甜菜红

【背景及概述】
随着经济发展和人们生活水平的提高，如今人们对食品的要求不仅仅局限于内在品质，同时对食品外观品质的要求也越来越高，而食品的色泽在食品外观品质中又占有相当重要的地位，因此，对食品着色剂的研究已成为热点。食品中使用到的色素分为合成色素和天然色素两类。近年来由于合成色素在安全性方面尚有争议，人们对安全性高、无毒副作用且兼有营养保健功效的天然色素颇为青睐，天然色素顺势成为色素行业发展的主要方向。天然色素具有以下优点：
1）安全性高；
2）有些对疾病具有防治作用,具有保健功能；
3）含有人体必需的营养物质,兼有功能的效果；
4）色调比较自然,能更好地模仿天然色泽。因此，人们对从动植物以及微生物材料中提取安全性高的天然色素作为食品着色剂备受关注和重视。天然色素种类繁多，可以广泛地应用于饮料、糖果、糕点、酒类等食品的着色，同时也可用于一些药品的着色，尤其是儿童药品，还可以应用于化妆品行业。
甜菜红色素是世界上广泛使用的一种食用天然色素，存在于苋科、藜科、紫茉莉科、仙人掌科以及商陆科等多种植物中。多从藜科红甜菜(BetaVulgarisL.Var. rubra)的块根中提取。早在1938年，Geo.W.Pucher就从甜菜的根中制备出甜菜红色素，经过几十年的不懈努力，终于使该产品在国外商品化。美国从1960年开始允许使用红甜菜浓缩液和脱水甜菜粉作为食用色素，联合国FAO W/ HO食品添加联合专家委员会在1976年订出了甜菜红色素的标准，日本也做了相应的规定。目前，欧美及日本均在深入研究甜菜红色素及其应用。甜菜红色素以其安全，无毒副作用且具有改善肝功能、促进消化吸收的作用，成为取代合成红色素最理想的天然红色素之一。

【来源及组成】[1]
甜菜红色素广泛存在于藜科、苋科、仙人掌科、商陆科等多种植物中，其中藜科最为人们熟悉的是红甜菜。甜菜红色素就是从藜科植物红甜菜中提取的水溶性天然食用色素，属于吡啶类衍生物，基本发色团为1,7-二偶氮庚甲碱。
甜菜红是红甜菜中所有的有色化合物的总称，由红色的甜菜花青和黄色的甜菜黄素所组成。甜菜花青的主要成分为甜菜苷（Beranin），占红色素的75%～95%，其余尚有异甜菜苷、前甜菜苷和异前甜菜苷。甜菜黄素包括甜菜黄素I和甜菜黄素II。

【理化性质】[1] [2]
1. 溶解性
甜菜红色素为红紫或深紫色液体、块或粉末，或糊状物，色泽鲜艳：

易溶于水和含水溶剂，为水溶性色素，难溶于醋酸、丙二醇，不溶于无水乙醇、甘油、丙酮、氯仿、油脂、乙醚等有机溶剂。
2. 酸碱环境反应特性
甜菜红色素呈红色或深紫色液体、块或粉末或糊状物，色泽鲜艳，但其色调受pH值影响，当pH在3.0～7.0时为红色，且较稳定；pH在4.0～5.0时最稳定；当pH<4.0和pH>7.0时，颜色有红色变成紫色；当pH>10.0时，甜菜红色素中的甜菜色苷转化为甜菜黄质，溶液颜色迅速变黄。由此说明甜菜红色素在酸性和中性条件下较稳定。由于绝大多数食品的pH值都在3.0～7.0之间，而甜菜苷的颜色在此pH范围内不会发生变化，故含有甜菜苷的食品，其颜一般不会受pH值影响。
3. 光对色素稳定性的影响
自然光对甜菜红水溶液的稳定性会有所影响，长时间在自然光下放置，颜色会变淡，直至黄色。而自然光对甜菜红色素的50%乙醇溶液影响较小，紫外光对甜菜红色素稳定性影响较小。
4. 热对色素稳定性的影响
甜菜红在pH4.5时热稳定性最好，同时总体上甜菜红热稳定性较差，耐热性随温度的升高而降低。浸提时为减少色素损失，同时达到充分的提取效果，一般选取25℃左右进行。
5. 金属离子对色素稳定性的影响
金属离子对甜菜苷稳定性有一定的影响。过多的Fe3+、Cu2+、Mn2+、Ca2+等可促使甜菜苷的降解，降低甜菜红的色调。故应用中，必要时加入适当的金属螯合剂来去除金属离子。
6. 食品添加剂对色素稳定性的影响
采用H2O2对甜菜红色素进行耐氧化性实验，随着H2O2添加量的增加和作用时间的延长，甜菜红色素损失率加快，说明甜菜红色素易被氧化，用不同浓度的亚硫酸钠对甜菜红色素进行耐还原性实验，实验表明高浓度的还原剂对甜菜红色素影响较大，得出甜菜红色素耐还原性较差，因此在生产及应用时应避免与氧化剂和还原剂接触。另外葡萄糖、柠檬酸、苯甲酸钠等添加剂对甜菜红色素稳定性及颜色的影响较小，可以在食品中同时使用。Vc对甜菜红色素具有降解作用，因此在使用不同食品添加剂时应区分使用。

