花青素的酰基化改性研究进展

李春伟 孙理 欧阳瑞灿 李亦欣 陈宁昕

摘 要：花青素作为一种水溶性天然食用色素，具有随pH值变化而呈现出不同颜色的性能，在食品新鲜度智能指示包装领域具有广泛的应用。本文在分析花青素结构的基础上，阐述了花青素酰基化改性提升其颜色稳定性的内在机理，并从酰基化改性的供体、酰基化改性方法和改性花青素稳定性等方面进行了总结和归纳，最后展望了花青素改性的未来发展方向。

关键词：花青素; 酰基化; 有机酸; 新鲜度指示

中图分类号：TS262       文献标识码：A           文章编号：1006-3315（2021）10-146-002

花青素是自然界中常见的水溶性色素之一，广泛存在于植物的细胞液泡中，使植物呈现不同的颜色。常见的植物如黑枸杞、玫瑰茄、葡萄皮、蓝莓、玫瑰等都存在大量的花青素。花青素作为安全、无毒、来源丰富的可食用天然色素，已经广泛应用在食品的各个领域。同时，花青素也是当下热门的pH敏感型指示剂，可与（猪、牛、鱼、虾）等肉类产生的腐败气体发生反应，从而产生明显的颜色变化。其工作原理即食品在储藏过程中产生挥发性含氮化合物与指示剂发生反应，并产生相对应的颜色变化。然而花青素是不稳定的，由于其自身的羟基结构容易受到外界环境（pH值、光照、温度、氧气、金属离子）的影响，从而发生降解，导致其新鲜度指示存在误差。为了提升花青素的稳定性，研究人员采用了物理和化学方法对花青素进行处理，提升花色苷稳定性的效果十分有限。但利用化学方法对花青素进行酰基化改性可以更好地提升稳定性。所以对花青素进行酰基化改性，从而提高其颜色稳定性成为当前新鲜度指示包装领域重要的研究方向。

1.花青素的结构特征

花青素是一种酚类化合物，属于黄酮类物质，在自然界中广泛存在，尤其大多数植物中都含有花青素。花青素作为新鲜度指示剂的主要原因是基于不同pH条件下结构的改变，在水溶液中，花青素常以黄盐阳离子、醌型碱、醇型假碱、查尔酮形式存在。然而花青素由于自身结构，除了对pH敏感外，还容易受到外界环境的影响，例如光照、温度、氧气、金属离子等，这些都会造成花色苷的降解从而影响其颜色指示功能。已有的研究表明，温度会影响花青素的结构，花色苷在高温下会首先释放糖基，接着花色苷会进一步降解成酚酸和间苯三甲醛。正常状态下，25℃是花青素最为稳定的一个温度，当温度逐渐升高到60℃时，花青素在水溶液中就以查尔酮的结构存在，颜色会变为无色。另外，光照对花青素的影响主要有两个方面，在植物体内时光照会促进细胞中花青素的合成，另一方面当花青素从植物中提取后，光照会加速花青素的降解。研究表明，当花色苷经过长时间的光照时，花色苷的碳骨架从C2位上断开，形成水解开环的C4羟基中间产物，之后进一步降解生成查耳酮，从而导致花青素颜色的丧失。因此花青素通常要避光保存。花青素稳定性还会受到一些金属离子的影响如：Fe3+、Cu2+、Fe2+等，这些金属离子可以与黄盐阳离子发生络合反应，从而导致花青素发生褪色现象。此外，由于花色苷结构中含有多个羟基，很容易被氧气氧化逐渐降解为无色和棕色的物质。这些不足都会限制花青素在新鲜度指示包装领域的应用，但是已有的实验研究表明，酰基化改性可以提升花青素的稳定性。

2.酰基化改性的机理

花青素的酰基化可以提升自身的稳定性，其主要原因是花青素糖苷上部分或者全部-OH被有机酸酯化，降低了分子极性，同时也改变花色苷的空间结构。酰基的空间阻位效应保护了花色苷，并阻碍了无色假碱和查尔酮的形成。其中分子内共色作用和环境作用扮演着重要角色。

2.1分子内共色作用

花色苷酰基化后能够提升颜色稳定性，从立体化学机理上分析，酰基基团会引起花色苷分子內共色，一般分子内共色发生在特定的花色苷分子中，其中花色苷作为发色基团，酰基作为电子辅色基团。但是分子内共色也存在前提条件，就是被有机酸酰化的糖基团通常要与花色苷的C3或C5位点相连，当糖基连接到花色苷的C3位点时，此时的糖基团非常灵活，可以自由旋转。在酸性或中性溶液环境中，酰化花色苷酰基的芳香环由于疏水作用与花色苷吡喃环（C环）的堆叠提高了花色苷的稳定性。

