使用超临界二氧化碳作为载体，在乳制品基质中均匀分散胭脂树红色素

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Use of supercritical CO 2 as a vector to disperse bixin colorant homogeneously within dairy matrices

　　

# 摘要

本研究探讨了超临界二氧化碳（SC-CO2）浸渍作为一种策略，将胭脂树橙素（bixin）引入凝乳酶诱导的酪蛋白基体和切达奶酪中的潜在应用。比色分析显示，浸渍样品与非浸渍样品之间存在显著差异（p < 0.01），模型体系的色差（ΔE）值范围为36.9至68.0，切达奶酪的色差值为36.9至45.5，均超过了视觉感知阈值。处理后的亮度（L*）降低了最多14.7个单位，红度（a*）增加了最多14.9个单位，定量UV-Vis分析证实了部分浸渍样品中存在可测量的胭脂树橙素。FTIR光谱显示酰胺I和II区域出现定性变化，并出现了与胭脂树橙素相关的酯键特征峰，为处理相关的变化提供了互补的光谱证据。DSC分析展示了玻璃化转变温度（Tg）的配方依赖性差异，数值范围为21.9至30.7°C，表明所研究基体的热响应存在差异。扫描电子显微镜（SEM）显示，在所考察的成像条件下，浸渍样品与对照样品之间未发现明显的形态学差异。这些发现突出了SC-CO2浸渍作为一种无溶剂方法，在奶酪制造后将胭脂树橙素引入乳制品基体中的潜力，减少了色素向乳清液流失的机会，并支持对制造后色素递送系统的进一步研究。

# 引言

胭脂树橙是从胭脂树（Bixa orellana L.）种子中提取的一种类胡萝卜素着色剂，被广泛用于乳制品行业，以弥补乳成分的季节性波动，并确保切达奶酪及相关产品外观的一致性（Sharma et al., 2020）。水溶性紫衣烯酸（norbixin，9′-顺式-6,6′-二紫衣烯-6,6′-二酸；C24H28O4）通常被添加到奶酪乳中，而油溶性紫衣烯酸酯胭脂树橙素（6′-甲基氢9′-顺式-6,6′-二紫衣烯-6,6′-二酸二酯；C25H30O4）则更适用于黄油等高脂肪产品（Scotter, 2009; Tupuna et al., 2018）。传统着色方法的一个持续缺陷是色素向乳清液的流失——通常报告为约10-15%——这在技术性和经济性上都是不理想的，并且需要对手工食品、营养或制药应用目的进行额外的乳清纯化（Smith et al., 2014）。

重要的是，某些乳清终端用户，尤其是营养领域（如婴儿配方奶粉和蛋白补充剂），由于成分、法规和消费者认知方面的考虑，要求乳清液中不含胭脂树橙衍生的着色剂。因此，奶酪行业的部分细分市场越来越对添加着色剂之前先去除乳清的工艺感兴趣。目前的缓解策略包括化学漂白（如过氧化氢或过氧化苯甲酰）和物理去除方法，如吸附或膜过滤。然而，这些方法存在明显的局限性：氧化处理可能导致乳清蛋白降解、残留副产物的形成和营养质量下降，而物理分离技术则可能成本高昂、缺乏选择性，并且可能损害乳清蛋白的功能特性（Celli et al., 2018; Smith et al., 2014）。其他替代方法，如包封或替换为不同色素，也已被探索，但可能会引入额外的加工复杂性，并且并不总是与清洁标签的预期相符（Celli et al., 2018; Sobral et al., 2016）。

