天然色素的來源、分類、穩定化及其在可食包裝中的應用

邢金鋒,王穩航

(天津科技大學 食品科學與工程學院,天津,300457)

色素在食品中作為一個非常重要的元素,對食品感官品質起到舉足輕重的作用。食品色素可以分為人工食用色素和天然食用色素。大量使用人工色素會引起潛在的人體健康危害,如過敏反應、兒童多動癥等[1],這使天然色素越來越引起食品界的廣泛關注。天然食用色素來源于自然界的動物、植物和微生物等,對人體健康具有重要的促進作用,包括抗氧化、清除自由基的活性以及抗菌、抗癌和預防一些慢性疾病的作用[2]。

天然色素按結構可分為異戊二烯類、卟啉類、類黃酮類和含氮雜環類等,然而,它們自身的結構也導致了天然色素缺乏一定的穩定性[3],容易受到光照、氧氣、pH以及溫度等影響。近幾年,為了解決這一問題,科研人員研究了一些提高天然色素的穩定化技術,包括微膠囊技術、加入抗氧化劑、添加色素穩定劑(EDTA等)和對色素結構基團的化學修飾等[4-6]。著色能力是另一個影響天然色素在食品領域應用的重要因素。這涉及到天然色素與食品大分子物質之間的相互作用關系,研究表明它們之間存在共價鍵相互作用和非共價鍵相互作用(氫鍵作用、范德華力以及疏水作用力等),這也為天然色素在食品中的應用提供了理論基礎[7-8]。近些年,基于對環保的重視,天然色素在可食包裝中的應用得到廣泛研究,成為食品中重要的新興領域,包括應用在食品涂層、有色可食膜、可食墨水印刷以及3D打印等。

本文根據近些年的相關研究介紹了天然色素的主要分類和性質,并對主要4類結構的天然色素穩定化以及與食品大分子等物質的相互作用機制進行闡述,最后列舉了天然食用色素在食品領域中的新應用,并對天然色素在未來食品領域中的發展方向以及應用進行了展望,旨在為天然色素在食品領域中,尤其是可食包裝中的應用提供基本理論和應用技術參考。

1 天然色素的分類及其性質

在自然界中,天然色素來源廣泛,大多分布在植物、動物及微生物中。根據溶解性分為水溶性色素和脂溶性色素；按色調分為暖色調色素和冷色調色素；按化學結構可分為異戊二烯類色素、卟啉類色素、黃酮及其他多酚類色素和含氮雜環類色素等[6],如表1所示。

表1 天然食用色素的分類匯總表[9]

1.1 按來源分類

1.1.1 植物

植物色素是通過植物體內的一系列生物合成產生的,主要有類黃酮類、類胡蘿卜素、卟啉類、含氮雜環類等[10],具有不同的化學性質。它們分布在植物體的各個部分(萼片、花瓣、花粉等),并在植物體內起到了一些重要的作用,比如光合作用、向外界傳遞信號、對天敵的防御以及與外界的熱交換等[6,10]。

1.1.2 動物

天然色素在動物體內能夠起到重要的生理作用,如作為傳遞信號的媒介、吸引異性配偶,同時還具有抗氧化活性,通過消除有害自由基從而保護細胞組織免受損傷等[11]。動物中的色素包括卟啉類、黑色素、蝶呤、黃酮類、蒽醌類等[11-12]。

1.1.3 微生物

微生物色素可以自身合成,也可以在培養過程中通過轉化某些成分而形成,是一種次生代謝產物。常見的種類有類胡蘿卜素、黑色素、醌類等,其中一些比較典型的色素有紅曲色素、紫色桿菌素等[13]。微生物色素生產是目前研究的新興領域之一,它在各種工業應用中具有巨大潛力[14]。

1.1.4 礦物質

礦物質色素是由地質作用形成的結晶元素或化合物,在食品、化妝品以及藝術品中的應用有著悠久的歷史。礦物質色素會根據其化學成分或物理結構呈現出不同的色調,如綠色的鉻酸鹽、白色的二氧化鈦等。

1.2 按溶解性質分類

天然色素按溶解性質可以分為水溶性色素、脂溶性色素和醇溶性色素。水溶性色素能夠溶于水中；脂溶性色素不溶于水,能夠溶于植物油脂中；醇溶性色素只能溶于體積分數70%以上的乙醇等醇溶液。天然色素的溶解性質是實際應用中的重要參考指標之一,如表2所示。

