食用天然蓝色素的开发与应用
作者 何 易 许光治
色素分为天然色素和合成色素两大类。天然色素可从动物、植物和微生物等天然资源中获取，从植物提取的色素通常来自树皮、根、根茎、叶、花和果实。常见的天然色素包括花青素、甜菜碱、叶绿素、姜黄素、胭脂酸、番茄红素和类胡萝卜素等。合成色素是通过化学合成的方式获取的，因其产量高、耐久性好、价格低廉、着色力强、色彩多样等优点，曾经几乎取代了天然色素。然而有研究表明，合成色素中存在砷、铅、汞、氯化物等物质，它们对人体均有不同程度的毒性 [1]。此外，由于“苏丹红”等类似事件频发，人们逐渐意识到合成色素带来的健康和环境问题。与合成色素相比，多源自植物的天然色素性质稳定、毒性低、无致癌风险，同时具有良好的生物相容性和生物降解性。因此，天然色素又重回大众的视野，成为新时代食用色素的主力军。
天然蓝色素
天然蓝色素具有极高的应用价值，现已广泛应用于医药、化妆品、印染及食品等多个领域。但其实在常见的天然色素中，蓝色素的自然来源非常有限，这就导致消费者看到相关的蓝色食品后往往会给其贴上“人造蓝”的标签，认为其可能具有潜在的健康风险 [2]。此外，色彩往往会使消费者产生相应的视觉心理效应。过去，曾有研究者对黄薯和蓝薯的消费情况进行过比较，用以验证蓝色食物给消费者带来的心理影响和消费选择。结果显示只有28%的消费者选择了蓝薯，其原因仅仅出于他们对新产品的好奇心理。然而，近几年这种现象基本消失了，市场上蓝色冰激凌、蓝色蛋糕以及深受儿童喜爱的蓝色糖果随处可见。经典蓝还被全球最权威的色彩研究机构潘通（Pantone）确定为2020年流行色。
天然蓝色素的应用领域
添加天然蓝色素的多种食品
食用天然蓝色素
常见的天然蓝色素包括环烯醚萜衍生物蓝色素、藻蓝色素、靛蓝色素、蚝绿素和花青素等 [3]，而在我国现行食品添加剂使用标准GB2760-2011中，允许使用的食用天然蓝色素仅有栀子蓝色素、藻蓝色素和靛蓝3种。
环烯醚萜衍生物蓝色素
环烯醚萜衍生物蓝色素有较长的安全使用记录，与藻蓝色素和花青素相比，环烯醚萜衍生物蓝色素对热、光和pH变化具有更高的稳定性。该类蓝色素的前体存在于茜草科植物中，如我国的栀子和美洲植物格尼帕。栀子是茜草科的常青树，在我国广泛栽培，果实小、橙色、椭圆形，长1.25~2.5厘米 [4]。栀子苷是存在于栀子果实中的主要环烯醚萜苷类化合物之一，可作为天然黄色着色剂使用。栀子苷从植物原料中提取后，被β-葡萄糖苷酶水解，释放出京尼平和葡萄糖，当京尼平与氨基酸等伯胺类化合物反应时，就会生成蓝色素。而当京尼平与不同的氨基酸缩合反应时，则会生成不同的蓝色素。栀子蓝色素主要用于硬糖、饮料、果汁等的着色，使用量为0~1.5克/千克。此外，由于栀子蓝色素溶解性好，着色力强，常见的金属离子、酸、碱对其色调基本无影响，因此还广泛应用于药品、化妆品和生物材料方面。
日本研究者曾对栀子蓝色素的生成机理及应用性进行了深入研究，解决了栀子蓝色素色调暗的缺点，研制出了稳定性优良、色泽鲜明的栀子蓝色素。我国于1980年代开始对栀子蓝色素展开研究，研究人员采用微生物发酵和酶促发酵反应分开的二步法制备了色泽鲜明的栀子蓝色素。还有研究人员利用大孔吸附树脂和离子交换树脂对栀子蓝色素进行分离纯化研究，制备了纯度高、色价优良的栀子蓝色素，在栀子蓝色素的研究上取得了长足的进步。
