南极真菌红色素与红曲红色素稳定性比较

刘杰，董龙龙，郭昱东，马跃，藏家业，王能飞*

1(青岛科技大学，生物工程与技术系，山东 青岛， 266042) 2(国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛， 266061)

南极真菌红色素与红曲红色素稳定性比较

刘杰1，董龙龙1，郭昱东1，马跃1，藏家业2，王能飞2*

1(青岛科技大学，生物工程与技术系，山东 青岛， 266042) 2(国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛， 266061)

针对南极真菌Geomycessp. WNF-15A所分泌的红色素与红曲霉红色素在色价、酸碱稳定性、金属离子稳定性、氧化剂与还原剂以及食品添加剂影响等方面进行了对比研究。结果表明，南极真菌Geomycessp. WNF-15A所产红色素的色价(155.2)明显高于红曲红色素色价(86.4)；该色素在抗氧化剂能力、酸度稳定性、部分金属离子与食品添加剂稳定性方面均优于红曲霉红色素。

南极真菌红色素； 红曲霉红色素； 稳定性；比较研究

色素不仅广泛用于各类食品、饮料，而且还应用于医药、化妆品等领域[1]。然而，由于化学合成色素均具有不同程度的毒副作用，因此天然色素的开发与应用渐成趋势。近年来，致力于天然色素开发的学者逐渐把目光投向了微生物色素，尤其是真菌色素。但除了类胡萝卜素，真正得到应用的微生物(真菌)色素只有红曲霉红色素[2](聚酮类化合物)。然而1995年法国学者BLANC等[3-6]却在红曲菌发酵物中检测到一种对人畜有害的真菌毒素“桔青霉素(Citrinin)”，这使得红曲霉红色素的应用受到限制。因此，寻找一种不含或低含桔青霉毒素、具有良好化学稳定性的天然红曲霉红色素的替代品十分必要。

在研究南极土壤微生物过程中，筛选到1株可大量分泌紫红色素的真菌Geomycessp. WNF-15A。经分析测定，该紫红色素的主要母核结构与红曲霉红色素(Monascus red pigment)的母核类似，且不含桔青霉素，因此具有开发成为红曲霉红色素替代品的潜力。本课题主要针对该真菌色素在色价、抗氧化还原性、酸碱稳定性、金属离子稳定性、食品添加剂影响等方面与标准红曲霉红色素进行的比较研究。

1 材料与方法

1.1 菌种、发酵、色素制备

菌种：南极真菌Geomycessp. WNF-15A，第24次中国南极科考期间从长城站附近土壤采集样品中分离得到。

发酵及色素制备：南极红色素采用本实验室方法制得[7]。标准红曲红色素购于上海佳杰天然食品色素有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 色价的测定[8]

其中，A表示吸光度读数；n表示稀释倍数；m表示质量。

1.2.2 氧化剂、还原剂的影响[9]

抗氧化性：取相同浓度的南极真菌红色素和红曲红色素水溶液，配制成不同H2O2含量的溶液，使H2O2浓度分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，对应编号为0、1、2、3、4，避光放置1 h，测定最大吸收光谱。

抗还原性：取相同浓度的南极真菌红色素和红曲红色素水溶液，配制不同Na2SO3含量的溶液，使Na2SO3浓度分别为0、0.1、0.2、0.4、0.8 mg/mL，对应编号分别为0、1、2、3、4，避光放置1 h，测定最大吸收光谱。

1.2.3 酸碱稳定性[10]

取相同浓度的南极真菌红色素和红曲红色素水溶液，用HCl和NaOH分别调溶液至pH 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13，避光放置1 h，测定最大吸收光谱，同时与空白溶液对比。

1.2.4 金属离子稳定性[11]

取相同浓度的南极真菌红色素和红曲红色素水溶液，分别加入NaCl、 KCl、CaCl2、CuCl2、ZnCl2、FeSO4、BaCl2，使各金属离子浓度达到10-2mol/L。在不同时间点测定最大吸收光谱，同时与空白溶液对比。

