色素植物资源

国内色素植物的应用前景与发展状况综述

1. 前言

1.1 色素植物：

在一些植物的根，茎，叶，花，果实等组织中能提取出色素，这些植物即为色素植物。目前，我国提取天然色素原料多为植物性原料主要包括以下三种：从人工种植植物中提取天然色素，如辣椒红色素、甜菜红色素、姜黄色素、红花色素、黑芝麻色素、红甘蓝色素、黑米色素等，从农产品副产物或废弃物中提取天然色素，如高粱红色素、高粱壳、胡萝卜素、蚕沙、桔皮色素、桔皮、紫草红色素、紫草根等。从野生植物野浆果类提取天然色素，如越桔红色素、黑加仑色素、

[1]万寿菊色素、茜草色素、桑堪色素等。植物的花、叶、果实、皮等往往呈现出

各种各样颜色，这与植物自身内部天然色素有关。植物体内一些有机分子、色素、在阳光照射下，吸收一定频率有色光后，使分子内电子发生振动跃迁现象。由于各种植物有机分子、色素、中电子成键能力不同，电子激发跃迁时所需能量也就不一样，故对吸收光的频率就有一定选择性。不同植物具有合成适应自身特点有机色素分子能力各有差异，因此，不同植物就表现出不同体色及花色，从而使大自然呈现出万紫嫣红美丽景色[2]。

1.2 研究色素植物的意义：

天然植物色素作为食品着色剂已有悠久的历史我国古代的《食经》和《齐民要术》等书中就有关于利用天然植物色素给酒和食品着色的记载，然而长久以来由于合成色素比天然植物的提取成本高，且其性质较不稳定，因此天然植物色素一直发展较慢。近年来随着医学毒理学和生物学试验工作的发展，化学合成色素由于其大多数种类对人体有毒害作用而逐渐被天然植物色素所替代。天然植物色素作为重要的食品添加剂，它不仅广泛应用于饮料糖果糕点酒类等消闲食品，以帮助校正色率的偏差或强调标志不同，食品所具有的风格而且也应用于医疗保健品生产。天然植物色素的研究与开发有着广阔的前景和发展潜力。色素植物资源在我国分布广泛，如能科学合理应用，不但可大大降低天然色素成本，增加经济收入，且对国家农业种植结构调整都将具有潜在意义[1]。

2. 色素植物的分类

2.1 按化学结构分类

2.1.1 吡咯色素

吡咯色素一般称为叶绿素叶绿素是原子镁和卟啉构成的化合物。研究得较多的是叶绿素 A 和叶绿素 B。如大多数绿色植物[4]。

2.1.2 多烯色素

多烯色素是由异戊二烯残基为单元组成的共轭双键相连为基础的一类色素。这类色素又称为类胡萝卜素。类胡萝卜素按其结构和溶解性分为两大类：①胡萝卜素类，此类色素结构中含有大量共轭双键。如番茄红素及α、β、γ-胡萝卜素等都是此类色素。②叶黄素类，此类色素的结构是共轭多烯烃的加氧衍生物。玉米黄素、胭脂树橙色素、藏花酸等都是此类色素。

2.1.3 酚类色素

酚类色素是多元酚的衍生物。它又可分如下两类色素：①花青素类，这类色素的基本结构是 2- 苯基苯并吡喃，即花色素基元。天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、黄刺玫色素等都属于花青素类。②花黄素类，此类色素中一般具有 2- 苯基苯并吡喃酮结构。高梁色素、菊花黄素、红花素、圣草素等都属于此类色素。如石榴根黑、槟榔子黑、棕儿茶树皮黑、栗树皮黑、木包树皮黑、杨梅树皮黑等[4]。

2.1.4 酮醌类色素

酮、醌类色素中含有酮类结构或醌类结构。散沫花、胡桃酮、白花丹素、芒果叶素都属于此类色素。如姜黄素、大黄黄、茜草根红、紫草紫等[4]。

2.1.5 其他天然植物色素

自然界中还有许多在结构上不同于上述物质，但属于色素的化合物。即使已经知道属于那一种化学结构类型，但由于来源不同，化学结构上某些差异所表现出来的性质也不同。天然植物食用色素管理上，也往往作为一个新品种加以研究。例如狐衣酸色素、黄柏、靛蓝[4]、吡咯、γ- 吡喃酮类等[1]。

2.2 按颜色分类

按颜色分类是指按纤维或织物染色后的颜色对天然染料进行分类:红色系的植物染料: 茜草、红花、苏木等。黄色系的植物染料: 有栀子、槐花、姜黄等。蓝色系的植物染料: 蓼蓝菘蓝、木蓝、马蓝等, 紫色系的植物染料: 紫草、紫檀(青龙木)、野苋、落葵等。绿色系植物染料: 冻绿及含叶绿素的植物。棕色系的植物染料: 有茶叶、杨梅栎木、栗子果皮、胡桃、冬瓜等。灰色与黑色素的植物: 菱、五倍子、盐肤木、柯树、槲叶(槲若), 漆大姑、钩吻( 野葛)、化香树、乌桕、菰等。主要是利用鞣质植物染料在纤维上经媒染生成灰、黑色系[3]。

