色氨酸和蘇氨酸衍生化紅曲紅色素的穩定性研究

何貝貝，劉彩，陳莎，高夢祥，李利

（長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025）

紅曲色素是由紅曲菌發酵產生的一種安全的天然色素，已作為著色劑列入GB 2760—2014《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》，允許用于乳、糕點、餅干、熟肉制品等食品類別中。紅曲色素是一種混合物，包括紅、黃、橙3類色素組分，其中紅曲橙色素中的紅斑紅曲素和紅曲玉紅素化學性質比較活潑，可與伯胺發生親氨基反應，生成紅曲橙色素衍生物（orange Monascus pigment derivates，OMPDs）[1-3]。OMPDs在顏色上為紅色，屬于紅曲紅色素范疇[4]。目前報道的49種不同結構的天然紅曲紅色素化合物中，至少有26種為與氨基酸發生反應而生成的OMPDs[5]，這類紅曲紅色素稱之為氨基酸衍生化的紅曲紅色素。

研究表明，氨基酸衍生化的紅曲紅色素具有多種生物活性[6-9]，在食品方面具有很好的應用前景。其中，色氨酸衍生化的紅曲紅色素（red Monascus pigments derived with Trp，Trp-RMPs）和蘇氨酸衍生化的紅曲紅色素（red Monascus pigments derived with Thr，Thr-RMPs）對肥胖的預防和干預功效顯著，可用于開發減肥功能性食品[9-14]。肥胖是一種以脂肪在體內過度積累為特征的疾病，在全世界范圍內普遍存在并呈快速增加的趨勢，能引發糖尿病、高血壓、心血管疾病及小腸癌等多種疾病[9，14]。研究表明，抑制脂質代謝過程中的關鍵酶是降脂減肥的有效途徑之一，如抑制脂肪酶可減少腸道對膳食脂肪的水解吸收，抑制羥甲基戊二酸單酰輔酶A（3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A，HMG-CoA）還原酶能減少體內膽固醇的合成[10-13，15]。Trp-RMPs和 Thr-RMPs通過參與不同的脂質代謝途徑，達到預防和干預肥胖的效果，其中，Trp-RMPs具有較高的脂肪酶抑制活性，能使肥胖小鼠的體重、皮下脂肪及肝臟脂肪含量等顯著減少[10]，而Thr-RMPs具有較高的HMG-CoA還原酶抑制活性，能顯著降低C57BL/6小鼠血清中的總膽固醇水平和動脈粥樣硬化指數[12]。

在功能性食品中，食品作為功效成分的載體，其pH值范圍多為3.5～7.0[16]，在加工過程中，通常需要巴氏殺菌等熱處理過程。而紅曲色素作為一種天然色素，容易受pH值、溫度等環境因素影響而發生顏色改變或降解[2，17-20]。為了解 Trp-RMPs和 Thr-RMPs兩種紅曲色素對pH值和溫度的耐受性，本研究通過體外衍生化反應，用化學半合成的方法制備Trp-RMPs和Thr-RMPs，研究其在常見食品pH值范圍內的pH穩定性和熱穩定性，為富含Trp-RMPs和Thr-RMPs的減肥功能性食品的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅曲橙色素：長江大學食品微生物及其產品開發實驗室提供，主要含紅斑紅曲素和紅曲玉紅素，二者含量比為1∶1.25；蘇氨酸、色氨酸（均為分析純）：天津市福晨化學試劑廠；甲醇、甲酸、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；乙腈（色譜純）：美國天地有限公司；C18固相萃取柱：天津市寶津科技有限公司。

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計（TU1900）：北京普析通用儀器有限責任公司；高效液相色譜儀（LC1200）：美國安捷倫公司；液相色譜質譜聯用儀（TripleTOF 5600+）：美國AB Sciex公司。

