《Food Chemistry》：Molecular interactions between capsicum protein and capsanthin: enhancement of complex formation and physicochemical stability by ultrasound and microwave treatments
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本研究探讨了超声波、微波及其联合处理对辣椒蛋白-花青素复合体稳定性的影响，结果表明微波处理效果最佳，通过改变蛋白构象增强复合体结构，提高花青素热、光及酸碱稳定性。
曹玉丹|王梦泽|肖子斌|胡鑫|辛丹阳|张晓燕|刘世伟|王继涛|江学勤
宁夏大学食品科学与工程学院，中国宁夏银川750000
摘要
为了研究超声波（US）、微波（MW）和超声波-微波联合（UM）处理提高辣椒产品中辣椒红素（Cap）稳定性的机制，本研究考察了US、MW和UM对辣椒红素-辣椒蛋白（CP）复合物系统稳定性的影响。同时分析了该复合物（CCAP）的特性和分子结构。结果表明，所有处理方法均提高了CP-Cap的结合速率和CCAP的稳定性，增强了辣椒红素对光、热和酸碱应力的抵抗力，其中微波处理的效果最为显著。微波处理导致CP整体展开和重组，促进了辣椒红素的更深层次嵌入，并形成了颗粒更小、更紧密均匀的CCAP；而超声波处理则导致CP聚集，限制了CP-Cap之间的相互作用。CCAP的形成涉及一个静态的放热反应，每种处理方式都改变了CP的二级结构，增加了相互作用位点，并增强了氢键和其他分子间作用力。这些结构变化使得CCAP更加稳定和有序，尤其是在微波处理下。研究结果为提高辣椒产品中辣椒红素的稳定性提供了理论依据和技术指导。
引言
辣椒红素（Cap）是一种天然亲脂性色素，主要存在于Capsicum annuum L.的成熟果实中。它是辣椒油、辣椒酱和辣椒粉中的重要着色成分，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎和预防慢性疾病的作用。辣椒红素的含量直接影响基于辣椒产品的感官质量和商业价值（Kennedy等人，2021；Patel & Patel，2023；Villa-Rivera & Ochoa-Alejo，2020）。然而，在加工和储存过程中，辣椒红素容易在光、温度和氧气的作用下发生降解，导致颜色褪色和生物活性降低，严重限制了辣椒产品的加工和流通（Chen等人，2022）。
蛋白质作为天然的大分子载体，可以通过疏水作用、氢键、范德华力和静电作用与色素相互作用，从而显著提高类胡萝卜素、花青素和叶绿素的耐光性、热稳定性和化学稳定性（Chen, Gu等人，2024；Chen, Jia等人，2024；Hao等人，2025；Li, Li等人，2025；Li, Zeng等人，2025）。先前的研究表明，蛋白质来源对色素的稳定性起着关键作用。红豆蛋白、乳清蛋白和铁蛋白可以发生构象重排，暴露出疏水区域，从而增强与类胡萝卜素的非共价相互作用。这一过程提高了复合物的溶解度和分子稳定性，以及它们的抗氧化活性和消化稳定性（Rasera等人，2023；Zhang等人，2021；Zhao等人，2022）。大米蛋白、小麦面筋和蛋清蛋白可以通过构象调节暴露结合位点，并通过氢键、静电作用和二级结构约束稳定花青素，提高其在酸性、碱性和氧化条件下的结构稳定性（Gui等人，2023；Guo等人，2022；Yang等人，2025）。牛奶蛋白和海参蛋白可以通过疏水作用、氢键和弱配位作用与叶绿素相互作用，形成稳定的复合物，提高叶绿素的热稳定性、储存稳定性和生物利用度（Jin等人，2024；Lang等人，2019）。这些发现表明，蛋白质的来源、氨基酸组成和分子构象是影响色素稳定性的关键因素。与外源蛋白质相比，来自同一植物组织的辣椒蛋白（CP）具有天然兼容的结合位点和有利的微环境。因此，CP是一种具有高亲和力和良好兼容性的天然色素载体（Qin等人，2024）。然而，关于CP稳定辣椒红素的系统研究仍然有限。
