紅曲黃色素在不同食品體系中的應用與探討

徐菲菲， 徐海笑， 陳茂深， 李 玥， 梁 蓉， 劉 歡， 鐘 芳*

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫214122；2.江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫214122；3.食品科學與技術國家重點實驗室，南昌大學，江西 南昌330047）

黃色素作為食用色素的重要品種之一，可以應用在糕點、冰淇淋、糖果、飲料、肉制品、乳制品、方便面等食品中。隨著食品工業的發展，市場對黃色素的需求越來越大。國內批準允許使用的人工合成黃色素僅有檸檬黃和日落黃，其應用范圍和用量嚴格受限[1-2]。植物來源的天然黃色素，例如梔子黃、姜黃素、紅花黃、葉黃素、沙棘黃色素等因在原料中含量低、生產成本較高[3-7]，而利用微生物發酵可大規模工業化生產天然色素[8]。

紅曲色素是經紅曲霉菌固態或液態發酵得到的聚酮類次級代謝產物[9-12]，在我國作為食用色素和藥品使用已有千年歷史[13]。紅曲色素已經實現了大規模工業化生產，技術成熟，價格便宜。紅曲色素是紅曲紅色素、紅曲橙色素和紅曲黃色素的混合物，在紅曲色素產品中紅色素為主要成分，橙色素和黃色素則較少[10]。

天然紅曲黃色素是紅曲霉菌的代謝產物，與之結構類似的紅曲紅色素已實現大規模工業化生產。但市場上對黃色素的需求占比為60%[14]，紅曲黃色素具有較大的開發利用潛力。Gouveia等[15]將小球藻生物質作為綠色素添加至傳統黃油曲奇餅干中，利用CIELab方法對餅干顏色進行定量，考察了小球藻生物質作為綠色素的應用效果和穩定性。Cai等[16]將甜菜紅素添加至酸奶中，并以色度計算色素在儲藏過程中的保留率。Cakmakci等[17]等人將胡蘿卜汁添加至酸奶中，以酸奶的L*、a*、b*值變化作為酸奶感官屬性的重要參考。余立意等[18]將檸檬黃和日落黃添加至普通水體系以及含乳體系中，通過測定L*、a*、b*值，并于與β-胡蘿卜素對比，考察色素在不同體系中的褪色速率。

目前沒有將天然紅曲黃色素應用于食品的報道，所以紅曲黃色素在食品體系中的呈色效果未知。將紅曲黃色素油樹脂添加至軟飲料、卡仕達醬和黃油曲奇餅干中，考察紅曲黃色素在不同食品體系（液體食品、半固體和固體產品）中的應用效果，并探討食品中色素顏色變化的機制，從應用角度探究影響紅曲黃色素穩定性的因素，為其在食品工業中進一步應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

紅曲黃色素油樹脂：實驗室自制[19]；無水乙醇、檸檬酸、二水合檸檬酸三鈉、氫氧化鈉（粒狀）、鹽酸、甘氨酸、DL-丙氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-脯氨酸、L-色氨酸、L-絲氨酸、L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-甲硫氨酸、L-天冬氨酸、L-谷氨酸、L-蘇氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酰胺、L-賴氨酸、L-精氨酸和L-組氨酸、酪蛋白酸鈉、正丁胺、鄰苯二胺、色譜級甲醇：國藥集團化學試劑有限公司產品；乳清蛋白：市售；OSA變性淀粉（Capsul TA）：宜瑞安中國食品配料有限公司產品。

UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀：美國Hunterlab公司產品；A560型分光光度計：翱藝儀器（上海）有限公司產品；AL204型電子天平、ME3002E型電子天平、EL20型pH計：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產品；SP-1500實驗型噴霧干燥機：上海順儀實驗設備有限公司產品；M-110EHI型微射流納米均質機：美國MFIC公司產品；T18型高速分散機：德國IKA公司產品；SK2-621型烤箱：新麥機械（無錫）有限公司產品；1525半制備型液相色譜：美國Waters公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1 水溶性紅曲黃色素油樹脂微膠囊粉末的制備 稱取30 g OSA變性淀粉（CAPSUL TA），加70 g去離子水溶解。將獲得的OSA變性淀粉溶液于65℃水浴加熱30 min進行糊化，糊化后冷卻至室溫。稱取10 g紅曲黃色素油樹脂加入OSA變性淀粉溶液，使用高速分散機10 000 r/min均質5 min，進行3次，制得粗乳液。隨后使用微射流納米均質機進行均質，條件為50 MPa，4個循環周期。將均質好的色素-OSA變性淀粉乳液進行噴霧干燥，條件為進風溫度180℃、出風溫度80℃。最終獲得的紅曲黃色素微膠囊產品為黃色粉末，測定其包埋得率為89.86%，包埋效率為95.37%，微膠囊化的效果較好。

1.2.2 紅曲黃色素在軟飲料中的應用 將制備的紅曲黃色素微膠囊粉末添加至軟飲料模型中，考察其在液體食品中的應用效果。軟飲料模型參考Duangmal等[20]所采用的配方：100 mL飲料中含10 g白砂糖，0.5 g的檸檬酸和適量色素。將紅曲黃色素微膠囊粉末添加至軟飲料中，添加量分別為質量分數0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%和0.12%。配制好的飲料用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH至3.5，85℃加熱20 min進行巴氏滅菌，避光靜置24 h。采用測色儀以全透射模式對飲料顏色進行測定。

1.2.3紅曲黃色素在卡仕達醬中的應用 按表1的配方進行制作卡仕達醬，稱取200 g牛奶加入鍋中，將一定量的玉米淀粉、白砂糖、即溶吉士粉、香草香精和色素（添加量均為250 U），攪拌均勻，然后小火加熱，邊加熱邊攪拌直至濃稠細滑的狀態，關火并將鍋放入冷水中快速冷卻。將紅曲黃色素油樹脂加入牛奶中，高速分散均質后形成粗乳液，最后加入卡仕達醬原料中，采用測色儀以全反射模式檢測顏色變化。

表1 卡仕達醬的配方Table 1 Recipe of custard

1.2.4 紅曲黃色素在黃油曲奇餅干中的應用 黃油曲奇餅干是一種常見的以油脂和面粉為主要原料的食品，而紅曲黃色素為油溶性色素，故可直接將紅曲黃色素油樹脂添加至黃油餅干中，考察紅曲黃色素在高溫烘焙類產品中的應用效果。

按表2的配方制作餅干。稱取100 g黃油，隔水加熱至黃油軟化；加入低筋粉、白砂糖、奶粉、蛋黃和牛奶，先用鏟刀拌勻，然后捏成面團。將色素（用大豆油稀釋10倍）加入面團中，添加量分別為質量分 數0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.50%、1.0%和2.0%。將紅曲黃色素油樹脂和微膠囊粉末添加至面團，紅曲黃色素油樹脂添加量為質量分數0.25%，微膠囊粉末添加量保持與油樹脂總色價相同。將揉至均勻的面團搟成厚度均一的面皮，用模具壓制成型，每份餅干直徑為3 cm，厚度3 mm。烘烤條件為上下溫度均為170℃，烘烤時間為10 min。用測色儀以全反射模式檢測面團和烘烤后餅干的顏色。

表2 黃油曲奇餅干的配方Table 2 Recipe of butter cookie

1.2.5 蛋白質對紅曲黃色素顏色水分散溶液顏色的影響 將酪蛋白酸鈉和乳清蛋白加入去離子水中，制成不同質量濃度的蛋白質溶液，分別為0.75、1.5、3.0、4.5、6.0 g/dL。取一定量的紅曲黃色素油樹脂乙醇溶液滴入至配制好的蛋白質溶液中，混勻，室溫下避光靜置24 h后，用測色儀以全透射模式測定顏色。

