＃發行日期：1981、12
＃期號：0144
＃專欄：
＃標題：淺談食品色素
＃作者：鄭玉磬
．天然色素
．結語
淺談食品色素
我們所處的世界，是一個色彩繽紛的世界。蔚藍的天空、蒼翠的樹木、鮮紅的玫瑰等，各種東西都有我們所熟悉的顏色。因為有這麼繁多的顏色充滿在我們的生活中，使得世界美麗生動而活潑。
在食品方面，顏色也是外觀上重要的因素。所謂食品的品質，指的是顏色、香味、組織、及營養價值等等。無可否認的，這些因素中以顏色給予人的印象最深。因為對每一種食物，人們都很習慣地將某一特定顏色與它聯想在一起，例如提到牛油，我們會想到黃色；說到橘子，我們會想到橙色。當食品的顏色不是我們所期望的顏色時，我們會覺得它不對勁，而這不對勁的食品，即使香味誘人、組織良好、營養豐富，人們也不會想去吃它。
人類很早就懂得使用著色劑來增進食物的吸引力，起初是由動物、植物或礦物中抽取色素。目前我們所用的著色劑，則源自天然原料或人工合成之色素。常用來作為食品添加物的天然色素，可歸成以下四類：
一、葉綠素（chlorophyll）
葉綠素最初是指能行光合作用的綠色色素，現在則泛指所有行光合作用的
（porphyrin）色素。其基本結構為四個一氮二烯伍圜的
咯（pyrrole）環連接而成中間含有鎂的有機物質。
葉綠素有許多種，例如葉綠素a、b、c 、d及細菌葉綠素a及b（bacteriochlorophyll a and b）等等。高等植物中，葉綠素a及b於葉綠體中與蛋白質、脂肪及脂蛋白緊緊結合，排列整齊，並常伴有類胡蘿蔔素（carotenoid）。
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在加工過程中，葉綠素在酸性環境下會發生脫鎂反應，變成咖啡色，加熱則加速此一反應。經過脫水的食品，葉綠素會發生感光氧化作用（photooxidation）而失去綠色。葉綠素受
的作用，生成葉綠素酯（chlorophyllide），較不安定，靁容易破壞，失去特有的光譜。經過γ射線照射後，於貯藏時間會有脫鎂反應，並繼續分解，此外醱酵作用也會破壞葉綠素，導致顏色變化。
二、花青素（anthocyanin）
花青素為廣存於植物界中的一群水溶性紅色素，玫瑰、杜鵑、聖誕紅、蘋果、草莓、葡萄、洛神葵、李子等的美麗色彩，均是來自花青素。
花青素的基本構造式為：
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為一個黃
鹽（flavylium）核，再與一個或多個糖脂化，糖分子可再與酸結合。
花青素之基本結構，因缺乏電子而很活潑，容易受pH值影響而改變顏色。在酸性下（例如pH為0.21時），花青素為深紅色，當pH上升到4或5時，變為無色，而pH大於7時轉變為紫色。若久處於鹼性下，則會失去顏色。因為受花青素在酸性pH下才會顯出正常顏色的限制，所以其應用對象必須為酸性食物，碳酸飲料是一種應用頗為成功的例子。
花青素能與金屬作用，形成複合物（complex）而加深色澤。又能與黃酮類化合物（flavonoids）或其他多酚類，及一些金屬離子、胺基酸、蛋白質、果膠、醣等，經由共同色素沈著作用（copigmentation）而結合，使自然界中花的顏色種類變化繁多。
花青素並不是非常安定的色素，它會逐漸分解，尤其當植物組織細胞被破壞，釋放出
時，更加速分解作用。而在加工過程中，高溫或有氧、維生素C、糖分解產物之存在下，也使花青素分解作用加速。製成罐頭時，也會與罐壁溶出的鍚形成複合物，而使顏色偏紫。
三、甜菜素（betalain）
甜菜素是一種紅色色素，存在於紅色莧菜或甜菜，屬於水溶性。它的結構式為【瀏覽原件】
甜菜素對pH穩定性比花青素好，pH 7以上才會變色，但對熱的安定性比花青素差，製成罐頭時容易褪色。
四、類胡蘿蔔素
在動物及植物界中，類胡蘿蔔素廣泛存在，每年大自然界製造的有幾百萬噸，是紅色至黃色的色素。蕃茄、紅辣椒、玉米、萬壽菊、棕櫚油、胡蘿蔔、牛油、紅鮭魚都含有類胡蘿蔔素。類胡蘿蔔素包括一族碳氫化合物稱胡蘿蔔素（carotenes）及一族其含氧衍生物葉黃素群（xanthophylls），各舉一例如下：
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在植物組織中，類胡蘿蔔素可以游離態存在於脂肪溶液中，或以結晶態及不定形固體存在，也可以和醣類、脂肪酸形成酯。如黃梔即為藏花酸（crocetin）與兩分子龍膽二糖（gentiobiose）形成蕃紅色
