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，高溫處理會破壞色素結(jié)構(gòu)；光通過激發(fā)其發(fā)色團中的π電子增加色素的反應(yīng)活性，進而導(dǎo)致色素降解；在堿性條件下，色素會發(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)，加速其降解過程。

近年來，通過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，輔色劑可通過分子間相互作用（如疏水作用、氫鍵或π-π堆積）穩(wěn)定色素的發(fā)色基團，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（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)通過氨基酸殘基的官能團與色素形成非共價相互作用以穩(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（如芳香環(huán)、極性基團）通過特異性分子間作用穩(wěn)定色素的核心機制。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，對氨基酸官能團的響應(yīng)模式可能截然不同。同時，氨基酸通過氫鍵、疏水作用、螯合作用等穩(wěn)定甜菜紅色素的機制尚未明確，尤其是不同氨基酸的官能團（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。

煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的亓宏陽、張嘉瑤、張春玉*等旨在探討不同氨基酸對甜菜紅色素?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色素保留率的影響。隨著加熱時間的延長，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，這與本實驗結(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?；谏鲜鰧嶒灲Y(jié)果，發(fā)現(xiàn)Phe、His、Ser對甜菜紅色素的熱穩(wěn)定性有提升效果，因此選擇Phe、Ser和His進行后續(xù)實驗。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。而對于添加Ser的色素溶液，氨基酸添加量的增加對色素?zé)岱€(wěn)定性的影響不明顯。當(dāng)氨基酸添加量為5‰時，各組色素保留率最優(yōu)，分別為32.2%、28.9%、25.9%，過高添加量（10‰）未產(chǎn)生進一步增益。

02

氨基酸對甜菜紅色素光照穩(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間推移整體呈下降趨勢。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。這是因為在光照環(huán)境下，甜菜紅色素的發(fā)色團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)，進而引發(fā)分子反應(yīng)性增強或分子活化能降低，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光催化脫羧反應(yīng)構(gòu)建含氮化合物，在此過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，進而減緩色素降解速率。而Phe組與空白組趨勢基本一致，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程。

03

氨基酸對甜菜紅色素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時色素降解最快，其他條件下降解速率相對穩(wěn)定。由圖4B可知，Phe對甜菜紅色素的pH值穩(wěn)定性有一定改善作用，使其保留率下降趨勢較空白組平緩。His對甜菜紅色素pH值穩(wěn)定性的保護作用最突出，在pH 3.0～7.0條件下，其色素保留率長時間維持在較高水平，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估氨基酸對甜菜紅色素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顯著差異（P＞0.05），表明這2 種氨基酸對該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)果表明強酸環(huán)境會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無法改善甜菜紅色素穩(wěn)定性，添加His會產(chǎn)生負(fù)面作用。當(dāng)體系pH值上升至3.0時，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顯著差異（P＞0.05），說明在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，兩組無顯著差異（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，兩組無顯著差異（P＞0.05）；但在pH 5.0、pH 7.0時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值過低（如pH 2.0）時，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，無需額外添加氨基酸；在pH 4.0時，添加3 種氨基酸可顯著增強甜菜紅色素的穩(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

氨基酸對甜菜紅色素金屬離子穩(wěn)定性的影響

有關(guān)金屬離子對色素穩(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形成絡(luò)合物，可通過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（如氨基、羧基等）可通過與金屬離子發(fā)生絡(luò)合/配位作用實現(xiàn)結(jié)合，這揭示了氨基酸及其衍生物的特征官能團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，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，其色素保留率相對較高；相反， Al3+對甜菜紅色素穩(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的實驗周期內(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。由圖7可知，第10天時，相較于空白組，His對含有Na+、K+、Ca2+、Ba2+體系的色素保留率有顯著提升效果（P＜0.05），對含Mg2+體系的色素保留率提升效果不顯著（P＞0.05），說明His中某些官能團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)明顯的時間依賴性。實驗初期（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；但隨著貯藏時間的延長，其保護作用逐漸衰減，無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Al 3+ 體系的色素均具有顯著保護效果，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Al 3+ 外）溶液中的穩(wěn)定性；Ser和Phe在實驗初期對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。長期來看，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（過氧化氫）存在時，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，甲基苯基硫醚可在過氧化氫作用下氧化生成甲基苯基亞砜，氨基酸會減緩該反應(yīng)進程。這進一步佐證了氨基酸對氧化反應(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，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甜菜紅色素清除自由基能力的影響。不同氨基酸對DPPH自由基與ABTS陽離子自由基的清除增強效果呈現(xiàn)差異：對于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）。對于ABTS陽離子自由基清除能力，相較于空白組，Phe組的ABTS陽離子自由基清除率提高至91.7%，Ser對甜菜紅色素的ABTS陽離子自由基清除能力也有一定促進作用，而His效果不顯著（P＞0.05）?？傮w來看，這3 種氨基酸對甜菜紅色素清除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穩(wěn)定甜菜紅色素的結(jié)構(gòu)，從而增強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可以增強甜菜紅色素的熱穩(wěn)定性，且當(dāng)添加量為5‰時，對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都可以增強甜菜紅色素對DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的清除能力，但增強程度不同。在實際應(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程中的降解和損失，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)和市場競爭力。

作者簡介

第一作者：

亓宏陽，煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)與工程專業(yè)2023級在讀碩士研究生，主要研究方向為天然產(chǎn)物的分離純化。碩士階段（2023 年至今）于煙臺大學(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、柱層析分離等，具備獨立設(shè)計實驗方案與解決科研問題的能力。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)》《有機化學(xué)》《生物分離工程》等核心課程，平均績點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, 張嘉瑤, 孟雨航, 等. 不同氨基酸對甜菜紅色素穩(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.

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

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