颜色总是在时刻影响着我们的生活,尤其是对我们的衣着穿戴、我们的房间和花园的装饰格调以及食物对我们的诱惑力。我们多数是在无意识的情况下对颜色作出选择,但许多研究表明我们所处的环境色彩一直在影响着我们的情绪和感觉。
大家对食物的颜色都很敏感。顾客的食欲几乎总是和他对食物的感觉直接相关的。这就是所谓的“看好吃香”。对于食品生产厂家来说,漂亮的草莓色告诉消费者这是一种高质量的产品,而褪色的或人工合成色素总是与劣质低挡产品联系在一起。在过去的20世纪,食品工业的发展受到了社会、技术和经济因素的影响。在这个期间,食品市场随着加工食品的需求扩大而迅速变化,来满足一些新的消费群体,如:参加工作的母亲、单亲家庭和人数急增的老年人群。食品工业必须提供色香味美并且在质量和价格方面能满足消费者需求的食物。
色素生产工业要供应食品和饮料生产,提供种类齐全并得到批准的产品来满足各种需求。然而,需要不断的发展来提高色素的稳定性和处理属性,使用新的合成技术、新的加工工艺以及发展新色素。
1食品色素的历史
在食品中添加色素的历史最早可以追溯到古代埃及,大约在公元前1500年,当地的糖果制造商就利用天然提取物和葡萄酒来改善糖果的色泽[1]。到了十九世纪中叶,人们把一种叫藏红花的香料添加到某些食物中起装饰作用。
随着工业革命的发生,食品工业得到迅速发展。矿质和金属化合物也被作为着色剂来掩盖劣质和搀假食物,更可怕例子还有:Ｐｂ3Ｏ4和ＨｇＳ用作奶酪和糖果的着色剂,泡过的茶叶可以用砷酸盐再着色,然后在市场上卖掉。1860年,用作甜点的色素引起两次死亡事件。一些有毒化学物质也曾经被用作糖果和泡菜的着色剂。
在1856年,ＳｉｒＷｉｌｌｉａｎＨｅｎｒｙＰｅｒｋｉｎ[2]发明了第一个合成色素(ｍａｕｖｉｎｅ)。在19世纪末20世纪初,未受审批色素添加剂广泛用于欧美市场的各种流行食物中,有番茄酱、芥末、果冻和酒类等。市场上出现80多种人工合成色素,其中一些是用于纺织业的,不是食品业。许多食品色素从来没有做过毒理和其它负作用方面的测定。
从1900年以来,大量人工合成色素生产以苯胺为原料,这是一种有毒的石油产品。最初,这些色素初称作煤焦油色素,因为合成的原料来自于含沥青的煤。早期的色素来源于植物、动物和矿质原料,在20世纪初期仍然在食品中使用,但生产商在经济利益的驱使下逐渐将它们淘汰了。化学合成色素的生产工艺简单,价格低廉,染色性能非常理想,并且用量小,不会对食物产生不良风味。但随着合成色素使用量的增长。安全问题逐渐引起人们的关注。结果世界各国出台了许多法规,如美国批准的合成色素从700种锐减到7种。然而,食品搀假仍然持续了许多年。它们与近年来对食品色素和健康持异议的新闻媒体,共同促进了消费者对食物中色素添加剂的关注。
2市场趋势
对目前的食品色素市场规模还没有可靠的统计数字,但大体估计全世界每年有9.4亿美元的贸易额。各部分所占份额为:合成色素4亿美元,天然色素2.5亿美元,天然来源色素1.89亿美元,焦糖色素1亿美元。
消费者的压力、社会的变迁和技术的进步极大地促进了食品加工业的发展,同时全面带动了食品色素市场。随着消费者对纯天然食品的兴趣日益增加,天然色素在市场上的份额迅速增加。据预测。在未来的几年天然色素每年将以5～10%的速度增加。合成色素也会稳定增加,但年增长率在3～5%之间。