表2 主要天然色素的溶解性質分類匯總表

1.3 按色調分類

顏色按色調分為暖色調、冷色調和其他色調,在食品中多以暖色調和冷色調為主,其中暖色調主要分為紅色、黃色和橙色等,冷色調分為綠色、藍色和紫色等。

1.3.1 暖色調

1.3.1.1 紅色

紅色色調的來源比較廣泛,主要包括番茄紅素、胭脂蟲紅、花青素等。番茄紅素是一種天然存在于植物中的具有生物活性的紅色色素,它大量存在于紅色水果和蔬菜中,如西紅柿、木瓜、粉紅葡萄柚、粉紅番石榴和西瓜等[20],是一種不飽和的無環類胡蘿卜素。胭脂蟲紅同樣是一種天然的紅色素,它是從干燥的雌性胭脂蟲體內提取的,在食品著色劑、醫藥和化妝品等領域應用廣泛[21]?；ㄇ嗨卦诘蚿H值的情況下會呈現出紅色調,因此被廣泛應用于食品工業作為合成色素的替代品,如取代人工色素誘惑紅等[22]。

1.3.1.2 橙黃色

橙黃色作為暖色調的一種,廣泛分布于自然界的動植物之中,如梔子黃色素是從梔子果實中提取的一種天然著色劑[17],其主要成分為藏花素,藏花素具有清熱去火、利膽護肝、降低膽固醇等功效[23]。姜黃素是從食用香料姜黃中提取的疏水性多酚類化合物,具有多種藥理作用,包括抗炎、抗氧化和抗血管生成活性等。傳統上,姜黃被用于多種疾病的治療,特別是作為消炎藥,姜黃素已被確定為姜黃的有效成分[24]。

1.3.2.1 綠色

天然的綠色素主要為葉綠素,它不僅被用作醫藥和化妝品的添加劑,也被用作食品的綠色著色劑。葉綠素能夠選擇性地吸收紅色和藍色區域的光,因此發出綠色。葉綠素生產成本昂貴,工業生產較為困難,因此對于葉綠素的探討還需進一步的研究。

1.3.2.2 藍紫色

天然的藍色素應用較少,一些色素在特定的pH下表現出藍色色調,如花青素,pH越高花青素的顏色越藍[25]?；ㄇ嗨卦谒嵝詶l件下比較穩定,而在弱酸性和中性條件下是不穩定的,在自然界中需要通過糖基化和?；饔脕硖岣咂浞€定性[26]。梔子藍是東亞地區廣泛使用的一種天然食品藍色著色劑。在歷史上,梔子藍被用作食品和化妝品的著色劑,也用于棉花、絲綢和羊毛等織物的染色[27]。目前,它被廣泛應用于亞洲的冷凍甜點、糖果、烘焙食品、果醬、面條、飲料、葡萄酒和農產品等[28]。天然的紫色色素是一種介于紅色和藍色之間的色素,紫色調的天然色素多為花青素。據相關報道,紫色的花青素主要存在于紫色甘薯[29]、紫色玉米[30]和紫色胡蘿卜等植物中,還有產紫色色素的一些微生物,如紫色桿菌等。

1.3.3 其他色調

1.3.3.1 黑色

當前,天然黑色素使用最多的是植物炭黑,其主要由樹干、殼類等材料燃燒炭化精制而成。植物炭黑為黑色粉末,無毒無害,不溶于水和有機試劑。在我國,植物炭黑主要應用于糖果、餅干、米制品等。植物炭黑還可賦予食品多種特性,DING等[31]將植物炭黑與明膠結合形成明膠可食膜,賦予其抗紫外和抗氧化等特性。

1.3.3.2 白色

目前可以選擇的天然白色素一般是礦物質,如二氧化鈦。由于二氧化鈦溶解度很低,它也被認為是較為安全的可食用色素。在食品配方中,二氧化鈦以微粒形式分散在食品當中。

1.3.3.3 棕褐色

對于棕褐色色素,焦糖色素被廣泛應用于市場中。焦糖也被稱為燒焦糖,是通過對各種糖進行熱處理而產生的。焦糖通過不同的加工處理方式可以產生多種棕色系列的顏色,如紅棕色、黑棕色等[3]。

