Colorant Introduction Pigments in animal and plant tissue Food colorant 駱錫能 國立宜蘭大學食品科學系 1 Introduction Color : Human perception of colored materials Colorant : is any chemical, either natural or synthetic, that imparts color. Foods have color because of their ability to reflect or emit different quantities of energy at wavelengths able to stimulate the retina in the eyes. 2 1
Pigments are natural substances in cells and tissues of plants and animals that impart color Dyes are any substances that lend color to materials Commonly used in the textiles industry A dye is a food grade water-soluble colorant certified bye FDA referred to certified color Lakes are dyes extended on a substratum and they are oil dispersible 4 2
Pigments in animal and plant tissue 5 6 3
Tetrapyrroles 7 肌肉的色素 (muscle pigment) 肉類顏色變化為原血紅素 ( 血基質 ) (heme) 之化學變化, 主要為 myoglobin(mb), 其次為 hemoglobin(hb) l 活的生物體中,95% 的總鐵來自血紅素 (hemoglobin) l 動物屠宰後 完全放血, 有 95% 的總鐵於肌紅素 (myoglobin,mb) l 肉類肌紅素的變化是肉品呈色的主要原因 l 其他肌肉中的色素有 : 細胞色素 (cytochrome) Vit B 12 黃色輔基 (flavin), 含量少 8 4
Myoglobin and Hemoglobin Heme Porphyrin ring is formed by four pyrrole rings joined together and linked to a central iron atom. 9 Myoglobin (Purple-red meats) Predominant meat pigment (80% of the meat pigment) Stores O 2 for aerobic metabolism Myoglobin was parts of sarcoplasmic protein, soluble in water or dilute salt solution 10 5
Globular protein consisting of a single polypeptide chain. M.W. 16.8 kd, 153 amino acids. 11 Heme prophyrin responsible for light absorption and color. Histidine Heme porphyrin is present within a hydrophobic pocket of the globin protein Oxygen or water molecule 12 6
Hemoglobin ~20 % of meat pigment Mostly in arteries, veinsand capillaries, Mostly bled out during processing Four Mbs linked together (four globin chains) (two αchains and two βchains) Each globin contains a heme group In the center of each heme group is an iron (Fe) atom. 13 Hemoglobin 4 條多胜肽 四個原血紅素 (heme), 原血紅素是平面狀, 中心有鐵 14 7
*Mb 含量, 老牛 > 小牛, 無脊椎動物沒有, 鮭 鱒魚為類胡蘿蔔素 15 Myoglobin in Different Muscle Tissues Myoglobin content of different meats varies Beef bright, cherry red Fish gray- white to dark red Horse dark red Lamb and mutton light red to brick red Pork grayish pink Poultry gray white to dull red Veal brownish pink 16 8
Chemistry and Color: Oxidation state 影響 Meat Color 的因素 : * Mb Oxidation state * Type of ligands bound to heme * State of the globin protein 17 氧化 555 nm Max. Abs. 540 及 575 nm Max. Abs. Metmyoglobin (MetMb also MMb) Myoglobin (Mb, also Deoxymyoglobin) Oxymyoglobin (MbO 2 ) Not capable of binding oxygen and sixth position is occupied by water. Meat MMb can be reduced to Mb enz. and nonenz. Main pathway: MMb reductase in the presence of NADH 18 9
Myoglobin + O 2 Gives Oxymyoglobin Considered the fresh meat color by most, actual O 2 uptake occurs (purple) (red) 19 Oxidation leads to Metmyoglobin Myoglobin and oxymyoglobin both oxidize (lose electrons) to form metmyoglobin (purple) (red) (oxidized brown) 20 10
