天然色素—胭脂虫红色素.doc

天然色素胭脂虫红色素药物生物技术PharmaceuticalBiotechnology2007,14(2):153156153天然色素一胭脂虫红色素王素芳,俞超,王忠华(浙江万里学院生物与环境学院,浙江宁波3151OO)摘要胭脂虫红色素在国外已广泛应用于食品,化妆品,药品及纺织品等领域,在我国有着很好的发展前景.文章综述了胭脂虫红色素的种类,制备及应用方面的研究,为胭脂虫红色素的进一步研究和利用提供了参考.关键词胭脂虫红色素;种类;制备;应用中图分类号:$816.35文献标识码:B文章编号:10058915(2007)02015304胭脂虫红色素是蒽醌类的天然红色素,广泛应用于食品,化妆品,药品及纺织品等领域,且被视为最安全的天然色素之一,用于眼部化妆品中.寄生在仙人掌类植物上的雌性胭脂虫(DactylopiusCOCCU$costa)是提取胭脂虫红色素的原料,原产于中南美洲,墨西哥等地.1997年,我国农业部成功引种了墨西哥的米邦塔仙人掌,并在北京,海南等地建立了较大规模的生产基地.胭脂虫的大规模养殖为有关胭脂虫红色素的研究提供了有利条件.文章对近1o年胭脂虫红色素的研究进展作一简要综述,为胭脂虫红色素的进一步利用提供参考.1商品胭脂虫红色素的种类胭脂虫红色素又名天然红4号(Naturalred4)和太阳红1号SunRed(No.1),是指一类利用胭脂虫生产的天然红色素,主要包括以下几种商品形式:1.1胭脂虫提取液(Cochinealextract,Carminicacidextract)又名胭脂红酸提取液,是用稀乙醇萃取胭脂虫或胭脂虫粉,然后除去乙醇得到的浓缩液,主要成分为胭脂红酸.胭脂虫提取液呈酸性(pH55.5),其颜色随pH升高由橙色变成红色,对热,光非常稳定.胭脂虫提取液的染色强度较低,应用范围较小,主要添加在酸奶,软饮料和酒精饮料中.1.2胭脂红酸(Carminicacid)编号:CAs.1260179;EINE(2150233;C.L75470;E12O.胭脂红酸是一种蒽醌衍生物,带有一个葡萄糖和一个羧酸基团,分子式为C2zHzo0.,相对分子质量为492.39.胭脂红酸易溶于水,稀酸,稀碱,乙醇,丙二醇,不溶于乙醚和食用油.颜色受pH的影响,低pH值下呈橙红色,随pH升高,颜色趋向红色,碱性时呈紫色.此外,遇铁离子变黑紫色(多聚磷酸盐可抑制变黑),遇蛋白质呈紫色.胭脂红酸耐热(熔点135),耐光,耐发酵,色泽较牢固,但易被9漂白.胭脂红酸是以粉末或11O的水溶液形式出售的,市场价格相对较高.高纯度的胭脂红酸主要用作实验室的pH指示剂,生物组织染色剂和荧光指示剂;低纯度的在饮料,果酱,医药,化妆品和织物染色中有一定应用.如日本使用的胭脂虫红色素主要是胭脂红酸.1.3胭脂红(Carmine,Cochineal,Alumlakeofcarminicacid)编号:CAs.1390654;EINE(2157244;C.1.75470;E120.用氢氧化铝,明矾等铝盐处理上述的胭脂红提取液即可得到胭脂红,其主要成分是胭脂红酸与铝离子形成的含水鳌合物一胭脂红铝(aluminumcarmine),分子式为G4H40Al()2,其中铝和胭脂红酸的分子比1:2.胭脂红铝带负电荷,常与钙离子形成铝,钙色淀,也可结合铵,钾或钠中的一种或多种阳离子,或者结合蛋白质l_2.胭脂红对热,光线,氧及二氧化硫都很稳定,分解温度为25oC.其染色强度为胭脂红酸的两倍.胭脂红易溶于碱性溶液,微溶于热水,但不溶于低pH值酸性溶液(pHi3.5)和冷水.产品的颜色受多种因素的影响,如随pH值升高,颜色从橙红色(pHi4)变成紫红色(pHil0);此外,随钙离子增加,颜色从粉红变成深红色.不同厂家生产的胭脂红中胭脂红酸的含量不同,即使同一厂家,不同批次的胭脂红酸含量也不同(406O).