在食品、饮料和化妆品中添加天然色素的应用越来越多，其背后的推动力主要是消费者对天然成分的需求不断增加，这些天然成分通常被认为比合成成分更安全。为了满足消费者的需求并保持商业竞争力，需要用天然色素代替合成色素。食品和化妆品法规限制或延缓了天然着色剂新来源的批准。因此，食品工业正在寻求技术进步以改善现有天然着色剂的功能特性，以及对新型天然着色剂的鉴定、表征和安全性评估。对天然色素的生物学功能和潜在的健康益处的了解和交流代表了一个未开发的机会，即利用天然色素的健康益处引入新的天然色素食品。
这篇综述的目的是描述天然色素的潜在来源，即取决于特定国家或地区的法规环境，其可以被食品或化妆品行业用作天然成分。此外，美国伊利诺伊大学香槟分校食品科学与人类营养系的Elvira Gonzalez de Mejia、浙江工商大学食品科学与生物技术学院的Qiaozhi Zhang和美国北卡罗来纳州立大学、北卡罗莱纳州研究学院人类健康研究所分子与结构生物化学与植物系的Kayla Penta等人通过本综述详细介绍了天然色素的生物学功能和潜在的健康益处。
主要食物色素：
图1. 不同的代表性天然色素的颜色和化学结构的比较：花青素、甜菜碱、类胡萝卜素和藻蓝蛋白。
甜菜红素
从甜菜根中分离出的甜菜苷一直是工业上用于取代Red 40的最常用的天然色素。
甜菜红色素的生物效应
除满足消费者对自然色源的需求外，甜菜红素还具有多种有据可查的生物学作用，包括抗氧化、抗癌、抗血脂和抗微生物能力。然而，大多数研究都集中在体外和动物实验上，而人类的应用还没有被涉及到。尽管如此，一种新的甜菜红素临床应用来自运动科学。
甜菜红素未来发展前景
在提高甜菜红素作为食用色素的可用性方面，有两种选择：改善现有资源或开发新资源。甜菜红素的一个重要研究方向是基因修饰。考虑到转基因技术在大多数食品应用中不是可行的选择，因此另一种未来策略是探索其他常见的色素植物资源，并提供有据可查的研究，以期获得FDA的批准。
类胡萝卜素
在自然界中发现了700多种类胡萝卜素。其中，α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-隐黄质、叶黄素，玉米黄素和番茄红素是主要的膳食类胡萝卜素。由于其疏水性，可使用有机溶剂提取类胡萝卜素。
图2 主要类胡萝卜素的化学结构，包括番茄红素、叶黄素和玉米黄素，以及来自胭脂树的主要类胡萝卜素色素（胭脂树橙和降胭脂树橙），可作为一种天然的橙红色调味品。
类胡萝卜素的生物效应
类胡萝卜素与健康相关最着名的功能是其在体内经酶促转化为视黄醇（维生素A）。
抗肥胖和抗糖尿病作用
在肥胖症和糖尿病的背景下研究了类胡萝卜素。用类胡萝卜素进行至少4 周的干预，结果显示对成人和儿童都有积极影响。
心血管保护
几项流行病学研究表明，天然的膳食类胡萝卜素可能对心血管疾病（CVD）（包括与代谢综合征相关的并发症）具有健康益处。
神经保护
叶黄素和玉米黄素为眼功能带来健康益处。
抗癌特性
流行病学研究报告表面，循环膳食类胡萝卜素的水平与患乳腺癌、胃癌和前列腺癌的风险之间呈负相关。
类胡萝卜素发展的未来前景
与本综述中讨论的其他色素一样，类胡萝卜素面临稳定性和批准来源限制的问题。在植物的基因改造和生长条件方面已取得进展，以生产更多的类胡萝卜素以提高营养价值；然而，这些也可能有利于开发更多的食用色素。
藻蓝蛋白
藻蓝蛋白最初仅用于给糖果和口香糖着色。最近，食品加工方面的创新使用藻蓝蛋白着色的产品范围扩展到了乳制品、软饮料和化妆品。迄今为止，掺入饮料已成为主要应用，但是在低pH值下的稳定性问题依然限制其更广泛的应用。
藻蓝蛋白的生物效应
藻蓝蛋白已证明有与健康相关的生物活性，包括自由基清除、抗氧化活性以及抗炎、抗病毒、抗癌和降低胆固醇的作用。在多种细胞系和癌症类型中，藻蓝蛋白的体外化学预防能力已得到广泛研究。但是，与甜菜红素一样，大多数有益健康的证据仅限于细胞培养和动物研究。
藻蓝蛋白发展的未来前景
提高藻蓝蛋白的稳定性将一直是人们关注的焦点。随着消费者和开发者寻求这种自然的蓝色调，产品开发必须不断进步以满足需求。
花青素
花青素是植物界中天然色素的主要家族之一，赋予植物器官从橙色、红色到蓝色、紫色的丰富色彩。分离出的花青素很容易不稳定，因此非常容易发生降解反应和褪色。研究人员一直在寻找提高花青素稳定性的方法，并将其作为一种具有成本效益的食品着色剂加以推广应用。除着色属性外，许多研究表明花色苷还具有广泛的生物学活性，例如：抗氧化活性、抗炎作用、抗肥胖和抗糖尿病作用、心血管保护、神经保护、抗癌特性。本文总结了花色素苷的生物学效应及其潜在作用机理的最新证据。至于花青素发展的未来前景，除了花青素公认的健康益处外，作为天然色素，这些分子对食品工业的吸引力越来越大。
天然色素的替代来源：微生物和昆虫
微生物（细菌和真菌）能够产生一系列天然色素，这些色素可能提供植物来源无法提供的颜色范围和应用。然而，目前，大多数天然着色剂行业尚未能够利用微生物资源。与真菌相比，细菌在色素资源方面具有明显优势。将真菌用于生产天然色素时存在一些问题，因为某些真菌生长的次生代谢产物可能对人体健康有害。天然色素的另一种替代资源是产生胭脂红酸的胭脂虫（Dactylopus coccus）。食品中使用胭脂红染料确实可以替代天然来源的潜在有毒合成染料。但是，由于含有动物产品，因此从技术上讲不能再将其分类为素食或犹太洁食。
