食用天然色素的提取及研究现状

食用天然色素的提取及研究现状

摘要：随着生活水平的提高和人们对食品质量安全的重视，从天然产物中提取天然色素是目前和未来天然色素发展的主要趋势。本文就天然食用天然色素的提取、纯化方法及应用存在的问题进行介绍。

关键词：天然食用色素；提取；应用

Extraction And Application Of Natural Edible Pigment

Abstract: With the increasing of people’s living level and attentions on quality and safety problems, extracting natural pigments from natural products becomes to be the main direction now and future.This paper mainly talks about several kinds of extracting methods of the natural pigments and problems in applications.

Keywords: natural edible pigment;extraction;application

1 前言

食用色素按来源可分为天然和人造色素两大类。近年来发现人工化学合成色素有的存在致癌和致突变作用，故天然色素日益受到人们重视。食用天然色素色泽自然，种类繁多，其中很多主要成分是食物中的固有成分，许多食用天然色素对人体的多种疾病还具有非常突出的治疗、预防等药理作用和保健功能。由于食用天然色素具有安全、色泽自然鲜艳、多数不受添加剂的限制和使用范围广泛而得到迅速发展。近年来，随着人们日益增长的物

质生活需求及文化素养、科学水平的不断提高，人们意识到合成色素对人体有害，甚至有致癌的危险。天然食用色素安全可靠、无毒副作用，色调自然，接近天然物质的颜色；有些天然食用色素还具有营养功效[23]和对人体的某些疾病具有预防、治疗等药理作用和保健功能。因此，寻求和开发天然色素对保障人类身体健康，促进食品工业的发展具有十分重要的意义。

我国自然资源十分丰富，如红花、栀子、紫草、玫瑰茄等广泛分布在我国新疆、江西、河南、河北、安徽等地。它们不仅是我国的传统药材，而且是提取红色、黄色、紫色等色素的优良原料。另外一些农副产品经过深加工后，可制得天然色素，如玉米色素、红米色素、辣椒色素、萝卜素，高粱红等。合理开发利用我国的自然资源和农副产品，将为人民提供安全性高，有一定营养价值的天然色素。

2 食用天然色素的提取

开发天然色素是世界食用色素业和医药等行业的发展趋势之一。我国目前还处在合成色素与天然色素并存及同时发展的状态。由于合成色素的安全性问题，不少合成色素在各国允许使用的程度被大大限制，尤其是在食品、医药和化妆品行业，所以，天然色素的提取和应用是现在和未来发展的主要方向。

天然色素的提取、纯化工艺多种多样，主要有水浸提、有机溶剂提取、碱提取、超临界流体萃取、微波及超声波处理、树脂吸附分离纯化、酶法处理和膜技术等。在天然食用色素提取与精制过程中采用各种高新技术可以大大促进天然食用色素产业的发展。

2.1 水浸提

水浸提是提取水溶性色素行之有效的手段，大多采用热水、酸水、碱水浸提。其中碱提法主要是应用了碱对多种生物物质的影响作用。其提取效率从经济角度和安全性考虑有应用价值。辣椒红色素的碱提取是以15%-40%的NaOH水溶液处理辣椒油树脂，使辣椒红色素中的脂肪成分发生皂化反应，从而将辣椒红色素游离释放出来，再分离精制可得到产品[1]。虾壳中的虾青素大多与蛋白质结合，应用碱液脱蛋白的原理，当用热碱液煮虾壳时，蛋白质溶出，虾青素也随着溶出，从而达到提取虾青素的目的[2]。因姜黄色素易溶于碱水，可用碱水对姜黄色素进行浸提，使用1%的NaOH溶液提取姜黄色素效果较好[3]。

由于碱提法加工过程需消耗大量酸碱，且废液较难回收，因此近几年来对碱提法的研究报道也较少。

2.2 有机溶剂提取法

对于水溶性较差，甚至不溶于水的脂溶性色素，采用有机溶剂浸提。溶剂提取法是目前从动植物中提取色素的一种普遍常用的方法。生产上普遍使用的有机溶剂为乙醇，乙醇具有无毒、安全性高、易回收利用等特点。主要采用醇浸提、酸醇浸提。将虾壳用盐酸浸泡24h后过滤，虑渣用95%乙醇浸泡，提取液经蒸馏后得到浓缩的粗制虾青素提取物[2]。用碾米机剥下黑米表面层10%左右的米皮糠，先用植物油提取，去掉米皮糠中的油脂，再用乙醇水溶液浸提黑米色素，滤去杂质浓缩干燥即得到色素成品[4]。从辣椒中提取辣椒红素是将干辣椒磨成粉后浸泡在丙酮、乙醇、氯仿、三氯乙烷等有机溶剂中进行。用溶剂法提取辣椒红素，由于原料成分复杂，现使用的有机溶剂的选择性差，使所得产品纯度差且有异味，必须将产品浸膏进一步脱臭精制，方可应用，但由于异味物质和色素成分性质接近，用一般分离或分解方法，操作复杂且很难得到高纯度的辣椒红素[1]。

