摘 要 火龍果尤其是紅皮紅肉火龍果是甜菜紅素的重要來(lái)源之一。作為一種水溶性可食用色素,甜菜紅素具有較好的抗氧化活性與自由基清除能力,在食品、藥品及化妝品等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用;但其穩(wěn)定性較差,因此應(yīng)用潛能受到限制。該文首先概述火龍果源甜菜紅素的含量、結(jié)構(gòu)、提取方法,然后闡述溫度、光照、pH和金屬離子等因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響以及提高穩(wěn)定性的方法,最后綜述了甜菜紅素作為天然抗氧化劑、抑菌劑和酸堿指示劑等方面的應(yīng)用進(jìn)展,為深入研究甜菜紅素及其應(yīng)用提供參考。

顏色是影響消費(fèi)者對(duì)食品接受度的直觀且重要因素之一。隨著人們對(duì)健康飲食觀的愈發(fā)重視,采用天然色素來(lái)加工食物越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。與合成色素相比,天然色素不僅安全且具備多種生物活性。據(jù)統(tǒng)計(jì),日本天然色素年用量為合成色素的10倍以上,在美國(guó),其銷(xiāo)售額年增長(zhǎng)率高于10%[1];在國(guó)內(nèi)食品加工中使用天然色素占比不足20%,但更多的消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注食品配料表中是否添加合成色素。目前,國(guó)內(nèi)已被批準(zhǔn)用于食品加工的色素有65種,其中天然色素48種(占比70%以上);生產(chǎn)和使用的主要品種是焦糖色素,約占可食用天然色素總量的70%,其余產(chǎn)量較大的品種有紅曲紅色素、辣椒紅色素、姜黃色素和玫瑰茄色素等[2]。

天然色素主要來(lái)源于動(dòng)植物組織和微生物,其中植物是天然色素最廣泛的來(lái)源。植物源天然色素主要包括姜黃素、花青素、甜菜紅素、葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素和胡蘿卜素等。甜菜紅素是水溶性液泡色素,屬于吡啶類(lèi)衍生物,其基本發(fā)色基團(tuán)是1,7-二偶氮庚甲堿,因最早在黎科的紅甜菜塊根中被發(fā)現(xiàn)而得名。它主要存在于石竹目植物(包括藜科、仙人掌科、紫茉莉科、莧科和商陸科等)的花、果實(shí)及根莖組織,或一些高等真菌(如毒蠅鵝膏菌)中[3]。甜菜紅素具有較高的親水性和著色強(qiáng)度,因而可作為食品、藥品及化妝品的重要且有效天然著色劑。甜菜紅素已被歐美批準(zhǔn)作為食用色素,并可商業(yè)化應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已于1998年將其正式列入國(guó)家批準(zhǔn)允許使用的食用天然色素名錄[4],天然來(lái)源甜菜紅色素可在各類(lèi)食品中按生產(chǎn)需要適量添加。此外,甜菜紅素結(jié)構(gòu)中的芳香環(huán)及大量羥基使其具有較好的抗氧化活性與自由基清除能力。故除用作著色劑外,因其具有抗氧化、預(yù)防癌癥、保護(hù)心臟、抗炎、抗菌及減輕肥胖等生物功能而具有較大的應(yīng)用潛力[1],亦將成為功能性活性成分研究的熱門(mén)對(duì)象。

紅甜菜根、紅火龍果和紅莧菜是甜菜紅素的三大主要來(lái)源,據(jù)統(tǒng)計(jì)其中甜菜紅素的含量為44～51 mg/g凍干提取物[5]。目前市售甜菜紅素(歐盟將其命名為E162)主要來(lái)源于紅甜菜根,但該來(lái)源的甜菜紅素提取物因其中土臭素、吡嗪類(lèi)及其衍生物的存在而有泥土氣味,另外還存在硝酸鹽易被累積的問(wèn)題,因此其應(yīng)用受到限制[6]。從莧菜中提取的甜菜紅素因含有三萜皂苷,具有苦味和辛辣味而降低了消費(fèi)者食用接受度?；瘕埞谖肚逍碌拧⒉缓脸粑兜犬愇?就品質(zhì)來(lái)講,在食品中應(yīng)用火龍果源甜菜紅素是更佳選擇[3]。本文主要從火龍果來(lái)源甜菜紅素的含量、提取方法、穩(wěn)定性影響因素、提高穩(wěn)定性方法及其應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行綜述,希望能夠?yàn)楹罄m(xù)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究提供一定的理論參考。

1 火龍果源甜菜紅素的來(lái)源、含量及結(jié)構(gòu)

