天然食用色素的化学结构和稳定性的关系
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天然色素中含有较多的杂质 ,而杂质的存在往 往降低色素的稳定性 ,因此采用适当的精制技术可 提高色素的稳定性 。目前色素的精制方法主要有离 子交换法 、膜分离法和综合法等 ,如有文献报道用超 滤法提纯葡萄皮色素和甜菜红色素 ,稳定性得到了 较大的提高 。 412 消除金属离子的影响
金属离子 (特别是 Fe3 + 、Sn2 + 等) 对很多色素有 影响 ,因此在色素的生产 、贮藏和使用时应尽量避免 使用金属容器 ,所用的水应进行离子交换 ,或者加入 金属离子封闭剂 。如刘巍报道[8 ] 姜黄色素溶液中 加入三磷酸钠就可消除 Fe3 + 对该色素的影响 。
醌中的氧具有孤电子对 ,与α- 羟基一起作用 , 具有很强的螯合性 ,能与多种金属离子 ( 如 Fe3 + 、 Sn2 + 等) 螯合生成不溶的络合物沉淀 ,所以该类色 素在生产 、贮藏 、使用过程中应避免与这些离子接 触。
4 天然色素的稳定化技术进展
为了解决天然色素的稳定性问题 ,科研工作者 进行了多方面的探索 ,取得了以下几方面的进 展[7] 。 411 分离精制技术的采用
苯并吡喃环中的氧带有一价正电荷 ,这种电荷 状态不稳定 ,受介质 p H 值影响发生如下变化[4 ] :
O
O
R1
HO
O
OH H+
R1 O H H2O
R3
R2
OH
酯型 :蓝色
R3
R
OH
钅羊离子 :红色
2002 年 30 卷第 4 期
广州化工
·13 ·
R1
R1
HO
O OH
HO
OH O
OH
光 、热 、p H 值影响发生如下变化[1 ] :
一植醇
叶绿素
脱植醇叶绿素
- Mg ↓ ↓- Mg
脱镁叶绿素 一植醇 脱镁脱植醇叶绿素
叶绿素中镁与吡咯环共轭体系结合不稳定 ,很 容易被酸中的氢代替 ,生成脱镁叶绿素 ,绿色消失而
变黄 ,加热和光照时反应加速 。脱镁叶绿素又能很 快和其他金属 (如铜 、锌) 起反应 ,再次进入镁的位 置 ,生成叶绿素铜和叶绿素锌 ,颜色与叶绿素一致 , 但比叶绿素稳定得多 ,而且溶解性更好 。叶绿素分 子可与碱发生皂化反应 ,脱去植醇 ,生成叶绿素酸盐 (脱植醇叶绿素) ,能溶于水 ,并保持绿色 。工业上生 产和使用的水溶性叶绿素就是利用上述取代和皂化 反应 的 原 理 而 制 成 的 叶 绿 素 铜 钠 、叶 绿 素 锌 钠 等[2] 。 312 胡萝卜素类色素
2002 年 30 卷第 4 期
广州化工
·11 ·
天然食用色素的化学结构和稳定性的关系
龚盛昭
( 广东轻工职业技术学院轻化工程系 ,广州 510300)
摘 要 天然食用色素的优点在于其安全性 ,缺点是其稳定性差 ,易受光 、热 、空气和金属离子的影响而变色或褪色 。
推广使用天然色素首先必须解决天然色素的稳定性问题 。对天然色素的化学结构和稳定性的关系进行分析和探讨 ,并介绍 了当前天然色素稳定化技术的主要进展 ,为解决天然色素的稳定性问题提供一定的理论基础 。
·12 ·
广州化工
2002 年 30 卷第 4 期
轭体系及发色团上 ,使吸收波长向长波方向移动 。 不同的色素 ,因发色团 、共轭体系长度 、助色团等方 面的不同而呈现不同的颜色 。当色素结构被改变或 破坏时 ,色素颜色也发生改变 ,也就是说色素的结构 决定了色素的稳定性 。
2 天然色素的分类
天然色素可根据来源 、化学结构和溶解性进行 分类 ,最常用的方法是按照化学结构分类 。按色素 来源不同可分为植物色素 、动物色素 、微生物色素三 大类 。按照化学结构不同可分为四吡咯类色素 (如 叶绿素) 、胡萝卜类色素 (如辣椒红色素) 、花青类色 素 (如葡萄红色素) 、黄酮类色素 (如高粱红色素) 、醌 类色素 (如紫草色素) 、其它类色素 (如焦糖色素 、姜 黄色素 、甜菜红色素等) 。按溶解性能的不同可分为 水溶性色素和脂溶性色素 。
花青素类色素是广泛存在于植物体中的水溶性 色素 ,构成了水果花卉和蔬菜五彩缤纷的色彩 。花 青素多与糖以苷的形式 (称为花色苷) 存在 ,它的结 构包括花色苷元和糖两部分 ,是 2 - 苯基苯并吡喃 的黄钅羊盐 ,结构如下 :
HO
O
R1
R3
R4 OH (其中R1 、R2 、R3 = OH 或 H 或 OCH3 、 R4 = H 或糖或酰基)
3 天然色素的化学结构与稳定性的关系
天然色素的发色基团为不饱和双键的共轭体 系 。天然色素的共轭体系和某些基团不稳定 ,易受 光 、热 、金属离子 、氧化还原剂等因素的影响 ,使天然 色素结构发生变化 ,导致变色或退色 。 311 四吡咯类色素
