《Food Chemistry》：Insights into the copigmentation effect and mechanism of five carbohydrates on thermal and color stability of mulberry anthocyanins
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桑葚花青素在β-CD、CS等五种碳水化合物的保护下，热稳定性显著提升，β-CD效果最佳。分子对接和FTIR证实β-CD与CS通过氢键、静电作用及疏水相互作用形成稳定包合物，而β-GC、GG、XG主要依赖弱氢键。研究揭示了多糖对花青素的保护机制及浓度-pH-温度协同效应，为天然色素应用提供理论支撑。
钱丽|林宣然|王正光|邢东旭|刘帆|魏青毅|邹雨潇
广东省农业科学院，蚕桑与农产品研究所，功能性食品重点实验室，农业农村部，广东省农产品加工重点实验室，广州510610，中国
摘要
本研究系统探讨了β-环糊精（β-CD）、壳聚糖（CS）、瓜尔胶（GG）、黄原胶（XG）和β-葡聚糖（β-GC）对桑树花青素（MAS）稳定性的共着色效应及其作用机制。β-CD表现出最强的保护作用，其次是CS和β-GC。在60°C条件下，β-CD将MAS的半衰期从7.42小时延长至11.54小时，并显著降低了总色差（ΔE*）值。分子对接分析表明，β-CD和CS通过与氰苷-3-葡萄糖苷（C3G，MAS的主要单体）的氢键作用、静电相互作用和疏水相互作用形成了稳定的复合物，这些作用具有较高的结合自由能。而β-GC、GG和XG主要通过弱的氢键相互作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，β-CD和CS与C3G的羟基和氨基振动基团发生了相互作用。粒径分布和Zeta电位分析进一步证实，β-CD主要通过结构互补性和包合作用保护C3G，而CS则主要通过静电稳定作用起保护作用。
引言
花青素是一类广泛存在于植物中的天然色素，使花朵、果实和种子呈现红色、紫色或蓝色（Herrera-Balandrano等人，2021年）。花青素是花青苷的糖基化衍生物，通过糖苷键连接一个或多个糖基团形成。常见的花青苷包括氰苷、飞燕草素、锦葵素、芍药素和天竺葵素（Veberic等人，2015年）。花青素的基本结构由两个苯环通过一个线性三碳链连接而成，属于2-苯基苯并吡喃衍生物，具有C6-C3-C6的基本骨架（Veberic等人，2015年）。花青素的颜色由其分子结构决定。在不同环境条件下，其结构会发生变化，从而影响其稳定性（Sui等人，2014年）。
花青素在不同pH值下会呈现不同的结构形式（表1）（Horbowicz等人，2008年）。在酸性条件下（pH < 3），花青素主要以红色花菁阳离子的形式存在，这是最稳定的形式。苯环A和B通过C环上的氧阳离子形成共轭体系，该氧阳离子带有正电荷，呈现强烈的红色（B. Zhang等人，2016年）。在弱酸性条件下（pH 3–6），氧阳离子的正电荷逐渐消失，氧阳离子形式被开环甲醇伪碱形式取代。这种结构通常是无色的，因为分子的共轭体系被破坏，吸收光的能力减弱（X. Chen等人，2022年）。在中性条件下（pH 6–7），花青素会转化为醌类碱形式。具有醌结构的共轭体系比氧阳离子更不稳定，但仍能吸收可见光并呈现蓝紫色（Dangles & Fenger，2018年）。在碱性环境中（pH > 7），花青素会发生进一步的结构变化，转化为开环查尔酮形式。查尔酮结构的共轭体系完全破坏，导致其吸收可见光的能力显著降低，从而使花青素变为无色（Herrera-Balandrano等人，2021年）。
除了显著的着色性能外，花青素还具有多种生物功能，如抗氧化、抗炎、抗癌、抗菌、抗肥胖和抗心血管疾病等（Khoo等人，2017年；Lakshmikanthan等人，2024年）。这些功能使其在功能性食品、医药、化妆品等领域具有广泛的应用前景（Lakshmikanthan等人，2024年）。多糖、蛋白质和脂质等生物大分子在花青素的应用中起着重要作用，不仅提高了其稳定性，还扩展了其在食品和医药等领域的应用范围（Cruz等人，2020年；H. Zhang等人，2024年）。其中，多糖可以通过物理屏障和分子间相互作用有效保护花青素。Dong等人（2023年）的研究比较了水溶性多糖（包括β-GC、XG和魔芋葡甘露聚糖）对蓝莓花青素热稳定性和抗氧化能力的保护作用，发现多糖与花青素之间的分子间相互作用主要是通过氢键实现的，这显著提高了花青素在热处理条件下的稳定性。Tan等人（2023年）通过使用不同的多糖（包括软骨素硫酸盐、右旋糖酐、阿拉伯胶和果胶）制备聚电解质复合物，有效封装了花青素，从而显著提高了其稳定性。
以往的研究缺乏对不同碳水化合物在分子水平上相互作用机制的系统性比较评估。本研究聚焦于桑树花青素，探讨了不同碳水化合物在不同条件（浓度、pH值和温度）下对桑树花青素稳定性的影响，并分析了碳水化合物与花青素之间的分子水平相互作用机制，包括结合模式、结合强度和稳定性变化。研究结果有助于揭示花青素在复杂系统中的稳定性机制，丰富天然产物化学领域中天然色素稳定性调控的理论体系。
材料
MAS提取物购自中国天津的健丰天然产物研发有限公司。C3G购自中国上海的源叶有限公司。β-CD、β-GC、CS、XG和GG购自中国上海的阿拉丁有限公司。其他试剂均为分析级。
MAS的紫外-可见吸收光谱
使用柠檬酸钠缓冲液（pH 3.5、4.5、6.5）制备MAS提取物（0.25 mg/mL），并与β-CD、β-GC、CS、XG和GG以0、0.001、0.005、0.01、0.05和0.1 mg/mL的浓度按1:1体积比混合
不同色素浓度和pH值对紫外-可见吸收光谱的影响
本研究选择了五种碳水化合物（β-CD、CS、GG、XG和β-GC），因为它们在食品工业中有广泛应用，并且具有稳定花青素的潜力（图S1显示了它们的结构差异）。β-CD是一种由葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接的环状寡糖。由于其独特的环状结构，β-CD可以形成包合复合物，将疏水分子包裹在其腔内（Saini等人，2022年）。CS是一种线性多糖
结论
本研究全面评估了五种碳水化合物（β-CD、CS、GG、XG和β-GC）对MAS热稳定性和颜色稳定性的共着色效应及其作用机制。β-CD和CS在较宽的浓度范围内增强了MAS的吸光度，有效稳定了MAS；GG和XG仅在较低浓度下改善了MAS的吸光度，而高浓度下由于多糖聚集或分子复合导致吸光度下降
CRediT作者贡献声明
钱丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，研究设计，概念构思。林宣然：研究，数据分析，数据管理。王正光：研究。邢东旭：资源协调。刘帆：资源协调。魏青毅：监督。邹雨潇：项目管理，资金筹集。
未引用的参考文献
Klimaviciute, Navikaite-Snipaitiene, Jakstas 和 Ivanauskas, 2015
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工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划 [2023YFD1600904]的资助。作者感谢广东省科技青年人才支持计划 [SKXRC2025482]和中国农业部和农业农村部的农业研究系统 [CARS-18-ZJ0503]的支持。
