红曲红色素在淀粉颗粒表面吸附机制研究

刘立增，孟宪昉，郭俊杰，白正晨

（天津商业大学理学院化学系，天津300134）

红曲红色素在淀粉颗粒表面吸附机制研究

刘立增，孟宪昉，郭俊杰，白正晨

（天津商业大学理学院化学系，天津300134）

利用索氏提取和薄层色谱分离技术，从市售红曲红中得到1种含羟基红曲红色素。该红曲红色素水溶液与马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉所形成悬浮物，扫描电镜、偏光实验结果表明红曲红色素在淀粉颗粒表面发生了物理吸附，且吸附作用没有改变淀粉的内部结构。落射荧光实验表明该红曲红色素荧光颜色为黄色或绿色，热台实验表明该色素不适用于220℃的加工条件。

淀粉；红曲色素；吸附；荧光；扫描电镜

红曲色素是由红曲霉属（Monascus）的丝状真菌生成的色素，一直以来被认为是安全性较高的天然食用色素［1-2］。红曲色素在肉制品、水产品、配制酒、冰棍、饼干、果冻、膨化食品、调味类罐头、奶制品、植物蛋白、果品等中都有应用［3］，广泛应用于调味品、面制品、酒业等食品工业中。食品加工过程中pH［4-6］，温度［7］，光照［8-9］，金属离子［10］，食品添加剂［11-12］等因素对红曲色素稳定性影响研究已取得较大进展，但对于应用中红曲色素与蛋白质、淀粉等基质间的相互作用报道较少。研究表明，红曲色素有可能通过物理吸附作用：如（1）通过红曲色素替代亚硝酸盐作为肉制品着色剂直接染色，赋予肉制品特有的“肉红色”和风味，不仅抑制有害微生物的生长，延长保存期，而且红曲色素的应用安全性更高［13-15］；（2）将红曲色素粉直接加入到酱醅中参与发酵，明显提高酱油的红色指数，同时改善了酱油的风味［16］；（3）红曲色素可以替代酱油作为腌制蔬菜中外加色素，通过物理吸附作用渗入蔬菜内部，蔬菜细胞吸附红曲色素而改变原来的颜色［17］，使酱腌菜的色泽更诱人；（4）红曲色素在面制品生产中的应用产，红曲饼干、红曲面包、糕点、红曲面条等，在香味方面，与不加红曲提取液制成的面包相比，更加清新独特［18］。本文主要利用落射荧光和扫描电镜等技术，对红曲红色素与淀粉间的物理吸附作用情况进行研究，为进一步研究、开发和使用红曲色素提供理论参考。

1材料与方法

1.1仪器与试剂

BK-FL4落射荧光显微镜、SMART-POL偏光显微镜（Optec CCD TP310 digital camera）：重庆奥特光学仪器有限责任公司；KER3100-08S型精密恒温工作台：重庆奥特光学仪器有限责任公司；RE-52AA型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；S-4800扫描电子显微镜：日本日立公司。

马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉：市售。红曲红：山东中惠食品有限公司；正己烷、乙酸乙酯、无水甲醇、无水乙醇（分析纯）：天津市风船化学试剂科技有限公司；乙腈、甲醇（色谱纯）：Merck公司。

1.2实验步骤

1.2.1制备红曲红色素的方法

称取市售红曲红30 g溶于300 mL甲醇中，过200目～300目硅胶快速柱（直径45 mm，淋洗剂为甲醇）。待淋洗液接近无色后，旋干。将所得红曲色素装入纸包，放置于索式提取器中。配制300 mL正己烷和乙酸乙酯的混合液（体积比为1∶1）作为索氏提取溶剂。待萃取液无色后。将萃取剂换为150 mL甲醇进行二次萃取。将所得甲醇提取液旋转蒸发，浓缩后得红曲红色素初级品。甲醇溶解，薄层色谱分离初级品（CH2Cl2∶CH3OH=3∶1），旋干。得红曲红色素产物纯品。