目前应用于食品着色的四吡咯类色素主要有叶 绿素 、血红素 、胆红素和蓝藻素 。这类色素的基本结 构都是由四个吡咯环的α- 碳原子通过次甲基相连 而构成的复杂共轭体系 ,该共轭体系一般与金属离 子(Mg2 + 、Fe2 + 、Cu2 + 、Zn2 + ) 结合 。四吡咯环共轭 结构比较稳定 ,这类色素的性能主要由共轭体系结 合的金属离子和衍生的外围结构决定 。如叶绿素受
Keywords nat ural pigment chemist ry st ruct ure stability stabilizing technology
食用色素包括天然色素和合成色素两大类 。合 成色素具有经济 、稳定 、使用方便的优点 ,但因安全 性问题 ,许多合成色素被禁用 。为了提高食用色素 的安全性 ,世界各国正大力开发和利用天然色素 。 与合成色素相比 ,天然色素最大缺点是稳定性差 ,易 受光 、热 、空气和金属离子等因素的影响而引起变色 或退色 。天然色素稳定性问题一直困扰着天然色 素 ,是天然色素推广应用的最大障碍 ,因此寻找稳定 化技术是天然色素发展的关键 。要寻找天然色素稳 定化技术 ,首先必须研究天然色素变色机理与色素 结构的关系 ,找出变质的原因并采取适当的稳定化 措施 。
OH
R3
R2
OH
R3
R2
OH
醇型假碱 :无色 查耳酮 :无色
所以该类色素在碱性介质中为蓝色 ,在酸性介 质中为紫红色 ,在中性介质中呈无色 。另外 ,以上反 应从左到右均为吸热反应 ,加热促进色素分解 ,生成 无色的查尔酮结构而使色素褪色 。
花青素类色素中含有酚羟基 ,具有酚类化合物 的性质 。有的色素中还含有邻位酚羟基 ,与 Al3 + 、 Fe3 + 、Sn2 + 等作用生成络合物 ,使色素颜色发生改 变[5 ] ,所以生产和使用该类色素时一般不用铁罐 、 锡罐等盛装 。
Guangz hou 510300)
Abstract The nat ural food pigment s are safe ,while t heir stabilities are bad. They are easy to change t heir
color or fade when t hey are exposed to light ,heat ,air and metallic ions. The first step to extend t heir uses is to
·14 ·
广州化工
2002 年 30 卷第 4 期
413 添加色素稳定剂 ,可提高色素稳定性 文献[9 ]中报道了花青素类色素的一系列稳定
关键词 天然色素 化学结构 稳定性 稳定化技术
The Relations Bet ween the Chemistry Structures and Stabilities of Natural Food Pigments
Gong Shengzhao ( T he Chem ical Engi neeri ng Dept . Guangdong L i ght I n d ust ry Technical College ,
这类色素广泛存在于自然界 ,为浅黄色至深红 色的脂溶性色素 。这类色素的结构特点是由四个异 戊二烯单位以共轭双键式联结 ,可用通式表示如下 :
R1
R2
这种结构决定了胡萝卜类色素的亲脂性 ,几乎 不溶于水和乙醇 ,是脂溶性色素 。胡萝卜类色素多 烯结构是反式的 ,遇酸并在光照下受热 ,可能会转变 成顺式结构 ,颜色不变 ,但色调更鲜明 。色素的多烯 结构在适当条件下发生氧化降解 ,光 、金属过氧化物 和类脂氧化酶均能促进色素的降解 ,降解产物一般 无色 ,即该类色素抗光 、抗氧性较差[3 ] 。 313 花青素类色素
solve t he problems of t heir stabilities. The relations between t he chemist ry st ruct ures and stabilities of nat ural food pigment s are analyzed and enquired into. The current development s of nat ural pigment s’stabilizing tech2 nologies are int roduced. All of t hese provide some t heoretic base to solve t he problems of nat ural pigment s’stabili2 ties.