商品胭脂红因胭脂红酸含量不同呈现不同颜色,胭脂红酸含量低时呈亮红,随胭脂红酸含量的增高,逐渐变成暗红.因其染色强度高,胭脂红在使用中占绝对优势,是主要的收稿日期:20060703修回日期:20060911基金项目:宁波市青年基金编号:2005A620013作者简介:王素芳,1977年生,女,汉族,山东单县,讲师,硕士,研究方向生物制药154药物生物技术第14卷第2期胭脂虫红色素.目前主要应用于乳品(酸奶酪,冰淇淋,含乳饮料),肉制品(香肠),糖果(蜜饯,水果保藏和面包等),饮料,化妆品和制药领域中.1.4耐酸胭脂红(Acidstablecarmine)胭脂红在酸性溶液中不稳定,容易沉淀出来,极大地限制了其在酸性条件下的使用.研究发现,将胭脂红酸和氨水混合,加热处理能使胭脂红酸胺化,得到耐酸胭脂红.如SchulJose等l3将胭脂红酸,有机酸和含氮化合物混合,在80120反应1060min,即得到耐酸胭脂红.耐酸胭脂红呈红色,可在酸性条件下使用,而且具有颜色不随pH变化特点4.进一步的研究发现其结构为4一氨基胭脂红酸5.耐酸胭脂红在美国,加拿大已被广泛使用.FAO/WHO和FDA均已制订了胭脂虫提取液和胭脂红的质量标准,但两个机构所制定的标准略有不同2.在欧盟,天然胭脂虫红色素共用一个编号El20,而与之易混淆的是编号为E124的合成胭脂红(Ponceau4R)(一种含氮染料),即中国食品添加剂标准中的胭脂红(胭脂红铝色淀),有时也称食品红7(FoodRed7).其在日本的编号为102,分子式为C2oH11N2Na3O1.S3.1.5H2O.该色素尚未发现有致癌作用,但高剂量喂雌鼠已呈现明显不良效果,美国已禁止其在各行业使用.2胭脂虫红色素的制备2.1胭脂虫的收集和处理雌虫快产卵时,虫体变成亮红色,此时胭脂红酸含量最高,适宜收集【1.胭脂虫的收集一直采用手工方式,一般用刷子将虫体刷下.胭脂虫活体不能直接出售,需进一步的杀死和干燥处理.先用热水或蒸汽处理胭脂虫,有效去除腊质和脂肪,然后在太阳下爆晒或烘烤,可得到质量较好的紫黑色胭脂虫.这是最常用的制备干胭脂虫的方法.干燥处理使胭脂虫失重达70%左右,710万只胭脂虫能获得约1kg干胭脂虫.除采集时间和干燥过程之外,虫的类型和大小也决定了干胭脂虫的质量和商业价值.一般养殖的胭脂虫个头大且胭脂红酸含量高达干重的2122,而野生的胭脂红酸含量较低,仅占干重的16%.大小对胭脂虫等级的影响也很大,有些地方胭脂虫的等级就是根据胭脂虫的大小划分的,如一等胭脂虫能被1O14目筛截留.2.2胭脂虫红色素的生产干胭脂虫中除了主要成分胭脂红酸外,还含有蛋白质,蜡质和脂类,这些非呈色成分的存在会降低产品的呈色能力,影响产品品质;而且虫体蛋白质还会引起某些敏感个体的过敏反应.将胭脂红酸提取出来,制成一定纯度和一定形式的制剂是非常重要的.传统的制备方法是利用胭脂红酸易溶于水和乙醇的性质,用水或稀乙醇在90lOOC提取,红色即溶解在溶液中,然后将虫体的不溶组分滤出.除去萃取液中的乙醇即可得其浓缩溶液,即胭脂红提取液.萃取液中添加氢氧化铝或明矾,收集沉淀,即可得到胭脂红l_7J.目前工业化生产是在传统方法的基础上进行的,作为商业秘密被各自的生产商严加保密.根据加拿大国际发展研究中心(IDRC)的标准,胭脂红的工业化生产包括以下多个环节:(1)有机溶剂处理,除去蜡和脂质;(2)粉碎;(3)碱提;(4)固液分离;(5)与铝和钙盐形成不溶性沉淀;(6)沉淀的回收;(7)沉淀的溶解;(8)浓缩;(9)加工制剂l_8J.实际工业化生产的生产率非常低,产品质量较差,最终产品经常结合有毒性重金属离子和过敏性蛋白;而且生产的重现性差,不同批次的产品质量不同.目前,胭脂红生产方法的研究主要集中在探索胭脂红高效低耗的生产工艺,特别是不含毒性重金属离子和过敏原蛋白的胭脂红生产工艺,这为制备脱过敏原胭脂红制品,消除过敏反应打下了基础.