1.2.6不同種類的氨基酸對紅曲黃色素水分散溶液顏色的影響 分別準確稱取一定量甘氨酸、DL-丙氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-脯氨酸、L-色氨酸、L-絲氨酸、L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-甲硫氨酸、L-天冬氨酸、L-谷氨酸、L-蘇氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酰胺、L-賴氨酸、L-精氨酸和L-組氨酸，用去離子水溶解并定容，濃度為0.01 mol/L。用以上配制好的氨基酸溶液將一定體積的紅曲黃色素油樹脂乙醇溶液稀釋至合適倍數。

1.2.7 未解離的氨基對紅曲黃色素水分散溶液顏色的影響 將紅曲黃色素-賴氨酸水分散溶液分別用0.05 mol/L甘氨酸-鹽酸緩沖溶液和0.1 mol/L檸檬酸緩沖溶液調節pH值。將紅曲黃色素水分散溶液 的pH值 調 節 至 酸 性 （2.4、2.9、3.4、3.8、4.8和5.6），再加入L-賴氨酸；色素先與賴氨酸混合形成紅曲黃色素-氨基酸混合水分散溶液，再使用緩沖溶液調節至酸性。將色素用0.05 mol/L的甘氨酸-氫氧化鈉緩沖溶液稀釋至合適倍數，制得堿性紅曲黃色素水分散溶液，室溫下避光靜置24 h后觀察顏色變化。

1.2.8 未解離的氨基對紅曲黃色素乙醇溶液顏色的影響 取相同體積的紅曲黃色素乙醇溶液并用無水乙醇稀釋至相同倍數，分別添加不同濃度（0.001、0.004、0.01 mol/L）的正丁胺和鄰苯二胺。色素溶液樣品混合均勻后，室溫下避光靜置24 h后測定顏色，并在紫外-可見光分光光度計上在300～600 nm范圍內對紅曲黃色素乙醇溶液進行波長掃描。

1.2.9 與氨基混合變色的紅曲黃色素組分的初步探究 采用制備液相色譜法制備紅曲素，收集紅曲素的后續洗脫液。用乙醇溶解紅曲素，滴加至6 g/dL的乳清蛋白和酪蛋白酸鈉溶液中，迅速混勻，室溫下避光靜置24 h后觀察顏色變化。取后續含有其他紅曲黃色素組分的液相流出液，真空旋轉蒸發去除流動相后用無水乙醇溶解，取1 mL乙醇溶液，加入50μL正丁胺，混合均勻，室溫下避光靜置24 h后觀察顏色變化。

1.2.10 數據分析 數據采用OriginPro8.5軟件制圖。方差分析（ANOVA）采用SPSS 16.0軟件進行，Duncan檢驗法進行顯著性分析（P＜0.05），處理后的數據表示形式為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 紅曲黃色素在不同食品體系中的應用效果

2.1.1 紅曲黃色素在軟飲料模型中的應用效果市售果汁和汽水飲料主要為橙子、檸檬或熱帶水果風味，顏色多為檸檬黃、黃色或橙黃色。將紅曲黃色素微膠囊粉末添加至軟飲料模型中，考察不同質量分數的紅曲黃色素的呈色效果，為紅曲黃色素的應用及用量提供參考。

紅曲黃色素在軟飲料中呈現鮮明的黃色。添加了不同質量分數紅曲黃色素軟飲料的黃色色調不同。隨著紅曲黃色素添加量從質量分數0.02%增加至0.12%，軟飲料的顏色從淺黃色逐漸加深至橙黃色。

從表3可以看出，隨著紅曲黃色素的添加量增加，L*值逐漸降低，即顏色的明度下降；色度值升高，表明其顏色越深；色相角降低，顏色向橙色方向轉變。

表3 不同色素質量分數的軟飲料顏色參數Table 3 Color parameters of soft drink with different concentration of pigment