Fresh beef round steal exhibiting surface bloom after exposure to oxygen in air for 15 minutes. (MbO 2 ; bright red) Beef round steak held 6 days at 3 C, exhibiting brown surface discoloration (Metmyoglobin; metmb). 21 氧氣分壓之影響 Oxygen partial pressure 22 11
剛切開的肉表面由於與充足的氧氣接觸, 呈現鮮紅色 此時肉表下有一定量氧化肌紅蛋白生成 隨著肉的貯放, 氧化肌紅蛋白生成量增加 因為一 少量好氧菌開始在肉表生長, 使氧氣分 壓降低 二 肌肉內固有的還原性物質 ( 如穀胱甘肽 硫氫基化合物等 ) 逐漸被耗盡時, 氧化肌紅蛋白還原成肌紅蛋白的量減少 23 影響氧化速率之因子 1. 血紅素中二價鐵氧化成三價鐵, 屬自動氧化 2. 當存在球蛋白時氧化速度降低, 3. 氧合肌紅蛋白被氧化的速率比肌紅蛋白慢 4.pH 值低時氧化加快,Cu 2+ 等金屬離子存在時氧化亦加快 *In order to enhance MbO 2 formation, saturation levels of oxygen in the environment are useful. *The rate of MMb formation can be minimized if oxygen is totally excluded. 24 12
Chemistry and Color: Discoloration 貯存肉時, 肌紅蛋白在一定條件下會產生綠變, 轉變為綠色物質 : 1. Hydrogen peroxide 與 Heme 中二價或三價鐵作用, 生成膽綠蛋白 (Choleglobin); 2. 硫化氫 (Hydrogen sulfide), 在有氧條件下, 和肌紅蛋白反應生成硫肌紅蛋白 (Fe3+) (Sulfomyoglobin), 呈現綠色 原因 : 鮮度不佳, 微生物生長產生過氧化氫 硫化氫作用的結果 25 3. Nitrite burn: Nitrite can interact directly with MMb, 生成 MMb-NO 2 In the presence of excess nitrous acid, 會生成 NMMb, 再還原後生成 Nitrimyoglobin(NMb) Heating in a reducing environment, NMb is converted to Nitrihemin (Green pigment)(fe3+, no globin) 4. 鮪魚蒸煮後呈青綠色與高含量 TMAO 存在和 Mb 作用有關 26 13
5. 用化學方法將血紅素的卟啉環打開, 保留三價鐵時為綠色 Mb 和 Hb 的 heme 經肝臟代謝,porphyrin 在 α 位置裂環, 產生膽腺素 IXα (biliverdin IXα), 呈現綠色, 又通稱為後膽色素 經酵素還原後, 生成膽紅素 IXα (bilirubin IXα), 呈現黃褐色, 其與葡萄糖醛酸結合, 輸送至膽囊中, 因此膽汁呈現黃褐色, 若再經氧化則又呈現綠色 27 冷凍貯藏的變色 Fe 2+ ---Fe 3+ 氧化速度, 魚類為哺乳類的 2-4 倍 劍旗魚冷凍貯藏中, 皮下與腹腔連結部位肌肉綠變, 與微生物產生硫化氫與 Mb 作用有關 溫度為主要影響因素 ( 鮮度 ) 28 14
Denatured Metmyoglobin (Cooked meats)( 加熱的變色 ) Cooking temperatures denature the various forms of myoglobin to create denatured metmyoglobin. (purple) (red) (oxidized brown) (cooked brown) 29 鮮肉在熱加工時會迅速變色, 因加熱時 高溫, 且氧分壓下降, 促使產生 肌色元 (Globin myohemochromogen), Fe 2+, 暗紅色氧化肌色元 (Globin myohemichromogen),fe 3+, 褐色 兩種產物中肌紅蛋白的球蛋白已變性, 氧化肌色元 (Globin myohemichromogen) 的血紅素已被氧化 (Fe 3+ ), 其褐色顯著改變了肉色 30 15
Other factors Lipid oxidation can increase the rate of pigment oxidation. Irradiation cause color change because of susceptibility of Mb molecule, especially iron. 31 肉製品的護色 1. 鮮肉於透氣性小的包裝袋內, 抽真空後密封, 必要時可加入少量脫氧劑以保持袋內無氧, 肌紅蛋白能夠長期保持不變 可搭配二氧化碳 氮氣等保持產品鮮度 (MAP: modified atmosphere packing) 2. 採用調氣 (modified atmosphere) 或控氣 (controlled atmosphere),100% CO 2 有效, 或者 CO 作用產生 MbCO (carboxymyoglobin) 呈現 cherry-red color 3. Color stability can be improved by addition of antioxidants: Ascorbic acid, Vit. E, BHA, and PG. 32 16
Nitrosylhemochrome Cured Myoglobin Sodium nitrite added to meat dissociates Nitrite combines with water Nitrous acid and nitric oxide form Penetrate to form metastable nitric oxide myoglobin. Cooking yields nitrosylhemochrome Sensitive to Oxygen presence Temperature Light 33 氧化 氧化 Nitric oxide myohemochromogen Also named Nitrosylhemochrome 34 17
醃肉製品的顏色雖相當穩定, 但光照促使轉變為肌紅蛋白和肌色元, 且繼續氧化後轉變為氧化肌紅蛋白和氧化肌色元, 促使產生光照褐變 安全問題 : 亞硝酸鹽和胺類化合物易反應生成亞硝胺 (Nnitrosamine), 為已知的致癌物, 我國規定肉類殘留亞硝酸根 (NO 2- ) 不得超過 70 ppm R R NH + NO 2- H + R N-N=O + H 2 O R Dimethyl nitrosamine (R=CH 3, 毒性最強 ) 35 36 18