3目前的食品色素
3.1合成色素(ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃｏｌｏｕｒｓ)
目前美国批准7种合成色素(1906年以前有700多种,许多是剧毒物质),而欧洲批准了17种合成色素。这些合成色素都是水溶性的。美国批准了6种沉淀色素和分散色素,赤藓红色素由于碘含量没有被批准。在我国已批准允许使用的食品色素有65种,其中植物提取物48种[3]。我国食品色素的总产量大约为10000ｔ/ａ。其中合成色素1000ｔ/ａ左右,天然色素约9000ｔ/ａ,焦糖色素占80%,其余为植物提取物和微生物发酵产物等。最初水溶性色素是加工成粉末状的,但由于容易结块和污染而对用户很不方便。以后厂家就加工成颗粒状、方便香料袋和胶体状[4]。
3.2天然替代色素(ｎａｔｕｒｅｉｄｅｎｔｉｃａｌｃｏｌｏｕｒｓ)
天然替代色素可与纯天然色素媲美。最普通的产品如合成类胡萝卜素,含有共轭碳水化合物,容易氧化而失去色泽。必须通过抗氧化系统来形成颜色(例如,生育酚)。1954年市场上出现了人工合成的β胡萝卜素,目前占有很大的市场分额(全世界约占17%,欧洲占有40%,全球年产量估计超过500吨)。主要用于黄油、软饮料、糖果和面包加工。世界上的ＮＩβ胡萝卜素主要由两个厂家供应:瑞典的Ｂａｓｅｌ公司和德国的Ｌｕｄｗｉｇｓｈａｆｅｎ公司。为满足大多数食物和饮料的需要,这些厂家还提供油水分散相的色素(尤其是对黄油和软料市场)。可以采用乳化和色素悬浮的方法完成[5]。
3.3天然色素(ｎａｔｕｒａｌｃｏｌｏｕｒｓ)
天然色素在25年前开始了在商业上的广泛应用,到现在已经取得了巨大的发展。消费者从健康的角度考虑,对天然产品的兴趣推动了食品工业对天然色素的需求。色素在水果、蔬菜、种子和根部广泛存在。我们每天从饮食中消费大量的各种色素,尤其是花青素、类胡萝卜素(大自然每年产生100万吨以上,其中的600种结构已经证实)和叶绿素。我们每天从食品中摄取的天然色素仅仅是很少的一部分。天然色素的物理和化学性质差别很大。许多对氧化、ＰＨ变化和光照很敏感,他们的溶解度变化很大。目前在欧洲有13种天然色素得到使用许可,而美国批准26种天然色素。人们最初认为天然色素的性质远不如合成色素稳定,使用难度更大,价格更贵。据估计,全世界的植物70%还没有全面研究,只有0.5%的植物做过彻底的研究[6]。从这个方面来看我们对天然食品色素的研究才刚刚开始。然而,不幸的是,大多数的色素前面已经提到了,开发新的色素并不容易。任何一个新的色素在得到ＦＤＡ和欧洲的使用许可以前,都必须经过安全性评估,这要花费大量的时间和资金。最后一个问题是许多未发现的色素可能位于未发展的陆地和海洋,商业开发难度较大。鉴于这些困难,目前天然色素的研究工作集中在发展现有色素,主要在以下三个方面:合成工艺、生产技术和可替代的色素资源。实践证明这些途径非常成功,极大地促进了天然色素在食品和饮料工业中的应用。食品厂商乐观的认为,色素供应商提供的大部分天然色素在色泽、稳定性和使用特性方面完全符合要求。
3.4焦糖色素(ｃａｒａｍｅｌｃｏｌｏｕｒｓ)