相对而言，有机溶剂提取法萃取剂便宜，设备简单，操作步骤简单易行，提取率较高，

但用其提取的某些产品的质量较差，纯度较低，有异味或溶剂残留，影响产品的应用范围。

2.3 超临界CO2流体萃取法

该技术最适合于提取分离亲脂性、分子量较小的热敏性物质,由于提取工艺简单，能耗低，萃取剂便宜，提取的产品具有纯度高、溶剂残留少，无毒副作用等优点，越来越受到人们的重视。近来发现该技术在天然食用色素的提取与纯化方面具有独特的优点。

赵亚平等[5]用超临界CO2从辣椒粉中提取辣椒红色素,在原料粒度小于1.2mm、萃取压力25 MPa、温度50℃、流量6 m3/h、时间1h的条件下,得到的辣椒红色素产品各项指标均好于GB10783-1996的要求。张中义等[6]采用该技术对传统溶剂提取方法所得到的辣椒色素进行纯化,在压力18 MPa、温度25℃、萃取剂流量2.0 L/min和萃取时间3 h的条件下,得到了高纯度辣椒色素,产品质量符合FAO/WHO标准的要求。用超临界CO2萃取法得到的番茄红素无异味、无溶剂残留，提取率达90%以上[7]。超临界CO2萃取与有机溶剂提取相比，萃取的紫草色素含杂质少，且含有更多色素组分，全过程仅需2.5-3h，产品色质好，避免了用有机溶剂萃取的溶剂残留等问题[8]。

超临界CO2流体萃取技术是一种新型的绿色分离技术，但因为存在技术尚不完善、设备复杂且昂贵、运行成本高等问题，使这种萃取方法在该领域的发展和应用受到了一定的限制。

2.4 微波萃取法

微波的频率与分子转动的频率相关联，它作用于极性分子上能促进分子的转动,导致分子之间强烈地摩擦，迅速生成大量的热能,温度快速升高。微波可穿透萃取介质，直接作用

于物料内部，使内部温度迅速上升，增大目标物质在介质中的溶解度；微波可增强传质驱动力，加速目标物质由原料内部向界面层扩散,从而使萃取速率提高数倍[9,10]。

陈栓虎等人利用微波萃取了柿子红色素，该色素属多酚类水溶性色素，对光、热稳定性好，对大多数食品添加剂影响不大，安全性高，是一种很有开发前景的食用色素新品种，利用微波萃取柿子红色素，时间短，提取率高[11]。同传统的索氏提取相比,提取时间大为缩短,色价大大提高。张春兰等通过单因素和正交实验，确定了微波法萃取枸杞色素的最佳工艺条件：萃取次数为3次，时间为20 s，浸提率为89.3%，可见利用微波萃取枸杞色素具有加热速度快、受热体系温度均匀、节约时间和能量等优点[12]。李巧玲[13]采用微波强化萃取柚皮色素时,也取得了十分满意的提取效果。

微波强化萃取显示出良好的发展前景和巨大的应用潜力,不过要向规模化工业生产方向发展,还需在微波萃取的基础理论、作用机制、设备放大等方面作进一步的深入研究。微波萃取天然色素技术在实验工作中虽然已经取得一定重要成果，但由于受它的特性的限制，应用范围受到了一定的影响。如果利用微波的促进传质作用，来克服传统浸提中存在的传质障碍，则可大大提高生产效率。目前此项工作正受许多科研工作者的重视，多项研究成果显示出微波萃取这一方法的优越性，开展微波萃取技术在天然色素提取上的应用研究具有广阔的前景。

2.5 超声波强化提取技术

超声波是一种弹性波[21]，它能产生并传递强大的能量，利用超声波的空化作用和它的次级效应(如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等)，可以改变物质组织结构、状态、功能或加速这些改变的过程。若将其运用在固液萃取过程中，则可使细胞周围和细胞内产生环流，从而提高了细胞壁和细胞膜的通透性圆，起到强化萃取过程的作用，有利于细胞

