花色苷的特性及其在可食膜中的应用

岳华岭，廖红梅

（江南大学食品学院，江苏无锡 214122）

食品包装是加工过程中非常重要的一环，将加工好的产品进行适度包装可使其免受外界的污染和破坏，更好地保持优良的品质。目前常用的食品包装材料有塑料、纸、金属、玻璃、复合材料、陶瓷、麻袋和布袋等。其中，塑料包材超过50%[1]。随着时代的不断发展，消费者越发需要更安全、更健康的食品以及更环保、更安全、更便利的包装。由于塑料难降解且部分降解后的微粒带进生态链中会对环境造成极大威胁；其制造过程中使用的添加剂可能会渗透到被包装的食品中，影响食用者健康。因此近年来社会各界越发关注可降解食品包材的研制和应用。多糖、蛋白质和脂质是生物可降解的可食膜最常用的成膜基质。这些材料无毒无害，在制膜过程中加入具备抗氧化、抑菌、阻挡光线等功能的活性成分，可赋予可食膜包装之外的功能，如指示食品质量和安全（智能指示薄膜）和保持食品品质（生物活性薄膜）等[2]。智能指示膜可通过外观变化（如颜色、响应温度、pH、氧气、二氧化碳等）来实时监测食品存放过程中的品质状态；生物活性薄膜通过阻隔外界环境，吸收包装内的不利气体成分，释放有益活性成分来保持食品品质[2－3]。

花色苷（anthocyanin）是一类水溶性的天然色素，有良好的抗氧化性和抑菌性，其颜色随pH 变化而改变。将其加入到可食膜中，不仅可以赋予膜保鲜作用，还可指示高蛋白食品的新鲜程度，同时赋予其活性包装和智能包装的功能。花色苷的自由基清除能力能够延缓产品的腐败；并且当高蛋白食品腐败变质时，密封环境中的pH值会变化，膜中的花色苷颜色也会随之改变，这能够给消费者最直观的感受和判断[3]。例如，将茄子花青素提取物添加到壳聚糖膜中，可增加膜的紫外-可见光阻隔性能、机械性能、抗氧化和pH 敏感性能，并可应用于牛奶品质的检测[4]。刘晶[3]对14 种植物来源的花色苷进行研究，发现来自黑枸杞、紫甘蓝和紫薯的花色苷对pH 更为敏感，以此制成的淀粉-聚乙烯醇-花色苷膜能够指示猪肉和虾的新鲜程度。

本文主要概述了花色苷的基本结构、理化性质以及花色苷在可食膜中的应用进展，为开发更环保、更高效的智能指示膜或可食膜提供参考。

1 花色苷的种类、来源与基本结构

花色苷是一种类黄酮化合物，是由花青素（anthocyanidin）与糖（包括葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等）通过糖苷键连接而成[5]。自然界中的花青素多以花色苷的形式存在，无糖苷的游离花青素几乎不存在[6]。花色苷的来源广泛，据统计，包括27 个科、73 个属在内的数万种植物都含有花色苷，如蓝莓、葡萄、草莓和树莓等水果，玫瑰、郁金香等大部分花卉，以及黑米、紫薯和紫玉米等粗粮，其主要存在于维管束植物的花、果实、茎、叶等器官的细胞液中[7]。花色苷的基本结构是C6C3C6碳骨架，如图1 所示[8]。不同花色苷结构的主要区别在于羟基化和甲氧基化的程度和位置不同，详见表1[5,7]。此外，花色苷还常与酚酸/脂肪酸（阿魏酸、香豆酸、没食子酸、乙酸、苹果酸、琥珀酸等）结合，进行不同程度的酰基化[8]。分子形式的变化使花色苷的结构多样，目前已鉴定出超过630 种花色苷。最常见的6 种植物来源的花色苷是矢车菊素、天竺葵素、飞燕草素、牡丹素、矮牵牛素和锦葵素[9]（见表1）。

图1 花色苷的基本结构Fig.1 The basic structure of anthocyanins

表1 常见花色苷的种类及颜色Table 1 Common species and color of anthocyanin

2 花色苷的稳定性

花色苷结构中存在多个羟基，使其具有良好的水溶性，也是其能在以多糖和蛋白质为基质的可食膜中应用的物性基础。花色苷的结构不稳定，易受温度、pH、光照、氧气、酶和金属离子等因素的影响而降解[10]。