【提取和纯化】[1][4]
1. 传统提取方法：传统提取甜菜红色素的方法是固液萃取法，提取方法包括浸渍、泡软以及索氏提取。固液萃取技术：利用溶剂将固体混合物中的成分分离出来，使得固体物质中的可溶性成分溶解并进入液相，然后将溶液与不溶性的固体物相分离。甜菜红色素一般溶解在水中，但是如果加入一定比例的甲醇或者乙醇，就可以将红甜菜中的甜菜红色素完全提取。一般提取红甜菜色素的时候，先用纯水或者含有甲醇等的溶剂将红甜菜在密闭容器中充分浸泡，然后进行搅拌，使得甜菜红色素更多的进入到萃取液中，最后通过过滤将固液分离。传统提取甜菜红色素的方法虽然比较费时，但是由于完全在室温下操作，不需要加热处理，因此对于提取一些热不稳定的物质非常的有用。
2. 甜菜红色素提取的新技术
新的提取甜菜红色素的技术包括γ射线法、声波降解法、超声波辅助技术、膜处理法以及高压脉冲电场法等等，这些技术由于可以在较低的温度下进行，因此能够很好的保持生物活性，并且提取效率更高。
1）γ射线(Gamma Irradiation)：利用固液萃取法从红甜菜中提取甜菜红色素，如果经过γ射线进行预处理，将会增加提取的效率，射线剂量在2.5~10 k Gy的范围内，随着剂量的增加提取效率逐步增加。γ射线提高提取色素主要是由于射线可以改变植物组织内部结构，促进细胞壁的破裂。研究表明，用低剂量(1~2 k Gy)的γ射线处理新鲜的红甜菜，能够引起红甜菜组织内部以及细胞壁的生化改变；利用 2.5、5、10、30 kGy 的γ射线对红甜菜进行照射来研究红甜菜的生物化学特性以及甜菜红色素的稳定性，结果表明，γ射线处理和对照之间提取甜菜红色素的产量并没有明显的差异，但是如果辐射的剂量超10kGy，会引起甜菜红色素结构的改变，因此推荐使用γ射线的剂量不超过10kGy。
2）高压脉冲电场(Pulsed electric field)：由于是非热加工处理技术，利用高压脉冲电场使细胞电穿孔，可以改变细胞壁和细胞膜的通透性，使细胞内容物渗出，来达到非热灭菌的效果。高压脉冲电场是通过对两电极间的样品多次施加高电压的短脉冲进行处理，由于处理的时间短、污染小、能够抑制微生物、使酶钝化以及非加热的处理等优点，能够更好地保持食品的营养特性及品质。
3）超声波辅助萃取技术 (Ultrasound-assistedextraction)：超声波辅助萃取技术是一种费用低、环境友好以及快速的提取技术，在提取热不稳定的活性物质方面具有广阔的前景。由于超声波能够产生并传递强大的能量，能够促进溶剂更好的渗透到样品基质的各个部分，加大固相和液相的接触面积，使得溶质更加快速的分散到溶剂中。研究发现超声波显著的改进了甜菜红色素的提取效率，采用乙醇和水 1:1，超声波功率80 W，提取时间为3 h，甜菜红色素的产量提高了8%。
4）超临界萃取技术(Supercritical Extraction)：利用超临界的 CO2作为溶剂，选择合适的温度和压力，利用CO2优良的溶解性，溶解固体物质中的容质，达到对特定有效成分进行分离的目的。当甜菜红色素从细胞内渗出后，色素会和各种酶接触，其中的过氧化物酶和多酚氧化酶会很快的将色素降解，引起甜菜红色素的品质下降。研究表明，在利用高压CO2对红甜菜汁液进行提取时，发现在 55℃、60 min 的情况下，37.5 MPa 就可以使过氧化物酶的活性降低 86%，22.5 MPa 就可以使多酚氧化酶的活性降低 95%，而酶活力的改变对压力更加敏感，而不是由于CO2的临界状态产生。
5）膜处理技术(Membrane Processing)：膜处理技术可以在不需要加热的情况下达到富集生物活性物质的目的。提取、纯化和浓缩的目标化合物不同，所使用的膜处理类型也就不同，如电渗析、微过滤、超滤、反渗透、电透析法、膜蒸馏以及蒸汽渗透等。]采用超细过滤和反渗透的方法提纯和浓缩红甜菜中的甜菜红色素，发现利用果胶酶处理能够减少汁液的粘度，提高预过滤的效率，并且发现加入转化酶和果胶酶，经过超滤作用能够增加甜菜红色素3倍的产量。选择不同的膜类型是回收甜菜红色素的关键。研究表明，各向异性膜是分离甜菜红色素最好的系统，会增加甜菜红色素的回收率并减少可溶性固形物的水平。