Plant Pigment 1. oil soluble chlorophyll - mainly in chloroplasts carotenoids 2. water soluble anthocyanin 花青素 flavonoids 類黃酮 betalanin 37 Chlorophylls( 葉綠素 ) I. Structure (Tetrapyrroles) 1. pyrrole:a, B, C, D / Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 2. porphin - 4 pyrrole rings connected by methine bridges 3. porphyrin substituted porphin (Phorbin addition of fifth isocyclic ring (V) to porphin) 4. chlorophyll contain phytol 38 19
39 HC CH 2 H CH3 H HC CH 2 H C O H 3 C A N N B H 2 C CH 3 H 3 C I N N II H 2 C CH 3 H Mg H H Mg H H 3 C H H H 2 C H 2 C C N COO-phytyl N H C O OCH 3 D O CH 3 H 3 C H H H 2 C H 2 C N III COO-phytyl N V H C O OCH 3 IV O CH 3 Chlorophyll a Chlorophyll b 40 20
H H CH 3 CH 3 HO C H CH 3 phytol (20 carbon monounsaturated isoprenoid alcohol).. 在綠色植物中 a ( 青綠色 ): b( 黃綠色 ) = 3 : 1.Chlorophyll c 在海藻中, 双鞭毛藻 (dinoflagellates) 矽藻 (diatom).chlorophyll d 在紅藻中 紫色光合菌 綠色硫菌 41 II. Occurence In chloroplast 與 carotenoids, 脂質, 及蛋白質等接合, 但易打斷其間的鍵結 不溶於水, 易溶於有機溶劑 ( 如 : 丙酮 乙醇 乙酸乙酯等 ) Ⅲ. Physiological change 1. degreening in fruits during ripening and senescence 2. yellowing in stem and leaf vegetables 3. degradation of chlorophyll and synthesis of other pigments during ripening 42 21
IV. Derivatives 43 1. Enzymatic V. Alterations of Chlorophyll 1) 間接作用 : 脂酶和蛋白酶破壞葉綠素 脂蛋白複合體, 失去脂蛋白保護而易遭破壞 果膠酯酶將果膠水解為果膠酸, 酸性下使葉綠素脫鎂 脂氧合酶和過氧化物酶催化基質氧化, 產生的中間物質, 引起葉綠素的氧化分解 44 22
2) 直接作用 : 直接以葉綠素為基質的酶只有葉綠素酶 (chlorophyllase), 為一種酯酶 (esterase), 催化 chlorophylls and pheophytins 中植醇 (phytol) 酯鍵的水解而產生葉綠酸和去鎂葉氯酸 葉綠素酶的最適溫度在 60~82 範圍內,80 以上其活性下降,100 時就完全失活 45 2. Heat and Acid Isomerization ( 加熱所致 ): inversion of C-10 carbomethoxy group, 100 o C,10 min 轉變 5-10% to Chlorophyll a and b 在加熱中, 由於酸的作用, 葉綠素發生脫鎂反應, 生成去鎂葉綠素, 並進一步生成焦去鎂葉綠素, 食品的綠色轉變為橄欖綠色 葉綠素 a 比葉綠素 b 更快發生脫鎂反應變化, 在水溶液中不可逆 46 23
Chlorophyll alteration during heating 47 蔬菜加工中的熱燙和殺菌, 主要是熱和酸造成葉綠素轉變成焦去鎂葉綠素 其原因 : 1). 加熱下, 組織破壞, 細胞內的成分 ( 包括有機酸 ) 不再區域化, 因而與葉綠素接觸 2). 加熱中, 植物中又有新的有機酸生成, 例如草酸 蘋果酸 檸檬酸 乙酸 琥珀酸和吡咯酮羧酸 (pyrrolidone carboxylic acid)( 麩醯胺加熱下的產物 ), 可能是蔬菜受熱時, ph 降低的主要貢獻者 48 24
3). 加熱中, 脂肪水解為脂肪酸, 蛋白質分解產生硫化氫和脫羧產生的二氧化碳等引起 ph 降低 4). 植物組織受典型的食品熱加工, 其 ph 值大約會下降 1.0, 對葉綠素的分解影響頗大 在 ph 9.0 時, 葉綠素穩定耐熱, 在 ph 3.0 時, 很不穩定 5). 甜菜葉在 60 以上葉綠素才降解, 分別放在 60 和 100 下保持 1 h, 葉綠素轉變為去鎂葉綠素分別有 32% 和 97% 49 3. Metallo complex formation Cu 2+ 和 Zn 2+ 會與去鎂葉綠素 去鎂葉綠酸及焦去鎂葉綠酸 ( 素 ) 等結合, 生成鮮綠色 Cu and Zn complex is more stable in acid than alkaline. Chlorophyll a form complex faster than b Steric hindrance of the phytol chain decreases the rate of complex formation Both Cu 2+ 和 Zn 2+ are present, formation of copper complexs dominates. Cu complex more stable. 50 25
4. Allomerization( 異質同晶 ) Chlorophyll oxidize when dissolved in alcohol or other solvents and exposed to air. 產生 10-hydroxychlorophylls and 10-methoxylactone of chlorophyll. 呈現藍綠色, 51 52 26
