李春偉 孫理 歐陽(yáng)瑞燦 李亦欣 陳寧昕

摘 要：花青素作為一種水溶性天然食用色素，具有隨pH值變化而呈現(xiàn)出不同顏色的性能，在食品新鮮度智能指示包裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文在分析花青素結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了花青素酰基化改性提升其顏色穩(wěn)定性的內(nèi)在機(jī)理，并從?；男缘墓w、酰基化改性方法和改性花青素穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了總結(jié)和歸納，最后展望了花青素改性的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：花青素; 酰基化; 有機(jī)酸; 新鮮度指示

中圖分類號(hào)：TS262? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）10-146-002

花青素是自然界中常見的水溶性色素之一，廣泛存在于植物的細(xì)胞液泡中，使植物呈現(xiàn)不同的顏色。常見的植物如黑枸杞、玫瑰茄、葡萄皮、藍(lán)莓、玫瑰等都存在大量的花青素?；ㄇ嗨刈鳛榘踩o毒、來源豐富的可食用天然色素，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在食品的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，花青素也是當(dāng)下熱門的pH敏感型指示劑，可與（豬、牛、魚、蝦）等肉類產(chǎn)生的腐敗氣體發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生明顯的顏色變化。其工作原理即食品在儲(chǔ)藏過程中產(chǎn)生揮發(fā)性含氮化合物與指示劑發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的顏色變化。然而花青素是不穩(wěn)定的，由于其自身的羥基結(jié)構(gòu)容易受到外界環(huán)境（pH值、光照、溫度、氧氣、金屬離子）的影響，從而發(fā)生降解，導(dǎo)致其新鮮度指示存在誤差。為了提升花青素的穩(wěn)定性，研究人員采用了物理和化學(xué)方法對(duì)花青素進(jìn)行處理，提升花色苷穩(wěn)定性的效果十分有限。但利用化學(xué)方法對(duì)花青素進(jìn)行?；男钥梢愿玫靥嵘€(wěn)定性。所以對(duì)花青素進(jìn)行?；男?，從而提高其顏色穩(wěn)定性成為當(dāng)前新鮮度指示包裝領(lǐng)域重要的研究方向。

1.花青素的結(jié)構(gòu)特征

花青素是一種酚類化合物，屬于黃酮類物質(zhì)，在自然界中廣泛存在，尤其大多數(shù)植物中都含有花青素?；ㄇ嗨刈鳛樾迈r度指示劑的主要原因是基于不同pH條件下結(jié)構(gòu)的改變，在水溶液中，花青素常以黃鹽陽(yáng)離子、醌型堿、醇型假堿、查爾酮形式存在。然而花青素由于自身結(jié)構(gòu)，除了對(duì)pH敏感外，還容易受到外界環(huán)境的影響，例如光照、溫度、氧氣、金屬離子等，這些都會(huì)造成花色苷的降解從而影響其顏色指示功能。已有的研究表明，溫度會(huì)影響花青素的結(jié)構(gòu)，花色苷在高溫下會(huì)首先釋放糖基，接著花色苷會(huì)進(jìn)一步降解成酚酸和間苯三甲醛。正常狀態(tài)下，25℃是花青素最為穩(wěn)定的一個(gè)溫度，當(dāng)溫度逐漸升高到60℃時(shí)，花青素在水溶液中就以查爾酮的結(jié)構(gòu)存在，顏色會(huì)變?yōu)闊o色。另外，光照對(duì)花青素的影響主要有兩個(gè)方面，在植物體內(nèi)時(shí)光照會(huì)促進(jìn)細(xì)胞中花青素的合成，另一方面當(dāng)花青素從植物中提取后，光照會(huì)加速花青素的降解。研究表明，當(dāng)花色苷經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的光照時(shí)，花色苷的碳骨架從C2位上斷開，形成水解開環(huán)的C4羥基中間產(chǎn)物，之后進(jìn)一步降解生成查耳酮，從而導(dǎo)致花青素顏色的喪失。因此花青素通常要避光保存?；ㄇ嗨胤€(wěn)定性還會(huì)受到一些金屬離子的影響如：Fe3+、Cu2+、Fe2+等，這些金屬離子可以與黃鹽陽(yáng)離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而導(dǎo)致花青素發(fā)生褪色現(xiàn)象。此外，由于花色苷結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)羥基，很容易被氧氣氧化逐漸降解為無色和棕色的物質(zhì)。這些不足都會(huì)限制花青素在新鮮度指示包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，但是已有的實(shí)驗(yàn)研究表明，?；男钥梢蕴嵘ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性。