1.3 方法

1.3.1 Trp-RMPs和Thr-RMPs的制備

色氨酸和蘇氨酸與紅曲橙色素的親氨基反應參照劉彩等[19]的方法，反應體系含50%甲醇，8 mmol/L色氨酸或蘇氨酸，0.1 mg/mL紅曲橙色素，反應條件為30℃、250 r/min、2 h。反應結束后，加入去離子水，將反應液中甲醇調至20%，用C18固相萃取柱進行凈化，最終用90%甲醇洗脫，洗脫液在40℃、100 r/min條件下進行旋轉蒸發干燥、稱重，加入一定量的去離子水溶解，制備2 g/L色素衍生物的水溶液。該色素衍生物于4℃避光保存備用，臨用前用去離子水稀釋至色價（2.0±0.1）U/mL，色價的計算參考劉彩等[19]的方法用最大吸收波長處的吸光值A計算，色價/（U/mL）=A×稀釋倍數。

1.3.2 Trp-RMPs和Thr-RMPs的高效液相色譜分析

紅曲色素的高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HLPC）分析條件參照劉彩等[19]的方法，具體如下。

色譜柱：Inertsil ODS-3（250 mm× 4.6 mm，5 μm）；柱溫：30 ℃；進樣量：10 μL；檢測器：二極管陣列檢測器（diode array detector，DAD）；檢測波長：300nm～600nm；監測波長：380、470、520nm。流動相A相：乙腈（含0.1%甲酸），B相：酸水（含0.1%甲酸）；梯度洗脫條件為0 min～ 18 min，15%A ～ 80%A；18 min ～ 30 min，80%A；30 min ～ 31 min，80%A ～ 15%A；31 min ～ 40 min，15%A，流速：1.0 mL/min。

1.3.3 Trp-RMPs和Thr-RMPs的液相色譜質譜聯用分析

紅曲色素的液相色譜質譜聯用（liquid chromatography/mass spectrometry，LC/MS）分析條件參照劉彩等[19]的方法，具體如下。

色譜柱：Kinetex 2.6 μm F5（100 mm × 2.1 mm）；柱溫：30℃；流動相：A相為酸水（含0.1%甲酸），B相為乙腈；梯度洗脫條件：0 min～1 min，95%A；1 min～8 min，95%A～15%A；8 min ～ 9 min，15%A；9 min ～9.1 min，15%A ～ 95%A；9.1 min ～ 11 min，95%A；流速：0.2 mL/min；進樣量：10 μL；DAD 檢測波長：300 nm ～600 nm；離子源：電噴霧電離，正離子模式；掃描范圍：質荷比（m/z）100～ 1 000；電噴霧電壓：5 500 V；離子源溫度：550℃；霧化氣壓力379kPa；輔助氣壓力379kPa；氣簾氣壓力172 kPa。

1.3.4 不同pH值條件下Trp-RMPs和Thr-RMPs的顏色變化分析

將色價為（2.0±0.1）U/mL的Trp-RMPs或Thr-RMPs水溶液與0.1 mol/L的檸檬酸-磷酸鹽緩沖液（pH 3、pH 5、pH 7）以體積比為1∶1的比例混合，25℃避光放置10 min，觀察溶液顏色的變化情況，并在350 nm～500 nm范圍內掃描紫外可見吸收光譜，分析光譜的形狀和最大吸收波長的變化情況。

1.3.5 不同pH值條件下Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱穩定性分析

將色價為（2.0±0.1）U/mL的Trp-RMPs或Thr-RMPs水溶液與0.1 mol/L的檸檬酸-磷酸鹽緩沖溶液（pH 3、pH 5、pH 7）以體積比為 1∶1 的比例混合，置于密封玻璃瓶中，分別在40、60、80℃下避光加熱處理，根據降解速度間隔取樣，其中40℃時間隔5 h或10 h取樣，60℃時間隔1 h或2 h取樣，80℃時間隔0.5 h或1 h取樣。測定紅曲紅色素的濃度和殘留率。

采用分光光度法測定紅曲紅色素濃度。配制系列濃度（5 mg/L～30 mg/L）的Trp-RMPs或 Thr-RMPs水溶液，在最大吸收波長處測定吸光值A，以濃度C為橫坐標，以吸光值A為縱坐標繪制標準曲線，得到線性回歸方程。根據待測樣品的吸光值，通過線性回歸方程計算Trp-RMPs和Thr-RMPs的濃度。

