食用天然色素的性质及其热稳定性分析

近两年来，孔雀石绿、苏丹红等一系列事件的发生，让食品安全问题成为公众关注的焦点，对于合成色素安全性的顾虑也越来越严重。天然色素因为源自可食用的动植物组织，具有更高的安全性，且部分天然色素中含有人体所需的营养物质以及维生素，同时色调自然，所以在食品生产制作中得到了广泛应用。然而，天然色素存在稳定性差、价格偏贵等问题，使其开发应用存在一定的限制，因此加大对天然色素稳定性的考察分析，对于推动天然色素市场的发展具有积极意义。

一、仪器与原料

恒温水浴，江苏奈乐仪器设备制造有限公司；UV-Probe2550双光束紫外光谱仪，日本岛津公司；pHS-2型酸度计，上海分析仪器厂；红辣椒、玉米淀粉、β-胡萝卜素（市售）、红心萝卜（市售）、高粱壳、番茄、红曲米、紫色葡萄、栀子、红花，其余试剂都是分析纯。

二、实验与方法

1.待测色素溶液制备。使用一定量的乙酸乙酯对β-胡萝卜素进行充分溶解，并使用65%乙醇溶液将其充分稀释，标注待测β-胡萝卜素溶液，冷藏备用。将番茄、红辣椒（去籽）、栀子（脱壳捣碎）、玉米淀粉、紫色葡萄皮、红曲米、红花、红心萝卜、高粱壳分别采用一定量的溶剂进行3次浸提、过滤，标注待测色素溶液，冷藏待用。

2.光谱扫描与吸光度测量。从待测色素溶液中吸取相应量的液体，用水充分稀释，使用UV-Probe2550双光束紫外光谱仪扫描200-800nm的吸收光谱，将不同色素最大吸收波长视作测定波长，对其实验前后的吸光度情况展开测量，并根据公式（1）进行吸光度残存率计算，对不同条件下的色素稳定情况展开计算。

吸光度残存率=           （1）

在公式（1）中，AO代表样品起始吸光度，AX代表通过查考处理样品吸光度。

三、分析与讨论

1.光照对色素色泽稳定性造成的影响分析。量取一定量的待测色素溶液，置于25mL比色管中，用水充分稀释至刻度线处，根据上述实验流程中扫描出的最大吸收波长，分别测量并得到在室内进行10天自然光照前后的吸光度情况，计算吸光度残存率，重点分析不同色素受到室内自然光照后所产生的改变，得出的最终数据详见表1。通过为期10天的室内自然光照作用，脂肪族、芳香族天然色素的残存率分别为30%以下和80%以下，凸显了芳香族天然色素的强耐光性特征，而脂肪族天然色素相对逊色，原因可能是脂肪族天然色素分子结构中存在长链共轭双键，长链烯烃里的键会因氧化、光照等干扰而褪色。在该结构的影响下，脂肪族天然色素除了具有颜色外，受到光照影响后色素色泽也不稳定。但是芳香族色素分子结构中具有稳定性稍强的共辘芳香环，在光照环境下不会发生明显改变，因此表现出一定的耐光性。由此得出，天然色素的光稳定性与分子结构存在关联，后者会对前者造成极大影响。

2.色素分子结构和光照下色泽稳定情况的相关性分析。在Cambridge Soft Corp Chem3D软件中输入并优化一些脂肪族和芳香族天然色素的分子结构，经半经验量子化学计算法AM1，对分子生成热（OH）展开计算，结果如表1所示。由表1可知，芳香族色素生成热大部分低于-130Kca1/mol，但是脂肪族色素生成热基本都超过-90Kca1/mol，与实验方法的最终结论一致。

3.避光存放给色素色泽稳定性带来的影响分析。依次取各类待测色素溶液，加入25mL比色管中，并用水充分稀释至刻度线处，根据上述实验流程扫描得到的最大吸收波长，测量其在避光环境下存放1个月前后的吸光度，对吸光度残存率进行计算，分析避光存放对各类色素所造成影响，具体数据如表1所示。由表1可知，相较于芳香族天然色素，脂肪族天然色素的耐氧化性较弱。

