胭脂虫红色素加工技术与应用研究进展

2010-09-27 03:49张弘，郑华，郭元亨，马李一，甘瑾，张忠和

大连工业大学学报 2010年6期

张弘，郑华，郭元亨，马李一，甘瑾，张忠和

( 中国林业科学研究院资源昆虫研究所，国家林业局资源昆虫培育与利用重点实验室，云南昆明 650224 )

0 引言

胭脂虫(Cochineal)是一类寄生在仙人掌类植物的资源昆虫，属同翅目(Homoptera)，粉蚧总科(Pseudococcoidea)，洋红蚧科(Dactylopiidae)，洋红蚧属(Dactylopius)[1]；洋红蚧属共有9个种，国外饲养用于生产胭脂虫红色素的胭脂虫虫种主要为DactylopiuscoccusCosta[2-4]。胭脂虫原产于拉丁美洲，我国本无胭脂虫的天然分布，本世纪初先后由中国林业科学研究院资源昆虫研究所引入我国，并在我国西南地区成功繁育[5-12]。胭脂虫雌性成虫体内能产生一种蒽醌类色素——胭脂红酸，是常用的优质天然染色剂-胭脂虫红色素的主要组成成分，胭脂红酸的含量约占胭脂虫干虫体重的14%～26%[13-16]。

最早认知和应用胭脂虫红色素是南美的印第安人，而为世人所知迄今已有600年了。由于胭脂虫红色素来自于有生命的昆虫体，其原有的化学结构未被改变，根据目前的研究尚未发现对人体有毒副作用，因此，FAO/WHO认为胭脂红酸在食品添加剂领域的合理应用具有良好的安全性，FDA允许胭脂红酸用于食品同时也可用于医药品和化妆品[17]。

1 胭脂红酸的理化特性

胭脂虫红色素的主要成分是胭脂红酸，化学名：7-C-D-吡喃型葡萄糖苷-3,5,6,8-四羟基-1-甲基-9,10-二氧-2-蒽醌甲酸[(7-C-D-glycopyranosyl)-3,5,6,8-tetrahydroxy-1-methyl-9,10-dioxo-2-anthracenecarboxylic acid]。系为由D型吡喃葡萄糖和胭脂酮酸(kermesic acid)组成的糖苷[18]，其苷元-胭脂酮酸因其蒽醌结构而为胭脂红酸的发色团。分子结构详见图1。

胭脂红酸属水溶性蒽醌类色素，深红色粉末，分子呈极性，由于分子内含有8个羟基和1个羧

图1 胭脂红酸的分子结构Fig.1 Molecular structure of carminic acid

基，而羟基和羧基都有很强的亲水性，因此胭脂红酸极易溶于水，也较易溶于甲醇、甲酸、二甲基亚砜等极性溶剂; 难溶于乙醚、氯仿、石油醚、甲苯、苯、油脂等非极性或弱极性溶剂中[19]；无明显的熔点和沸点，温度升高颜色加深；从水溶液中结晶的胭脂红酸在130 ℃时为亮红色晶体，250 ℃分解[20]。

胭脂红酸水溶液呈酸性，分子在水溶液中有解离平衡，详见图2；在超纯水系统中，用氢氧化钠滴定胭脂红酸，测得胭脂红酸的解离常数为pKa=5.55[21]。随着溶液pH值的增大，可见光吸收波长发生红移[22]，胭脂红酸水溶液颜色由橙色逐渐变为橙红色直至变为紫色。胭脂红酸水溶液的紫外最大吸收波长为280 nm[23-25]，可见吸收波长为494 nm[26-29]。

图2 胭脂红酸在水溶液中的解离式Fig.2 Dissociation reaction of carminic acid (CAH) to its anion (CA-)

胭脂红酸因含多个羟基而有Bornträger反应：胭脂虫红色素粉末加入硫酸水溶液和乙醚中振摇，静止后稀硫酸溶液层为红色，醚层为橙红色；取醚层加入碱溶液后，醚层由橙红色变为无色，碱性溶液层由无色变为紫红色[19]。