1.1 甜菜紅素的來(lái)源及含量

按照外觀色澤,火龍果有紅皮白肉、紅皮紅肉和黃皮白肉等3種常見(jiàn)類(lèi)型。其中在紅皮火龍果果皮以及紅皮紅肉的果肉中均含有甜菜紅素。在鮮果中,果皮和果肉中甜菜紅素含量分別為6～22 mg/100 g和10～29 mg/100 g [7]。值得注意的是,果皮占整果18%～24%,但果皮常被丟棄,故與此同時(shí)丟棄了大量甜菜紅素資源。若將果皮中的甜菜紅素進(jìn)行提取純化,可作為食品配料加以應(yīng)用。此外,甜菜紅素含量受火龍果品種、產(chǎn)地、季節(jié)等因素的影響。例如,通過(guò)對(duì)越南、海南省及臺(tái)灣3個(gè)火龍果主產(chǎn)國(guó)家或地區(qū)的紅肉火龍果進(jìn)行比較,在海南蜜寶、金都一號(hào)、臺(tái)農(nóng)一號(hào)、越南H14四個(gè)紅皮紅肉品種中海南蜜寶火龍果果肉中甜菜紅素含量最高,可達(dá)28.9 mg/100 g;“臺(tái)農(nóng)一號(hào)”中含量最小,為15.8 mg/100 g [8]。

1.2 甜菜紅素單體結(jié)構(gòu)

甜菜紅素的基本結(jié)構(gòu)是1,7-二偶氮庚甲堿,屬于吡啶類(lèi)衍生物。自然界已知甜菜紅素有75種,火龍果來(lái)源的甜菜紅素有8種[6,9],其結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)表1。其中甜菜苷占比最大。研究發(fā)現(xiàn),在甜菜苷、丙二酰甜菜苷和異3″-羥基-3″-甲基戊二酰甜菜苷中,甜菜苷的熱穩(wěn)定性最高[9]。但目前沒(méi)有單一結(jié)構(gòu)的甜菜紅素標(biāo)品,這在某種程度上制約了相關(guān)研究。

表1 火龍果來(lái)源甜菜紅素的結(jié)構(gòu)
Table 1 The structure of betacyanins from pitaya fruit

序號(hào)單體名稱(chēng)分子式結(jié)構(gòu)式序號(hào)單體名稱(chēng)分子式結(jié)構(gòu)式1甜菜苷C24H26N2O1353″-羥基-3″-甲基戊二酰甜菜苷C30H34N2O172異甜菜苷C24H26N2O136異3″-羥基-3″-甲基戊二酰甜菜堿C30H34N2O173丙二酰甜菜苷C27H28N2O1672-脫羧-甜菜苷C29H34N2O174異丙二酰甜菜苷C27H28N2O1682-脫羧-丙二酰甜菜苷C32H36N2O20

2 甜菜紅素的提取技術(shù)

將天然色素提取出來(lái)是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ),但常常由于提取率偏低、其穩(wěn)定性易受到提取過(guò)程以及貯運(yùn)條件的影響而受到限制。甜菜紅素也不例外,因此許多研究致力于開(kāi)發(fā)提高提取率的方法。據(jù)報(bào)道,用于火龍果源甜菜紅素提取的方法有浸提法、微波輔助提取、超聲波輔助提取、超臨界萃取及雙水相萃取,如表2所示。由于火龍果的品種及成熟度的差異,以及樣品前處理差異,不同提取方式所得甜菜紅素含量有差異。其中,采用乙醇浸提法的提取量最高,對(duì)果皮和果肉中甜菜紅素的提取量分別達(dá)到22.23 mg/g和24.30 mg/mL(以干基重)[7];但浸提法耗時(shí)長(zhǎng),溶劑用量大,總體成本較高。其次為超臨界萃取,其在果皮和果肉中的提取量分別為24.58 mg/100 mL和91.27 mg/100 mL [6];該技術(shù)反應(yīng)條件溫和,產(chǎn)品安全性高。大多數(shù)情況下從果肉中提取的甜菜紅素高于果皮中,這主要是因?yàn)樵诠庵泻扛哂诠?其次由于果皮中含有較多果膠(約17%),這嚴(yán)重阻隔對(duì)色素的提取。此外,一些新興低溫提取技術(shù)也用于甜菜紅素的提取。例如,NUNES等[13]采用高壓二氧化碳輔助提取仙人掌梨果中的甜菜紅素,經(jīng)高壓二氧化碳預(yù)處理(37.5 MPa、55 ℃、60 min)后,在10 MPa、40 ℃及物料/ CO2體積比為20%條件下,提取量可達(dá)(89±0.7) mg/100 g干物質(zhì)(提取率為83%),提取率為傳統(tǒng)水提法(約40%)的2倍。由于仙人掌梨果與火龍果屬于同一種屬,因此可預(yù)測(cè)該技術(shù)也可在火龍果源甜菜紅素提取中取得較好的效果。

