CN111034902B - 一种高稳定性的色素衍生物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性的色素衍生物，其该色素衍生物的数均分子量为523～168Da，结构单元中表儿茶素含量为5～30％、儿茶素含量为3～75％、棓儿茶素含量为1～13％、表棓儿茶素含量为1～5％、儿茶素棓酰酯含量为1～16％、表儿茶素棓酰酯含量为2～17％。本发明提供的色素衍生物属于天然花色苷衍生物，不受佯盐←→查尔酮←→醌氏碱←→甲醇假碱化学平衡的影响，能够在酸性至中性(pH 1.0～7.0)溶液中保持稳定的红色，不受pH、氧气、还原型漂白剂、温度的影响，解决了天然花色苷颜色稳定性差的问题。

Description

一种高稳定性的色素衍生物及其制备方法

技术领域

本发明涉及食品添加剂领域，特别涉及一种色素。

背景技术

花色苷是一种天然的植物色素，在红色蔬果果皮中广泛存在。转色期开始后，蔬果果皮中的花色苷含量逐渐上升，使果皮逐渐转变为红色或艳丽的紫红色，待蔬果成熟后，花色苷含量也达到最大值。部分蔬果果皮如：百香果果壳、葡萄、西番莲、紫薯皮等富含花色苷，最大含量可达到400mg/g干基果皮。从化学结构来看，花色苷本身含有大量的酚羟基和苯环结构，属于多酚类物质，而酚羟基的还原性是多酚类化合物的共性之一。花色苷分子中的多个酚羟基可以作为H供体，而花色苷邻苯二酚A环结构进一步加强了其还原性，使其能够通过酚羟基的解离和自由基清除两种途径实现抗氧化功能。已经明确的是，氧自由基是引起多种疾病和老化的重要因素，也是脂质过氧化的起因。而作为多酚家族的主要成员，花色苷清除自由基的能力非常显著。因而，作为一种天然色素，花色苷能够赋予食品诱人颜色的同时，也具有明显的保健作用，具有作为功能性食品添加剂使用的显著价值。

在食品的工业生产加工过程中，富含花色苷的蔬果果皮由于口感较差，通常不适合直接食用。为了避免影响产品的品质，大多食品加工企业都会通过机械加工或手工去除等方法除去这些蔬果果皮。比如：葡萄酒加工过程中会在压榨阶段通过气囊压榨机将葡萄皮除去；百香果饮料加工时，第一步既是通过手工或机械的方法除去果壳；紫薯则会在清洗阶段结束后，即通过去皮机除去紫薯的果皮；蓝莓果汁生产过程中，会通过沉淀、过滤的方法除去果渣。因此，每年都有大量的果皮、果壳等副产物随着食品加工过程产生，但由于本身稳定性的问题，即便通过提取和分离纯化手段获得花色苷，也很难直接作为天然食用色素或抗氧化剂在食品或保健品生产过程中使用。现实情况是，食品企业通常采取直接填埋或焚烧处理富含花色苷的蔬果果皮，这不但是宝贵资源的极大浪费，也会对生态环境造成一定负面影响。

按照化学结构特点划分，花色苷的典型结构式为

其属于具有C6-C3-C6基本骨架的苯并吡喃衍生物，是由花色素(包括天竺葵花色素、矢车菊花色素、飞燕车花色素、芍药花色素、矮牵牛花色素、锦葵花色素等)与葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、芸香糖等糖苷相互连接而成的，其花色素与糖苷的连接位置主要在C环C-3位以及A环C-5位。

但不得不说的是，花色苷本身并不稳定。呈色的花色苷主要为带有电荷的佯盐结构的化合物，在碱性、中性或弱酸性溶液环境中，佯盐结构非常容易失去电荷，并向无色的查尔酮、醌氏碱或甲醇假碱结构发生转变并形成沉淀，如下图所示，即佯盐转变为其他无色结构的过程非常容易受到温度、pH、光照、氧气等因素的影响，同时食品生产过程中加入的部分抗氧化剂(如亚硫酸盐)也会加速花色苷的脱色过程。

因而经过长时间储存，花色苷很容易失去原本的颜色。花色苷向无色结构的转变，常见于饮料制品(如葡萄酒、桑葚酒、果汁)中，这一现象会造成饮料丧失诱人的色泽，也会使其丧失口感的丰满度，并降低饮料酸、甜、涩等口感结构的平衡性而降低饮品的味觉特点，最终导致其感官品质发生极大的下降。花色苷的这一性质，缩短了果汁类饮品的货架期，也极大限制了花色苷本身的实际开发和利用价值。因此，如何通过花色苷获得一种高稳定性的色素衍生物，成为一大技术难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种高稳定性的色素衍生物及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：一种高稳定性的色素衍生物，其该色素衍生物的数均分子量为523～168Da，结构单元中表儿茶素含量为5～30％、儿茶素含量为3～75％、棓儿茶素含量为1～13％、表棓儿茶素含量为1～5％、儿茶素棓酰酯含量为1～16％、表儿茶素棓酰酯含量为2～17％。

