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《食品科學(xué)》:煙臺(tái)大學(xué)張春玉博士等:不同氨基酸對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性及抗氧化性的影響

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甜菜紅色素是一種天然食用色素,因其顏色鮮艷、安全性高在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。它是由甜菜醛氨酸和環(huán)多巴構(gòu)成的含氮水溶性化合物,能夠穩(wěn)定自由基,從而表現(xiàn)出良好的抗氧化性。但是在實(shí)際應(yīng)用中,色素穩(wěn)定性受到多種因素的影響。例如,高溫處理會(huì)破壞色素結(jié)構(gòu);光通過(guò)激發(fā)其發(fā)色團(tuán)中的π電子增加色素的反應(yīng)活性,進(jìn)而導(dǎo)致色素降解;在堿性條件下,色素會(huì)發(fā)生水解反應(yīng),影響色素分子穩(wěn)定;某些金屬離子如鐵、銅等能夠催化甜菜紅色素的氧化反應(yīng),加速其降解過(guò)程。

近年來(lái),通過(guò)添加輔色劑或分子修飾提升天然色素穩(wěn)定性成為研究重點(diǎn),輔色劑可通過(guò)分子間相互作用(如疏水作用、氫鍵或π-π堆積)穩(wěn)定色素的發(fā)色基團(tuán),抑制降解。氨基酸結(jié)構(gòu)中富含氨基、羧基、芳香環(huán)等多樣官能團(tuán)(部分還具備金屬離子螯合能力),在改善色素穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出獨(dú)特潛力。這一潛力在蛋白質(zhì)與色素的相互作用研究中得到間接印證:蛋白質(zhì)通過(guò)氨基酸殘基的官能團(tuán)與色素形成非共價(jià)相互作用以穩(wěn)定色素結(jié)構(gòu),這為氨基酸作為小分子輔色劑的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。Chung等研究發(fā)現(xiàn)添加L-苯丙氨酸、L-色氨酸等氨基酸可維持花青素的顏色穩(wěn)定性,其中L-色氨酸的添加效果最為顯著。Gao Ningxuan等進(jìn)一步揭示色氨酸的吲哚結(jié)構(gòu)可以與矢車菊素及其糖苷形成強(qiáng)大的疏水作用力,從而提高其在黑莓中的穩(wěn)定性。這些研究明確了氨基酸官能團(tuán)(如芳香環(huán)、極性基團(tuán))通過(guò)特異性分子間作用穩(wěn)定色素的核心機(jī)制。而甜菜紅色素分子結(jié)構(gòu)(甜菜醛氨酸與環(huán)多巴結(jié)合體)與上述色素存在顯著差異,對(duì)氨基酸官能團(tuán)的響應(yīng)模式可能截然不同。同時(shí),氨基酸通過(guò)氫鍵、疏水作用、螯合作用等穩(wěn)定甜菜紅色素的機(jī)制尚未明確,尤其是不同氨基酸的官能團(tuán)(如組氨酸的咪唑基、苯丙氨酸的芳香環(huán))如何影響其在光照、高溫、金屬離子等條件下的穩(wěn)定性,仍缺乏系統(tǒng)研究。

煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的亓宏陽(yáng)、張嘉瑤、張春玉*等旨在探討不同氨基酸對(duì)甜菜紅色素?zé)岱€(wěn)定性、光穩(wěn)定性、pH值穩(wěn)定性、金屬離子穩(wěn)定性以及抗氧化性的影響,分析氨基酸與甜菜紅色素之間的相互作用機(jī)制,以期為甜菜紅色素在食品工業(yè)中的穩(wěn)定應(yīng)用和功能開發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)。


01

氨基酸對(duì)甜菜紅色素?zé)岱€(wěn)定性的影響

圖1展示了70 ℃加熱處理下添加不同氨基酸對(duì)色素保留率的影響。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),所有組的色素保留率均下降,這是由于甜菜紅色素在高溫條件下發(fā)生降解生成黃色產(chǎn)物。但添加某些氨基酸的組相較于空白組下降速率較慢。特別是Ser、Phe的添加,熱處理2 h后有效延緩色素保留率下降的速度,加熱處理5 h后,添加Ser、Phe的溶液色素保留率分別為32.2%和36.3%,相較于空白組(24.1%)明顯提高。此外,His也能延緩甜菜紅色素的降解,但其效果不如Ser、Phe。而添加Gly、Pro加速了甜菜紅色素的降解速度,不利于提高甜菜紅色素的熱穩(wěn)定性。Bing?l等研究表明,氨基酸共色素效應(yīng)能夠延緩草莓汁中花青素單體的熱降解速率,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。