在去除乳清后直接向凝乳中添加着色剂可以减少色素流失；然而，我们最近的工作表明，紫衣烯酸通过凝乳酶诱导的酪蛋白基体的被动扩散缓慢且浅表，导致颜色不均匀（Alehosseini et al., 2021）。工艺强化方法，包括脉冲电场（PEF）和高压（HP）处理，已被评估，但它们并未显著增强紫衣烯酸的迁移，在某些情况下反而产生了异质的颜色分布（Alehosseini et al., 2022）。重要的是，尽管紫衣烯酸和胭脂树橙素源自相同的胭脂树橙色素系统，但它们的物理化学性质存在显著差异。紫衣烯酸常用于奶酪制造过程中，是一种极性更强且可水分散的形式，由胭脂树橙素水解产生；而胭脂树橙素是甲基酯形式，表现出更大的疏水性和亲脂性（Scotter, 2009; Sharma et al., 2020）。这一区别对于超临界CO2（SC-CO2）辅助浸渍非常关键，因为超临界CO2对非极性和疏水性化合物表现出更高的亲和力。因此，假设胭脂树橙素相对于紫衣烯酸在SC-CO2中具有良好的溶解性和传输行为，有可能促进其在酪蛋白基体中的更深层渗透和分布。

超临界流体（SCFs）为此类挑战提供了一个令人信服的平台。由于超临界流体具有可调的溶剂能力和传输性质，它们被应用于萃取、清洗、分离、颗粒成型和聚合物加工等领域（Jafarian et al., 2020; Matos et al., 2020; Molino et al., 2020; Pham et al., 2019; Schoeny et al., 2020; Tsai & Wang, 2019）。二氧化碳是食品应用中的首选超临界流体，因为它成本低廉、惰性、不可燃、环境友好，且具有温和的临界条件，可实现高效的溶剂回收和无残留加工（Barros et al., 2017; Kikic & Vecchione, 2003）。在这方面，超临界CO2浸渍作为一种将功能分子运输到聚合物和生物聚合物中的无溶剂方法，受到了越来越多的关注。在此过程中，溶质溶解于载体相中，并被驱动进入底物，因为SC-CO2会塑化基体、增加自由体积并增强扩散性；简单的降压过程即可去除载体，且不会造成热或溶剂应力（Abate et al., 2019; Champeau et al., 2015; Weidner, 2018）。

最近的研究进一步表明，浸渍效率由溶质在SC-CO2中的溶解度、基体形态学（如孔隙率和密度）以及工艺变量（如压力、温度和降压速率）等因素决定（García-Casas et al., 2019; Kamichoja & Ushiki, 2026; Mu?oz-Nú?ez et al., 2025）。在此背景下，胭脂树橙素在SC-CO2中的溶解行为对于本方法的可行性尤为相关。Degnan等人（1991）报告了在20.7-48.3 MPa（3000-7000 psi）压力和40-55°C温度范围内，纯胭脂树橙素在SC-CO2中可测量的溶解度，范围约为0.0010至0.0033 mg/g CO2。在所研究范围内，胭脂树橙素的溶解度随压力和温度的增加而增加。此外，作者证明SC-CO2优先萃取胭脂树橙素，而极性更强的紫衣烯酸在类似条件下未能有效溶解。这些观察结果支持了这样的假设，即相对于紫衣烯酸，胭脂树橙素在SC-CO2辅助运输和浸渍过程中具有更大的相容性。

此外，SC-CO2辅助浸渍已成为将活性化合物引入结构化材料的通用平台，同时保持其功能和物理化学性质（de Araujo et al., 2025; Franco et al., 2019）。SC-CO2在纺织行业中的应用已经作为无水彩染技术得到了规模化验证（Abate et al., 2019），展示了超临界流体促进溶质向致密基体中高效运输的能力。除纺织应用外，SC-CO2辅助浸渍还成功应用于食品级和生物聚合物体系，包括淀粉基材料、海藻酸气凝胶、β-葡聚糖气凝胶、壳聚糖系统和可生物降解食品包装基体，用于引入生物活性化合物、抗氧化剂、精油和营养保健品（Franco et al., 2019; Rojas et al., 2022）。这些研究展示了SC-CO2辅助递送系统在将功能化合物引入食品相容基体方面的更广泛的转化潜力。