5. Photodegradation 在活植物中, 葉綠素受到 carotenoids and other lipids 的良好保護 但在植物衰老 貯藏加工 萃取和細胞損傷等過程中易於光降解, 光和氧氣下, 不可逆褪色 無色產物可能為 methyl ethyl maleimide 和 glycerol 等 過程中, 產生 singlet oxygen and hydroxyl radicals, 再與 tetrapyrroles 作用, 產生過氧化自由基和其他自由基, 最終造成 porphyrins 破壞, 顏色退去 It has been suggested that Photodegradation begins with ring opening at one of the methyne bridges to form oxidized linear tetrapyrroles. 53 Technology of Color Preservation 1. Acid Neutralization to Retain Chlorophyll 2. HTST Processing 3. Enzymatic Conversion of Chlorophyll to Chlorophyllide 4. Commercial Application of Metallo Complex 5. Regreening of Thermal Processed vegetable 6. 其他 54 27
1. Acid Neutralization to Retain Chlorophyll 添加 alkalizing agent 提高 ph 值保持罐藏蔬菜的葉綠素 殺菁時加入氧化鈣和磷酸二氫鈉, 或採用碳酸鎂與磷酸鈉調節 ph 值 缺點 : 組織軟化和產生鹼味 Blair process, 添加 0.005 M Ca(OH) 2 或 0.02~0.05 M Mg(OH) 2 提高 ph 值又保脆 ( 一般可維持兩個月 ) 55 採用含 5% 氫氧化鎂的乙基纖維素在罐內壁上塗膜, 使氫氧化鎂慢慢釋放以長時保持 ph 8.0, 可保綠色 缺點 : 1). 麩醯胺和天冬醯胺部分水解產生氨味, 2). 高 ph 值引起脂肪水解而產生酸敗氣味 3). 在青豌豆中還可能引起 Struvite( 鳥糞石 ) 玻璃狀結晶, 為磷酸鎂和磷酸胺複合結晶物 56 28
2. HTST Processing 高溫短時間殺菌不但能使維生素和風味更好保留, 也能顯著減輕植物性食品在商業殺菌中發生的綠色破壞程度 但經過約兩個月的貯藏後, 這種護綠效果已被貯藏中食品 ph 值自然下降, 造成的葉綠素脫鎂效果所扺消 57 3. Enzymatic Conversion of Chlorophyll to Chlorophyllide Blanching at low temperature (54-76 o C) achieved better color retention. (Spinach 65 o C 45 min) caused by heat induced conversion of chlorophyll to chlorophyllide by chlorophyllase. 不足以為商業用途 58 29
4. Commercial Application of Metallo Complex Food colorant: Zinc or Copper complexes of Chlorophyll derivatives. Copper complexes of pheophytin (Copper chlorophyll) and pheophorbide (Copper chlorophyllin) are available commercially Used in EC, can not use in USA. FAO certified their use as safe in food (<200 ppm free ionized copper is present) 59 5. Regreening of Thermal Processed vegetable Vegetable puree are commercially sterilized, small bright-green areas occasionally appear, which contained zinc and copper This formation of bright-green areas in vegetable puree was termed regreening. 形成 Zn2+-pyropheophytin 或是 Cu2+ 等, 具亮綠色 60 30
Commercial production of zinc-processed green bean: Pigment were zinc pheophytin and zinc pyropheophytin 61 Conversion of chlorophyll a to pyropheophytin a Formation of zinc complexes occurs most rapidly between ph 4-6. The rate decreased markedly at ph 8.0. 62 31
Best process for canned vegetables Adding Zn 2+ 濃度約為萬分之幾 ( 組織濃度 100-200 ppm) to blanch solution 並控制 ph 值在 6.0 左右, Before blanching, heating at or slightly above 60, 以提高 Zn 2+ 在細胞膜中的滲透性 可適量加入具有界面活性的陰離子化合物 to increase negative surface charge, thereby Increasing complex formation. 63 5. 其他 氣調貯藏 (CA, control atmosphere), 屬於生理護色 過量乙烯導致的某些水果的呼吸延緩, 成熟延緩, 葉綠體及葉綠素也較慢被破壞 水分活性很低時, 即使有酸存在, 可保綠 微生物及酶的影響被抑制 在貯藏綠色植物性食品時, 避光 除氧可防止光氧化退色 ( 包材 抗氧化劑和護綠方法等 ) 64 32
Carotenoids (Tetraterpenoids 類 ) 類胡蘿蔔素 (caroteoind) 又稱多烯色素, 它是在天然食品原料中分佈最廣泛的色素 植物性 : 紅色 黃色和橙色水果及根用作物和蔬菜 動物性 : 卵黃 蝦殼 鮭魚 鱒魚等 65 (a) Structure 類胡蘿蔔素分兩大類 : 1. 碳氫化物 (hydrocarbon ), 稱為胡蘿蔔素 (Carotene) 2. 結構中含有羥基 環氧基 醛基 酮基等含氧基團 (oxygenated carotene ), 稱為葉黃素類 (Xanthophylls) 含有 40 個碳的多烯四萜, 包含 8 個異戊二烯 (isoprenoid) 單位 66 33
Carotene 胡蘿蔔素類為典型的脂溶性色素, 易溶於石油醚 乙醚而難溶於乙醇 α-, β-, γ- carotene : provitamin A, Lycopene not provitamin A Carotene: 胡蘿蔔 甘藷 蛋黃 Lycopene: 蕃茄 西瓜 南瓜 柑橘 67 68 34