有研究表明,溫度是影響甜菜紅色素穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素,溫度越高,降解速度越快?;谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)Phe、His、Ser對(duì)甜菜紅色素的熱穩(wěn)定性有提升效果,因此選擇Phe、Ser和His進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。由圖2可知,不同氨基酸添加量明顯影響色素的降解速率,且不同氨基酸的作用規(guī)律存在差異。對(duì)于添加Phe和His的甜菜紅色素溶液,隨著氨基酸添加量的增加,色素保留率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。而對(duì)于添加Ser的色素溶液,氨基酸添加量的增加對(duì)色素?zé)岱€(wěn)定性的影響不明顯。當(dāng)氨基酸添加量為5‰時(shí),各組色素保留率最優(yōu),分別為32.2%、28.9%、25.9%,過(guò)高添加量(10‰)未產(chǎn)生進(jìn)一步增益。


02

氨基酸對(duì)甜菜紅色素光照穩(wěn)定性的影響

由圖3可知,在光照與黑暗兩種不同條件下,甜菜紅色素的保留率均隨時(shí)間推移整體呈下降趨勢(shì)。10 d后光照條件下空白組的色素保留率低于黑暗條件下的空白組,這與王萍等的研究結(jié)論相似。這是因?yàn)樵诠庹窄h(huán)境下,甜菜紅色素的發(fā)色團(tuán)1,7-二偶氮庚甲堿吸收光子能量,促使電子躍遷至更高能量狀態(tài),進(jìn)而引發(fā)分子反應(yīng)性增強(qiáng)或分子活化能降低,最終削弱甜菜色素分子穩(wěn)定性,加速了甜菜色素的降解速率。




由圖3可知,在光照條件下,添加His樣品的色素保留率下降速度明顯減緩,這一現(xiàn)象可能與His作為α-氨基酸的特性密切相關(guān)。已有研究表明,α-氨基酸及其衍生物可通過(guò)光催化脫羧反應(yīng)構(gòu)建含氮化合物,在此過(guò)程中生成的中間體或自由基可能具有穩(wěn)定色素結(jié)構(gòu)的作用,進(jìn)而減緩色素降解速率。而Phe組與空白組趨勢(shì)基本一致,表明Phe未能有效改善色素的光氧化降解,可能與光照引發(fā)的極性環(huán)境變化削弱了疏水相互作用有關(guān)。而在黑暗條件中,以上2 種氨基酸均能有效提升甜菜紅色素的穩(wěn)定性,這可能是由于氨基酸通過(guò)清除自由基或抑制氧化反應(yīng)穩(wěn)定色素。特別是含His的甜菜紅色素樣品,在光照及黑暗條件下貯藏14 d后色素保留率分別為70.8%、71.1%,相較于空白組(光照下保留率為54.0%,黑暗下保留率為58.9%)分別提高了16.8%、12.2%。與之相反,Ser在兩種條件下均未表現(xiàn)出對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性的改善作用,并產(chǎn)生負(fù)面影響,加速了色素的光衰減過(guò)程。