笔者团队基于以往学者的研究，利用新型赖氏菌菌种（Leifsonia sp. ZF2019）进行微生物发酵，创新性地从栀子黄废液中制备出了色泽亮丽、稳定性良好的栀子蓝色素。此外，还从该菌种中筛选出了高活性的β-葡萄糖苷酶，可用来定向催化生成性能和稳定性优异的栀子蓝色素，对今后开展大规模的工艺制备起到了积极的推动作用。然而，当前对栀子蓝色素的生物活性研究得相对较少，仅有少数研究指出其具有良好的抗氧化性能，因此，有待于今后进行深入的研究与探索。
格尼帕是美洲本土植物，也属于茜草科 [5]。果实为椭圆形，长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实主要用于果汁、果酱和酒类生产。通常，从格尼帕果实中提取京尼平时，需要监测该果实的成熟度，因为京尼平仅在其未成熟的果实中大量存在。当未成熟的格尼帕果实被切开并暴露在空气中，它的果肉会逐渐变成蓝色。这是由于在氧气的作用下，京尼平与天然存在于格尼帕果肉中的氨基酸发生了反应后产生了蓝色素。与未成熟的果实相比，成熟果实的环烯醚萜含量降低了90%。
藻蓝色素
藻蓝色素又称藻蓝蛋白，是一种来自真核藻类，如红藻、隐藻和蓝藻等的蓝色着色剂。其主要来自钝顶节螺藻，俗称钝顶螺旋藻。其干燥生物质的商业名称为螺旋藻。藻蓝蛋白被认为是一种用途更广的食品着色剂，主要应用于果冻和软糖类食品。然而，由于藻蓝蛋白本质上属于蛋白质，其稳定性受到很多因素的限制，因此主要应用于pH为中性或微酸性的含糖食品。通常来说，藻蓝蛋白主要适用于高糖、高蛋白质、低含水量以及酒精含量在20%以下的食品环境。
藻蓝蛋白近年来获得了大量的关注和研究，具有很高的营养和药用价值 [6]。其具有的多种生物活性，如免疫调节、抗癌，抗糖尿病、抗氧化、抗炎、抗病毒、抗真菌、抗纤维化、降脂、金属螯合以及对生殖系统和多种器官的保护作用等均已被广泛报道。此外，藻蓝蛋白的离体实验表明其具有类似红细胞生成素的作用，可刺激红细胞集落生成。同时，许多研究也进一步支持了提高螺旋藻生物量和纯化藻蓝蛋白将有益人体健康的观点。藻蓝蛋白还具有独特的荧光性质，我国学者研究发现，高度纯化的藻蓝蛋白可作为生物医学研究和诊断的示踪剂，也可作为食品中的重金属示踪剂。除此之外，作为藻蓝蛋白干燥生物质的螺旋藻在化妆品中可用作着色剂、抗氧化剂、增稠剂和水结合剂等。因此，应当给予藻蓝蛋白及相关产品更高的关注度，开发出更多的产品种类，进一步促进相关产业的发展。
靛蓝色素
靛蓝是人类已知的最古老的色素之一，易着色，有独特的色泽。有研究显示，靛蓝提取物具良好的抗氧化、镇痛和抗炎活性 [7]。我国食品添加剂使用卫生标准GB2760-2011中规定，靛蓝可在蜜饯类、果蔬汁饮料类、凉果类等多种食品中使用，允许添加量为0~0.3克/千克。
天然靛蓝色素来自靛蓝植物或菘蓝植物，其前体物质为吲哚，因被氧化而产生了绿蓝色。随着靛蓝在食品、化妆品及印染业的大量应用，对天然靛蓝的需求也逐年增加，因此通过环保途径合成靛蓝的方法得到了越来越多的重视。天然植物靛蓝的制备是将含有吲哚酸的植物浸泡在发酵池中，在微生物分泌酶的作用下经过氧化缩合进而生成不溶于水的靛蓝。然而，这类植物原材料的获取容易受到季节、气候、产地等因素的制约，因此微生物产蓝色素正在逐渐成为制备天然靛蓝色素的重要来源之一。
目前，国内外研究者已利用多种生物转化合成酶的方法生产天然靛蓝色素。研究者利用定点突变技术定向进化来自巨大芽孢杆菌的细胞色素P450BM-3，获得具有3个突变位点的突变酶，并发现该突变酶能够催化吲哚生成靛蓝。此外，研究者又以细胞色素P450BM-3为亲本酶，通过易错聚合酶链式反应体外定向进化技术，获得了高活力的突变株，而这些突变株和催化吲哚的衍生物则会生成天然靛蓝类染料。因此，未来需要进一步在菌株筛选上开展详细分析，以获得更多高活性、能应用于实际生产的工程菌。