69 1. free form 2. esters with lipids (b) Occurrence 3. combined with protein stabilized color changed astaxanthin (red) ; astaxanthin-protein (blue) 4. combined with sugar crocetin + 2 gentiobiose crocin 70 35
(c) Chemical reactions 1. Provitamin A β carotene 2 vitamin A α carotene 1 vitamin A β cryptoxanthin 1 vitamin A 71 2. Oxidation- free radical reaction a. Easily oxidized because of conjugated double bonds, which cause color loss and degradation. b. Increase oxidation: Physical damage to tissue Extraction Storage in organic solvent Exist of sulfite and metal ion Enzymatic activity: particularly Lipoxynenase (indirect R x) Polyunsaturated fatty acids 被作用產生 peroxides, then reacted with carotenoids. 72 36
73 3. Antioxidative Activity Against singlet oxygen at low oxygen partial pressure, inhibit lipid peroxidation. At high oxygen partial pressure, β carotene has pro-oxidant properties. 4. cis/trans isomerization 自然界以全 trans 為主 - trans 較安定 74 37
加工與貯藏中變化 顏色的穩定性 : 多數加工和貯藏條件下穩定, 但若溶出於脂類中, 在有氧 酸性和加熱條件下則可能分解, 影響色澤 維生素 A: 加工和貯藏中部分被破壞性, 維生素 A 原減少 胡蘿蔔素類在氧氣分壓較低 (2024 10 5 Pa 以下 ) 時, 具有抗氧化劑的作用, 可清除單重態氧 羥自由基 超氧陰離子和過氧化自由基 作用後, 胡蘿蔔素類被分解, 或者又復原 75 Xanthophylls( 葉黃素類 ) 隨著葉黃素的含氧量, 或羥基和羰基等增加, 其脂溶性下降, 葉黃素溶於甲醇 乙醇, 難溶於乙醚和石油醚, 有些甚至親水 葉黃素類的顏色常為黃色和橙黃色, 也有少數為紅色 ( 如辣椒紅素 ), 如以脂肪酸酯的形式存在, 則保持本來顏色 如與蛋白質相結合, 其顏色卻可能發生改變 76 38
77 葉黃素類在熱 酸和光作用下, 易生順反異構化, 但色變不明顯 葉黃素類易受氧化和光氧化而分解, 強熱下分解為小分子, 有時會明顯改變食品的顏色及風味 部分為維生素 A 原, 如玉米黃素 柑橘黃素 多數葉黃素具有抗氧化作用 78 39
加工與貯藏中變化 加工和貯藏中遇到光照 氧化 中性或酸性條件下加熱, 會發生異構化 氧化分解等, 緩慢地使食品發生退色或褐變 脂氧合酶 多酚氧化酶 過氧化物酶等可加速類胡蘿蔔素的氧化分解, 屬於間接作用 食品加工中, 殺菁等適當的酶處理措施可保護類胡蘿蔔素 79 多酚類色素 (O-heterocyclic compounds/quinones 類 ) 1. Anthocyanins 2. Proanthocyanidin 3. Flavonoids 4. Catechin 5. Tannin 6. Betalains (N-heterocyclic compounds) 80 40
1. Anthocyanins 花青素 1. structure (a) aglycone 配醣體 (chromophore, 呈色團 ), 花青素去醣後之配醣體為 anthocyanidin 81 (b) glycoside rhamnose / glu / gal / xyl / ara at 3- ; 3-,5- ; 3-,7- ; positions OH CH 3 OH O OH rhamnose OH.galactoside 比 arabinoside 安定.diglucosides 比 monoglucosides 安定 (c) acylated coumaric / ferulic / caffeic / melonic / vanillic / acetic / malic / succinic / ρ-hydroxybenzoic 增加安定性 82 41
食品中常見之六種花青素 花青素是水溶性色素, 增加親水性的糖基, 水溶性更強 各種花青素的顏色差異主要是由 flavylium 鹽上的取代基不同而引起 甲氧基是比羥基更強的電子提供者, 糖基和甲氧基的供電子能力相近, 但可能表現出空間障礙效應 Generally, increased hydroxylation decreases stability, while increased methylation increases stability 83 天竺葵苷素 車菊色素配質 花翠配質 牡丹素 牽牛花素 錦葵色素 84 42
1. ph 值的影響 花青素的變化 85 86 43
87 88 44
2. Temperature effect 加熱平衡傾向 Chalcone( 查耳酮 ) 含羥基多的花青素, 其熱穩定性小於含甲氧基或含糖苷基多的花青素 Stability ph and temp dependent 草莓花青素之半衰期 (hr) 20 1300 38 240 ph 2 ~ 4 最安定 89 熱降解途徑尚未完全了解, 初步提出三途徑 90 45
3. 氧氣 水活性與抗壞血酸 花青素高度不飽和的結構使它對氧氣頗為敏感, 氧氣對花青素具有破壞作用 在 aw 為 0.63~0.79 範圍, 花青素的穩定性相對最高 91 在含有抗壞血酸和花青素的果汁中發現, 兩種物質的含量同時減少 主因抗壞血酸在氧化中可產生 H 2 O 2,H 2 O 2 對 flavylium 的 C-2 進行親核攻擊, 使吡喃環裂開而產生無色的酯和香豆素 (cumarin) 衍生物, 再進一步降解或聚合, 最終在果汁中產生褐色沉澱物 Cu2+ 濃度提高時會加速抗壞血酸和花青素的降解, 而食品中有黃酮醇 ( 例如槲皮素 (quercin) 和槲皮苷 (quercitrin)) 等抗氧化劑存在時, 有保護抗壞血酸和花青素的功效 92 46
