食用色素可分为天然色素和合成色素两大类。天然色素主要指从动、植物和微生物中提取的色素,人类从古代就开始使用天然色素作为食品着色剂。合成食用色素则是指用化学方法合成,可用于食品着色的色素。近半个世纪的研究证明,合成色素不仅没有营养价值,而且具有不同程度的毒副作用。因此,从上世纪末开始,人们把研究重点主要投在了天然色素上,这也成为当今国际上竞相开发的热点。近十多年来,我国批准使用的天然着色剂品种,从20多种增加到40多种,是目前世界上批准天然着色剂最多的国家。我国具有丰富的植物资源,虽然天然色素的制备和使用已有悠久的历史,但真正在商业上使用的天然色素种类不多,因此,研究开发新型天然色素是一项十分有意义的工作。
万寿菊(Tagetes erecta L.)是菊科万寿菊属草本植物,原产于墨西哥,主要成分为叶黄素(lutein)及叶黄素酯(lutein ester)。万寿菊自20世纪90年代从国外引进我国后,许多地区进行大面积种植,主要产区分布在黑龙江、吉林、内蒙古、山东、山西、云南、四川等地,年产鲜菊花约30万t,处理后的干花颗粒几乎全部出口。目前,尽管国内万寿菊的产量已经达到了一定的规模,但叶黄素的开发和应用仍处于初级阶段,每年要花费大量外汇进口叶黄素制品,以满足制药、食品添加剂及饲料添加剂等需求[3]。因此,系统了解叶黄素色素的结构、性质和研究进展,对开发适于工业生产的提取方法和工艺路线具有重要的意义。
1、叶黄素的结构与性质
叶黄素(lutein),又称为黄体素,是一种无维生素A活性的含氧类胡萝卜素。系统命名为3,
叶黄素是油溶性食用色素,易溶于氯仿、丙酮,可溶于正己烷,微溶于醇、醚。纯的叶黄素为带有金属光泽的黄色棱柱状晶体,熔点:
叶黄素的分子含有两个不同的紫罗酮环:β-和ε-紫罗酮环,在各紫罗酮环的第3个碳原子上存在着一个功能性羟基。在C-3、C-3''''和C-6''''处有三个不对称中心,因此,理论上有8种立体异构体。由于制备叶黄素工艺太复杂,通过化学方法人工合成单一异构体叶黄素至今尚未成功,目前只能从天然植物中提取叶黄素。
2、叶黄素的分离提取技术
近年来,随着叶黄素的需求量加大,国内外研究者正努力寻求更高收率的提取方法。目前,叶黄素的提取方法主要有:有机溶剂法提取、酶介质有机溶剂提取、超声波提取、微波提取及超临界二氧化碳萃取等方法。这些提取方法的总体思路是从万寿菊花瓣中提取叶黄素酯,然后通过皂化得到的叶黄素粗品,再利用重结晶等纯化手段,得到高纯度的叶黄素。
2.1 有机溶剂法提取
常用来提取叶黄素的有机溶剂:正己烷、石油醚、乙醇等。Roberta等人用正己烷作提取剂,用索氏提取法从万寿菊干花颗粒中提取叶黄素酯,经过皂化,重结晶等过程,得到叶黄素纯品。通过HPLC检测(流动相为正己烷/乙酸乙酯(75∶25),流量为2.0ml/min,样品进样体积为10μl),叶黄素的纯度大于95%。
Dietmar等人用石油醚(沸程:40~
惠伯棣等人用Ca(OH)2与万寿菊颗粒混合后,加入4%的NaOH乙醇溶液,在
夏树林等人用四氢呋喃(含0.01%BHT)、KOH、乙醇和水与万寿菊干花颗粒混合,控制pH为12,室温、避光、密闭条件下搅拌2h,过滤,水洗至洗涤液pH为中性,离心分离,得叶黄素粗品,重结晶后得纯度为97.6%的叶黄素纯品。
2.2 酶介质有机溶剂提取
用酶法先对万寿菊花进行处理,然后用有机溶剂萃取的提取方法。
2.3 微波与超声波提取
天然植物的色素成分大多为细胞内物质,在提取时往往需要将植物细胞破碎。机械破碎法的破碎效率较低,化学破碎法容易造成被提取物的结构及性质变化。将微波或超声波应用于植物色素成分的提取,具有提取率高、速度快、效果好,且结构未被破坏等优势。江南大学徐霞等人[13]利用微波法提取万寿菊干花颗粒中的叶黄素,并对微波功率、提取时间、提取次数、物料比进行了考察,得到的最佳工艺条件为:微波功率,240W;提取溶剂,石油醚/丙酮(1∶1/V∶V);提取时间,45s;提取次数,二次;料液比,1∶25;叶黄素产量,134.32mg/
2.4 超临界二氧化碳萃取
作为一种新型的分离技术,超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,简写为SFE)在近10年里得到了迅速发展。超临界CO2(SC-CO2)流体萃取技术因具有流程简单、步骤少、节能、传质速率快、穿透力强、萃取效率高、操作温度低等特点,被广泛应用于天然产物的提取当中。张慧等人在压力范围:24MPa,温度:
3 叶黄素的应用现状及前景
国外对叶黄素的研究已有10多年的历史,在开发应用叶黄素方面,美国Kemin公司、瑞士Roche公司处于研究的前沿。除了美国和瑞士的公司外,日本和德国的一些公司也均有叶黄素及其保健产品的研究与生产。在国际市场上,含叶黄素的保健食品和营养补充剂的价格约为35~45美元/瓶,其中50粒(胶囊)/瓶,20mg/粒(胶囊),叶黄素产品的利润空间十分丰厚[4]。近几年,国内的青岛大学天然产物研究所、北京大学、中国农业大学等单位均开展了叶黄素研究工作。广州市范乐医药科技有限公司与瑞士Roche公司合作生产的以叶黄素为主要有效成分的维视保软胶囊已经面世。但是,与国外的研究进展相比,国内的研究与生产水平还有一定差距。开发和研制高纯度叶黄素,研究其稳定剂型,拓宽其应用领域,并使其产业化,将是我国研究人员今后的一项重要工作。