南極真菌紅色素與紅曲紅色素穩(wěn)定性比較

劉杰，董龍龍，郭昱東，馬躍，藏家業(yè)，王能飛*

1(青島科技大學(xué)，生物工程與技術(shù)系，山東 青島， 266042) 2(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島， 266061)

南極真菌紅色素與紅曲紅色素穩(wěn)定性比較

劉杰1，董龍龍1，郭昱東1，馬躍1，藏家業(yè)2，王能飛2*

1(青島科技大學(xué)，生物工程與技術(shù)系，山東 青島， 266042) 2(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島， 266061)

針對南極真菌Geomycessp. WNF-15A所分泌的紅色素與紅曲霉紅色素在色價、酸堿穩(wěn)定性、金屬離子穩(wěn)定性、氧化劑與還原劑以及食品添加劑影響等方面進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，南極真菌Geomycessp. WNF-15A所產(chǎn)紅色素的色價(155.2)明顯高于紅曲紅色素色價(86.4)；該色素在抗氧化劑能力、酸度穩(wěn)定性、部分金屬離子與食品添加劑穩(wěn)定性方面均優(yōu)于紅曲霉紅色素。

南極真菌紅色素； 紅曲霉紅色素； 穩(wěn)定性；比較研究

色素不僅廣泛用于各類食品、飲料，而且還應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域[1]。然而，由于化學(xué)合成色素均具有不同程度的毒副作用，因此天然色素的開發(fā)與應(yīng)用漸成趨勢。近年來，致力于天然色素開發(fā)的學(xué)者逐漸把目光投向了微生物色素，尤其是真菌色素。但除了類胡蘿卜素，真正得到應(yīng)用的微生物(真菌)色素只有紅曲霉紅色素[2](聚酮類化合物)。然而1995年法國學(xué)者BLANC等[3-6]卻在紅曲菌發(fā)酵物中檢測到一種對人畜有害的真菌毒素“桔青霉素(Citrinin)”，這使得紅曲霉紅色素的應(yīng)用受到限制。因此，尋找一種不含或低含桔青霉毒素、具有良好化學(xué)穩(wěn)定性的天然紅曲霉紅色素的替代品十分必要。

在研究南極土壤微生物過程中，篩選到1株可大量分泌紫紅色素的真菌Geomycessp. WNF-15A。經(jīng)分析測定，該紫紅色素的主要母核結(jié)構(gòu)與紅曲霉紅色素(Monascus red pigment)的母核類似，且不含桔青霉素，因此具有開發(fā)成為紅曲霉紅色素替代品的潛力。本課題主要針對該真菌色素在色價、抗氧化還原性、酸堿穩(wěn)定性、金屬離子穩(wěn)定性、食品添加劑影響等方面與標(biāo)準(zhǔn)紅曲霉紅色素進(jìn)行的比較研究。

1 材料與方法

1.1 菌種、發(fā)酵、色素制備

菌種：南極真菌Geomycessp. WNF-15A，第24次中國南極科考期間從長城站附近土壤采集樣品中分離得到。

發(fā)酵及色素制備：南極紅色素采用本實驗室方法制得[7]。標(biāo)準(zhǔn)紅曲紅色素購于上海佳杰天然食品色素有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 色價的測定[8]

其中，A表示吸光度讀數(shù)；n表示稀釋倍數(shù)；m表示質(zhì)量。

1.2.2 氧化劑、還原劑的影響[9]

抗氧化性：取相同濃度的南極真菌紅色素和紅曲紅色素水溶液，配制成不同H2O2含量的溶液，使H2O2濃度分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，對應(yīng)編號為0、1、2、3、4，避光放置1 h，測定最大吸收光譜。

抗還原性：取相同濃度的南極真菌紅色素和紅曲紅色素水溶液，配制不同Na2SO3含量的溶液，使Na2SO3濃度分別為0、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/mL，對應(yīng)編號分別為0、1、2、3、4，避光放置1 h，測定最大吸收光譜。

1.2.3 酸堿穩(wěn)定性[10]

取相同濃度的南極真菌紅色素和紅曲紅色素水溶液，用HCl和NaOH分別調(diào)溶液至pH 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13，避光放置1 h，測定最大吸收光譜，同時與空白溶液對比。

1.2.4 金屬離子穩(wěn)定性[11]