在本研究中，SC-CO2辅助浸渍被用于将胭脂树橙素递送到凝乳酶诱导的酪蛋白基体和切达奶酪凝乳中。我们假设SC-CO2将（1）相对于被动扩散增强胭脂树橙素的移动性和渗透性，（2）促进内部颜色形成，（3）在降压后影响色素-基体相互作用。为了探究配方和加工效应，我们评估了两种蛋白质水平（7.5%和15%）的微胶酪蛋白浓缩物（MCC）体系，以及含/不含NaCl、CaCl2或葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）的体系，同时在特定制造阶段的凝乳和切达奶酪中进行评估。结果通过比色分析（L*、a*、b*、色调、色度）作为色素摄取和分布的直接指标进行评估，通过FT-IR ATR光谱探查分子间相互作用，以及通过差示扫描量热法（DSC）监测与SC-CO2暴露期间基体移动性相关的玻璃化转变温度（Tg）热转变。

综合来看，这些分析评估了SC-CO2浸渍作为一种将类胡萝卜素递送到乳蛋白网络中的无溶剂途径，而不残留有机溶剂。在此背景下，该方法可能通过在不使用传统溶剂载体的情况下实现色素引入，支持清洁标签配方策略，同时认识到SC-CO2加工本身需要专用的高压设备才能实现工业化应用。

# 材料片段

原料全脂牛奶购自当地乳制品公司（Dairygold，爱尔兰）。标准胭脂树橙素（粉末形式）和凝乳酶（牛凝乳酶MAX Plus，约200 IMCU/mL）由Chr. Hansen Ltd.（爱尔兰科克）慷慨捐赠。胭脂树橙素溶液（油溶性胭脂树橙提取物，已标准化胭脂树橙素含量（Annatto OSS-40）/ 在分散体系中胭脂树橙素含量4-8%（w/w））由DDW-The Color House（美国）提供。葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）（C6H10O6）购自Jungbunzlauer（瑞士巴塞尔），氯化钠……

# 胭脂树橙素测定

为了补充比色评估，通过丙酮萃取后进行UV-Vis分光光度法定量测定了部分浸渍样品中的胭脂树橙素浓度。未处理的对照样品（01 N、02 N和12 N）在所用分析条件下未检测到胭脂树橙素，而从所有对应的浸渍样品中获得了可测量的胭脂树橙素浓度。浓度分别为：01C为1.433 mg/g，02C为1.480 mg/g，12C为2.640 mg/g。

# 结论

本研究证明了SC-CO2辅助浸渍作为一种无溶剂方法，将脂溶性类胡萝卜素胭脂树橙素引入凝乳酶诱导的酪蛋白基体和切达奶酪体系中的可行性。浸渍与非浸渍样品之间比色参数的显著变化表明处理后颜色发生了显著发展，而在内部横截面位置的测量表明，所观察到的着色并非局限于……

# CRediT作者贡献声明

Ali Alehosseini：撰写——初稿、可视化、项目管理、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。Sushanta Kumar Saha：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、形式分析。Prateek Sharma：撰写——审阅与编辑、方法学。Alan L. Kelly：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。Jeremiah J. Sheehan：撰写——……

# 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

# 致谢

作者感谢香农理工科技大学米德斯-中西部应用生物科学研究中心提供SC-CO2装置。作者还感谢Tim Yeomans博士和Josephine Treacy博士提供的信息支持。作者感谢乳品加工技术中心（DPTC），资助编号：TC/2014/0016。本工作由爱尔兰研究奖励计划资助，项目编号：22/PATH-S/10851。

Ali Alehosseini | Sushanta Kumar Saha | Prateek Sharma | Alan L. Kelly | Jeremiah J. Sheehan

Teagasc食品研究中心，Moorepark, Fermoy, Co. Cork, P61 C996, 爱尔兰