表2 火龍果源甜菜紅素的提取
Table 2 Extraction methods of betacyanins from flesh and peel of pitaya

方法果皮提取量果肉提取量特點(diǎn)浸提法水提：0.52 mg/100 g [10]醇提：0.49 mg/100 g [10]28.44 mg/100 mL [6];22.23 mg/g* [7];6.7 mg/100 g [11]醇提：120.28 mg/100 mL [6];24.30 mg/g* [7]10.1 mg/100 g[11]成本高,耗時(shí)長(zhǎng),溶劑用量大,易導(dǎo)致熱敏性物質(zhì)降解微波輔助提取1.66 mg/g* [6]1.51 mg/g* [6]耗時(shí)短,提取分離簡(jiǎn)單,提取效率高超聲波輔助提取17.64 mg/100 g* [12]71.34 mg/100 g* [12]耗時(shí)較短,設(shè)備簡(jiǎn)單且價(jià)廉超臨界萃取24.58 mg/100 mL[6]91.27 mg/100 mL[6]萃取速度快,耗時(shí)短,可在低溫下進(jìn)行,不殘留有機(jī)溶劑,產(chǎn)品安全性高,但設(shè)備昂貴雙水相萃取8.067 mg/100 g[12]15.649 mg/100 g[12]耗時(shí)短,可在低溫下進(jìn)行,分離效率高,濃度系數(shù)高,操作簡(jiǎn)便,環(huán)境友好

注：*以干基計(jì)。

3 甜菜紅素的穩(wěn)定性研究進(jìn)展

3.1 影響甜菜紅素穩(wěn)定性的因素

作為一種天然著色劑,甜菜紅素易受加工或貯藏過(guò)程中一些外界因素(如pH、高溫、光照、金屬離子、水分活度、酶、抗氧化劑及食品添加劑等)的影響,發(fā)生脫糖作用、脫羧作用、脫氫作用及親核攻擊,導(dǎo)致顏色改變,在一定程度上限制了其在食品加工中的應(yīng)用。

3.1.1 溫度

在低于50 ℃時(shí)甜菜紅素的穩(wěn)定性較好,其保留率在25～50 ℃下隨溫度升高緩慢降低,當(dāng)溫度>50 ℃時(shí)快速下降,在75 ℃下保留率約86%[12]。高溫會(huì)破壞甜菜紅素的穩(wěn)定性,在加熱條件下會(huì)發(fā)生異構(gòu)化、親核攻擊或脫羧而相應(yīng)生成異甜菜苷、環(huán)多巴-5-O-葡萄糖苷或脫羧甜菜苷[14]。當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃后甜菜紅素將由紫紅色變?yōu)槌燃t色[7]?；瘕埞械奶鸩思t素在85 ℃加熱1 h,會(huì)形成梨果仙人掌黃質(zhì)和異梨果仙人掌黃質(zhì)[9],這解釋了甜菜紅素在高溫下變成黃色的原因。在生產(chǎn)含甜菜紅素的產(chǎn)品時(shí),建議避免高溫加工以及低溫貯運(yùn),以保持合理貨架期?；瘕埞? ℃貯藏8周后,甜菜紅素含量無(wú)顯著性變化,而在25 ℃下貯藏則會(huì)導(dǎo)致其含量顯著降低[15]。

3.1.2 pH

甜菜紅素在pH 3～7穩(wěn)定性較好。如圖1所示,甜菜紅素在不同pH值下具有不同的顏色響應(yīng),在pH 1～2時(shí)溶液呈現(xiàn)粉紅色,pH 3～7時(shí)紫紅色逐漸加深,pH 8～10時(shí)色澤轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙?而pH 11～13時(shí)呈現(xiàn)黃色[16]。甜菜苷在堿性條件下發(fā)生親核攻擊生成環(huán)多巴-5-O-葡萄糖苷,該物質(zhì)進(jìn)一步氧化會(huì)形成類(lèi)黑精;在酸的作用下,甜菜苷發(fā)生異構(gòu)化、脫糖或脫氫反應(yīng),生成異甜菜苷、甜菜苷配基或新甜菜苷[14],這3種物質(zhì)均呈現(xiàn)紅色,這也很好地解釋了甜菜紅素“耐酸不耐堿”的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)貯藏6 d,在pH 1～4時(shí)甜菜紅素顏色由淺紅變成淡黃色,pH 5～8時(shí)維持紫紅色,pH 9～14也維持淡黃色[16],表明甜菜紅素在強(qiáng)酸或堿性條件下穩(wěn)定性較差。

圖1 火龍果中甜菜紅素在pH 1～13下的顏色變化[16]

Fig.1 Color changes of betacyanins extracted from red pitaya flesh within pH 1-13 [16]