取相同濃度的南極真菌紅色素和紅曲紅色素水溶液，分別加入NaCl、 KCl、CaCl2、CuCl2、ZnCl2、FeSO4、BaCl2，使各金屬離子濃度達(dá)到10-2mol/L。在不同時間點測定最大吸收光譜，同時與空白溶液對比。

1.2.5 食品添加劑的影響[12]

分別用碳酸鈉、檸檬酸鈉、磷酸鈉、蔗糖、VC、檸檬酸配制2 mg/mL的色素溶液，用食鹽配制0.01 g/mL的色素溶液，用乳酸配制0.5%的色素溶液。避光放置1 h，測定最大吸收光譜，同時與空白溶液對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 色素最大吸收波長的確定與色價測定

色素吸收波譜掃描(圖1)顯示，2種色素的最大吸收波長λmax均在480～550 nm范圍，應(yīng)屬同一色系。其中南極真菌紅色素的λmax為524 nm，紅曲霉紅色素的λmax為485 nm。在此最大波長下測定的南極真菌紅色素色價為155.2，紅曲紅色素的色價為86.4，表明南極紅色素的色價明顯高于紅曲紅色素。

A:南極真菌紅色素; B:紅曲霉紅色素圖1 紅色素吸收波長掃描 Fig.1 Absorption spectrum of red pigment

本次對南極真菌紅色素最大吸收波長(λmax=524 nm)和色價(155.2)的測定結(jié)果與我們前期的實驗結(jié)果[7](λmax=528 nm，色價=144.3)略有差異，可能是由于溶解色素所用水質(zhì)不同引起的(前期研究用的是蒸餾水，本次用的是去離子水)。但這并不影響其與紅曲紅色素的比較研究。

2.2 氧化劑、還原劑對色素穩(wěn)定性的影響

氧化劑H2O2對色素的影響見圖2。從圖2A可見，在不同濃度氧化劑H2O2影響下南極紅色素OD524 nm值的保留率分別為86.86%、81.96%、77.32%、63.14%；而紅曲紅色素OD485nm值的保留率則分別為85.29%、77.94%、72.55%、62.75%(圖2B)。結(jié)果表明H2O2可降低2色素的吸收峰，且隨H2O2濃度的增加而明顯降低，但南極真菌紅色素的降低程度要小于紅曲紅色素。另外圖2A還顯示，不同濃度H2O2對南極紅色素最大吸收波長λmax的位置基本沒有影響，而紅曲紅色素則發(fā)生一定程度的紅移。由此可見，氧化劑H2O2對南極真菌紅色素穩(wěn)定性的影響要比紅曲紅色素小一些。

1-0%; 2-0.1%; 3-0.2%; 4-0.3%; 5-0.5%A：南極真菌紅色素; B：紅曲霉紅色素圖2 H2O2對2種紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of H2O2 on the stability of two red pigments

還原劑Na2SO3對色素的影響見圖3。圖3A顯示，在不同濃度還原劑Na2SO3影響下，南極真菌紅色素的吸收峰保留率有所下降，但降幅不大。當(dāng)Na2SO3濃度增加到0.8 mg/mL時，其吸收峰保留率下降到90.71%(同時λmax變?yōu)?14 nm)；而此時(圖3B)紅曲紅色素的吸收峰保留率則增致117.87%(同時λmax變?yōu)?81 nm)。由此可見，高濃度還原劑Na2SO3不僅可使兩種色素的λmax發(fā)生藍(lán)移，而且可使南極紅色素的光吸收值下降、紅曲紅色素的光吸收值增大。只是紅曲紅這種吸收峰保留率增大的幅度較小，不足以彌補其色價低、含毒素的缺點。

1-0; 2-0.1 mg/mL; 3-0.2 mg/mL; 4-0.4 mg/mL; 5-0.8 mg/mLA：南極真菌紅色素; B：紅曲霉紅色素圖3 Na2SO3對2種色素穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of Na2SO3 on the stability of two red pigments

2.3 酸、堿度對兩種色素穩(wěn)定性的影響

圖4、圖5顯示，不同酸度(HCl)、堿度(NaOH)對2種色素穩(wěn)定性的影響差異還是比較大的。

由圖4A可以看出，隨著酸度的增加(pH6～3)，南極紅色素的光吸收峰值逐漸降低，但最大吸收波長λmax基本不變；而此時紅曲紅色素的光吸收峰值盡管也降低，且降幅與南極紅色素差不多，但λmax卻發(fā)生了紅移(圖4B)。