2.?；男缘臋C(jī)理

花青素的?；梢蕴嵘陨淼姆€(wěn)定性，其主要原因是花青素糖苷上部分或者全部-OH被有機(jī)酸酯化，降低了分子極性，同時(shí)也改變花色苷的空間結(jié)構(gòu)。?；目臻g阻位效應(yīng)保護(hù)了花色苷，并阻礙了無色假堿和查爾酮的形成。其中分子內(nèi)共色作用和環(huán)境作用扮演著重要角色。

2.1分子內(nèi)共色作用

花色苷?；竽軌蛱嵘伾€(wěn)定性，從立體化學(xué)機(jī)理上分析，?；鶊F(tuán)會(huì)引起花色苷分子內(nèi)共色，一般分子內(nèi)共色發(fā)生在特定的花色苷分子中，其中花色苷作為發(fā)色基團(tuán)，?；鳛殡娮虞o色基團(tuán)。但是分子內(nèi)共色也存在前提條件，就是被有機(jī)酸?；奶腔鶊F(tuán)通常要與花色苷的C3或C5位點(diǎn)相連，當(dāng)糖基連接到花色苷的C3位點(diǎn)時(shí)，此時(shí)的糖基團(tuán)非常靈活，可以自由旋轉(zhuǎn)。在酸性或中性溶液環(huán)境中，?；ㄉ挣；姆枷悱h(huán)由于疏水作用與花色苷吡喃環(huán)（C環(huán)）的堆疊提高了花色苷的穩(wěn)定性。

2.2環(huán)境作用

酰基上游離羧基具有酸化能力，當(dāng)與花色苷發(fā)生酰基化的有機(jī)酸為二羧酸時(shí)，例如草酸、丙二酸、琥珀酸、蘋果酸等。一方面酰化了糖基上的-OH，另一方面，?；蠡ㄉ丈系孽；跃哂杏坞x的羧基。在水溶液環(huán)境中，游離的羧基-COOHs的質(zhì)子解離產(chǎn)生H+，從而降低了溶液中的酸堿度。Figueiredo[1]等研究花色苷3-6-丙二?；咸烟前l(fā)現(xiàn)，C3鏈上游離的丙二?；鶊F(tuán)增強(qiáng)了顏色穩(wěn)定性，主要是由于丙二?；鶊F(tuán)的去質(zhì)子化增加了培養(yǎng)基的酸度。而且，隨著酸堿度的降低促進(jìn)了花色苷中黃鹽陽(yáng)離子的生成，進(jìn)而增強(qiáng)了花青素顏色的穩(wěn)定性。

3.酰基化改性的供體

?；男曰ㄇ嗨氐挠袡C(jī)酸種類有兩種，分別為脂肪酸和芳香酸，其兩者的區(qū)別是，脂肪酸分子結(jié)構(gòu)中沒有芳香環(huán)，而是含有直鏈或支鏈的碳鏈或非芳香環(huán)。芳香酸是分子結(jié)構(gòu)中羧基與芳香環(huán)直接相連或與芳香環(huán)側(cè)鏈連接的一類有機(jī)化合物。