進一步將色素的添加量（質量分數）與色相角的關系擬合，擬合方程為y=-91.49x+94.44，R2=0.996，線性關系良好（見圖1），說明紅曲黃色素與β-胡蘿卜素[21]類似，可通過控制色素的添加量以達到不同色調的黃色。

圖1 色素質量分數與軟飲料顏色的色相角的關系Fig.1 Correlation between pigment content and hue angle of soft drink

2.1.2 紅曲黃色素在卡仕達醬中的應用效果 將紅曲黃色素添加至卡仕達醬中，顏色色調明顯偏紅，但添加了色素微膠囊粉末的卡仕達醬偏紅程度弱于直接添加紅曲黃色素油樹脂的卡仕達醬。

由圖2可知，添加了色素微膠囊粉末的卡仕達醬與添加紅曲黃色素油樹脂的卡仕達醬相比，a*值更低，b*值更高，表明微膠囊壁材對色素色調起到一定的保護作用。

2.1.3 紅曲黃色素在黃油曲奇餅干中的應用效果按不同的添加量（質量分數0.25%、0.50%、1.0%、2.0%）直接將紅曲黃色素油樹脂添加至黃油曲奇餅干中，顏色色調明顯偏紅，偏紅的程度隨色素添加量的增加而增加。色素添加量越大，餅干顏色的L*值越低，a*值越大，b*越小（見圖3和表4）。紅曲黃色素未表現出黃色素的性質。

進一步比較直接添加方式與以微膠囊粉末添加的色素之間的區別，結果顯示，L*，a*，b*值沒有顯著性差異，色差值ΔE為0.77，表明兩種色素添加方式的呈色效果基本一致。

實驗結果表明，紅曲黃色素在黃油曲奇餅干和卡仕達醬中不穩定，顏色色調會明顯偏紅。微膠囊在卡仕達醬中對紅曲黃色素的色調有一定的保護作用，但在黃油曲奇餅干中沒有保護作用。可能是微膠囊在餅干中易受到其他食品組分、加熱及機械力作用而被破壞[22]，導致色素溶出。

圖2 加入了紅曲黃色素乳液和紅曲黃色素微膠囊粉末卡仕達醬的顏色參數Fig.2 Color parameters of custard with Monascus yellow pigment emulsion and Monascus yellow pigment encapsulation powder

圖3 不同色素質量分數的黃油曲奇餅干顏色參數Fig.3 Color parameters of butter cookie with different pigment concentration

表4 油樹脂直接添加和色素微膠囊粉末添加的餅干的L*，a*和b*值Table 4 L*，a*，b*of butter cookie with pigment added directly and in encapsulation

2.2 紅曲黃色素在半固體、固體食品中顏色變紅原因的分析

2.2.1 蛋白質對紅曲黃色素顏色的影響 紅曲黃色素在黃油曲奇餅干和卡仕達醬中出現不同程度的紅色色調，推測色素與食品中的某種成分發生反應而變紅。將制備的紅曲黃色素粗乳液稀釋后發現液體顏色為玫紅色，而紅曲黃色素與淀粉混合顏色不會變紅，推測黃油曲奇餅干和卡仕達醬中的蛋白質可能是導致色素變色的原因。因此，將紅曲黃色素與不同質量分數的乳清蛋白和酪蛋白酸鈉混合，觀察顏色變化。結果發現紅曲黃色素與乳清蛋白和酪蛋白酸鈉混合后均變紅。

乳清蛋白和酪蛋白酸鈉的色相角均從空白的90減小到60左右（見圖4），驗證了紅曲黃色素顏色變紅的原因是與蛋白質發生反應造成的。

圖4 不同質量分數乳清蛋白和酪蛋白酸鈉對紅曲黃色素色度和色相角的影響Fig.4 Effect of whey protein and sodium caseinate on chroma and hue angle of Monascus pigment solution

