食品色素是重要的食品添加劑之一，天然色素能使食品呈現(xiàn)出自然柔和的色澤，這些色澤不僅能誘發(fā)食欲，還能滿足視欲，激發(fā)購(gòu)買欲望，提高商品的價(jià)值。 天然色素主要是從天然物質(zhì)中提取分離而獲得的有機(jī)色素，與合成色素相比，天然色素安全性好、色澤自然、營(yíng)養(yǎng)高， 且某些色素還具有藥理保健功能。 在科技不斷創(chuàng)新進(jìn)步的信息時(shí)代， 已出現(xiàn)多種多樣的分離技術(shù)。 超聲萃取技術(shù)就是一種新型的分離技術(shù)， 具有高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)學(xué)、石油、食品環(huán)保能源等領(lǐng)域， 具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。 本文綜述了超聲波在天然色素分離中的應(yīng)用情況， 以期為天然色素的高效提取和超聲波技術(shù)的發(fā)展提供一定參考。

超聲分離技術(shù)基于三大原理

• 空化作用

空化作用是指超聲波在液體中傳播時(shí),使液體微粒之間發(fā)生相對(duì)流動(dòng)和振動(dòng)而產(chǎn)生無(wú)數(shù)的真空微小氣核，這些微小氣核在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生的振蕩、長(zhǎng)大破碎及閉合等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。或?qū)⒊暡ㄔ谝后w中引起的各種次級(jí)效應(yīng)總稱為空化作用，主要包括濫動(dòng)效應(yīng)、聚能效應(yīng)、微擾效應(yīng)和界面效應(yīng)。空化過(guò)程將聲能聚集起來(lái)，當(dāng)集聚的能量足夠大時(shí)，這些真空氣核就會(huì)瞬時(shí)崩潰閉合，使液體微粒之間發(fā)生劇烈的碰撞，從而在周圍液體內(nèi)造成局部高溫(約5000 K)和超強(qiáng)的氣壓(約200MPa)。當(dāng)壓力突然釋放，會(huì)在液體內(nèi)形成高速微射流和強(qiáng)沖擊波，加劇基取體系內(nèi)的湍動(dòng)，提高相之間的傳質(zhì)速率。

• 湍動(dòng)效應(yīng)

湍動(dòng)效應(yīng)主要是超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，空化作用產(chǎn)生的微射流和沖擊波加速體系的湍動(dòng)和固體顆粒間的碰撞，使固體微粒獲得高加速度和動(dòng)能,固體表面不斷被剝離變薄、產(chǎn)生新的活性表面，從而增加固液接觸面積,加快傳質(zhì)速率。同時(shí),微射流和沖擊波還會(huì)對(duì)細(xì)胞組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理剪切作用，使細(xì)胞損傷、破裂并釋放出內(nèi)含物，并促使裝取液向胞內(nèi)擴(kuò)散滲透，從而提高細(xì)胞內(nèi)有效成分的提取率。

• 聚能效應(yīng)

聚能效應(yīng)是指空化泡在超聲場(chǎng)作用下破碎、聚集的能量瞬時(shí)釋放時(shí)，產(chǎn)生的局部高溫高壓可能破壞固體微粒之間的次級(jí)鍵，降低相互作用力，從而提高傳質(zhì)速率同時(shí)，超聲波頻率高、能量高、穿透力強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播時(shí)，聚集的能量不斷被介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩贵w系溫度升高。溫度適當(dāng)升高，有利于有效成分的溶解，提高傳質(zhì)速率從而提高有效成分的獲得率。

超聲分離技術(shù)在天然色素提取中的應(yīng)用

自1927年 Richards 等發(fā)現(xiàn)超聲場(chǎng)能強(qiáng)化傳質(zhì)速率后超聲場(chǎng)就 開始得到大量研究并應(yīng)用到各領(lǐng)域，如從天然物質(zhì)中提取有效 成分等。常根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)的不同，選用合適的萃取劑，再 用超聲波處理進(jìn)行萃取分離，其主要工藝為: 原料→篩選→干燥→粉碎→浸提→超聲波處理→分離萃取液→ 濾液→減壓濃縮、干燥→產(chǎn)品

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五大色素

 