为上述方案的进一步改进，当浓度为4g\L时该色素衍生物的平均粒径为30～180nm。

一种如上所述的高稳定性的色素衍生物的制备方法，其包括如下操作步骤：先将2～18份花色苷与200～5000蒸馏水混合并充分搅拌1～25min，再加入0.3～100份原花色素并充分搅拌1～10h，而后加入交联剂0.5～15份并充分搅拌1～25min，再加入有机酸0.1～0.6份混合均匀，密封后置于避光、温度为10～45℃环境中5～45天，经干燥，得成品。

本发明以花色苷和原花色素为原料，利用醛类交联剂容易进攻花色苷C-4位置形成衍生物的基本原理，选择适当的醛类物质，使醛类物质能够在花色苷与原花色素之间形成桥键结合形成色素衍生物，这种使花色苷不再受到佯盐←→查尔酮←→醌氏碱←→甲醇假碱化学平衡的影响，最终得到一种颜色稳定的色素衍生物。

其中，原花色素是一种多酚类物质，在茶叶、葡萄皮、柿子皮等食品及食品加工副产物中广泛存在。由于原花色素可以和唾液中富含羟脯氨酸的蛋白质相互结合，因而可以赋予食品特殊的“收敛性”的感官特点，同时也为茶饮料、葡萄酒、柿饮料等食品提供甘甜和饱满的口感，因而原花色素常作为食品添加剂用于饮料生产。在葡萄酒的酿造过程中，人们发现部分红葡萄酒会随着老化的进行由紫红色逐渐变为砖红。这是因为在酿造初期，红葡萄酒的颜色主要来自于佯盐结构的花色苷，随着陈酿过程的进行，部分酵母发酵代谢产物能够通过亲核反应进攻花色苷C环C4位与之结合并使其发生衍生化，反应产物能够同葡萄中的原花色素继续反应生成颜色稳定的色素。与其它色素衍生物相比，本发明的色素衍生物包括花色苷、交联剂以及原花色素三种成分，与花色苷，以及仅由花色苷和其它交联剂制备的色素衍生物相比，本发明的色素衍生物更稳定，具有耐受pH、温度、氧气甚至漂白剂影响的能力。本发明正是利用这一在葡萄酒中发现的现象与原理，使用花色苷与原花色素相互反应制备多聚色素。发明人发现，原花色素与花色苷之间的反应速度受到原花色素结构的显著影响。原花色素与花色苷的结合反应位点为其末端结构单元A环C-8位和C环C-4位，通过实验观察到，原花色素的分子量越大，具有的支链结构就越多，从而具有更多的末端结构单元(活性位置)，因而表现出更快速的花色苷-原花色素结合反应动力学速度。但更重要的是，这些色素衍生物并不能以稳定的形式存在于溶液中。沉淀实验发现，由于原花色素的分子量越大，其疏水性质越明显，当结合反应发生后更容易在水中相互聚集形成粒径更大的胶团，随即便生成沉淀。发明人经过研究发现，这种沉淀效应存在临界点分子量。当原花色素的聚合度小于6时，结构单元间空间位阻较小，受到溶剂的影响，连接键会发生一定程度的旋转，使亲水的基团暴露在表面，而将疏水的基团包裹在分子内部。但当聚合度大于6时支链结构随着聚合度的增加而逐渐增加，同时结构单元间的空间位阻也变大，限制了结构单元连接键的旋转，因而疏水性变得更强。因此本发明在甄选原料时，以亲水结构单元较多，分子量适中的原花色素为原材料。研究发现这类原花色素在水溶液中的平均粒径为30～180nm(浓度4g/L水溶液)，本身具有稳定的胶体化学性质，形成的多聚色素平均粒径为80～210nm，能够稳定的存在于溶液中。

为上述方案的进一步改进，所述交联剂选自乙醛、乙醛二乙缩醛、丙醛、丁醛、戊醛、己醛、庚醛、月桂醛中的至少一种。

为上述方案的进一步改进，所述花色苷选自锦葵色素-3-葡萄糖苷、天竺葵素-3-葡萄糖苷、飞燕草素-3-葡萄糖苷、牵牛花素-3-葡萄糖苷、甲基花青素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、花葵素-3-葡萄糖苷中的至少一种。

