增加。其中紅甜菜表現(xiàn)出了不錯的凈化能力。經(jīng)濟植物浮床系統(tǒng)凈化污水已經(jīng)成為當今社會的可持續(xù)發(fā)展理念的首選，在未來如何應(yīng)用其凈水能力保護環(huán)境的同時增加農(nóng)作物附加值也是一個重要的研究方向。

6 其他應(yīng)用

6.1 染料敏化太陽能電池

甜菜色素是一種具有含氮核心結(jié)構(gòu)的天然色素，由于結(jié)構(gòu)上的不同可分為2類，即呈現(xiàn)紫紅色的甜菜紅素和呈現(xiàn)橙黃色的甜菜黃素。根據(jù)紫外-可見光譜分析，甜菜色素具有較寬的吸收光譜，有作為染料敏化電池的光敏劑的應(yīng)用潛力。染料敏化電池(dyesensitized solar cells，DSSCs)是第三代太陽能電池。DSSCs裝置由透明導電基板、帶涂層光敏劑的半導體光電極（工作電極）、電解液和反電極組成。為提升DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率，大部分研究工作集中于光敏劑的選擇與利用上[57-58]。其中，TiO2是最常用的半導體光電極，甜菜色素結(jié)構(gòu)中的3個羥基可以與TiO2中的羥基形成強結(jié)合，以此將甜菜色素錨定在半導體表面。據(jù)報道，與花青素中的羥基相比，甜菜紅素中的羧基與TiO2具有更好的錨定作用[59]。此外，與溶液狀態(tài)下染料的吸收相比，甜菜色素-TiO2薄膜（甜菜紅素和甜菜黃素）的吸收光譜具有紅移吸收現(xiàn)象[59,61]。這就意味著甜菜色素和TiO2薄膜之間存在強電子耦合[60]，與其他天然染料相比，可以實現(xiàn)更高的DSSCs轉(zhuǎn)化效率。由于甜菜色素在半導體表面的錨定性優(yōu)于其他天然材料，研究人員將其與其他天然染料結(jié)合，以增加天然染料和半導體之間結(jié)合位點的數(shù)量[60]。如果結(jié)合位點的數(shù)目增加，染料與半導體的相互作用就會增強，注入的電子就會增加，最終進一步提高DSSCs的轉(zhuǎn)化效率。Sengupta[62]研究小組將紅甜菜中的甜菜色素和菠菜葉的葉綠素混合作為光敏劑與ZnO光電極相結(jié)合，當兩種天然染料混合使用時，兩者表現(xiàn)出協(xié)同作用，其效率分別高于單獨的甜菜色素和葉綠素染料?；旌先玖峡梢栽诟鼘挼牟ㄩL區(qū)域吸收光并促進中間激發(fā)能級的形成，從而減少電荷復合。Patni等[61]將花青素、葉綠素和甜菜色素3種不同染料組合在一起發(fā)現(xiàn)，這3種不同組合后的效率要高于2種組合與單獨使用。因此，甜菜色素可作為染料敏化太陽能電池天然光敏劑的天然染料，具有一定價值與潛力。

6.2 綠色緩蝕劑

腐蝕作用給環(huán)境中的材料造成嚴重損害。在工業(yè)中常會采用無機或有機等合成化學品作為緩蝕劑。但是這些化學品價格昂貴，并且大多對生態(tài)系統(tǒng)有害。近年來，天然產(chǎn)物作為一種經(jīng)濟、環(huán)保的緩蝕劑出現(xiàn)，受到人們的廣泛關(guān)注[62]。Ashassi等研究了甜菜紅素在1 mol/L鹽酸溶液中對低碳鋼的緩蝕作用。結(jié)果表明，抑制效率隨甜菜紅素濃度增加而增加，在0.01 mol/L時達到抑制率最大值98%[63]。甜菜紅素的抑制作用可能是由于其在低碳鋼表面的吸附作用。Fares等[64]將甜菜根中提取的甜菜色素用作鋁表面的薄膜涂層，用腐蝕性的1 mol/L HCl溶液對薄膜涂層進行了檢查和驗證，試驗顯示甜菜色素的最大抑制效率可達98.4%。甜菜色素具有環(huán)保、低成本、可持續(xù)性和技術(shù)可行等多方面的獨特優(yōu)勢，是鋁表面新興的可持續(xù)薄膜涂層的重要組成成分。

6.3 食品包裝

基于生物聚合物和天然提取物的活性食品包裝系統(tǒng)越來越多地引起了科學家和工業(yè)界的興趣[65]。這些包裝系統(tǒng)的目標不僅是確保食品安全，還旨在延長食品儲存壽命，同時減少化學合成物對環(huán)境的負面影響[66]。Otálora等[67]將紅甜菜粉與紅甘藍粉作為填料，與植物工業(yè)副產(chǎn)品中提取的果膠一起制備功能性食用薄膜，有望應(yīng)用于pH 4～8、保質(zhì)期30天的食品中。這種智能包裝中天然pH響應(yīng)指示膜可以實時監(jiān)測食品質(zhì)量的變化。近年來，天然顏料和聚合物載體在基于pH響應(yīng)指示劑的智能包裝中的應(yīng)用也顯示出巨大的潛力[68]。Shahab[69]的研究小組將從三角梅中提取的甜菜紅素添加到馬鈴薯淀粉膜中，制作成了一種具有pH和氨敏感性的食品包裝標簽。含有15 mg/g甜菜紅素的薄膜顯示pH 2～13的變化，其顏色從淺粉色變?yōu)辄S色。它還能夠在含有氨0.1～0.01 mg/mL的范圍內(nèi)檢測到氨的存在。

7 結(jié)語

國內(nèi)外眾多學者研究表明，紅甜菜根中含有多種生理活性物質(zhì)，其中甜菜紅素具有抗氧化、保護心臟、降血壓、消炎和抑菌等功能，具有一定的食用價值和藥用價值。在生物活性方面，甜菜紅素在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出顯著的抗瘧性，同時也表現(xiàn)出了一定的抑菌性、抗炎性和抑制部分病毒的作用。在預防緩解心血管疾病、保護神經(jīng)作用上，甜菜色素也有不錯的表現(xiàn)，這些特性在未來的醫(yī)療保健領(lǐng)域有著不錯的應(yīng)用前景。紅甜菜根加工形式多樣，可以制成膳食食品、飲料等，或作為添加劑加入食品中提升產(chǎn)品附加值與功能性。因此研究生物合成甜菜紅素，提高甜菜紅素產(chǎn)能，對于甜菜紅素的食品、工業(yè)等開發(fā)應(yīng)用具有積極影響。此外，紅甜菜植株本身所具有的凈水能力、甜菜色素在染料敏化太陽能電池和綠色緩蝕劑上的應(yīng)用，具有環(huán)保、低成本和可持續(xù)性等多方面優(yōu)勢。因其本身具有的多種特性，在未來的應(yīng)用方向也有著多種可能。