花色苷的特性及其在可食膜中的應用

岳華嶺，廖紅梅

（江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

食品包裝是加工過程中非常重要的一環，將加工好的產品進行適度包裝可使其免受外界的污染和破壞，更好地保持優良的品質。目前常用的食品包裝材料有塑料、紙、金屬、玻璃、復合材料、陶瓷、麻袋和布袋等。其中，塑料包材超過50%[1]。隨著時代的不斷發展，消費者越發需要更安全、更健康的食品以及更環保、更安全、更便利的包裝。由于塑料難降解且部分降解后的微粒帶進生態鏈中會對環境造成極大威脅；其制造過程中使用的添加劑可能會滲透到被包裝的食品中，影響食用者健康。因此近年來社會各界越發關注可降解食品包材的研制和應用。多糖、蛋白質和脂質是生物可降解的可食膜最常用的成膜基質。這些材料無毒無害，在制膜過程中加入具備抗氧化、抑菌、阻擋光線等功能的活性成分，可賦予可食膜包裝之外的功能，如指示食品質量和安全（智能指示薄膜）和保持食品品質（生物活性薄膜）等[2]。智能指示膜可通過外觀變化（如顏色、響應溫度、pH、氧氣、二氧化碳等）來實時監測食品存放過程中的品質狀態；生物活性薄膜通過阻隔外界環境，吸收包裝內的不利氣體成分，釋放有益活性成分來保持食品品質[2－3]。

花色苷（anthocyanin）是一類水溶性的天然色素，有良好的抗氧化性和抑菌性，其顏色隨pH 變化而改變。將其加入到可食膜中，不僅可以賦予膜保鮮作用，還可指示高蛋白食品的新鮮程度，同時賦予其活性包裝和智能包裝的功能。花色苷的自由基清除能力能夠延緩產品的腐敗；并且當高蛋白食品腐敗變質時，密封環境中的pH值會變化，膜中的花色苷顏色也會隨之改變，這能夠給消費者最直觀的感受和判斷[3]。例如，將茄子花青素提取物添加到殼聚糖膜中，可增加膜的紫外-可見光阻隔性能、機械性能、抗氧化和pH 敏感性能，并可應用于牛奶品質的檢測[4]。劉晶[3]對14 種植物來源的花色苷進行研究，發現來自黑枸杞、紫甘藍和紫薯的花色苷對pH 更為敏感，以此制成的淀粉-聚乙烯醇-花色苷膜能夠指示豬肉和蝦的新鮮程度。

本文主要概述了花色苷的基本結構、理化性質以及花色苷在可食膜中的應用進展，為開發更環保、更高效的智能指示膜或可食膜提供參考。

1 花色苷的種類、來源與基本結構

花色苷是一種類黃酮化合物，是由花青素（anthocyanidin）與糖（包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等）通過糖苷鍵連接而成[5]。自然界中的花青素多以花色苷的形式存在，無糖苷的游離花青素幾乎不存在[6]。花色苷的來源廣泛，據統計，包括27 個科、73 個屬在內的數萬種植物都含有花色苷，如藍莓、葡萄、草莓和樹莓等水果，玫瑰、郁金香等大部分花卉，以及黑米、紫薯和紫玉米等粗糧，其主要存在于維管束植物的花、果實、莖、葉等器官的細胞液中[7]。花色苷的基本結構是C6C3C6碳骨架，如圖1 所示[8]。不同花色苷結構的主要區別在于羥基化和甲氧基化的程度和位置不同，詳見表1[5,7]。此外，花色苷還常與酚酸/脂肪酸（阿魏酸、香豆酸、沒食子酸、乙酸、蘋果酸、琥珀酸等）結合，進行不同程度的酰基化[8]。分子形式的變化使花色苷的結構多樣，目前已鑒定出超過630 種花色苷。最常見的6 種植物來源的花色苷是矢車菊素、天竺葵素、飛燕草素、牡丹素、矮牽牛素和錦葵素[9]（見表1）。

圖1 花色苷的基本結構Fig.1 The basic structure of anthocyanins

表1 常見花色苷的種類及顏色Table 1 Common species and color of anthocyanin

2 花色苷的穩定性

花色苷結構中存在多個羥基，使其具有良好的水溶性，也是其能在以多糖和蛋白質為基質的可食膜中應用的物性基礎。花色苷的結構不穩定，易受溫度、pH、光照、氧氣、酶和金屬離子等因素的影響而降解[10]。