3.1.3 光照

太陽(yáng)光、室內(nèi)光及紫外光等各種光的照射均會(huì)影響甜菜紅素的穩(wěn)定性,其中紫外光較藍(lán)、紅和綠光對(duì)其破壞性更大。經(jīng)40 W紫外光(λ=275 nm)照射5 h后,甜菜紅素發(fā)生光降解和氧化反應(yīng),甜菜紅素溶液由紫紅色變?yōu)槌燃t色,在日光照射8 h后也會(huì)出現(xiàn)相同的顏色反應(yīng)[17]。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),置于太陽(yáng)光下6 d后,甜菜紅素溶液紅色褪去,而置于室內(nèi)光下溶液的顏色較穩(wěn)定,推測(cè)主要由于太陽(yáng)光中含較強(qiáng)的紫外線[16],但短時(shí)(1～5 min)紫外照射對(duì)甜菜紅素?zé)o影響[11]。此外,光照會(huì)縮短甜菜紅素的半衰期,將噴霧干燥后的火龍果粉在25 ℃條件下貯藏,光照和避光條件下其半衰期分別為63周和154周[17]。

3.1.4 金屬離子

金屬離子如Fe2+、Fe2+、Cu2+、Al3+及Sn2+等的存在不利于甜菜紅素的穩(wěn)定性,Mg2+、Ca2+、Na+和K+等對(duì)其穩(wěn)定性無(wú)影響[7, 12]。在0～150 mg/L,隨著Cu2+和Fe2+濃度增加,甜菜紅素保留率呈直線性降低趨勢(shì);且Cu2+較Fe2+的影響更大,添加150 mg/L的Cu2+后甜菜紅素的保留率低于70%,同等濃度Fe2+處理后的保留率為80% [12]。AGNIESZKA等[18]研究表明,Cu2+使甜菜苷發(fā)生脫氫反應(yīng)生成新甜菜苷,而新甜菜苷經(jīng)氧化后會(huì)同時(shí)發(fā)生脫氫和脫羧反應(yīng)生成2-脫羧-黃新甜菜苷。此外,FeCl3會(huì)導(dǎo)致甜菜紅素由紅色變成黃綠色,添加Al(NO3)3和CuSO4會(huì)導(dǎo)致其分別在貯藏5 d和1 d后變黃綠色和綠色[16]。

3.1.5 加工過(guò)程

3.1.5.1 熱處理

熱處理是食品中常用的加工方法。如圖2所示,經(jīng)熱處理后甜菜紅素的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著熱處理時(shí)間延長(zhǎng)或溫度升高,甜菜紅素的降解率升高[19]。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)高溫?zé)崽幚? h后,甜菜紅素保留率僅有25%。有趣的是,較低溫度長(zhǎng)時(shí)間熱處理后甜菜紅素可再生。例如,在85 ℃加熱1～3 h后,火龍果果汁中有10%甜菜紅素再生[19];但加熱4～5 h后甜菜紅素再生率降低,主要是由于其初級(jí)熱降解產(chǎn)物甜菜醛氨酸和環(huán)多巴5-O-β-葡萄糖苷在長(zhǎng)時(shí)間加熱下被進(jìn)一步分解,抑制其再生。甜菜紅素的熱穩(wěn)定性與其來(lái)源有關(guān)。研究表明,與甜菜根相比,紅火龍果中的甜菜紅素在經(jīng)過(guò)50～100 ℃下熱處理后在冷藏中具有更高的顏色保留率[17]。這可能與火龍果果汁中的酸度較高以及所含單體結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。在另一項(xiàng)研究中,將甜菜根和火龍果源的甜菜紅素加入牛奶中,發(fā)現(xiàn)在50 ℃或85 ℃下巴氏殺菌后,含乳飲料中甜菜根源甜菜紅素含量顯著低于紅火龍果源[20]。甜菜根中甜菜紅素主要由甜菜苷和異甜菜苷組成,在長(zhǎng)時(shí)間的加熱下會(huì)降解為甜菜醛氨酸,在70 ℃下容易降解并熱降解成甜菜黃素[19]。而火龍果源的甜菜紅素含有較多的丙二酰甜菜苷,它對(duì)熱處理較甜菜苷或異甜菜苷更穩(wěn)定。即使經(jīng)過(guò)熱降解后丙二酰甜菜苷被分解為甜菜苷而非甜菜醛氨酸,從而使得體系中甜菜紅素的損失降低。因此該研究也提示火龍果源甜菜紅素較甜菜根源的更適合用于食品加工,畢竟目前熱加工依然是最為常見(jiàn)的食品加工方法。

圖2 火龍果源甜菜紅素在熱處理后的水解裂解和縮合反應(yīng)