1.4 按結構分類

天然色素的溶解性和顏色由它們自身的結構所決定,而它們的化學結構也決定了其理化性質。自然界中的天然色素按化學結構可分為異戊二烯類、卟啉類、黃酮及其他多酚類色素、含氮雜環類、蒽醌類和酮類色素等,下文將重點介紹前4類化學結構的代表性天然色素,其結構分子式如圖1所示。

a-β-胡蘿卜素;b-胭脂素;c-葉綠素;d-花青素;e-甜菜紅素

1.4.1 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素屬于脂溶性天然色素被歸類于異戊二烯類衍生物[32],具有生物活性。它們廣泛存在于高等植物、藻類、真菌、細菌、鳥類等[3]。類胡蘿卜素分為兩大類：一類是胡蘿卜素,只由碳和氫組成；另一類是葉黃素類,由碳、氫和氧組成[6]。據報道,類胡蘿卜素能夠合成維生素A 的前體(α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素)[33],同時類胡蘿卜素具有一定的抗氧化活性,對人類的生命活動有至關重要的作用[3]。但是,由于在類胡蘿卜素中含有豐富的電子和不飽和的化學結構,會導致在加工和儲存過程中很容易被氧化和異構化[34-35]。其中氧化對類胡蘿卜素的影響比異構化更為嚴重,前者會使其活性及顏色完全喪失,而后者只會引起活性和顏色飽和度的降低[4]。在植物中大部分的類胡蘿卜素是反式異構體,在加工和儲存過程中會出現反式異構體向順式異構體轉變的異構化現象[33],其中溫度、光、酸是導致類胡蘿卜素從反式異構體轉向順式異構體的主要因素[36]。

1.4.2 葉綠素

在植物界中,葉綠素是分布最為廣泛的綠色色素,屬于吡咯類的衍生物。吡咯的結構特征是由4個碳原子和1個氮原子組成的五元環。葉綠素主要分為葉綠素a和葉綠素b,它們在結構中的第7號位置不同,葉綠素a是由—CH3組成,葉綠素b是由—CHO組成。葉綠素對溫度、氧、酸、光和酶比較敏感,它們在一定程度上會引起葉綠素降解和顏色的變化[37]。相關研究報道,常規加熱會導致獼猴桃葉綠素含量減少42%～100%[38],因此,溫度是影響葉綠素穩定性的一個非常重要的因素。對葉綠素研究發現,它也可作為一種除口臭劑且口服葉綠酸可有效預防因黃曲霉毒素引起的肝癌[39-40]。

1.4.3 花青素

花青素歸類于類黃酮類色素,它們在植物中是以C6C3C6碳骨架為特征的二級代謝產物?；ㄇ嗨貜V泛存在于許多的水果和蔬菜中,包括許多漿果類水果、紅甘藍、紫薯、石榴等[41-42]。它們在水果蔬菜中能夠產生紅色、藍色和紫色[43]?；ㄇ嗨氐念伾Q于很多因素,如pH、濃度、溫度、光、酶、其他類黃酮類以及金屬離子等。在這些影響其穩定性的因素中,pH和溫度是最重要的因素[44]?；ㄇ嗨卦谒嵝詶l件下更加穩定,pH值為1時,花青素表現出強烈的紅色調；pH值達到3.5時,顏色顯示的強度開始降低,整體還是顯示為紅色調,pH繼續升高,顏色逐漸褪色,顯現出藍色調；當pH>7時,花青素開始發生降解[3,45]?；ㄇ嗨氐奶腔饔靡约敖Y構中的甲氧基和羥基的數量都會影響其顏色,羥基含量較高時呈藍色調,含有較多的甲氧基時呈紅色調[44,46]。研究表明,?；ㄇ嗨氐念伾珡姸仍趐H 4.5～5時仍能夠得到保持[3]；對于花青素的糖基化,糖分子通常附著在花青素分子的3-羥基位置上[47]。在自然界中,花青素都會有不同程度的?；吞腔?這將會使它們以較高的穩定性存在。