黄酮类色素的环状结构在碱性介质中发生开环 反应生成查尔酮型结构 ,而显红色 、橙色或褐色 。但
在酸性条件下又恢复闭环结构 ,于是颜色恢复[5 ] 。 在实际生活中 ,如果饮用水为碱性 ,某些食品如
马铃薯 、芦笋等水煮时变黄就是由于黄酮类物质遇 碱变成查尔酮型结构 。 315 醌类色素
醌类色素是醌类的衍生物 ,有苯醌 、萘醌 、蒽醌 等型式 ,主要有紫草色素 、胭脂红色素 、虫胶色素等 。
1 天然色素的结构与颜色的关系
波长在 400～800 nm 之间的光称为可见光 ,可 见光谱各种颜色与波长的关系见表 1 。
表 1 可见光谱各种颜色与波长的关系
颜色ຫໍສະໝຸດ Baidu
红
橙
黄
绿
蓝
紫
波长 (nm) 640～750 600～640 550～600 480～550 450～480 400～450
如果物质所吸收的光波是可见光区内某一波长 的光 ,反射另一波长的光 ,那么这种物质就是有色 的 。如一种物质反射 640～750 nm 波长的光 ,这种 物质就呈红色 。
天然色素都是有机化合物 ,分子结构存在能吸 收 200 ～ 700 nm 波 长 的 基 团 ( 发 色 团 ) , 如 > C = C < 、> C = O 、- CHO 、- COOH、- N = N 等 。多个发色团共轭体系的最大吸收波长出现在可 见光区内 ,使色素呈现出颜色 。共轭体系越长 ,吸收 波长向长波方向移动 。另外一些基团 ,如 - OH、OR 、- N H2 、- NR2 、- Cl 、- Br 等为助色团 ,接到共
这类色素也是广泛分布于植物中的一种水溶性 色素 ,为浅黄至橙黄色 ,其基本结构为 2 - 苯基苯并 吡喃酮 ,一般以苷的形式与糖类结合 。根据化学结 构的特点 ,黄酮类色素可分为以下几类 :
黄酮 黄烷酮
黄酮醇
黄烷酮醇
黄酮类色素分子中一般含有多个酚羟基 ,显酸 性 ,能溶于碱性水溶液中 。该类色素具有酚类化合 物的性质 ,遇 Fe3 + 则发生反应 ,使色素呈蓝 、蓝黑 、 紫 、棕等颜色 。
醌类色素分子中一般含有酚羟基和羧基 ,所以 该类色素为酸性 。当介质 p H 值发生改变时 ,化学 结构有一定的变化 ,色素颜色也会变化 。如紫草色 素酸性介质中为红色 ,中性和碱性介质中则为紫红 色 ;胭脂红色素 、虫胶色素和茜草色素酸性介质中为 橙色 ,中性介质中为红色 ,碱性时为紫色[5 ,6 ] 。
苯并吡喃环结构遇氧和氧化剂发生氧化作用 , 使色素分解和褪色 ,该类色素使用时应尽量避免与 氧和氧化剂接触 。另外 ,花青素类色素能和一些食 品添加剂 (如亚硫酸盐 、抗坏血酸等) 发生加成或缩 合反应 ,生成另一种无色化合物 ,使色素褪色[1 ,4 ] 。 所以该类色素应尽量避免与这些物质共同使用 。 314 黄酮类色素
金属离子 (特别是 Fe3 + 、Sn2 + 等) 对很多色素有 影响 ,因此在色素的生产 、贮藏和使用时应尽量避免 使用金属容器 ,所用的水应进行离子交换 ,或者加入 金属离子封闭剂 。如刘巍报道[8 ] 姜黄色素溶液中 加入三磷酸钠就可消除 Fe3 + 对该色素的影响 。
醌中的氧具有孤电子对 ,与α- 羟基一起作用 , 具有很强的螯合性 ,能与多种金属离子 ( 如 Fe3 + 、 Sn2 + 等) 螯合生成不溶的络合物沉淀 ,所以该类色 素在生产 、贮藏 、使用过程中应避免与这些离子接 触。
4 天然色素的稳定化技术进展
为了解决天然色素的稳定性问题 ,科研工作者 进行了多方面的探索 ,取得了以下几方面的进 展[7] 。 411 分离精制技术的采用
苯并吡喃环中的氧带有一价正电荷 ,这种电荷 状态不稳定 ,受介质 p H 值影响发生如下变化[4 ] :
O
O
R1
HO
O
OH H+
R1 O H H2O
R3
R2
OH
酯型 :蓝色
R3
R
OH
钅羊离子 :红色