2.2环境作用

酰基上游离羧基具有酸化能力，当与花色苷发生酰基化的有机酸为二羧酸时，例如草酸、丙二酸、琥珀酸、苹果酸等。一方面酰化了糖基上的-OH，另一方面，酰化后花色苷上的酰基仍具有游离的羧基。在水溶液环境中，游离的羧基-COOHs的质子解离产生H+，从而降低了溶液中的酸碱度。Figueiredo[1]等研究花色苷3-6-丙二酰基葡萄糖发现，C3链上游离的丙二酰基基团增强了颜色稳定性，主要是由于丙二酰基团的去质子化增加了培养基的酸度。而且，随着酸碱度的降低促进了花色苷中黄盐阳离子的生成，进而增强了花青素颜色的稳定性。

3.酰基化改性的供体

酰基化改性花青素的有机酸种类有两种，分别为脂肪酸和芳香酸，其两者的区别是，脂肪酸分子结构中没有芳香环，而是含有直链或支链的碳链或非芳香环。芳香酸是分子结构中羧基与芳香环直接相连或与芳香环侧链连接的一类有机化合物。

3.1脂肪酸

脂肪酸包括丙二酸、乙酸、琥珀酸、苹果酸、草酸等。脂肪酸酰基对花青素稳定性的影响，其主要原因是有效降低花青素在水溶液中的溶解度，而且酰基产生的空间位阻效应也减少了花色苷受到的离子攻击。因此，脂肪酸主要保护和稳定花青素分子。李颖畅[2]等利用乙酸对蓝莓花青素进行酰基化改性，结果发现在80℃加热18h，酰化花色苷保留率为82.92%，而未酰化花色苷的保留率为68.86%。说明花色苷酰基化修饰后的蓝莓花色苷的热稳定性显著提高。王宇滨[3]等利用单宁酸、琥珀酸、草酸、苹果酸、柠檬酸对紫玉米花青素进行辅色作用，结果发现单宁酸、草酸和柠檬酸的辅色作用增强了花青素的热稳定性。古明辉等[4]研究了苹果酸酰化对黑枸杞花青素稳定性的影响，并建立和验证酰基化花青素热降解动力学模型，在80℃条件下应用热降解模型预测未酰化和酰化黑果枸杞花青素的半衰期，其结果分别为15.09和18.32h，说明酰化延长了花青素的半衰期。邓洁红[5]等对刺葡萄皮花色苷进行有机酸酰化就选用草酸、柠檬酸、乳酸、没食子酸等，结果显示相同浓度下，几种有机酸的增色效果为草酸>柠檬酸>乳酸>没食子酸，所以适量添加有机酸可以提高产品的颜色稳定性。

3.2芳香酸

芳香酸常见的两大类分别是羟基肉桂酸（如香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、芥子酸）和羟基苯甲酸（如对羟基苯甲酸和没食子酸）。芳香酸比脂肪酸酰基化后花色苷的稳定性更强，因为芳香酸可以促进花色苷分子内共色复合物的形成。一般来说，在天竺葵-3-葡糖苷、矢车菊素-3-葡糖苷和锦葵色素-3-葡糖苷酰化反应中，阿魏酸和咖啡酸作为酰基化供体增强稳定性的效果是最好的，绿原酸和迷迭香酸次之，最差的是没食子酸。张智[6]等研究不同类型的酸如（邻苯二甲酸、对羟基苯甲酸、三氯乙酸、水杨酸、冰乙酸、丁二酸、丁二酸酐）对蓝靛果花色苷进行酰化改性，通过实验对比表明邻苯二甲酸和对羟基苯甲酸的添加使得蓝靛果花色苷的最大吸收峰红移，吸光值增大。李路宁[7]等以三乙酰没食子酰氯对蓝莓花青素进行酰基化改性，通过高效液相色谱法测定了酰化花青素水解液中的没食子酸含量，由结果计算得大约1分子的花青素和2分子没食子酸进行了结合。

4.酰基化改性的方法

4.1化学酰化

化学酰化改性就是选择合适的有机酸酰基供体与催化剂，对花青素进行酰基化改性。赵立仪[8]利用月桂酸酰基对矢车菊素-3-O-葡萄糖苷酰基化改性，通过比较化学法和酶法后，选择化学法对其进行改性，研究发现酰化后矢车菊素-3-O-葡萄糖苷在温度、光照、氧化还原等方面的稳定性明显增加。孙华铃[9]以丁二酸酐为酰基供体对黑米花青素进行酰化修饰，当pH 6时黑米色素溶液变浅红，但是酰化后的产物依然呈现红色，说明酰化后的稳定性要比未改性的花青素好。然而，化学酰化也存在某些缺点，例如反应区域选择性差，酰基供体与花色苷发生酯化反应时，-OH可以是在花色苷上，也可以是在糖苷上。同时实验中会引入许多溶剂，分离纯化困难，也容易生成大量的副产物。

