[科普中國(guó)]-植物色素

概述

植物的花、葉、果實(shí)、皮等往往呈現(xiàn)出各種各樣的顏色,這與植物自身內(nèi)部的天然色素有關(guān)。植物體內(nèi)的一些有機(jī)分子(色素) 在陽(yáng)光的照射下,吸收了一定頻率的有色光后,分子內(nèi)電子發(fā)生振動(dòng)躍遷現(xiàn)象。由于各種植物的有機(jī)分子(色素) 中的電子成鍵能力不同,電子激發(fā)躍遷時(shí)所需的能量也就不一樣,故對(duì)吸收光的頻率就有一定的選擇性。而不同植物具有合成適應(yīng)自身特點(diǎn)的有機(jī)色素分子的能力各有差異,因此,不同的植物就表現(xiàn)出不同的體色及花色,從而使大自然呈現(xiàn)出姹紫嫣紅的美麗景色。1

植物的體色和花色是以所含有的色素為主體而呈現(xiàn)出來(lái)的,但不能認(rèn)為花色的種類就是色素的種類,因?yàn)榧词故峭耆嗤纳?由于花瓣中的生理?xiàng)l件不同,也會(huì)顯現(xiàn)完全不同的顏色,如從藍(lán)色的鴨跖草、矢車菊、牽牛花中用含有少量鹽酸的甲醇浸提出的卻是紅色系的色2。反之,含有種類不相同色素的植物組織卻有可能具有完全相同的顏色。一般來(lái)說(shuō),各種植物都由有其相對(duì)穩(wěn)定的色素分子組成,但隨著季節(jié)的變化及環(huán)境的影響,植物體色及花色也相應(yīng)地有所改變。這不只是完全由植物生長(zhǎng)激素的調(diào)節(jié)來(lái)決定的,也與色素分子結(jié)構(gòu)及外界環(huán)境因素等有著非常密切的關(guān)系。

分類植物色素類（Phytochromes）在中草藥中分布很廣，按照溶解性，主要有脂溶性色素與水溶性色素兩類。3按來(lái)源，主要有天然植物色素和合成植物色素。

脂溶性色素脂溶性色素主要為葉綠素、葉黃素與胡蘿卜素，三者常共存；此外尚有藏紅花素、辣椒紅素等。除葉綠素外，多為四萜衍生物。這類色素不溶于水，難溶于甲醇，易溶于高濃度乙醇、乙醚、氯仿、苯等有機(jī)溶劑。胡蘿卜素在乙醇中也不溶。葉綠素等在制備中草藥制劑或提取其他有效成分時(shí)常須作為雜質(zhì)去除，以使藥物純化，中草藥（特別是葉類、全草類）的乙醇提取液中含有多量葉綠素、可在濃縮液中加水使之沉出，也可通過(guò)氧化鋁、碳酸鈣等吸附劑而除去。3葉綠素本身有抑菌作用，可制備成消炎的藥物。

水溶性色素水溶性色素主要為花色甙類，又稱花青素，普遍存在于花中。溶于水及乙醇，不溶于乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑，遇醋酸鉛試劑會(huì)沉淀，并能被活性炭吸附，其顏色隨pH的不同而會(huì)改變?；ㄉ霸谥苽渲胁菟幹苿┗蛱崛∮行С煞謺r(shí)，常作為雜質(zhì)去除。3

天然植物色素天然植物色素的分類

植物中的天然色素按化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同,可以分為四大類:1

(1) 吡咯衍生物類色素:是以四個(gè)吡咯環(huán)構(gòu)成卟吩為基礎(chǔ)的天然色素,它們廣泛地存在于綠色植物的葉綠體中,葉綠素是其主要代表。在高等植物中,葉綠素主要有兩種類型,即葉綠素a 呈藍(lán)綠色和葉綠素b 呈黃綠色,它們的比例為3∶1。

(2) 多烯類色素:是由異戊二烯(CH2 = C(CH3) - CH = CH2) 為單元組成的共軛雙鍵長(zhǎng)鏈為基礎(chǔ)的一類色素,為脂溶性色素,主要存在于綠色植物的果實(shí)中,如蕃茄紅素、辣椒紅素和玉米黃素等。

(3) 酚類色素:為水溶性或醇溶性色素,是多元酚的衍生物,可分為黃酮類、花青素類和單寧三大類。如矢車菊色素、天竺葵色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛花色素和橙皮素等。

(4) 酮類和醌類衍生物色素:它們的種類較少,主要存在于植物的地下莖和霉菌分泌物及紅甜菜中。

天然植物色素的特點(diǎn)

(1) 絕大多數(shù)天然色素?zé)o毒、副作用,安全性高。

(2) 天然植物色素大多為花青素類、黃酮類、類胡蘿卜類化合物,因此,食用天然色素不但無(wú)毒無(wú)害,而且很多食用天然色素含有人體必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或本身就是維生素或具有維生素性質(zhì)的物質(zhì)。如核黃素、番茄紅素、玉米黃色素、β- 胡蘿卜素等,尤其是β- 胡蘿卜素,國(guó)家已歸類為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑,用于食品強(qiáng)化可防止人體維生素A 的缺乏癥和干眼病等。還有一些天然色素具有一定的藥理功能,對(duì)某些疾病有預(yù)防和治療作用。1