【生理功能】[2]
甜菜红色素的生理功能主要是具有很强的抗氧化性。甜菜红色素在极低的浓度下就可以有效地阻止血红素的分解以及由铜离子诱导的脂类氧化，并且在维生素E的协调作用下可明显增强其对脂类的保护作用；人体代谢紊乱往往与这些氧化反应密切相关，研究者通过将甜菜红色素有规律地添加到人们的日常饮食中，进行体内试验，发现甜菜红色素可以抑制此类氧化反应，从而保证人体正常代谢，人体内的LDL的氧化会引起一系列的疾病，甜菜红色素所具有的抗氧化性，能够有效地防止LDL的氧化，减少人体疾病的发生；甜菜苷可以防止由DMBA和TPA引发的肿瘤，并且可以显著地抑制老鼠体内肺部肿瘤的发生。

【应用】[1][2]
甜菜红色素由于色泽鲜艳自然，无毒副作用，无特殊气味，且具有一定的保健功能，是一种理想的天然红色素资源，因此广泛应用于食品、保健品、医药、化妆品等领域。
1. 食品着色方面
甜菜红色素是从食用蔬菜-红甜菜中提取的天然色素，所以无毒、无副作用，色泽鲜艳且含有人体建成、新陈代谢和生长发育所必须的营养成分，所以广泛应用于各种饮料、果味粉、果汁路、汽水、糖果、糕点、夹心、冰淇淋、罐头、浓缩果汁、雪糕、果冻、香肠食品的着色，及增加了食品的美好外观有提高了食品的营养价值。
2. 医药保健品方面的应用
甜菜红色素的主要抗氧化部分为红色部分，及甜菜红苷。食用含有甜菜素的刺梨果实后，可以明显降低过氧化胁迫造成的脂质损害，提高人体的抗氧化水平；离体红血球在甜菜素溶液中培养一段时间也可以明显延迟由于氧化剂异丙基苯过氧化氢物（cumene hydroperoxide）造成的溶血作用。其次，甜菜红色素中含有甜菜碱，它对肝脏疾病（如慢性肝炎、肝硬化、中毒性肝炎、代谢性肝脏病及胆道疾病引起的肝功能障碍等）有一定的疗效。所以甜菜红色素不仅可以美化特殊人群药品的外观有利于服用；在药品的区分方面也可以用甜菜红色素代替人工合成色素来对药品进行很好的区分，而且在人体抗氧化方面和肝脏疾病的治疗方面也有不可磨灭的作用。另外，甜菜根对老鼠的皮肤癌和肺癌具有显著的抑制作用。由于甜菜红色素具有以上作用，所以可以用于药品、保健品等的研制开发。
3. 在化妆品方面的应用
许多化妆品的生产需要添加色素，如唇膏、洗发水、染发剂等，由于国内化妆品生产过程中添加的色素大多是合成色素，所以一些皮肤比较敏感的人群在使用的过程中会出现过敏症状，对于他们来说天然色素无疑是一个很好的选择；而甜菜红色素是天然色素，无毒无害，而且还具有医疗和保健功能，因此用于有色化妆品、抗衰老化妆品的生产，具有较大的开发潜力。
4. 在其他方面的应用
甜菜红色素除了用于食品着色、医药、化妆品、保健品方面外，最近研究还可以用于羊毛染色，羊毛染色宜在低温和较强的酸性条件下进行。染色后，不羊毛的品质有了明显的提高，而且甜菜红色素是天然色素色泽鲜艳，无毒无害，不会污染环境，所以甜菜红色素作为一种着色染料应用前景也是非常广阔的。为了提高甜菜的综合利用价值，提取后的甜菜渣可以用于生产酒精、发酵做复合肥料、做动物饲料等。

【参考资料】
[1] 张建霞, 袁红波, 薛强, 等. 甜菜红色素的研究进展[J]. 农业工程技术 (农产品加工业), 2010, 5: 027.
[2] 高彦祥, 刘璇. 甜菜红色素研究进展[J]. 中国食品添加剂, 2006 (1): 65-70.
[3] 于明, 张谦, 过利敏, 等. 甜菜红素理化性质及其稳定性研究[J]. 新疆农业科学, 2002, 39(6): 331-334.
[4] 吴则东, 胡晓航, 吴玉梅, 等. 甜菜红色素提取工艺研究进展[J]. 中国农学通报, 2015, 31(36): 254-258.