1.4.4 甜菜色素

甜菜色素是一種氮雜環類的水溶性色素。甜菜色素又被分為了兩類：一類是由環多巴和甜菜醛氨酸縮合而生成的紅紫色的甜菜紅素；另一類是由胺類與甜菜醛氨酸縮合而生成的黃橙色的甜菜黃素。甜菜醛氨酸是甜菜色素形成過程中的一種中間產物[48]。在自然界中,甜菜紅素更為常見。它們主要出現在如烏魯庫薯(具有重要經濟作用的塊根作物,在南美洲安第斯山脈地區種植廣泛)、馬拉巴爾菠菜、仙人掌果實(分布在拉丁美洲、南非和地中海地區)、紅火龍果(分布在馬來西亞、中國、日本、以色列和越南)、莧菜中[49]。其中,紅甜菜和紅火龍果是富含甜菜素的作物[50]。甜菜色素易受到外部環境的影響,在加工和儲藏過程中受到一定的限制[51]。在眾多影響因素中,溫度對甜菜色素的影響最大[52]。同花青素相比,pH對甜菜色素的影響不是很大,甜菜色素在pH 3～7時是穩定的；而pH>3時,花青素顏色就開始發生了變化[3-4,6,50]。研究表明甜菜色素除了作為著色劑外,還具有抗氧化、抗癌、降脂、抗菌等藥理作用,在人類健康中發揮著重要作用[49]。

1.4.5 其他

蒽醌類色素主要有胭脂蟲紅和紫膠紅。胭脂蟲紅色素是由雌性胭脂蟲中提取的一種紅色色素,其主要成分為胭脂蟲紅酸。該色素不易溶于冷水,而溶于熱水、乙醇等溶液中,具有一定的穩定性和安全性[53]。紫膠紅又稱蟲膠紅,是從紫膠蟲分泌的紫膠中經堿水萃取精制而得的產品,紫膠紅外觀呈鮮紅色或紫紅色液體或粉末,呈酸性,不易溶于水、乙醇和丙二醇中,易溶于堿性溶液。

茶黃素是從茶葉中提取的一種多酚類色素。它易溶于水和乙醇水溶液,不溶于氯仿和石油醚。具有抗氧化、防癌抗癌、抗菌抗病毒、抗炎癥、防治心腦血管疾病以及減肥降脂等多種保健功效[54]。

紅曲色素是通過紅曲霉菌發酵而成的天然食用色素,歸類于酮類色素。紅曲色素是一種安全性較高的天然色素,同時具有降血壓、降血脂等生理活性,深受國內外使用者的喜愛。

2 天然色素的穩定化

天然色素因其較差的自身穩定性,限制了其在食品中的應用。影響天然色素穩定性的因素主要有溫度、pH、光照、氧、金屬離子、酶等。近些年來,學者加強了對天然色素穩定化的研究力度,針對不同種類的天然色素開發了大量的穩定化技術,為天然色素的實際應用提供了技術支持。

2.1 異戊二烯類—類胡蘿卜素的穩定化

類胡蘿卜素很容易被氧化和異構化,比如受到氧、光照、溫度、金屬離子以及過氧化物等的影響,其中氧化是類胡蘿卜素發生降解的主要原因。為了防止氧化,可以采用微膠囊技術和納米膠囊技術。該技術是將活性物質包封到微米或者納米體系材料中,形成有效的物理化學屏障,以提高活性物質在加工或儲存過程中對抗有害環境條件(如光、溫度、氧氣、與其他化合物的不良反應)[55]。RAHAIEE等[56]通過離子凝膠法制備的殼聚糖-海藻酸鈉的納米粒包封了藏花素,這種技術顯著增強了藏花素在不利環境中的穩定性。在提取類胡蘿卜素之前,對原料的預處理也是非常重要的環節,利用物理方法燙漂能滅活對色素不利的酶,如脂肪氧合酶,還有一些化學方法,如抗氧化劑(如檸檬酸、鄰苯三酚)的添加,也可以降低色素的氧化速度[4]。

2.2 吡啉類—葉綠素的穩定化

影響葉綠素的穩定性的因素有很多,在這些影響因素中酸、酶是主要的影響因素。提高葉綠素的穩定性可以通過滅活不利的酶來實現,因此同樣可通過燙漂預處理的方法提高其穩定性[57],同時還要控制酸的不利影響,此時可以加入堿性物質(如KOH、NaOH)以中和酸[58]。在保存過程中,將葉綠素進行低溫避光保存,這種方式可以有效減少紫外光對色素的損傷從而維持其穩定性。金屬離子替換葉綠素中的鎂,以生成更穩定的葉綠素金屬鹽。王鳳蘭等[59]用CuSO4和乙酸鋅處理小葉榕中的葉綠素,結果表明這2種試劑均能起到穩定葉綠素顏色的作用。這也證明Mg2+和Cu2+都能夠起到護綠作用。