为上述方案的进一步改进，所述原花色素选自原花青定型、原翠雀定型、原花青定-原翠雀定混合型中的至少一种，且平均聚合度为1.5～5.5。

为上述方案的进一步改进，所述有机酸选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、2-乙基丁酸、己酸、肉桂酸、酒石酸中的至少一种。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的色素衍生物属于天然花色苷衍生物，不受佯盐←→查尔酮←→醌氏碱←→甲醇假碱化学平衡的影响，能够在酸性至中性(pH 1.0-7.0)溶液中保持稳定的红色，不受pH、氧气、还原型漂白剂、温度的影响，解决了天然花色苷颜色稳定性差的问题。

(2)本发明的色素衍生物的制备方法，充分利用花色苷-原花色素结合反应构效关系，使二者反应的速度达到最快，增加色素衍生物生产效率的同时，也极大的提高了色素衍生物的稳定性。

(3)本发明的色素衍生物的制备方法，使用的花色苷和原花色素来源于植物，属于天然产物，无任何生物学毒性，交联剂为国家标准《食品添加剂(GB 2760-2016)》中允许使用的物质，且原料来源广泛价格低廉，适合工业化生产使用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。以下物料所用份数均为重量份数。

实施例1

将2份锦葵色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水1000份，搅拌25分钟，再加入1.2份平均聚合度为1.5的原花青定型原花色素，充分搅拌1小时，加入乙醛二乙缩醛1.5份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入肉桂酸0.2份，此时该体系的pH为5.6，将反应器密封避光，在温度为20℃环境中放置120天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例2

将15份锦葵色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水200份，搅拌25分钟，再加入60份平均聚合度为2.7的原花青定型原花色素，充分搅拌1小时，加入丙醛10份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入酒石酸0.4份，此时该体系的pH为1.2，将反应器密封避光，在温度为35℃环境中放置270天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例3

将10份天竺葵色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水5000份，搅拌25分钟，再加入90份平均聚合度为3.8的原花青定型原花色素，充分搅拌1小时，加入乙醛12份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入己酸0.2份，此时该体系的pH为1.2，将反应器密封避光，在温度为25℃环境中放置5天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例4

将15份矢车菊色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水2000份，搅拌25分钟，再加入80份平均聚合度为5.5的原翠雀定型原花色素，充分搅拌1小时，加入丁醛14份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入2-乙基丁酸0.1份，此时该体系的pH为3.2，将反应器密封避光，在温度为10℃环境中放置220天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例5

将6份飞燕草色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水4000份，搅拌25分钟，再加入80份平均聚合度为4.2的原花青定型原花色素，充分搅拌1小时，加入戊醛0.5份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入丁酸0.6份，此时该体系的pH为1.0，将反应器密封避光，在温度为45℃环境中放置200天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例6

将4份牵牛花素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水300份，搅拌25分钟，再加入0.3份平均聚合度为5.2的原花青定-原翠雀定混合型原花色素，充分搅拌1小时，加入丙醛15份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入异丁酸0.5份，此时该体系的pH为5.2，将反应器密封避光，在温度为25℃环境中放置180天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例7

将16份花葵素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水4500份，搅拌25分钟，再加入60份平均聚合度为3.3的原花青定-原翠雀定混合型原花色素，充分搅拌1小时，加入己醛8份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入丙酸0.1份，此时该体系的pH为5.6，将反应器密封避光，在温度为35℃环境中放置20天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例8

将3份矢车菊色素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水3500份，搅拌25分钟，再加入100份平均聚合度为1.6的原花青定-原翠雀定混合型原花色素，充分搅拌1小时，加入庚醛6份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入乙酸0.3份，此时该体系的pH为3.6，将反应器密封避光，在温度为45℃环境中放置10天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例9

将18份甲基花青素-3-葡萄糖苷加入至反应器中，加入蒸馏水2500份，搅拌25分钟，再加入50份原平均聚合度为2.1的花青定-原翠雀定混合型原花色素，充分搅拌1小时，加入月桂醛10份，搅拌25分钟，混合处理结束后，加入甲酸0.6份，此时该体系的pH为1.0，将反应器密封避光，在温度为20℃环境中放置120天，随后打开反应器干燥后既得成品。

实施例10：稳定性检测

为了考察本发明利用花色苷和原花色素制备的色素衍生物的性质，利用间苯三酚降解法对色素衍生物的平均聚合度和结构单元组成进行了测试，利用动态光散射法(DLS)在其浓度2g/L时对其胶团粒径进行了测试，结果如表1所示。

