外部因素对甜菜色素稳定性的影响

罗成飞，代翠红，程大友

(哈尔滨工业大学化工与化学学院)

0 前言

通常食品颜色是食物的重要属性之一，它被认为是质量的一个指标，是为消费者所接受的重要感官特征。天然来源的色素变得尤为重要，其中常用的有自然衍生的食品着色剂，类胡萝卜素，叶绿素，花青素和甜菜色素。天然食品原料的颜色在食品中扮演者很重要的角色。当天然色素从原材料中提取出来，并用于加工食品的着色，色泽的稳定性和分子的完整性变得至关重要。这些色素的稳定性不仅要持续到消费者购买这些产品的时候，还应当一直持续到消费结束，只有这样这个色素的生物学功能才能算被万民体现到产品中。影响甜菜色素稳定性的外在因素包括氧，温度，pH，光，以及食品加工过程中化学物质。另一方面，红甜菜中的影响稳定性的内在因素，除了原料的质量，还有甜菜中酶的作用，其中包括：多酚氧化酶(PPOs)和过氧化物酶(PODS)。

1 环境因素

1.1 温度对甜菜色素稳定性的影响

温度是影响色素温度的另外一个主要因素之一。同时我们也指导温度也是常规食品加工过程中不可缺少条件。温度常常造成甜菜色素以及维持色素稳定性的许多其它成分的降解，尽管它也有积极的影响，比如导致酶失活。研究表明，甜菜色素热降解主要取决于温度，加热的程度，氧和色素浓度[1]。另一项研究报告表明，甜菜苷在85℃加热会导致主要水解裂解产物的形成和其他一些脱羧和脱氢产品的产生[2]。研究发现甜菜红素，在pH为5.5的缓冲液中隔绝光线和空气条件下40保存是稳定的。研究还发现，甜菜红素以冻干粉状态存较在22℃的溶液中存储其稳定性可延长20个星期[3]，这是由于水活度产生的影响。这些结果表明，红甜菜色素可用于如乳制品，冰淇淋和糖果等产品中。这需要在pH为5.5条件下制备，并存储在22℃以下。在酸的存在时加热红甜菜汁会引起甜菜色素降解形成单羧酸盐，二羧酸盐和三羧酸盐和甜菜红素苷的混合物。纯化甜菜红素苷样品加入乙酸后发生脱羧，然后在75-80℃下进行一个小时以上加热。所得的产物用高效液相色谱法与串联质谱(LC-MS / MS)和二极管阵列(LC-DAD)检测分析。结果表明：可以形成许多衍生物，其中包括17-脱羧甜菜苷，2-脱羧甜菜苷，2,17-双脱羧甜菜苷和其同种型14,15-双脱氢甜菜苷，也被称为新甜菜苷[4]。除了脱羧，加热也是已知的可以产生甜菜色素脱氢衍生物的方法。一些主要的脱氢物质包括2,17-双脱羧-2,3-脱氢新甜菜红素，2-脱羧-2,3-脱氢新甜菜红素，2,15,17-三脱羧-2,3-脱氢新甜菜红素和14,15-脱氢甜菜红素。甜菜色素热处理后，单脱羧酸盐，双脱羧酸盐，和三脱羧甜菜红素的混合物以及它们的相应的新甜菜红素一同被确定，其中对差向异构化以及一对脱羧甜菜红素进行质谱(LC/ MS-MS)和二极管阵列(LC-DAD)分析(Wybraniec 2005) 。苋属的甜菜红素的粉状提取物的稳定性比其溶液形式相比更高，这表明干燥的粉末适合用于商业食品着色剂[5]。

1.2 光对甜菜色素稳定性的影响

光对甜菜色素稳定性的影响也比较大。光甚至在低于40℃的条件下也会影响甜菜色素的稳定。光导致甜菜色素的降解是由于光在紫外线和可见波长的吸收导致甜菜素生色团电子激发到更高能量的状态引起的。这会导致更高的反应性或更低的分子活化能。光照和氧气表现出对甜菜色素的协同降解能力。当单独测试，光和氧会分别引起15.6%和14.6%的降解，而这两者的组合则会引起28.6%的降解。通过一个红甜菜色素稳定性的研究，Herbach等人(2004)证明了由光引起的色素的降解取决于氧的存在，因为在厌氧条件下通过光诱导的降解可以忽略不计。光诱导的降解可以用0.1-1.0%水平抗坏血酸来保护，这进一步表明，溶解的氧起了作用[6]。从仙人掌科龙神柱属的茎组织提取的色素表明，在pH5.5，87.09±8.53 JK-1mol-1光能下能诱导色素产生最大程度的降解[7](Reynoso et al. 1997) 。该研究还表明，金属离子可引起色素降解。与铬相比，铁会产生较高的降解效率。在叶绿素和类胡萝卜素降解的情况下，由光引起的甜菜色素的降解遵循一级动力学，而且死细胞中色素降解活细胞更快。在溶液中的降解模式取决于所使使用的有机溶剂。

