[科普中国]-植物色素

概述

植物的花、叶、果实、皮等往往呈现出各种各样的颜色,这与植物自身内部的天然色素有关。植物体内的一些有机分子(色素) 在阳光的照射下,吸收了一定频率的有色光后,分子内电子发生振动跃迁现象。由于各种植物的有机分子(色素) 中的电子成键能力不同,电子激发跃迁时所需的能量也就不一样,故对吸收光的频率就有一定的选择性。而不同植物具有合成适应自身特点的有机色素分子的能力各有差异,因此,不同的植物就表现出不同的体色及花色,从而使大自然呈现出姹紫嫣红的美丽景色。1

植物的体色和花色是以所含有的色素为主体而呈现出来的,但不能认为花色的种类就是色素的种类,因为即使是完全相同的色素,由于花瓣中的生理条件不同,也会显现完全不同的颜色,如从蓝色的鸭跖草、矢车菊、牵牛花中用含有少量盐酸的甲醇浸提出的却是红色系的色2。反之,含有种类不相同色素的植物组织却有可能具有完全相同的颜色。一般来说,各种植物都由有其相对稳定的色素分子组成,但随着季节的变化及环境的影响,植物体色及花色也相应地有所改变。这不只是完全由植物生长激素的调节来决定的,也与色素分子结构及外界环境因素等有着非常密切的关系。

分类植物色素类（Phytochromes）在中草药中分布很广，按照溶解性，主要有脂溶性色素与水溶性色素两类。3按来源，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为叶绿素、叶黄素与胡萝卜素，三者常共存；此外尚有藏红花素、辣椒红素等。除叶绿素外，多为四萜衍生物。这类色素不溶于水，难溶于甲醇，易溶于高浓度乙醇、乙醚、氯仿、苯等有机溶剂。胡萝卜素在乙醇中也不溶。叶绿素等在制备中草药制剂或提取其他有效成分时常须作为杂质去除，以使药物纯化，中草药（特别是叶类、全草类）的乙醇提取液中含有多量叶绿素、可在浓缩液中加水使之沉出，也可通过氧化铝、碳酸钙等吸附剂而除去。3叶绿素本身有抑菌作用，可制备成消炎的药物。

水溶性色素水溶性色素主要为花色甙类，又称花青素，普遍存在于花中。溶于水及乙醇，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，遇醋酸铅试剂会沉淀，并能被活性炭吸附，其颜色随pH的不同而会改变。花色甙在制备中草药制剂或提取有效成分时，常作为杂质去除。3

天然植物色素天然植物色素的分类

植物中的天然色素按化学结构的不同,可以分为四大类:1

(1) 吡咯衍生物类色素:是以四个吡咯环构成卟吩为基础的天然色素,它们广泛地存在于绿色植物的叶绿体中,叶绿素是其主要代表。在高等植物中,叶绿素主要有两种类型,即叶绿素a 呈蓝绿色和叶绿素b 呈黄绿色,它们的比例为3∶1。

(2) 多烯类色素:是由异戊二烯(CH2 = C(CH3) - CH = CH2) 为单元组成的共轭双键长链为基础的一类色素,为脂溶性色素,主要存在于绿色植物的果实中,如蕃茄红素、辣椒红素和玉米黄素等。

(3) 酚类色素:为水溶性或醇溶性色素,是多元酚的衍生物,可分为黄酮类、花青素类和单宁三大类。如矢车菊色素、天竺葵色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和橙皮素等。

(4) 酮类和醌类衍生物色素:它们的种类较少,主要存在于植物的地下茎和霉菌分泌物及红甜菜中。

天然植物色素的特点

(1) 绝大多数天然色素无毒、副作用,安全性高。

(2) 天然植物色素大多为花青素类、黄酮类、类胡萝卜类化合物,因此,食用天然色素不但无毒无害,而且很多食用天然色素含有人体必须的营养物质或本身就是维生素或具有维生素性质的物质。如核黄素、番茄红素、玉米黄色素、β- 胡萝卜素等,尤其是β- 胡萝卜素,国家已归类为营养强化剂,用于食品强化可防止人体维生素A 的缺乏症和干眼病等。还有一些天然色素具有一定的药理功能,对某些疾病有预防和治疗作用。1