4. 光照的影響 光照會加速花青素的分解 光照下, 醯化 (acylated) 和甲基化 (methylated) 的二糖苷比非醯化的二糖苷穩定, 二糖苷又比單糖苷穩定 多羥基黃酮 異黃酮的磺酸酯與花青素形成複合物, 保護花青素, 避免光分解 93 5. 二氧化硫的影響水果 加工糖漬櫻桃在 0.8-1.5%SO 2 處理, 或是在 0.05%~0.2% 的 SO 2 水溶液中貯存, 其花青素會被漂白 SO 2 在酸作用下形成亞硫酸氫根, 對花青素 C-4 親核反應, 破壞共軛系統, 生成無色的花青素亞硫酸鹽複合物 94 47
6. 糖及糖分解產物的影響 高糖濃度下, 水活性低, 花青素生成擬鹼式的速度減慢 低糖濃度 ( 如果汁 ), 分解或變色加速 果糖 阿拉伯糖 乳糖和山梨糖的作用比葡萄糖 蔗糖和麥芽糖強 糖類生成糠醛或羥甲基糠醛, 再與花青素類縮合而生成褐色物質 升溫和氧氣存在反應加快 95 7. 金屬離子的影響 花青素與金屬離子形成的錯合物顏色鮮艷 花青素的 B 環上若含有鄰羥基, 與 Al 3+ Fe 2+ Fe 3+ Sn 2+ Ca 2+ 等金屬離子生錯合變色, 產物可能為深紅 藍 綠和褐色等 96 48
(8) 縮合反應的影響分為自我縮合 (self-association) 與有機化合物縮合 (copigmentation) During winemaking, covalent self-association of anthocyanin result in stable color in wine 與 protein, tannin, other flavonoids, polysaccharide 形成弱複合物, 引起紅色效應並使吸光度加大, 穩定性高於花青素 pectin, starch 吸附 flavylium 穩定花青素 Condensation to yield colorless 4-substituted flav-2-ene 97 98 49
(9). 酵素作用糖苷水解酶 (glycosidase) 將花青素水解為花青素配醣體, 穩定性小於花青素, 加速分解 多酚氧化酶 (polyphenol oxidase) 催化酚類氧化成鄰醌, 鄰醌再氧化花青素, 生成氧化花青素及分解產物 99 2. 無色花青素 Proanthocyanidins (leucoanthocyanidins) 又稱原花色素 (anthocyanogen), 是一類結構與花青素相似, 味澀而無色的化合物 基本結構單元常為黃烷 -3,4- 二醇 (flavan-3,4-diol), 經由 4 8 或 4 6 位縮合而形成二聚體 三聚體或多聚體 100 50
101 本身無色, 但食品加工中會生成有色的產物 構造與 Anthocyanin 相似, 但具有 orthohydroxy group (3,4 diols) 特性 : 1. 酸性下, 加熱 氧作用, 會生成花青素 2. 與食品的澀味有關, 主要是與 protein 結合, 產生澀味 3. 因含有 orthohydroxy group 所以和酵素性褐變有關 4. 與啤酒等酒類的白濁有關 5. 在空氣中或光照 --- 紅褐色 6. 水果中 2~8units 聚合與蛋白質形成複合體 102 51
103 3. Flavonoids C C C C 6 C 3 C 6 structure Fig. General structure and numbering pattern for common food flavonoids. 104 52
105 106 53
107 A. Flavonols - in instant tea powder, astringent 澀味 HO O OH OH OH O Kaempferol HO O OH OH HO O OH OH OH OH O Quercetin OH OH OH O Myricetin 108 54
55 109 B. Flavones O OH HO OH O Apigenin O OH HO OH O Luteolin OH O OH HO OH O OH OH Tricetin 110 OH OH HO OH O C. Chalcone OH C C O HC OH HO O OH OH 2' 3' 4' 4 5 6 7 D. Aurone Aureusidin O OH HO OH O E. Flavanone Naringin O OH HO OH O F. Isoflavanone Genistein
天然類黃酮多以糖苷的形式存在, 水溶性, 所以水萃物主要是類黃酮苷 萃取類黃酮元則常用氯仿 乙醚 乙酸乙酯等 類黃酮苷的糖基常包括葡萄糖 半乳糖 木糖 芸香糖 (rutinose) α-l-rhamnopyranosyl-(1 6)-β-Dglucopyranose 新橙皮糖 (neohesperidose) 2-O-(6-deoxy-alpha-Lmannopyranosyl)-beta-D-glucopyranose 和葡萄糖酸等 糖苷鍵的位置常見在 3 5 和 7 位 111 加工和貯藏中的變化 類黃酮可與多價金屬離子形成錯合物, 呈色效應強 如聖草素 (luteolin) 與 Al 3+ 錯合後會增強黃色 類黃酮與鐵離子錯合後可呈藍 黑 紫 棕等顏色 蘆筍中的芸香苷 (rutin,quercetin-3-rutinoside) 與鐵離子作用產生深色斑點 芸香苷與錫離子錯合, 產生黃色 112 56
水硬度較高或鹼性條件下烹調, 原本無色的黃烷酮或黃烷酮醇可轉變為有色的查耳酮類 馬鈴薯 小麥粉 蘆筍 荸薺 黃皮洋蔥 菜花和甘藍等在鹼性水中加工 ( 煮 ) 時, 出現由白變黃的現象 113 褐變的中間生成物 ( 鄰醌 ) 或其他氧化劑可氧化類黃酮而產生褐色物質 黑色橄欖的顏色即是產品發酵和後期儲藏中, luteolin-7-glucoside 受氧化而形成的 類黃酮是重要的生物活性物質, 目前已知的主要有清除自由基 擴張血管 改善微循環 降血脂 降膽固醇及防治心腦血管疾病等功能 114 57
4. Catechin 常見的兒茶素 (catechin) 有 4 種, 另外還有一些聚合態及蛋白質結合態的兒茶素 兒茶素在茶葉中含量很高 兒茶素本身無色 具有輕微的澀味 兒茶素與金屬離子結合產生白色或有色沉澱 例如兒茶素溶液遇三氯化鐵生成黑綠色沉澱, 遇醋酸鉛生成灰黃色沉澱 115 116 58
茶葉中常見的兒茶素有六種, 即 : L- 兒茶素 (D, L-C), L- 沒食子兒茶素 (D, L-GC, gallocatechin), L- 表兒茶素 (L-EC, epicatechin), L- 表沒食子兒茶素 (L-EGC, epigallocatechin), L- 表兒茶素沒食子酸酯 (L-ECG, epicatechin-3- gallate), L- 表沒食子兒茶素沒食子酸酯 (L-EGCG, epigallocatechin-3-gallate) 117 兒茶素易被氧化生成褐色物質 紅茶加工中, 兒茶素的氧化產物被稱為茶黃素 (theaflavin) 和茶紅素 (thearubigin), 茶黃素色亮, 茶紅素色深, 二者以適當比例構成紅茶的顏色 高溫 潮濕條件下遇氧, 兒茶素也可自動氧化 118 59