2.3 類黃酮類—花青素的穩定化

對于來自不同植物體的花青素其結構不同,穩定性也會不同?；ㄇ嗨貙H、溫度、光、酶和其他黃酮類物質比較敏感,它們會影響花青素的穩定性。CHUNG等[60]研究證實了添加阿拉伯膠(0.05%～5.0%)可提高花青素在抗壞血酸存在下的穩定性,添加1.5%阿拉伯膠時的穩定性最高?；ㄇ嗨嘏c其他分子(如氨基酸、有機酸、金屬離子、類黃酮、多糖和其他的花青素)相互作用可以增強其穩定性,這是因為這些物質起到了輔色作用，即一些輔色劑(如金屬離子、多糖和其他黃酮類化合物)與花青素形成超分子組裝,輔色作用是一種可以增強單一花青素的顏色穩定性的方法[61]。CHUNG等[62]研究了不同的果膠和乳清蛋白對紫胡蘿卜中花青素顏色穩定性的影響,得出變性乳清蛋白穩定花青素的效果最好。GRIS等[63]研究了赤霞珠葡萄提取物中的花青素與咖啡酸之間的相互作用,結果表明由于咖啡酸的加入顯著增強了花青素的穩定性。金屬離子與花青素分子絡合同樣會使花青素的穩定性提高,花青素-金屬絡合物中最常見的金屬為銅、鐵、鋁、鎂和鉀[64]。微膠囊化技術也被用于提高花青素的穩定性,TAN等[65]報道了利用兒茶素調節由硫酸軟骨素和殼聚糖組成的反離子聚電解質復合物中花青素的共著色和包封,研究表明輔色作用結合微膠囊化技術顯著提高了花青素的穩定性。

2.4 含氮雜環類—甜菜色素的穩定化

甜菜色素會受到很多外界因素影響,如溫度、光照、pH、金屬離子等?？梢酝ㄟ^增加濃度的方式來提高其穩定性,并且擁有高水平的?；吞腔约疤幱陉幇岛偷蜏丨h境中的甜菜色素穩定性都能得到提高[50]。研究表明,加入抗氧化劑(如抗壞血酸、異抗壞血酸)、穩定劑(EDTA)[5, 66]、環糊精等[67]化合物也能起到穩定甜菜色素的作用。甜菜色素同樣可以通過燙漂的方法滅活不利的酶來增強穩定性,但溫度也會對甜菜色素產生一定的影響,此時向其中加入有機酸(如抗壞血酸)則可以使色素再生,但是只適合甜菜紅素而不適合甜菜黃素[4]。

3 天然色素與食品大分子之間的相互作用

天然色素在食品內部和表面的附著性是決定其應用性能的重要因素,這涉及到其與蛋白質、多糖等食品大分子的相互作用。天然色素可與這些大分子通過共價鍵作用和非共價鍵作用(氫鍵、疏水作用以及范德華力等)來相互結合并吸附在其表面。

3.1 水溶性天然色素與大分子物質之間的相互作用

水溶性天然色素可與親水性的大分子物質相互作用。氫鍵作用、疏水作用力、范德華力等非共價鍵作用是有機小分子與蛋白質等食品大分子之間主要的相互作用力[68],同時它們之間也存在共價鍵相互作用[7]。近些年,其與蛋白質之間的作用關系得到了廣泛的討論。WANG等[8]研究了水稻蛋白與天冬草葉色素的相互作用,作用之后色素的抗氧化活性和游離多酚含量顯著降低,結果表明天冬草葉色素是通過疏水和氫鍵的作用與水稻蛋白發生反應?；ㄇ嗨厥且环N小分子活性物質,能夠與蛋白結合形成復合物,江連洲等[69]發現大豆分離蛋白與花青素間存在強烈的相互作用,二者可形成結合位點近似于1的復合物。張國文等[68]研究了桑色素(具有藥理活性的小分子)與蛋白質之間的相互作用,結果表明桑色素與牛血清蛋白可通過范德華力和氫鍵產生作用。此外,鄧凡政等[70]通過加入不同類型的表面活性劑探討了食用色素櫻桃紅與蛋白質之間的作用機理,證明色素與蛋白質之間存在著較強的作用。共價鍵作用是一種比較強的結合作用,研究表明多酚類色素與食品大分子之間同樣存在共價鍵作用,其共價鍵結構可能是由氧化和親核加成過程而產生[7]。