03

氨基酸對(duì)甜菜紅色素pH值穩(wěn)定性的影響

有研究表明,甜菜紅色素在pH 3.0~7.0條件下比較穩(wěn)定。由圖4A可知,pH 2.0時(shí)色素降解最快,其他條件下降解速率相對(duì)穩(wěn)定。由圖4B可知,Phe對(duì)甜菜紅色素的pH值穩(wěn)定性有一定改善作用,使其保留率下降趨勢(shì)較空白組平緩。His對(duì)甜菜紅色素pH值穩(wěn)定性的保護(hù)作用最突出,在pH 3.0~7.0條件下,其色素保留率長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平,優(yōu)于空白組及其他氨基酸組(圖4C)。Ser對(duì)甜菜紅色素pH值穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)“選擇性”(圖4D),不同pH值條件下呈現(xiàn)不同的穩(wěn)定效果。為了更清晰直觀地評(píng)估氨基酸對(duì)甜菜紅色素pH值穩(wěn)定性的影響,比較了在pH 2.0~7.0條件下分別貯藏10 d的色素保留率,結(jié)果如圖5所示。在pH 2.0的強(qiáng)酸環(huán)境中,甜菜紅色素溶液穩(wěn)定性極差,其色素保留率下降速率顯著快于其他pH條件;Phe組、Ser組與空白組的色素保留率無(wú)顯著差異(P>0.05),表明這2 種氨基酸對(duì)該pH值條件下的甜菜紅色素穩(wěn)定性未產(chǎn)生明顯調(diào)控作用;而His組與空白組存在顯著差異(P<0.05),進(jìn)一步加劇了甜菜紅色素降解,不利于該pH值條件下甜菜紅色素的穩(wěn)定。這些結(jié)果表明強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)破壞甜菜紅色素的分子結(jié)構(gòu),加速降解,且在此條件下添加Phe、Ser無(wú)法改善甜菜紅色素穩(wěn)定性,添加His會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用。當(dāng)體系pH值上升至3.0時(shí),甜菜紅色素穩(wěn)定性顯著改善(10 d色素保留率>85%),Phe、His、Ser組的色素保留率與空白組無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明在pH 3.0條件下甜菜紅色素自身已足夠穩(wěn)定,氨基酸未產(chǎn)生協(xié)同穩(wěn)定作用。







在pH 4.0~7.0范圍內(nèi),氨基酸的調(diào)控作用呈現(xiàn)明顯差異性。在pH 4.0~7.0條件下,His的添加使色素保留率較空白組提升16%~20%,相較于空白組表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定效果(P<0.05)。在pH 4.0條件下,Phe組的色素保留率相較于空白組顯著提高(P<0.05);而在pH 5.0時(shí),兩組無(wú)顯著差異(P>0.05);在其他pH值條件下,Phe組的色素保留率相較于空白組顯著降低(P<0.05),表現(xiàn)出加速甜菜紅色素降解的負(fù)面作用。在pH 4.0條件下,Ser組相較于空白組顯著提高(P<0.05);在pH 6.0條件下,兩組無(wú)顯著差異(P>0.05);但在pH 5.0、pH 7.0時(shí)反而加速甜菜紅色素降解(降解速率較空白組提升約15%)。因此,甜菜紅色素溶液的穩(wěn)定性受pH值和氨基酸添加種類的雙重影響。

總體而言,在pH值過(guò)低(如pH 2.0)時(shí),甜菜紅色素極易降解;而在pH 3.0條件下,甜菜紅色素自身穩(wěn)定性較好,無(wú)需額外添加氨基酸;在pH 4.0時(shí),添加3 種氨基酸可顯著增強(qiáng)甜菜紅色素的穩(wěn)定性,其中His的效果最顯著;但在pH 5.0~7.0條件下,需謹(jǐn)慎選擇氨基酸種類,避免因添加不當(dāng)而加速甜菜紅色素的降解。

04

氨基酸對(duì)甜菜紅色素金屬離子穩(wěn)定性的影響

有關(guān)金屬離子對(duì)色素穩(wěn)定性的影響在眾多研究中有所提及。例如,Attoe等研究表明銅離子與甜菜紅色素會(huì)形成絡(luò)合物,可通過(guò)乙二胺四乙酸或酸化破壞絡(luò)合物,使甜菜紅色素吸收光譜恢復(fù)原始形態(tài)。Adamowska等基于天然氨基酸衍生物合成了水凝膠,其富含的功能性基團(tuán)(如氨基、羧基等)可通過(guò)與金屬離子發(fā)生絡(luò)合/配位作用實(shí)現(xiàn)結(jié)合,這揭示了氨基酸及其衍生物的特征官能團(tuán)與金屬離子之間存在特異性的相互作用。由圖6A可知,在未添加氨基酸時(shí),甜菜紅色素溶液在不同金屬離子中的穩(wěn)定性存在顯著差異。其中,Mg2+對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性具有較為積極的作用,其色素保留率相對(duì)較高;相反, Al3+對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性的影響最差,色素保留率下降速度最快。而Na+、K+、Ca2+、Ba2+等其他金屬離子對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性的影響則處于上述兩者之間。







