一、四吡咯色素

一、四吡咯色素

四吡咯色素的共同特点是在基本化学单元中包括四个吡咯构成的卟啉环，吡咯环上可能有不同的取代基，四个吡咯可与金属元素以共价键和配位键结合，因而造成了这些化合物的吸收光谱不相同。四吡咯色素中最重要的有叶绿素、血红素和胆汁色素，血红素与胆汁色素来自动物组织，而叶绿素来自于植物组织。这些色素的水溶性不好，但容易溶解于有机溶剂如丙酮等。

（一）叶绿素

1.叶绿素的结构与性质

叶绿素母体的分子结构是由四个次甲基连接起四个吡咯环形成的大环共轭体系卟吩，见图9-1。

卟吩呈平面型，其吡咯环上的4个氮原子分别以共价键和配价键与一个金属离子结合，叶绿素中结合的是镁离子。卟吩再接上不同的取代基，称为卟啉，叶绿素卟啉的第7位取代基为长碳链取代基，该取代基叫丙酸植醇或叶绿醇，高等植物中常见的叶绿素有叶绿素a和叶绿素b，二者的大致摩尔比例为3:1，其区别是在3位上的取代基不同，R=—CH3时为叶绿素a（chl a），R=—CHO时为叶绿素b（chl b）。叶绿素的结构见图9-2。

在食品加工储藏中，叶绿素发生化学变化后会产生几种重要的衍生物，主要为脱镁叶绿素、脱植基叶绿素、焦脱镁叶绿素、脱镁脱植叶绿素和焦脱镁脱植叶绿素。众多叶绿素衍生物的区别鉴定可以借助它们的可见吸收光谱。叶绿素a和叶绿素b及衍生物在600～700nm（红光）和400～500nm（蓝光）有尖锐的吸收峰，如溶于乙醚中的叶绿素a和叶绿素b的最大吸收波长在红区为660.5nm和642nm，在蓝区为428.5nm和452.5nm。

2.叶绿素的变化

（1）酶促反应　叶绿素酶是唯一能使叶绿素降解的酶，它可使植醇从叶绿素及脱镁叶绿素上脱落，对于其他类型的叶绿素衍生物此酶的活性变化很大。在植物体内该酶的最适温度为60～82.2℃。

（2）热与酸　叶绿素在加热中的变化可分为两种情况，即四吡咯中心存在镁或脱落镁。凡带镁的叶绿素衍生物都是绿色的，脱镁衍生物是橄榄褐色，后者还是螯合剂。在有足够的锌或铜存在时，可以生成绿色的叶绿素的铜或锌螯合物。铜代叶绿素的色泽最鲜亮，对光和热较稳定，是理想的食品着色剂。在25℃保持25h，叶绿素损失达97%，而铜代叶绿素仅损失44%。

植物组织的pH会影响叶绿素的降解，在碱性条件下（pH 9.0），叶绿素对热非常稳定，在pH 3.0的酸性条件下，叶绿素不稳定。植物组织加热后，细胞被破坏，释出的有机酸会导致pH降低一个单位，这会影响叶绿素降解速率。叶绿素在加热时的变化按下列的动力学顺序进行：叶绿素→脱镁叶绿素→焦脱镁叶绿素。

研究发现，加入钠、镁、钙的盐酸盐后烟叶加热至90℃时，叶绿素脱镁反应分别减少47%、70%和77%，这是因为盐形成了静电屏蔽作用。绿色蔬菜在加工前先用石灰水或氢氧化镁处理提高pH，这有利于保持蔬菜的鲜绿色。

（二）血红素

1.血红素的结构与性质

血红素是高等动物血液、肌肉中的红色色素，它是呼吸过程中O2、CO2载体血红蛋白的辅基。在血液中血红素主要以血红蛋白（Hb）的形式存在，在肌肉中主要以肌红蛋白（Mb）的形式存在。血红素是铁和带侧基的卟吩环构成的铁卟啉类化合物，可溶于水。亚铁血红素的结构见图9-3。其结构特点为：①铁为+2价；②有一个由4个吡咯环连接而成的卟吩环；③存在共轭体系，使该物质呈现颜色；④有酸性。(https://www.daowen.com)

血红素的4个氮原子在同一平面上。其中2个氮原子与铁原子以共价键相结合，另外2个氮原子以配位键（从氮原子上共享电子）与亚铁离子相结合。因亚铁离子有配位能力（即能从其他原子共享电子），配位数为6，因此在4个氮原子组成的平面上，还能与球蛋白分子中组氨酸残基上的咪唑环上的氮原子相结合，在平面的下面还能与O2或H2O相结合。血红蛋白是由4分子亚铁血红素和1分子由4条肽链组成的球蛋白结合而成，相对分子质量为68000，而肌红蛋白则为1分子亚铁血红素和1分子肽链组成的球蛋白所组成，相对分子质量为17800，约为血红蛋白的1/4。

血红蛋白与肌红蛋白是构成动物肌肉红色的主要色素。牲畜在屠宰放血，血红蛋白排放干净之后，胴体肌肉中90%以上是肌红蛋白。肌肉中的肌红蛋白随年龄不同而不同，如牛犊的肌红蛋白较少，肌肉色浅，而成年牛肉中的肌红蛋白较多，肌肉色深。虾、蟹及昆虫体内的血色素是含铜的血蓝蛋白。