结论和未来展望
对食品和化妆品行业而言，为了满足消费者对天然产品不断增长的需求并保持商业竞争力，使用天然来源的色素非常重要。但是，其使用存在可用性、技术和法规方面的限制。现有的天然色素用于不同应用的选择不多。食品色素行业还有一个尚未开发的机会，即根据现有法规提高消费者的意识，宣传天然色素的生物学特性和潜在的健康益处。还需要进行研究以识别天然食用色素来源的实际健康益处，这可能会进一步激发消费者的需求，而不仅仅是对天然色素的偏好。业界需要的是对现有天然色素的技术改进，主要是在安全性、稳定性和功能性方面。此外，天然色素新来源的识别和开发将使整个行业受益，其中包括利用基因工程和微生物生产。尽管有局限性，但由于新技术和工艺的创新，天然色素行业最近得到了扩展，这些创新提高了天然色素的性能、稳定性和色相。
ABSTRACT
The Colors of Health: Chemistry, Bioactivity, and Market Demand for Colorful Foods and Natural Food Sources of Colorants
Elvira Gonzalez de Mejia1, Qiaozhi Zhang2, Kayla Penta3, Abdulkerim Eroglu3, and Mary Ann Lila4
1 Department of Food Science and Human Nutrition, University of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois 61801, USA
2 College of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China
3 Department of Molecular and Structural Biochemistry and Plants for Human Health Institute, North Carolina Research Campus, North Carolina State University, Kannapolis, North Carolina 28081, USA
4 Department of Food, Bioprocessing & Nutrition Sciences and Plants for Human Health Institute, North Carolina Research Campus, North Carolina State University, Kannapolis, North Carolina 28081, USA
There is an increasing consumer demand for natural colors in foods. However, there is a limited number of available natural food sources for use by the food industry because of technical and regulatory limitations. Natural colors are less stable and have less vibrant hues compared to their synthetic color counterparts. Natural pigments also have known health benefits that are seldom leveraged by the food industry. Betalains, carotenoids, phycocyanins, and anthocyanins are major food colorants used in the food industry that have documented biological effects, particularly in the prevention and management of chronic diseases such as diabetes, obesity, and cardiovascular disease. The color industry needs new sources of stable, functional, and safe natural food colorants. New opportunities include sourcing new colors from microbial sources and via the use of genetic biotechnology. In all cases, there is an imperative need for toxicological evaluation to pave the way for their regulatory approval.
