甜菜红色素是一种天然食用色素，因其颜色鲜艳、安全性高在食品工业中广泛应用。它是由甜菜醛氨酸和环多巴构成的含氮水溶性化合物，能够稳定自由基，从而表现出良好的抗氧化性。但是在实际应用中，色素稳定性受到多种因素的影响。例如，高温处理会破坏色素结构；光通过激发其发色团中的π电子增加色素的反应活性，进而导致色素降解；在碱性条件下，色素会发生水解反应，影响色素分子稳定；某些金属离子如铁、铜等能够催化甜菜红色素的氧化反应，加速其降解过程。
近年来，通过添加辅色剂或分子修饰提升天然色素稳定性成为研究重点，辅色剂可通过分子间相互作用（如疏水作用、氢键或π-π堆积）稳定色素的发色基团，抑制降解。氨基酸结构中富含氨基、羧基、芳香环等多样官能团（部分还具备金属离子螯合能力），在改善色素稳定性方面展现出独特潜力。这一潜力在蛋白质与色素的相互作用研究中得到间接印证：蛋白质通过氨基酸残基的官能团与色素形成非共价相互作用以稳定色素结构，这为氨基酸作为小分子辅色剂的应用提供了理论基础。Chung等研究发现添加L-苯丙氨酸、L-色氨酸等氨基酸可维持花青素的颜色稳定性，其中L-色氨酸的添加效果最为显著。Gao Ningxuan等进一步揭示色氨酸的吲哚结构可以与矢车菊素及其糖苷形成强大的疏水作用力，从而提高其在黑莓中的稳定性。这些研究明确了氨基酸官能团（如芳香环、极性基团）通过特异性分子间作用稳定色素的核心机制。而甜菜红色素分子结构（甜菜醛氨酸与环多巴结合体）与上述色素存在显著差异，对氨基酸官能团的响应模式可能截然不同。同时，氨基酸通过氢键、疏水作用、螯合作用等稳定甜菜红色素的机制尚未明确，尤其是不同氨基酸的官能团（如组氨酸的咪唑基、苯丙氨酸的芳香环）如何影响其在光照、高温、金属离子等条件下的稳定性，仍缺乏系统研究。
烟台大学生命科学学院的亓宏阳、张嘉瑶、张春玉*等旨在探讨不同氨基酸对甜菜红色素热稳定性、光稳定性、pH值稳定性、金属离子稳定性以及抗氧化性的影响，分析氨基酸与甜菜红色素之间的相互作用机制，以期为甜菜红色素在食品工业中的稳定应用和功能开发提供科学指导。
01
氨基酸对甜菜红色素热稳定性的影响
图1展示了70 ℃加热处理下添加不同氨基酸对色素保留率的影响。随着加热时间的延长，所有组的色素保留率均下降，这是由于甜菜红色素在高温条件下发生降解生成黄色产物。但添加某些氨基酸的组相较于空白组下降速率较慢。特别是Ser、Phe的添加，热处理2 h后有效延缓色素保留率下降的速度，加热处理5 h后，添加Ser、Phe的溶液色素保留率分别为32.2%和36.3%，相较于空白组（24.1%）明显提高。此外，His也能延缓甜菜红色素的降解，但其效果不如Ser、Phe。而添加Gly、Pro加速了甜菜红色素的降解速度，不利于提高甜菜红色素的热稳定性。Bingöl等研究表明，氨基酸共色素效应能够延缓草莓汁中花青素单体的热降解速率，这与本实验结果相似。
有研究表明，温度是影响甜菜红色素稳定性的最关键因素，温度越高，降解速度越快。基于上述实验结果，发现Phe、His、Ser对甜菜红色素的热稳定性有提升效果，因此选择Phe、Ser和His进行后续实验。由图2可知，不同氨基酸添加量明显影响色素的降解速率，且不同氨基酸的作用规律存在差异。对于添加Phe和His的甜菜红色素溶液，随着氨基酸添加量的增加，色素保留率呈现先升后降的趋势。而对于添加Ser的色素溶液，氨基酸添加量的增加对色素热稳定性的影响不明显。当氨基酸添加量为5‰时，各组色素保留率最优，分别为32.2%、28.9%、25.9%，过高添加量（10‰）未产生进一步增益。
02
氨基酸对甜菜红色素光照稳定性的影响
由图3可知，在光照与黑暗两种不同条件下，甜菜红色素的保留率均随时间推移整体呈下降趋势。10 d后光照条件下空白组的色素保留率低于黑暗条件下的空白组，这与王萍等的研究结论相似。这是因为在光照环境下，甜菜红色素的发色团1,7-二偶氮庚甲碱吸收光子能量，促使电子跃迁至更高能量状态，进而引发分子反应性增强或分子活化能降低，最终削弱甜菜色素分子稳定性，加速了甜菜色素的降解速率。