4.介质极性变化给色素色泽稳定性带来的影响分析。依次取各类待测色素溶液，使用无水乙醇配制成乙醇体系百分比分别为0、28%、38%、45%且色素浓度一致的色素溶液，置于室内给予10天的自然光照，再根据上述实验流程扫描得到的最大吸收波长对吸光度实施测定，通过公式计算吸光度残存率，分析介质极性与色素稳定性之间的关联性，具体数据如表1所示。通过观察发现，随着介质极性增大，脂肪族天然色素稳定性降低，芳香族天然色素稳定性本应呈现增长趋势，至于为何会出现这种情况尚未明确，仍有待探究。

5.金属离子为色素色泽稳定性带来的影响分析。依次取各类待测色素溶液，加入25mL比色管中，将各类金属离子也加入比色管内，进行金属离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+、Cu2+）溶液的配制（浓度为0.01mg/mL），对溶液的变化情况展开分析，同时根据上述实验流程中扫描得到的最大吸收波长，对金属离子添加前后溶液吸光度进行测量，计算吸光度残存率，明确金属离子和各类色素之间存在的关联性，具体情况如表1所示。由表1中的数据可以发现，受到金属离子的作用，所有芳香族色素最大吸收峰均产生相应位移，脂肪族天然色素中除了铁离子，其余的离子基本无改变，原因可能是一些金属离子和芳香族色素作用改变了芳香族色素溶液，导致难溶性沉淀形成。

6.pH转变给色素色泽稳定性带来的影响分析。使用pH分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0的缓冲液配制不同pH的待测色素溶液，根据上述实验流程中扫描得到的最大吸收波长，对所配制的pH溶液、原色素溶液吸光度展开测量，计算吸光度残存率，分析pH与各类色素之间存在的关系，具体情况如表1所示。当pH从3.0升高至10.0时，脂肪族天然色素色泽不会发生改变，表示pH变化带来的影响非常小；但pH改变会给芳香族天然色素带来较大的干扰，且pH增长时，除了可可色素外，其余色素的色泽均发生了改变。

7.温度为色素色泽稳定性带来的影响分析。依次取各类待测色素溶液，加入50mL圆底烧瓶中，添加适量水充分进行稀释，再依次将各类色素溶液置于100℃恒温环境中进行1h加热回流，并冷却定容，根据上述实验流程扫描得到的最大吸收波长对加热前后的吸光度进行测量，明确温度与各待测色素之间的关系。通过表1数据可以发现，除了红曲色素和萝卜红素外，其余的芳香族以及脂肪族天然色素均具有一定的耐热性。

四、结果

脂肪族天然色素和芳香族天然色素具备以下特征差异：

1.表现行为差异。天然食用色素色泽不稳定，芳香族天然色素的反应是变色，脂肪族天然色素的反应是褪色，二者存在一定差异。

2.作用机理差异。两种天然色素的色彩变化机理不同，脂肪族天然色素的褪色原理为光催化氧化、水解重排，芳香族天然色素的变色原理为结构重排、金属离子配位。

3.关键影响要素。光照不同、氧化、介质极性增大是脂肪族天然色素发生褪色的关键，pH改变、部分金属离子本身是引起芳香族天然色素变色的关键。

4.存在大量互补特性。两种天然色素具有互补特性，其中光、氧、介质极性增大会导致脂肪族天然色素呈现出不稳定特征，芳香族色素能够对该特性存在的不足进行补充；pH变化、部分金属离子本身的存在同样会干扰芳香族天然色素，使其呈现出不稳定特征即发生变色，但是脂肪族色素能够对该特性存在的不足予以补充。

综上，本文分析了常见天然食用色素的色泽稳定性，从天然食用色素分子结构着手，提出了改善天然色素色泽稳定性的举措：一是通过改变色素所处微环境来增强色素色泽稳定性；二是利用互补特性改善色素色泽稳定性；三是通过不同稳定剂的添加改善色素色泽稳定性。

作者简介：徐雄（1992-），男，汉族，江西鹰潭人，助理工程师，大学本科，研究方向为天然色素的特性及应用。