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红曲红色素是目前唯一一种利用微生物发酵制备的天然色素

发布日期:2018/3/9 13:26:32

【背景及概述】[1][2][3]

红曲霉是一种丝状腐生真菌,按照真菌学的分类方法,红曲霉属于真菌门(Eumycophyta)、子囊菌纲(Ascomycetes)、真子囊菌亚纲(Euascomycetes)、散囊菌目(eurotiales)、红曲科(monascaceae)、红曲霉属(Monascus)。红曲霉的生长最适pH为3.0~5.0,能耐pH 2.5,尤嗜乳酸。生长温度范围比较宽,在26℃~42℃之间,而其最适生长繁殖温度为32℃~35℃,对10%的酒精具有耐受性。红曲霉能同化NaNO3、NH4NO3、(NH4)2SO4,最好的氮源为有机氮(如蛋白质、氨基酸等)。红曲霉能自己合成泛酸、吡哆醇、对氨基苯甲酸、生物素、肌醇、硫胺素、尼克酸、核黄素等等,故在无维生素的合成培养基中也能够生长。生长环境的苛刻,使得红曲霉发酵过程中不易染杂菌,即使染杂菌,发酵过程中也能够抑制其他菌的生长甚至导致杂菌的死亡。

红曲红色素是红曲霉次级代谢产物色素的一种,是目前唯一一种利用微生物发酵制备的天然色素。被广泛地应用于清酒、腐乳、鱼肉、酱油、糕点、糖果、冷饮等食品业的着色,也可用于医药和妆品等行业的着色。红曲红色素是以大米、黄豆为主要原料,借鉴我国传统的红曲生产工艺,通过红曲霉菌液体深层发酵和先进的现代生物分离技术而获得的粉状纯天然、无毒、安全可靠的天然食用色素,随着人们对红曲认识的提高,红曲色素产品的应用范围将会逐步扩大,对其量化研究也将在具体生产中发挥重要的指导作用。

【结构】[1]

红曲红色素为红曲霉的次级代谢产物,从结构上看包括脂肪酸和多聚酮两个部分,其合成也主要包括两个部分:多聚酮合成途径,产生生色团;脂肪酸合成途径,产生中长链脂肪酸, 经转酯化作用连接到生色团上。即1分子乙酰CoA和3分子丙二酰CoA在聚酮体合酶(Polyketide synthases,PKSs)的作用下生成四酮化合物,四酮化合物再与1分子丙二酰 CoA生成五酮化合物,如此循环使酮基化合物碳链加长产生聚酮发色团,脂肪酸与乙酰CoA 作用生成聚酮酸,聚酮酸与发色团的羟基进行酯化反应,最后生成色素分子。

【理化特性】[1] [2]

红曲红色素对光不稳定,在光照、太阳光、紫外光和可见光等会逐渐分解,

红曲红色素水溶液(p H5.7~6.7,照前510nm吸光度A为0.6)在自然光照射条件下,不到14h,色素的保存率降到50%以下,日光直射下(31~38℃)2h,色素损失一半,色素乙醇溶液在紫外灯(15W,距离20cm)下照射5h,吸光度未变;水或醇溶液光稳定性研究表明,在日光照射下1h,所有红曲色素溶液的吸光度均降至50%以下,而醇溶性色素比水溶性色素下降得更多;红曲红色素发酵液在室内自然光照下照射12h后,色素保存率仅有80.1%。

1.pH值对红曲红色素稳定性的影响

红曲红色素主要有两种性质的色素:脂溶性色素和水溶性色素。脂溶性色素可以溶于氯仿、乙醚、乙醇、醋酸及正己烷等溶剂中。红曲红色素溶于乙醇中,会出现泡沫,而溶于水中则不会出现泡沫,原因在于色素中含有蛋白质类或氨基酸类物质。水溶性色素的溶解度与其溶液的pH值有关,易溶于中性或者碱性的溶液中,当溶液的pH在4.0以下或者5%以上的盐溶液中,其溶解度逐渐降低。

红曲红色素相比其他天然色素对pH 的变化不明显,色调基本没有变化,pH=11的乙醇溶液中仍然可以保持其原有的色调。pH值对红曲红色素的稳定性影响较复杂,对不同红曲红色素组分的影响也不尽相同。其对酸碱环境非常敏感,在中性环境下较为稳定,极酸、极碱,红曲红色素的色调均会发生变化,而在一定的碱性环境下(pH值为9~11)较酸性环境(pH值为3~5)更为稳定。

2.温度对红曲红色素稳定性的影响

红曲色素热稳定性好,熔点为160℃~192℃,热降解符合一级动力学反应。

在加热过程中,色素溶液的明度、红度受时间和温度的影响,随时间的延长呈下降趋势,温度越高,下降越明显;黄度增加,且加热温度越高这种变化趋势越明显。红曲红红色素具有很好的热稳定性,120℃加热1.5 h,红色素的占有率依84以上;100℃加热3 h,红色素的保存率仍然不变。随温度的降低,耐热时间逐渐延长。近年来,许多研究结果表明,水溶性红曲红色素热稳定性优于醇溶性。

3.光照对红曲红色素稳定性的影响

红曲红色素对光照不稳定,引起褪色的原因较复杂。目前主要认为是由于自由基引起光敏反应氧化褪色,在有氧条件下,红曲红色素水溶液褪色主要是受到3种自由基氧化还原作:超氧阴离子(O2-)、羟自由基(OH-)和脂肪族侧链断裂产生的自由基。如何提高红曲红色素光照稳定性,结合其各组分的结构分析,使用时可以在产品中添加槲皮素、1,4,6-三羟基萘、芝麻酚林衍生物、多酚、黄酮等含羟基物质,在水溶液中羟基与色素结构中酮基结合形成化学键,使其构象稳定,在光照作用下不致因能量跃迁发生结构变化或在红曲霉培养过程中添加多肽、氨基酸等物质,使红曲霉分泌聚酮酶时将护色物质结合到色素结构上。