焦糖色素在色素市场上占有重要地位(大约11%),主要是在可乐饮料方面。控制好碳水化合物的加热温度,就可以生产焦糖色素,如蔗糖、葡萄糖和果糖。根据在焦糖化过程中使用催化剂的不同,焦糖类色素可以分为4大类。市场对焦糖色素的需求基本保持稳定,每年的增长率大约是2～3%。随着市场的扩大和棕色食品的增长,焦糖色素也会逐渐增长。
4食品色素的最新发展
4.1合成
近五年来色素发展的一个方面是提高天然色素和天然替代色素的稳定性,因为它们本身的稳定性和溶解性差异很大。合成色素的发展集中在加工工艺方面。色素的稳定性、实用性和色彩主要受色素配方中添加成分的影响。添加成分对成品的使用特性也有影响。色素配方的发展主要集中在以下四个方面:
(1)使用乳化剂、抗氧化剂和稳定剂,使脂溶性的色素在水相中均匀分布。
(2)利用生育酚和棕榈酸盐等抗氧化剂的增效作用提高色素对氧化的稳定性。
(3)提高色素在软饮料和果冻的酸稳定性和透明度。
(4)利用色素替代一些引起消费者过敏的成分,如花生油和转基因玉米、大豆等。
果冻、糖果和某些饮料要求色素色泽稳定、透明。脂溶性的色素如胡萝卜素和红辣椒在乳化以后产生模糊的色泽,加入聚山梨醇酯就可以解决这个问题。Ｏｖｅｒｓｅａｌｆｏｏｄｓ公司的晶体胡萝卜素和红辣椒就有很好的氧化和酸稳定性。天然替代色素的发展主要在去除功能性花生油和明胶等可能引起过敏的成分,以便大多数消费者能够接受。玉米油可以替代花生油,牛胶可以用鱼胶替代。ＨｏｆｆｍａｎｌａＲｏｃｈｅ[7]公司最近开发出一种新的7%ＣＷＳ(ｃｏｌｄｗａｔｅｒｓｏｌｕｂｌｅ)色素。呈现黄色背景和几乎完全透明的分散体系。这个色素配方包括β-胡萝卜素,还有玉米油、鱼胶、麦芽糖糊精、蔗糖和二氧化硅以及抗氧化的棕榈酸盐、ｄｌ-生育酚。可以用于软饮料、糖果和奶制品。
4.2生产工艺
加工技术对天然色素和合成色素至关重要。把色素制粉,然后用难溶解的载体包装,产生的一系列悬浮液性能大大超过原来的溶液。这项技术对天然色素的好处是:
(1)提高了色素对光的稳定性,拓宽了它的使用范围,如酱油、调味品和软饮料[8]。
(2)使水相分散色素在油相中分散,如甜菜根抽提物和焦糖。
(3)减少一些添加物的含量,如聚山梨醇酯80,它在日本市场就会受一些法律限制,在一些食品中有起泡问题[9]。
(4)用普通的水溶性色素生产不同颜色深浅的色素。姜黄色素可以呈现不同浓淡的金黄色,而深红色素能形成从紫红到粉红的一系列色彩。
(5)颜色漂移少。
(6)喷雾干燥和配方工艺的改进促进了微胶囊天然色素的发展。高当量值的麦芽糖糊精已经被用来改善类胡罗素的稳定性[10]。例如混合的胡萝卜素和胭脂染料。
4.3色素来源
开发新色素的一个主要限制因子就是漫长而昂贵的安全性测验和法规审批程序。成功的办法是利用以前没有使用并且符合现行法规的原料来开发天然色素。黑色胡萝卜已经被用做花青素类色素的原料来源。商业上由ＯｖｅｒｓｅａｌＦｏｏｄｓ公司首先开发出叫“Ｃａｒａｎｔｈｏ”商品。黑色胡萝卜生产花青素类色素的优势和利润在于:(1)对酸性食品如软饮料、罐头、果冻和糖果,能提供明亮而不同浓淡的草莓红色泽。(2)与传统的花青素原料如葡萄皮和草莓相比,黑色胡萝卜生产的花青素类色素对光、热和二氧化硫更加稳定,这是由于花青酰基化的缘故。(3)可以常年供应。(4)多酚类物质含量少。在葡萄皮花青素中含有的多酚能引起浑浊和沉淀问题。(5)符合犹太教的法规,在全世界可以广泛接受。(6)对于低ＰＨ的食品,可以代替洋红色素。(7)在中性ＰＨ条件下,能提供更稳定的紫红/蓝色的色差。