2002 年 30 卷第 4 期
广州化工
·13 ·
R1
R1
HO
O OH
HO
OH O
OH
光 、热 、p H 值影响发生如下变化[1 ] :
一植醇
叶绿素
脱植醇叶绿素
- Mg ↓ ↓- Mg
脱镁叶绿素 一植醇 脱镁脱植醇叶绿素
叶绿素中镁与吡咯环共轭体系结合不稳定 ,很 容易被酸中的氢代替 ,生成脱镁叶绿素 ,绿色消失而
变黄 ,加热和光照时反应加速 。脱镁叶绿素又能很 快和其他金属 (如铜 、锌) 起反应 ,再次进入镁的位 置 ,生成叶绿素铜和叶绿素锌 ,颜色与叶绿素一致 , 但比叶绿素稳定得多 ,而且溶解性更好 。叶绿素分 子可与碱发生皂化反应 ,脱去植醇 ,生成叶绿素酸盐 (脱植醇叶绿素) ,能溶于水 ,并保持绿色 。工业上生 产和使用的水溶性叶绿素就是利用上述取代和皂化 反应 的 原 理 而 制 成 的 叶 绿 素 铜 钠 、叶 绿 素 锌 钠 等[2] 。 312 胡萝卜素类色素
2002 年 30 卷第 4 期
广州化工
·11 ·
天然食用色素的化学结构和稳定性的关系
龚盛昭
( 广东轻工职业技术学院轻化工程系 ,广州 510300)
摘 要 天然食用色素的优点在于其安全性 ,缺点是其稳定性差 ,易受光 、热 、空气和金属离子的影响而变色或褪色 。
推广使用天然色素首先必须解决天然色素的稳定性问题 。对天然色素的化学结构和稳定性的关系进行分析和探讨 ,并介绍 了当前天然色素稳定化技术的主要进展 ,为解决天然色素的稳定性问题提供一定的理论基础 。
·12 ·
广州化工
2002 年 30 卷第 4 期
轭体系及发色团上 ,使吸收波长向长波方向移动 。 不同的色素 ,因发色团 、共轭体系长度 、助色团等方 面的不同而呈现不同的颜色 。当色素结构被改变或 破坏时 ,色素颜色也发生改变 ,也就是说色素的结构 决定了色素的稳定性 。
2 天然色素的分类
天然色素可根据来源 、化学结构和溶解性进行 分类 ,最常用的方法是按照化学结构分类 。按色素 来源不同可分为植物色素 、动物色素 、微生物色素三 大类 。按照化学结构不同可分为四吡咯类色素 (如 叶绿素) 、胡萝卜类色素 (如辣椒红色素) 、花青类色 素 (如葡萄红色素) 、黄酮类色素 (如高粱红色素) 、醌 类色素 (如紫草色素) 、其它类色素 (如焦糖色素 、姜 黄色素 、甜菜红色素等) 。按溶解性能的不同可分为 水溶性色素和脂溶性色素 。
花青素类色素是广泛存在于植物体中的水溶性 色素 ,构成了水果花卉和蔬菜五彩缤纷的色彩 。花 青素多与糖以苷的形式 (称为花色苷) 存在 ,它的结 构包括花色苷元和糖两部分 ,是 2 - 苯基苯并吡喃 的黄钅羊盐 ,结构如下 :
HO
O
R1
R3
R4 OH (其中R1 、R2 、R3 = OH 或 H 或 OCH3 、 R4 = H 或糖或酰基)
3 天然色素的化学结构与稳定性的关系
天然色素的发色基团为不饱和双键的共轭体 系 。天然色素的共轭体系和某些基团不稳定 ,易受 光 、热 、金属离子 、氧化还原剂等因素的影响 ,使天然 色素结构发生变化 ,导致变色或退色 。 311 四吡咯类色素
目前应用于食品着色的四吡咯类色素主要有叶 绿素 、血红素 、胆红素和蓝藻素 。这类色素的基本结 构都是由四个吡咯环的α- 碳原子通过次甲基相连 而构成的复杂共轭体系 ,该共轭体系一般与金属离 子(Mg2 + 、Fe2 + 、Cu2 + 、Zn2 + ) 结合 。四吡咯环共轭 结构比较稳定 ,这类色素的性能主要由共轭体系结 合的金属离子和衍生的外围结构决定 。如叶绿素受
Keywords nat ural pigment chemist ry st ruct ure stability stabilizing technology
