姜黄色素应用
【背景及概述】[1][2][3]
食品着色剂又称食用色素，是食品中能够吸收和反射可见光进而使食品呈现各种颜色的物质，是食品添加剂中的重要门类。根据来源可分为食用天然色素和食用合成色素。天然色素是从天然原料中提取而来，可直接来源于植物组织、动物体或微生物的代谢产物。合成色素则是利用化学方法从煤焦油及其副产品中合成而来，其来源丰富，成本低，收率高，具有呈色鲜艳亮丽，着色强而稳定，色调丰富多样等优点。天然色素虽然来源广泛，但大部分是来自于可药食两用的资源，安全性高，呈色自然柔和，具有特殊的芳香气味，兼有一定的营养价值和药理作用，因此越来越受人们青睐。但是天然色素的发色基团为不饱和双键的共轭体系，这种共轭体系性质活泼，导致天然色素的性质不稳定，容易受外界条件影响而褪色或变色，如光、热、金属离子等，且对酸碱的变化也较为敏感。
姜黄是食品天然黄色色素，具有良好的染着性和分散性，其染色力优于其它天然色素和人工合成的柠檬黄素等，尤其对蛋白质有很强的染色能力。姜黄色素通常称为姜黄素，是中药材姜黄(Rhiozmacucrumalongae)的有效成分之一，在姜黄中含量约为3%-6%。姜黄素的主要成分包括其主要成分为姜黄素、脱甲氧基姜黄素、双脱甲氧基姜黄素，是大自然中极为稀少的二酮类有色物质。姜黄色素具有很强的防腐性，无毒副作用，集着色与防腐为一体，被广泛应用于饮料、果酒、糖果、糕点、罐头、果汁及烹饪菜肴中，已成为国内外重要的天然食品添加剂之一，同时也是联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)所规定的使用安全性很高的天然色素之一。
【理化特性】[3]
橙黄色结晶性粉末，具有特殊的芳香味，熔点为 179℃～182℃，有淡淡
的绿色荧光，呈弱酸性。不溶于水，可溶于乙醇、丙二醇，易溶于碱性溶液和冰醋酸。用 95%乙醇为溶剂所配的姜黄素溶液，在 425nm 处有最大吸收峰。在硫酸溶液中呈红色，在醚溶液中显绿色荧光。姜黄色素的显色受 pH 影响，高纯度的姜黄色素溶液偏酸性条件下（pH＜7.0）呈纯黄色至橘黄色，在碱性条件下（pH＞9.0）呈棕色至红棕色，在中性条件下（pH=7.0～8.0）呈玫瑰红色，故可以作为化学指示剂应用在硼离子的测定中姜黄色素具有一定的抗氧化性和耐还原性，对 DPPH·和羟基自由基均有一定的清除效果，但该色素溶液对光极不稳定，放置在室外强日光条件下8h，该色素的吸光度保存率仅为 15.91%。氢氧化镁会与姜黄色素形成色淀，其他金属离子如 Fe3+、Ca2+、Cu2+、Fe2+对姜黄色素的稳定性影响较大，尤其是铁离子会打破长链中的双键，或取代酚羟基中的氢原子形成螯合物而导致姜黄色素变色，研究表明，当铁离子量达到色素量的 3.6 倍时，姜黄色素降解率达到43.9%，当铁离子浓度达到 10ppm 以上时会使其变为红褐色，染色能力降低。
【提取】[3][4]
1. 溶剂提取法
溶剂提取法是提取天然产物最基本的方法，所用溶剂有甲醇、乙酸乙酯、丙酮、乙醇等，其中丙酮的提取率最高，乙醇的提取率最低，原因是姜黄色素在这三种溶剂中的溶解能力不同，有机溶剂对总姜黄素的溶解性越好，就越有利于色素分子的扩散，则越容易将总姜黄素溶解提取出来，丙酮提取率最高，但丙酮有一定的毒性，所以大多研究采用乙醇提取，从提取的工艺上优化改进，采用加热循环回流提取、渗漉法、分段浸提等工艺提高提取率，以 95%乙醇为萃取剂时，机械搅拌提取、加热提取、循环提取对姜黄色素提取液的浓度有不同影响，结果表明经过相同时间后，提取物的浓度大小关系为：机械搅拌提取＞循环提取＞加热提取。姜黄色素在有机溶剂中的溶解度较高，产品提取率也较高，但是萃取剂的使用量大，回收也需消耗大量能量，导致成本增加，且提取物中会有大量的油脂、树脂、类脂溶性的杂质存在，加大了粗提物的分离纯化难度。为避免上述缺点，减少或者避免使用有机溶剂，许多研究着力于增加姜黄色素的溶解度或者探索新型无毒溶剂的使用，如十二院基硫酸钠(SDS)，TX-100 和十四院基三甲基溴化按(TTAB)能有效地将姜黄素的溶解度提高到将近 1800 倍。
2. 酶法提取
使用果胶酶和纤维素酶作为复合酶作用于姜黄块茎，使植物细胞壁的主要成分水解，导致细胞组织结构发生膨胀、疏松、溃散等变化，减小胞内物质向外扩散的阻力，增大物质的传质面积，促进色素成分的释放，从而提高收率，试验结果表明，酶法提取相对于传统浸提工艺收率可提高 8.1%。另一方面，植物色素大多吸附在大分子上，可以采用酶将大分子降解成小分子，减小色素的附着力，从而使色素脱落至提取剂中。
3. 超声提取法
