甜菜根中生物活性物质及其在食品加工业中的应用

孙青华，鲁佩玉

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042)

甜菜根属藜科，发源于亚洲和欧洲，在全球，藜科共约130个属1500余种[1]。它是一种二年生的开花植物，颜色多为红色和黄色[2]。甜菜根一年四季都可以种植，并且耐高温，低温有利于促进甜菜根深红色色素的形成[3]。甜菜根的含糖量取决于氮元素的利用率，所以一般在甜菜生长的早期施氮，收获的产量取决于施肥、气候、病虫害和作物品种[4]。

甜菜根也是一种含有类胡萝卜素、硝酸盐、类黄酮、维生素、矿物质如钾、钠、磷、钙、镁、铜、铁、锌、锰和水溶性色素如甜菜红素(红紫色)和甜菜黄素(黄橙色)的根系蔬菜，因此甜菜根具有很高的营养价值[5]，其含有的多酚、类胡萝卜素和维生素具有抗氧化、抗炎、抗癌和护肝的作用，同时还具有抗糖尿病、降低心血管疾病、降压和促进伤口愈合的功效。因此，在不同的食品中添加甜菜根的活性成分对人体的健康十分有利，同时也为开发不同的功能性食品添加剂提供了可能。

1 甜菜根中的生物活性物质

甜菜根中含有高活性色素、甜菜苷色素、抗坏血酸、类胡萝卜素、多酚、类黄酮、皂苷和高含量的硝酸盐等营养元素[6]，这些营养元素对医疗保健以及功能性食品具有重要的意义。

1.1 酚类化合物

酚类化合物是一类植物次生代谢物，对植物类食品的品质具有重要意义。甜菜根含有大量的酚类化合物、黄酮类化合物、皂苷类等。有研究表明在甜菜中总酚含量为50～60 μmol/g[7]。Vasconcellos等比较了甜菜根汁、片、粉和熟甜菜根的总酚含量，发现根部一般含酚类化合物最少[8]。据报道，甜菜根汁(3.67 GAE mg/g)和煮熟的甜菜根(2.79 GAE mg/g)的总酚含量高于甜菜根片(0.75 GAE mg/g)和粉末(0.51 GAE mg/g)的总酚含量，这可能是因为在干燥过程中酚类化合物有所损失。

1.1.1 黄酮类化合物

黄酮类化合物具有良好的抗氧化活性和清除自由基的能力。脂质过氧化是一个复杂的过程，黄酮类化合物可通过直接和间接清除自由基2种机制来影响该过程。Vulic等报道了甜菜根中类黄酮的主要种类是甜菜二氢黄酮、嗜黄素A和双氢异鼠李糖胺[9]，它在植物的生长、发育、开花、结果以及抗菌防病等方面起着重要的作用。

1.1.2 皂苷

皂苷是植物对抗病原体和食草动物产生的生物活性化合物。随着研究人员的深入研究，皂苷的药用价值越来越明显，同时皂苷在食品添加剂、制药等方面也具有不可忽视的作用。早期研究鉴定了白藜芦醇中的11种三萜皂苷，所有皂苷均含有齐墩果酸衍生物。Mikolajczyk-Bator等在甜菜根中鉴定出26种三萜皂苷，其中7种三萜皂苷被鉴定为新化合物[10]，这些研究发现为皂苷的研究人员提供了新的研究方向。

1.2 甜菜苷色素

甜菜苷色素是水溶性的含氮植物色素，以甜菜红素(红色颜料)和甜菜黄素(黄色颜料)2种化合物组成。甜菜根是甜菜苷色素最丰富的来源之一。甜菜根的品种和红色的深度取决于甜菜红素和甜菜黄素的比例[11]。甜菜黄素可进一步分为仙人掌黄质Ⅰ、Ⅱ两类[12]。甜菜苷色素可以作为天然食物色素来使用，既能代替传统的合成食用色素，降低合成色素对人体的毒性；同时也可作为抗氧化剂来使用，既降低了应用多种食品添加剂带来的高成本，也避免了使用多种食品添加剂对加工食品质量的不利影响。

1.3 类胡萝卜素

类胡萝卜素是一种植物化学物质，对不同颜色的水果和蔬菜具有重要的保护作用。甜菜根中的类胡萝卜素具有抗氧化、抗癌和增强免疫的作用。广泛分布在甜菜根中的类胡萝卜素是有效的抗氧化剂。据报道，它们具有诱变抑制活性，可以降低患癌症的风险。甜菜叶含有β-类胡萝卜素和叶黄素等含氧衍生物。Rebecca等报道了每100 g甜菜根含有1.9 mg的类胡萝卜素[13]。甜菜根中高含量的类胡萝卜素使其成为天然类胡萝卜素的又一重要来源，同时以甜菜根作为膳食补充剂添加到加工食品中也受到越来越多消费者的欢迎。

2 甜菜根在食品加工中的应用

2015年，全球功能食品饮料市场价值为1293.9亿美元，年复合增长率约为8.6%[14]。甜菜根在食品中的应用已经被许多研究者和食品行业所研究，甜菜根的颜色、味道以及其含有的丰富的营养物质使其成为一种受欢迎的食品。世界各地都在食用甜菜根，在东欧，甜菜根汤是一种很受欢迎的食物，而腌甜菜是南美的传统食物。目前，在我国，甜菜在生产泡菜、功能型饮料、食用色素等方面具有广阔的商业用途。