(3) 天然植物色素不但具有着色作用而且具有增强人体功能、保健防病等功效。如芸香苷天然食用黄色素具有使人维持毛细管正常抵抗能力和防止动脉硬化等功能,在医学上一直作为治疗心血管系统疾病的辅助药物和营养增补剂。1

(4) 天然色素的着色色调比较自然,更接近于天然物质的颜色。

(5) 大部分天然色素对光、热、氧、金属离子等很敏感,稳定性较差。

(6) 绝大多数天然色素染着力较差,染着不易均匀。

(7) 天然色素对pH 值变化十分敏感,色调会随之发生很大变化。如花青素在酸性时呈红色,中性时呈紫色,碱性时呈蓝色。

(8) 天然色素种类繁多、性质复杂,就一种天然色素而言,应用时专用性较强,运用范围狭窄。

合成植物色素19 世纪中叶以前,人们应用比较粗制的天然色素作为食用色素。1856 年,英国的Perkins 第一个合成苯胺紫4 ,随后许多色素相继被合成,由于其具有色泽鲜艳,稳定性好,着色力强,适于调色,易于溶解,品质均一,无臭无味,价格便宜的优点,很快取代了食用天然色素在食品中的应用。

但随着毒理学的发展,人们认识到合成色素主要以苯、甲苯、萘等为原料经化学合成,多属苯胺类色素,它不仅无任何营养价值,而且对人体健康有害。如在肉类腌制时最常用的亚硝酸钠,其毒性较强,在药物学中称为剧药;有些合成色素在人体代谢过程中能产生有害物质,在合成过程中也可能被其它有害的化学物质污染。因此现在各国已允许用作色素的合成元素,无论是品种还是数量都越来越少。1

天然植物色素的提取从植物中提取色素的生产工艺主要有以下几种:

溶剂萃取法用有机溶剂浸提,然后再经过滤、减压浓缩、真空干燥精制等工艺过程得到最终产品。提取色素所用的溶剂根据色素的性质、所用原料等情况有不同的选择,常用的有水、酸碱溶液、有机溶液,如乙醇、丙酮、烷烯烃、苯等,油脂类及二氧化碳等。此法工艺简单,但产品质量不太理想, 往往存在色素溶解性差,色泽变化较大等缺点,且萃取过程要用大量的溶剂(常用的如乙醇) , 回收困难,导致产品生产成本高。常用于试验研究,是一种比较常用的方法。1

超临界流体萃取法是食品工业新兴的一项萃取和分离技术,是使用高于临界温度、临界压力的流体作为溶剂的萃取过程。处于临界点附近的流体不仅对物质具有极高的溶解能力,而且物质的溶解度随体系的压力或温度的变化而变化,从而通过调节体系的压力或温度就可方便地进行选择性地萃取分离物质,常用CO2 作为萃取剂。1其主要优点是: (1) CO2无毒,阻燃,不易爆,不腐蚀设备,不污染产品; (2) CO2的临界温度( Tc = 31 ℃) 接近常温,临界压力也低( Pc = 7. 8MPa) ,可防止热敏性物质的分解和损失,可使芳香物质保持原有的香味; (3) 超临界CO2与溶质分离后,只要重新压缩就可循环使用,不必象液—液萃取那样需要蒸馏处理回收溶剂,因而生产效率高,可节省大量能源,但超临界设备一次性投资较大,而且萃取天然色素的工艺尚不成熟,所以未得到广泛应用。

吸附精制法采用大孔树脂吸附,大孔吸附树脂是一类以吸附为特点,对有机物具有浓缩、分离作用的高分子聚合物,在有机物分离、制备与提纯等方面具有广泛的应用。吸附树脂对物质的吸附作用不仅同树脂的物理和化学性质有关,而且同吸附物质的性质、介质的性质及操作方法等因素有关。多用于提取花青素类色素,它是将植物用酸性溶液浸提后过滤,滤液用大孔吸附树脂吸附后再用合适的溶剂洗脱,将洗脱液浓缩或喷雾干燥即得最终产品。经过大孔吸附树脂的处理,色素得到了纯化。1它的工艺比溶剂法复杂,但产品的质量好,回收率高。