3.1脂肪酸

脂肪酸包括丙二酸、乙酸、琥珀酸、蘋果酸、草酸等。脂肪酸酰基對(duì)花青素穩(wěn)定性的影響，其主要原因是有效降低花青素在水溶液中的溶解度，而且?；a(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)也減少了花色苷受到的離子攻擊。因此，脂肪酸主要保護(hù)和穩(wěn)定花青素分子。李穎暢[2]等利用乙酸對(duì)藍(lán)莓花青素進(jìn)行?；男裕Y(jié)果發(fā)現(xiàn)在80℃加熱18h，酰化花色苷保留率為82.92%，而未?；ㄉ盏谋Ａ袈蕿?8.86%。說明花色苷?；揎椇蟮乃{(lán)莓花色苷的熱穩(wěn)定性顯著提高。王宇濱[3]等利用單寧酸、琥珀酸、草酸、蘋果酸、檸檬酸對(duì)紫玉米花青素進(jìn)行輔色作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單寧酸、草酸和檸檬酸的輔色作用增強(qiáng)了花青素的熱穩(wěn)定性。古明輝等[4]研究了蘋果酸?；瘜?duì)黑枸杞花青素穩(wěn)定性的影響，并建立和驗(yàn)證?；ㄇ嗨?zé)峤到鈩?dòng)力學(xué)模型，在80℃條件下應(yīng)用熱降解模型預(yù)測(cè)未酰化和?；诠坭交ㄇ嗨氐陌胨テ冢浣Y(jié)果分別為15.09和18.32h，說明?；娱L(zhǎng)了花青素的半衰期。鄧潔紅[5]等對(duì)刺葡萄皮花色苷進(jìn)行有機(jī)酸?；瓦x用草酸、檸檬酸、乳酸、沒食子酸等，結(jié)果顯示相同濃度下，幾種有機(jī)酸的增色效果為草酸>檸檬酸>乳酸>沒食子酸，所以適量添加有機(jī)酸可以提高產(chǎn)品的顏色穩(wěn)定性。

3.2芳香酸

芳香酸常見的兩大類分別是羥基肉桂酸（如香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、芥子酸）和羥基苯甲酸（如對(duì)羥基苯甲酸和沒食子酸）。芳香酸比脂肪酸?；蠡ㄉ盏姆€(wěn)定性更強(qiáng)，因?yàn)榉枷闼峥梢源龠M(jìn)花色苷分子內(nèi)共色復(fù)合物的形成。一般來說，在天竺葵-3-葡糖苷、矢車菊素-3-葡糖苷和錦葵色素-3-葡糖苷?；磻?yīng)中，阿魏酸和咖啡酸作為?；w增強(qiáng)穩(wěn)定性的效果是最好的，綠原酸和迷迭香酸次之，最差的是沒食子酸。張智[6]等研究不同類型的酸如（鄰苯二甲酸、對(duì)羥基苯甲酸、三氯乙酸、水楊酸、冰乙酸、丁二酸、丁二酸酐）對(duì)藍(lán)靛果花色苷進(jìn)行?；男裕ㄟ^實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明鄰苯二甲酸和對(duì)羥基苯甲酸的添加使得藍(lán)靛果花色苷的最大吸收峰紅移，吸光值增大。李路寧[7]等以三乙酰沒食子酰氯對(duì)藍(lán)莓花青素進(jìn)行?；男?，通過高效液相色譜法測(cè)定了酰化花青素水解液中的沒食子酸含量，由結(jié)果計(jì)算得大約1分子的花青素和2分子沒食子酸進(jìn)行了結(jié)合。