同樣,天然色素與多糖類物質之間也存在相互作用,許多天然色素在植物細胞液泡中與糖類物質相連[10]。BOWLES等[71]證明了酶參與將糖殘基轉移到植物細胞的色素中,糖的結合在一定程度下增加了色素的穩定性。劉立增等[72]探討了淀粉與紅曲紅色素的吸附機理,結果表明紅曲紅色素分子與淀粉顆粒間存在以氫鍵為主的物理吸附作用。

天然色素與蛋白質、多糖之間存在大量的弱鍵相互作用以及潛在的共價鍵相互作用,它們之間的結合方式、強度也反映出天然色素的著色能力,這可為天然色素在相關類產品加工應用中提供理論參考。

3.2 脂溶性天然色素與大分子物質之間的相互作用

根據相似相溶原理,脂溶性色素不溶于水、醇等,只能溶于油脂中,但很多的應用需要將它們與親水性的物質結合,所以需要對脂溶性色素進行一定的處理,而使它們能夠與親水性物質結合。

天然葉綠素不易溶于水,但利用銅離子取代葉綠素中的鎂離子制成葉綠素銅鈉,則其能夠溶于水中。LPEZ-CARBALLO等[73]利用葉綠素銅鈉與明膠結合,結果證明由于葉綠素銅鈉的加入增強了明膠膜的抑菌性能。DE CARVALHO等[74]報道利用微膠囊技術將番茄紅素進行包埋,使其能夠更容易地分散在水里并能夠與明膠結合。RESZCZYNSKA等[75]應用分子光譜技術研究3種類胡蘿卜素(胡蘿卜素、葉黃素和玉米黃質)與牛血清蛋白等相互作用,該研究利用PBS(pH 7.4)制備牛血清蛋白溶液,再將類胡蘿卜素溶解到四氫呋喃中(四氫呋喃對類胡蘿卜素具有較高的溶解度閾值,與水具有很好的混溶性,且不會引起蛋白質的結構變化),之后在37 ℃下將類胡蘿卜素溶液注入蛋白溶液中,連續振蕩1 h使其充分混合,結果證明類胡蘿卜素與蛋白質之間存在作用并能夠相互結合。在實際生產中,人們往往希望將脂溶性色素的溶解性質進行相應的轉換,這可通過化學修飾、微膠囊技術以及乳化作用等來實現,從而能夠將脂溶性天然色素靈活的應用到食品生產中。

4 天然食用色素在可食包裝中新應用

由于天然色素與一些食品大分子之間存在一定的相互作用,這也為在食品領域包括在可食包裝(如可食膜、涂層等)中的應用提供了基礎。它們可以在一定條件下相互結合并分布于產品內部或吸附在其表面,從而達到顯現顏色的目的,如圖2所示。

a-糖果涂層;b-可食性油墨印刷薯片;c-可食性油墨印刷空心膠囊

4.1 天然食用色素在食品涂層中的應用

近些年來,基于天然色素的綠色、健康等特性,其在食品涂層中的應用越來越受到人們的關注。涂層可以起到提供顏色、風味和保護內部食品的作用,它可被制成具有光滑均勻的硬質或者軟質的涂層。MANDATI等[76]研制出有色硬質的口香糖和糖果產品,其中涂層中的香精與色素被分離開,可以防止色素與其他物質相互作用而降低其穩定性。HITZFELD等[77]將胭脂樹橙進行微膠囊化,使其以分散體或粉末形式加入到可食用涂層中,這種方法制備的涂層可用于糖果(巧克力豆等),涂層可以將糖果包裹而呈現出紅橙的顏色。由于需要維持胭脂樹橙的穩定性,所以在配方中pH應控制在5～8。在涂層的應用中,保持天然色素的穩定性是一個重要的因素。所以在實際生產時,需要盡可能的使天然色素與配方的環境相適配。不同類型的產品對色素的要求也不同,如產品的酸堿性和溶解性條件都需要選擇相適配的天然色素[78]。對于涂層制備,天然色素替代人工色素是一個重要的挑戰,因為不僅要保證色素在體系中的穩定性還要考慮到其顏色要與市場中的顏色相適配等問題[79]。顏色外觀對于糖果類食品十分重要,實現天然色素替代人工色素更是為糖果類食品的安全性提供保障。不過由于各類天然色素自身性質不穩定的限制,還需對其進一步的改性研究。