3. 色素植物的提取技术

从植物中提取色素的生产工艺主要有以下几种:

①溶剂萃取法[4] 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。

②超临界流体萃取法[4] 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。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. 38MPa)，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。

③吸附精制法[4] 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。它的工艺比溶剂法复杂,但产品的质量好,回收率高。

4. 色素植物的应用现状

4.1 通过了解天然色素的各种性质，就可以根据其特性，扬长避短，更好地指导其在生产中的应用，近几年来研究的天然色素的应用情况见表1

表1 天然植物色素的应用[4]

紫荆花红色素 适宜于做食品和化妆品的着色剂

月季花红色素 适宜于做酸性饮料及食品的着色剂,根据其药用价

值，还可应用于医药、保健品和化妆品行业

越桔色素 适宜于做含苹果酸的酸性饮料及含糖食品的着色剂，

但应避光保存和避免长时间加热，对于果汁饮料、果

酱类食品最好采用巴氏杀菌

大理花黄色素 适宜于做食品、饮料行业,而且还可用于医药及其它

化工产品

坼草果色素 适宜于做酸甜味、酸咸味产品中，不宜于在弱酸、中

性和碱性条件下大规模使用,在使用时应尽量避免与

铜、铁、铝器接触

紫苏色素 适宜于做酸性食品和饮料的着色剂，但应避免Fe3

+ 、Cu2 + 介入

大理花红色素 适宜于饮食行业，但产品应避光保存

刺桐花红色素 适宜于饮食行业，使用时应避免接触铁器

4.2 在医疗保健方面的应用研究情况：

植物色素属天然环保产品，其绝大多数是中草药，用植物色素染成的织物具有这些植物的性能，它们在与人皮肤的接触中，这些物质会慢慢被人所吸收，从而达到对人体的医疗保健作用。现将一些常用植物色素在医疗保健方面的作用列举如下：

《本草纲目》记载：“茜根，气温行滞，味酸入肝，而咸走血，专于行血活血”。现代医学证明茜草有明显的止咳、祛痰、平喘作用，对呼吸道病菌有抑制作用，临床常用于治疗慢性气管炎，疗效显著.苏木具有行血、 破瘀、 消肿、 止痛的功效。医学研究证明，木能使心血管收缩增强，对中枢神经有催眠和麻醉作

用，并且具有广谱抗菌作用，对呼吸道及肠道病菌的杀灭效果显著。蓝草的根(板蓝根)可入药，具有清热解毒功能，从蓝草中提取的蓝靛同样具有清热解毒、消炎的功效。是中药青黛的主要成分。

紫草有抗菌消炎、抗病毒、抗肿瘤等多种药理作用，临床用于治疗慢性肝炎、 肺结核、血小板减少性紫斑、皮肤癌、皮炎、湿疹等，疗效显著.红花能活血化瘀、止痛。栀子的药用功效是清热解毒、抗菌消炎。槐花具有止血定痛、抗菌消炎的作用。桑木有疏风清热、清肝明目、可消黑斑之功效.艾草能散寒止痛，除常熏洗用外，也是艾灸的原料。五倍子在医药上具有收敛燥湿的作用。茶有清热降火、消食提神之功效。桑树的叶和皮具有消炎利尿、净血降压的疗效。林明霞

[研究证明，姜黄染色织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有较强的抗菌性。高磊等研究表明，指甲花具有抗菌活性和抗肿瘤活性，其主要成分的衍生物可以治疗儿童的脑弓形体病和成人的艾滋病病毒感染，陈东海等证明植物染料类黄酮具有抗癌症的作用。孙洁心等研究表明木黄酮具有抗癌、预防骨质疏松、预防和治疗皮肤病等多种功能。张来等证明布依族染料植物乌饭树具有补肝肾、 固精气、 治疗支气管、白发等功效;密蒙花能治疗肝病、咳嗽、双目失明[5]。

