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【背景及概述】[1][2][3]
隨著經濟發展和人們生活水平的提高，如今人們對食品的要求不僅僅局限于內在品質，同時對食品外觀品質的要求也越來越高，而食品的色澤在食品外觀品質中又占有相當重要的地位，因此，對食品著色劑的研究已成為熱點。食品中使用到的色素分為合成色素和天然色素兩類。近年來由于合成色素在安全性方面尚有爭議，人們對安全性高、無毒副作用且兼有營養保健功效的天然色素頗為青睞，天然色素順勢成為色素行業發展的主要方向。天然色素具有以下優點：
1）安全性高；
2）有些對疾病具有防治作用,具有保健功能；
3）含有人體必需的營養物質,兼有功能的效果；
4）色調比較自然,能更好地模仿天然色澤。因此，人們對從動植物以及微生物材料中提取安全性高的天然色素作為食品著色劑備受關注和重視。天然色素種類繁多，可以廣泛地應用于飲料、糖果、糕點、酒類等食品的著色，同時也可用于一些藥品的著色，尤其是兒童藥品，還可以應用于化妝品行業。
甜菜紅色素是世界上廣泛使用的一種食用天然色素，存在于莧科、藜科、紫茉莉科、仙人掌科以及商陸科等多種植物中。多從藜科紅甜菜(BetaVulgarisL.Var. rubra)的塊根中提取。早在1938年，Geo.W.Pucher就從甜菜的根中制備出甜菜紅色素，經過幾十年的不懈努力，終于使該產品在國外商品化。美國從1960年開始允許使用紅甜菜濃縮液和脫水甜菜粉作為食用色素，聯合國FAO W/ HO食品添加聯合專家委員會在1976年訂出了甜菜紅色素的標準，日本也做了相應的規定。目前，歐美及日本均在深入研究甜菜紅色素及其應用。甜菜紅色素以其安全，無毒副作用且具有改善肝功能、促進消化吸收的作用，成為取代合成紅色素最理想的天然紅色素之一。
【來源及組成】[1]
甜菜紅色素廣泛存在于藜科、莧科、仙人掌科、商陸科等多種植物中，其中藜科最為人們熟悉的是紅甜菜。甜菜紅色素就是從藜科植物紅甜菜中提取的水溶性天然食用色素，屬于吡啶類衍生物，基本發色團為1,7-二偶氮庚甲堿。
甜菜紅是紅甜菜中所有的有色化合物的總稱，由紅色的甜菜花青和黃色的甜菜黃素所組成。甜菜花青的主要成分為甜菜苷（Beranin），占紅色素的75%～95%，其余尚有異甜菜苷、前甜菜苷和異前甜菜苷。甜菜黃素包括甜菜黃素I和甜菜黃素II。
【理化性質】[1] [2]
1. 溶解性
甜菜紅色素為紅紫或深紫色液體、塊或粉末，或糊狀物，色澤鮮艷：
易溶于水和含水溶劑，為水溶性色素，難溶于醋酸、丙二醇，不溶于無水乙醇、甘油、丙酮、氯仿、油脂、乙醚等有機溶劑。
2. 酸堿環境反應特性
甜菜紅色素呈紅色或深紫色液體、塊或粉末或糊狀物，色澤鮮艷，但其色調受pH值影響，當pH在3.0～7.0時為紅色，且較穩定；pH在4.0～5.0時最穩定；當pH<4.0和pH>7.0時，顏色有紅色變成紫色；當pH>10.0時，甜菜紅色素中的甜菜色苷轉化為甜菜黃質，溶液顏色迅速變黃。由此說明甜菜紅色素在酸性和中性條件下較穩定。由于絕大多數食品的pH值都在3.0～7.0之間，而甜菜苷的顏色在此pH范圍內不會發生變化，故含有甜菜苷的食品，其顏一般不會受pH值影響。
3. 光對色素穩定性的影響
自然光對甜菜紅水溶液的穩定性會有所影響，長時間在自然光下放置，顏色會變淡，直至黃色。而自然光對甜菜紅色素的50%乙醇溶液影響較小，紫外光對甜菜紅色素穩定性影響較小。
4. 熱對色素穩定性的影響
甜菜紅在pH4.5時熱穩定性最好，同時總體上甜菜紅熱穩定性較差，耐熱性隨溫度的升高而降低。浸提時為減少色素損失，同時達到充分的提取效果，一般選取25℃左右進行。
5. 金屬離子對色素穩定性的影響
金屬離子對甜菜苷穩定性有一定的影響。過多的Fe3+、Cu2+、Mn2+、Ca2+等可促使甜菜苷的降解，降低甜菜紅的色調。故應用中，必要時加入適當的金屬螯合劑來去除金屬離子。
6. 食品添加劑對色素穩定性的影響