4.2酶法酰化

因为酶法催化底物有良好的专一性和选择性，解决了化学酰化中反映区域选择性差和副产物多等缺点，而且酶法酰化反应条件温和，催化作用高效，所以酶法酰化发展十分迅速。脂肪酶 Novozym435作为当下酶法酰化常用的催化剂，具有pH使用范围广和热稳定性高等特点，在不对称催化反应中具有较高的立体选择性。

5.酰化后花青素的稳定性

当花青素作为新鲜度指示剂应用到包装领域时，其颜色的变化除了受到pH的影响外，还会受到外界环境（温度、光照、氧化还原）等其它因素的干扰。而酰基化改性可以从本质上提升花青素对温度、光照、氧化还原的抗性。Peng Fei等[10]采用马来酸酐固相枝接法对蓝莓花青素进行酰化改性，改性后的花青素红外光谱图上出现了新的吸收峰，表明马来酸酐成功嫁接到蓝莓花青素上。通过比较不同酸碱度下天然和酰化花色苷溶液的颜色表明酰化程度对花色苷酸碱度响应特性影响不大。并且在NH3气体响应测试中，UV可见光谱图表明酰化后的花色苷响应滞后，表明马来酸酰化后的花色苷在颜色指示包装中可以有更长的寿命和更准确的新鲜度监测能力。已经有研究人员将酰化后的花青素应用到生鲜肉类的新鲜度指示中，卢立新[11，12]等利用乙酸对玫瑰茄花青素进行酰化改性并制备了新鲜度指示复合膜用于监测鲳鱼的新鲜度，结果表明改性玫瑰茄花青素在指示膜中仍保持着生理活性，并具有较高的光稳定和热稳定性。

6.结论与展望

花青素作为天然色素，来源广泛，安全无毒，可以对腐败气体作出响应，是理想的新鲜度指示剂，但其稳定性差限制了进一步的应用。目前酶法酰化技术已经有了很大的发展，酶法酰化花色苷的产率更高，并且具有选择性，修饰的位点也明确，通过酶法酰化可以较好的提升花青素的稳定性。但是，酶法酰化仍存在一些问题需要解决，包括酰基供体，催化剂和反应介质的选择，酰化后花青素应用在食品包装领域的安全性评价。如果能解决相关问题，未来酰化花青素在新鲜度指示包装领域可以得到更广泛的应用。

基金项目：东北林业大学大学生科研训练计划资助项目，项目名称：酰基化改性花青素新鲜度指示包装膜的制备

参考文献：

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[2]李颖畅，李冰心，吕春茂，等.酰基化蓝莓花色苷的稳定性和对氧自由基清除能力[J]食品工业科技，2012，33（06）：212-4+57

[3]王宇滨，张超，马越，等.几种有机酸对紫玉米花青素热稳定性的影响[J]食品科学，2010，31（07）：164-167

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[5]邓洁红，谭兴和，王锋，等.金属离子及辅色剂对刺葡萄皮色素稳定性的影响[J]食品研究与开发，2009，30（11）：48-53

[6]张智，宋静，王振宇，等.辅色素对蓝靛果花色苷稳定性的影响 [J]食品工业科技，2011，32（04）：320-323

[7]李路宁，陈威，赵立仪，等.蓝莓花青素的酰化及其抗氧化性评价[J]食品工业科技，2014，35（06）：102-106

[8]赵立仪.矢车菊素_3_O_葡萄糖苷的月桂酸酰化_结构分析及性质评价[D]北京林业大学，2015

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[10] FEI P， ZENG F， ZHENG S， et al. Acylation of blueberry anthocyanins with maleic acid： Improvement of the stability and its application potential in intelligent color indicator packing materials [J] Dyes and Pigments， 2021， 184

[11]贾代濤，卢立新，潘嘹，等.改性花青素涂覆聚丙烯新鲜度指示膜的制备与研究[J]功能材料，2019，50（06）：6211-6215

[12]卢立新，贾代涛，潘嘹.基于改性玫瑰茄花青素的新鲜度指示膜研制及其在鲳鱼包装中的应用[J]包装工程，2020，41（03）：1-6