結(jié)合圖6A、B可知,在0~10 d的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),除含Al3+的體系外,His組在其他金屬離子體系下相較于空白組均呈現(xiàn)出提高色素保留率的趨勢(shì)。由圖7可知,第10天時(shí),相較于空白組,His對(duì)含有Na+、K+、Ca2+、Ba2+體系的色素保留率有顯著提升效果(P<0.05),對(duì)含Mg2+體系的色素保留率提升效果不顯著(P>0.05),說(shuō)明His中某些官能團(tuán)可能與一些金屬離子發(fā)生相互作用,從而減少金屬離子對(duì)甜菜紅色素的破壞,提高甜菜紅色素穩(wěn)定性。

與His不同,Ser與Phe的作用呈現(xiàn)明顯的時(shí)間依賴性。實(shí)驗(yàn)初期(Ser組為0~2 d,Phe組為0~4 d)二者均能在一定程度上提高甜菜紅色素穩(wěn)定性;但隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),其保護(hù)作用逐漸衰減,無(wú)法有效延緩色素保留率的下降(圖6A、C、D)。值得關(guān)注的是,Ser與Phe對(duì)含Al 3+ 的體系均表現(xiàn)出一定的抑制作用,可顯著提高該體系下甜菜紅色素的穩(wěn)定性(P<0.05),其中Phe的作用效果更為突出。由圖7可知,Ser與Phe對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性的影響存在顯著的金屬離子特異性:除Al 3+ 體系外,Ser對(duì)其余金屬離子體系的甜菜紅色素穩(wěn)定性相較于空白組均產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響(P<0.05);Phe則對(duì)K + 、 Ca 2+ 、Mg 2+ 體系的色素保留率表現(xiàn)出顯著的負(fù)面作用(P<0.05),但二者對(duì)Al 3+ 體系的色素均具有顯著保護(hù)效果,其中Phe處理組的色素保留率較空白組提升了25%。

總之,不同氨基酸對(duì)含金屬離子的甜菜紅色素溶液穩(wěn)定性影響各異,其中His可顯著提升甜菜紅色素在多數(shù)金屬離子(除對(duì)Al 3+ 外)溶液中的穩(wěn)定性;Ser和Phe在實(shí)驗(yàn)初期對(duì)含有部分金屬離子的甜菜紅色素溶液穩(wěn)定性有一定提升作用。長(zhǎng)期來(lái)看,Phe在含Al 3+ 溶液中大幅提高了色素保留率。這表明氨基酸由于其結(jié)構(gòu)差異能與不同金屬離子產(chǎn)生相互作用,合理使用能夠有效提高甜菜紅色素穩(wěn)定性。

05

氧化劑和還原劑對(duì)含氨基酸甜菜紅色素穩(wěn)定性的影響

由圖8A可知,甜菜紅色素在還原劑(亞硫酸鈉)存在的情況下,色素保留率由初期下降速率較快隨后趨于平緩,這可能是甜菜色素分子的某些基團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致色素降解,氨基酸的加入并沒有改善甜菜紅色素的降解。由圖9可知,與空白組相比,添加氨基酸的組別在第7天時(shí)色素保留率有所下降,但效果不顯著(P>0.05)。由圖8B可知,在氧化劑(過(guò)氧化氫)存在時(shí),甜菜紅色素降解速度很快,7 d后空白組的色素保留率下降至27.4%,說(shuō)明色素耐氧化劑能力較耐還原劑能力弱。但是氨基酸的加入顯著延緩了色素的降解速率(P<0.05),在第7天時(shí)各氨基酸添加組的色素保留率相比于空白組分別提高了21.8%、23.8%和16.6%(圖9),表明氨基酸能在一定程度上抑制色素分子發(fā)生氧化反應(yīng)。Tarakanova等發(fā)現(xiàn),在冠醚及其與氨基酸的配合物存在時(shí),甲基苯基硫醚可在過(guò)氧化氫作用下氧化生成甲基苯基亞砜,氨基酸會(huì)減緩該反應(yīng)進(jìn)程。這進(jìn)一步佐證了氨基酸對(duì)氧化反應(yīng)的抑制作用,為其在色素穩(wěn)定性調(diào)控中的應(yīng)用提供了理論支持。




