核黄素敏化的光加速食品级Genipin着色过程：动力学研究、机理分析及其在快速染发中的应用

《Dyes and Pigments》：Riboflavin-Sensitized Photo-Acceleration of Food-Grade Genipin Coloration: Kinetic Insights, Mechanistic Analysis, and Application in Rapid Hair Coloration

genipin光催化加速反应形成高稳定性蓝色染料，减少头发损伤并验证商业应用潜力。

　　

孙雅婷|孔妍|黄德健|金长艳|李璐瑶|魏娟|景琳芝|傅彩丽

新加坡国立大学（苏州）研究院，中国江苏省苏州市工业园区林泉街377号，邮编215123

摘要

Genipin是一种天然存在的环烯醚萜类化合物，为可持续的食品级色素合成提供了有希望的基础。然而，在温和的水性条件下，发色团的生成通常受到动力学限制。在本研究中，我们报道了一种基于Genipin的环保色素合成方法，并通过蓝光光催化作用添加核黄素来加速这一过程。紫外-可见光谱法监测了发色团的增长和反应物特征，发现产物在590纳米处具有特征性的蓝色吸收带，从而能够同时监测色素的生成和动态变化。实验还表明，添加核黄素可将反应时间缩短约80%。高效液相色谱法（HPLC）用于定量Genipin的消耗情况以及与头发相关氨基酸的反应过程，液相色谱-质谱联用（LC-MS）确定了Genipin的主要衍生物的结构，其中与赖氨酸单体形成的衍生物分子量为334 Da，与二聚体形成的衍生物分子量为632 Da。通过Amplex Red检测方法评估了光氧化作用，证实活性氧的生成与颜色加速发展有关。将这些色素应用于头发纤维后，观察到良好的着色效果，包括增强的光泽、减少的角质层损伤以及明显的染色附着性。即使经过10次和20次洗涤，颜色仍保持优异，没有明显褪色。总体而言，本研究解决了如何在保持色素强度和耐久性的同时加速食品级色素合成的问题，为传统头发染色化学方法提供了一种更快、更安全的替代方案。

引言

随着收入水平的提高和生活质量的改善，加之时尚、文化和媒体的影响，染发变得越来越流行，因为它为人们提供了一种表达个人风格和提升外貌的方式[1]。根据这一趋势，2022年全球染发市场的价值约为250亿美元，预计到2029年将增长至420亿美元[2]。如此庞大的市场规模和快速增长表明了全球对染发产品的巨大需求。然而，人们对染发潜在风险的认识日益增加，传统染发剂的安全性问题日益凸显，这些染发剂与过敏、脱发甚至癌症等严重疾病有关[3]。近年来，关于天然染发剂的研究越来越多。然而，天然来源并不必然保证产品的安全性和无毒性。例如，juglone是一种具有细胞毒性的天然色素[4]。此外，天然染发过程中常用的金属媒染剂可能对头发造成光氧化损伤[5]。鉴于染发用户数量的增加和该行业的经济份额不断扩大，染发已成为一个公共卫生问题。开发更安全、更环保的染发剂对于公共卫生具有重要意义。

在这种背景下，Genipin是一种天然存在的环烯醚萜类化合物，存在于Gardenia jasminoides和Genipa americana的果实中[6]。其特点是含有一个环戊烷结构单元与二氢吡喃环融合[7]。在未成熟的Genipap提取物中发现的九种环烯醚萜类化合物中，Genipin的含量最高，对其强大的抗氧化和抗增殖活性贡献显著[8]。近年来，由于其低毒性、良好的生物相容性和独特的化学结构，Genipin在医学和材料科学领域受到了广泛关注[9]。Genipin已知能与氨基酸、肽和蛋白质中的伯胺发生交联反应，生成蓝色色素，显示出作为染发剂的潜力[6]。Machado等人从Genipa Americana L.的果实中提取了geniposide，并发现该化合物能与头发中的角蛋白反应，使灰发变红[9]。然而，尽管Genipin具有这种潜力，但其染色效果仍受反应速率、颜色强度和颜色稳定性等因素的限制。因此，开发加速反应过程和增强最终染色效果的方法对于实现Genipin作为染发剂的广泛应用至关重要。