2.1 影响花色苷稳定性的因素

2.1.1 pH 值

花色苷的结构受所处环境pH 的影响较大，原因是不同浓度的H+会使花色苷的结构发生不同的可逆变化，从而使花色苷的颜色发生变化[11]。pH 值为1.0～3.0 时，花色苷通常以黄酮阳离子的形式存在，呈现红色；pH 值为4.0～5.0 时，花色苷水解形成无色的半缩醛形式；当pH 值进一步升高，花色苷脱水、去质子化，变为蓝色或紫色；当pH 值升高到10 以上时，转变为查尔酮，呈淡黄色[12]。Escher 等[13]研究发现蝶豆花花色苷在pH 8.2～10.2 时，由蓝色转变为绿色，原因是平衡状态下中性醌碱和阴离子醌碱同时存在所形成的。

2.1.2 光照

光照可引起花色苷自身或者与其他化合物发生缩合反应进而破坏其结构。不同结构的花色苷对光照的耐受性不同，糖基化和酰基化会增强耐光性，并且低pH 环境有利于提高花色苷的耐光性[14]。Escher 等[13]研究发现在pH 为5.4 时，在光照和避光条件下，蝶豆花中花色苷的保存率分别为48.3%和94.6%，并且加入低聚果糖后，花色苷的保存率分别上升至67.5%和97.6%，原因可能是花色苷与低聚果糖形成氢键，增强了花色苷在光照下的稳定性[15]。

2.1.3 温度

花色苷的稳定性随温度的升高而降低。原因是花色苷的降解是一种吸热反应，高温能为花色苷的降解提供能量，使花色苷向着生成查尔酮结构的方向转变[14]。研究表明，当温度高于80 ℃时，玫瑰花色苷开始大幅降解[14-15]。

2.1.4 氧气

花色苷结构上的不饱和性使其对氧比较敏感。郭丽等[16]研究发现隔氧条件下，蓝莓花色苷的提取率为有氧条件下的1.8 倍。此外，若同时存在多酚氧化酶和邻苯二酚，其氧化被加速。多酚氧化酶催化邻苯二酚氧化成邻醌，后者与花色苷反应形成棕色产物[17]。

2.1.5 金属离子

花色苷能螯合金属离子，从而使其颜色发生变化，这种变化与金属离子的种类和浓度及其结构有关。葛芹[14]的研究发现，0.01～0.1 mol/L 的Cu2+对花色苷的稳定性起到积极作用，其保留率随Cu2+浓度的增大而增大；但王贵一等[18]研究表明，0.02 mol/L 的Cu2+对花色苷的稳定不利。

2.1.6 其他因素

体系中的其他成分也会对花色苷的稳定性产生影响。如食品体系中的蛋白质和多糖等大分子能与花色苷通过形成氢键、静电相互作用、疏水相互作用等来提高其稳定性[19]。抗坏血酸不利于花色苷的稳定，原因是抗坏血酸氧化时产生的氧化氢可诱导花色苷降解[6]。过氧化氢会亲核攻击花色苷的C2位置，导致结构被破坏，产生无色的酯类以及香豆素衍生物，这些产物会进一步降解或聚合形成褐色产物[14]。

2.2 提高花色苷稳定性的方法

目前提高花色苷稳定性的方法主要如下：一是加入辅色物质，如芦丁[20]、槲皮素[21]等；二是与金属离子螯合，如Al3+、Mg2+、Ca2+等离子能够与矢车菊素、飞燕草素等形成复合物，提高花色苷的稳定性[10]；三是采用包埋技术，如微胶囊[22]、纳米载体[23]等；四是修饰花色苷结构，如糖基化[24]、酰基化[25-26]等。