食用色素包括天然色素和合成色素两大类 。合 成色素具有经济 、稳定 、使用方便的优点 ,但因安全 性问题 ,许多合成色素被禁用 。为了提高食用色素 的安全性 ,世界各国正大力开发和利用天然色素 。 与合成色素相比 ,天然色素最大缺点是稳定性差 ,易 受光 、热 、空气和金属离子等因素的影响而引起变色 或退色 。天然色素稳定性问题一直困扰着天然色 素 ,是天然色素推广应用的最大障碍 ,因此寻找稳定 化技术是天然色素发展的关键 。要寻找天然色素稳 定化技术 ,首先必须研究天然色素变色机理与色素 结构的关系 ,找出变质的原因并采取适当的稳定化 措施 。
OH
R3
R2
OH
R3
R2
OH
醇型假碱 :无色 查耳酮 :无色
所以该类色素在碱性介质中为蓝色 ,在酸性介 质中为紫红色 ,在中性介质中呈无色 。另外 ,以上反 应从左到右均为吸热反应 ,加热促进色素分解 ,生成 无色的查尔酮结构而使色素褪色 。
花青素类色素中含有酚羟基 ,具有酚类化合物 的性质 。有的色素中还含有邻位酚羟基 ,与 Al3 + 、 Fe3 + 、Sn2 + 等作用生成络合物 ,使色素颜色发生改 变[5 ] ,所以生产和使用该类色素时一般不用铁罐 、 锡罐等盛装 。
Guangz hou 510300)
Abstract The nat ural food pigment s are safe ,while t heir stabilities are bad. They are easy to change t heir
color or fade when t hey are exposed to light ,heat ,air and metallic ions. The first step to extend t heir uses is to
·14 ·
广州化工
2002 年 30 卷第 4 期
413 添加色素稳定剂 ,可提高色素稳定性 文献[9 ]中报道了花青素类色素的一系列稳定
关键词 天然色素 化学结构 稳定性 稳定化技术
The Relations Bet ween the Chemistry Structures and Stabilities of Natural Food Pigments
Gong Shengzhao ( T he Chem ical Engi neeri ng Dept . Guangdong L i ght I n d ust ry Technical College ,
这类色素广泛存在于自然界 ,为浅黄色至深红 色的脂溶性色素 。这类色素的结构特点是由四个异 戊二烯单位以共轭双键式联结 ,可用通式表示如下 :
R1
R2
这种结构决定了胡萝卜类色素的亲脂性 ,几乎 不溶于水和乙醇 ,是脂溶性色素 。胡萝卜类色素多 烯结构是反式的 ,遇酸并在光照下受热 ,可能会转变 成顺式结构 ,颜色不变 ,但色调更鲜明 。色素的多烯 结构在适当条件下发生氧化降解 ,光 、金属过氧化物 和类脂氧化酶均能促进色素的降解 ,降解产物一般 无色 ,即该类色素抗光 、抗氧性较差[3 ] 。 313 花青素类色素
solve t he problems of t heir stabilities. The relations between t he chemist ry st ruct ures and stabilities of nat ural food pigment s are analyzed and enquired into. The current development s of nat ural pigment s’stabilizing tech2 nologies are int roduced. All of t hese provide some t heoretic base to solve t he problems of nat ural pigment s’stabili2 ties.