由图3可知，在光照条件下，添加His样品的色素保留率下降速度明显减缓，这一现象可能与His作为α-氨基酸的特性密切相关。已有研究表明，α-氨基酸及其衍生物可通过光催化脱羧反应构建含氮化合物，在此过程中生成的中间体或自由基可能具有稳定色素结构的作用，进而减缓色素降解速率。而Phe组与空白组趋势基本一致，表明Phe未能有效改善色素的光氧化降解，可能与光照引发的极性环境变化削弱了疏水相互作用有关。而在黑暗条件中，以上2 种氨基酸均能有效提升甜菜红色素的稳定性，这可能是由于氨基酸通过清除自由基或抑制氧化反应稳定色素。特别是含His的甜菜红色素样品，在光照及黑暗条件下贮藏14 d后色素保留率分别为70.8%、71.1%，相较于空白组（光照下保留率为54.0%，黑暗下保留率为58.9%）分别提高了16.8%、12.2%。与之相反，Ser在两种条件下均未表现出对甜菜红色素稳定性的改善作用，并产生负面影响，加速了色素的光衰减过程。
03
氨基酸对甜菜红色素pH值稳定性的影响
有研究表明，甜菜红色素在pH 3.0～7.0条件下比较稳定。由图4A可知，pH 2.0时色素降解最快，其他条件下降解速率相对稳定。由图4B可知，Phe对甜菜红色素的pH值稳定性有一定改善作用，使其保留率下降趋势较空白组平缓。His对甜菜红色素pH值稳定性的保护作用最突出，在pH 3.0～7.0条件下，其色素保留率长时间维持在较高水平，优于空白组及其他氨基酸组（图4C）。Ser对甜菜红色素pH值稳定性的影响呈现“选择性”（图4D），不同pH值条件下呈现不同的稳定效果。为了更清晰直观地评估氨基酸对甜菜红色素pH值稳定性的影响，比较了在pH 2.0～7.0条件下分别贮藏10 d的色素保留率，结果如图5所示。在pH 2.0的强酸环境中，甜菜红色素溶液稳定性极差，其色素保留率下降速率显著快于其他pH条件；Phe组、Ser组与空白组的色素保留率无显著差异（P＞0.05），表明这2 种氨基酸对该pH值条件下的甜菜红色素稳定性未产生明显调控作用；而His组与空白组存在显著差异（P＜0.05），进一步加剧了甜菜红色素降解，不利于该pH值条件下甜菜红色素的稳定。这些结果表明强酸环境会破坏甜菜红色素的分子结构，加速降解，且在此条件下添加Phe、Ser无法改善甜菜红色素稳定性，添加His会产生负面作用。当体系pH值上升至3.0时，甜菜红色素稳定性显著改善（10 d色素保留率＞85%），Phe、His、Ser组的色素保留率与空白组无显著差异（P＞0.05），说明在pH 3.0条件下甜菜红色素自身已足够稳定，氨基酸未产生协同稳定作用。
在pH 4.0～7.0范围内，氨基酸的调控作用呈现明显差异性。在pH 4.0～7.0条件下，His的添加使色素保留率较空白组提升16%～20%，相较于空白组表现出显著的稳定效果（P＜0.05）。在pH 4.0条件下，Phe组的色素保留率相较于空白组显著提高（P＜0.05）；而在pH 5.0时，两组无显著差异（P＞0.05）；在其他pH值条件下，Phe组的色素保留率相较于空白组显著降低（P＜0.05），表现出加速甜菜红色素降解的负面作用。在pH 4.0条件下，Ser组相较于空白组显著提高（P＜0.05）；在pH 6.0条件下，两组无显著差异（P＞0.05）；但在pH 5.0、pH 7.0时反而加速甜菜红色素降解（降解速率较空白组提升约15%）。因此，甜菜红色素溶液的稳定性受pH值和氨基酸添加种类的双重影响。
总体而言，在pH值过低（如pH 2.0）时，甜菜红色素极易降解；而在pH 3.0条件下，甜菜红色素自身稳定性较好，无需额外添加氨基酸；在pH 4.0时，添加3 种氨基酸可显著增强甜菜红色素的稳定性，其中His的效果最显著；但在pH 5.0～7.0条件下，需谨慎选择氨基酸种类，避免因添加不当而加速甜菜红色素的降解。
04
氨基酸对甜菜红色素金属离子稳定性的影响