内有效成分的提取。超声波辅助水萃取就是利用这一特点来达到加快细胞释放色素的速度、缩短提取时间、提高色素提取率的目的[22]。

超声波强化提取的作用主要来源于超声“空化”效应。超声“空化”效应是指存在于液体中的微小气泡核在超声波作用下被激活,它表现为泡核的生长、振荡、收缩及崩溃等一系列动力学过程。由于超声波对体系的升温作用较小,因此很适于热不稳定成分的提取。

李云雁[14]运用超声波技术从板栗壳中提取棕色素,得到优化的工艺参数为:提取温度为70℃、超声提取2次、每次1 h，在此条件下的提取率为64 mg/g,远高于常规法。在对栀子黄色素提取的研究[15]中发现,在150 min相同时间内，超声波(71W)作用下的栀子黄色素浸提率为搅拌(300 r/min)条件下的2.38倍。

近年来,对超声波强化提取、分离的研究取得了明显进展,并展现出良好的应用前景。利用超声波实现提取过程的强化,成为开拓高效、节能、降耗工艺过程的主要途径之一。

2.6 树脂吸附分离、富集

大孔吸附树脂多为白色的球状颗粒,粒度为20-60目,通常分为非极性和极性两大类,还可根据极性大小分为弱极性、中等极性和强极性。它的理化性质稳定,不溶于酸、碱以及有机溶剂。通常由苯乙烯、丙烯酸酯等单烯类成分作为单体和二乙烯苯等双乙烯类成分作为交联剂聚合而成。大孔吸附树脂具有吸附容量大,选择性好，吸附速度快,解析容易,机械强度高，再生处理方便，可反复使用等优点。大孔吸附树脂在天然食用色素制备中已经取得了良好的试验效果。

彭永芳[16]等用大孔吸附树脂吸附和分离密蒙花黄色素，选用X-5作吸附剂，洗脱剂用

60%乙醇，得率为8%，产品色价为传统法的3.7倍；马银海[17]以AB-8大孔树脂作为吸附剂、80%乙醇为洗脱剂，从黑糯米制备色素，产品色价(E1%1cm 520nm)达到224，是传统方法所得产品色价(E1%1cm520nm=58)的3.9倍。

大孔吸附树脂是20世纪70年代发展起来的新型有机高聚物吸附剂。近年来大孔吸附树脂法已成为天然药物及生物活性成分提取和精制的一种有效方法，而且工艺简单、生产成本较低。

2.7 酶工程技术

在天然食用色素生产中，选用特定的酶，通过酶催化定向反应，可以达到其它方法难以达到的目的。利用酶工程反应技术，可以使原料中的色素“前体”物质转化为所需要的天然食用色素成分，显著提高天然食用色素的得率；可以除去天然色素粗品中不易去除的杂质，提高产品质量；还可以通过控制酶促反应条件，生产出不同色调的食用色素。

在栀子系列色素生产中，提取栀子黄色素后的废液中含有大量的栀子苷，加入β-葡萄糖苷酶使栀子苷水解成京尼平，京尼平和氨基酸作用可得到栀子蓝色素，采用不同的工艺还可以得到栀子红色素、绿色素[18,19]。另外，采用酶对含栀子蓝色素的植物果实进行水解，也可明显提高栀子蓝色素的产量。

在天然食用色素生产中，酶工程技术是近年来才引入的新兴技术。由于天然色素一般对高温、强酸、强碱敏感，而酶催化反应条件温和,一般在较低温度、接近中性的条件下就能进行，所以非常适合于天然食用色素的制备与精制。

3 应用现状及发展中存在的问题

据资料统计。1971-1981年世界公开发表的食用色素专利数为126个，其中

87.5％是食用天然色素。日本1995年食用天然色素的用量达23604t。食用合成色素仅186 t，日本目前有45家工厂生产食用天然色素。美国1976年食用天然色素的使用量为4500万t，是化学合成色素的5倍。而中国1996年合成色素的产量约为800t，而食用天然色素的产量约达10000万t(其中焦糖色素7000t)，目前在中国生产食用天然色素的工厂百余家，1998年产量已达25000万t。

目前国际上已开发的食用天然色素共有100余种。中国正式批准的(1998)共47种，日本列为允许使用的共约102种，欧共体13种，英国26种。全世界食用色素的总金额约为13.4亿美元，其中合成色素约4亿美元，天然色素约9.4亿美元。近年来合成色素的增长量不大，而食用天然色素以约每年4%的速度递增。