A：南極真菌紅色素; B：紅曲霉紅色素圖4 酸度對2種紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of acid on the stability of two red pigments

由圖5A看出，隨著堿度的增加(pH 10～13)，南極真菌紅色素光吸收峰值不僅大幅度降低，而且最大吸收波長λmax也發(fā)生了較大程度的藍(lán)移；而此時紅曲紅色素也發(fā)生了光吸收峰值降低和λmax藍(lán)移，但程度卻均小于南極真菌紅色素(圖5B)。表明高堿度對南極真菌紅色素穩(wěn)定性的影響較大。

A：南極真菌紅色素; B：紅曲霉紅色素圖5 堿度對2種紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of alkaline on the stability of two red pigments

另外，結(jié)合2種色素的全pH(pH2～13)光吸收變化實驗結(jié)果來看，南極紅色素穩(wěn)定性的最適pH范圍在6～10。

從上述酸堿穩(wěn)定性實驗結(jié)果可以推斷出，在酸性條件下南極紅色素的穩(wěn)定性要優(yōu)于紅曲紅色素，而在堿性條件下則不及紅曲紅色素。推測隨著酸性的增加，南極紅色素成分可能在溶液中被逐漸析出，從而造成濃度降低；而隨著堿性的增加(尤其在強堿性條件下)，南極紅色素的結(jié)構(gòu)成分可能會遭到比較大的破壞。

2.4 金屬離子對兩種色素穩(wěn)定性的影響

A：南極真菌紅色素; B：紅曲紅色素圖6 金屬離子對2種紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of metal ions on the stability of two red pigments

不同金屬離子對南極紅色素和紅曲紅色素穩(wěn)定性的影響見圖6。從圖6可見，南極真菌紅色素對K+、Ca2+、Na+的穩(wěn)定性較高，而對Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+的穩(wěn)定性較差(圖6A)；紅曲紅色素對K+、Na+穩(wěn)定性高，放置時間較長時對Ca2+穩(wěn)定性降低，而對Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+來說，無論放置時間長短均可顯著降低紅曲紅色素的穩(wěn)定性(圖6B)。

當(dāng)南極真菌紅色素溶液中加入Fe2+、Zn2+并放置10 d后，會發(fā)生顏色變淺(色素吸光值殘存率分別為32.18%和24.29%)并伴有少量沉淀產(chǎn)生現(xiàn)象。當(dāng)加入Cu2+并放置24 h時，溶液顏色由紅色變?yōu)樽仙藭r最大吸收波長λmax不變，色素吸光值殘存率降為63.95%；放置10 d后溶液顏色則變?yōu)槟G色，并伴有少量紅色沉淀產(chǎn)生，此時λmax不變，色素吸光值殘存率降為39.43%。

而紅曲紅色素溶液中加入Fe2+、Zn2+放置10 d后，溶液會產(chǎn)生大量絮狀沉淀，且顏色變淺(色素殘存率分別為20.28%和7.08%)，λmax基本未變化。當(dāng)加入Cu2+并放置10 d后，溶液則變?yōu)樗{(lán)綠色，λmax稍許紅移，色素吸光值殘存率僅為8.02%。

由此可見，2種色素的穩(wěn)定性受Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+等金屬離子的影響，原因可能是色素中某些成分與這些金屬離子形成了絡(luò)合物。但相比之下，南極紅色素對金屬離子的穩(wěn)定性要優(yōu)于紅曲紅色素。

A：南極真菌紅色素; B：紅曲霉紅色素圖7 Cu2+對2種紅色素穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of Cu2+ on the stability of two red pigments

2.5 食品添加劑對2種色素穩(wěn)定性的影響

各種食品添加劑對2種色素穩(wěn)定性的影響見表1。

表1 食品添加劑對2種紅色素穩(wěn)定性的影響 單位：%

Table 1 Effect of food additives on the stability of two red pigments

從表1中可以看出，8種常見食品添加劑對南極紅色素和紅曲紅色素的穩(wěn)定性影響不是十分顯著。但相對而言，紅曲紅色素對Vc、檸檬酸、乳酸的耐受性要比南極紅色素差，其色素光吸收殘存率只有空白對照組的83.88%、73.46%、79.62%；而磷酸鈉、檸檬酸鈉、碳酸鈉對南極真菌紅色素的影響要比紅曲紅色素稍大一些；食鹽、蔗糖對2種色素的穩(wěn)定性基本沒有影響。