近年来正在开发一种蓝黑萝卜品种。一次提纯的产品能呈现出比传统萝卜色素更受欢迎的香味。蓝黑萝卜花青质量高、稳定性好并且在全球被接受,是葡萄皮花青素的优良替代品,因为葡萄皮花青素容易发生质量、色泽和活性方面的问题。
4.4生物工艺
改进工艺能提高色素的生产效率[11]。色素生产涉及到植物细胞和组织培养、微生物发酵和基因调控等方面的研究工作。然而,在确定一种安全的食品添加剂以前,要对该产品做全面的安全性评估。也存在研发投资和生产设备方面的困难。植物组织培养是生产天然色素的有效途径[12]。类胡萝卜素、花青素和Ｂｅｔａｌａｉｎ都已经用植物组织培养来生产,但目前的技术还难以实现连续生产,因为大多数的色素贮存在细胞里,细胞并不排泄到体外。到目前还没有食品级的色素可以通过植物细胞组织培养来大规模地生产。因而,就要重点解决组织培养这个难题。和那些从天然植物中分离出来的色素一样,组织培养分离的色素也存在稳定性的问题。就生物工艺来说,单细胞的藻类和真菌更适合于生产新色素。一个新的进展是用真菌Ｂｌａｋｅｓｌｅａｔｒｉｓｐｏｒａ生产β-胡萝卜素。胡萝卜素可以在反应器中发酵生产。目前在市场上已经作为食品添加剂销售(ＤＳＭＧｉｓｔＢｒｏｃａｄｅｓＤｅｌｆｔＨｅｅｒｅｎ,ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ)。
5未来展望
不管是合成色素还是天然色素,发展的目标是正确地选择和应用色素,不断地支持和促进食品工业的发展。
5.1新的色素来源
许多原料被认为是潜在的天然食品色素的新来源[13]。一些在某些国家已经得到应用,但是在欧盟和美国需要经过漫长而昂贵的安全试验,限制了这些色素的商业化。红曲霉色素(Ｍｏｎａｓｃｕｓ)是一种红色和黄色色素,对热稳定,是用红曲霉Ｍｏｎａｓｃｕｓｐｕｒｐｕｒｅｕｓ和Ｍｏｎａｓｃｕｓａｎｋａ发酵稻草获得。在日本和东亚,它是应用最广泛的天然色素,主要用于肉类和鱼类。在欧盟和美国,由于担心在发酵过程中产生的香斗素的潜在毒性,红曲霉色素还没有得到批准使用。Ｓｐｉｒｕｌｉｎａｓｐ.含有藻青蛋白色素。它具有蓝色色差,在ＰＨ5～7之间稳定性最好。在欧盟和美国藻青蛋白还没有被批准为色素来源。ＦＤＡ已经把Ｓｐｉｒｕｌｉｎａｓｐ.列入蓝细菌类,是一种食物而不是蔬菜。在日本已经得到应用,应用范围为非酸性食物,如口香糖和奶制品。其它的色素资源还有蓝桅子,传统的胡萝卜以及紫色玉米,由于稳定性、价格和法规等因素而限制使用。
5.2功能性食物
成分越来越多的证据表明许多食物组分对身体有其它的保健作用。我们的本能喜欢天然着色的食物(如水果和蔬菜),这是因为大自然赋予我们的饮食某些光合化合物以及微量元素和维生素。现在认为天然抗氧化剂能阻止癌症和心血管病的发病率,显然这些疾病的发生和饮食中缺乏水果、蔬菜有关系。尽管大多数人被建议每天吃必要的水果和蔬菜,但是少有人能完成这个任务。现在作为食品色素使用的许多天然色素是光化学物质,它们有益于身体健康[14-18]。分述如下。