研究表明，Genipin与碱性氨基酸之间的等摩尔反应最有效地生成了理想的蓝色色素[10]。在头发中常见的氨基酸中，如谷氨酰胺、亮氨酸、酪氨酸、精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸由于其侧链上的自由胺基而具有较高的反应性[11]。将对Genipin与头发相关氨基酸之间的反应进行动力学研究，以确定哪些氨基酸能产生最快的反应速率和最稳定的色素。这些研究旨在通过添加过量的特定氨基酸来优化染色过程，从而提高染料的整体性能。

向反应体系中添加核黄素（一种天然的水溶性B族维生素）可以有效克服色素生成过程中的动力学限制。核黄素具有杂环结构，包含核糖醇侧链和黄素环系统，这对它的光敏性质至关重要[12]。在光照下，核黄素会发生光化学活化，进入激发三重态并生成活性氧（ROS），如单线态氧和超氧阴离子[13]。这些ROS可以显著加速氧化和交联反应[14]，从而提高反应速率并促进色素的快速生成。Remucal和McNeill已经证明，在水环境中，核黄素光氧化作用可以通过可见光照射促进氨基酸底物的快速转化或降解[15]。这进一步表明，核黄素在光照条件下有可能加速基于Genipin的发色团的生成。

在本研究中，选择Genipin作为天然交联剂，研究其与人类头发中常见氨基酸（如赖氨酸和半胱氨酸）的反应。使用核黄素来加速这一反应，并探讨了光照和温度对反应的影响。通过紫外-可见光谱法监测色素生成情况，重点识别特征吸收带。高效液相色谱法（HPLC）用于定量Genipin的消耗量，液相色谱-质谱联用（LC-MS）用于鉴定主要反应产物。Amplex Red检测方法用于评估蓝光照射下活性氧（ROS）的生成及其对反应速率的影响。本研究旨在探索使用Genipin作为安全、可持续的染发剂的潜力，提供比现有天然染发剂更安全的选择，并具有更持久的颜色和更低的刺激性。通过Genipin与氨基酸的可控相互作用，这种方法为开发单剂量天然染料配方提供了希望，解决了当前天然和合成染料的局限性，提供了一种更用户友好、更环保的解决方案。

材料

Genipin和核黄素由Sigma-Aldrich（中国上海）提供。赖氨酸（Lys）、亮氨酸（Leu）、苏氨酸（Thr）、丝氨酸（Ser）、缬氨酸（Val）、苯丙氨酸（Phe）、脯氨酸（Pro）、丙氨酸（Ala）、半胱氨酸（Cys）、异亮氨酸（Ile）、谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）、甲酸、乙腈和甲醇由Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）提供。Amplex red、辣根过氧化物酶（HRP）和二甲基亚砜（DMSO）由Beyotime Biotechnology公司提供

Genipin与氨基酸及核黄素的色彩反应动力学

通过监测0至40分钟和1440分钟内的颜色变化，系统研究了Genipin与各种氨基酸的反应动力学。如图2a和图2b所示，Genipin与赖氨酸的反应最快，大约20分钟内完成。这与Neves、Valdés等人的研究结果一致[10]，他们得出结论认为碱性氨基酸（尤其是赖氨酸）为Genipin的反应提供了最佳条件。在本研究中，虽然未详细说明pH值的影响

讨论

长期以来，Genipin基染色的动力学瓶颈阻碍了其从实验室研究向工业应用的转化。我们的结果表明，核黄素敏化系统通过光诱导的氧化途径有效克服了这一限制。蓝光照射下590纳米吸收带的迅速出现表明，核黄素作为稳定的光敏剂，会进入激发三重态并生成ROS。

结论

总之，本研究通过引入核黄素敏化的光加速策略，解决了食品级Genipin色素生成动力学缓慢的长期问题。通过系统的动力学和机制分析，我们证实蓝光照射触发了ROS介导的路径，显著加速了发色团的组装，在590纳米处观察到特征性的蓝色产物吸收带。紫外-可见光谱法显示，添加核黄素减少了

CRediT作者贡献声明

景琳芝： 资金筹集。傅彩丽： 资金筹集。黄德健： 构思。金长艳： 实验研究。李璐瑶： 形式分析。魏娟： 项目管理。孙雅婷： 文章撰写——初稿撰写、实验研究。孔妍： 文章撰写——审稿与编辑、监督、方法学设计、资金筹集、形式分析

利益冲突声明

作者声明没有竞争利益。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了江苏省基础研究计划（BK20240441、BK20230262和BK20241807）以及贝索斯地球基金（Bezos Earth Fund）的资助。