119 5.Tannins 單寧或單寧酸為樹皮等植物的複雜混合物, 有無色 黃色或褐色等 1. 水溶性, 分子量 500~3000 Da, 和澀味有關, 加熱 氧化或遇到醛類會縮合, 消除澀味 2. 與蛋白質產生交互作用, 使之沈澱, 或應用於鞣革, 與多種生物鹼或多價金屬離子結合生成有色的沉澱 3. 單寧不安定, 易氧化, 食品中的褐變有關, 酵素性褐變和非酵素性褐變都可發生, 但以酵素性褐變為主 4. 檳榔含有多量的單寧, 被認為與口腔癌有關 120 60
分為 : 1. 可水解單寧 (hydrolyzable tannin)--- 酸 鹼或單寧酶均可分解之, 包括沒食子單寧 (gallotannin) 和鞣花單寧 (ellagitannin) 2. 縮合性單寧 (condensed tannin)--- 單寧相關物質連結而成,4,8 或 2,8 碳 碳連成, 或 3,3ether 連成的 dimer, trimer, or polymer 的無色花青素 兒茶酚及相關化合物 121 122 61
6. Betalains 紅甜菜色素 顏色與花青素相似,water soluble,exist as internal salt (zwitterions) in vacuoles 來源 : 甜菜 (red beet), 莧菜 (amaranth) 分二類 : Betacyanins ( 紅色 ) 有 indole Betaxanthins ( 黃色 ) 以胺基酸取代 indole Color not affected by ph 123 124 62
+ 1,2,4,7,7-pentasubstituted 1,7-diazaheptamethin system Betaxanthins (Yellow): R does not extend conjugation of the system, Max. Abs. at about 480 nm Betacyanins (Red) R extend conjugation of the system, Max. Abs. at about 540 nm 125 1. Optically active because of chiral carbons C-2 and C-15. 2. Hydrolysis lead to Betanidin, C-15 epimer Isobetanidin, or mixture of this two aglycones 3. Major betacyanins in the red beet are Betanin and Isobetanin 4. In amaranth they are Amaranthin and Isoamaranthin 126 63
Betaxanthins differ from betacyanins in that the indole nucleus is replaced with an amino acid. Indicaxanthin: Proline, Vulgaxanthin-I,II : Glutamine, Glutamic acid 127 Physical properties Betalains absorb light strongly. The spectra of betanin solution at ph 4.0-7.0 do not change, Max. Abs. 537-538 nm. <4.0, Max. Abs. slightly shorter (535 nm at ph 2.0) >7.0 Max. Abs. longer (544 nm at ph 9.0) 甜菜苷 (betanin) 溶液在 ph 值 4~7 範圍內呈紫紅色, 當 ph 值低於 4 或高於 7 時, 顏色變為紫色 ph 10.0 以上時,betacyanin 被水解為 betaxanthin, 溶液立即向黃色轉變 128 64
Chemical Properties Heat and/or Acidity Oxygen and Light Conversion of Betacyanin to Betaxanthin 129 Heat and/or Acidity Mild alkaline, or heating of acidic solution, Betanin degrades to BA and cyclodopa-5-oglucoside (CDG) Reaction ph dependent, ph 4-5 most stability Reaction requires water. (betanin is very stable if no water) Aw 0.12 (2% moisture), optimal storage stability for beet powder 130 65
131 132 66
Oxygen and Light Oxygen cause betanin degradation, accelerate pigment loss. Affected by ph. Oxidation accelerates in the presence of light Ascorbic acid, Isoascobic acid, EDTA,citric acid improve their stability. Phenolic antioxidants (free radical scavengings) are ineffective stabilizers Sodium sulfite, sodium metabisulfite hasten loss of color. 133 134 67
Conversion of Betacyanin to Betaxanthin 135 焦糖色素 (caramel) 焦糖色素 (caramel) 是糖質原料 ( 如飴糖 蔗糖 糖蜜等 ) 加熱脫水中縮合而成的複雜的紅褐色或黑褐色混合物 糖質原料在 180~200 高溫下反應形成 稠液狀或塊狀, 具焦糖香氣和少許苦味, 水溶液呈透明狀紅棕色,pH 2.6~5.5 光照 酸 鹽的穩定性高, 紅色色度高, 但著色力低 136 68