Fig.2 Hydrolytic cracking and condensation of betacyanins from pitaya fruit after heat treatment
注：CDG：cyclodopa glucoside,環(huán)多巴葡萄糖苷。

3.1.5.2 超聲波加工

超聲波加工是傳統(tǒng)熱處理的一種替代技術(shù),由于超聲波所產(chǎn)生空化氣泡的破裂形成原位高溫高壓以及微射流很容易破壞生物細(xì)胞壁、并有利于胞內(nèi)成分溶出,因此借助超聲波以及熱輔助超聲波等技術(shù)可使液態(tài)物料中可溶性固形物釋放到液質(zhì)中,促進(jìn)包括色素物質(zhì)的釋放。在相同提取溫度和固液比的條件下,通過(guò)對(duì)比水浸提和超聲波輔助萃取法,在25 ℃下以50 kHz超聲波輔助萃取30 min,對(duì)火龍果果肉中甜菜紅素的提取率達(dá)90.08%,遠(yuǎn)高于浸提法(73.27%);但在相同條件下對(duì)果皮中甜菜紅素的提取率超聲輔助并不具備優(yōu)勢(shì),其提取率為浸提法的一半(47.07%)[13]。采取熱輔助超聲波作為殺菌技術(shù),在達(dá)到相應(yīng)保質(zhì)期時(shí),發(fā)現(xiàn)其對(duì)果汁中甜菜紅素的保留率具備優(yōu)勢(shì)。例如,經(jīng)過(guò)熱輔助超聲波處理后,在4 ℃貯存8周后甜菜紅素保留率依然可達(dá)83%[21]。本團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果也表明,采用熱輔助超聲波處理(380 W、50 ℃、40 min)紅肉火龍果汁,其中甜菜紅素的保留率達(dá)到87.2%[22]。

3.1.5.3 高靜壓加工

高靜壓(high hydrostatic pressure,HHP)是一種非熱加工技術(shù),其對(duì)食品感官品質(zhì)、理化指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)特性的不良影響較低。研究表明,經(jīng)HHP處理(500 MPa、10 min)的火龍果果汁中甜菜紅素含量為1.4～1.5 mg/g(干重),其保留率為92%～100%,可見(jiàn)HHP對(duì)甜菜紅素影響甚微[23]。與火龍果源甜菜紅素相似地,采用HHP處理仙人掌梨飲料時(shí),發(fā)現(xiàn)在400 MPa時(shí)無(wú)影響;提高壓強(qiáng)至550 MPa下處理2～4 min,其中甜菜紅素增加4%～7%[24]。因此,未來(lái)可考慮采用HHP加工以更好地保留火龍果果汁及飲料中的甜菜紅素。

3.1.5.4 噴霧干燥

噴霧干燥是現(xiàn)代食品工業(yè)中一種常見(jiàn)的干燥方法。將火龍果及果皮漿噴霧干燥成粉可在各類(lèi)食品中用作天然著色劑,因?yàn)楦缓鸩思t素具備抗氧化活性。采用噴霧干燥發(fā)現(xiàn)火龍果皮漿粉中具有較高的甜菜素保留率和較低的水分活性,果皮粉顏色漂亮、溶解度和吸濕性能。高濃度的麥芽糊精和較低的噴霧干燥入口/出口溫度可以使甜菜紅素在干燥過(guò)程中更穩(wěn)定,例如當(dāng)入口和出口溫度分別為155～175 ℃和75～85 ℃時(shí),所得果粉中甜菜紅素更穩(wěn)定[25]。

3.1.6 抗氧化劑

食品加工中往往會(huì)添加抗氧化劑,其存在可通過(guò)移除體系中的氧以減少甜菜紅素被氧化。常用的有抗壞血酸、生育酚、茶多酚等天然來(lái)源抗氧化劑。據(jù)報(bào)道適量抗壞血酸和異抗壞血酸等有助于提高甜菜紅素的穩(wěn)定性,可降低在85 ℃下加熱1 h后火龍果汁的L*(亮度)和C*(彩度)變化,其中添加1.0%抗壞血酸效果最佳[9]。LEONG等[26]得到相似結(jié)果,添加0.1%～1%的抗壞血酸有助于提高在4℃和25℃貯藏10 d期間甜菜紅素的保留率,且0.5%時(shí)效果最好。但TANG等[11]的結(jié)果表明,在pH 5.0時(shí),添加0.7%抗壞血酸的甜菜紅素溶液在25 ℃下放置12 h后,其保留率高達(dá)99%;當(dāng)添加量大于0.7%后,抗壞血酸將變?yōu)榇傺趸瘎?導(dǎo)致色素保留率隨濃度增大而降低;此外,他們還發(fā)現(xiàn)添加0.25%抗壞血酸的色素提取液在貯藏期間色澤變化較對(duì)照組減小,尤其是a*(紅綠)值。因此,在加工中應(yīng)添加合適的抗氧化劑及適合劑量。