2.2.2 氨基酸種類對紅曲黃色素顏色的影響 蛋白質會使紅曲黃色素變紅，進一步推測可能與蛋白質中的氨基酸殘基有關。L-異亮氨酸、L-谷氨酸、L-天冬氨酸使紅曲黃色素顏色變淺，L-組氨酸、L-半胱氨酸、L-賴氨酸與L-精氨酸使紅曲黃色素顏色變紅，其中L-賴氨酸與L-精氨酸紅色最鮮明。

由表5可以看出，L-異亮氨酸、L-谷氨酸、L-天冬氨酸會使紅曲黃色素色度下降，而明度L*與色相角變化不大，這與肉眼觀察的黃色變淺的現象相符合。L-組氨酸、L-半胱氨酸、L-賴氨酸與L-精氨酸使天然紅曲黃色素水分散溶液的a*值從空白的3.12±0.45分別增加至7.18±0.14、14.56±1.50、25.9±0.16和30.36±0.12，b*值從空白的71.0±0.47減少到56.87±0.36、52.756±1.55、45.78±0.14和47.8±0.10，色 相 角 分 別 是82.2±0.1、74.6±1.94、60.5±0.07和57.6±0.05，其中L-賴氨酸和L-精氨酸的色相角變化最大，其變化程度與紅曲黃色素與乳清蛋白和酪蛋白酸鈉混合后的色相角變化相一致，且由這兩種氨基酸導致而發生的色相角較為接近，表明其偏紅的程度一致。L-賴氨酸和L-精氨酸均為堿性氨基酸。其他氨基酸-紅曲黃色素混合溶液的L*，色度和色相角變化不大，色差值ΔE最大為3.39，差異值較小。

2.2.3未解離氨基對紅曲黃色素水分散溶液顏色的影響L-賴氨酸和L-精氨酸均為堿性氨基酸，其兩者的pI值分別為9.74和10.76[23]，將其直接溶于去離子水中，氨基酸分子中的氨基均為未解離狀態。因此，推測氨基酸的解離狀態與紅曲黃色素變紅有關。為了探究氨基解離狀態對紅曲黃色素顏色的影響，選擇甘氨酸-鹽酸緩沖溶液和檸檬酸緩沖溶液來調節L-賴氨酸的解離狀態。結果表明，色素與解離的L-賴氨酸混合不會變色；色素與未解離的L-賴氨酸混合變色后，將pH調節至酸性（即L-賴氨酸為解離狀態），顏色保持不變，說明色素與L-賴氨酸的變色反應不可逆。

未解離的甘氨酸不會使紅曲黃色素變紅，而用氫氧化鈉溶液將色素-甘氨酸水分散溶液調節至堿性（8.6、9.0和9.4），溶液呈紅色，且不同pH下的色度和色相角差異不大（見表6和表7）。

用相同含量的氫氧化鈉溶液調節pH值至堿性（11.0、11.5和11.8），溶液的色度降低，色相角減小，肉眼觀察色素溶液顏色偏暗，但依然保持黃色，表明未解離的甘氨酸是導致色素顏色變紅的原因。

表6 紅曲黃色素在甘氨酸-氫氧化鈉緩沖液的顏色參數Table 6 Color parameters of Monascus yellow pigment in glycine-NaOH buffer

通過不同的緩沖溶液調整L-賴氨酸與甘氨酸的氨基解離狀態，驗證了氨基酸中氨基為未解離狀態時，與紅曲黃色素混合變紅，且該變化不可逆。

表7 紅曲黃色素在氫氧化鈉溶液中的顏色參數Table 7 Color parameters of Monascus yellow pigment in NaOH solution