将甜菜根作为合成色素的替代品，可以成为食品行业很有力的营销手段，因为绿色消费理念使得越来越多的消费者倾向于使用更少的合成食品添加剂[15]。天然着色剂被认为是可以安全食用的，因此，天然着色剂比合成着色剂更有望作为食品添加剂来使用。合成色素对人体健康有着众多的负面影响，长时间食用会引起过敏反应，有的甚至可能致癌。同时天然色素的水溶性很好，有助于它们融入水溶性的食物系统中，如饮料、冰淇淋等。与此同时，天然的食用色素在改善视力方面也具有吸引力，特别是如今青少年近视率越来越高，使得天然食用色素在功能性食品等方面更加受欢迎。

甜菜根主要以两种形式存在于食品和饮料中，一种是磨碎的脱水甜菜根，另一种是甜菜汁。脱水甜菜根为粉末状，甜菜汁也可通过喷雾干燥成粉末状。新鲜的甜菜根、甜菜根粉或提取的色素都可以用来提亮西红柿糊、汤、酱汁、甜点、果酱、果冻、糖果冰淇淋和早餐麦片的色泽[16]。甜菜根汁被用来给各种食物上色，比如乳制品、酸奶、加工奶酪和糖果，是一种很受生产者和消费者喜爱的天然色素。由于甜菜根汁在热处理时会改变颜色，所以只在冰淇淋、糖果等低温或者常温处理的食物中使用。它也可以在蛋黄酱配方中使用，无论是液体还是冻干的甜菜根汁都可代替合成的食品添加剂[17]。甜菜根汁作为膳食补充剂增强了人们对高强度运动和体育活动的耐受性[18]。并且甜菜根色素没有致敏等其他副作用，同时价格低廉。因此，甜菜根常被用于制造不同的食品来满足消费者不同的膳食需求。

甜菜根同时也是制糖的主要原料，甜菜制糖过程中得到的主要产品是糖、糖蜜和甜菜渣[19]。其中副产品糖蜜可以用来生产酒精等酵母产品，甜菜渣可以用来做颗粒粕饲料。当甜菜根种植在畜牧业生产地区，植物的绿色叶子也可以用作饲料。

3 加工过程对生物活性物质的影响

甜菜根的加工方法对其含有的植物化学物质的抗氧化活性和生物利用度有显著的影响。甜菜根的真空-微波干燥、发酵和辐照等处理提高了它的抗氧化能力和色素的稳定性，而热风干燥降低了它的颜色保持度[20]。影响抗氧化剂或甜菜苷色素在加工和储存过程中稳定性的因素有pH值、温度、光照、水活度、氧、金属等。

3.1 pH值

pH值在3～7的范围内，甜菜苷色素具有最佳的稳定性，表明在不同的食物配方中甜菜根最适合添加到酸性食物中。pH值为5时，甜菜苷色素在提取物中较为稳定；但pH值为3以下时，甜菜苷色素的颜色会趋向于紫色；pH值为7以上时，甜菜苷色素的颜色会趋向于蓝色。与此同时，在荧光条件下，甜菜苷色素的降解速率是pH值为3时的3倍。结果表明，在有氧条件下，甜菜苷色素在pH值为5.5～5.8之间较为稳定；在厌氧条件下，甜菜苷色素在pH值为4～5时较为稳定[21]。

3.2 水活度

水活度通过控制醛亚胺键的水依赖性水解反应来影响甜菜苷色素的稳定性。在喷雾干燥和浓缩等不同处理过程中，水活度降低(低于0.63)，提高了甜菜苷色素的稳定性。当水活度从0.32提高到0.75时，甜菜苷色素的降解率会大幅度提升[22]。由此可知，水活度的波动对甜菜苷色素的稳定性影响较大，这为以甜菜根为原料的食品加工业提供了有利的理论依据。

3.3 温度

热加工通常用于生产不同的加工产品。温度影响着甜菜苷色素的稳定性，温度升高会导致甜菜苷色素的降解以及多酚氧化酶的失活。然而，热降解也受温度范围、加热程度、氧存在和颜料浓度的影响[23]。所以，在甜菜根的加工过程中，温度是影响食品质量的一个重要因素。

3.4 光照

在光照条件下，色素会被氧化和降解。在2200～4400 lux范围内的光强与甜菜苷色素的稳定性之间存在反向关系。在紫外光和可见光范围内，会使甜菜苷色素发色团的电子处于一种高能量的状态，引发分子更高的反应活性或更低的活化能。然而，光效应在厌氧条件下是可以忽略不计的[24]。在甜菜根储存和加工过程中需要注意光照的影响，避免光照加速甜菜苷色素的氧化降解。

3.5 金属

有研究发现一些加速甜菜苷色素降解的金属阳离子，如铁、铜、锡和铝等。早期研究表明，在金属络合剂的存在下，甜菜根汁对金属离子的敏感性较低。有报道称，螯合剂(柠檬酸和EDTA)能够使甜菜苷色素的稳定性增强，并且可以抵抗金属的催化降解[25]。该项研究结果为甜菜苷色素作为食品添加剂的使用提供了理论指导，避免了金属离子的存在导致产品变色的问题。

上述因素的影响为甜菜根在食品加工过程中的应用提供了充分的理论依据，避免了因操作不当、温度过高、pH值过低或者过高、水活度过高等因素降低甜菜根加工食品的品质，同时也可以通过分析这些原因提高食品的品质来满足消费者的不同需求。

4 结论

甜菜根因其良好的营养价值和药用价值受到越来越多的消费者的喜爱。近几年来，甜菜根在食品添加剂(食用色素、抗氧化剂、膳食纤维)、饲料等方面发展迅速，甜菜根中的很多成分已经被应用到食品加工行业来代替传统的合成色素、合成抗氧化剂等食品添加剂，可以看到甜菜根在食品添加剂、调味品等食品行业具有很大的应用前景。下一步我们需要深入研究和利用它的抗氧化活性以及在预防疾病、促进健康等方面的生理活性，以促进其在医药、保健、食品等方面的全面发展。