并非所有的光源都会造成甜菜色素降解；不同波长的光对甜菜色素降解的影响不同。Kishima et al. (1995)通过辐照马齿苋属的愈伤属组织，结果表明，蓝光能够诱导愈伤组织生产较多的甜菜色素[8]。另外，已知紫外光的组合对色素生产具有协同作用 。同样，相似的研究表明，当对露出的红甜菜毛根进行单独或组合的蓝色，红色和远红外灯照射时产生的对色素方面的影响进行研究时蓝光与远红外光的组合引起的不只是甜菜色素较高的积累，还包括总糖和蔗糖含量的升高[9]。

1.3 pH对甜菜色素的影响

pH值是影响甜菜颜色的稳定性的主要因素。甜菜色素在pH值在3和7之间相对稳定，如此宽范围的pH值为其在食品饮料中的应用提供了一个很宽范空间[1]。我们知道，甜菜色素受pH值影响容易水解裂解。甜菜红素和甜菜黄素降解的最佳pH是3.4 。

1.4 氧气对甜菜色素稳定性的影响

氧气对甜菜色素的稳定性影响比较大。当有氧气存在的时候，甜菜黄素和甜菜红苷都容易降解。当增加氧浓度时甜菜苷的稳定性就会降低。过氧化氢是另一个造成甜菜色素的快速降解另一个重要的大气因素，这可能是通过快速氧化发生作用的[10]。在氧气存在条件下，甜菜红苷的降解遵循一阶动力学。然而，在缺氧的情况下，反应将偏离第一阶动力学，这表明该反应在此条件下是可逆的。也有些观察显示氧气造成的降解可能是不可逆的[11-12]。当甜菜色素溶解时，去除溶解的氧可以增加甜菜色素的稳定性。这可以通过抗坏血酸和异抗坏血酸(强氧化剂)实验得到证实。通过该实验表明，不同的抗氧化剂在氧介导的甜菜色素降解中的作用，证明酚醛和含硫的抗氧化剂对甜菜色素的降解没有保护作用。自由基清除剂对防止甜菜色素降解没有作用。表明降解可能不涉及自由基介导的降解途径。因此，氧气在降解中起着关键作用，并且在光的存在和高于环境温度的条件下，这种作用更明显[11]。

1.5 水分活度对甜菜色素的影响

水分活度是指系统中水分存在的状态，即水分的结合程度(游离程度)。水分活度是对系统中水的能量的测量，水分活度值越高，结合程度越低；水分活度值越低，结合程度越高。水分活度Aw的定义为一定温度下食品所显示的水蒸气压P与同一温度下纯水蒸气压Po之比，即：Aw=P/Po。

提取物中水/湿气的含量可以显著地影响其降解。水可以显著影响甜菜色素水解活性。在许多食品中，水分含量小于5%，该含水量的产品有利于防止甜菜色素的降解。换句话说，食品中水活度0.64(Aw)以下的甜菜色素更具有长期稳定性[13]。像果胶和糖酸等植物成分具有低的水活度，它们对其他像花青素等类似色素的降解起保护作用。植物组织在甜菜色素和其它色素的稳定性方面也起着重要作用[1]。红甜菜和仙人掌(火龙果)是甜菜色素的两个主要来源。它们含有高浓度的果胶，这可能使得色素具有更好的稳定性。因此，在甜菜色素的商业产品在提取过程时，常常是一起进行提取，而不是纯的提取甜菜色素。这不仅是为了成本，主要是从色素稳定性的角度出发。通过喷雾干燥后存储在明胶壳中甜菜色素的比果胶壳中的稳定性更强。