3 討論

對南極真菌Geomycessp. WNF-15A所產(chǎn)紅色素的前期研究[7，10，13]和本次研究顯示，該色素與常用胭脂蟲紅、紅曲霉紅等天然色素屬于同一色系(λmax均在480～550 nm范圍)，而其色價(144.3～155.2)卻遠(yuǎn)高后2者(120.1，86.4)，表明其在染色能力上更具優(yōu)勢。在酸、堿穩(wěn)定性方面，南極真菌紅色素比胭脂蟲紅色素更耐酸、堿，而與紅曲霉紅色素相比則耐酸不耐堿。在氧化、還原劑耐受性方面，氧化劑(H2O2)對南極真菌紅色素、胭脂蟲紅色素、紅曲霉紅色素均有影響，但氧化劑濃度的增高，對南極真菌紅色素穩(wěn)定性的影響相對要小一些；而從還原劑(Na2SO3)的影響來看，高濃度還原劑對南極真菌紅色素穩(wěn)定性的影響要小于胭脂蟲紅色素(其最大吸收峰值下降明顯)和紅曲霉紅色素(其最大吸收峰值不降反升)。在金屬離子穩(wěn)定性方面，與胭脂蟲紅色素相比，南極真菌紅色素對K+、Ca2 +、Na+、Mg2 +、Mn2 +、Zn2 +、Fe2 +、Cu2 +的穩(wěn)定性高，對Fe3 +、Pb2 +的穩(wěn)定性差；而與紅曲霉紅色素相比，南極真菌紅色素對K+、Ca2+、Na+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+的穩(wěn)定性要優(yōu)于紅曲霉紅色素(尤其是Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+)。在常規(guī)食品添加劑影響方面，南極真菌紅色素具有廣泛的食品添加劑適應(yīng)性，其中對碳酸鈉的耐受性要明顯優(yōu)于胭脂蟲紅色素、而次于紅曲霉紅色素，對磷酸鈉、檸檬酸鈉的耐受性也稍好于紅曲霉紅色素。另外，南極真菌紅色素在抗紫外輻射能力方面[7]，在清除超氧陰離子、羥基自由基、DPPH(1,1-二苯基-2-苦肼基)自由基等方面均優(yōu)于胭脂蟲紅色素、紫甘藍(lán)色素、紫蘇色素等天然色素[13]。

綜合前期與本次研究的結(jié)果，我們認(rèn)為南極真菌Geomycessp. WNF-15A所產(chǎn)紅色素在色價、抗氧化還原性、酸堿與金屬離子耐受性等多個方面優(yōu)于目前常用的紅曲紅、胭脂蟲紅等天然色素，其在液體發(fā)酵生產(chǎn)中克服了紅曲霉等需經(jīng)固體發(fā)酵的繁瑣流程[14-15]和產(chǎn)桔青霉毒素等缺陷[16]，簡化了操控、提純工藝，有利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和在國際上推廣應(yīng)用，具有良好的開發(fā)前景和市場潛力。

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The comparison of stability between Antarctic fungus red pigment and Monascus red pigment

LIU Jie1, DONG-Long-long1, GUO-Yu-dong1, MA Yue1,ZANG-Jia-ye2, WANG-Neng-fei2*

1(Department of Bioengineering and Biotechnology, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)2(The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

In this study, red pigment produced from Antarctic fungusGeomycesWNF-15A and Monascus were comparatively studied on color value, stability to acid, alkali and metal ions, effects of reductant, oxidant and food additives. The results showed that the color value of Antarctic fungus red pigment(155.2) was obviously higher than that of Monascus red pigment(86.4). The stabilities of Antarctic fungus red pigment such as the antioxidant ability, acid stability, stabilities against some metal ions and food additives were higher than those of Monascus red pigment. Based on our previous research results, the red pigment of Antarctic fungusGeomycesWNF-15A was considered to havea high application value.

Antarctic fungus red pigment; Monascus red pigment; stability; comparative study

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201702016

博士，碩士導(dǎo)師(王能飛副研究員為通訊作者，E-mail: wangnengfei@126.com)。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2015T04)；山東省重點研發(fā)計劃(2015GSF115004)

2016-07-24，改回日期：2016-10-31