有关金属离子对色素稳定性的影响在众多研究中有所提及。例如，Attoe等研究表明铜离子与甜菜红色素会形成络合物，可通过乙二胺四乙酸或酸化破坏络合物，使甜菜红色素吸收光谱恢复原始形态。Adamowska等基于天然氨基酸衍生物合成了水凝胶，其富含的功能性基团（如氨基、羧基等）可通过与金属离子发生络合/配位作用实现结合，这揭示了氨基酸及其衍生物的特征官能团与金属离子之间存在特异性的相互作用。由图6A可知，在未添加氨基酸时，甜菜红色素溶液在不同金属离子中的稳定性存在显著差异。其中，Mg2+对甜菜红色素稳定性具有较为积极的作用，其色素保留率相对较高；相反， Al3+对甜菜红色素稳定性的影响最差，色素保留率下降速度最快。而Na+、K+、Ca2+、Ba2+等其他金属离子对甜菜红色素稳定性的影响则处于上述两者之间。
结合图6A、B可知，在0～10 d的实验周期内，除含Al3+的体系外，His组在其他金属离子体系下相较于空白组均呈现出提高色素保留率的趋势。由图7可知，第10天时，相较于空白组，His对含有Na+、K+、Ca2+、Ba2+体系的色素保留率有显著提升效果（P＜0.05），对含Mg2+体系的色素保留率提升效果不显著（P＞0.05），说明His中某些官能团可能与一些金属离子发生相互作用，从而减少金属离子对甜菜红色素的破坏，提高甜菜红色素稳定性。
与His不同，Ser与Phe的作用呈现明显的时间依赖性。实验初期（Ser组为0～2 d，Phe组为0～4 d）二者均能在一定程度上提高甜菜红色素稳定性；但随着贮藏时间的延长，其保护作用逐渐衰减，无法有效延缓色素保留率的下降（图6A、C、D）。值得关注的是，Ser与Phe对含Al 3+ 的体系均表现出一定的抑制作用，可显著提高该体系下甜菜红色素的稳定性（P＜0.05），其中Phe的作用效果更为突出。由图7可知，Ser与Phe对甜菜红色素稳定性的影响存在显著的金属离子特异性：除Al 3+ 体系外，Ser对其余金属离子体系的甜菜红色素稳定性相较于空白组均产生显著的负面影响（P＜0.05）；Phe则对K + 、 Ca 2+ 、Mg 2+ 体系的色素保留率表现出显著的负面作用（P＜0.05），但二者对Al 3+ 体系的色素均具有显著保护效果，其中Phe处理组的色素保留率较空白组提升了25%。
总之，不同氨基酸对含金属离子的甜菜红色素溶液稳定性影响各异，其中His可显著提升甜菜红色素在多数金属离子（除对Al 3+ 外）溶液中的稳定性；Ser和Phe在实验初期对含有部分金属离子的甜菜红色素溶液稳定性有一定提升作用。长期来看，Phe在含Al 3+ 溶液中大幅提高了色素保留率。这表明氨基酸由于其结构差异能与不同金属离子产生相互作用，合理使用能够有效提高甜菜红色素稳定性。
05
氧化剂和还原剂对含氨基酸甜菜红色素稳定性的影响
由图8A可知，甜菜红色素在还原剂（亚硫酸钠）存在的情况下，色素保留率由初期下降速率较快随后趋于平缓，这可能是甜菜色素分子的某些基团发生氧化反应，导致色素降解，氨基酸的加入并没有改善甜菜红色素的降解。由图9可知，与空白组相比，添加氨基酸的组别在第7天时色素保留率有所下降，但效果不显著（P＞0.05）。由图8B可知，在氧化剂（过氧化氢）存在时，甜菜红色素降解速度很快，7 d后空白组的色素保留率下降至27.4%，说明色素耐氧化剂能力较耐还原剂能力弱。但是氨基酸的加入显著延缓了色素的降解速率（P＜0.05），在第7天时各氨基酸添加组的色素保留率相比于空白组分别提高了21.8%、23.8%和16.6%（图9），表明氨基酸能在一定程度上抑制色素分子发生氧化反应。Tarakanova等发现，在冠醚及其与氨基酸的配合物存在时，甲基苯基硫醚可在过氧化氢作用下氧化生成甲基苯基亚砜，氨基酸会减缓该反应进程。这进一步佐证了氨基酸对氧化反应的抑制作用，为其在色素稳定性调控中的应用提供了理论支持。
06
氨基酸对甜菜红色素抗氧化性的影响