采用H2O2對甜菜紅色素進行耐氧化性實驗，隨著H2O2添加量的增加和作用時間的延長，甜菜紅色素損失率加快，說明甜菜紅色素易被氧化，用不同濃度的亞硫酸鈉對甜菜紅色素進行耐還原性實驗，實驗表明高濃度的還原劑對甜菜紅色素影響較大，得出甜菜紅色素耐還原性較差，因此在生產及應用時應避免與氧化劑和還原劑接觸。另外葡萄糖、檸檬酸、苯甲酸鈉等添加劑對甜菜紅色素穩定性及顏色的影響較小，可以在食品中同時使用。Vc對甜菜紅色素具有降解作用，因此在使用不同食品添加劑時應區分使用。
【提取和純化】[1][4]
1. 傳統提取方法：傳統提取甜菜紅色素的方法是固液萃取法，提取方法包括浸漬、泡軟以及索氏提取。固液萃取技術：利用溶劑將固體混合物中的成分分離出來，使得固體物質中的可溶性成分溶解并進入液相，然后將溶液與不溶性的固體物相分離。甜菜紅色素一般溶解在水中，但是如果加入一定比例的甲醇或者乙醇，就可以將紅甜菜中的甜菜紅色素完全提取。一般提取紅甜菜色素的時候，先用純水或者含有甲醇等的溶劑將紅甜菜在密閉容器中充分浸泡，然后進行攪拌，使得甜菜紅色素更多的進入到萃取液中，最后通過過濾將固液分離。傳統提取甜菜紅色素的方法雖然比較費時，但是由于完全在室溫下操作，不需要加熱處理，因此對于提取一些熱不穩定的物質非常的有用。
2. 甜菜紅色素提取的新技術
新的提取甜菜紅色素的技術包括γ射線法、聲波降解法、超聲波輔助技術、膜處理法以及高壓脈沖電場法等等，這些技術由于可以在較低的溫度下進行，因此能夠很好的保持生物活性，并且提取效率更高。
1）γ射線(Gamma Irradiation)：利用固液萃取法從紅甜菜中提取甜菜紅色素，如果經過γ射線進行預處理，將會增加提取的效率，射線劑量在2.5~10 k Gy的范圍內，隨著劑量的增加提取效率逐步增加。γ射線提高提取色素主要是由于射線可以改變植物組織內部結構，促進細胞壁的破裂。研究表明，用低劑量(1~2 k Gy)的γ射線處理新鮮的紅甜菜，能夠引起紅甜菜組織內部以及細胞壁的生化改變；利用 2.5、5、10、30 kGy 的γ射線對紅甜菜進行照射來研究紅甜菜的生物化學特性以及甜菜紅色素的穩定性，結果表明，γ射線處理和對照之間提取甜菜紅色素的產量并沒有明顯的差異，但是如果輻射的劑量超10kGy，會引起甜菜紅色素結構的改變，因此推薦使用γ射線的劑量不超過10kGy。
2）高壓脈沖電場(Pulsed electric field)：由于是非熱加工處理技術，利用高壓脈沖電場使細胞電穿孔，可以改變細胞壁和細胞膜的通透性，使細胞內容物滲出，來達到非熱滅菌的效果。高壓脈沖電場是通過對兩電極間的樣品多次施加高電壓的短脈沖進行處理，由于處理的時間短、污染小、能夠抑制微生物、使酶鈍化以及非加熱的處理等優點，能夠更好地保持食品的營養特性及品質。
3）超聲波輔助萃取技術 (Ultrasound-assistedextraction)：超聲波輔助萃取技術是一種費用低、環境友好以及快速的提取技術，在提取熱不穩定的活性物質方面具有廣闊的前景。由于超聲波能夠產生并傳遞強大的能量，能夠促進溶劑更好的滲透到樣品基質的各個部分，加大固相和液相的接觸面積，使得溶質更加快速的分散到溶劑中。研究發現超聲波顯著的改進了甜菜紅色素的提取效率，采用乙醇和水 1:1，超聲波功率80 W，提取時間為3 h，甜菜紅色素的產量提高了8%。
4）超臨界萃取技術(Supercritical Extraction)：利用超臨界的 CO2作為溶劑，選擇合適的溫度和壓力，利用CO2優良的溶解性，溶解固體物質中的容質，達到對特定有效成分進行分離的目的。當甜菜紅色素從細胞內滲出后，色素會和各種酶接觸，其中的過氧化物酶和多酚氧化酶會很快的將色素降解，引起甜菜紅色素的品質下降。研究表明，在利用高壓CO2對紅甜菜汁液進行提取時，發現在 55℃、60 min 的情況下，37.5 MPa 就可以使過氧化物酶的活性降低 86%，22.5 MPa 就可以使多酚氧化酶的活性降低 95%，而酶活力的改變對壓力更加敏感，而不是由于CO2的臨界狀態產生。