超声波可明显加快传质速率，缩短提取时间，原因是超声波具有较强的穿透能力，它的冲击波能在固液体系中引起涡旋湍动，使得固液颗粒高速冲撞，在其边界层形成冲击流，使得边界的传质速率增大，同时边界层不断地受冲击而减薄，界面更新快，相当于将固体颗粒剥蚀、粉碎，使得传质表面积不断增大，而超声场的聚能效应可使物质局部产生高温高压，使物质间的化学键断裂，破坏固体框架，减小束缚力和传质阻力。超声提取法与传统的溶剂提取法相比，具有提取时间短，提取效率高，不需加热的优点，且在一定的强度范围内不会对活性物质的结构有影响
4. 超临界 CO2 提取法
超临界CO2提取技术是近年来发展起来的一种新型物质萃取技术，超临界CO2具有气体及液体的双重特性，即低粘度、高渗透力，使得超临界CO2提取与传统的提取方法相比具有提取效率高、无溶剂残留、操作温度低等优点，因此比较适合用于性质较为敏感的姜黄素的提取，但是应用超临界CO2提取姜黄素时须加入夹带剂，通常使用乙醇作为夹带剂，且乙醇用量低于 35%时，产品的提取率会很低。采用超临界CO2提取姜黄素时，夹带剂用量和萃取压力是影响姜黄素提取效果最重要的因素
5. 微波提取法
采用响应面法优化姜黄色素的微波提取条件，得到的最优提取参数为：微波功率 540W、料液比 1∶43、处理时间 30s，乙醇浓度为 73%，在此条件姜黄素的得率为 0.2045%；采用微波辅助萃取姜黄素，微波处理时间仅为 60s，姜黄素就达到最高的提取率，同传统方法相比，微波萃取时间短、溶剂用量少、无污染等特点，易于工业化生产。
【药理作用】[3][4][5]
1. 抗氧化作用：姜黄色素分子结构中的酚羟基可以去除自由基，另外它可作为细胞膜的抗氧化剂防止细胞膜免受铁的刺激而引起的损伤，可以保护血红细胞免受亚硝酸的影响而被氧化成高铁血红蛋白、可以保护 DNA 免受氧化损伤
2. 抗炎作用：姜黄色素分子中的苯环上含有 3,5-供电子基、4-羟基及不饱和酮，可以抑制炎症介质和转录因子，从而发挥抗炎效应，可应用在心肌炎、肠道炎等炎症治疗中。
3. 抗肿瘤作用：其机理比较复杂还有待研究，但初步证明姜黄素能影响细胞周期和细胞凋亡，所以姜黄素可作为抗癌剂和抗突变剂，美国国立肿瘤研究所已将其列为第 3 代抗癌化学预防药，姜黄素的抗肿瘤功能已经成为国内外药学研究者的探索热点
4. 降血脂和抗动脉粥状硬化作用：姜黄素可以减少脂质数量和胆固醇量，抑制胆固醇与蛋白质结合，从而抑制细胞氧化修饰低密度脂蛋白，结合降脂、抗炎、抗凝等反应，减少动脉损伤面积、抑制血管平滑肌细胞增生、抑制新内膜的形成，达到抗动脉硬化的作用。
此外，姜黄色素还具有神经保护、预防老年性痴呆、抑制肥胖、延缓衰老、护肝护肾、抗 HIV 作用等多种生理功能。据资料显示，姜黄色素产物中含有人体所需的 18种氨基酸和多种微量元素成分，可降压利胆，行气解郁，凉血破瘀，成为天然食用色素行业中极具开发前景的黄色素之一。
【应用】[3]
姜黄色素是一种具有良好着色性和分散性的天然黄色素，是国内外允许使用的重要天然食用色素之一。按照 GB2760-2011 的规定，可用于果冻、饮料、糕点、糖果、罐头等的着色。此外，研究表明，姜黄色素具有一定的防腐效果，可以用于食品的防腐保鲜，0.025%以上的姜黄色素水溶液对淀粉食品、蛋白食品及肉类食品均有良好的防腐效果，浓度在 0.05%以上时可对苹果原汁起到防腐作用。将姜黄素应用在脐橙的贮藏保鲜中，研究表明，用 0.05%姜黄素溶液水浴处理的果实在贮藏 180d 后，脐橙的烂果率和质量损失率均得到降低，且果实中的总糖、总酸、可溶性固形物含量等均得到有效地保持，果实仍具有较高的食用品质。
姜黄色素具有抗炎、抗肿瘤、降血压等多种生理功效，因此在医药领域也被广泛地应用，用于治疗疱疹、痛经、心脑血管等疾病，而高纯度的姜黄素还可作为新型抗癌药，甚至可用于 HIV 感染和 AIDS 患者的治疗，通过临床试验证明，姜黄素的治疗效果良好，且无毒副作用，已被列入美国药典，并有成品药面市。
除此之外，姜黄色素凭借其天然安全、保健防病、染色力强等多种优点，应用在饲料工业、印染工业及土壤硼含量的测定中。
【主要参考资料】
[1] 刘树兴, 胡小军. 姜黄色素的研究进展[J]. 陕西科技大学学报: 自然科学版, 2003, 21(4): 37-39.
[2] 梁锦丽, 孟宇竹, 雷昌贵. 姜黄色素的防腐性研究[J]. 粮油食品科技, 2007, 15(6): 67-71.
[3] 郑君花. 姜黄色素的提取, 稳定化及其应用研究[D]. 贵州大学, 2015.
[4] 狄建彬, 顾振纶, 赵笑东, 等. 姜黄素的抗氧化和抗炎作用研究进展[J]. 中草药, 2010, 41(5): 18-21.
[5] 赵承光, 梁广, 邵丽丽, 等. 姜黄素类化合物抗炎和细胞保护作用的构效关系研究进展[J]. 中草药, 2008, 39(4): 619-622.