甜菜红色素分子结构中含有的酚羟基和环状胺基等官能团，使其具有清除自由基的能力，展现出较高的抗氧化活性。表1展示了不同氨基酸对甜菜红色素清除自由基能力的影响。不同氨基酸对DPPH自由基与ABTS阳离子自由基的清除增强效果呈现差异：对于DPPH自由基清除能力，Phe的增效作用最为突出，使DPPH自由基清除率从空白组的82.3%提升至88.2%，His组的DPPH自由基清除率为83.3%，而Ser的添加未明显提高甜菜红色素的DPPH自由基清除率（P＞0.05）。对于ABTS阳离子自由基清除能力，相较于空白组，Phe组的ABTS阳离子自由基清除率提高至91.7%，Ser对甜菜红色素的ABTS阳离子自由基清除能力也有一定促进作用，而His效果不显著（P＞0.05）。总体来看，这3 种氨基酸对甜菜红色素清除2 种自由基的能力均有提升作用，其中Phe的提升效果更佳。这可能与氨基酸自身具有抗氧化能力有关，也可能是氨基酸通过稳定甜菜红色素的结构，从而增强甜菜红色素清除自由基的能力。
07
结 论
本研究比较了不同氨基酸存在的条件下甜菜红色素稳定性及抗氧化能力。结果表明，His、Phe和Ser可以增强甜菜红色素的热稳定性，且当添加量为5‰时，对于甜菜红色素提高热稳定性效果最好；His能较好地改善甜菜红色素的光稳定性，Phe和His在黑暗条件下均能提高色素的稳定性；氨基酸对不同pH值和含金属离子的甜菜红色素溶液稳定性影响各异，其中His相较于其他氨基酸产生的影响更好；并且氨基酸能在一定程度上抑制色素分子发生氧化反应；His、Phe和Ser都可以增强甜菜红色素对DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的清除能力，但增强程度不同。在实际应用中，可以根据需求选择添加合适的氨基酸提高天然色素的稳定性，减少其在加工和贮藏过程中的降解和损失，从而提高产品的品质和市场竞争力。
作者简介
第一作者：
亓宏阳，烟台大学生命科学学院生物技术与工程专业2023级在读硕士研究生，主要研究方向为天然产物的分离纯化。硕士阶段（2023 年至今）于烟台大学生命科学学院开展系统性研究，在导师张春玉指导下，以“甜菜色素的分离纯化及稳定性提升”为核心研究课题，参与甜菜色素与氨基酸相互作用机制研究。系统掌握天然产物研究相关技术，包括高效液相色谱（HPLC）定量分析、紫外 - 可见分光光度法检测、柱层析分离等，具备独立设计实验方案与解决科研问题的能力。本科阶段（2018-2022年）就读于齐鲁理工学院生物工程专业，系统学习《生物化学》《有机化学》《生物分离工程》等核心课程，平均绩点3.93/4.0，为硕士阶段的研究奠定理论基础。
引文格式：
亓宏阳, 张嘉瑶, 孟雨航, 等. 不同氨基酸对甜菜红色素稳定性及抗氧化性的影响[J]. 食品科学, 2025, 46(22): 195-202. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250521-144.
QI Hongyang, ZHANG Jiayao, MENG Yuhang, et al. Effects of different amino acids on the stability and antioxidant activity of betalains[J]. Food Science, 2025, 46(22): 195-202. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250521-144.
实习编辑：甘冬娜；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、 重庆三峡科技大学 、西华大学、成都大学、四川旅游学院、北京联合大学、 中国-匈牙利食品科学“一带一路”联合实验室（筹） 共同主办 的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。
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