堅果果殼色素的研究進展1）

李德海，劉銀萍，王蕾，史錦碩，賈慶偉

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱150040）

近年來，食用合成色素在食品工業(yè)中超量和違規(guī)使用，對消費者身體健康帶來嚴(yán)重傷害，而天然色素具有安全性高、來源豐富和營養(yǎng)價值高等特點，某些色素還具有藥理保健功能［1－2］，因此利用天然資源開發(fā)天然食用色素成為研究學(xué)者的開發(fā)重點。據(jù)統(tǒng)計，日本的天然食用色素年用量已超過18 000t，為合成食用色素用量10倍以上。美國天然食用色素近幾年銷售額年增長率均高于10%。在天然食用色素的研究開發(fā)中，日本在世界上處于領(lǐng)先地位，列入使用目錄的天然食用色素已超過60種［3］。

堅果果殼色素屬于天然色素中的植物色素類，主要以堅果果殼為原料進行提取加工得到的。堅果果殼是一類常見的堅果副產(chǎn)物，因其堅硬而不被利用，不僅造成資源浪費，而且污染環(huán)境。研究表明，許多堅果果殼是色素的良好來源，通常堅果果殼色素呈棕褐色，使用性能穩(wěn)定，而且具有抗氧化和抑菌性能，已經(jīng)成為天然色素行業(yè)發(fā)展的新趨勢［4］。目前，關(guān)于堅果果殼色素的研究很多，但是系統(tǒng)性不強，為讓研究者能夠詳細(xì)了解堅果果殼色素的發(fā)展動態(tài)，本文對堅果果殼殼色素的提取、分離純化、理化性質(zhì)以及功能性進行了詳細(xì)綜述，為堅果果殼色素的開發(fā)與利用奠定基礎(chǔ)。

1 堅果果殼色素的概述

堅果又稱殼果，食用部分多為堅硬果殼內(nèi)的種仁或者胚乳，營養(yǎng)價值很高。蛋白質(zhì)含量為4.89%～63.0%；脂肪含量為1.3%～58.8%；碳水化合物含量為7.99%～72.69%等。還含有多種大量的膳食纖維、必需氨基酸和不飽和脂肪酸，具有很強的保健作用，如清除脂質(zhì)過氧游離基、降血脂、降低心臟性猝死率和抗心血管病等［5－6］。目前，堅果殼色素的研究開發(fā)并不是很廣泛，現(xiàn)以殼色素的分離純化，穩(wěn)定性，功能及提取工藝的優(yōu)化及精制等為研究重點。

2 堅果果殼色素的理化性質(zhì)

大多堅果果殼色素對光、熱、食品添加劑等較穩(wěn)定，對處理時間、pH、氧化劑、金屬離子等因果殼的不同而存在差別。研究表明，板栗殼色素在510nm處有最大吸光值，但其吸光值受pH值影響，當(dāng)pH在2.0～6.0時，吸光值呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)pH在8.0～14.0時，吸光值變化不大［7］。張志建等［8］詳細(xì)研究了橡子殼色素在不同環(huán)境條件下吸光度的變化情況及色素顏色的變化情況，研究結(jié)果表明，橡子殼色素是一種由多種成分組成的紅褐色粉末，可溶于極性溶劑（如水、酒精），不溶于非極性溶劑，在酸性（pH≤4）條件下顯黃色，在堿性（pH≥8）條件下顯紅棕色，對光、熱、氧化劑（過氧化氫）、還原劑（亞硫酸鈉）及山梨酸鉀均具有良好的穩(wěn)定性，但對檸檬酸、抗壞血酸（VC）、苯甲酸的穩(wěn)定性相對較差。楊林嫻等［9］從黑葵花籽殼色素的穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，pH值、氧化劑、還原劑對該色素影響較大，如在酸性溶液中穩(wěn)定，在堿性溶液中不穩(wěn)定，并且隨pH值的增加，顏色由紅色向藍(lán)色轉(zhuǎn)移，而溫度、日光、食品添加劑對該色素影響均不明顯。邱賀媛等［10］研究油茶果殼色素的理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)油茶果殼色素對熱、氧化劑和還原劑穩(wěn)定性較好，常用食品添加劑對色素的色澤無不良影響，K＋、Ca2＋、Cu2＋、Zn2＋、Ba2＋、Mg2＋對色素?zé)o不良影響而，F(xiàn)e3＋對色素有減色作用，在pH2～7條件下該色素顏色均較穩(wěn)定，堿對色素有增色作用。