近年来，物理场技术如超声波（US）、微波（MW）和超声波与微波联合（UM）被广泛应用于增强生物聚合物与小分子之间的非共价相互作用。超声波通过空化作用和剪切力诱导蛋白质部分展开，暴露疏水区域，促进色素结合并提高复合物稳定性（Chen等人，2023；Liu等人，2022）。微波产生快速均匀的体积加热，促进大分子结构重组，提高与小分子的结合效率，并改善热稳定性（Chen, Gu等人，2024；Chen, Jia等人，2024；Zhang等人，2024）。超声波-微波联合处理具有协同效应，进一步促进蛋白质展开，增加表面疏水性和分子灵活性，为小分子结合提供有利条件（Li等人，2024；Qian等人，2023）。这些研究表明，超声波、微波和超声波-微波联合处理可以有效促进蛋白质-小分子复合物的形成和结构稳定性。我们之前的研究还表明，在辣椒油制备过程中，超声波、微波和超声波-微波联合处理显著增加了辣椒红素和辣椒蛋白的含量，提高了辣椒红素的储存稳定性。然而，关于超声波、微波和超声波-微波联合处理对CP-Cap相互作用及其作用机制的系统研究仍然较少。
基于此，本研究假设辣椒蛋白（CP）通过分子间相互作用增强辣椒红素的稳定性，而超声波、微波和超声波-微波联合处理可以进一步促进这些相互作用。为了验证这一假设，本研究系统地考察了超声波、微波和超声波-微波联合处理对极性和非极性系统中辣椒红素稳定性的影响，以及辣椒红素-辣椒蛋白复合物（CCAP）的理化性质和结构特征。利用多光谱和显微成像技术阐明了CP与辣椒红素之间的分子间相互作用机制，并评估了超声波、微波和超声波-微波联合处理在这些相互作用中的促进作用。本研究不仅为超声波、微波和超声波-微波联合技术在红辣椒产品加工和蛋白质-色素复合物制备中的应用提供了理论基础，还为提高功能性食品中天然色素的稳定性和生物利用度提供了新的见解。
材料
长红辣椒（Jiaomei No. 1）来自中国宁夏彭阳县的一个辣椒种植基地。选择颜色和大小均匀、无病虫害或机械损伤的成熟果实，清洗后置于40–50°C的热风烘箱中干燥，直至水分含量≤10%。干燥后的辣椒用配备0.18毫米筛网的研磨机研磨成80目辣椒粉，用于后续实验。提取的辣椒蛋白（CP）和辣椒红素（Cap）的纯度为
极性系统中光稳定性、热稳定性和酸碱稳定性的分析
为了评估极性系统中辣椒红素的光稳定性、热稳定性和酸碱稳定性，使用CCAP混合物进行了分析，如图1A、C和D所示。与辣椒蛋白-辣椒红素复合物（CP-Cap）相比，经过12小时和72小时光照后，超声波-辣椒蛋白-辣椒红素（US-CP-Cap）、微波-辣椒蛋白-辣椒红素（MW-CP-Cap）和超声波-微波联合-辣椒蛋白-辣椒红素（UM-CP-Cap）中辣椒红素的保留率分别增加了9.09–17.71%、31.26–48.21%和17.63–38.68%。在4°C、25°C和50°C下暗处孵育10小时后，辣椒红素的保留率进一步增加
结论
本研究阐明了超声波（US）、微波（MW）和超声波-微波联合（UM）处理提高辣椒蛋白-辣椒红素（CP-Cap）复合物中辣椒红素（Cap）稳定性的机制。结果表明，所有处理方法均提高了辣椒红素在极性和非极性系统中的光热稳定性和酸碱稳定性，其中微波-辣椒蛋白-辣椒红素（MW-CP-Cap）在各种条件下的辣椒红素保留率最高，增加了9.77%以上。微观结构和
CRediT作者贡献声明
曹玉丹：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。王梦泽：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。肖子斌：可视化、数据分析、数据管理。胡鑫：研究、数据分析。辛丹阳：研究。张晓燕：验证。刘世伟：概念化。王继涛：资源获取、方法学。江学勤：监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2021YFD1600305）的支持。作者对此表示感谢。
