《Dyes and Pigments》：Solvatochromism and color modulation of carotenoids in bio-based solvents
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本研究系统探究了β-胡萝卜素和虾青素在传统及新兴生物基溶剂中的溶剂色变效应与颜色表达特性，结合紫外-可见光谱、CIELAB颜色测量及量子化学计算，揭示了溶剂极性、极化能力与分子极性及官能团对共轭π体系的电子相互作用影响，为开发可持续的天然色素提取和稳定工艺提供了理论依据。
Cassamo.U. Mussagy | Cristobál N. Alvarado-Holtheuer | Anna C.S.J. Passaes | Renan L. Farias
可持续生物过程开发实验室（Labisost），农学院，农业与食品科学系，瓦尔帕莱索天主教大学，智利基约塔，邮编2260000
摘要
类胡萝卜素是食品、营养补充剂和化妆品应用中最重要的天然色素之一，其光学性质直接决定了产品的功能性和消费者的感知。这些性质受到周围溶剂环境的强烈影响，溶剂环境可以调节电子跃迁和感知的颜色。然而，类胡萝卜素在新兴生物基溶剂中的溶剂致色反应仍不甚明了。本研究系统地使用紫外-可见光谱、CIELAB色度测量和半经验量子化学计算方法，研究了两类最广泛使用且具有商业价值的类胡萝卜素——β-胡萝卜素和虾青素的溶剂致色现象及颜色表现。两种类胡萝卜素都表现出依赖于溶剂的吸收峰移动，其中在更疏水性和可极化介质中观察到向长波方向的偏移（即向红光方向的偏移）。这种效应在β-胡萝卜素中较为微弱，而在虾青素中更为明显，反映了极性末端基团对溶剂敏感性的影响。色度分析表明，观察到的光谱变化转化为可测量和可感知的色彩坐标变化，从而建立了分子层面相互作用与宏观颜色感知之间的直接联系。计算结果支持了实验趋势，表明溶剂致色行为受溶剂与共轭π体系之间电子相互作用的控制，其强度受分子极性和功能化的调节。总体而言，本研究提供了一个综合的光谱学、色度学和分子层面的框架，有助于理解类胡萝卜素与溶剂之间的相互作用，并为类胡萝卜素的提取、配方和生物过程应用中可持续溶剂系统的合理设计提供了依据。
引言
类胡萝卜素是许多水果、蔬菜和微生物（细菌、酵母和微藻）中黄色、橙色和红色的天然色素[1]。它们的存在与食品的视觉质量密切相关，影响消费者的感知和接受度[2,3]。除了感官作用外，一些类胡萝卜素还具有维生素A前体活性[4,5]，并因其抗氧化和光保护特性而受到认可，有助于预防心血管疾病、癌症和黄斑变性等与氧化应激相关的疾病[6],[7],[8],[9]。
类胡萝卜素的紫外-可见吸收光谱提供了宝贵的结构信息，因为它反映了负责其特征颜色的共轭双键系统的长度[2]。这些色素在可见光区域吸收光，这是由于π–π?电子跃迁引起的，随着共轭程度的增加，能量降低[10]。因此，含有七个或更多双键的类胡萝卜素显示出强烈的颜色[11]，而含有较短发色团的类胡萝卜素则无色或颜色较淡[2,12,13]。除了分子结构外，溶剂环境也强烈影响类胡萝卜素的光谱和色度行为[14]。溶剂极性、极化率和氢键能力的变化可以改变电子跃迁的能量，从而导致其吸收光谱的溶剂致色变化[15,16]。
除了分子结构外，特别是溶剂的极性和极化率对类胡萝卜素的光谱性质也有显著影响[17,18]。溶剂类型的变化可能导致吸收峰向长波方向（红色）或短波方向（蓝色）移动，这种现象称为溶剂致色现象，反映了色素与溶剂之间相互作用的强度和性质[19,20]。尽管已有大量关于类胡萝卜素在传统挥发性有机溶剂（如丙酮、乙醇或乙酸乙酯）中的溶剂致色现象的研究[2,21]，但这些色素在新兴生物基和绿色溶剂中的光学和色彩行为仍缺乏充分研究[22]。特别是，目前缺乏结合光谱学、色度学和电子结构分析的综合研究，以阐明溶剂的疏水性、极性和极化率如何共同调节吸收性质和感知颜色。
基于此，本研究旨在评估β-胡萝卜素和虾青素在一系列传统和新兴溶剂中的溶剂致色和色度反应，包括乙酸乙酯、乙醇、异丙醇、丙酮、二甲碳酸酯、乙基丁酸酯、环戊基甲基醚和柠檬烯[图1]。通过结合紫外-可见光谱和CIE（国际照明委员会）色度空间分析，本研究为溶剂极性和分子相互作用如何影响类胡萝卜素和黄质色素的颜色表现提供了新的见解，有助于设计用于类胡萝卜素提取和稳定的可持续溶剂系统。
材料
β-胡萝卜素（类胡萝卜素组）和虾青素（黄质色素组）标准品购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯），纯度为99%。用于溶解色素的溶剂包括乙酸乙酯（EtOAc）、二甲碳酸酯（DMC）、乙基丁酸酯（EtBut）、环戊基甲基醚（CPME）、丙酮（Ace）、柠檬烯（Lim）、乙醇（EtOH）、异丙醇（iPrOH）和异丁醇（IsBut），均来自Sigma-Aldrich。
由于类胡萝卜素的光谱特性依赖于溶剂……（此处原文内容不完整）
溶剂依赖的吸收性质
为了确保光谱测量的准确性和可重复性，类胡萝卜素溶液的浓度被调整为保持在比尔-朗伯定律的线性范围内（0.2–1.0 AU）。这种方法避免了检测器饱和，并保证了测量的定量有效性。根据这一标准，在一组绿色溶剂中测试了两种代表性的β-胡萝卜素（9.31 μM）和虾青素（3.5 μM）浓度。这些条件确保了记录的光谱……（此处原文内容不完整）
结论
本研究通过结合紫外-可见光谱、感知颜色分析和半经验量子计算方法，系统地研究了β-胡萝卜素和虾青素在一系列传统和新兴生物基溶剂中的溶剂致色和色度行为。实验结果表明，溶剂环境调节了类胡萝卜素的吸收峰和感知颜色，其中向长波方向的偏移或向短波方向的偏移是由溶剂与类胡萝卜素之间的相互作用引起的……（此处原文内容不完整）
CRediT作者贡献声明
Cassamo.U. Mussagy：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，验证，监督，软件使用，资源提供，项目管理，方法学设计，研究实施，资金获取，数据分析，概念构思。Cristobál N. Alvarado-Holtheuer：方法学设计，研究实施，数据分析。Anna C.S.J. Passaes：研究实施。Renan L. Farias：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据验证，监督，软件使用，研究实施。
资助
本研究得到了ANID/FONDECYT/1250170和ANID/FOVI/250065的资助。RLF感谢FAPERJ基金会的资助（参考编号Proc. E?26/211.027/2024）。本研究部分由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）资助（财务代码001）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