2.1 影響花色苷穩定性的因素

2.1.1 pH 值

花色苷的結構受所處環境pH 的影響較大，原因是不同濃度的H+會使花色苷的結構發生不同的可逆變化，從而使花色苷的顏色發生變化[11]。pH 值為1.0～3.0 時，花色苷通常以黃酮陽離子的形式存在，呈現紅色；pH 值為4.0～5.0 時，花色苷水解形成無色的半縮醛形式；當pH 值進一步升高，花色苷脫水、去質子化，變為藍色或紫色；當pH 值升高到10 以上時，轉變為查爾酮，呈淡黃色[12]。Escher 等[13]研究發現蝶豆花花色苷在pH 8.2～10.2 時，由藍色轉變為綠色，原因是平衡狀態下中性醌堿和陰離子醌堿同時存在所形成的。

2.1.2 光照

光照可引起花色苷自身或者與其他化合物發生縮合反應進而破壞其結構。不同結構的花色苷對光照的耐受性不同，糖基化和酰基化會增強耐光性，并且低pH 環境有利于提高花色苷的耐光性[14]。Escher 等[13]研究發現在pH 為5.4 時，在光照和避光條件下，蝶豆花中花色苷的保存率分別為48.3%和94.6%，并且加入低聚果糖后，花色苷的保存率分別上升至67.5%和97.6%，原因可能是花色苷與低聚果糖形成氫鍵，增強了花色苷在光照下的穩定性[15]。

2.1.3 溫度

花色苷的穩定性隨溫度的升高而降低。原因是花色苷的降解是一種吸熱反應，高溫能為花色苷的降解提供能量，使花色苷向著生成查爾酮結構的方向轉變[14]。研究表明，當溫度高于80 ℃時，玫瑰花色苷開始大幅降解[14-15]。

2.1.4 氧氣

花色苷結構上的不飽和性使其對氧比較敏感。郭麗等[16]研究發現隔氧條件下，藍莓花色苷的提取率為有氧條件下的1.8 倍。此外，若同時存在多酚氧化酶和鄰苯二酚，其氧化被加速。多酚氧化酶催化鄰苯二酚氧化成鄰醌，后者與花色苷反應形成棕色產物[17]。

2.1.5 金屬離子

花色苷能螯合金屬離子，從而使其顏色發生變化，這種變化與金屬離子的種類和濃度及其結構有關。葛芹[14]的研究發現，0.01～0.1 mol/L 的Cu2+對花色苷的穩定性起到積極作用，其保留率隨Cu2+濃度的增大而增大；但王貴一等[18]研究表明，0.02 mol/L 的Cu2+對花色苷的穩定不利。

2.1.6 其他因素

體系中的其他成分也會對花色苷的穩定性產生影響。如食品體系中的蛋白質和多糖等大分子能與花色苷通過形成氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用等來提高其穩定性[19]。抗壞血酸不利于花色苷的穩定，原因是抗壞血酸氧化時產生的氧化氫可誘導花色苷降解[6]。過氧化氫會親核攻擊花色苷的C2位置，導致結構被破壞，產生無色的酯類以及香豆素衍生物，這些產物會進一步降解或聚合形成褐色產物[14]。

2.2 提高花色苷穩定性的方法

目前提高花色苷穩定性的方法主要如下：一是加入輔色物質，如蘆丁[20]、槲皮素[21]等；二是與金屬離子螯合，如Al3+、Mg2+、Ca2+等離子能夠與矢車菊素、飛燕草素等形成復合物，提高花色苷的穩定性[10]；三是采用包埋技術，如微膠囊[22]、納米載體[23]等；四是修飾花色苷結構，如糖基化[24]、酰基化[25-26]等。