(3) 天然植物色素不但具有著色作用而且具有增強(qiáng)人體功能、保健防病等功效。如蕓香苷天然食用黃色素具有使人維持毛細(xì)管正常抵抗能力和防止動(dòng)脈硬化等功能,在醫(yī)學(xué)上一直作為治療心血管系統(tǒng)疾病的輔助藥物和營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑。1

(4) 天然色素的著色色調(diào)比較自然,更接近于天然物質(zhì)的顏色。

(5) 大部分天然色素對(duì)光、熱、氧、金屬離子等很敏感,穩(wěn)定性較差。

(6) 絕大多數(shù)天然色素染著力較差,染著不易均勻。

(7) 天然色素對(duì)pH 值變化十分敏感,色調(diào)會(huì)隨之發(fā)生很大變化。如花青素在酸性時(shí)呈紅色,中性時(shí)呈紫色,堿性時(shí)呈藍(lán)色。

(8) 天然色素種類繁多、性質(zhì)復(fù)雜,就一種天然色素而言,應(yīng)用時(shí)專用性較強(qiáng),運(yùn)用范圍狹窄。

合成植物色素19 世紀(jì)中葉以前,人們應(yīng)用比較粗制的天然色素作為食用色素。1856 年,英國(guó)的Perkins 第一個(gè)合成苯胺紫4 ,隨后許多色素相繼被合成,由于其具有色澤鮮艷,穩(wěn)定性好,著色力強(qiáng),適于調(diào)色,易于溶解,品質(zhì)均一,無(wú)臭無(wú)味,價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),很快取代了食用天然色素在食品中的應(yīng)用。

但隨著毒理學(xué)的發(fā)展,人們認(rèn)識(shí)到合成色素主要以苯、甲苯、萘等為原料經(jīng)化學(xué)合成,多屬苯胺類色素,它不僅無(wú)任何營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,而且對(duì)人體健康有害。如在肉類腌制時(shí)最常用的亞硝酸鈉,其毒性較強(qiáng),在藥物學(xué)中稱為劇藥;有些合成色素在人體代謝過(guò)程中能產(chǎn)生有害物質(zhì),在合成過(guò)程中也可能被其它有害的化學(xué)物質(zhì)污染。因此現(xiàn)在各國(guó)已允許用作色素的合成元素,無(wú)論是品種還是數(shù)量都越來(lái)越少。1

天然植物色素的提取從植物中提取色素的生產(chǎn)工藝主要有以下幾種:

溶劑萃取法用有機(jī)溶劑浸提,然后再經(jīng)過(guò)濾、減壓濃縮、真空干燥精制等工藝過(guò)程得到最終產(chǎn)品。提取色素所用的溶劑根據(jù)色素的性質(zhì)、所用原料等情況有不同的選擇,常用的有水、酸堿溶液、有機(jī)溶液,如乙醇、丙酮、烷烯烴、苯等,油脂類及二氧化碳等。此法工藝簡(jiǎn)單,但產(chǎn)品質(zhì)量不太理想, 往往存在色素溶解性差,色澤變化較大等缺點(diǎn),且萃取過(guò)程要用大量的溶劑(常用的如乙醇) , 回收困難,導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本高。常用于試驗(yàn)研究,是一種比較常用的方法。1

超臨界流體萃取法是食品工業(yè)新興的一項(xiàng)萃取和分離技術(shù),是使用高于臨界溫度、臨界壓力的流體作為溶劑的萃取過(guò)程。處于臨界點(diǎn)附近的流體不僅對(duì)物質(zhì)具有極高的溶解能力,而且物質(zhì)的溶解度隨體系的壓力或溫度的變化而變化,從而通過(guò)調(diào)節(jié)體系的壓力或溫度就可方便地進(jìn)行選擇性地萃取分離物質(zhì),常用CO2 作為萃取劑。1其主要優(yōu)點(diǎn)是: (1) CO2無(wú)毒,阻燃,不易爆,不腐蝕設(shè)備,不污染產(chǎn)品; (2) CO2的臨界溫度( Tc = 31 ℃) 接近常溫,臨界壓力也低( Pc = 7. 8MPa) ,可防止熱敏性物質(zhì)的分解和損失,可使芳香物質(zhì)保持原有的香味; (3) 超臨界CO2與溶質(zhì)分離后,只要重新壓縮就可循環(huán)使用,不必象液—液萃取那樣需要蒸餾處理回收溶劑,因而生產(chǎn)效率高,可節(jié)省大量能源,但超臨界設(shè)備一次性投資較大,而且萃取天然色素的工藝尚不成熟,所以未得到廣泛應(yīng)用。

吸附精制法采用大孔樹脂吸附,大孔吸附樹脂是一類以吸附為特點(diǎn),對(duì)有機(jī)物具有濃縮、分離作用的高分子聚合物,在有機(jī)物分離、制備與提純等方面具有廣泛的應(yīng)用。吸附樹脂對(duì)物質(zhì)的吸附作用不僅同樹脂的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān),而且同吸附物質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)及操作方法等因素有關(guān)。多用于提取花青素類色素,它是將植物用酸性溶液浸提后過(guò)濾,濾液用大孔吸附樹脂吸附后再用合適的溶劑洗脫,將洗脫液濃縮或噴霧干燥即得最終產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)大孔吸附樹脂的處理,色素得到了純化。1它的工藝比溶劑法復(fù)雜,但產(chǎn)品的質(zhì)量好,回收率高。