甜菜红色素是一类含氮的、水溶性的生物碱类色素。根据其吸光性的不同分为β-花青苷和甜菜黄素，其中甜菜黄素包含甜菜苷类、千日红苷类、苋菜苷类等[1]。甜菜红素可使植物呈现绚丽的颜色，具有吸引蜜蜂等昆虫的作用，有利于植物授粉和传播[2]。甜菜红素是石竹目植物中特有的色素，目前为止，已经在17种石竹目植物中分离鉴定出有明确结构的甜菜红素共75种[3-4]。甜菜红素安全性高，美国食品药品督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准甜菜红素作为食品添加剂在食品中使用[5]，我国国家标准GB 2760—2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》中规定甜菜红素是在各类食品中按生产需要适量使用的食品添加剂，没有限量规定[6]。
经莽草酸途径生成的络氨酸为甜菜红素生物合成的前体物质，络氨酸在络氨酸羟化酶的作用下生成3，4-二羟基-L-苯丙氨酸（L-多巴），L-多巴会分成两条反应途径：一条是在4，5-多巴双加氧酶催化下生成甜菜醛氨酸，甜菜醛氨酸是甜菜红素的基本构成单元及发色团[7]；另一条途径在多巴氧化酶和多酚氧化酶作用下生成环状多巴。Joy等[8]发现在Phytolacca americana中，多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）参与了环状多巴的生成。Tanaka等[9]认为苋菜苷是由环多巴-5-O-葡糖醛酸葡萄糖苷与甜菜醛氨酸直接生成，而Polturak等[1]则认为是由甜菜红苷在葡糖基转移酶参与下直接生成。甜菜红素的合成途径如图1所示[1，8-9]。
图1 甜菜红素的部分生物合成途径
Fig.1 Proposed partial biosynthetic pathway for betalain pigment
1 甜菜红素的生物活性
1.1 抗氧化活性
Cai等[10]采用 1，1-二苯基-2-苦基肼法（1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）评价了从苋科植物中提取的甜菜红素的抗氧化性，发现千日红紫素和甜菜黄素的抗氧化性最强，EC50分别为3.7 μmol/L和4.2 μmol/L，抗氧化能力强于芦丁（EC506.1 μmol/L），是抗坏血酸（EC5013.9 μmol/L）的3倍多，同时发现6-O-糖基化β-花青苷比5-O-糖基化的β-花青苷具有更高的抗氧化活性。甜菜红素的抗氧化能力同其结构有着密切关系，有研究表明甜菜红素若发生糖基化反应会降低其抗氧化活性，但是酰基化反应可以增强抗氧化活性，C-5位的羟基官能团也可以增加抗氧化活性，与抗氧化活性类似，甜菜红素自由基清除能力也同羟基的位置有关[10]。甜菜红苷和甜菜红苷配基抑制由细胞色素C引起的亚油酸过氧化的EC50为0.4 μmol/L和0.8 μmol/L，强于儿茶素和维生素E的1.2 μmol/L 和 5.0 μmol/L，此外，甜菜红苷可以抑制细胞膜和亚油酸的脂质过氧化[11]。Tesoriere等[12]研究表明，虽然甜菜红苷亲水性物质，但无论在体内还是体外，它们都可以与人体低密度脂蛋白结合并阻止其氧化反应的发生。
1.2 抗癌活性
Wu等[13]发现红肉火龙果H.polyrhizus果皮中β-花青苷在体外具有较强的抗癌活性，能够抑制B16F10黑色素瘤癌细胞的增殖，抑制效果要强于果肉中的β-花青苷。甜菜中提取的甜菜红苷在体外条件下浓度为200 μg/mL时可以抑制49%的HepG2肝癌细胞增殖[14]。体内研究证实在小鼠体内甜菜红苷对由化学致癌物引起的皮肤癌和肾癌具有长期的抑制效果[9]。