2 加工处理对色素稳定性的影响

2.1 在食品及饮品中的稳定性

甜菜色素被用于在许多食品中，如果汁，香肠，蛋糕、巧克力和其他糖果[14-15]，它可以补偿加工过程的色素损失并可赋予食品赋予不同的风味。用甜菜色素作为食品着色剂的历史可以追溯到十八世纪，当时甜菜红色素是用来着色煎饼。传统上红甜菜是红葡萄酒的一种成分，腌制的红甜菜用来放在汉堡中。作为着色剂碳酸饮料已经开发并获得专利。目前有研究人员开发了一种稳定的红甜菜浓缩剂，这是由正常食用红甜菜根和毛根共同经过特殊工艺制成，以糖浆形式的保存的色素，可以广泛的使用于一系列食品中。但该产品还有待于接受如光，水活性，空气和温度等恶劣条件的检验。仙人掌汁成品已被广泛用于甜菜红色素稳定性的研究[16]。对于红甜菜色素的粉剂等固体样品，经过胶囊化和喷雾干燥的甜菜色素有了较好的等稳定性，并在食品着色应用方面已经取得初步成功。明胶包封的产品显示出更高的稳定性[17]。美国(No.1600)和欧盟(E-162)红甜菜的甜菜红素已经被批准使用作商业上的食品添加剂。并且甜菜色素被认为是天然可以被免除认证。这些商业色素被广泛应用于全世界[18]。甜菜红素在包装的猪肉香肠中进行了测试，产品中分别加了红曲(红曲霉)大米，红甜菜根汁和甜菜苷(E162)，加了红甜菜根的香肠的颜色属性最接近新鲜香肠，而那些加了红曲米的显著降低的颜色值。通过使用两种不同类型的光对这款产品进行照射后发现，甜菜的颜色不仅可以保护香肠免受变色，还可以延长储藏期约4天。而且加了红甜菜根的香肠更容易被消费者所接受。因此，红甜菜汁可以作为天然的着色剂应用在新鲜猪肉香肠以及其它肉制品中[19]。这些商业红甜菜粉在乳制品和果汁店和糕点店这类食品饮料品店中会有更好的应用前景。

2.2 发酵对甜菜红素稳定性的影响

发酵指人们借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵过程会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]，利用发酵去除掉它们可以提高剩余的甜菜红色素的浓度。通过调整发酵时的pH、所用的有机物、发酵条件可以降低或提高甜菜红色素以及它的衍生物色素的含量和稳定性。一项研究报告显示乳酸介导的发酵导致了60%的色素含量的损失，而在未接种对照样本中显示，甜菜红色素损失了80-90%[22]。的研究表明，德氏乳杆菌0854和副干酪乳杆菌/杆菌0923可以导致红甜菜色素的最大损失[23]。另一方面，短乳杆菌/副干酪乳杆菌/干酪0944/0916导致红甜菜品种色素的最大损失。发酵可诱导形成甜菜配基和异甜菜素。另一项研究报告了使用酿酒酵母对仙人掌(梨果仙人掌)汁的发酵。在50℃，70℃和90℃下进行的动力学研究表明色素降解是温度的函数。人们还发现，发酵不影响色素的热稳定性。发酵过程已显示出可溶性固形物的含量下降了44%，这可能会提高色素的稳定性有所帮助[24]。另一项研究表明，在发酵过程中甜菜红色素的稳定性将增加20-40%(Socaciu 2007)。Baráth et al( 2004)等人的研究表明，Curvatus2770乳杆菌提供在24小时内最快酸化产生最佳发酵效果。

2.3 加工和储藏过程中的稳定性

食品加工过程可能对色素的稳定性产生负面的影响，在食品中使用的食物基质和其它成分也可以具有积极的影响。如，利用生物反应器培养的毛根甜菜，其特点是色素均匀、色素含量高，因此，利用其生产色素稳定性会更好。毛根生产的甜菜红色素降解较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。利用一些食品添加剂也可以增加甜菜红素在储藏过程中的稳定性。如，抗坏血酸和异抗坏血酸等抗氧化类食物添加剂可以通过去除氧来提高甜菜红素的稳定性[15-25]。除了抗氧化剂，像柠檬酸和EDTA等螯合剂也可以增加存储过程中的红色素的稳定性。葡萄糖氧化酶和β-环糊精可以分别通过吸收水分和除去溶解的氧气来提高红色素的稳定性[25]。

