现代科技综述知识文库：食品颜色与分子结构的关系

1、现代科技综述系列食品颜色与分子结构的关系科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“食品颜色与分子结构的关系”的解读，以供大家了解。食品颜色与分子结构的关系物质的显色理论目前已较为成熟。1868年CGraebe和CLiebermann首先提出，有机物的颜色是由分子中的不饱和键引起的。1876年ONWitt提出了生色团理论，认为物质的颜色是由于分子中含有某些不饱和基团引起的，这些基团称为生色团，如：CH=CH、CC、C=O、CHO、N=N、NO、NO2、C=S等。但实际上分子中含有生色团的化合物并不一定都有颜色，如：化合物1和2都含有生色团，但1

2、无色。于是1888年RNietzki提出了物质的颜色是由发色的醌型结构决定的，但又无法解释无醌型结构的有色化合物。1900年MPlanck提出了量子假设，1905年AEinstein提出了关于光本性的光子假设。由于量子力学的发展，人们对物质结构的认识有了新的突破。光是一种电磁辐射，具有波和粒子的二象性，不同波长的光具有不同的能量。人们常见的白光，如日光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光按一定比例混合而成的，波长范围为：400780nm。不同的物质对光有选择性吸收。如果物质吸收的是某种颜色的可见光，该物质显被吸收光的互补色：吸收紫光显绿色，吸收蓝光显黄色。物质对可见光全部吸收显黑色，全部反射不吸

3、收显白色。物质吸收光的波长在可见光区之外，则无色。物质对光为什么有选择性吸收呢?当光照射某物质时，该物质的分子、原子或电子等与光子发生“碰撞”，光子的能量转移，使这些粒子由基态跃迁到激发态。分子、原子或电子具有不连续的量子化能级，只有当光子的能量与被照射物质粒子的激发态和基态能量之差相当时才能发生吸收。不同物质分子结构不同，具有不同的量子化能级，因此对光的吸收不同。分子中只含有一个生色团的化合物吸收光的波长在200400nm之间，属于非可见光区，故化合物无色。研究发现：有色物质的分子中必须含有生色团和与生色团相连的共轭结构。如：分子中含有多个生色团，其间形成共轭体系；或生色团与分子中的共轭体系

4、结构要相连。由于体系内电子的离域使用，使激发这些电子需要的能量降低，吸收光的波长移向可见光区，化合物显色。例如：CH2=CH2无色，浅黄色。无色，黄绿色，橙色。有色物质的颜色还与分子结构有以下关系：(1)分子中引入助色团有利于颜色的生成或加深。含有生色团的分子称为生色体，在生色体分子中引入某些本身不显色的助色团，如：OH、OR、NH2、NHR、SR、X等，由于助色团上的未共用电子对能与生色团或共轭键形成p-共轭体系，使吸收光向波长增大的可见光区移动，有助于颜色的生成或加深。(2)共轭体系的碳链长颜色深。形成共轭体系的碳链越长，电子的离域作用越强，电子跃迁需要的能量越低，化合物的颜色也越深，这种

5、现象也称为深色效应。例如： 同样，偶氮类化合物和芳香族稠环化合物等也遵循上述规律。(3)共轭体系极性增加使颜色加深。在分子中共轭体系一端引入极性基团(吸电子基或供电子基)时，可使分子的极性增加，电子离域作用增强，跃迁需要的激发能降低，导致颜色加深。如共轭体系一端为供电子基，另一端为吸电子基，则分子极性增加更大，颜色更深。例如： 极性基团的引入还能使化合物对光吸收强度增加，这种现象称为浓色效应。例如：对于同一波长的光，苯酚的吸收强度为苯的7倍，对硝基苯酚的吸收强度为苯的39倍。应当指出：并非在共轭体系的任何位置上引入极性基团都能产生深色效应和浓色效应。(4)分子的离子化与颜色的关系。生色体分子离

6、子化后，如果供电子基的供电能力或吸电子基的吸电能力增加，使分子的极性增加，导致颜色加深。反之，分子极性降低，颜色变浅，发生浅色效应。例如： (5)分子平面性与颜色的关系。共轭效应产生的条件之一是分子中的原子共平面。如果生色体分子平面受到破坏，电子的离域作用就会降低，化合物的颜色变浅。例如：化合物3具有平面结构，当其氨基的邻位引入两个甲基后形成的化合物4，由于甲基的空间阻碍作用，使分子的平面性被破坏，颜色变浅。这种现象常见于偶氮和蒽醌类化合物，可利用这一性质合成各种色素。(6)分子内络合物的生成与颜色的关系。生色体分子可以与某些金属离子形成分子内络合物，当其共轭体系中的原子或原子团与金属离子形成

7、配位键后，借助金属离子的桥联作用使共轭体系扩大，电子离域作用加强，颜色变深。例如： 食品呈现的各种颜色主要来源于天然色素和人工合成色素。天然色素主要来源于天然植物、动物和微生物。叶绿素是广泛存在植物体内的绿色色素，属于四吡咯衍生物，是由叶绿酸、叶绿醇和甲醇3部分组成的酯。血红素存在于动物肌肉和血液的红血球中，也属于四吡咯衍生物。类胡萝卜素也称类叶红素，是在动植物食品中广泛存在的呈黄、橙、红色的脂溶性色素，如：蛋黄色素、虾黄素、蕃茄红素、辣椒红等，这类色素属于异戍二烯衍生物。花青素色素是构成植物花、果实和叶等美丽色彩的水溶性色素，如苹果中的桔红色氯化天竺葵色素，葡萄中的紫红色氯化矢车菊色素等。这

8、类色素的基本母核是苯环和吡喃环稠合而成，属于多酚类衍生物。红曲色素是红曲霉分泌的产物，姜黄素存在于姜黄根茎中，都属于酮类衍生物。虫胶色素是紫胶虫分泌的，胭脂虫红色素是从胭脂虫中提取的，它们都属于醌类衍生物。天然色素种类繁多，其分子都是由多个生色基和助色基组成的。根据颜色产生的机理，人们成功地合成了许多色素。由于合成色素色彩鲜艳，性质稳定，着色力强，价格低，在20世纪50年代约有90多种合成色素用于食品着色。但是，随着科学检测技术的发展，研究者们不断发现许多合成色素有致癌、致畸等作用，于是一系列合成色素逐渐被禁止食用。至今美国允许使用的有7种，俄罗斯有3种，西欧的英、法等许多发达国家已完全禁止食用合成色素。中国目前允许使用的有7种，包括：苋菜红、赤鲜红、胭脂红、柠檬黄、夕阳黄、亮蓝和靛蓝。现在世界各国正在逐步推行用天然色素取代合成色素，因为天然色素大多是从天然食物中提取的，安全性能较好。研究天然色素的分子结构及变色机理，控制食品加工与贮存中的色泽变化，提取各种天然色素，对天然色素进行毒理评价和制定食用规格，人工合成各种天然色素，开发食用色素新品种等，都是目前食品色素研究的重要内容。【参考文献】： 1 镰田荣基，等食品