胭脂红酸对光稳定性较好，在室外阳光直射下，7 d 保存率仍在50% 以上；对温度也较为稳定，在4 ℃低温至100 ℃高温范围内稳定性较好，8 h保存率均超过95%。胭脂虫红色素有较强的抗氧化性，而还原剂可使胭脂虫红色素稳定性略有下降；常用食品添加剂对胭脂虫红色素有增色及护色作用；Fe3+、Fe2+、Ca2+和Sn2+离子可破坏色素水溶液稳定性，引起颜色变化、生成沉淀，造成红色素损失；而其他金属离子对稳定性影响不明显。pH值增大至碱性范围会使稳定性降低，而在酸性pH值下保存率较高[22]。

胭脂红酸分子中的蒽醌发色团上有4个羟基，其中两个羟基在一个六元环的对位上，而这对羟基又与一对羰基相邻，这种酮类的烯醇式结构容易因质子迁移产生烯醇式互变，形成另外3种结构，详见图3[19]。

2 胭脂虫红色素提取精制

目前世界上进行胭脂虫色素生产及技术研究的主要国家有西班牙、秘鲁、日本、韩国、德国、丹麦等，其中既有原料生产国，也有更多的是原料进口国。

位于西班牙Navarra的CHR Hansen工厂是世界最大的天然胭脂虫色淀供应商之一，日处理胭脂虫体800～1 000 kg，可得到胭脂虫红酸135～165 kg，然后将胭脂虫红酸作为生产不同商品化胭脂虫色淀的前体。在这种对胭脂虫进行规模化提取以获得色淀产品的过程中，大量加入氨水(作为浸提剂)、磷酸(作为酸化剂)，加工完毕后的废水日产量达35 m3，其中有高含量的磷酸盐和氨，化学耗氧量(COD)也很高，尽管巴塞罗那大学的研究者为此开发了相对经济的低纯度氧化镁(LG-MgO)处理法用于去除废液中的氨和磷酸盐，但仍需要较高成本的环保投入以控制污染。

在秘鲁，对胭脂虫进行加工的工厂主要集中于首都利马。利马共有6个加工厂，以Montana S.A.为最大，该工厂每年可加工生产15 t左右的胭脂虫红色素，3.5 kg的干虫可生产1 kg 52%的胭脂红色素，这些色素依含量不同共分为25个品种，产品大部分销往欧洲、美国及拉美国家。一些大企业采用正己烷-甲醇水溶液法进行萃取，需要密闭性非常好的加工设备体系，以及完备的环保处理措施。

图3 胭脂红酸分子的烯醇式互变Fig.3 Molecular structures of the normal form (CAH) and three tautomers of carminic acid(CAH T1，CAH T2，CAH T3)

日本的三荣源食品有限公司采用的胭脂虫红色素提取方法是将胭脂虫干粉浸泡在pH7.5的低碳醇溶剂中搅拌加热或渗滤抽提[30]。

国内对胭脂虫红色素提取工艺优化的研究只是近些年的事情，对提取方法和提取工艺的研究还只是在探索阶段[31-32]，主要是采用传统的有机溶剂浸提法。广东药学院的李浩明以市售干胭脂虫通过单因素试验和正交试验对胭脂虫红酸的提取工艺条件进行试验与优化，确定在75 ℃、以料液比1∶5(g/mL)的65%乙醇提取3次(每次1.5 h)的条件下，胭脂虫红酸的浸提率可达91.20%[33]。张建云等人研究了从胭脂虫中提取胭脂红酸的工艺，探讨了浸提液pH值、乙醇浓度、浸提次数、浸提温度、浸提时间、原料颗粒度、料液比等对胭脂红酸得率的影响，采用均匀设计法对胭脂红酸的提取工艺进行优化，确定了适宜的提取工艺条件为：浸提液乙醇质量分数20%、浸提温度80 ℃、浸提时间12 h、破碎粒度0.4 mm、料液比1∶5(g/mL)，浸提率为95.71%，提取率为35.80%[34]。而西北大学化工学院的崔易等人，采用响应曲面法就胭脂虫红色素的提取工艺进行了优化研究，得出胭脂虫红色素最佳工艺参数：温度40℃，乙醇体积分数60%，提取3次，每次提取时间0.54 h，每次提取液，液料比为2∶1(mL/g)。在该条件下提取率30.62%，浸提率可达99.80%[35]。