在美国,有很多胭脂虫红色素精制纯化的方法(如酶解法,吸附层析法,离子交换层析法,膜分离法等)申请了专利,但还未见脱过敏胭脂虫红色素的上市L9J.3应用方面的研究目前,许多国家都允许将胭脂虫红色素用于食品和药品中,此外,胭脂红还被允许用于化妆品中,特别是眼部化妆品中.现今,对胭脂虫红色素的应用研究主要集中在毒性,用量,过敏反应等方面.3.1毒性胭脂虫红色素的体外实验及老鼠体内实验均表明其无毒性,无致癌,致突变性.连续3个世代的老鼠每H每千克体重服用500mg胭脂虫红色素,老鼠的生长繁殖以及胚胎发育都没受到任何影响.根据小鼠的毒性实验结果,按100倍的安全系数计算,胭脂虫红色素的AID(每天每千克体重允许摄入的毫克数)为25,或H摄取量为饮食量的1000mg/kg,而一般食品中的用量为0.002525mg/kg,高的也仅达到75100mg/kg.考虑到胭脂虫红色素的摄入总量远低于安全极限,FAO/WHO(2001)对其AID未做规定,FDA规定,可安全用于食品,以GMP为限.3.2用量不同国家允许其添加的范围不同,添加量亦不同.同一国家,依食品种类不同,其允许添加量也有所不同.欧洲议会和欧盟理事会指定其限量为:软饮料100mg/I,固体食品为5O500mg/kg不等.FAO/WHO(1984)规定,用于增香酸乳2Omg/kg,用于肉类,鱼类,饮料,巧克力等0.O13%.H本则规定,用于蕃茄酱和香肠0.050.1,饮料0.03%0.1,点心0.050.2.而FDA对其在各产品中的添加量未作规定,使用者王素芳等:天然色素一胭脂虫红色素155根据所需色调深浅,成本和效益自行添加.中国目前还没有对胭脂虫红色素的使用做出规定,而国标中规定的胭脂红(胭脂红铝色淀)则是人工合成色素.3.3过敏反应因职业性暴露,皮肤接触和摄人,胭脂虫红色素能使一些敏感个体发生过敏反应,如接触性皮炎,皮疹,麻疹,血管性水肿,鼻子充血,打喷嚏,过敏性外表齿槽炎,反胃,呕吐,全身过敏,和职业性哮喘等,严重者甚至会休克m.多位学者对过敏反应的过敏原和过敏机制进行了研究,过敏原虽然没有完全确定,但已充分证明,过敏反应不是胭脂红酸本身引起的,而是胭脂虫红色素中残留的多种虫体蛋白或与虫体蛋白抗原性相同(或相似)的蛋白质类物质(如蛋白质一胭脂红酸)引起的,其相对分子质量约在1050k,不同的人可能对胭脂虫色素中的不同过敏原敏感口.通过对过敏机制的研究,多数学者认为这些不同过敏原的特异性IgE介导了过敏反应【l.也有一位学者在过敏者血清中,除发现IgE之外,还发现了IgG4,可见不排除在某些情况下,IgG4参与了介导过敏反应l_2.虽然胭脂红会使某些敏感个体产生过敏反应,但总的来说过敏反应发生率较低(12/10000),而且没有造成大的危害.目前,还没有影响到其在全球的使用.鉴于以上情况,欧洲议会和欧盟理事会推荐了胭脂红中蛋白质的限制标准l_2.FDA正在制订含胭脂虫红色素的产品必须明确标示的规定,以便使胭脂虫红色素敏感者能有效的避免使用该类产品.4开发与利用概况胭脂虫红色素的使用有着悠久的历史.最早被古代的阿芝台克人利用.16世纪,西班牙探险者发现了胭脂虫和其重要价值,16世纪末,每年约有25万公斤干胭脂虫或胭脂虫粉从墨西哥运到西班牙.19世纪,胭脂虫的养殖被引入欧洲和其他国家.当时主要用作织物的染料和绘画颜料2.后来,曾一度被价格便宜的合成红色素所取代,随着合成色素毒副作用的发现,天然胭脂红重新成为市场的宠儿.目前,秘鲁是世界上胭脂虫和胭脂红色素的主要生产国,其胭脂虫的年产量在300900吨,占世界产量的80%90,其次是加那利群岛,墨西哥,玻利维亚和智利等国家,年产量仅10吨/年.欧洲,日本和美国也进行胭脂红的生产,但其原料胭脂虫主要是依靠进口l_2.最近几年,随着回归自然热的兴起,人们对天然色素的兴趣大增,西方食品商不断推出含有天然色素的加工食品,天然色素市场空前高涨.据保守估计,胭脂红的市场需求量将以每年35的速度递增,胭脂虫红色素的全球年产量大约在300吨左右,其量远远不能满足市场的需求.