從研究資料可以看出，堅果果殼色素的理化性質(zhì)受到很多因素的影響，但從某些角度來看，不同來源的堅果果殼色素之間存在一定的共性，針對色素的發(fā)展來說，研究堅果果殼色素理化性質(zhì)顯得很重要。

3 堅果果殼色素的功能性質(zhì)

研究表明，堅果果殼色素具有抗氧化性和抑菌性等生物活性，如板栗殼色素，榛子殼色素，核桃殼色素等具有較強的抗氧化活性。有資料研究測定了9種堅果果殼色素的抗氧化活性，結(jié)果表明，葵花子＞核桃＞花生＞白果＞栗子＞蓮子＞榛子＞松子＞南瓜子，最強與最弱相差681.4倍［11］。李云雁等研究了板栗殼色素［12］在豬油中的抗氧化性能，對其有效的抗氧化成分進行了初步鑒定，并分析了抗氧化機理。實驗結(jié)果表明，板栗殼色素屬于黃酮類色素，具有較好的抗氧化性，優(yōu)于BHT、Ve，同時其抗氧化作用有很好的光穩(wěn)定性。同時研究還發(fā)現(xiàn)，板栗殼色素對幾種常見細(xì)菌、酵母菌和霉菌的抑制作用［13］，一定濃度的色素溶液對供試菌種都有較明顯的抑制作用，如板栗殼色素對枯草芽胞桿菌、大腸桿菌、黑曲霉和青霉具有抑制作用，對蘋果汁有一定的防腐效果［14］，熱處理對色素的抑菌效果無影響。李軍紅等［15］采用濾紙片法探討了花生、板栗和葵花子殼乙醇提取物對六種食品中常見污染菌的抑菌性，不同pH下抑菌活性的變化、防腐作用等進行比較研究。結(jié)果表明：3種提取物對6種試驗菌均有很強的抑制作用，它們的抑菌性受pH影響很大，且抑菌性有很好的熱穩(wěn)定性。防腐實驗研究表明，在48h內(nèi)它們對3種試驗食品的抑菌率大都在80%以上，最高達(dá)94.20%。