06

氨基酸對(duì)甜菜紅色素抗氧化性的影響

甜菜紅色素分子結(jié)構(gòu)中含有的酚羥基和環(huán)狀胺基等官能團(tuán),使其具有清除自由基的能力,展現(xiàn)出較高的抗氧化活性。表1展示了不同氨基酸對(duì)甜菜紅色素清除自由基能力的影響。不同氨基酸對(duì)DPPH自由基與ABTS陽(yáng)離子自由基的清除增強(qiáng)效果呈現(xiàn)差異:對(duì)于DPPH自由基清除能力,Phe的增效作用最為突出,使DPPH自由基清除率從空白組的82.3%提升至88.2%,His組的DPPH自由基清除率為83.3%,而Ser的添加未明顯提高甜菜紅色素的DPPH自由基清除率(P>0.05)。對(duì)于ABTS陽(yáng)離子自由基清除能力,相較于空白組,Phe組的ABTS陽(yáng)離子自由基清除率提高至91.7%,Ser對(duì)甜菜紅色素的ABTS陽(yáng)離子自由基清除能力也有一定促進(jìn)作用,而His效果不顯著(P>0.05)??傮w來(lái)看,這3 種氨基酸對(duì)甜菜紅色素清除2 種自由基的能力均有提升作用,其中Phe的提升效果更佳。這可能與氨基酸自身具有抗氧化能力有關(guān),也可能是氨基酸通過(guò)穩(wěn)定甜菜紅色素的結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)甜菜紅色素清除自由基的能力。


07

結(jié) 論

本研究比較了不同氨基酸存在的條件下甜菜紅色素穩(wěn)定性及抗氧化能力。結(jié)果表明,His、Phe和Ser可以增強(qiáng)甜菜紅色素的熱穩(wěn)定性,且當(dāng)添加量為5‰時(shí),對(duì)于甜菜紅色素提高熱穩(wěn)定性效果最好;His能較好地改善甜菜紅色素的光穩(wěn)定性,Phe和His在黑暗條件下均能提高色素的穩(wěn)定性;氨基酸對(duì)不同pH值和含金屬離子的甜菜紅色素溶液穩(wěn)定性影響各異,其中His相較于其他氨基酸產(chǎn)生的影響更好;并且氨基酸能在一定程度上抑制色素分子發(fā)生氧化反應(yīng);His、Phe和Ser都可以增強(qiáng)甜菜紅色素對(duì)DPPH自由基和ABTS陽(yáng)離子自由基的清除能力,但增強(qiáng)程度不同。在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)需求選擇添加合適的氨基酸提高天然色素的穩(wěn)定性,減少其在加工和貯藏過(guò)程中的降解和損失,從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

作者簡(jiǎn)介

第一作者:


亓宏陽(yáng),煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)與工程專業(yè)2023級(jí)在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物的分離純化。碩士階段(2023 年至今)于煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開展系統(tǒng)性研究,在導(dǎo)師張春玉指導(dǎo)下,以“甜菜色素的分離純化及穩(wěn)定性提升”為核心研究課題,參與甜菜色素與氨基酸相互作用機(jī)制研究。系統(tǒng)掌握天然產(chǎn)物研究相關(guān)技術(shù),包括高效液相色譜(HPLC)定量分析、紫外 - 可見分光光度法檢測(cè)、柱層析分離等,具備獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與解決科研問(wèn)題的能力。本科階段(2018-2022年)就讀于齊魯理工學(xué)院生物工程專業(yè),系統(tǒng)學(xué)習(xí)《生物化學(xué)》《有機(jī)化學(xué)》《生物分離工程》等核心課程,平均績(jī)點(diǎn)3.93/4.0,為碩士階段的研究奠定理論基礎(chǔ)。

引文格式:

亓宏陽(yáng), 張嘉瑤, 孟雨航, 等. 不同氨基酸對(duì)甜菜紅色素穩(wěn)定性及抗氧化性的影響[J]. 食品科學(xué), 2025, 46(22): 195-202. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250521-144.

QI Hongyang, ZHANG Jiayao, MENG Yuhang, et al. Effects of different amino acids on the stability and antioxidant activity of betalains[J]. Food Science, 2025, 46(22): 195-202. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250521-144.

實(shí)習(xí)編輯:甘冬娜;責(zé)任編輯:張睿梅。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來(lái)源于文章原文及攝圖網(wǎng)



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