紅麴色素 (monascorubin) 源於紅麴米, 是一組由紅麴黴菌絲所分泌的微生物色素, 屬酮類色素 分別為紅斑素 紅麴紅素 紅麴素 紅麴黃素 紅斑胺和紅麴紅胺, 實際應用的主要是前兩種 紅麴色素是暗紅色粉末, 可溶於水, 色調不隨 ph 值變化, 熱穩定性高, 幾乎不受金屬離子影響 不受氧化劑和還原劑影響 ( 次氯酸除外 ), 但在太陽直射下, 色度降低 著色力強, 對蛋白質染性好 137 薑黃色素 (turmeric) 薑黃色素 (turmeric) 是從生薑科薑黃屬植物薑黃的地下根莖中萃取的黃色素, 它是一組酮類色素的混合物, 主要成分為薑黃素 (curcumin) 去甲基薑黃素雙去甲基薑黃素等 138 69
139 薑黃色素為橙黃色粉末, 幾乎不溶於水, 溶於乙醇 冰醋酸和鹼溶液, 具有特殊芳香, 稍苦, 中性和酸性溶液中呈黃色 鹼性溶液中呈褐紅色, 對光 熱 氧化作用及鐵離子等不穩定, 但耐還原性好 它對蛋白質著色力甚好 抗癌 抗發炎 保護心血管 抑制糖尿病 常用於咖哩粉著色, 或用於糖果 冰淇淋 汽水 果凍 蛋糕 沙拉調味料等 140 70
食用著色劑 1. 天然著色劑 a) 生物體色素動物性色素 ----- 胭脂紅 (carmine) 蟲漆酸 (laccaic acid) 植物性色素 ----- 葉綠素 紅花萃取物 婀娜多萃取物 β- 胡蘿蔔素微生物 ----- 紅麴色素 b) 無機質著色劑 ----- 三氧化二鐵 二氧化鈦 141 2. 人工合成著色劑 a) 食用煤溚色素煤溚色素是以芳香族碳氫化物為 原料合成的色素 目前指定可用的食用煤溚色素均 為水溶性 酸性色素, 無毒性 鹼性色素則有毒性 142 71
b) 鋁麗基 (aluminum lake) 法定食用煤溚色素吸附在氫氧化鋁上, 形成鋁鹽, 為油溶性的細微粉末, 可應用於油脂類食品 粉末食品 糖衣糕餅和錠劑等 使用限制 : 生鮮食品 味噌 醬油 海帶 海苔 茶葉等不得使用食用煤溚色素 143 我國食品衛生法規規定 1. 指定作為食品添加物的著色劑 a) 食用煤溚色素和鋁麗基 : 食用紅色六號 食用紅色七號及鋁麗基 食用黃色四 五號及鋁麗基 食用綠色三號及鋁麗基 食用藍色一 二號及鋁麗基 食用紅色四十號及鋁麗基等 144 72
b) 無機著色劑氧化鐵 二氧化鈦 c) 天然著色劑 β- 胡蘿蔔素 β- 衍 -8- 胡蘿蔔醛 β- 衍 -8- 胡蘿蔔酸乙酯 4-4- 二酮 -β- 胡蘿蔔素 蟲漆酸 銅葉綠素及鈉鹽 鐵葉綠素鈉 核黃素 核黃素磷酸鈉 145 2. 指定外的天然著色劑 : 薑黃 焦糖色素 ( 醬色 ) 胭脂紅 婀娜多 番紅花和紅麴色素等計四十四種之多 146 73
色素名稱來源 焦糖 色素 Caramel 薑 黃 色素 Turmeric 紅甜菜 色素 Beet Red 黃梔 子 色素 Crocin 紅椒 色素 Paprika Colors 糖類之脫 水縮合物 由薑 黃 (Curcuma longa) 之根莖取得;主成份 : 薑 黃素 (Curcumin) 由甜菜 (Beta vulgaris) 之根莖取得;主成份 :Betanin 由 黃梔 子之果實或蕃紅花取得;主成份 :Crocin 由茄科之紅椒 (Caprium annuum) 果實取得;主成份 : 蕃椒花素 (Capsanthin) 147 紅麴 色素 Monascus Colors 紅 玉蜀 黍 色素 Corn Colors 可可 色素 Cocoa Colors 葡萄果 皮 色素 Grape Skin Colors 葉綠素 Chlorophyll Colors 由紅麴菌 (Monascus purpureus, Monascusanka) 產 生 由紅 玉蜀 黍 (Maiz morado) 種 子之穀取得;主成份 : 花 青素系之紅 色素 由可可 (Theobro macacao) 之種 子取得 由紅葡萄之果 皮取得;主成份 : 花 青素系之紅 色素 由綠 色可 食植物之葉取得 綠藻 色素 Chlorella Colors 由綠藻取得;主成份 : 葉綠素 148 74
胡蘿蔔 色素 Carrot Colors 紅橄欖菜 色素 Red Cabbage Colors 梔 子藍 色素 Gardenia Blue 高粱 色素 Sorghum Colors 番茄 色素 Tomato Colors 紫蘇 色素 Perilla Colors 洛神花 色素 Hibiscus Colors 紅莧菜 色素 Amaranthus Colors 由胡蘿蔔梔根莖取得;主成份 : 胡蘿蔔素 由紅橄欖菜之葉取得;主成份 : 花 青素 由 黃梔 子 色素經酵素處理後所得;主成份 :Genipin 由 高粱果實之穀取得 由番茄之果實取得;主成份 :Lycopene 由紫蘇之葉取得;主成份 :Shisonin 由洛神葵之花取得;主成份 : 花 青素 由紅莧菜取得;主成份 :Amaranthin 149 柿 子 色素 Persimmon Colors 葉 黃素 Xanthophylls 大瑪琳 色素 Tamarind Color 婀娜多 Annatto, water / oil soluble 蟲漆 色素 Lac Colors 胭脂紅 Carmine 紅花 黃 由柿之可 食部份經發酵 分離 加壓 褐變 過濾 濃縮 乾燥 而得;主成份 : 多酚類 (Polyphenol) 由苜蓿中萃取濃縮 而得;主成份 : 葉 黃素 (Xanthophylls) 由 大瑪琳 (Tamarindus indica L.) 之種 子取得;主成份 : 多酚類 (Polyphenol) 由紅 木 (Bixa orellana L.) 之種 子取得 主成份 : 水溶性婀娜多;油溶性婀娜多 由 Laccifer lacca 分泌 而得;主成份 : 蟲漆酸 (Laccaic Acid) 由雌性胭脂蟲 (Coccus cacti) 取得;主成份 :Carminic Acid 由紅花 (Carthamus tinctorius) 之花瓣取得 150 75
Colorimetry 1. Colorimeter 之原理 : 模仿人眼睛辨識顏色 2. 眼睛辨色的構造 : 在視網膜 (retina) 有二類視網膜桿 (rods): 在暗淡的光線中辨識黑白, 不能辨色視椎 (cones): 有三類, 分別對不同的顏色反應敏銳紅色 (R) 藍色 (B) 綠色 (G) 151 3. 有色光的加成與配色 color matching by the addition of lights 152 76
4. 顏色的定義 Tristimulus values (CIE 座標系統 ) (100)white, L R, G, B X, Y, Z +b -a G + a B -b (0) black The Hunter Color Solid 153 數據處理 : 1. 色差 (color difference, ΔE) : 以白板標定儀器, 求試驗組與控制組的色差 ΔE = (ΔL) 2 + (Δa) 2 + (Δb) 2 2. 白度 (whiteness): w = 100 (100 L) 2 + a 2 + b 2 3. hue shift 色相 : a / b 4. chroma 彩度 : a 2 + b 2 154 77
Thank you for your attention! 駱錫能國立宜蘭大學食品科學系 155 78