1.3 抗炎活性
甜菜红苷和刺果仙人掌黄质通过抑制细胞间附着分子-1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）来阻止内皮细胞氧化还原态的改变，起到抗炎的作用[15]。Vidal等[16]研究甜菜红素对炎症反应的关键酶脂氧合酶（lipoxygenase，LOX） 和环氧合酶（cyclooxygenase，COX）的抑制作用时发现，甜菜红苷、多巴黄质和甜菜红配基对LOX和COX均有抑制作用，甜菜苷配基的浓度在0～350 μmol/L时对LOX活性抑制存在剂量依赖，多巴黄质和甜菜红苷在pH6和pH9环境下能显著抑制LOX活性，在pH9时能够完全抑制LOX活性，且甜菜红苷比多巴黄质对COX的活性抑制更明显。
1.4 其他活性
此外，通过动物体内实验发现甜菜红素还具有修复由百草枯农药引起的肾脏和肺损伤的功能，在小鼠体内表现出辐射防护和促进免疫系统康复的作用，随着对甜菜红素活性功能的研究不断深入，更多的生物活性功能不断被发现，有研究报道，甜菜红素对高血压、动脉粥样硬化、神经系统及消化系统疾病均显示出有利效果[17]。
2 加工方式对甜菜红素的影响
2.1 加热
Von Elbe等[18]发现甜菜加工中的加热处理促进了甜菜红苷的差向异构化作用，甜菜红苷与异甜菜红苷的比例随着加热温度的升高和时间的延长而逐渐降低，在甜菜汁罐头烫漂和灭菌过程中，甜菜红素的含量相比于未加工的鲜甜菜汁有41%的损失，甜菜红素分解为甜菜醛氨酸和环多巴。火龙果果汁在80℃加热30 min后，β-花青苷的损失率为43%，温度增大到85、90、95℃，加热30 min后，损失率分别达到59%、68%、72%，高温对β-花青苷的破坏较为显著[19]。Chew等[20]发现从火龙果果皮提取的β-花青苷在80℃加热时比相同温度加热的甜菜黄素降解速度更快。同时，pH值是影响甜菜红素耐热性的重要因素，火龙果果皮中的甜菜红素在pH值为3.7～5.5时，能够耐受100℃10 min的加热而不发生降解[21]。
研究显示从火龙果皮提取的β-花青苷和甜菜黄素在加热温度为70℃～120℃时，降解的速率符合第一动力学模型，随着加热时间的延长和加热温度的升高，色素的降解速率也会增大，温度从70℃升至120℃，β-花青苷的降解速率常数k增大了10倍，但甜菜黄素的降解速率常数只增大了5倍[20]。火龙果果汁在加热浓缩时，甜菜红素的降解速率也符合第一动力学模型，而且浓缩后的果汁在4℃贮藏比在25℃贮藏时甜菜红素的保留率更高[22]。
2.2 添加食品添加剂
甜菜红素对不同种类浓度的食品添加剂敏感性有差异，醋酸、磷酸、盐酸、硫酸、柠檬酸及酒石酸5种酸味剂中，醋酸对甜菜红素的影响最小，在pH6时，色素保留率能达100%；抗氧化剂中，茶多酚对甜菜红素稳定作用最强且与添加量成正比，迷迭香对甜菜红素无稳定作用；甜味剂中，甜蜜素的添加浓度对红甜菜色素保留率几乎无影响，其次白砂糖和木糖醇对甜菜红素保留率的影响也较小，但随着添加量增大，对色素保留率的影响增大；防腐剂中苯甲酸钠和山梨酸钾均对甜菜红素的稳定性有一定影响，添加0.1%苯甲酸钠溶液放置20 d后甜菜红素保留率在90%以上[23]。毕丽君等[24]的研究也证实0.02%茶多酚增强了甜菜红素的稳定性，此外，0.05%的抗坏血酸、20%乙醇均能增强色素的稳定性。