表1色素衍生物的平均聚合度、结构单元组成和平均粒径

为了考察实施例中制备的样品中色素衍生物的含量，使用Somers色素分析法，对色素衍生物的含量进行了分析，结果如表2所示。

表2 Somers色素分析法测试得到的色素衍生物含量(mg/g样品，以锦葵色素-3-葡萄糖苷当量计算)

将上述实施例中制备的色素衍生物，溶解在pH1.0～7.0的缓冲溶液中(色素衍生物浓度0.5g/L)，静置72小时后，使用分光光度计对其520nm处吸光度进行了考察(比色皿厚度为1cm)，并且以浓度为0.5g/L的天然花色苷锦葵色素-3-葡萄糖苷为对比，结果如表3所示。结果说明，获得的色素衍生物的稳定性明显高于天然花色苷锦葵色素-3-葡萄糖苷。

表3浓度为0.5g/L时，色素衍生物在520nm处的吸光度(比色皿厚度为1cm)

	pH1.0	pH2.3	pH3.1	pH4.2	pH5.6	pH6.3	pH7.0
								实施例1	1.38	1.36	1.31	1.02	1.01	1.02	0.98
实施例2	1.24	1.24	1.11	1.21	1.16	1.03	1.00
								实施例3	1.55	1.52	1.34	1.28	1.33	1.21	1.26
实施例4	1.32	1.33	1.31	1.21	1.15	1.16	1.00
								实施例5	1.01	1.02	1.06	0.94	0.92	0.91	0.85
实施例6	1.26	1.24	1.18	1.16	1.13	1.12	1.01
								实施例7	1.28	1.21	1.10	1.17	1.16	1.13	1.04
实施例8	1.37	1.34	1.26	1.23	1.27	1.21	1.06
								实施例9	1.52	1.45	1.33	1.32	1.25	1.13	1.02
锦葵色素-3-葡萄糖苷	1.92	1.63	1.41	0.83	0.62	0.51	0.31

上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种高稳定性的色素衍生物，其特征在于：该色素衍生物的数均分子量为523～168Da，结构单元中表儿茶素含量为5～30％、儿茶素含量为3～75％、棓儿茶素含量为1～13％、表棓儿茶素含量为1～5％、儿茶素棓酰酯含量为1～16％、表儿茶素棓酰酯含量为2～17％；

所述高稳定性的色素衍生物的制备方法，包括如下操作步骤：先将2～18份花色苷与200～5000蒸馏水混合并充分搅拌1～25min，再加入0.3～100份原花色素并充分搅拌1～10h，而后加入交联剂0.5～15份并充分搅拌1～25min，再加入有机酸0.1～0.6份混合均匀，密封后置于避光、温度为10～45℃环境中5～45天，经干燥，得成品；

所述交联剂选自乙醛、乙醛二乙缩醛、丙醛、丁醛、戊醛、己醛、庚醛、月桂醛中的至少一种；

所述原花色素选自原花青定型、原翠雀定型、原花青定-原翠雀定混合型中的至少一种，且平均聚合度为1.5～5.5。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的色素衍生物，其特征在于：当浓度为4g\L时该色素衍生物的平均粒径为30～180nm。

3.一种如权利要求1或2所述的高稳定性的色素衍生物的制备方法，其特征在于包括如下操作步骤：先将2～18份花色苷与200～5000蒸馏水混合并充分搅拌1～25min，再加入0.3～100份原花色素并充分搅拌1～10h，而后加入交联剂0.5～15份并充分搅拌1～25min，再加入有机酸0.1～0.6份混合均匀，密封后置于避光、温度为10～45℃环境中5～45天，经干燥，得成品；

所述交联剂选自乙醛、乙醛二乙缩醛、丙醛、丁醛、戊醛、己醛、庚醛、月桂醛中的至少一种；

所述原花色素选自原花青定型、原翠雀定型、原花青定-原翠雀定混合型中的至少一种，且平均聚合度为1.5～5.5。

4.根据权利要求3所述的一种高稳定性的色素衍生物的制备方法，其特征在于：所述花色苷选自锦葵色素-3-葡萄糖苷、天竺葵素-3-葡萄糖苷、飞燕草素-3-葡萄糖苷、牵牛花素-3-葡萄糖苷、甲基花青素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、花葵素-3-葡萄糖苷中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的一种高稳定性的色素衍生物的制备方法，其特征在于：所述有机酸选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、2-乙基丁酸、己酸、肉桂酸、酒石酸中的至少一种。