国内,胭脂虫红色素产业还没有发展起来,所需的天然胭脂红主要依靠进口.分析其原因主要有两个,一是前几十年胭脂虫的寄主一仙人掌资源匮乏,二是合成胭脂红仍被允许用于食品(美国已禁止).在当今化学合成色素毒副作用突现,天然色素日益走俏的情况下,发展胭脂虫红色素产业有着很好的前景.1997年,农业部引进了墨西哥米邦塔食用仙人掌,仙人掌的大规模种植已成为现实.目前山东农业大学昆虫研究所,宁波海曙区仙人掌种植园等多家科研单位和公司正在进行胭脂虫的饲养研究,胭脂虫饲养业正在逐步兴起,获得大量的胭脂虫成为可能,这为胭脂虫红色素产业的发展奠定了基础|l2.目前,国内已经有了从胭脂虫中提取分离胭脂虫红色素的探索口,但还仅限于初级阶段,产业化分离制备方法的发展还有待于胭脂虫养殖规模的进一步扩大.参考文献1MerinoL,EdbergU,TidriksH.Developmentandvalidationofaquantitativemethodfordeterminationofcarmine(El20)infoodstuffsbyliquidchromatography:NMKICollaborativeStudyJ.JAOAClnt,1997,80(5):1044.2高蓝,李浩明.胭脂虫红色素资源及其利用J.中国食品添加剂,2004,4:86.3SchulJ.Colorantbasedoncarminicacid,methodofpreparation,andmethodofcoloringafoodstuffP,US5147673.19920915.4KawasakiY,SugimotoN,SatoK,ela1.IdentificationofacidstablecarmineinimportedapplesyrupproductJ.ShokuhinEiseigakuZasshi,2002,43(4):191.5SugimotoN,KawasakiY,SatoK,ela1.StructureofacidstablecarmineJ.JournaloftheFoodHygienicSocietyofJapan,2002,43(1):18.6CabreraR13.DownstreamProcessingofNaturalProducts:CarminicAcidD.InternationalUniversityBremen,2005:1.7LloydAG.ExtractionandChemistryofCochinealJ.FoodChemistry,1980,5(1):91.8IDRC,CarmineExtractionTechnologys.1999,InternationalDevelopmentResearchCenter.9TakahitoI,MakotoS,HiroyukiS,ela1.PurifiedcochinealandmethodforitsproductionEP.us2002028016.2002一O216.1OLoprienoG,BoncristianiG,LoprienoN.Genotoxicitystudiesinvitroandinvivooncarminicacid(naturalred4)LJ.FoodChemToxicol,1992,30(9):759.11MoriH,1wataH,TanakaT.Carcinogenicitystudyof156药物生物技术第l4卷第2期cochinealinB6C3F1miceEJ.FoodChemToxicol,1991,29(9):585.E12TanakaT.ReproductiveandneurobehavioraleffectsofcochinealadministeredtomiceinthedietEJ.ToxicolIndHealth,1995,11(1):1.13DiCelloMC,MycA,BakerJR,eta1.Anaphylaxisafteringestionofcarminecoloredfoods:twocasereportsandareviewoftheliteratureJ.AllergyandAsthmaProceedings,1999,20(6):377.14Tabar-PurroyAI,Alvarez-PueblaMJ,Acero-SainzSCarmine(E-120)一inducedoccupationalasthmarevisitedJ.JAllergyClinImmunol,2003,111(2):415.15WuthrichB,KagiMK,StuckerW.Anaphylacticreactionstoingestedcarmine(E120)J.Allergy,1997,52(11):1133.16BaldwinJL,ChouAH,SolomonWR.Popsicle-inducedanaphylaxisduetocarminedyeallergyIS.AnnalsofAllergyAsthmaImmunology,1997,79(5):415.17LizasoMT,MoneoI,GarciaBE,eta1.IdentificationofallergensinvolvedinoccupationalasthmaduetocarminedyeJ.AnnAllergyAsthmaImmunol,2000,84(5):549.18AceroS,TabarAI,AlvarezMJ,eta1.OccupationalasthmaandfoodallergyduetocarmineJ.Allergy,1998,53(9):897.19AnibarroB,SeoaneJ,VilaC,eta1.OccupationalasthmainducedbyinhaledcarmineamongbutchersJ.IntJOccupMedEnviroTlHealth,2003,16(2):133.2oChung,K,BakerJR,BaldwinJL,eta1.IdentificationofcarmineallergensamongthreecarmineallergypatientsFJ.Allergy,2001,56(1):73.21QuirceS,CuevasM,OlaguibePJM,ita1.OccupationalasthmaandimmunologicresponsesinducedbyinhaledcarmineamongemployeesatafactorymakingnaturaldyesJ.JAllergyClinImmunol,1994,93(1):44.22RodriguezLC,MendezMA,NiemeyerH,LDirectionofdispersionofcochineal(DactylopiusCOCCUSCosta)withintheAmericasJ.Antiquity,2001,75:73.-23MendezJ,GonzalezM,LoboMG,eta1.Colorqualityofpigmentsincochineals(DactylopiusCOCCUSCosta).GeographicalorigincharacterizationusingmultivariatestatisticalanalysisIS.JAgricR)0dChem,2004,52(5):1331.-24张忠和,陈晓鸣,石雷,等.基于生命表技术的胭脂虫适生性研究J.林业科学研究,2004,17(4):484.1-253陈晓菲.胭脂虫在人工可控条件下的生物生态学研究I-D.山东农业大学硕士学位论文,2004:3.z63张