生物工程栀子红-Fe2+复合物：一种耐热且pH稳定的多功能环保色素

《Food Research International》：Bioengineered gardenia red–Fe2+ complex: a heat- and pH-stable dual-function clean-label colourant

茉莉花苷酶解合成红色色素GR并螯合Fe2+以提高稳定性和铁强化功能，优化提取条件得91.07?mg/g纯度，热和pH稳定性显著优于未螯合色素。

　　

作者：Ji Sou Lyu、Yoojung Kim、Jung-Soo Lee、Jaejoon Han

韩国大学微生物控制剂研究所，首尔02841，大韩民国

摘要

为了满足清洁标签的要求，人们对天然色素的需求日益增加，然而许多天然色素在加工条件下稳定性较差，功能也有限。在本研究中，我们从Gardenia jasminoides中开发出一种具有双重功能的色素，用作天然清洁标签食品着色剂。首先通过提取geniposide，然后利用来自食品级Lactobacillus plantarum的β-葡萄糖苷酶对其进行酶解，得到相应的苷元genipin。随后将genipin与多种氨基酸反应生成gardenia red (GR)。在测试的氨基酸中，甘氨酸产生的红色色素最为鲜艳。为了提高色素的稳定性并增加其营养价值，将GR与硫酸亚铁（Fe²⁺）螯合，螯合效率超过99%。这种螯合过程遵循伪一级动力学，活化能为6.42 kJ/mol，表明这是一个受扩散控制的过程。对GR–Fe²⁺的物理化学性质分析证实了色素的形成和铁的螯合，结构分析进一步验证了Fe²⁺离子与色素基质的成功结合。与GR相比，GR–Fe²⁺复合物具有更强的耐热性和耐pH变化能力。总之，这种生物工程色素系统作为一种耐热、耐pH变化且具有铁输送功能的清洁标签着色剂，展现出巨大的潜力。

引言

食品着色剂是影响消费者接受度的主要感官因素，因此人们广泛使用各种天然和人工着色剂作为食品添加剂来提升产品的吸引力（Ghosh, Sarkar, Das, & Chakraborty, 2022）。近年来，由于消费者对健康问题的关注以及对透明度的需求增加，食品行业正朝着清洁标签配方方向发展（Maruyama, Streletskaya, & Lim, 2021）。这一趋势使得天然着色剂作为更安全、更符合消费者需求的合成染料替代品重新受到重视。

许多天然色素被探索作为合成染料的替代品。然而，植物来源的色素往往稳定性差、营养价值低且外观不佳。例如，甜菜根中的主要色素（甜菜红素）在典型加工条件下容易降解（Muramatsu, Uchiyama, Higashi, Kida, & Iwai, 2023）。来自Haematococcus pluvialis的虾青素对光、氧气和pH变化敏感，在储存过程中会降解（Huang et al., 2024）。大豆血红蛋白（LegHb）是一种血红蛋白，需要通过稳定的条件（中性pH和低温）来防止变性及血红素辅因子的丢失（Wu et al., 2024）。总体而言，常见天然色素的这些缺点促使人们需要开发新的、更稳定的替代品。

Geniposide (GP)是一种存在于Gardenia jasminoides果实中的环烯醚萜苷类化合物，被认为是一个有前景的候选者。尽管GP本身无色，但其苷元genipin经过化学转化后可生成多种鲜艳的色素（Neri-Numa, Pessoa, Paulino, & Pastore, 2017）。Genipin具有与水和酒精的良好的混溶性，并且在较宽的pH范围（4–9）内保持稳定（Ramos-De-La-Pena et al., 2014），因此在多种环境中应用广泛。Genipin与不同氨基酸反应可生成不同颜色的多环色素：甘氨酸、亮氨酸、酪氨酸和色氨酸生成著名的gardenia blue色素（Ramos-de-la-Pe?a et al., 2025），而其他氨基酸则生成紫色、绿色或红色色素（Li et al., 2023）。GP能够生成多种色素的能力使其成为开发多种食品级色素的理想平台。

然而，直接从栀子果实中提取genipin存在挑战，因为其在水解过程中容易与酸发生反应。另一种方法是利用微生物发酵，其中发酵过程中产生的β-葡萄糖苷酶可将GP水解为genipin（Xu et al., 2008）。多种细菌属能产生β-葡萄糖苷酶，尤其是某些Lactobacillus plantarum菌株能够促进GP向genipin的生物转化（Li et al., 2023）。

此外，在实际应用中还需考虑色素的稳定性。金属螯合是一种常用的策略，可以调节色素的配位环境，从而改变其光谱特性并防止色素降解（Sigurdson, Robbins, Collins, & Giusti, 2017）。使用食品级金属阳离子（如Fe²⁺）通常能提高色素的稳定性，并为清洁标签添加剂提供铁元素。因此，我们假设将GP衍生的gardenia red (GR)色素与Fe²⁺螯合，既能稳定色素，又能提供可吸收的铁元素，从而带来双重好处。据我们所知，关于金属与genipin衍生色素结合在天然食品着色剂应用中的益处和潜在挑战仍知之甚少。因此，本研究的目标有三个：（1）从Gardenia jasminoides中提取和分离GP；（2）通过酶解和氨基酸反应合成GR，并诱导铁的螯合；（3）评估所得色素在加工/储存过程中的稳定性及其作为双重功能天然着色剂和铁强化剂的适用性。

从Gardenia jasminoides中提取GP的方法

我们从韩国庆尚南道Tongyeong地区获取了Gardenia jasminoides的干燥果实，将其研磨成粉末并室温保存备用。通过改变固液比（S/L）、提取温度、方法和时间来优化GP的提取条件。具体参数如下：将1克粉末样品与溶剂按1:10、1:20、1:30、1:40、1:50和1:60的比例混合。

GP提取条件的优化

通过HPLC分析评估了温度、固液比（S/L）、提取时间和提取方法对GP产量的影响（图1）。结果表明，温度升高时GP产量增加，在100°C时达到最大值（83.63 ± 0.11 mg/g），比60°C时的产量高5.92%（图1A）。这与先前的研究结果一致，即高温有助于提高溶剂的扩散性和溶质的溶解度，从而促进GP的释放。

结论

在本研究中，我们在优化条件下成功从Gardenia jasminoides中提取了GP，最大提取效率为91.07 mg/g。粗提物经过ATPS纯化后，通过连续的酶解和氨基酸反应转化为红色色素。实验表明甘氨酸是最适合的氨基酸，生成的色素在515 nm处具有强烈的吸光度。通过在优化条件下将GR与Fe²⁺反应实现了铁的螯合。

CRediT作者贡献声明

Ji Sou Lyu：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念构建。 Yoojung Kim：撰写初稿、数据可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。 Jung-Soo Lee：审稿与编辑、概念构建。 Jaejoon Han：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（项目编号：RS-2023-NR076884）的支持。