4.金属离子对红曲红色素稳定性的影响

试验表明,常见的金属离子(如K+、Ca2+、Na+、Zn2+、Fe2+)对色素的稳定性影响较小,试样中加入上述离子后,色素溶液的颜色和空白组对比变化不明显,仍然呈现亮红色。重金属离子(如Cu2+、Fe3+)对色素溶液的呈色有明显影响,加入后溶液在避光保存1d,溶液颜色均由亮红色变为红棕色,并伴有红褐色的沉淀产生,导致这种现象产生的原因可能为某些色素组分的分子内部存在易被氧化的结构所致。同时不受还原剂和氧化剂如0.1%的抗坏血酸、过氧化氢亚硫酸钠等物质的影响,色素的残存率保持在95%以上。因此红曲色素在实际生产中,应尽量避免其与某些重金属离子、还原剂和氧化剂的接触,贮藏时也避免使用铜制和铁制容器。

5.食品添加剂对红曲红色素稳定性的影响

研究表明,常用的酸度调节剂、甜味剂和防腐剂对红曲红色素稳定性影响不同,在试验中发现加入酸度调节剂的试液存储1d后残存率均降到20%左右,并伴有明显沉淀。而常用的甜味剂(如甜蜜素、阿斯巴甜等)则均可提高色素溶液的稳定性。不同防腐剂对红曲红色素的稳定性影响也不尽相同,红曲红色素溶液在添加苯甲酸、山梨酸钾后连续放置4d的残存率均略高于空白,而添加丙酸钠与空白差别不大,添加丙酸钙的红曲溶液连续5d的保存率都低于空白样,说明山梨酸钾、苯甲酸对红曲红色素溶液起到稳定协同作用,而丙酸钙会使红曲红色素的色价降低。

【护色措施】[1]

红曲红色素的不稳定性给日常生产和应用带来了严重的影响。因此,必须采取措施进行护色。

1. 调整酸碱度

实验表明pH值对红曲红色调有影响,在酸性条件(pH值<4)时溶解度减小,红曲红色素可能从溶液中析出,色度降低,同时在不同pH值的介质中,红曲红色素中的红色和黄色组分含量会发生较明显的变化。pH值减小,黄色组分的含量增加,色调发生变化,pH值为5.7~6.7时对红曲红色素的最大吸收波长色调影响较小。所以把pH值调整在5.7~6.7能有效稳定红曲红色素

2. 添加护色剂

添加护色剂是克服天然色素稳定性不足,促进天然色素工艺发展的最简便的方法。但各地都很难找到用量少、效果好、价格低廉的护色剂。根据天然色素的发色原理,添加护色剂一般是从两种途径提高天然色素的稳定性:一是添加抗氧化剂,代替色素的发色团与助色团被氧化;二是在不影响发色基团与助色团的情况下护色剂与色素形成结构稳定的新物质。如抗氧化剂Vc可有效地防止红曲红色素光褪色。

3. 添加载体

添加各种载体也是提高色素稳定性的方法。如水溶性蛋白类载体为目前市场销售红曲红产品中主要载体,可使红曲红色素光稳定性由35.6% 提高到 54.6%, 海藻酸钠、明胶和β-环状糊精作载体可使红曲红色素光稳定性由35.6%分别提高到66.5%、66.3%和60.6%。

提取[1][4]

由红曲米提取红曲红:原料为红曲米,工艺流程如下:

技术参数:①乙醇浓度70%。②pH调至8。③浸提时间24h。④干燥,采用真空干燥,温度为45℃。⑤包装,避光贮存。

由红曲霉液体发酵培养生产红曲红:原料为大米、大豆,工艺流程如下:

技术参数:①发酵温度32-34℃。②发酵时间60-72h。③滤液用盐酸调pH4.0左右,使色素沉淀。④滤饼以95%乙醇浸提24h。⑤调pH.65,加Na2S除重金属。⑥加热至60-70℃使蛋白质凝聚。⑦色素清液减压蒸发、喷雾干燥。⑧成品避光贮存。

【应用】[4][5]

红曲红作为一种色调自然鲜亮,而且安全、稳定,具有一定医疗保健功效的着色剂,已广泛应用于食品(肉制品、豆制品、酒、果汁、饮料、糖果、糕点)、医药、化妆品等行业中。尤其是肉肠加工业,对提高产品档次,减少亚硝酸钠的用量及产品的着色,有着积极的意义效果十分理想。

【主要参考资料】

[1] 赵双枝, 张彦昊, 周建建. 红曲红色素的特性概况[J]. 山东食品发酵, 2012 (4): 44-48.

[2] 白刚, 李蓓蓓, 桑燕霞, 等. 红曲红素的理化性能[J]. 纺织学报, 2012, 33(2): 59-62.

[3] 连喜军, 王昌禄, 顾晓波, 等. 树脂法分离红曲红色素的研究[D]. , 2003.

[4] 马美荣, 诸葛健. 红曲红[J]. 中国食品添加剂, 1999 (3): 65-67.

[5] 梁成云, 魏文平. 红曲红色素和高粱红色素的防腐与着色作用[J]. 肉类研究, 2008 (7).