1.2.5 食品添加剂的影响[12]

分别用碳酸钠、柠檬酸钠、磷酸钠、蔗糖、VC、柠檬酸配制2 mg/mL的色素溶液，用食盐配制0.01 g/mL的色素溶液，用乳酸配制0.5%的色素溶液。避光放置1 h，测定最大吸收光谱，同时与空白溶液对比。

2 结果与分析

2.1 色素最大吸收波长的确定与色价测定

色素吸收波谱扫描(图1)显示，2种色素的最大吸收波长λmax均在480～550 nm范围，应属同一色系。其中南极真菌红色素的λmax为524 nm，红曲霉红色素的λmax为485 nm。在此最大波长下测定的南极真菌红色素色价为155.2，红曲红色素的色价为86.4，表明南极红色素的色价明显高于红曲红色素。

A:南极真菌红色素; B:红曲霉红色素图1 红色素吸收波长扫描 Fig.1 Absorption spectrum of red pigment

本次对南极真菌红色素最大吸收波长(λmax=524 nm)和色价(155.2)的测定结果与我们前期的实验结果[7](λmax=528 nm，色价=144.3)略有差异，可能是由于溶解色素所用水质不同引起的(前期研究用的是蒸馏水，本次用的是去离子水)。但这并不影响其与红曲红色素的比较研究。

2.2 氧化剂、还原剂对色素稳定性的影响

氧化剂H2O2对色素的影响见图2。从图2A可见，在不同浓度氧化剂H2O2影响下南极红色素OD524 nm值的保留率分别为86.86%、81.96%、77.32%、63.14%；而红曲红色素OD485nm值的保留率则分别为85.29%、77.94%、72.55%、62.75%(图2B)。结果表明H2O2可降低2色素的吸收峰，且随H2O2浓度的增加而明显降低，但南极真菌红色素的降低程度要小于红曲红色素。另外图2A还显示，不同浓度H2O2对南极红色素最大吸收波长λmax的位置基本没有影响，而红曲红色素则发生一定程度的红移。由此可见，氧化剂H2O2对南极真菌红色素稳定性的影响要比红曲红色素小一些。

1-0%; 2-0.1%; 3-0.2%; 4-0.3%; 5-0.5%A：南极真菌红色素; B：红曲霉红色素图2 H2O2对2种红色素稳定性的影响Fig.2 Effect of H2O2 on the stability of two red pigments

还原剂Na2SO3对色素的影响见图3。图3A显示，在不同浓度还原剂Na2SO3影响下，南极真菌红色素的吸收峰保留率有所下降，但降幅不大。当Na2SO3浓度增加到0.8 mg/mL时，其吸收峰保留率下降到90.71%(同时λmax变为514 nm)；而此时(图3B)红曲红色素的吸收峰保留率则增致117.87%(同时λmax变为481 nm)。由此可见，高浓度还原剂Na2SO3不仅可使两种色素的λmax发生蓝移，而且可使南极红色素的光吸收值下降、红曲红色素的光吸收值增大。只是红曲红这种吸收峰保留率增大的幅度较小，不足以弥补其色价低、含毒素的缺点。

1-0; 2-0.1 mg/mL; 3-0.2 mg/mL; 4-0.4 mg/mL; 5-0.8 mg/mLA：南极真菌红色素; B：红曲霉红色素图3 Na2SO3对2种色素稳定性的影响Fig.3 Effect of Na2SO3 on the stability of two red pigments

2.3 酸、碱度对两种色素稳定性的影响

图4、图5显示，不同酸度(HCl)、碱度(NaOH)对2种色素稳定性的影响差异还是比较大的。

由图4A可以看出，随着酸度的增加(pH6～3)，南极红色素的光吸收峰值逐渐降低，但最大吸收波长λmax基本不变；而此时红曲红色素的光吸收峰值尽管也降低，且降幅与南极红色素差不多，但λmax却发生了红移(图4B)。