在pH4的紫肉火龙果果汁中，添加1%的抗坏血酸、异抗坏血酸和柠檬酸，经过85℃加热1 h后，β-花青苷的保留率分别为82.9%、75.3%和55.1%，而未添加的对照组仅为36.9%[25]。徐菡等[26]发现在适量浓度范围内添加抗坏血酸、植酸、草酸、柠檬酸、L-半胱氨酸、氯化钙、乙二胺四乙酸、β-环状糊精能够增强甜菜汁中甜菜红色素的稳定性。其中，抗坏血酸的效果最为明显，但过量添加抗坏血酸会破坏甜菜红素的稳定性。Cai等[27]研究发现，在含有甜菜红素的饮料和果冻中加入0.1%～0.5%的抗坏血酸对色素起保护作用，0.5%～1.0%的抗坏血酸则起破坏作用。徐菡等[26]推测这可能是过量抗坏血酸易与溶解氧反应生成过氧化氢，起到助氧化的作用，引起甜菜红素的降解。
2.3 灭菌
短波紫外线杀菌对火龙果果汁中的甜菜红素也有降解作用，Ochoa-Velasco等[28]用1.026 kJ/m2短波紫外线照射火龙果果汁进行灭菌，果汁流速分别为16.49、23.78、30.33 mL/s，甜菜红素含量从 110 mg/L 分别降至98、95、94 mg/L，流速对色素含量的降解影响不显著。Herbach等[29]采用3种加热灭菌方式对火龙果果汁灭菌，高温短时灭菌（加热温度92℃，流速100 L/h，预热时间7 s，保持时间26 s）和热交换器加热灭菌（加热温度92℃，流速120 L/h，预热时间53 s，保持时间26 s）对甜菜红素的保留率均优于蒸汽加热灭菌（加热温度92℃，预热时间85 min）。在火龙果果汁中添加0.25%的抗坏血酸再经过巴氏杀菌，果汁中β-花青苷的保留率最高，达到85%，当果汁中的抗坏血酸添加量超过0.5%时，保留率低于对照，这证实了Cai等[27]关于过量添加抗坏血酸会破坏色素的结论[20]。
2.4 包埋
Azeredo等[30]研究了微胶囊化对甜菜红素保留率的影响，结果表明，保留率与喷雾干燥时麦芽糊精与甜菜的质量比没有直接关系，质量比为 3∶1、4∶1、5∶1时，甜菜红素的保留率均在90%左右，但与储藏条件有关，将微胶囊存放在深色罐中放置6个月后，色素的降解率为30%，而在透明罐中的降解率为57%，并且发现质量比为5∶1时，降解率略低于其他两种质量比的微胶囊。火龙果中提取的甜菜红素分别经过磷酸化马铃薯淀粉和琥珀酰化马铃薯淀粉包埋后，形成的微胶囊在40℃储藏39 d后，磷酸化淀粉和琥珀酰化淀粉中β-花青苷的损失率分别为22.6%和23.2%，而两种改性淀粉中甜菜黄素的损失率为41.06%和45.60%，且两种淀粉中β-花青苷和甜菜黄素的保留率均比采用麦芽糊精和菊粉作包埋材料的微胶囊要高，说明这两种改性淀粉更适用于作甜菜红素的包埋材料[31-32]。
2.5 其他加工方式
Ruiz-Gutiérrez等[33]用双螺杆挤压机对红仙人掌果实进行挤压膨化研究时发现，甜菜红素的保留量和加工温度和螺杆旋转速度有关，且在相同温度条件下，甜菜黄素的降解速率要大于β-花青苷，说明在挤压膨化加工中，甜菜黄素对温度更为敏感。
红肉火龙果的浓缩果汁和未浓缩的鲜果汁分别放置在4℃和25℃下56 d，甜菜红素的保留率由高到低排列为浓缩果汁4℃＞浓缩果汁25℃＞鲜果汁4℃＞鲜果汁25℃，表明浓缩果汁在低温下存放更有利于甜菜红素的保存，较低的水分活度更有利于增强甜菜红素的稳定性[18]。
加工中的搅拌过程对甜菜红素也有破坏作用，Wong等[19]的研究表明，将火龙果汁置于220 r/min的摇床中振荡35 d，其中的β-花青苷含量要显著低于对照组，搅拌加速了β-花青苷的降解。这是由于搅拌增加了果汁与氧气的接触面积，而氧化作用会降低β-花青苷的稳定性。