姜黄色素(Ｃｕｒｃｕｍｉｎ)
历史上姜黄(含有姜黄色素)已经用于疾病治疗,它有抗炎症和抗菌的属性,也用来做香料。姜黄色素是一种强的抗氧化剂,可以保护细胞组分免遭氧化伤害。已经发现姜黄色素能够阻止癌症的发生、发展和扩散,提高消化酶的活性,可以作抗细菌剂,促进肝脏的解毒作用,甚至有报道它有抗艾滋病的特性。
花青素(Ａｎｔｈｏｃｙａｎｉｎｓ)
许多红色果实的组分,如葡萄、蓝莓、樱桃和酸果蔓的果实,对阻止和延缓许多疾病的发生具有重要作用。酚类化合物包括花青素、酚酸、黄烷醇、单宁和白藜芦醇。目前对它们的研究很多,主要集中在红葡萄酒和黑白的葡萄皮。发现红葡萄酒中有一种物质,能减少心脏病和癌证的发病率。红葡萄酒中的这些化合物是很强的抗氧化剂,具有广泛的生化和药理作用,包括抗致癌物、抗发炎和抗微生物,还能阻止ＬＤＬ(低密度脂蛋白)氧化和心血管病的发生。
类胡萝卜素(Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ)
类胡萝卜素在自然界广泛存在,已经鉴定600多种结构。它对健康的作用是两个方面:(1)抗氧化性。保护细胞免受氧化伤害,减少一些疾病如动脉硬化证、癌症、关节炎等的发病率。(2)维生素前体。β胡萝卜素和α胡萝卜素具有维生素前体的活性,在肠道黏膜可以转化为维生素Ａ。胡萝卜素对健康的有益作用已经进行了很多的科学研究。很大一部分研究工作集中在β胡萝卜素,但是越来越多的证据表明,类胡萝卜素以协同的方式作用,因而吸收混合的类胡萝卜素更有益于健康。这就是要从食物中(萝卜)摄取类胡萝卜素的道理。棕榈树果实和胡萝卜二者所含类胡萝卜素的组成很相同。
番茄红素(Ｌｙｃｏｐｅｎｅ)
番茄红素是在番茄中发现的天然色素,它能够降低几种癌症的发病危险,如衰竭性疾病和子宫癌。研究表明,和原料番茄相比,加工的番茄食品如调味番茄酱和沙司的番茄红素能够被人体更有效地吸收。
叶黄素(Ｌｕｔｅｉｎ)
叶黄素是一种类胡萝卜醇色素,它是一种抗氧化剂。叶黄素是在眼睛视觉斑区发现的两种类胡萝卜素之一,能够保护视觉斑降解引起的衰老。饮食中富含叶黄素可以减少白内障的发生率,越来越多的证据也表明叶黄素有抗癌作用。
叶绿素(Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｓ)
叶绿素有三方面的属性:促进伤口愈合,抗基因毒性和抗基因突变。它也是一种除臭剂。确切地说,人们对叶绿素的兴趣远远比不上类胡萝卜素,但是叶绿素对拮抗环境和食物诱变剂很有潜力,这无疑是下一步要研究的课题。
6结论
尽管在过去的25年中,食品色素的发展取得了很大的进步,尤其是在有关法规和加工工艺方面,但进一步发展的空间仍然很大。技术工艺和社会的发展将促进食品加工的全面发展,整个色素市场也将随之扩大。由于消费者不断地向天然产物靠近。在全球范围内天然色素市场将比合成色素以更快的速度扩张。在过去10年中天然色素已经取得了巨大的发展。在继续改进配方和技术工艺的基础上,不断地开发新的色素原料,将会进一步的发展。随着功能性食品添加剂市场的扩大,天然色素将以保健品出现,而不再是用作着色剂。这个令人激动的设想,在不久的将来一定会实现。