3 花色苷的生物活性

3.1 抗氧化性

花色苷結構上的羥基和甲氧基是其抗氧化性的主要來源，通過氫原子轉移和單電子轉移提供抗氧化性[27]。氫原子轉移機制是花色苷向自由基提供一個氫原子捕獲自由基，將其轉化為更穩定的產物；花色苷自身轉化為自由基，但反應活性要遠低于原自由基[27-28]。單電子轉移機制是花色苷將一個電子轉移給自由基使其變穩定，其自身轉變為自由基陽離子中間體[27]。花色苷通過這兩種機制起到清除自由基的作用，進而達到抗氧化的效果，因此自由基清除率是表征花色苷抗氧化能力的指標之一。吳映梅等[29]的研究表明，黑莓花色苷對DPPH 和羥基自由基均有良好的清除效果，在花色苷濃度為0.234 mg/mL 時，對二者的清除率可分別達到94.78%和93.78%。李曉嬌等[30]的研究表明，花色苷對DPPH、羥基自由基、ABTS 和超氧陰離子均具有良好的清除作用；例如0.24 mg/mL 花色苷對四種自由基的清除率均達到90%以上。此外，其總抗氧化性高于維生素C[31]和沒食子酸[14]。食品在加工、貯藏的過程中會接觸氧氣，容易被氧化變質，可利用花色苷來延緩產品氧化變質。

3.2 抑菌性

花色苷對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等致病菌具有抑菌作用，鄧皓天等[32]研究表明黑果腺肋花楸花色苷對大腸桿菌和福氏志賀菌具有較好的抑制作用，最小抑制濃度（minimal inhibitory concentration，MIC）分別為625 mg/L 和1 250 mg/L。而李曉嬌等[30]的研究則發現，胭脂果花色苷對金黃色葡萄球菌的抑制作用高于大腸桿菌，其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的MIC分別為17.546、8.773、17.546 mg/L。Pagliarulo 等[33]研究表明，石榴中花色苷粗提物對大腸桿菌的MIC為40000mg/L，并且較純化后花色苷的抑菌效果更好，可能是純化過程中除去了一些具有協同抑菌效應的物質。

Junqueira-Goncalves 等[34]研究發現100 μL 的莓香果花色苷提取物對鼠傷寒沙門氏菌的抑菌圈直徑為22.5 mm，與四環素（23.7 mm）、阿米卡星（24.0 mm）、頭孢曲松（23.3 mm）和環丙沙星（23.7 mm）等的抑菌效果相當（P＜0.05）。Sun 等[35]則發現藍莓花色苷可抑制單核細胞增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌和副溶血性弧菌的生長，MIC分別為270、210、270、30 mg/L。

花色苷的抑菌機制如下：一是破壞細菌細胞壁和細胞膜結構，對細胞內環境造成一定影響，使細胞代謝紊亂，影響細菌的TCA 循環和生物合成[35-36]；二是與細胞內DNA 結合，抑制了DNA 的復制、轉錄和表達，導致細胞死亡[36]；三是與細胞膜中的蛋白質形成氫鍵或疏水相互作用，使維持蛋白質穩定性的離子被分離出來，花色苷在膜界面自由地接受或提供電子，進而起到抑菌作用等[37]。

綜上所述，花色苷對致病菌的抑制作用與花色苷的種類、來源、濃度及致病菌的種類等因素有關。在食品中添加一定量的花色苷能夠有效抑制致病菌的生長，并且由于熱殺菌會對一些熱敏性的食品產生不利的影響，添加花色苷不需要加熱，可以作為非熱殺菌的一種輔助手段。

4 含花色苷可食膜的制備、特性及應用

可食膜是一種以可食用的生物大分子聚合物為成膜基質制成的薄膜[38]。近年來，基于生物大分子聚合物和不同植物來源（如桑葚[39]和黑枸杞[40]）的花色苷制備可食膜受到越來越多的關注。常用的成膜基質有多糖和蛋白質，或以二者結合作為復合成膜基質以改善膜的性能，如瓊脂和馬鈴薯淀粉[41]、結冷膠和大豆分離蛋白[12]。