2.2.4 未解離氨基對紅曲黃色素乙醇溶液顏色的影響 水相環境中，未解離的氨基酸會與紅曲黃色素反應，顏色變紅。進一步驗證紅曲黃色素與未解離的氨基反應變色，選擇僅含氨基，且不含有其他特殊官能團的正丁胺和鄰苯二胺與色素乙醇溶液混合，觀察溶液顏色變化。在乙醇溶液中正丁胺與鄰苯二胺同樣能使紅曲黃色素變紅。與色素-賴氨酸水分散液相比，正丁胺-紅曲黃色素乙醇溶液的顏色更紅。其色相角為45，小于水分散溶液的色相角為60。可能原因是紅曲黃色素在乙醇溶液中充分溶解，能夠完全與未電離的氨基反應，生成更多的紅色物質。而鄰苯二胺-紅曲黃色素溶液的色相角隨鄰苯二胺的濃度增加而減小，即顏色隨鄰苯二胺的濃度增加而更紅。將鄰苯二胺-紅曲黃色素溶液放置48 h后，不同濃度的鄰苯二胺-紅曲黃色素溶液的顏色變得一致，且紅色程度與正丁胺-紅曲黃色素溶液相當。可能是因為鄰苯二胺上的氨基與苯環連接，由于苯環的吸電子效應導致氨基的化學活性不如正丁胺的氨基，所以鄰苯二胺與紅曲黃色素反應生成紅色物質的速度慢于正丁胺[24]。

根據紅曲黃色素乙醇溶液的全波長掃描圖（見圖5），紅曲黃色素與正丁胺和鄰苯二胺混合后，410 nm處的吸收強度略有下降，表明黃色部分減少。同時在510 nm左右出現一個強吸收峰，而510 nm為紅色素的特征吸收波長[25-26]，表明有新的紅色色素生成。

圖5 正丁胺與鄰苯二胺與紅曲黃色素乙醇溶液的全波長掃描圖Fig.5 UV-VIS scan of ethanolic Monascus yellow pigment solution mixed with n-butylamine and o-phenylene diamine

實驗結果表明，蛋白質使紅曲黃色素變色的原因是未解離的氨基基團與色素成分發生反應，生成紅色物質。毛鵬[27]在優化紅曲黃色素發酵條件時發現，蛋白胨、酵母浸膏等有機氮源會使發酵液變紅，即500 nm左右的紅色特征吸收峰增強，這可能是由于發酵液中的紅曲黃色素組分直接與有機氮源中的氨基反應，生成了紅色色素。2.2.5與氨基混合變色的紅曲黃色素組分的探索色素水分散溶液與蛋白質混合后顏色會明顯變紅，因此推測紅曲素會與蛋白質混合后變色。為驗證該推測，將紅曲素分別與質量分數6%的乳清蛋白和酪蛋白酸鈉溶液混合。紅曲素與乳清蛋白和酪氨酸鈉混合后依然保持黃色，顏色沒有變紅。紅曲素乙醇溶液加入正丁胺后顏色依然保持黃色，說明紅曲黃色素與未解離氨基混合變色的組分不是紅曲素（見圖6）。

進一步探究紅曲黃色素變色的組分，收集制備高效液相中后續的色素組分流出液。將流動相去除后再以乙醇復溶，與正丁胺混合后顏色明顯變紅。對后續洗脫的紅曲黃色素組分在分析型高效液相和液質聯用上進行初步分析，發現色素組分種類較多且難以分離，由于時間限制，尚未對其進行進一步的研究。

3 結語

將紅曲色素應用于不同的食品體系，考察應用效果，并對紅曲黃色素在食品中的變色原因進行了初步探究。研究發現，紅曲黃色素在軟飲料中保持鮮明的黃色，且可通過控制色素添加量實現不同色調的黃色；但紅曲黃色素在卡仕達醬和黃油曲奇餅干中的顏色不穩定，出現顏色偏紅的現象。紅曲黃色素在黃油曲奇餅干和卡仕達醬中變紅現象是由該體系中的蛋白質引起的。具體變紅的機制為紅曲黃色素組分與未解離的氨基反應，生成紅色色素。紅曲黃色素主要組分紅曲素和蛋白質混合后顏色依然保持黃色，說明紅曲素不是導致變紅的色素組分。為了提高紅曲黃色素的顏色穩定性，計劃將紅曲黃色素油樹脂進行進一步精制和提純，以去除能夠和未解離氨基反應變紅的色素組分。