式中：Ct為樣品熱處理t小時后和處理前的紅曲紅色素濃度，mg/L；C0為樣品處理前的紅曲紅色素濃度，mg/L。

根據紅曲紅色素的殘留率，計算一級動力學反應的速率常數（k）和半衰期（t1/2）公式如下。

式中：t為熱處理時間，h；Ct為樣品熱處理t小時后和處理前的紅曲紅色素濃度，mg/L；C0為樣品處理前的紅曲紅色素濃度，mg/L。

1.3.6 數據分析

試驗均重復3次，取其平均值，采用Excel 2010進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 Trp-RMPs和Thr-RMPs的衍生化制備及分析

在pH 7.0條件下將紅曲橙色素分別與色氨酸和蘇氨酸進行親氨基反應，反應完成后溶液的顏色由橙色變成亮紅色，其HPLC檢測結果見圖1。

圖1 紅曲橙色素及其與色氨酸、蘇氨酸反應產物的HPLC分析結果Fig.1 The HPLC results of orange Monascus pigments and theirs reaction products with Trp and Thr

由圖1可知，色氨酸衍生化的紅曲色素溶液中檢出了2種主要組分Trp-1和Trp-2（圖1B），蘇氨酸衍生化的紅曲色素溶液中檢出了2種主要組分Thr-1和Thr-2（圖 1C），在 300 nm～600 nm 波長范圍內上述4種組分最大吸收峰均在520 nm左右（圖1E和圖1F），與觀察到的溶液顏色相符。

進一步對色氨酸和蘇氨酸衍生化的紅曲色素溶液進行了液相色譜質譜聯用分析，結果見圖2。

圖2 紅曲橙色素及其與色氨酸、蘇氨酸反應產物中各色素組分的液相色譜質譜聯用分析結果Fig.2 The liquid chromatography-mass spectrometry results of orange Monascus pigments and their reaction products with Trp and Thr

由圖2C和圖2D可知，Trp-1和Trp-2對應的準分子離子[M+H]+峰分別為（m/z）541和569。由圖2E和圖2F可知，Thr-1和Thr-2對應的準分子離子[M+H]+峰分別為（m/z）456 和 484。

根據親氨基反應原理[4，21]，紅斑紅曲素（O1）、紅曲玉紅素（O2）與色氨酸、蘇氨酸反應產物的化學結構和分子量見圖3。

圖3 色氨酸、蘇氨酸同紅斑紅曲素（O1）、紅曲玉紅素（O2）的親氨基反應產物Fig.3 The products by aminophilic reaction between Trp，Thr and rubropunctain（O1），monascorubrin（O2）

由圖3可知，色氨酸與紅斑紅曲素（O1）、紅曲玉紅素（O2）的反應產物Trp-1和Trp-2，以及蘇氨酸與紅斑紅曲素（O1）、紅曲玉紅素（O2）的反應產物Thr-1和Thr-2的分子量與反應液的質譜檢測結果相一致（圖2），表明該體外親氨基反應成功地合成了色氨酸衍生化的紅曲紅色素和蘇氨酸衍生化的紅曲紅色素。

2.2 pH值對Trp-RMPs和Thr-RMPs顏色的影響

為了解Trp-RMPs和Thr-RMPs兩種紅曲紅色素的pH值穩定性，對其在不同pH值條件下的顏色特征進行分析，結果見圖4。

圖4 Trp-RMPs和Thr-RMPs在不同pH值下的顏色和紫外可見吸收光譜圖Fig.4 The ultraviolet-visible spectrum of Trp-RMPs and Thr-RMPs at different pH and color

研究發現，2種主要紅曲紅色素組分紅斑紅曲胺和紅斑玉紅胺的pH值穩定性較差，顏色會隨著pH值的變化而發生改變，在pH值小于4時，顏色為紫紅色，最大吸收波長為530 nm；在pH值大于6時，顏色為紅色，最大吸收波長為502 nm[18]。由圖4可知，Trp-RMPs和Thr-RMPs在pH 3～pH 7范圍內感官顏色未發生明顯變化，均為亮紅色；紫外可見吸收光譜的形狀和最大吸收波也未發生明顯改變，與感官顏色一致。結果表明，Trp-RMPs和Thr-RMPs顏色的pH穩定性優于2種主要紅曲紅色素組分紅斑紅曲胺和紅斑玉紅胺，在常見食品的pH值范圍內顏色穩定一致。