黄酮类色素的环状结构在碱性介质中发生开环 反应生成查尔酮型结构 ,而显红色 、橙色或褐色 。但
在酸性条件下又恢复闭环结构 ,于是颜色恢复[5 ] 。 在实际生活中 ,如果饮用水为碱性 ,某些食品如
马铃薯 、芦笋等水煮时变黄就是由于黄酮类物质遇 碱变成查尔酮型结构 。 315 醌类色素
醌类色素是醌类的衍生物 ,有苯醌 、萘醌 、蒽醌 等型式 ,主要有紫草色素 、胭脂红色素 、虫胶色素等 。
1 天然色素的结构与颜色的关系
波长在 400～800 nm 之间的光称为可见光 ,可 见光谱各种颜色与波长的关系见表 1 。
表 1 可见光谱各种颜色与波长的关系
颜色ຫໍສະໝຸດ Baidu
红
橙
黄
绿
蓝
紫
波长 (nm) 640～750 600～640 550～600 480～550 450～480 400～450
如果物质所吸收的光波是可见光区内某一波长 的光 ,反射另一波长的光 ,那么这种物质就是有色 的 。如一种物质反射 640～750 nm 波长的光 ,这种 物质就呈红色 。
天然色素都是有机化合物 ,分子结构存在能吸 收 200 ～ 700 nm 波 长 的 基 团 ( 发 色 团 ) , 如 > C = C < 、> C = O 、- CHO 、- COOH、- N = N 等 。多个发色团共轭体系的最大吸收波长出现在可 见光区内 ,使色素呈现出颜色 。共轭体系越长 ,吸收 波长向长波方向移动 。另外一些基团 ,如 - OH、OR 、- N H2 、- NR2 、- Cl 、- Br 等为助色团 ,接到共
这类色素也是广泛分布于植物中的一种水溶性 色素 ,为浅黄至橙黄色 ,其基本结构为 2 - 苯基苯并 吡喃酮 ,一般以苷的形式与糖类结合 。根据化学结 构的特点 ,黄酮类色素可分为以下几类 :
黄酮 黄烷酮
黄酮醇
黄烷酮醇
黄酮类色素分子中一般含有多个酚羟基 ,显酸 性 ,能溶于碱性水溶液中 。该类色素具有酚类化合 物的性质 ,遇 Fe3 + 则发生反应 ,使色素呈蓝 、蓝黑 、 紫 、棕等颜色 。
醌类色素分子中一般含有酚羟基和羧基 ,所以 该类色素为酸性 。当介质 p H 值发生改变时 ,化学 结构有一定的变化 ,色素颜色也会变化 。如紫草色 素酸性介质中为红色 ,中性和碱性介质中则为紫红 色 ;胭脂红色素 、虫胶色素和茜草色素酸性介质中为 橙色 ,中性介质中为红色 ,碱性时为紫色[5 ,6 ] 。
苯并吡喃环结构遇氧和氧化剂发生氧化作用 , 使色素分解和褪色 ,该类色素使用时应尽量避免与 氧和氧化剂接触 。另外 ,花青素类色素能和一些食 品添加剂 (如亚硫酸盐 、抗坏血酸等) 发生加成或缩 合反应 ,生成另一种无色化合物 ,使色素褪色[1 ,4 ] 。 所以该类色素应尽量避免与这些物质共同使用 。 314 黄酮类色素