1.2.2淀粉吸附红曲红色素实验

取适量的1.2.1制备的红曲红色素样品溶于蒸馏水中，调节其初始吸光度为1.0。分别量取该红曲红色素水溶液5、10、15 mL与1 g淀粉（马铃薯淀粉，玉米淀粉，小麦淀粉，红薯淀粉）混合，不加红曲红色素作为空白实验。超声下充分混合10 min后。离心5 min，将试管底部淀粉色素混合物所形成的淀粉乳取适量滴于载玻片上，加上盖玻片，避光干燥24 h。

1.2.3淀粉吸附红曲红色素落射荧光、偏光、扫描电镜实验

将1.2.2制备的红曲红色素淀粉乳样品片，置于显微镜样品台上，观察淀粉颗粒的形貌。分别在B光（420 nm～480 nm）和偏振光下拍摄淀粉颗粒的照片。使用KER3100-08S型精密恒温工作台，升温速度1℃/s，温度范围25℃～220℃。

将1.2.2制备的红曲红色素淀粉乳样品片，样本均匀地分散在样品处理台上，用离子衍射仪在其表面进行喷金、固定，采用S-4800型扫描电子显微镜（SEM）对淀粉样品微观形貌进行观察，加速电压：3 kV；放大倍数：2 000倍。

2结果与讨论

2.1分离样品的准备

市售红曲色素是混合物，一般所得的产品都含有3种颜色的多种组分。近年来许多学者采用薄层层析法、树脂吸附分离法、柱层析、微乳法等方法方法获得了不同色调的纯色素［19-22］。本文正己烷、乙酸乙酯分别作为萃取溶剂进行索氏提取，分别将橙色素、黄色素提取出来后，甲醇作为溶剂索氏提取出红色素。将所得甲醇提取液旋转蒸发，浓缩，干燥后，薄层色谱（20 cm×20 cm）分离，展开剂为CH2Cl2∶CH3OH=3∶1。使用刮刀将Rf=0.4的色带刮下，甲醇溶解，过滤，旋干。得红曲红色素产物纯品。研究结果表明，该色素在化学结构上是一种含有羧基的红曲红色素［23］。

2.2淀粉对红曲红色素吸附作用及温度的影响

红曲红色素不稳定，容易受到发酵温度、浸提温度、保存温度等因素的影响［24-25］。目前多数报道均是关于红曲红色素醇溶液或水溶液稳定性随温度的变化［26-27］。对水溶性红曲红色素吸附于淀粉表面的热稳定性研究不多。本文采用落射荧光显微镜对红曲红色素在淀粉表面吸附后的热稳定性进行了考察。温度对淀粉吸附红曲红色素的影响见图1。

图1　25℃和220℃下马铃薯淀粉（a，b）、玉米淀粉（c，d）、小麦淀粉（e，f）、红薯淀粉（g，h）吸附红曲红色素落射荧光实验Fig.1The EPI-fluorescence photographs of potato starch（a，b），maize starch（c，d），wheat starch（e，f），sweet potato starch（g，h）adsorbed by red monascus pigment at 25℃or 220℃

实验表明室温下色素吸附于马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉表面后，在落射420 nm～480 nm波长激发下，红曲红色素荧光颜色为黄色或绿色（520 nm～570 nm）。220℃下加热30 min后，红曲红色素的荧光强度都有明显的减弱现象，原因可能是在较高温度下，一部分红曲红色素分子发生了分解。对比4种淀粉的落射荧光强度可知，红薯淀粉对色素的吸附作用要优于其它3种淀粉。

2.3红曲红色素吸附对淀粉偏光影响

淀粉颗粒内部存在着2种不同的结构：结晶结构和无定形结构。在结晶区淀粉分子链是有序排列的，而在无定形区淀粉分子链是无序排列的，这2种结构导致偏振光通过淀粉颗粒时形成了偏光十字，即产生光学各向异性现象。当有水、醇等溶剂存在时，淀粉颗粒会发生溶胀、糊化，内部淀粉分子链有序排列的结晶结构被破坏，就会使偏光十字消失［28］。吸附红曲红色素对淀粉的偏光的影响见图2。