罗进等[34]研究加工中果胶酶酶解条件对火龙果果汁中甜菜红素保留率的影响，结果发现少量果胶酶的加入便会引起甜菜红素的降解，降解量与酶解时间、酶解温度成正比，酶解环境pH值在4.5时，甜菜红素的降解量最少。
3 存在的问题与展望
相比于人工合成色素，天然色素有价格高、稳定性差的缺点，但天然色素具有人工合成色素无法比拟的潜在健康效能。常用的天然色素有类胡萝卜素、叶绿素、花青素和甜菜红素。由于甜菜红素的强抗氧化性，特别在慢性疾病的形成和发展方面，被认为是理想的保健食品[35]。关于甜菜红素的研究发展迅速，其在植物中的合成途径已基本明确。已鉴定出的75种甜菜红素中有32种甜菜黄素、42种β-花青苷及甜菜醛氨酸[7]。
由于不同植物来源的甜菜红素中β-花青苷与甜菜黄素的比例不同，造成不同植物中的甜菜红素的稳定性也不同[36]。加工过程对甜菜红素影响较为显著，提高甜菜红素的稳定性是保持色泽的重要途径，目前发现添加适量抗坏血酸、浓缩、微胶囊包埋对色素稳定性有促进作用，能够维持色素颜色，但加热、搅拌等加工操作对甜菜红素有降解作用。因此，甜菜红素在各种加工条件下的稳定性还需要更多的研究确认。
此外，不同种类甜菜红素的稳定性也有差异。因此，发现和鉴定出更多种类的甜菜红素是下一步的研究方向，也可以利用微生物发酵工程定向产生更多的甜菜红素来弥补甜菜红素在自然界中含量缺乏的不足。另一方面，甜菜红素在加工中会产生降解，降解产物的安全性和生物活性也是未来的研究热点。
综上所述，随着人们生活水平的提高，对食品安全问题的关注和对健康饮食的追求，天然色素替代化学合成色素使用会变成必然趋势。甜菜红素不仅可以作为色素使用，更重要的是具有抗氧化等多种生物活性。但目前甜菜红素在加工中的稳定性还没有彻底解决，制约了富含甜菜红素果实的加工以及甜菜红色素的使用。因此，甜菜红素在加工中的稳定性还有待更深入的研究，这对甜菜红素在实际生产中的应用具有重要意义。
[1]POLTURAK G,AHARONI A.'La vie en rose':Biosynthesis,sources,and applications of betalain pigments[J].Molecular Plant,2018,11(1):7-22.
[2]郑学立.苋菜甜菜红素合成的生理生化与分子生物学研究[D].福州:福建农林大学,2016.ZHENG Xueli.Studies on physiology,biochemistry and molecular biology on betalain synthesis in Amaranthus tricolor[D].Fuzhou:Fujian Agriculture and Forestry University,2016.
[3]CARRILLO-LÓPEZ A,YAHIA E M.Betalains:Chemistry and biological functions[M]//Fruit and Vegetable Phytochemicals.Chichester:John Wiley&Sons,Ltd.,2017:383-392.
[4]KHAN M I,GIRIDHAR P.Plant betalains:Chemistry and biochemistry[J].Phytochemistry,2015,117:267-295.