苏州大学的孙峰等人采用碱提酸沉法，把胭脂虫粉末5 g置于50 mL水中，加入浓度为2.5 mol/L NaOH溶液1～3 mL，75 ℃提取10～20 min，在吸收波长540 nm处其光密度最大[36]。

为了减少溶剂的使用和化学物质的添加，中国林业科学研究院资源昆虫研究所采用了常规水浸提法提取胭脂虫红色素，通过单因素试验确定浸提温度、时间和料液比的适用范围，再利用正交试验法进行工艺优化，得出水浸提提取胭脂虫红色素的最佳工艺条件。结果表明，水浸提法提取胭脂虫红色素的最佳提取工艺条件为提取温度为80 ℃，提取时间为5 h，料液比为1∶4(g/mL)；合适的提取级数为6级，红色素提取率为41.89%，其纯度达32.15%[37]。在此基础上，卢艳民等人使用微波辅助法提取胭脂虫红色素，取得了较好的效果，研究表明，微波功率为560 W、作用时间为40 s、料液比为1∶4(g/mL)、提取10次，红色素提取率可达42.11%；这种方法不但安全无污染，而且大大缩短了胭脂虫红色素的提取时间，是一种良好的胭脂虫红色素辅助提取方法[38]。同时卢艳民等人还研究了超声波强化提取胭脂虫红色素，通过单因素试验研究超声波的功率，超声波处理时间和脉冲时间，以及料液比，然后通过正交试验确定了最佳工艺参数：超声波功率为1 400 W，超声波处理时间为12 min，脉冲时间为(10 s，4 s)，料液比为1∶6(g/mL)，提取5次，红色素得率可达42.08%[39]。以上3种方法胭脂虫红色素的提取率均在42%左右，纯度在32%左右，综合对比提取时间、提取级数和能耗，超声波强化提取胭脂虫红色素方法有着更好的产业化前景[19]。

在胭脂红虫红色素精制方法的研究方面，国外主要是日本的三荣源有限公司的专利“提纯的胭脂虫红色料和生产它的方法”，使用的方法有：吸附处理、离子交换处理、酸处理、膜处理等，也包括对蛋白质的水解和去除其中相对分子质量大于6 000的成分[30]。

国内就如何精制胭脂虫红色素及提高其稳定性，目前也有初步探索，中国林业科学研究院资源昆虫研究所的卢艳民等人，研究了胭脂虫红色素的超滤膜精制加工的工艺，通过比较不同载留率的超率膜过滤色素液时蛋白除去率和色素的损失率，结果表明，将胭脂虫红色素的提取液pH调至4，静置了24 h后滤去沉淀，用5 ku的螺旋卷式再生纤维素超滤膜过滤精制，可除去大部分虫体蛋白，提高胭脂虫红色素的纯度，色素质量分数可达54%[40]。

卢艳民等人还研究了使用硅胶-凝胶层析法精制胭脂虫红色素，该研究通过薄层层析试验确定洗脱剂为氯仿、甲醇和水，采用梯度洗脱，洗脱剂配比依次为氯仿：甲醇(4∶1→3∶2→2∶3→1∶4)→甲醇→甲醇∶水(9∶1→4∶1→7∶3→3∶2→1∶1)。研究发现：通过硅胶柱层析可以有效地去除色素中极性小的脂质类物质及极性很大的部分杂质。硅胶柱层析的优化层析条件为：硅胶含水量为10%～14%，洗脱剂体积流量为5 mL/min，负载量为9 g/kg硅胶。经过硅胶层析精制后胭脂虫红色素的纯度为54.37%，得率为75.61%。经过硅胶纯化后的色素进一步进行凝胶过滤层析可以得到纯度为85.76%的产品，其得率为69.53%[41]。