4.1 可食膜的制備方法

常用的制膜方法包括流延法和擠壓法。流延法是指將聚合物溶解在合適的溶劑中，冷卻至室溫后即制成成膜溶液。此外，成膜溶液中還常加入增塑劑（甘油、山梨醇和聚乙二醇等），其作用是改善薄膜的機械和水蒸氣/氣體阻隔性能。然后將成膜溶液倒在平坦的表面上，在20～60 ℃下讓溶劑蒸發。擠壓法是將生物聚合物放入擠壓機中，混合物由于擠出機中的高剪切力和高溫而熔化，冷卻后成膜[5]。上述兩種制備方法各有利弊。擠壓法有利于大規模生產[42]，但成膜過程中產生的高溫會對花色苷的顏色和抗氧化性產生不利的影響，因此通常采用流延法來制備含花色苷的薄膜，即將一定量花色苷提取物（通常為0.03wt%～200wt%）加入成膜液中，再按照前述步驟制備薄膜。制好后通常在4～30 ℃下避光密封儲存，以防止花色苷降解[5]。此外，近年來靜電紡絲等電化學技術逐步應用于可食膜的生產中[43]。靜電紡絲法成膜是將成膜溶液放入注射器中，通過施加高壓電場將聚合物溶液靜電霧化，并通過噴嘴在鋁箔上生產出超細的纖維，將鋁箔放入干燥器中避光干燥一段時間后除去鋁箔即制得納米纖維膜[44-45]。靜電紡絲技術具有活性成分封裝率高、可有效調控纖維細度、表面形態、取向結構和截面形狀等優點，在制備高靈敏度指示膜上具有廣闊的應用前景[46]。

4.2 可食膜的特性

可食膜的結構和性能與成膜基質有關。單一組分薄膜的機械性能和熱穩定性較差，因此目前的研究中多以兩種不同的復合材料來制膜[47]，如海藻酸鈉和幾丁質納米晶體，前者為陰離子多糖，而后者由于氨基的質子化而帶正電荷[48]。由于正負電荷相互吸引及形成氫鍵，二者能夠形成聚電解質來增強復合材料的耐水性和力學性能。此外，薄膜的物理特性（如顏色、水分含量、水溶性、阻隔能力和機械特性等）和功能特性受到花色苷的影響，與花色苷的來源、組成和含量、生物聚合物的類型以及薄膜的制備和儲存條件密切相關[5]。研究表明花色苷的加入能夠使膜的微觀結構更加均勻致密，并增強膜的機械性能和阻光性，降低膜的水蒸氣透過率，改善膜的性能；原因是花色苷具有多個羥基，能夠與多糖及蛋白質發生相互作用，包括氫鍵和靜電相互作用等，并且富含花色苷的薄膜具有良好的抗氧化性、抑菌性和pH 敏感度[49-52]。薄膜的抗氧化性和抑菌性與薄膜內花色苷的含量呈正相關，而中等含量花色苷的薄膜更有利于通過顏色變化來檢測新鮮度[53]。可食膜的優勢在于無毒無害、可生物降解，加入花色苷后形成具有指示、抗菌、抗氧化等功能的環境友好型可食膜，具有更好的應用前景。

4.3 可食膜的應用

鑒于含花青素的薄膜有上述性質，目前其已被用于延長食品的保質期及監測食品的新鮮度上，詳見表2。

表2 含花色苷的薄膜的配方、功能特性和應用Table 2 Formulations,functional properties and applications of anthocyanin-containing films

目前含花色苷的智能指示膜主要應用于監測肉類、奶制品和海產品等富含蛋白質的動物性食品的新鮮度，其原理是蛋白質在微生物或酶的作用下分解產生氨及胺類等堿性含氮物質（其總量一般以揮發性鹽基氮計），這些含氮物質擴散到薄膜中會水解產生氫氧根，使pH增大，從而改變薄膜的顏色[65]。由于不同類食品中蛋白質含量、微生物的初始數量以及貯運環境差異較大，故需要針對性設計智能指示膜以滿足不同的需求。未來可通過進一步研究建立指示標準、明確其應用范圍，或基于大數據開發智能識別系統，讓食品質量監督管理部門及消費者能快速、準確的檢測食品新鮮度。

5 結論和展望

將花色苷提取物加入可食膜中是食品包裝的一個新興方向。花色苷的加入不僅能夠改善膜的理化性質，還能賦予可食膜抗氧化、抑菌以及指示新鮮度的功能。可食膜未來的發展方向如下：一是開發復合成膜材料。基于單一成膜基質的薄膜性能還不夠完善，運用復合成膜基質進一步增強膜的性能；二是向膜中加入包埋后的花色苷。與游離的花色苷比較，經納米材料等包埋后的花色苷穩定性更好，膜中各組分的相互作用也可進一步加強；三是將薄膜與氣調包裝相結合，獲得多功能的包裝效果；四是可食膜加工裝備的開發及應用。