[5]RAHIMI P,ABEDIMANESH S,MESBAH-NAMIN S A,et al.Betalains,the nature-inspired pigments,in health and diseases[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2019,59(18):2949-2978.
[6]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.食品安全国家标准食品添加剂使用标准:GB 2760—2014[S].北京:中国标准出版社,2015.National Health and Family Planning Commission of the People's Republic of China.National food safety standard standards of using food additives:GB 2760—2014[S].Beijing:Standards Press of China,2015.
[7]ESATBEYOGLU T,WAGNER A E,MOTAFAKKERAZAD R,et al.Free radical scavenging and antioxidant activity of betanin:Electron spin resonance spectroscopy studies and studies in cultured cells[J].Food and Chemical Toxicology,2014,73:119-126.
[8]JOY R W,SUGIYAMA M,FUKUDA H,et al.Cloning and characterization of polyphenol oxidase cDNAs of Phytolacca americana[J].Plant Physiology,1995,107(4):1083-1089.
[9]TANAKA Y,SASAKI N,OHMIYA A.Biosynthesis of plant pigments:Anthocyanins,betalains and carotenoids[J].The Plant Journal,2008,54(4):733-749.
[10]CAI Y Z,SUN M,CORKE H.Antioxidant activity of betalains from plants of the Amaranthaceae[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2003,51(8):2288-2294.
[11]KANNER J,HAREL S,GRANIT R.Betalains—A new class of dietary cationized antioxidants[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2001,49(11):5178-5185.
[12]TESORIERE L,BUTERA D,D'ARPA D,et al.Increased resistance to oxidation of betalain-enriched human low density lipoproteins[J].Free Radical Research,2003,37(6):689-696.
[13]WU L C,HSU H W,CHEN Y C,et al.Antioxidant and antiproliferative activities of red pitaya[J].Food Chemistry,2006,95(2):319-327.
[14]LEE E J,AN D M,NGUYEN C T T,et al.Betalain and betaine composition of greenhouse-or field-produced beetroot(Beta vulgaris L.)and inhibition of HepG2 cell proliferation[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2014,62(6):1324-1331.
[15]GENTILE C,TESORIERE L,ALLEGRA M,et al.Antioxidant betalains from Cactus pear(Opuntia ficus-indica)inhibit endothelial ICAM-1 expression[J].Annals of the New York Academy of Sciences,2004,1028(1):481-486.
[16]VIDAL P J,LÓPEZ-NICOLÁS J M,GANDÍA-HERRERO F,et al.Inactivation of lipoxygenase and cyclooxygenase by natural betalains and semi-synthetic analogues[J].Food Chemistry,2014,154:246-254.
[17]HAN J,ZHANG Z,YANG S,et al.Betanin attenuates paraquat-induced liver toxicity through a mitochondrial pathway[J].Food and Chemical Toxicology,2014,70,100-106.
[18]VON ELBE J H,SCHWARTZ S J,HILDENBRAND B E.Loss and regeneration of betacyanin pigments during processing of red beets[J].Journal of Food Science,1981,46(6):1713-1715.
[19]WONG Y M,SIOW L F.Effects of heat,pH,antioxidant,agitation and light on betacyanin stability using red-fleshed dragon fruit(Hylocereus polyrhizus)juice and concentrate as models[J].Journal of Food Science and Technology,2015,52(5):3086-3092.
[20]CHEW Y M,HUNG C H,KING V A E.Accelerated storage test of betalains extracted from the peel of pitaya(Hylocereus cacti)fruit[J].Journal of Food Science and Technology,2019,56(3):1595-1600.
[21]DE MELLO F R,BERNARDO C,DIAS C O,et al.Antioxidant properties,quantification and stability of betalains from pitaya(Hylocereus undatus)peel[J].Ciência Rural,2014,45(2):323-328.
[22]SIOW L F,WONG Y M.Effect of juice concentration on storage stability,betacyanin degradation kinetics,and sensory acceptance of red-fleshed dragon fruit(Hylocereus polyrhizus)juice[J].International Journal of Food Properties,2017,20(3):623-632.