意大利米兰大学医药学院Pietro Allevi等人，通过一系列加成和取代，化学方法合成了胭脂红酸[42]。

3 胭脂红酸应用方面的研究

Russo和Mazzeo对胭脂虫红色素作为染色剂在食品、化妆品、制药业中的应用有详细的介绍[43]，也有胭脂虫红色素的光致突变性和光毒性的研究报道[44]。作为食用红色素，中国有使用限量规定，在GB 2760—2007中标明可用于食品着色，如乳制品、果酱、蜜饯、可可制品、焙烤和膨化食品、饮料和配制酒、可食用动物肠衣等，最大使用量为0.025～0.5 g/kg；而在2005年联合国粮农组织和世界卫生组织罗马第二十八次会议及食品添加剂和污染物法规委员会海牙第三十七次会议通过的食品法典则规定：胭脂虫红酸可用于蔬菜、调料、面食和鱼类制品、饮料和酒、口香糖等着色，最高使用限量为100～1 020 mg/kg。

兰州大学王国华等人研究了使用胭脂红酸荧光光度法测定微量铝的方法，研究表明：在增敏剂正丙醇存在的条件下，pH为5左右，显色时间为5 min左右，胭脂红酸可作为显色剂快速、准确、灵敏的对微量铝定量分析[45]。潘虹研究用胭脂红酸分光光度法测定废水中的硼，其检测限为0.063 6 mg/L，所需仪器试剂普遍易得，操作简便[46]。同样该种方法也被应用于测定废水中的铬、锰和镍等元素[47-49]。国外有人利用胭脂红酸作为显色剂，用分光光度法测定硼[50-53]、铍[54]、锇[55]、铀[56]、钍[56]。

云南大学的程伟贤等人以胭脂红酸为底物，加入抗氧化物质，通过测定胭脂红酸吸光度变化值来检测物质的抗氧化活性，并由此来计算和判断试样的抗氧化剂活性的大小，试验证明了量效关系的正确性[57]。青岛科技大学孙伟等人，利用胭脂红酸加入人血清白蛋白(HSA)后，两者之间发生结合反应形成复合物，其还原峰电位不变，而还原峰电流明显下降且峰电流的降低与蛋白质浓度在一定范围内成正比的原理，建立了测定血清白蛋白的电化学分析新方法，应用于人血清白蛋白的测定，其线性范围好。结果与传统的考马斯亮蓝光度法一致，方法简便、准确、灵敏，选择性和重复性好[58]。近来也有人用胭脂红酸作为红色玻璃的配溶胶[59]。

伊朗大不里士大学化学院分析化学系的Jamshid L. Manzoori等人，利用锇元素能够催化过氧化氢氧化胭脂红酸的原理，通过分光光度法测定胭脂红酸在碱性介质中被过氧化氢氧化而退色的程度，定量分析锇元素的含量，该研究比较了不同的碱性介质、不同的pH值、过氧化氢和胭脂红酸的浓度、缓冲液浓度、温度和离子强度，并做校准曲线，最终确定了用胭脂红酸定量分析锇的最佳条件：胭脂红酸浓度为1×10-4mol/L ，过氧化氢为0.013 mol/L，pH=10，温度为25 ℃；最低检出限为0.02 ng/mL[55]。

波兰的Sylwia Gaweda等研究发现，由于特殊的分子结构，胭脂红酸分子可以和二氧化钛相互作用，形成一种新型的纳米感光材料，这种新型的纳米感光材料中，胭脂红酸分子的蒽醌环起了电子缓冲的作用，在必要的时刻提供或接受电子，从而使这种新型纳米材料能在可见光区300～650 nm完成光电流转换，而不像普通二氧化钛感光材料仅仅对紫外区的光波可以进行光电流转换。与普通的二氧化钛感光材料相比，胭脂红酸-二氧化钛纳米感光材料的能级差较小，光谱吸收范围广，因此，光电流转换效率更高，能够大大提高光能的利用率，是一种具有广阔利用前景的新型光电流转换材料[60]。