3.1.7 其他

加工及貯運(yùn)中其他因素如碳水化合物、EDTA、食品添加劑、酚類(lèi)物質(zhì)及O2等的存在也可能影響甜菜紅素的穩(wěn)定性[7,16]。在有O2條件下甜菜紅素不穩(wěn)定,貯藏過(guò)程應(yīng)盡量降低氧氣濃度,以降低其氧化降解速率[27]。研究表明葡萄糖、木糖、蔗糖麥芽糖和乳糖在短時(shí)(24 h)內(nèi)可以保護(hù)甜菜紅素的顏色,添加0.2%～0.3%即可提高甜菜紅素穩(wěn)定性;而草酸、水楊酸和酒石酸不利于其穩(wěn)定性[28]。此外,苯甲酸鈉、EDTA和山梨醇等有利于甜菜紅素保持紅色;H2O2和淀粉會(huì)使溶液顏色變淺;沒(méi)食子酸的羥基會(huì)和甜菜紅素的羧基發(fā)生酯化反應(yīng),使其變成褐色[16, 28]。在ABTS陽(yáng)離子自由基的作用下,甜菜苷會(huì)轉(zhuǎn)化成2-脫羧-甜菜苷或2-脫羧-黃新甜菜苷[18],這對(duì)其穩(wěn)定性十分不利。

綜上可知,高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境、光照、加工過(guò)程以及及金屬離子對(duì)甜菜紅素的影響較大,加工過(guò)程應(yīng)盡量避免溫度>50 ℃,pH<3,pH>7,各種光線的照射及Zn2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+及Al3+等多種金屬離子。

3.2 提高甜菜紅素穩(wěn)定性的方法

提高天然色素穩(wěn)定性的方法主要包括添加穩(wěn)定劑(β-胡蘿卜素、抗壞血酸、異抗壞血酸等),輔色作用(分子間輔色、分子內(nèi)輔色、自聚作用及金屬螯合作用),微膠囊化,色素分子結(jié)構(gòu)修飾及改善色素加工貯存環(huán)境等。常用于穩(wěn)定甜菜紅素的方法主要有添加穩(wěn)定劑、輔色及微膠囊化。

3.2.1 添加穩(wěn)定劑

抗壞血酸、異抗壞血酸、酚類(lèi)物質(zhì)及碳水化物等,在一定程度上可改善色素環(huán)境,有效地提高甜菜紅素的穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道[29]加入抗壞血酸可顯著提高甜菜紅素在貯藏期間的保留率,例如添加1%抗壞血酸的樣品在光照條件下貯藏6個(gè)月后甜菜紅素保留率超過(guò)70%,未添加組低于10%。茶多酚對(duì)甜菜紅素也有保護(hù)作用,其效果弱于抗壞血酸。添加1 mg/mL茶多酚和1 mg/mL抗壞血酸的樣品在常溫下貯藏20 d后甜菜紅素保留率分別為80%和90%,二者均高于未添加組(僅50%)。苯甲酸鈉、甜菊糖和甜蜜素等食品添加劑對(duì)甜菜紅素穩(wěn)定性無(wú)影響[30]。此外,添加0.07%～1.12%山梨醇可在一定程度上延緩甜菜紅素的降解,從而提高其在貯藏4 d內(nèi)的保留率[28]。

3.2.2 輔色處理

輔色是指天然色素與輔色素之間通過(guò)分子內(nèi)輔色、分子間輔色、自聚和金屬螯合等幾種途徑實(shí)現(xiàn)呈色基團(tuán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和輔助呈色作用。已知植物中輔色素多達(dá)30多種,包括多酚類(lèi)、類(lèi)黃酮、生物堿、氨基酸、有機(jī)酸及多糖等[31]。例如,硒和抗壞血酸可以增強(qiáng)紅色珊瑚漿果果汁中甜菜紅堿的穩(wěn)定性和顏色強(qiáng)度(色度)。在90 ℃熱處理后,或在25 ℃貯存約3周后,純化的甜菜苷最大紫外吸收波長(zhǎng)紅移9 nm [32]。徐馨等[28]研究表明0.01%～0.25% EDTA對(duì)甜菜紅素有一定保護(hù)作用,未添加組和添加0.25% EDTA樣品溶液在30 ℃下貯藏4 d后色素的保留率分別為53%和70%。提取物中微量Fe3+、Al3+等金屬離子會(huì)干擾色素穩(wěn)定性,加入EDTA后這些金屬離子被螯合形成穩(wěn)定的化合物,從而減少金屬離子對(duì)甜菜紅素穩(wěn)定性的影響[28]。LIMA等[33]將γ-氧化鋁、Mg-AlO、Mg、Zn-AlO和沸石用于甜菜紅素的吸附和隔離,通過(guò)核磁共振波譜等觀察到γ-氧化鋁中甜菜堿的吸附可以通過(guò)酸堿相互作用使色素保持20個(gè)月以上。