在十几年前，全世界仅有美国可口可乐公司拥有商品性的天然β-胡萝卜素的水溶品的国际专利技术，而且售价几万元人民币/kg，而近几年我国已利用发酵法生产出了β-胡萝卜素，含量为90%以上，售价为1.1万元/kg。辽宁科光天然色素有限公司又从蚕砂中成功地提取了β-胡萝卜素(油溶品和水溶品。这是食用天然色素研究的一大突破。还有用黑芝麻为原料提取的黑芝麻色素、用乌饭素提取的兰黑色素和从西双版纳地区找到的一种染饭花提取的红色素，以及楮树果壳提取的棕色素，从沙棘中提取的沙棘黄色素，这些色素对光、热、pH的稳定性在现有色素品种中都是出类拔萃的。这将为天然色素大家族中增添新的优良品种。为解决天然色素光、热、pH稳定性有着重要启示。

天然食用色素原料资源较广，如何选择那些资源丰富、成本低廉、色素稳定、色调艳丽、无毒无害、市场需求的品种；如何利用新资源提取新品种，针对现有天然食用色素对光、热、pH值、金属离子的稳定性，以及提取工艺提取方法进行研究，是现今广大科研人

员最迫切的任务。

天然食用色素可以应用于各种食品之中，如饮料、糖果、乳制品、糕点、鱼、畜肉和罐头制品、加工蔬菜、水果和调味料等。部分天然色素产品还适用于化妆品、医疗、肥皂、保健品等行业。尽管天然食用色素具有安全性高、色调自然、兼备营养和药理作用等优点，但目前其使用范围仍受到局限，究其原因，天然色素大多稳定性较差，在加工和流通等过程中易受外界因素的影响而发生不同程度的劣变；另外天然色素本身还存在染着性差、难配色，以及异味、异臭等问题。

当前，食用天然色素的发展前景令人鼓舞，虽然我国天然色素的发展起步较晚，但是我国在食用天然色素科研、新产品开发和产业化、技术和工艺的提升和创新等方面的进步都是为世人瞩目的：我国允许生产和使用的天然色素有四十余种，生产厂逾百家，年产量超万吨。但是，尽管我国天然色素的发展取得了喜人的进展，与国外相比，仍然存在着不足之处，如纯化精制工艺相对粗糙，产品质量差，纯度低，有异味和溶剂残留，成本较高等问题。另外，尽管有天然色素出口，但是大部分是半成品形式出口，所以天然食用色素在我国的发展仍需进一步的深入和提高，降低生产成本，提高色素纯度是将来的发展趋势。还有对天然色素的特性和结构性质等问题研究的也比较少。

4 结语

我国幅员辽阔，位处寒、温、亚热、热带地区，植物资源丰富，品种多，许多品种产地集中，南北都有食用天然色素生产的原料，都可以开发利用。特别是一些农产品，如辣椒、萝卜、番茄、玉米、高粱等更是随处可见，这就为天然食用色素的开发提供了丰富的原料，也为农副产品深加工开辟了新的途径。天然食用色素的应用使一些食品的营养更加丰富，并且具有一定的保健功能。相信随着人们对食品安全性和健康的日益重视，食用天

然色素的开发与应用必将会有越来越强劲的发展势头。

随着对色素研究的深入，天然食用色素的生理活性逐渐被发掘和证实，加之世界各国相继制定法规，淘汰部分有毒的化学合成色素，其将会受到更多的重视， 特别是功能性天然色素。因此，那些不仅能够为食品提供缤纷的色彩，而且能够赋予食品营养健康功效的天然色素将逐渐取代化学合成色素，成为世界食用色素发展的总趋势。

参考文献：

[1] 史兰香,赵全海,冯美卿,张萍.辣椒红素的应用及提取工艺评述[J].河北轻化工学院学报,1998,19(45):77-79.

[2] 丁纯梅,陶庭先,吴之传.龙虾壳的综合利用(I).虾壳红色素的提取及其性质研究[J].化学世界,1995,(8):444-445,434.

[3] 刘树兴,胡小军.姜黄色素的研究进展[J].陕西科技大学学报,2003, 21(4):37-39.

[4] 王学增,王景晨,王亚蕾,等.碱溶酸沉法提取黑米天然色素的研究[J].信阳师院学报.1995,(4):392-395.