多烯類色素

多烯類色素主要是類胡蘿卜素，分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)共驅(qū)雙鍵，為脂溶性色素，主要有 B- 胡蘿卜素葉黃素、番紅素、蝦青素和玉米黃色素等。具有保護(hù)視力、延緩衰老、提高免疫能力和抗氧等多種生理保護(hù)功能。翟虎等研究了菠菜色素的超聲波提取，并與有機(jī)溶劑浸泡法相比較，得出菠菜色素的最佳提取工藝： 乙醇為提取劑，料液比1:5提取溫度50C處理時(shí)間60min，超聲功率 200W 所得色素比較穩(wěn)定但耐光性較差。宋佳等用超聲波提取玉米黃色素表明超聲波提取法有時(shí)間短、節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)。李瑩等利用超聲皮提取紅酵母色素并研究了色素的抗化性，表明超聲波提取 酵母色素的最佳時(shí)間為20 min，溫度 25℃ 色素高濃度時(shí)抗氧化性與維生素 E 相當(dāng)。李昌靈等用超聲波提取辣椒工色素，并研究了多種因素對(duì)色素的影響，得出該法有提取央、產(chǎn)率較大色價(jià)高不用加熱等優(yōu)勢(shì)。鐘巖等研究了超古場(chǎng)對(duì)橘皮色素提取效果的影響，也得出超聲場(chǎng)提取色素時(shí)司短、節(jié)能、條件溫和、效果好的結(jié)論。據(jù)研 究報(bào)道，超聲波提取的多烯類色素還包括南瓜色素、梔子黃色素芒果皮中的黃色素、木瓜黃色素、龍蝦殼紅色素番茄紅色素、散菌黃色素、龍眼果皮黃色系、紅酵母發(fā)酵產(chǎn)的胡蘿卜素等。

 

多酚類色素

多酚類色素主要有花青素類、類黃酮和兒茶素，此類色素分子中含有苯并呲喃結(jié)構(gòu)，是水溶性色素。花青素分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)酚釋基 主要以花色昔形式廣泛存在于各類植物中。黃酮類的結(jié)構(gòu)是苯并呲嘴酮，主要有黃酮、黃酮醇、黃烷酮、異黃酮等。這類色素主要生理作用有抗氧化、清除自由基、延緩哀老等。王琴等研究了溶劑浸 提法、微波萃取法和超聲波萃取法對(duì)紫甘薯花色背色素提取效果的影響，結(jié)論說(shuō)明超聲波提取法產(chǎn)率較高，但色素純度較低，可結(jié)合微波使用效果更好。苗穎等以乙醇為提取劑，料液比 1:6，在 60下 超聲波處理 20min 皮色素提取效好等在單因素上研究了超聲波提 取迎春花黃色素的最佳工藝條件表明超聲波提取具有無(wú)毒、高效、 快速等特點(diǎn)，色素清除自由基的效果隨時(shí)間而減小，隨色素濃度增加而增大。常麗新等通過(guò)單因子及正交試驗(yàn)表明了超聲波對(duì)月季花 紅色索的提取效果好，色素提取率可達(dá) 55.63% 超聲波提取具有快速高效、提取率高等優(yōu)點(diǎn)。王和才等用超聲波提取紫紅色素，最佳工藝為：超聲波功率 250w 料液比 3g:300mL 提取溫度 70C 基取 時(shí)間35 min，可較大幅度提高色素的提取效率。 超聲波還可用于提取藍(lán)靛果色系、板栗殼色素、覺(jué)菜色素、紫甘藍(lán)色素、白刺果籽中原花青素、樂(lè)山古荔枝果皮色素、爬山虎葉紅色 素、串紅紅色素、香樟籽色素、地黃色素、仙草色素、茄子皮紅色 素、大花類紅色素、養(yǎng)麥殼色素、烏飯樹葉色素、虎皮蘭色素、火棘果紅色素 、短梗五加果色素、黑果枸杞色素、越橘果花色昔、長(zhǎng)棗紅色素等。

 