4.2 天然食用色素在可食膜制備中的應用

為了增強可食膜的顏色感官效果,將天然色素與可食膜結合成為了人們研究的對象。有色可食膜會給人們提供更有吸引力的感官色彩,在一定程度上也會增加人們的購買欲。BURGUETE等[80]發明了用于制備填充肉制品的人造腸衣,人造腸衣中含有還原糖,能夠使填充肉制品的成品呈現令人愉悅的金棕色。SOBRAL等[81]研究了在明膠膜中加入葉綠素銅鈉,探討色素對膜性能的影響,同時使產品在外觀上更具吸引力。將番茄紅素與明膠膜結合,可使明膠膜在透明的基礎上具有了一定的顏色特性[74]。在國外研究中,有色可食膜已經有所報道,國內對于有色可食膜的研究幾乎還未開始。對于未來國內可食膜的發展,將無毒、綠色以及具有生理活性功能的天然色素與可食膜結合,這一成果將會得到重視健康的人們的廣泛歡迎。

4.3 天然食用色素在可食墨水印刷中的應用

近些年,利用天然色素制成的可食墨水進行印刷成為了人們研究的熱點。可食用的墨水具有無毒、色彩鮮艷、可食用等特點,已成為食品、醫藥包裝的首選。利用可食墨水印刷可以在食品、藥品(膠囊、藥片)表面刻出圖案、文字等,這種食品不僅可以增加對兒童的吸引力,也可以有效地減少在食品包裝上對于傳統印刷而造成的污染?？墒衬蠖嘤缮?、連接料、溶劑以及助劑等成分組成[82]。SHASTRY等[83]報道了可食用底材上高分辨率的噴墨印刷技術,該可食墨水的配方中含有色素、脂肪和蠟基,食用底材可以是具有疏水曲面的糖果塊(如蠟拋光糖果)等。POWAR等[84]以甜菜根等為原料制成有色的草本墨水,其特點是在墨水中增加了藥理活性,如降壓、心血管保護、血管擴張和抗菌等。LIU等[85]對紫土豆色素進行了提取并使用其制備了可食油墨,結果表明所制得的可食用油墨在不同的底物上均有良好的顯色效果。此外,WU等[86]研究了在殼聚糖/瓊脂糖水凝膠中嵌入花青素的電化學書寫方法,其書寫底材為多糖膜,與傳統印刷不同,該實驗利用一根不銹鋼絲(代替筆)作為負極與水凝膠接觸并在多糖膜上進行書寫,這種電化學書寫的特點是利用花青素會隨著pH變化來響應顏色的變化。基于綠色理念,新型環保油墨代替傳統油墨成為未來發展趨勢,而對于數字印刷技術和可食油墨的結合,更是為其應用打下了堅實基礎。在國內可食油墨還處于探索階段,但是由于人們對飲食健康以及審美要求的提高,這種可食油墨將會得到廣泛研究并應用于市場。

4.4 天然食用色素在3D打印中的應用

3D 打印技術利用“分層制造、逐層疊加”的制備原理,具有方便、快捷等特點[87]。3D食品打印技術同樣具有上述特點,該技術主要分為4類：選擇性熱風燒結、熱熔擠壓、粘結劑噴射和噴墨打印[88]。其中噴墨打印是一種以分層方式沉積液體材料的方法,當多種分層疊加在一起時就形成了三維物體[89]。打印材料可以混入天然食用色素,使其具備一定的顏色特性[87,90]。3D食品打印的優勢在于可以定制食品設計、簡化供應鏈和拓寬可利用的食品材料等。不過,3D打印技術的精度、準確性以及打印速度還有望進一步的突破。3D打印技術在食品領域的應用將會推動設計和開發新型的食品產品。

5 展望

隨著人們對健康和環保需求的日益增加,天然色素在食品包裝中發揮了越來越重要的作用。近些年,天然色素在可食包裝中的應用更是引起了人們的廣泛關注。但是,在這些實際應用中,仍存在巨大的挑戰,比如如何使天然色素保持并穩定足夠長的時間,以及怎樣解決它們的著色力弱、顏色不匹配等相關問題。目前,在這些方面的研究還停留在初步階段,未來需要不斷加大對天然色素的基礎和應用研究。隨著科學技術的發展,憑借著其對人類健康的潛在價值、無毒無害的本質屬性以及賦予食品多種顏色的特性,天然色素將會越來越多地應用到新興的可食包裝領域,從而有助于推動健康食品全產業鏈的快速穩定發展。