（crocin）；而秋天葉子則為葉黃素（lutein）與棕櫚酸（palmitic acid）形成酯類。類胡蘿蔔素也可以和蛋白質結合，使色素安定，且顏色改變。例如龍蝦殼為紅色的蝦黃質（astaxanthin）與蛋白質結合，成為藍色。但經過蒸煮後，打斷其中之鍵結，或使蛋白質變性後，使類胡蘿蔔素顯出本來之紅色。
類胡蘿蔔素中，特別要提到β-胡蘿蔔素，它除了扮演色素的角色以外，也是一種重要的營養素，是維生素A的前體。β-胡蘿蔔素水解，由中心可斷裂成二分子維生素A，而α-胡蘿蔔素只有一半構造與β-胡蘿蔔素同，斷裂後只能形成一分子維生素A。
綠色蔬菜中，菠菜的β-胡蘿蔔素含量很高，而奶油、胡蘿蔔、棕櫚油也都富含β-胡蘿蔔素。蕃茄中可抽出之類胡蘿蔔素以蕃茄紅素（lycopene）為主，但不具有維生素A之活性，亦無法在人體內轉換而得維生素A。
食品中類胡蘿蔔素之主要分解反應為氧化作用，在完整活體組織中，因細胞膜半透性及保護物質之存在，色素安定；但抽取時，有許多可以迅速分解類胡蘿蔔素，且因類胡蘿蔔素含有許多不飽和雙鍵，光和熱均會加速其分解，故安定性差。
葉綠素提供綠色，花青素則變化由紅至藍到紫的顏色，甜菜素提供紅色，類胡蘿蔔素扮演黃、橙、至紅的角色；此外尚有核黃素為黃帶綠的色素，薑黃素提供黃色，洋紅酸亦是用得很廣的紅色素。
天然色素用得最多的是糖果工業。許多種天然色素都可應用，調製出許多顏色。飲料也是色素重要應用的對象，花青素適用於酸性飲料，類胡蘿蔔素也用得很廣。乳製品中，例如冰淇淋，需要各種天然色素調配，使得原為白色的脫脂冰淇淋能有橘子、葡萄、草莓等等漂亮的顏色。乾粉食品，例如果汁粉、甜點粉、湯粉等，都可以添加天然色素，使它們增加吸引力。人造牛油中常添加類胡蘿蔔素，冬天牛奶中的類胡蘿蔔素較少，製造出的牛油常為白色，故也添加類胡蘿蔔素，使牛油有正常的顏色，同時也增進了營養價值。
天然色素雖較安全可靠，但來源不穩定，供應量有限，且隨著產地、季節、或品種等之不同，色素之顏色會有所變化；另外天然色素無法經濟地抽取，且純化之成本太高，通常不作純度高之產品，所以含較多之雜質，以致加工使用時色素濃度低，加上多數天然色素溶解度不理想，且不安定，故不可能取代人工合成色素。
一、確認色素
人工色素可區分為兩大類，一為確認色素（certified colors），一為新合成色素（uncertified colors）。確認色素是不存在天然物中，純粹人工合成之色素。由於食品安全逐漸受到重視，只有通過動物安全試驗，並被核准的色素，才可用於食品，且對新食品色素的安全試驗，要求愈來愈嚴格。根據行政院衛生署六十五年頒定之「食品添加物使用範圍及標準用量」，我國准許使用的確認色素為以下七種：食用紅色六號、食用紅色七號、食用黃色四號、食用黃色五號、食用綠色三號、食用藍色一號、食用藍色二號。
美國所有食品色素必須在食品藥物管理局（FDA）的監督下通過動物安全試驗。現今安全試驗的要求包括：（一）對老鼠的精確毒性研究。（二）作二個品種囓齒動物長期飼養實驗。（三）對非囓齒動物（如狗）做較短期的飼養實驗。（四）畸胎學的研究。（五）多世代症狀再現性的研究。
確認色素可區分為二大類：染料（dye）及麗基（lake）。染料是水溶性的，可溶解後使用。麗基是由水溶性的染料與鹼性鋁或鈣離子反應，生成鹽類，並將之吸附於礬土上，為不溶性的色素。使用時利用散布法著色，可把麗基弄碎，而混入粉狀食品，或使液狀食品包圍在麗基外面而呈色；色素含量染料可高達90∼93％，而麗基通常為10∼14％。
確認色素應用很廣，例如果汁、汽水、乾粉食品、乳製品、糕餅類等，而且純度高、安定性好、價格低廉，但安全問題較可慮。一些曾經被准許使用的確認色素，即因被證明有害健康，而遭禁用，使得允許使用確認色素的種類漸漸減少，同時也使人們轉而探求新合成色素。
二、新合成色素
這是利用人工合成存在天然物中的色素。這些合成物稱為「天然同等物（nature identical）」。
新合成色素中，最受注目的是類胡蘿蔔素，已知類胡蘿蔔素約有一百多種，但是只有少數適用於食品著色，這些是：β-胡蘿蔔素（β-carotene）、β-衍-8'-胡蘿蔔醛（β-apo-8'-carotenal）、4-4'-二酮-β-胡蘿蔔素（canthaxanthin）。此三種色素均通過毒性試驗，並獲得FDA的准許使用於食物。β-胡蘿蔔素的用量不受任何限制，而其餘兩種色素則有最高使用量的限制。應用胡蘿蔔素於食品可分為脂肪型及水型二類，前者加於奶油、人造奶油、食油等，常用20∼30％的類胡蘿蔔素油脂懸浮液，安定性佳。水型食品如乳製品、飲料、湯、肉製品、糖漿等，則需將類胡蘿蔔素乳化或作成膠體懸浮液，再添加於食品。