醌酮類色素

醌類色素是一種主要存在于動(dòng)植物及微生物細(xì)胞液中的色素，分子結(jié)構(gòu)為配式結(jié)構(gòu)，如胭脂蟲色素、紫膠蟲色素等。酮類色素是一類有酮式結(jié)構(gòu)的化合物，常見的有姜黃素、紅曲色素等。 這類色素具有抗氧化、抗炎、抗癌、降血壓、防衰老等生理功能。 崔莉等研究了超聲波輔助對(duì)紅曲色素提取率的影響，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)得到最佳工藝條件，色素提取率達(dá) 92.84 %，比傳統(tǒng)浸提 法更利于色素溶出可節(jié)省時(shí)間提高效率。盧艷民等用超聲波提取胭脂蟲紅色素，色素得率可達(dá) 42.08 %，純度達(dá) 31.97% ，表明超聲場(chǎng)可提高提取率，縮短提取時(shí)間，節(jié)約成本。陳小全等用超聲場(chǎng)處理紅棗提取其色素，并研究了該色素的穩(wěn)定性，表明超聲波可極大地縮短提取時(shí)間，降低提取溫度，紅棗色素在堿性條件下相對(duì)穩(wěn)定， 但是抗氧化性較差。 超聲波還可提取姜黃色素、油菜花黃色素、茗荷紅色素、丹參酮紅 色素、紫草色素等。

 

吡咯類色素

該類色素結(jié)構(gòu)中有卟咻環(huán)，包含葉綠素、血紅索等，有降低膽固醇、 抗突變、抗炎抗氧化等生理功能。岳輝吉等用超聲波提取冬青葉片中的葉綠素，并和單純浸泡法做了比較，分析了葉綠素提取效率對(duì)時(shí)間的依賴性結(jié)果表明超聲波提取葉綠素可提高提取率，縮短提取時(shí)間。王立娟在超聲波功率400W處理3次每次20 in醇和兩酮混合 液為提取劑的條件下，提取紫丁香樹葉的葉綠素，提取率能達(dá)到 91.85% 左右，比傳統(tǒng)提取法高 17.13%說(shuō)明超聲波的作用效果明 顯。王長(zhǎng)瑞等將超聲波用于酶法血紅素的提取并研究各單因素對(duì)血紅素產(chǎn)率和水解度的影響，通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)得出最佳工藝條件： 料液比1:5超聲波功率185.34 W處理時(shí)間876 min 結(jié)果血紅素含量?jī)?yōu)化前后分別為0.4213g和07328提高了03115水解度提高了6%， 超聲波縮短了破碎細(xì)胞的時(shí)間并提高產(chǎn)物得率。

 

超聲波-微波協(xié)同提取色素

超聲波微波結(jié)合使用能同時(shí)發(fā)揮超聲波的空化作用和微波高能作用， 避免劇烈條件，提高色素得率及質(zhì)量，擴(kuò)大使用范圍。李宇亮等先用微波破碎桑葉細(xì)胞壁，再用超聲波提取其中的黃酮提取率達(dá)96.9% ， 純度達(dá)95.13%。與傳統(tǒng)的煎煮法相比，該方法提取物質(zhì)成本低、產(chǎn) 物產(chǎn)率高、純度高。徐競(jìng)通過(guò)單因素分析和正交試驗(yàn)研究了超聲波--微波協(xié)同提取柿子紅色素的最佳工藝條件，并對(duì)該色素的理化性質(zhì)做一定研究，表明該法能有效縮短處理時(shí)間，減少提取劑用量；柿子紅色素對(duì)光、熱、酸糖還原劑的耐性較好耐氧化性較差， 使用時(shí)應(yīng)避免其干擾，可用于糖果飲料及糕點(diǎn)等的著色。劉澤龍等以乙酸乙為取劑提取番茄中的番茄紅素，并利用響應(yīng)面分析優(yōu)化工藝條件，色素實(shí)際提取率可達(dá)到97.4%， 表明超聲波微波協(xié)同取是一種能夠 快速有效提取番茄紅素的方法。

 

超聲萃取具有巨大前景

隨著人們對(duì)合成色素的危害性和天然色素的安全性更加了解，天然色素受到極大關(guān)注和信賴， 被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。 天然色素將逐步取代合成色素，具有廣闊的發(fā)展前景。 超聲波基取技術(shù)具有處理時(shí)間短、能耗低、提取效率高、環(huán)境污染小、 提取時(shí)無(wú)須加熱、能保持提取物生物活性等優(yōu)越性已應(yīng)用在生活的各個(gè)領(lǐng)域， 特別適合于天然活性物質(zhì)的提取。 在更加深人研究超聲波提取過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和了解超聲波處理對(duì)色素性質(zhì)影響的基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步改善提取工藝，降低設(shè)備成本， 或結(jié)合其他高新技術(shù)使用，必將有助于拓展超聲波在天然色素提取方面的應(yīng)用領(lǐng)域， 發(fā)揮巨大的工業(yè)化應(yīng)用潛力， 在科學(xué)研究以及社會(huì)生產(chǎn)等各方面發(fā)揮舉足輕重的作用。