4.3 在染色方面的应用研究进展：

通过染色对比试验证明，超声波法萃取的染料耐光牢度、水洗牢度均比常规法有很大的改善，赵宜江等采用无机陶瓷微滤膜提取栀子黄色素，替代了传统的酒精提纯和蒸发浓缩，工艺过程简单，既节约能源，又保证了染料的质量。传统的染色方法是将萃取后的染液直接应用于染色，但有些天然染料在水中的溶解度小，为了达到一定的染色深度，往往需要染几次。试验表明，对这类染料采用加分散剂的方法效果很好，用阴离子或非离子表面活性剂使染液中的染料颗粒得以分散，这样染液可形成较稳定的分散体系，而且织物和染料接触的机会也增多。上染速度也加快，染料的水溶性越小，加分散剂染色的效果就越明显。吕丽华等研究表明天然姜黄染料直接用于纤维素纤维织物染色、皂洗，织物色差值下降十分明显。采用阳离子改性剂改性后，织物染色亮度、色差、饱和度有明显变化。皂洗后色差略有下降，染色性能有明显的改善。早川胜光应用冷冻2真空法从天然植物中萃取制备粉状染料，并将其与传统萃取方法制备的新鲜染液进行对比染色，结果表明粉状染料的染色效果更好。国外有人用天然染料对丝织物批量染色，经过实用化试验，结果得到浓度高且染色牢度好的印花布 ,达到了预定目标。研究了印度楝树皮作为染料在羊毛染色中工艺的优化，表明在97. 5 ℃应用最佳工艺染色，可给羊毛上染具有良好牢度且柔和光亮的红棕色。在媒染剂方面，人们也在努力开发新型的媒染剂取代传统的重金属离子。研究证明，用稀土作为媒染剂能提高染料的上染率，改善染色牢度。但当稀土浓度达到一个定值以上时，上染率基本不变。表明植物染料2稀土2纤维之间的结合可由一定的络合比而达到一个饱和值。用稀土2柠檬酸络合物作为天然染料的媒染剂对苎麻纤维进行染色试验，结果证明用稀土2柠檬酸络合物做媒染剂，染色深度和牢度均有提高，染色后织物对p H 值有较高的色光稳定性。研究表明，稀土化合物不宜作为茜草染色工艺中的媒染剂；用茶作为染料进行染色时无需添加化学媒染剂，就可取得良好的色泽坚牢度；媒染剂和色牢度的关系在耐光牢度中铜离子媒染较好，铝和铬离子媒染不良。在浸渍牢度中锡媒染较好，铜媒染不良。在摩擦牢度中锡媒染较好，铜媒染不好，铝媒染也不好。综合来看，锡媒染优良，铜媒染效果不好[5]。

5. 色素植物开发利用中存在的问题与对策

5.1 目前，我国色素生产与国外色素生产相比，普遍存在成本较高、提取效率较低的现象。因此应努力寻找简便，易行的工艺流程，以提高效率。尽量使用价格低廉且实用的萃取剂，采取回流提取方式对有机溶剂进行回收利用，以降低成本。

5.2 当前，许多色素研究工作只停留于书本理论知识，投入实践生产的比例较小。因此应当鼓励企业与科研单位结合，使科研成果能有效地转化为生产实践产生经济效益。

5.3 在色素资源开发利用当中，许多单位只注重开发，不注重保护，致使资源枯竭。由此我们应当尽量把资源开发与资源保护相结合，发展人工栽培。弥补天然资源的不足，以利于永续利用。

5.4 现在的色素研究当中，色素除杂工艺研究得不多，应该加大除杂工艺研究力度，以提高色素产品质量。

5.5 现在对色素的毒理学评价、色素的性质及系统的检测方法还不尽完善，应尽快加以完善，以更好地促进我国天然植物色素的研究和利用[1]。

6. 展望

天然色素主要成份不但起着着色作用，且具有营养、保健、药效等功能，对人体健康起着重要保护作用。目前,天然色素应用，已初步发展起来，从营养品、化妆品、医药品到食品添加剂，天然色素都取得可喜成果，展现出广阔应用前景。为能开发出天然、高效的天然食用色素，就必需做更细致工作，以开发出更加稳定且具有生理活性功能天然食用色素[6]。

从发展趋势预测，天然植物色素研究前景非常广阔，而且现在正掀起一股色素研究的热潮。我们应当抓住时机，在可持续发展和永续利用前提下，大力研究开发天然植物色素，并不断加强天然植物色素毒理试验和稳定化技术研究，使全国色素资源得到充分利用，增强我国食品工业的国际竞争力[1]。

参考文献：

[1] 王桃云,万承永,王飞 我国天然植物色素研究与开发初探[J].浙江林业科技,2001,21(2):71-73

[2] 余焕玲,杨参,阐建全 食品中食用天然色素的作用[J].广州食品工业科技, 2001,17(3): 63-65

[3] 赵伯涛,钱骅 染料植物资源开发利用[J].南京野生植物综合利用研究院,2007,26(5):16-19

[4] 温广宇,朱文学 天然植物色素的提取与开发利用[J].河南科技大学食品与生物工程系,2003,23(2):73-74

[5] 李惠民 天然植物染料资源多样性及应用研究进展[J], 商洛职业技术学院,2006,79(2):380-381

[6] 左 玉 天然色素研究与应用[J]. 河南工业大学,2006,9(3):46-48