2.3 Trp-RMPs和Thr-RMPs在不同pH值下的熱穩定性

為進一步研究Trp-RMPs和Thr-RMPs在pH 3～pH 7范圍內的熱穩定性，其在40、60、80℃熱降解曲線見圖5～圖7，半衰期（t1/2）見圖8。

圖5 40℃時Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱降解曲線Fig.5 Thermal degradation curve of Trp-RMPs and Thr-RMPs at 40℃

圖6 60℃時Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱降解曲線Fig.6 Thermal degradation curve of Trp-RMPs and Thr-RMPs at 60℃

圖7 80℃時Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱降解曲線Fig.7 Thermal degradation curve of Trp-RMPs and Thr-RMPs at 80℃

圖8 Trp-RMPs和Thr-RMPs在不同pH值和不同溫度下的半衰期（t1/2）Fig.8 The half-life of Trp-RMPs and Thr-RMPs at different pH and temperature

由圖5～圖7可知，在40、60、80℃的避光條件下加熱處理，Trp-RMPs和Thr-RMPs會發生不同程度的褪色現象，色素的殘留率隨加熱時間的延長而降低，-ln（Ct/C0）與時間 t呈現良好的線性關系（R2＞0.976 4），說明Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱降解遵循一級反應動力學規律。

由圖8可知，Trp-RMPs和Thr-RMPs的半衰期隨著溫度的升高而急劇下降。40℃時，Trp-RMPs在pH 3、pH 5和pH 7條件下的半衰期依次為34.15、49.51、63.01 h，Thr-RMPs在 pH 3、pH 5 和 pH 7 條件下的半衰期依次為30.54、47.48、62.44 h。當溫度從40℃升高至60℃，Trp-RMPs在pH 3、pH 5和pH 7條件下的半衰期分別降低了80.32%、82.69%和81.64%，Thr-RMPs在pH 3、pH 5和pH 7條件下的半衰期分別降低了81.30%、83.38%和82.26%，當溫度從40℃升高至80℃，Trp-RMPs在pH 3、pH 5和pH 7條件下的半衰期分別降低了93.91%、94.85%和92.21%，Thr-RMPs在pH 3、pH 5和pH 7條件下的半衰期分別降低了94.47%、95.03%和95.28%。結果表明，高溫能加速Trp-RMPs和Thr-RMPs的降解，因此在加工和儲藏過程，應避免長時間高溫處理。

由圖8可知，在相同溫度下，Trp-RMPs和Thr-RMPs的半衰期均隨著pH值的升高而呈增大趨勢，表明pH值對Trp-RMPs和Thr-RMPs的熱穩定性有較大影響，在pH 3～pH 7范圍內，pH值越高，穩定性越好。pH值為3時，Trp-RMPs的半衰期顯著大于Thr-RMPs（p＜0.05），此時 Trp-RMPs比 Thr-RMPs更穩定；而在pH值為5和pH值為7時，Trp-RMPs和Thr-RMPs的半衰期無顯著差異（p＞0.05），二者的穩定性差異不大。

3 結論

利用親氨基反應，在體外成功合成了兩種紅曲紅色素衍生物：色氨酸衍生化的紅曲紅色素Trp-RMPs和蘇氨酸衍生化的紅曲紅色素Thr-RMPs。Trp-RMPs和Thr-RMPs呈亮紅色，在常見的食品pH值范圍內，不隨pH值的變化而發生顏色改變。Trp-RMPs和Thr-RMPs對熱敏感，熱降解符合一級反應動力學模型，40℃～80℃范圍內半衰期隨著溫度的升高而急劇下降，在加工與儲藏過程中應避免長時間高溫處理。pH值對Trp-RMPs和Thr-RMPs熱穩定性的影響顯著，在pH 3～pH 7范圍內，pH值越高，穩定性越好，更適合應用于弱酸性至中性的食品中。Trp-RMPs的熱穩定性在pH 3時顯著高于Thr-RMPs，而在pH 5～pH 7時Trp-RMPs和Thr-RMPs的穩定性相差不大。本研究結果可為為富含Trp-RMPs和Thr-RMPs的食品加工提供參考。