A：南极真菌红色素; B：红曲霉红色素图4 酸度对2种红色素稳定性的影响Fig.4 Effect of acid on the stability of two red pigments

由图5A看出，随着碱度的增加(pH 10～13)，南极真菌红色素光吸收峰值不仅大幅度降低，而且最大吸收波长λmax也发生了较大程度的蓝移；而此时红曲红色素也发生了光吸收峰值降低和λmax蓝移，但程度却均小于南极真菌红色素(图5B)。表明高碱度对南极真菌红色素稳定性的影响较大。

A：南极真菌红色素; B：红曲霉红色素图5 碱度对2种红色素稳定性的影响Fig.5 Effect of alkaline on the stability of two red pigments

另外，结合2种色素的全pH(pH2～13)光吸收变化实验结果来看，南极红色素稳定性的最适pH范围在6～10。

从上述酸碱稳定性实验结果可以推断出，在酸性条件下南极红色素的稳定性要优于红曲红色素，而在碱性条件下则不及红曲红色素。推测随着酸性的增加，南极红色素成分可能在溶液中被逐渐析出，从而造成浓度降低；而随着碱性的增加(尤其在强碱性条件下)，南极红色素的结构成分可能会遭到比较大的破坏。

2.4 金属离子对两种色素稳定性的影响

A：南极真菌红色素; B：红曲红色素图6 金属离子对2种红色素稳定性的影响Fig.6 Effect of metal ions on the stability of two red pigments

不同金属离子对南极红色素和红曲红色素稳定性的影响见图6。从图6可见，南极真菌红色素对K+、Ca2+、Na+的稳定性较高，而对Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+的稳定性较差(图6A)；红曲红色素对K+、Na+稳定性高，放置时间较长时对Ca2+稳定性降低，而对Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+来说，无论放置时间长短均可显著降低红曲红色素的稳定性(图6B)。

当南极真菌红色素溶液中加入Fe2+、Zn2+并放置10 d后，会发生颜色变浅(色素吸光值残存率分别为32.18%和24.29%)并伴有少量沉淀产生现象。当加入Cu2+并放置24 h时，溶液颜色由红色变为紫色，此时最大吸收波长λmax不变，色素吸光值残存率降为63.95%；放置10 d后溶液颜色则变为墨绿色，并伴有少量红色沉淀产生，此时λmax不变，色素吸光值残存率降为39.43%。

而红曲红色素溶液中加入Fe2+、Zn2+放置10 d后，溶液会产生大量絮状沉淀，且颜色变浅(色素残存率分别为20.28%和7.08%)，λmax基本未变化。当加入Cu2+并放置10 d后，溶液则变为蓝绿色，λmax稍许红移，色素吸光值残存率仅为8.02%。

由此可见，2种色素的稳定性受Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+等金属离子的影响，原因可能是色素中某些成分与这些金属离子形成了络合物。但相比之下，南极红色素对金属离子的稳定性要优于红曲红色素。

A：南极真菌红色素; B：红曲霉红色素图7 Cu2+对2种红色素稳定性的影响Fig.7 Effect of Cu2+ on the stability of two red pigments

2.5 食品添加剂对2种色素稳定性的影响

各种食品添加剂对2种色素稳定性的影响见表1。

表1 食品添加剂对2种红色素稳定性的影响 单位：%

Table 1 Effect of food additives on the stability of two red pigments

从表1中可以看出，8种常见食品添加剂对南极红色素和红曲红色素的稳定性影响不是十分显著。但相对而言，红曲红色素对Vc、柠檬酸、乳酸的耐受性要比南极红色素差，其色素光吸收残存率只有空白对照组的83.88%、73.46%、79.62%；而磷酸钠、柠檬酸钠、碳酸钠对南极真菌红色素的影响要比红曲红色素稍大一些；食盐、蔗糖对2种色素的稳定性基本没有影响。