[23]张琳,祖元刚,王春丽,等.食品添加剂对红甜菜色素稳定性的影响[J].食品工业科技,2011,32(7):346-348.ZHANG Lin,ZU Yuangang,WANG Chunli,et al.Effect of different additives on stability of red beet pigment[J].Science and Technology of Food Industry,2011,32(7):346-348.
[24]毕丽君,陈向阳.天然红叶甜菜色素的稳定化[J].食品工业科技,2000,21(2):25-26.BI Lijun,CHEN Xiangyang.Stabilize of natural red beet pigment[J].Science and Technology of Food Industry,2000,21(2):25-26.
[25]HERBACH K M,ROHE M,STINTZING F C,et al.Structural and chromatic stability of purple pitaya(Hylocereus polyrhizus[Weber]Britton&Rose)betacyanins as affected by the juice matrix and selected additives[J].Food Research International,2006,39(6):667-677.
[26]徐菡,赵镇雷,李晓璐,等.食品添加剂对甜菜汁中甜菜红色素热稳定性的影响[J].烟台大学学报(自然科学与工程版),2014,27(3):224-228.XU Han,ZHAO Zhenlei,LI Xiaolu,et al.Effects of various additiveson thermal stability of betalains in beet juice[J].Journal of Yantai University(Natural Science and Engineering Edition),2014,27(3):224-228.
[27]CAI Y,CORKE H.Amaranthus betacyanin pigments applied in model food systems[J].Journal of Food Science,1999,64(5):869-873.
[28]OCHOA-VELASCO C E,GUERRERO BELTRÁN J Á.Short-wave ultraviolet-C light effect on pitaya(Stenocereus griseus)juice inoculated with Zygosaccharomyces bailii[J].Journal of Food Engineer-ing,2013,117(1):34-41.
[29]HERBACH K M,MAIER C,STINTZING F C,et al.Effects of processing and storage on juice colour and betacyanin stability of purple pitaya(Hylocereus polyrhizus)juice[J].European Food Research and Technology,2007,224(5):649-658.
[30]AZEREDO H M C,SANTOS A N,SOUZA A C R,et al.Betacyanin stability during processing and storage of a microencapsulated red beetroot extract[J].American Journal of Food Technology,2007,2(4):307-312.
[31]VARGAS-CAMPOS L,VALLE-GUADARRAMA S,MARTÍNEZBUSTOS F,et al.Encapsulation and pigmenting potential of betalains of pitaya(Stenocereus pruinosus)fruit[J].Journal of Food Science and Technology,2018,55(7):2436-2445.
[32]SAÉNZ C,TAPIA S,CHÁVEZ J,et al.Microencapsulation by spray drying of bioactive compounds from Cactus pear(Opuntia ficus-indica)[J].Food Chemistry,2009,114(2):616-622.
[33]RUIZ-GUTIÉRREZ M G,AMAYA-GUERRA C A,QUINTERORAMOS A,et al.Effect of extrusion cooking on bioactive compounds in encapsulated red Cactus pear powder[J].Molecules,2015,20(5):8875-8892.
[34]罗进,刘芳梅,赵雷,等.酶解条件对火龙果甜菜红素含量和出汁率的影响[J].现代食品科技,2018,34(5):167-173,122.LUO Jin,LIU Fangmei,ZHAO Lei,et al.Effects of enzymolysis conditions on the betacyanin content and juice yield of pitaya[J].Modern Food Science and Technology,2018,34(5):167-173,122.
[35]吕思润.甜菜红素的提取纯化及其生物活性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.LYU Sirun.Extraction and purification of betacyanin and study on its biological activity[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2016.
[36]AZEREDO H M C.Betalains:properties,sources,applications,and stability-A review[J].International Journal of Food Science&Technology,2009,44(12):2365-2376.