焦糖色素：亦是一種新合成色素，為一些食品級的碳水化合物，經過熱處理而得的深褐色的色素。主要應用於碳酸性飲料，例如可樂及沙土，並常與確認色素一起應用於烘培類食品。
修飾花青素（modified anthocyanin）：是為克服花青素對pH太敏感之問題，以科學方法，使花青素與金屬離子形成複合物，一方面加深色澤，一方面也提高安定度，但因成本問題，且尚未通過毒性試驗，所以尚未有商品上市。
高分子色素（polydyes）：這是將有色的化合物連結在一惰性的高分子聚合物上，使整個著色分子的結構變得很大，而添加於食物中。因為顏色分子巨大，通過腸道時，不會發生任何變化，也不被血液吸收，而以原形態排出體外，因此不會對身體具有毒性。目前科學家已發展出五種高分子色素，它們均具有良好的水溶性，且安定性好，毒性試驗仍在進行中，而到目前為止，其結果尚為良好。
食品色素提供了食品美觀，吸引人的外表，但食品色素之安全問題，使許多消費者覺得困擾，事實上，我們所吃的食物，沒有一種是在任何條件下，對任何人都絕對安全的。我們的許多食物中，均含有少量毒性物質，但因人體會利用正常生理代謝，處理掉這毒物，所以毒性學雖尚未為很精確的科學，但可使人避免食用許多有害物質，提供高度而合乎實際的相對安全。
基於安全問題，許多人工合成色素已遭禁用，消費者因而對人工合成色素具有排斥心理，使天然色素之需求量日漸增加。以往天然色素常被無條件認可，使用上沒有限制。近幾年來才對天然添加物之安全性開始重視，因為天然色素常夾雜其他物質，不能不加以充分考慮，故開始對其使用、製造，做完整的調查，以作規格制定之參考。此外，因為色素供應量及價格高低，常使天然物無法與人工合成色素競爭，所以供應穩定的質、量及價格，亦是當前急務。
天然色素雖較為安全，但因來源、安全性、產地、生產季節、品種及製備成本等因素，不可能完全取代人工合成色素。目前在食品工業上，用得最多的仍是人工合成的確認色素，主要是因其色度強、價格低，可大量生產。但此類非天然的合成色素，在未來將受更多限制，世界各國對此類色素的使用規定將會一致，色素麗基的使用量將會增加。人工合成之天然類胡蘿蔔素，品質均一，純度高，但成本亦高。新發展的人工合成高分子色素，若能通過毒性試驗，則必具相當潛力。
色素的安全性試驗目前仍在進行中，要對複雜的食品色素安全問題作一迅速而令人滿意的回答是無法做到的，只有更多的研究與經驗累積，才能回答安全問題，而這就只好交給時間來解決吧！
參考資料：
1. IFT's Expert Panel on Food Safty and Nutrition, A Scientific Status Summary : Food Colors, Food Technol., 34(7):771980.
2. F. M. Clydesdale and F. J. Francis, Pigments, in Principles of Food Science, Vol. I : Food Chemistry, ed. by O. R. Fennema, Marcel Dekker, Inc., N.Y., 1976.
3. J. Noonan, Color additives in Food, in Handbook of Food Additives, 2nd ed., ed. by T. E. Furia, CRC Press, Inc., Ohio,1976.
鄭玉磬現任職於台灣大學食品科技研究所。
陳育仁
兩人騎腳踏車以每小時10哩的平均速率相向而行。當相隔20哩時，有一隻蜜蜂由其中一人所騎車子的前輪，以每小時25哩的平均速率飛向另一人的車前輪。當牠飛到時馬上又以相同速率飛回（其轉身的瞬間時間不計），而觸到車輪後又再馬上轉身飛向另一車前輪，如此一再重複，一次又一次往返飛行──兩車越來越近，飛行路程越來越短，直到兩車前輪相撞，不幸的蜜蜂被壓扁為止。那麼這隻可憐的蜜蜂從始至終共飛了多少距離？（這個問題可難可易，端視你如何思考。）a）20哩b）25哩c）50哩d）超過50哩e）資料不足，無法答覆。
解答
答案應是b）。最簡單的解法是考慮時間。因兩車行走一小時後相撞，蜜蜂也就飛行了一個小時，而牠的平均速率是每小時25哩，所以共飛了25哩。（注意：在速度的問題中，時間往往是最重要的思路關鍵。）
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