《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Agro-Industrial By-Products as Sustainable Sources of Natural Food Pigments: Extraction, Stability, and Applications
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植物源天然色素为合成食品着色剂提供了有前景的替代方案，后者因其潜在健康风险而日益受到审视。然而，天然色素在各种加工和储存条件下的不稳定性限制了其在食品体系中的更广泛应用。本综述聚焦于农工副产物（如皮、果渣和果皮）的价值化利用，将其视为未被充分利用但富含生物活性
植物源天然色素为合成食品着色剂提供了有前景的替代方案，后者因其潜在健康风险而日益受到审视。然而，天然色素在各种加工和储存条件下的不稳定性限制了其在食品体系中的更广泛应用。本综述聚焦于农工副产物（如皮、果渣和果皮）的价值化利用，将其视为未被充分利用但富含生物活性色素（包括花青素（anthocyanins）、类胡萝卜素（carotenoids）、甜菜红素（betalains）和叶绿素（chlorophylls））的资源。本综述旨在探索采用传统方法和绿色方法（如酶辅助提取、超声辅助提取、微波辅助提取和超临界流体萃取（supercritical fluid extraction, SFE））从农工副产物中提取和稳定色素的策略，同时强调了纳米封装（nanoencapsulation）在增强色素稳定性、分散性和生物利用度方面的作用。这些副产物的价值化利用通过减少废弃物和环境负荷，支持了可持续发展和循环生物经济目标。尽管在提取和稳定化技术方面取得了显著进展，但色素降解、缺乏标准化以及工业可扩展性等挑战依然存在。未来研究应侧重于优化生态友好、成本效益高且可规模化的方法，并评估封装色素在不同食品基质中的长期稳定性和消费者接受度。
论文主体内容总结
1. 引言
颜色是影响消费者感知和接受度的关键食品属性。工业加工常导致天然色素降解，需添加着色剂恢复外观。合成着色剂虽稳定，但与健康风险相关；天然色素具有保健特性，但在加工和储存中对热、pH、光等因素不稳定。消费者对清洁标签和天然成分的偏好推动了植物源色素的研究。农工副产物（如果皮、果渣）作为色素的可持续来源备受关注。全球水果加工每年产生约6亿吨废弃物，如菠萝（46%）、香蕉（35%）和柑橘（25%-35%）的不可食部分。不当处置（如填埋、焚烧）会导致温室气体排放和水体污染。将这些副产物转化为有价值的色素，不仅降低成本，还支持循环生物经济。
2. 农工副产物：一种未充分利用的资源
2.1 常见的农工副产物
大量农工副产物未被充分利用。葡萄果渣富含花青素；石榴皮色素可用于果冻着色；芒果皮含花青素和类胡萝卜素；山竹果皮因花青素呈深紫色。其他来源包括黑胡萝卜（花青素）、甜菜根（甜菜红素）、柑橘皮（类胡萝卜素）、菠菜和番茄（叶绿素）。副产物中还含有酚类、精油、果胶和纤维等其他有价值成分。例如，苹果果渣富含多酚和纤维；葡萄籽富含生育酚和必需脂肪酸；橙皮可提取精油、用于生物燃料和生物塑料生产。这表明应采用综合生物精炼方法，同时回收多种高附加值产品。
2.2 当前的处置挑战与环境问题
农工副产物包括木质纤维素废物、湿软生物质和半液态废物等。传统处置方式（露天倾倒、填埋、焚烧）导致温室气体排放、地下水污染和土壤退化，造成资源浪费和环境污染。
3. 具有着色潜力的生物活性化合物
3.1 花青素
花青素是亲水性色素，赋予红色、紫色和蓝色，存在于红甘蓝、黑胡萝卜、葡萄等中。其颜色随pH变化（酸性下呈红色，中性变紫，碱性变蓝）。花青素通过螯合金属离子、抑制氧化酶和清除自由基发挥抗氧化作用。酰基化花青素热稳定性更高。它们有助于维持视力、预防动脉粥样硬化、提供神经保护和改善糖尿病管理。
3.2 类胡萝卜素
类胡萝卜素是脂溶性色素，包括碳氢类的胡萝卜素（carotenes）和含氧衍生物的叶黄素（xanthophylls）。它们易受光和热影响发生氧化降解。摄入类胡萝卜素可降低慢性病（如2型糖尿病、癌症、心血管疾病）风险，并提供光保护作用，防御紫外线损伤。
3.3 甜菜红素
甜菜红素是亲水性色素，分为甜菜红苷（betacyanin，红至紫色）和甜菜黄素（betaxanthin，黄至橙色）。它们具有强抗自由基活性，优于花青素和维生素。甜菜红素还具有抗糖尿病、抗癌和抗菌（尤其针对革兰氏阳性菌）特性。
3.4 叶绿素
叶绿素是绿色色素，结构含卟啉环和镁离子。温度、pH和氧气变化会导致其结构变异（如脱镁叶绿素）。叶绿素及其衍生物具有抗氧化、防DNA损伤、抗病毒、促进伤口愈合和光动力治疗应用潜力。
4. 提取与纯化技术
4.1 天然色素的传统提取方法
传统方法包括浸渍法（maceration）、索氏提取（Soxhlet extraction）和水蒸馏（hydro-distillation）。浸渍法简单但耗时且溶剂用量大；索氏提取效率较高但高温可能降解热敏色素；水蒸馏无需溶剂但提取不完全且能耗高。这些方法依赖有机溶剂，不符合绿色化学原则。
4.2 生物活性色素的现代提取方法
4.2.1 超临界流体萃取（SFE）
SFE使用超临界CO2，具有高扩散性和溶解性，可获得无溶剂残留的提取物。研究表明，从苦瓜皮中提取β-胡萝卜素的效率可达90%，从石榴皮中提取花青素平均得率为3.943 mg/g。添加乙醇作为共溶剂可增强极性化合物的提取。
4.2.2 加压液体萃取（PLE）
PLE在高温高压下使用少量溶剂。使用50%乙醇-水混合物（pH 2.0，40℃，10 MPa）可从葡萄果渣中高效提取花青素。结合低共熔溶剂（deep eutectic solvents, DES）的PLE技术从巴西莓副产物中实现了20.22 mg/g的花青素提取量，纯度达96.1%。
4.2.3 微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）
MAE通过微波使细胞内部加热破裂，可在数分钟内完成提取。例如，从柠檬皮中提取黄色色素仅需50分钟，得率6%；从红火龙果皮中提取甜菜红苷仅需5分钟。UAE利用空化效应破坏细胞，可将花青素产量提高12%-79%。从番茄废料中提取番茄红素时，UAE配合酶预处理可使产量翻倍。
5. 在食品体系中的应用
5.1 天然着色剂作为功能性替代品
天然色素已在多种食品中成功应用。木瓜皮类胡萝卜素提取物添加到法兰克福香肠中，可增强红色并部分替代亚硝酸盐。黑胡萝卜花青素用于薯片和苹果片，提高了色泽和抗氧化活性。甜菜红素在饼干（180℃烘焙12-14分钟）和纸杯蛋糕（180℃烘焙30-35分钟）中表现出良好的热稳定性。葡萄果渣粉添加到饲料中可增强蛋黄颜色。