4 堅果果殼色素的提取

目前，堅果果殼色素的提取方法常見的有溶劑提取法和物理輔助溶劑提取法，物理輔助溶劑提取法有超聲波輔助提取法、超臨界提取法、微波萃輔助取法等方法。

4.1 溶劑提取法

溶劑提取法是目前從堅果果殼中提取色素的一種普遍常用的方法，常用的溶劑有水、酸堿溶液、乙醇、丙酮、甲醇、乙酸乙酯等。在提取過程中，浸提溫度、浸提時間、料液比、溶劑pH等因素影響堅果果殼色素提取效果。張志健等［16］的研究表明，提取橡子殼色素的適宜條件是：提取劑為40%乙醇，料液比為1∶50（g／mL），溫度為70℃，時間為5h；橡子殼棕色素的最大吸收波長是329nm，用非極性溶劑（如石油醚）處理橡子殼粗粉可提高色素提取效果。王振宇等［17］以紅松松籽殼為原料，采用響應(yīng)面法對水溶液提取松籽殼色素的條件進行優(yōu)化并建立回歸模型，得到最佳提取條件為：提取時間5.06h，溫度80.4℃，液料比35∶1（mL∶g），提取液pH＝12。周萍等人［18］研究核桃殼棕色素，并指明他的最佳提取條件為：在75℃時，用1%NaOH提取3次，每次浸提時間為2h。在此條件下，色素的提取率較高，達(dá)31%。還有吳雪輝等［19］通過試驗確定了從板栗殼中提取天然食用色素的較佳工藝條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)30%、提取溫度90℃、提取時間3h、料液比1∶30、提取次數(shù)3次，為板栗殼食用色素的進一步開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)，也為板栗加工副產(chǎn)物的綜合利用提供了一條新途徑。傅偉等［20］利用響應(yīng)面法優(yōu)化了化學(xué)預(yù)處理法提取榛殼棕色素的條件，研究了預(yù)處理的化學(xué)試劑、濃度、溫度、時間、料液比5個單因素對預(yù)處理的影響，并在單因素試驗的基礎(chǔ)上，進行了響應(yīng)面優(yōu)化試驗。優(yōu)化結(jié)果表明，化學(xué)試劑預(yù)處理的最佳工藝條件為：化學(xué)試劑NaCl，濃度0.85%，溫度34.2℃，時間0.98h和料液比1∶3.2。在此條件下預(yù)處理榛殼，可使棕色素提取效率提高54.3%，得率達(dá)到6.1%。由此看來不同的殼色素因其成分不同，所選溶劑與各類條件均有不同，最佳工藝條件也有一定的差別。

溶劑提取法工藝簡單，設(shè)備投資少，操作較方便，便于生產(chǎn)，但此法浸提時間較長，勞動強度大，原料預(yù)處理時能耗大，色素溶解性較差。而且色澤變化較大，提取過程所需溶劑量較大，回收困難，不利于環(huán)保，因此影響了產(chǎn)品的開發(fā)和使用范圍。

4.2 超聲波輔助提取法

物理輔助提取法的基本原理是利用超聲波的空化作用加速堅果果殼色素的溶出，另外超聲波的次級效應(yīng)，如機械振動乳化、擴散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等也能加速欲堅果果殼色素的擴散釋放，使其充分與溶劑混合，有利于提取，且方法簡單、操作時間短、萃取率高。趙云等［21］采用響應(yīng)曲面法，對超聲波提取板栗殼色素進行了工藝優(yōu)化設(shè)計，建立了超聲波提取板栗殼色素的二次多項數(shù)學(xué)模型，探討了主要因素的影響效應(yīng)及其交互作用，確定了提取的最佳工藝條件：溫度54℃，乙醇體積分?jǐn)?shù)39%，料液比1∶34。而劉平，李云雁等［22］就板栗殼色素超聲波提取工藝中的提取劑、提取時間、提取溫度、超聲波功率、固液比和提取次數(shù)對色素提取率的影響進行了系統(tǒng)研究。通過正交試驗得出最佳工藝條件為：提取溫度70℃，提取時間90min，固液比（g／mL）1∶15，超聲波功率500W，提取2次。其中提取時間和提取溫度對色素提取率有顯著性影響，板栗殼色素的提取率可達(dá)11.64%。用95%乙醇分別進行索氏提取、熱過濾抽提、超聲波輔助提取等5種萃取時，超聲波輔助提取的得率較高。可見與傳統(tǒng)方法相比較，超聲波提取技術(shù)既保證了提取效率，又縮短了提取時間，從節(jié)約能源和技術(shù)經(jīng)濟性的角度來看，是一種比較理想的方法，但超聲波法依然存在著溶劑殘留問題。