3.2.3 微膠囊化

微膠囊化是利用多糖或蛋白質(zhì)等作為壁材將色素包埋,再經(jīng)噴霧干燥后得到粉末狀物質(zhì),以阻隔空氣、水分及光照等外界條件的干擾,從而實(shí)現(xiàn)提高色素穩(wěn)定性的一種較為常用方法。許多研究表明麥芽糊精作為壁材的穩(wěn)定效果較好。例如,麥芽糊精包埋的甜菜紅素在貯藏期間抗熱能力最強(qiáng),保證了結(jié)構(gòu)完整性,且半衰期(t1/2)較長(zhǎng),平均保質(zhì)期為53周[34]。類(lèi)似研究中,在避光條件下貯藏6個(gè)月,包埋后甜菜紅色素保留率高達(dá)75%[34]。與未改性淀粉微膠囊相比,利用改性淀粉包埋火龍果源甜菜紅素具有更好的著色力和穩(wěn)定性。以菊粉和乳清蛋白混合使用比單獨(dú)使用麥芽糊精進(jìn)行包埋的色素穩(wěn)定性更好。此外,海藻酸鹽也被用于其他來(lái)源甜菜紅素的微膠囊化。例如,在pH 3.0下,添加刺槐豆膠、海藻酸鹽和阿拉伯膠顯著改善了甜菜紅素經(jīng)HHP處理后的顏色穩(wěn)定性[35]。

綜上,可在允許條件下,通過(guò)添加適量抗壞血酸、山梨醇及EDTA等來(lái)提高甜菜紅素的穩(wěn)定性;也可通過(guò)制備微膠囊以延長(zhǎng)色素的著色力及貯藏期。

4 火龍果源甜菜紅素的應(yīng)用

根據(jù)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2760—2014),甜菜紅素作為著色劑可按需適量添加到相關(guān)食品中。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,除著色作用外甜菜紅素還可以作為天然抗氧化劑、抑菌劑和指示劑。以下將介紹火龍果源甜菜紅素的應(yīng)用及相關(guān)研究進(jìn)展。

4.1 著色劑

甜菜紅素親水性較強(qiáng),尤其在液態(tài)食品中的著色能力較好。甜菜紅素在酸奶中著色性好,色澤均勻,產(chǎn)品色澤與一種商業(yè)化草莓味酸奶的色澤可接受度相似其加入同時(shí)增加了酸奶的自由基清除能力[36]?；瘕埞ぶ械奶鸩思t素在飲料、布丁、干制面條中著色均勻,色澤誘人且穩(wěn)定;但在蛋糕中著色效果差[37]。這是由于甜菜紅素為水溶性色素,而蛋糕制作過(guò)程中需加入大量油脂導(dǎo)致其難著色。果凍和酒等產(chǎn)品中也可加入甜菜紅素,其最佳添加量分別為40 mg/100 g和23 mg/100 mL[38]?；瘕埞胸S富的營(yíng)養(yǎng)元素,可將火龍果作為原料應(yīng)用于乳制品和復(fù)合果蔬汁中并賦予亮麗色澤;也可將其中甜菜紅素提取出來(lái)再添加,且由于火龍果源甜菜紅素不存在土臭素和吡嗪類(lèi)等不良風(fēng)味,這在很大程度上擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

此外,甜菜紅素在在紡織、化妝品及藥品等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。已有報(bào)道從仙人掌果實(shí)中提取甜菜紅素為天然染料,采用葉綠素a進(jìn)行生物媒染,并應(yīng)用超聲波工藝對(duì)羊毛織物進(jìn)行染色,使染料耗竭率在短時(shí)間內(nèi)從30%提高到60%,所得織物樣品具有良好的耐水洗、耐光、耐干濕摩擦牢度性能[39]。仙人掌果實(shí)源甜菜紅素與火龍果源甜菜紅素相似極高,且其加工處理更為簡(jiǎn)便;未來(lái)可考慮拓展火龍果源甜菜紅素的應(yīng)用范圍,例如充分利用果皮中甜菜紅素到紡織品著色中,以擴(kuò)展其作為紅-紫色系天然著色劑的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2 抗氧化劑與抑菌劑