4.酰基化改性的方法

4.1化學(xué)?；?/p>

化學(xué)酰化改性就是選擇合適的有機(jī)酸?；w與催化劑，對(duì)花青素進(jìn)行?；男?。趙立儀[8]利用月桂酸酰基對(duì)矢車菊素-3-O-葡萄糖苷?；男?，通過比較化學(xué)法和酶法后，選擇化學(xué)法對(duì)其進(jìn)行改性，研究發(fā)現(xiàn)?；笫杠嚲账?3-O-葡萄糖苷在溫度、光照、氧化還原等方面的穩(wěn)定性明顯增加。孫華鈴[9]以丁二酸酐為?；w對(duì)黑米花青素進(jìn)行?；揎棧?dāng)pH 6時(shí)黑米色素溶液變淺紅，但是?；蟮漠a(chǎn)物依然呈現(xiàn)紅色，說明?；蟮姆€(wěn)定性要比未改性的花青素好。然而，化學(xué)?；泊嬖谀承┤秉c(diǎn)，例如反應(yīng)區(qū)域選擇性差，?；w與花色苷發(fā)生酯化反應(yīng)時(shí)，-OH可以是在花色苷上，也可以是在糖苷上。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中會(huì)引入許多溶劑，分離純化困難，也容易生成大量的副產(chǎn)物。

4.2酶法?；?/p>

因?yàn)槊阜ù呋孜镉辛己玫膶Ｒ恍院瓦x擇性，解決了化學(xué)?；蟹从硡^(qū)域選擇性差和副產(chǎn)物多等缺點(diǎn)，而且酶法?；磻?yīng)條件溫和，催化作用高效，所以酶法酰化發(fā)展十分迅速。脂肪酶 Novozym435作為當(dāng)下酶法?；Ｓ玫拇呋瘎?，具有pH使用范圍廣和熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在不對(duì)稱催化反應(yīng)中具有較高的立體選擇性。

5.?；蠡ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性

當(dāng)花青素作為新鮮度指示劑應(yīng)用到包裝領(lǐng)域時(shí)，其顏色的變化除了受到pH的影響外，還會(huì)受到外界環(huán)境（溫度、光照、氧化還原）等其它因素的干擾。而酰基化改性可以從本質(zhì)上提升花青素對(duì)溫度、光照、氧化還原的抗性。Peng Fei等[10]采用馬來酸酐固相枝接法對(duì)藍(lán)莓花青素進(jìn)行?；男裕男院蟮幕ㄇ嗨丶t外光譜圖上出現(xiàn)了新的吸收峰，表明馬來酸酐成功嫁接到藍(lán)莓花青素上。通過比較不同酸堿度下天然和?；ㄉ杖芤旱念伾砻黪；潭葘?duì)花色苷酸堿度響應(yīng)特性影響不大。并且在NH3氣體響應(yīng)測(cè)試中，UV可見光譜圖表明?；蟮幕ㄉ枕憫?yīng)滯后，表明馬來酸?；蟮幕ㄉ赵陬伾甘景b中可以有更長(zhǎng)的壽命和更準(zhǔn)確的新鮮度監(jiān)測(cè)能力。已經(jīng)有研究人員將酰化后的花青素應(yīng)用到生鮮肉類的新鮮度指示中，盧立新[11，12]等利用乙酸對(duì)玫瑰茄花青素進(jìn)行酰化改性并制備了新鮮度指示復(fù)合膜用于監(jiān)測(cè)鯧魚的新鮮度，結(jié)果表明改性玫瑰茄花青素在指示膜中仍保持著生理活性，并具有較高的光穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性。

6.結(jié)論與展望

花青素作為天然色素，來源廣泛，安全無毒，可以對(duì)腐敗氣體作出響應(yīng)，是理想的新鮮度指示劑，但其穩(wěn)定性差限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。目前酶法?；夹g(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，酶法?；ㄉ盏漠a(chǎn)率更高，并且具有選擇性，修飾的位點(diǎn)也明確，通過酶法?；梢暂^好的提升花青素的穩(wěn)定性。但是，酶法?；源嬖谝恍﹩栴}需要解決，包括?；w，催化劑和反應(yīng)介質(zhì)的選擇，酰化后花青素應(yīng)用在食品包裝領(lǐng)域的安全性評(píng)價(jià)。如果能解決相關(guān)問題，未來?；ㄇ嗨卦谛迈r度指示包裝領(lǐng)域可以得到更廣泛的應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：?；男曰ㄇ嗨匦迈r度指示包裝膜的制備

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