2.4 封装对甜菜红素稳定性的影响

现有的研究结果表明，封装是保持红甜菜色素的稳定性的很有前途一种方法。增加甜菜色素的稳定性和生物活性利用微胶囊封装是比较有效的方法之一。研究表明，使用阿拉伯树胶微胶囊的甜菜红素在小于0.5低湿度条件下的储存，可以保持色素含量达45天。然而，储存在水分活度0.7-0.8间的封装的样品随着抗氧化活性的回升而会现出降解情况[27]。在另一项研究中，甜菜红素丰富的仙人掌果汁和含有麦芽糊精和胰岛的乙醇提取物的微囊显示出显著保留特性在60℃可以保存高达44天[28]。

2.5 提取方法对甜菜红素稳定性的影响

提取甜菜红素的方法比较多。甜菜色素的提取效率取决于萃取方法。在这些不同的技术中，脉冲电场处理、超声以及γ射线可以增加提取效率 。实验发现扩散萃取，固-液萃取和超细过滤提取技术比传统的液压技术更有效[12]。添加抗氧化剂,如抗坏血酸(50 mM)和维生素E可以提高色素的稳定性[7]。用微酸化(抗坏血酸或乙酸)的水来提取甜菜色素可以增加色素的稳定性，这是由于多酚氧化酶的失活[15]。对萃取物(食用红甜菜根)进行短时间的预热有助于防止色素的酶解。其他因素可以用于提高色素稳定性。例如，在黑暗条件下提取，用氧气取代氮气使用螯合剂或者利用低温[1]。另外，在真空状态下提取可以减少色素氧化，增加其稳定性。

2.6 其他因素的影响

甜菜红素降解的其他原因中不适当的灭酶活也是导致甜菜红素降解的原因之一。主要是如b-葡糖苷酶，多酚氧化酶和抗氧化酶。这些酶对甜菜色素的失活有作用。通常认为色素的降解是过氧化造成的，这其中主要是过氧化物酶在起作用。甜菜红素与甜菜黄素相比更容易在过氧化物酶的作用下被降解，因为甜菜中富含过氧化物酶[29]，在加工过程中这种酶的快速灭活处理至关重要，此过程建议使用温度处理。在红甜菜毛根中，在50℃时，过氧化物酶可以稳定存在超过一个小时，而这种酶在pH6和pH9的环境中萃取时对温度却非常敏感[29]。大概由于这些原因，毛根色素提取物比正常甜菜中的更稳定。在红甜菜的提取中，在55℃条件下，使用7.5兆帕二氧化碳高压，连续的进行的30分钟的短时间处理，发现73%的过氧化物酶和93%的多酚氧化酶失活。其中，在传统的加工过程中，也可以在95℃加热5分钟，这也可在一定程度上可降低甜菜苷稳定性[30]。过氧化氢酶的存在可以完全降解甜菜红素，这主要是由于甜菜色素对葡糖苷酶引起葡糖苷化而产生的过氧化氢具有灵敏性。这种对酶的敏感性已被灵活地应用于生产不同水平的降解的甜菜色素。现有的研究表明，甜菜色素的热降解并没有造成任何抗氧化活性的损失[31]，这表明甜菜色素在煮熟的肉制品中除着色作用降低之外其他功效还存在。

3 小结

在导致甜菜色素不稳定的因素中，内部(酶和红甜菜其他组件)因素和外部因素都发挥重要作用。影响色素降解的主要因素如表1。

表1 影响甜菜色素稳定性的主要因素(引自食用甜菜)

续表1

总之，甜菜色素是具有相当好的稳定性和广泛的着色性能优良的天然着色剂。

凭借广泛的生物来源和健康的有益性，甜菜色素成为理想来源的天然食用色素；甜菜色素拥有巨大的市场前景和经济前景[31-33]。目前食物色素的市场价值大约20亿美元，有5万吨以上的需求量，其中，甜菜色素占据了很大的份额。虽然已有研究表明，即使是降解的色素也有有益效果[34]。研究还表明，甜菜色素褐变可通过除氧和抑制氧化酶来控制。甜菜提取物中氮的含量高可以通过发酵过程加以解决。除了红甜菜根，红甜菜细胞培养物已经用于色素开发[35]。另外，根据现有的研究表明，利用生物技术手段培养食用红甜菜毛根生产甜菜色素具有含量高、品质好、甜菜土臭素含量低、加工方便等优点，这是生产甜菜红素较好的一个途径，也是为了的发展方向。