花青素
花青素一词取自希腊语“Anthos”（花）和“kyanos”（蓝色），是一种存在于植物中的黄酮类化合物。花青素是水溶性着色剂中最大的一类，同时也是除叶绿素之外肉眼最容易看到的着色剂。花青素能产生从红紫色到深蓝色的各种颜色，通常来说，在酸性环境（pH<2）中，其呈现深红色到橙色；而当pH为2~4时，其主要呈蓝色 [9]。花青素存在于颜色鲜艳的植物的根、叶或花瓣中。一般来说，花青素在水果，特别是浆果，如蓝莓、樱桃、树莓、草莓、黑加仑等中的含量十分丰富。
花青素具有很强的抗氧化活性，同时还具有良好的抗炎、抗癌和抗菌活性。此外，研究表明花青素还可预防糖尿病、肥胖症以及心血管疾病的发生。基于这些特性，作为天然着色剂的花青素有望成为合成食用着色剂的替代品，引起了食品行业和消费者的极大兴趣。然而，花青素的色泽和稳定性易受到多种因素，如温度、光照、金属离子、氧化剂、还原剂等的影响，因此研究人员需采取一定的措施来增强花青素在食品基质中的稳定性。已有研究显示，紫甘蓝中的花色素可与铁离子络合成稳定的蓝色素，这为今后进一步开展有关花青素稳定性的研究及开发增强其稳定性的相关方法提供了借鉴。
蚝绿素
蚝绿素是一种由海洋硅藻合成的蓝绿色色素，是动物王国中为数不多的蓝色素之一。蚝绿素溶于水，在酸性条件下为蓝色，在碱性条件下则为绿色，瘀伤是导致其变蓝的主要因素 [8]。利用微生物和藻类提取蚝绿素类着色剂的主要问题是整个提取过程的成本过高，这就使其较难得到广泛的应用。此外，目前鉴于蚝绿素的化学结构尚不明确，对于蚝绿素是否可应用于食品以及是否会影响人体健康也有待于进一步研究。
不同种天然蓝色素的来源及其生理特性
随着社会的发展，消费者越来越热衷于选择更健康的产品。在食品行业，天然色素对健康具有诸多益处，逐渐取代合成色素将是必然的。然而，从上述介绍的几种天然蓝色素的研究中可以发现，大多数天然蓝色素缺乏稳定性。而从天然蓝色素的提取、食品加工及最终产品的储存等，每一个阶段都可能导致天然蓝色素的降解。色素降解既损害产品的感官属性，也影响其生物活性价值。因此，将天然蓝色素应用于食品中仍然具有一定的挑战性，研究者需不断创新提取和制备工艺，开发出更多的可广泛应用于食品工业的稳定天然蓝色素。
何易，硕士研究生；许光治，副教授：浙江农林大学食品与健康学院，杭州 311300。guangzhi@zafu.edu.cn
He Yi, Master Degree Candidate; Xu Guangzhi, Associate professor: College of Food and Health, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Hangzhou 311300.
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关键词：食用天然蓝色素 制备 应用 ■
END
本文刊载于2021年第73卷第6期《科学》杂志（P55）
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《科学》2021年第73卷第6期已出版发行
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