图2　马铃薯淀粉（a）、玉米淀粉（b）、小麦淀粉（c）、红薯淀粉（d）吸附红曲红色素偏光实验Fig.2The polarized light photographs of potato starch（a），maize starch（b），wheat starch（c），sweet potato starch（d）adsorbed by red monascus pigment

可以观察到在红曲红色素与马铃薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉分别混合过程中，溶于蒸馏水中的红曲红色素与淀粉颗粒之间发生了吸附现象。淀粉颗粒呈现明显的红色，但淀粉的偏光十字变化不是很大。图2结果表明溶于蒸馏水的红曲红色素在淀粉表面吸附过程中，没有改变淀粉颗粒内部的结构。

2.4淀粉吸附红曲红色素的扫描电镜

淀粉吸附红曲红色素的扫描电镜结果见图3（X2000倍）。

从图3中可明显看出：与未经处理的淀粉光滑表面比较而言，采用与红曲红色素混合法处理的淀粉表面增加了表层结构，其与原淀粉光滑的表面结构形成了鲜明的对比。此种表面结构的存在表明红曲红色素水溶液与淀粉充分混合干燥后，色素对淀粉颗粒进行了包埋。

2.5淀粉与红色素吸附机理

本研究组对中惠有限公司的色素进行分离，分离得到的红曲红色素是一类多羟基化合物［23］。同时淀粉颗粒表面布满了亲水性的羟基，与水溶性的含多羟基的红色素分子间能形成氢键。经分析，我们认为吸附机理如图4所示。

图4　淀粉与红曲红色素分子间氢键作用和落射荧光实验Fig.4The sketch map of H-bond formation and EPI-fluorescence for the starch-red monascus pigment

淀粉高分子链中每个葡萄糖单体单元的2，3，6位羟基与红曲红色素分子的3个羟基间可形成一个，两个或3个氢键。多个氢键的存在提高了淀粉基质与被吸附物质的相容性和对其吸附能力。并且吸附于淀粉颗粒表层的红曲红色素在420 nm～480 nm落射光照射下，发射出520 nm～570 nm的荧光。

3结论

通过索氏提取与薄层色谱相结合的方法，提纯得到一种化合物结构中含3个羟基的红曲红色素分子。落射荧光与扫描电镜实验结果表明，含3羟基红曲红色素分子与淀粉颗粒间存在以氢键为主的物理吸附作用，且此种物理吸附作用在220℃下仍保持一定的稳定性。偏光实验结果表明红曲红色素水溶液并未改变淀粉的内部结构，红曲红色素水溶液只在淀粉颗粒表面发生了相互吸附作用。研究结果不仅对红曲色素发酵生产、红曲色素的应用以及都有如何改善淀粉对水溶性物质的吸附能力和提高吸附结构稳定性能，拓宽淀粉应用领域提供了有益的参考。

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Study on the Adsorption Mechanism of Red Monascus Pigment on the Surface of Starch

LIU Li-zeng，MENG Xian-fang，GUO Jun-jie，BAI Zheng-chen
（School of Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

A kind of red monascus pigment containing hydroxyl group was gotten by Soxhlet extraction and TLC separation technology from a commercially available red Monascus.The suspended substance were formed in the red monascus pigment aqueous solution and potato starch，corn starch，wheat starch，sweet potato starch.The scanning electron microscopy，polarizing experimental results showed that red monascus pigment was adsorbed on the starch granule surface by physical adsorption，and the adsorption process did not change the internal structure of starch.The results of EPI-fluorescence experiments indicated that the red monascus pigment fluorescence color was yellow or green，the results of hot stand experiments showed that the pigment must be used under to 220℃.

starch；red monascus pigments；absorption；fluorescence；SEM

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.14.011

2015-05-21

刘立增（1973—），男（汉），讲师，博士，研究方向：食品添加剂。