4.3 微波輔助提取法

微波輔助提取法是將微波與傳統(tǒng)的溶劑萃取法結(jié)合起來而形成的新型萃取技術(shù)，其基本原理是：在微波場中利用吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體和體系中分離。微波輔助萃取技術(shù)在堅果果殼色素的提取上取得了較好的效果，邱賀媛等［23］以油茶果殼為原料，利用微波輻照提取棕色素，通過L9（34）正交試驗確定油茶果殼棕色素的最佳提取工藝條件。結(jié)果表明，色素最佳提取工藝條件為微波輻照時間240s、微波功率320W、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、料液比1∶10（g／mL），該條件下得率為5.92%；林棋等［24］對福建產(chǎn)花生殼進行了微波萃取天然黃色素及其穩(wěn)定性的研究。研究表明微波萃取的工藝條件是：以pH＝3，體積分?jǐn)?shù)70%的乙醇水溶液作提取劑，原料與提取劑配比為1g∶5mL，微波輻射功率為120W，輻射時間240s。吳春華等人采取了微波輔照提取板粟色素，通過對色素的定性實驗和穩(wěn)定性實驗，表明該板栗殼色素屬于黃酮類色素，其對光照、溫度、還原劑、氧化劑、pH值有良好的穩(wěn)定性［25］?？梢钥闯觯⒉ㄝo助提取法與傳統(tǒng)加熱法相比，具有選擇性高、萃取時間短、溫度低、溶劑消耗量少、色素成分萃取率高、不產(chǎn)生噪音、操作成本低、減少原料預(yù)處理并對環(huán)境友好、適合于熱不穩(wěn)定物質(zhì)等特點，但存在溶劑殘留的問題，由于它的特性所限，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制，現(xiàn)在只停留在實驗小試的水平，距工業(yè)化應(yīng)用還有許多工作要做［26］。

4.4 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取是食品工業(yè)新興的一項提取和分離技術(shù)，是利用液體在超臨界區(qū)域兼有氣液兩性（既具有氣體的高滲透能力和低黏度又具有液體的高密度和對物質(zhì)良好的溶解力）的特點，從而實現(xiàn)了溶質(zhì)溶解和分離。該項技術(shù)的主要特點是兼有傳統(tǒng)溶劑提取法和蒸餾法的雙重功能，尤其是對熱敏物質(zhì)和不揮發(fā)性物質(zhì)的分離效果更佳。鄭劍研究超臨界流體技術(shù)提取板栗殼色素，通過單因素實驗和正交試驗確定出最佳工藝參數(shù)：壓力為20MPa，溫度為25℃，時間為3h［27］。結(jié)果表明，超臨界提取法與常規(guī)法相比較，具有提取時間短、色素提取率較高、色素天然活性損失小等優(yōu)點，可以提高生產(chǎn)效率。目前使用最普遍的流體溶劑是二氧化碳。超臨界二氧化碳萃取色素穩(wěn)定性強、保持生物活性、不易受熱分解、無污染、無殘留、符合環(huán)保要求，色味純正、產(chǎn)品品質(zhì)高及提取率高，是一種從天然物質(zhì)中提取、制備和分析樣品的優(yōu)良方法，但超臨界萃取設(shè)備一次性投資大，工業(yè)化較復(fù)雜，因而影響了這種方法的應(yīng)用推廣。而用二氧化碳超臨界——超聲波聯(lián)用技術(shù)是一項新穎的萃取技術(shù)，特別適于萃取揮發(fā)性、熱敏性或脂溶性色素［28］。此法與溶劑法相比，無化學(xué)溶劑的消耗、殘留和污染，并可避免萃取物在高溫下分解，保護物質(zhì)的生理活性，保持萃取物的天然風(fēng)味［29］。

5 堅果果殼色素的分離純化

天然色素的分離純化方法很多，包括重結(jié)晶法、化學(xué)沉淀法、膜過濾、反滲透及色譜法等。重結(jié)晶法和醇沉法色素沉淀不徹底、效率低、且醇沉法較浪費試劑、效率較高；酸沉法色素沉淀徹底、效率高。相比較之下，重結(jié)晶法和醇沉法獲得純化色素的層析效果比酸沉法要好［30］。因此，實際應(yīng)用中可以先用酸沉法，起到濃縮色素的目的，當(dāng)色素濃度較高則選用醇沉法，最后選用重結(jié)晶法。