甜菜紅素具有較好的抗氧化活性和抑菌作用。火龍果源甜菜紅素對(duì)羥自由基、超氧陰離子自由基和DPPH自由基具有清除能力,其中對(duì)DPPH自由基的清除能力與維生素C相當(dāng);隨著色素濃度增加,對(duì)自由基的清除能力越大[40]。將火龍果皮源甜菜紅素制備成100 mg/L和1 000 mg/L的微膠囊,添加到肉糜中,可以抑制經(jīng)HHP處理(500 MPa、10 min)后在4 ℃下貯藏9 d內(nèi)其蛋白質(zhì)的氧化過(guò)程,最大限度減少貯藏中肉糜紋理的變化[41]。相似的,從石竹目仙人掌科的仙人掌梨果中提取的甜菜紅素也具有抗氧化和抑菌作用[42]。甜菜紅素的親水特性可使其通過(guò)破壞細(xì)胞膜或抑制蛋白質(zhì)合成來(lái)抑菌。研究表明甜菜紅素提取液可抑制金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌等致病菌[42]。將其應(yīng)用到切片牛肉和意大利香腸中,可抑制微生物生長(zhǎng)、降低意大利香腸的硬度和咀嚼性、維持肉制品色澤、質(zhì)地及營(yíng)養(yǎng),有效地延長(zhǎng)貨架期[43]。因此,雖然相關(guān)報(bào)道較少,上述結(jié)果表明火龍果源及相近種屬仙人掌梨果中的甜菜紅素不僅可作為天然著色劑,還可以作為抗氧化劑和抑菌劑加以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,未來(lái)還具有較大的研發(fā)和應(yīng)用空間。

4.3 天然指示劑

基于在不同pH值下甜菜紅素呈現(xiàn)不同顏色的特性,已有一些研究將其開(kāi)發(fā)作為一種天然酸堿指示劑。將60%～100%的火龍果果皮漿和0%～4%的甘油作為成膜基質(zhì),通過(guò)調(diào)節(jié)成膜液的pH值可以制備指示膜用于豬肉包裝,可達(dá)到肉眼識(shí)別并區(qū)分新鮮、次新鮮和腐敗變質(zhì)的豬肉[44]。將甜菜紅素加入馬鈴薯淀粉中可以制備具有pH傳感和氨敏感性的淀粉基薄膜,可以作為一種安全環(huán)保的智能包裝材料,直觀地辨別在冷藏過(guò)程中魚(yú)的新鮮程度[45]。研究表明火龍果中甜菜紅素可與羧甲基纖維素和甘油混合制成薄膜,可作為鱈魚(yú)新鮮度的指示劑,通過(guò)對(duì)二甲胺的響應(yīng)(紅色→棕色→黃色)確定鱈魚(yú)的腐敗程度,且低色素添加量(10 g/L)的響應(yīng)速度最快,變色程度最大[25]。與同色系的花青素相比,甜菜紅素作為指示劑的研究相對(duì)較少,這是由于其對(duì)環(huán)境pH變化響應(yīng)較花青素弱,但未來(lái)可以通過(guò)系統(tǒng)研究膜體系中甜菜紅素濃度、初始pH、與成膜基質(zhì)的結(jié)合方式,以及通過(guò)結(jié)構(gòu)改性等方法來(lái)提高其指示敏感度,以用于不同智能食品包裝中。此外,加入甜菜紅素可以改善薄膜的相容性、溶脹性、機(jī)械性能、抗氧化活性和抗菌性能,這也可賦予甜菜紅素膜更多的應(yīng)用可能。

5 結(jié)論與展望

綜上,本文主要對(duì)火龍果來(lái)源甜菜紅素的提取、理化特征、穩(wěn)定性及其應(yīng)用進(jìn)行綜述,主要結(jié)論為：火龍果源甜菜紅素主要由8種單體組成,其主要發(fā)色基團(tuán)為1,7-二偶氮庚甲堿;目前主要的提取方法包括浸提法、微波輔助提取、超聲波輔助提取、超臨界萃取及雙水相萃取;溫度、pH、光照、金屬離子等多種因素均會(huì)影響其穩(wěn)定性,可通過(guò)加入穩(wěn)定劑、輔色或微膠囊化來(lái)提高加工過(guò)程中甜菜紅素的穩(wěn)定性;甜菜紅素可作為天然抗氧化劑、抑菌劑和酸堿指示劑廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域。

基于前人相關(guān)研究及應(yīng)用進(jìn)展,建議今后在以下幾個(gè)方面深入研究：一是可應(yīng)用新興技術(shù)優(yōu)化甜菜紅素的提取,或采取多技術(shù)聯(lián)用以提高其提取得率。二是深入研究加工過(guò)程中甜菜紅素的降解途徑及其機(jī)制,以提高其穩(wěn)定性。三是充分利用火龍果源甜菜紅素不含土嗅味的優(yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,提高其在食品、化妝品及醫(yī)藥等方面的應(yīng)用。

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