在肉品加工和储藏中，肌红蛋白会转化为多种衍生物，其种类主要取决于肌红蛋白的化学性质、铁的价态、肌红蛋白的配体类型和球蛋白的状态。卟啉环中的血红素铁能以2种形式存在，一种是二价铁离子，另外一种是三价铁离子。肌红蛋白的铁离子是+2价，且第6位缺乏配体键合；当二价铁离子与氧结合后，肌红蛋白称为氧合肌红蛋白（MbO2）。

2.肌肉颜色的变化

动物屠宰放血后，由于血红蛋白对肌肉组织的供氧停止，新鲜肉中的肌红蛋白保持其还原状态，肌肉的颜色呈稍暗的紫红色（肌红蛋白的颜色）。当胴体被分割后，随着肌肉与空气的接触，还原态的肌红蛋白向两种不同的方向转变，一部分肌红蛋白与氧气发生氧合反应生成鲜红色的氧合肌红蛋白（MbO2），产生人们熟悉的鲜肉色；同时，另一部分肌红蛋白与氧气发生氧化反应，生成棕褐色的高铁肌红蛋白（MetMb）。随着分割肉在空气中放置时间的延长，肉色就越来越转向褐红色，说明后一种反应逐渐占了主导。

肌红蛋白、氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白之间的转化是动态的，其平衡受氧气分压的强烈影响。图9-4反映了氧气分压高时有利于氧合肌红蛋白的生成，氧气分压低时有利于高铁肌红蛋白的生成。事实上，刚切开的肉表面由于与充足的氧气接触，肉色就是鲜红的，此时肉表面虽有一定量的高铁肌红蛋白生成，但数量较少。随着肉的储放，高铁肌红蛋白生成量逐渐增加，其原因主要为：一方面是由于有少量好氧微生物在肉表面生长，使氧气分压有所降低；另一方面是由于肉内固有的还原性物质（如谷胱甘肽、巯基化合物等）使高铁肌红蛋白被还原为肌红蛋白，但当这些还原物质逐渐被耗尽时，高铁肌红蛋白的生成量就会增加。

血红素中的二价铁被氧化成三价铁的反应被认为是自动氧化的结果。当球蛋白存在时，血红素的氧化速率（Fe2+→Fe3+）会降低，氧合肌红蛋白比肌红蛋白耐氧化，低pH和Cu2+等金属离子存在时，此自动氧化的速度较快。

肉的色泽还会受到其他因素的影响，这在鲜肉保存、肉品加工中尤为重要。例如当有还原性巯基（—SH）存在时，肌红蛋白会形成绿色的硫肌红蛋白（SMb）；当有其他还原剂如抗坏血酸时可以生成胆肌红蛋白（ChMb），并很快被氧化生成球蛋白、铁和四吡咯环，这个反应在pH 5～7的范围内发生。氧化剂如过氧化氢也能氧化肌红蛋白的亚铁，导致生成胆绿蛋白。在加热时肌红蛋白中的球蛋白发生变性，Fe2+变为Fe3+，肉的色泽变为褐色，此时生成被称为高铁血色原（hemichrome）的色素。但是，若煮过的肉的内部还有还原剂存在时，铁可能被还原成Fe2+，生成粉红色的还原性血色原（hemochrome）。脂肪发生氧化反应生成的过氧化物对肌肉色泽也有影响，其原因是血色素中的亚铁离子发生氧化转变为铁离子。

在对肉进行腌制处理时，肌红蛋白等会同亚硝酸盐的分解产物NO等发生反应，生成不太稳定的亚硝基肌红蛋白（NOMb），它在加热后可以形成稳定的亚硝基血色原（nitrosyl-hemochrome），这是腌肉中的主要色素。但是，过量的亚硝酸盐可以导致产生绿色的亚硝基氯高铁血红素。亚硝酸由于具有氧化性，在与肌红蛋白反应时可将二价铁氧化为三价铁并形成高铁肌红蛋白，但在还原剂的存在下可将Fe3+还原成Fe2+，因此还原剂在肉的腌制过程中有非常重要的作用。肉类腌制时所添加的还原剂包括有抗坏血酸、异抗坏血酸，它们的使用还有助于防止腌制过程中亚硝酸与胺类化合物作用，生成具有致癌作用的亚硝胺类化合物，提高腌制肉的安全性。肉与肉制品中血红素的反应见图9-5。

影响肉类色素稳定性的因素除上述的一些条件外，光、温度、水分活度、pH、微生物的繁殖等均可以影响其稳定性。较高的温度、低的pH有利于高铁肌红蛋白的形成，因为在较高温度和低pH时，球蛋白的变性导致卟啉环失去保护，血色素更快地被氧化为高铁肌红蛋白。微生物繁殖导致蛋白质分解，产生硫化氢、过氧化氢等物质，它们可以与肌红蛋白反应，产生绿色的硫肌红蛋白、胆绿蛋白，所以严重影响肉的色泽品质，这一点是鉴别肉腐败的直观方法之一。

在实际生产当中，抗氧化剂的存在、采用真空包装或气调包装均有利于提高血红素的稳定性，延长肉类正常色泽的保留时间。