Evangelina A. Gonzálezt等人，研究了胭脂虫的提取物，主要是胭脂虫红色素的清除自由基能力和抗氧化活性，通过研究胭脂虫红色素对DPPH5和ABTS+5的清除能力，以及对β-胡萝卜素亚油酸氧化酶的抑制作用。结果表明：胭脂虫红色素在水和甲醇介质中，有相当强烈的清除自由基的能力，其活性和熟知的栎精及维生素C相当；另外，胭脂虫红色素还在β-胡萝卜素与亚油酸耦合氧化中，可以保护β-胡萝卜素，而在这个过程中，胭脂虫红色素的主要作用是抑制氧化酶。因此该研究认为胭脂虫红色素可以作为一种功能性染色剂，作为食品添加剂在一定浓度下可以保护食品的某些成分不被氧化[61]。

4 发展趋势

随着社会的发展和人们对食品健康的关注程度增加，人类社会对天然色素的需求量将会越来越大，胭脂虫红色素作为一种健康的天然色素，其需求量也将随之增加。据估计，市场需求量将会以每年3%～5%的速度增加，欧洲各国正对食品工业中的色素和其他添加剂制定规范条例，合成色素有可能在大范围内被禁止使用[62]，因此，胭脂虫红色素将有很广阔的发展前景。上世纪末代我国大量引种印榕仙人掌，随之引入了胭脂虫，虽然广大科技工作者付出了艰辛的努力，但我国胭脂虫红色素产业远未成熟，每年仍需大量进口胭脂虫红色素用于食品、医药品及化妆品的加工。我国有广大的亚热带半干旱地区，分布着大面积的干热河谷，如金沙江、红河、澜沧江等流域的许多地区，生态环境十分脆弱，不适于发展农业，但却适于胭脂虫的寄主-仙人掌生长[63]。在这些地方推广种植印榕仙人掌并饲养胭脂虫，不但可以绿化荒山，改善生态环境，而且能增加农民收入，还可解决农村大量闲散劳动力问题。

目前国内胭脂虫红色素开发和应用的研究，主要集中在胭脂虫的生物学特性、生态学特性、人工规模化繁养技术，胭脂虫红色素的提取以及胭脂虫红色素在检测指示剂方面的应用领域，而在胭脂虫红色素的精制纯化、拓展适用途径以及提高其商品价值等方面，研究较少。为了更加安全地使用胭脂虫红色素，需从胭脂虫雌成虫干体中分离提取高纯度的色素。胭脂虫红色素中的主要非色素组分为虫体蛋白，虫体蛋白不仅影响色素品质(如使色素产品产生沉淀、出现异味)，而且有可能影响人体健康，近年相继发现残留在色素产品中的虫体蛋白可能成为人体致敏原，使人体过敏，导致过敏性哮喘等疾病[64-67]。国内已经有人对使用酶水解分离胭脂虫红色素中的虫体蛋白做过探索[68]，使用微生物消耗虫体蛋白，然后用超滤法除去微生物，无疑将揭开生物方法除色素蛋白的新篇章。而光致敏材料的研发，无疑将极大地扩展胭脂虫红色素的应用领域。

技术的进步使得天然色素的广泛使用成为可能。第一个在商业上使用的天然色素只是简单的植物提取物，随着技术水平的提高，人们便可以生产出统一标准的具有更长货架期的高质量产品，预计在未来，天然色素的需求趋势将会进一步升高，越来越多的食品和轻工纺织企业将会使用天然色素来代替合成色素，从而促进更多的消费者追求天然和健康的生活方式。具有高质量和长货架期的天然色素的使用量将会进一步增加，从而全面取代合成色素。作为天然色素中的优良品种-胭脂虫红色素一定会得到发展，而我国的胭脂虫产业将在机遇期中成长、壮大。

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