[5] 赵亚平,胡成一,林茂福,等.超临界CO2流体提取辣椒精细成分的研究(Ⅰ)-从干辣椒中提取辣椒色素[J].食品工业科技,1996(4):15-18.

[6] 张中义,孙君社,章银良,等.超临界CO2纯化辣椒色素的研究[J].郑州轻工业学院学报,1996,11(4):55-58.

[7] 祝曙华等.番茄红素的性质及提取方法[J].农牧产品开发,2001,(5): 14-15.

[8] 梁瑞红,谢明勇,施玉峰.紫草色素超临界萃取与有机溶剂萃取之比较[J].

食品科学,2004,25(3):130-132.

[9] 梅成.微波萃取技术的应用[J].中成药,2002,24(2):134-136.

[10] CAMEL V.Recent extraction techniques for solid matrices

supercritical fluid extraction,pressurized fluid extraction and microwave-assisted extraction:Their potential and pit-falls[J]. Analyst,2001,126:1097-1104.

[11] 陈栓虎,王翠玲,石梅,等.柿子红色素的提取及稳定性研究[J].西北大学学报(自然科学版),2004,34(6):677-679.

[12] 张春兰,冯作山.微波法萃取枸杞色素的研究[J].信阳农业高等专科学校学报,2004,14(41):11-12.

[13] 李巧玲.微波萃取技术在天然食用色素提取上的应用[J].食品科技,2003 (10):60-61

[14] 李云雁,宋光森.超声波协助提取板栗壳色素的研究[J].食品科技,2003 (8):57-58.

[15] 蔡美强,计建炳,陆向红,等.超声场对栀子甙提取过程的强化[J].化工时

刊,2004,18(3):34-36.

[16] 彭永芳,马银海,闫孝金,等.大孔树脂吸附分离密蒙花黄色素[J].离子交换与吸附,1998,14(6):494-498.

[17] 马银海,彭永芳,张永丽,等.吸附和分离黑糯米黑色素[J].食品科学.2000, 21(12):93-94.

[18] 孙力军,熊晓辉,沈昌,等.用二步法生产天然食用栀子蓝色素[J].南京农业大学学报,1994,17(4):98-101.

[19] 吴拾荆,李华.栀子红转色酶的研究[J].中国食品添加剂,2003(6):31-33.

[20] Spanos G A,Chen H Schwartz S J.Supercritical CO2 Extraction of

β-Carotene from Sweet Potatoes[J].Journal of Food Science,1993，4(58):817-820.

[21] 马远鸣．超声波技术[M]．西安：陕西师范学院出版社，1980：30—32

[22] 孙雪花.超声波辅助提取紫甘蓝天然色素工艺优化[J].食品研究与开发,2009,30(12):106-108.

[23] 云智勉，杜友珍，余琼虹，等．天然多功能食用色素的研究进展[J]．广东微量元素科学，2OO6，13(2)：12—16．

[24] DABIRI M.SALIMI S,GHASSEMPOUR A．Optimization of microwave — assisted extraction for alizarin and purpurin in Rubiaceae plants and its

comparison with conventional extraction methods[J]．Sep Sci，2005，28(4)：387-396．

[25] BASU M．Beta—carotene prolongs survival，decrease lipid preoxidation and enhances glutathione status in transplantable murine lymphoma[J]，Phytomedicine，2000，7(2)：15l—l59．

[26] CADONI ENZO.RITA DE GIORGI，ELENA MEDDA，et a1．Supercritical CO2 extraction of lycopene and β—carotene from rip tomatoes|J]．Dyesand Pigmenls．1999，44（1)：27-32．

[27] DAVID C W，HARVEY E I，SCOTT K C．The analysis of pantothenic acid in milk and infant formulas by HPLC[J]．FoodChemistyr，2000，69(2)：201—208．

[28]PUPIN A M，DENNIS M J，TOLEDO M C F．HPLC analysis of carotenoids in orange juice[J]．FoodChemisry，1999，64(2)：269—275．

[29]RISO P，PORRINI M．Determination of carotenoids in vegetable foods and plasma[J]．IntenrationalJounrla for Vitamin and Nutrition Research，1997，67(1)：47—54．

[30] ANDEREAS D，PETER W．Isolation of natural pigments by high speed CCC[J]．Journal of Liquid Chromatography&Related Technology，2001，24(11／12)：1745-1746．

[31] MICHAEL S，SILKE H．Application of high-speed countercurrent chromatography to the large scale isolation of anthocyanins[J]．

Biochemical EngineeirngJounral，2003，14：179—189．