3 花色苷的生物活性

3.1 抗氧化性

花色苷结构上的羟基和甲氧基是其抗氧化性的主要来源，通过氢原子转移和单电子转移提供抗氧化性[27]。氢原子转移机制是花色苷向自由基提供一个氢原子捕获自由基，将其转化为更稳定的产物；花色苷自身转化为自由基，但反应活性要远低于原自由基[27-28]。单电子转移机制是花色苷将一个电子转移给自由基使其变稳定，其自身转变为自由基阳离子中间体[27]。花色苷通过这两种机制起到清除自由基的作用，进而达到抗氧化的效果，因此自由基清除率是表征花色苷抗氧化能力的指标之一。吴映梅等[29]的研究表明，黑莓花色苷对DPPH 和羟基自由基均有良好的清除效果，在花色苷浓度为0.234 mg/mL 时，对二者的清除率可分别达到94.78%和93.78%。李晓娇等[30]的研究表明，花色苷对DPPH、羟基自由基、ABTS 和超氧阴离子均具有良好的清除作用；例如0.24 mg/mL 花色苷对四种自由基的清除率均达到90%以上。此外，其总抗氧化性高于维生素C[31]和没食子酸[14]。食品在加工、贮藏的过程中会接触氧气，容易被氧化变质，可利用花色苷来延缓产品氧化变质。

3.2 抑菌性

花色苷对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病菌具有抑菌作用，邓皓天等[32]研究表明黑果腺肋花楸花色苷对大肠杆菌和福氏志贺菌具有较好的抑制作用，最小抑制浓度（minimal inhibitory concentration，MIC）分别为625 mg/L 和1 250 mg/L。而李晓娇等[30]的研究则发现，胭脂果花色苷对金黄色葡萄球菌的抑制作用高于大肠杆菌，其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的MIC分别为17.546、8.773、17.546 mg/L。Pagliarulo 等[33]研究表明，石榴中花色苷粗提物对大肠杆菌的MIC为40000mg/L，并且较纯化后花色苷的抑菌效果更好，可能是纯化过程中除去了一些具有协同抑菌效应的物质。

Junqueira-Goncalves 等[34]研究发现100 μL 的莓香果花色苷提取物对鼠伤寒沙门氏菌的抑菌圈直径为22.5 mm，与四环素（23.7 mm）、阿米卡星（24.0 mm）、头孢曲松（23.3 mm）和环丙沙星（23.7 mm）等的抑菌效果相当（P＜0.05）。Sun 等[35]则发现蓝莓花色苷可抑制单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和副溶血性弧菌的生长，MIC分别为270、210、270、30 mg/L。

花色苷的抑菌机制如下：一是破坏细菌细胞壁和细胞膜结构，对细胞内环境造成一定影响，使细胞代谢紊乱，影响细菌的TCA 循环和生物合成[35-36]；二是与细胞内DNA 结合，抑制了DNA 的复制、转录和表达，导致细胞死亡[36]；三是与细胞膜中的蛋白质形成氢键或疏水相互作用，使维持蛋白质稳定性的离子被分离出来，花色苷在膜界面自由地接受或提供电子，进而起到抑菌作用等[37]。

综上所述，花色苷对致病菌的抑制作用与花色苷的种类、来源、浓度及致病菌的种类等因素有关。在食品中添加一定量的花色苷能够有效抑制致病菌的生长，并且由于热杀菌会对一些热敏性的食品产生不利的影响，添加花色苷不需要加热，可以作为非热杀菌的一种辅助手段。

4 含花色苷可食膜的制备、特性及应用

可食膜是一种以可食用的生物大分子聚合物为成膜基质制成的薄膜[38]。近年来，基于生物大分子聚合物和不同植物来源（如桑葚[39]和黑枸杞[40]）的花色苷制备可食膜受到越来越多的关注。常用的成膜基质有多糖和蛋白质，或以二者结合作为复合成膜基质以改善膜的性能，如琼脂和马铃薯淀粉[41]、结冷胶和大豆分离蛋白[12]。