3 讨论

对南极真菌Geomycessp. WNF-15A所产红色素的前期研究[7，10，13]和本次研究显示，该色素与常用胭脂虫红、红曲霉红等天然色素属于同一色系(λmax均在480～550 nm范围)，而其色价(144.3～155.2)却远高后2者(120.1，86.4)，表明其在染色能力上更具优势。在酸、碱稳定性方面，南极真菌红色素比胭脂虫红色素更耐酸、碱，而与红曲霉红色素相比则耐酸不耐碱。在氧化、还原剂耐受性方面，氧化剂(H2O2)对南极真菌红色素、胭脂虫红色素、红曲霉红色素均有影响，但氧化剂浓度的增高，对南极真菌红色素稳定性的影响相对要小一些；而从还原剂(Na2SO3)的影响来看，高浓度还原剂对南极真菌红色素稳定性的影响要小于胭脂虫红色素(其最大吸收峰值下降明显)和红曲霉红色素(其最大吸收峰值不降反升)。在金属离子稳定性方面，与胭脂虫红色素相比，南极真菌红色素对K+、Ca2 +、Na+、Mg2 +、Mn2 +、Zn2 +、Fe2 +、Cu2 +的稳定性高，对Fe3 +、Pb2 +的稳定性差；而与红曲霉红色素相比，南极真菌红色素对K+、Ca2+、Na+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+的稳定性要优于红曲霉红色素(尤其是Fe2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+)。在常规食品添加剂影响方面，南极真菌红色素具有广泛的食品添加剂适应性，其中对碳酸钠的耐受性要明显优于胭脂虫红色素、而次于红曲霉红色素，对磷酸钠、柠檬酸钠的耐受性也稍好于红曲霉红色素。另外，南极真菌红色素在抗紫外辐射能力方面[7]，在清除超氧阴离子、羟基自由基、DPPH(1,1-二苯基-2-苦肼基)自由基等方面均优于胭脂虫红色素、紫甘蓝色素、紫苏色素等天然色素[13]。

综合前期与本次研究的结果，我们认为南极真菌Geomycessp. WNF-15A所产红色素在色价、抗氧化还原性、酸碱与金属离子耐受性等多个方面优于目前常用的红曲红、胭脂虫红等天然色素，其在液体发酵生产中克服了红曲霉等需经固体发酵的繁琐流程[14-15]和产桔青霉毒素等缺陷[16]，简化了操控、提纯工艺，有利于工业化大规模生产和在国际上推广应用，具有良好的开发前景和市场潜力。

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The comparison of stability between Antarctic fungus red pigment and Monascus red pigment

LIU Jie1, DONG-Long-long1, GUO-Yu-dong1, MA Yue1,ZANG-Jia-ye2, WANG-Neng-fei2*

1(Department of Bioengineering and Biotechnology, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)2(The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

In this study, red pigment produced from Antarctic fungusGeomycesWNF-15A and Monascus were comparatively studied on color value, stability to acid, alkali and metal ions, effects of reductant, oxidant and food additives. The results showed that the color value of Antarctic fungus red pigment(155.2) was obviously higher than that of Monascus red pigment(86.4). The stabilities of Antarctic fungus red pigment such as the antioxidant ability, acid stability, stabilities against some metal ions and food additives were higher than those of Monascus red pigment. Based on our previous research results, the red pigment of Antarctic fungusGeomycesWNF-15A was considered to havea high application value.

Antarctic fungus red pigment; Monascus red pigment; stability; comparative study

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201702016

博士，硕士导师(王能飞副研究员为通讯作者，E-mail: wangnengfei@126.com)。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2015T04)；山东省重点研发计划(2015GSF115004)

2016-07-24，改回日期：2016-10-31