5）膜處理技術(Membrane Processing)：膜處理技術可以在不需要加熱的情況下達到富集生物活性物質的目的。提取、純化和濃縮的目標化合物不同，所使用的膜處理類型也就不同，如電滲析、微過濾、超濾、反滲透、電透析法、膜蒸餾以及蒸汽滲透等。]采用超細過濾和反滲透的方法提純和濃縮紅甜菜中的甜菜紅色素，發現利用果膠酶處理能夠減少汁液的粘度，提高預過濾的效率，并且發現加入轉化酶和果膠酶，經過超濾作用能夠增加甜菜紅色素3倍的產量。選擇不同的膜類型是回收甜菜紅色素的關鍵。研究表明，各向異性膜是分離甜菜紅色素最好的系統，會增加甜菜紅色素的回收率并減少可溶性固形物的水平。
【生理功能】[2]
甜菜紅色素的生理功能主要是具有很強的抗氧化性。甜菜紅色素在極低的濃度下就可以有效地阻止血紅素的分解以及由銅離子誘導的脂類氧化，并且在維生素E的協調作用下可明顯增強其對脂類的保護作用；人體代謝紊亂往往與這些氧化反應密切相關，研究者通過將甜菜紅色素有規律地添加到人們的日常飲食中，進行體內試驗，發現甜菜紅色素可以抑制此類氧化反應，從而保證人體正常代謝，人體內的LDL的氧化會引起一系列的疾病，甜菜紅色素所具有的抗氧化性，能夠有效地防止LDL的氧化，減少人體疾病的發生；甜菜苷可以防止由DMBA和TPA引發的腫瘤，并且可以顯著地抑制老鼠體內肺部腫瘤的發生。
【應用】[1][2]
甜菜紅色素由于色澤鮮艷自然，無毒副作用，無特殊氣味，且具有一定的保健功能，是一種理想的天然紅色素資源，因此廣泛應用于食品、保健品、醫藥、化妝品等領域。
1. 食品著色方面
甜菜紅色素是從食用蔬菜-紅甜菜中提取的天然色素，所以無毒、無副作用，色澤鮮艷且含有人體建成、新陳代謝和生長發育所必須的營養成分，所以廣泛應用于各種飲料、果味粉、果汁路、汽水、糖果、糕點、夾心、冰淇淋、罐頭、濃縮果汁、雪糕、果凍、香腸食品的著色，及增加了食品的美好外觀有提高了食品的營養價值。
2. 醫藥保健品方面的應用
甜菜紅色素的主要抗氧化部分為紅色部分，及甜菜紅苷。食用含有甜菜素的刺梨果實后，可以明顯降低過氧化脅迫造成的脂質損害，提高人體的抗氧化水平；離體紅血球在甜菜素溶液中培養一段時間也可以明顯延遲由于氧化劑異丙基苯過氧化氫物（cumene hydroperoxide）造成的溶血作用。其次，甜菜紅色素中含有甜菜堿，它對肝臟疾病（如慢性肝炎、肝硬化、中毒性肝炎、代謝性肝臟病及膽道疾病引起的肝功能障礙等）有一定的療效。所以甜菜紅色素不僅可以美化特殊人群藥品的外觀有利于服用；在藥品的區分方面也可以用甜菜紅色素代替人工合成色素來對藥品進行很好的區分，而且在人體抗氧化方面和肝臟疾病的治療方面也有不可磨滅的作用。另外，甜菜根對老鼠的皮膚癌和肺癌具有顯著的抑制作用。由于甜菜紅色素具有以上作用，所以可以用于藥品、保健品等的研制開發。
3. 在化妝品方面的應用
許多化妝品的生產需要添加色素，如唇膏、洗發水、染發劑等，由于國內化妝品生產過程中添加的色素大多是合成色素，所以一些皮膚比較敏感的人群在使用的過程中會出現過敏癥狀，對于他們來說天然色素無疑是一個很好的選擇；而甜菜紅色素是天然色素，無毒無害，而且還具有醫療和保健功能，因此用于有色化妝品、抗衰老化妝品的生產，具有較大的開發潛力。
4. 在其他方面的應用
甜菜紅色素除了用于食品著色、醫藥、化妝品、保健品方面外，最近研究還可以用于羊毛染色，羊毛染色宜在低溫和較強的酸性條件下進行。染色后，不羊毛的品質有了明顯的提高，而且甜菜紅色素是天然色素色澤鮮艷，無毒無害，不會污染環境，所以甜菜紅色素作為一種著色染料應用前景也是非常廣闊的。為了提高甜菜的綜合利用價值，提取后的甜菜渣可以用于生產酒精、發酵做復合肥料、做動物飼料等。
【主要參考資料】
[1] 張建霞, 袁紅波, 薛強, 等. 甜菜紅色素的研究進展[J]. 農業工程技術 (農產品加工業), 2010, 5: 027.
[2] 高彥祥, 劉璇. 甜菜紅色素研究進展[J]. 中國食品添加劑, 2006 (1): 65-70.
[3] 于明, 張謙, 過利敏, 等. 甜菜紅素理化性質及其穩定性研究[J]. 新疆農業科學, 2002, 39(6): 331-334.
[4] 吳則東, 胡曉航, 吳玉梅, 等. 甜菜紅色素提取工藝研究進展[J]. 中國農學通報, 2015, 31(36): 254-258.