4.1 可食膜的制备方法

常用的制膜方法包括流延法和挤压法。流延法是指将聚合物溶解在合适的溶剂中，冷却至室温后即制成成膜溶液。此外，成膜溶液中还常加入增塑剂（甘油、山梨醇和聚乙二醇等），其作用是改善薄膜的机械和水蒸气/气体阻隔性能。然后将成膜溶液倒在平坦的表面上，在20～60 ℃下让溶剂蒸发。挤压法是将生物聚合物放入挤压机中，混合物由于挤出机中的高剪切力和高温而熔化，冷却后成膜[5]。上述两种制备方法各有利弊。挤压法有利于大规模生产[42]，但成膜过程中产生的高温会对花色苷的颜色和抗氧化性产生不利的影响，因此通常采用流延法来制备含花色苷的薄膜，即将一定量花色苷提取物（通常为0.03wt%～200wt%）加入成膜液中，再按照前述步骤制备薄膜。制好后通常在4～30 ℃下避光密封储存，以防止花色苷降解[5]。此外，近年来静电纺丝等电化学技术逐步应用于可食膜的生产中[43]。静电纺丝法成膜是将成膜溶液放入注射器中，通过施加高压电场将聚合物溶液静电雾化，并通过喷嘴在铝箔上生产出超细的纤维，将铝箔放入干燥器中避光干燥一段时间后除去铝箔即制得纳米纤维膜[44-45]。静电纺丝技术具有活性成分封装率高、可有效调控纤维细度、表面形态、取向结构和截面形状等优点，在制备高灵敏度指示膜上具有广阔的应用前景[46]。

4.2 可食膜的特性

可食膜的结构和性能与成膜基质有关。单一组分薄膜的机械性能和热稳定性较差，因此目前的研究中多以两种不同的复合材料来制膜[47]，如海藻酸钠和几丁质纳米晶体，前者为阴离子多糖，而后者由于氨基的质子化而带正电荷[48]。由于正负电荷相互吸引及形成氢键，二者能够形成聚电解质来增强复合材料的耐水性和力学性能。此外，薄膜的物理特性（如颜色、水分含量、水溶性、阻隔能力和机械特性等）和功能特性受到花色苷的影响，与花色苷的来源、组成和含量、生物聚合物的类型以及薄膜的制备和储存条件密切相关[5]。研究表明花色苷的加入能够使膜的微观结构更加均匀致密，并增强膜的机械性能和阻光性，降低膜的水蒸气透过率，改善膜的性能；原因是花色苷具有多个羟基，能够与多糖及蛋白质发生相互作用，包括氢键和静电相互作用等，并且富含花色苷的薄膜具有良好的抗氧化性、抑菌性和pH 敏感度[49-52]。薄膜的抗氧化性和抑菌性与薄膜内花色苷的含量呈正相关，而中等含量花色苷的薄膜更有利于通过颜色变化来检测新鲜度[53]。可食膜的优势在于无毒无害、可生物降解，加入花色苷后形成具有指示、抗菌、抗氧化等功能的环境友好型可食膜，具有更好的应用前景。

4.3 可食膜的应用

鉴于含花青素的薄膜有上述性质，目前其已被用于延长食品的保质期及监测食品的新鲜度上，详见表2。

表2 含花色苷的薄膜的配方、功能特性和应用Table 2 Formulations,functional properties and applications of anthocyanin-containing films

目前含花色苷的智能指示膜主要应用于监测肉类、奶制品和海产品等富含蛋白质的动物性食品的新鲜度，其原理是蛋白质在微生物或酶的作用下分解产生氨及胺类等碱性含氮物质（其总量一般以挥发性盐基氮计），这些含氮物质扩散到薄膜中会水解产生氢氧根，使pH增大，从而改变薄膜的颜色[65]。由于不同类食品中蛋白质含量、微生物的初始数量以及贮运环境差异较大，故需要针对性设计智能指示膜以满足不同的需求。未来可通过进一步研究建立指示标准、明确其应用范围，或基于大数据开发智能识别系统，让食品质量监督管理部门及消费者能快速、准确的检测食品新鲜度。

5 结论和展望

将花色苷提取物加入可食膜中是食品包装的一个新兴方向。花色苷的加入不仅能够改善膜的理化性质，还能赋予可食膜抗氧化、抑菌以及指示新鲜度的功能。可食膜未来的发展方向如下：一是开发复合成膜材料。基于单一成膜基质的薄膜性能还不够完善，运用复合成膜基质进一步增强膜的性能；二是向膜中加入包埋后的花色苷。与游离的花色苷比较，经纳米材料等包埋后的花色苷稳定性更好，膜中各组分的相互作用也可进一步加强；三是将薄膜与气调包装相结合，获得多功能的包装效果；四是可食膜加工装备的开发及应用。