隨著科技的發(fā)展，膜分離技術(shù)在制備天然有效成分方面取得成功的應(yīng)用。膜分離工藝都是純物理的分離，即被分離的組分既不會有熱學(xué)性的變化，也不會有化學(xué)性和生物性的變化；并且它具有能耗低、化學(xué)品消耗少、操作方便、不易產(chǎn)生二次污染、可避免組分受熱變質(zhì)和混入雜質(zhì)等優(yōu)點，濃縮產(chǎn)品時不需加熱，而且不需要蒸發(fā)器或冷凍設(shè)備，投資成本低，可以節(jié)約能源和經(jīng)費等［31－32］。由于分離過程中不需要受熱。容易保持分離物質(zhì)的某些功效和風(fēng)味。因此，膜分離技術(shù)在純化色素方面有很大的發(fā)展前景。膜過濾或超濾工藝可選用適當(dāng)孔徑的超濾膜，使水分子甚至小分子雜質(zhì)通過超濾膜，而使溶劑中有效成分被分離，從而使色素達(dá)到某種程度的純化和高倍數(shù)濃縮［33］。

大孔樹脂吸附法以其有機溶劑用量少、耗能少、吸附量大、吸附速度快、易于解吸附、可重復(fù)使用等特性，在色素精制中的應(yīng)用越來越廣泛。研究表明，在有機合成和植物化學(xué)的常規(guī)分離中，至少80%以上的色譜制備性分離工作都是在硅膠柱上進行的。李永祥等在應(yīng)用硅膠柱層析對板栗殼色素化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的初步研究表明。硅膠柱層析是純化色素的一種簡單有效且經(jīng)典的方法［34－35］。

6 堅果果殼色素的應(yīng)用與展望

我國天然食用色素的研究起步較晚，尚處于天然色素與合成色素并存的現(xiàn)狀［36］。但我國有豐富的植物資源，開發(fā)和利用植物天然色素，具有廣闊的發(fā)展前景。而堅果殼色素作為天然色素之一，已經(jīng)被大量開發(fā)和應(yīng)用，如從向日葵籽殼中提取的食用色素有著與其它植物色素不同的特色，其液體在酸性條件下為玫瑰紅色，堿性條件下為綠色，若將該色素置于陰暗處，即使放置一年，其顏色也無明顯變化。可用于冷飲、冰棒、冰淇淋、果酒等食品的著色。絕大多數(shù)的堅果果殼色素具有水溶性好、對光熱穩(wěn)定、耐糖耐鹽、安全無毒的特性，可用作天然抗氧化劑。目前，我國開發(fā)的堅果果殼色素已進入產(chǎn)業(yè)化階段，主要有膏狀和粉狀兩種產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛用于食品加工、醫(yī)藥保健品、化妝品行業(yè)。

隨著食品與醫(yī)藥等輕工業(yè)的發(fā)展和人們對合成色素危害性及天然色素健康性認(rèn)識的增加，天然色素的市場需求量大幅度增加。堅果殼色素原料成本低，對這類資源的不斷開發(fā)有利于山區(qū)農(nóng)民脫貧致富，能使殼類這一副產(chǎn)品得到合理的利用，實現(xiàn)了資源合理開發(fā)，具有一定的經(jīng)濟和社會價值。并且有些堅果殼色素還具有抗氧化惑抑菌的功能，而功能性色素的開發(fā)在當(dāng)代社會更是存在著很大的市場潛力，可涉及到各個領(lǐng)域。

目前對堅果殼色素的開發(fā)利用還不是很充分，為此，應(yīng)當(dāng)抓住機遇，把握好方向，立足于國內(nèi)市場，積極開拓國際市場，大力開發(fā)天然、營養(yǎng)、多功能的堅果殼色素，研發(fā)出高效經(jīng)濟的提取分離技術(shù)，針對某些殼色素的缺陷深入研究，找出更好的解決方法，使其得到更廣泛的利用，從而提升了產(chǎn)品的市場競爭力。相信在不久的將來，天然色素在食品、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用，必定有著比合成色素更廣闊的發(fā)展前景。

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