藻蓝蛋白体外颜色稳定性的保护机制研究：蛋白质/糖醇/寡糖结合策略与分子动力学模拟

《Food Chemistry: X》：Investigation on the protective effects of the color stability of phycocyanin in vitro

本研究针对藻蓝蛋白(PC)在食品工业应用中易受温度、光照和pH影响而颜色不稳定的难题，通过蛋白质-蛋白质（牛血清白蛋白BSA）、蛋白质-糖醇（山梨醇等）和蛋白质-寡糖（木寡糖等）结合策略，结合分子动力学模拟和分子对接技术，系统探究了不同pH环境下PC的热稳定性和光稳定性。结果表明，BSA（2:1）、糖醇（10:1）和寡糖（0.5:1）分别在中性、碱性和酸性条件下显著增强PC颜色稳定性，其机制涉及氢键形成和疏水区包埋结构。该研究为海洋源天然蓝色色素在食品工业的深度开发提供了理论依据。

　　

在追求天然、健康食品添加剂的今天，藻蓝蛋白(Phycocyanin, PC)作为一种从海洋螺旋藻(Spirulina platensis)中提取的天然蓝色色素，因其独特的色泽和多种生理活性，在食品、化妆品和医药领域展现出广阔的应用前景。然而，作为一种色素-蛋白质复合物，藻蓝蛋白的“娇气”却限制了它的广泛应用——环境中的温度变化、光照强度以及pH值的波动都极易影响其颜色稳定性，尤其是在食品加工和储存过程中，热和光的作用常常导致其褪色或失活，成为制约其工业化生产的核心难题。现有的解决方案，如微胶囊化、脂质体包埋或添加化学稳定剂（如柠檬酸），虽有一定效果，但或因工艺复杂，或因安全性问题（如某些有毒稳定剂），仍难以满足食品工业的大规模应用需求。因此，开发一种高效、安全且能适应不同酸碱环境的藻蓝蛋白稳定化策略，成为科研界和产业界共同关注的焦点。

针对这一挑战，北京工商大学食品添加剂研究中心的张西玉、李欣然等研究人员在《Food Chemistry: X》上发表了一项创新性研究，系统探究了通过蛋白质、糖醇和寡糖与藻蓝蛋白结合，在不同pH条件下增强其热稳定性和光稳定性的效果及分子机制。研究人员首先评估了不同光照强度(0, 250, 500 Lux)和温度(30-80 °C)对PC保存率的影响，确认了热和光是导致其不稳定的主要因素。随后，他们分别在中性、碱性和酸性环境下，筛选了多种蛋白质（如牛血清白蛋白BSA、乳清蛋白）、糖醇（如山梨醇、木糖醇、甘露醇）和寡糖（如木寡糖、低聚果糖），通过紫外-可见光谱扫描、色差值(b值)分析、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、荧光光谱分析、差示扫描量热法(DSC)、等温滴定微量热(ITC)以及粒径分析等技术，综合评价了不同比例复合物的稳定性。更重要的是，研究团队利用分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation)和分子对接(Molecular Docking)技术，在分子水平上揭示了稳定剂与PC之间的相互作用机制，如氢键形成和疏水相互作用。

3.1. 蛋白质相互作用影响藻蓝蛋白的颜色稳定性

研究发现，光照和温度升高会显著降低PC的保存率。在蛋白质筛选实验中，当蛋白质与PC的质量比为2:1时，牛血清白蛋白(BSA)和乳清蛋白对PC的蓝色调(b值负向增大)增强效果最显著。视觉观察和定量分析表明，BSA在加热条件下对PC的颜色保护作用最佳，而乳清蛋白在光照条件下表现出更好的保护效果。FTIR分析显示，BSA和蛋清蛋白与PC结合后引起了更明显的谱图位移，表明存在较强的分子间相互作用。

3.2. 牛血清白蛋白-藻蓝蛋白结合增强中性环境下藻蓝蛋白的颜色稳定性

在70 °C加热3小时后，仅BSA和乳清蛋白复合物能保持明显的蓝色。BSA-PC复合物的b值(-41.273)远高于纯PC(-12.450)。在500 Lux光照下，BSA-PC复合物的特征吸收峰(620 nm)位置最为稳定。结果表明，动物源蛋白（尤其是BSA）在中性环境下对PC的热和光稳定性保护效果优于植物源蛋白。

3.3. 糖醇在碱性条件下保护藻蓝蛋白的颜色稳定性

在pH 9.0的碱性条件下，质量比为10:1的糖醇（山梨醇、甘露醇等）与PC复合后，其b值显著降低（例如山梨醇-PC为-44.533）。加热和光照实验表明，山梨醇和甘露醇能最有效地延缓PC的褪色和特征吸收峰的蓝移。FTIR分析在3500-3100 cm^-1范围内观察到明显的氢键特征峰，说明糖醇通过与PC形成氢键而起到稳定作用。

3.4. 寡糖在酸性条件下保护藻蓝蛋白的颜色稳定性

在pH 4.0的酸性环境中，质量比为0.5:1的寡糖（特别是木寡糖和低聚果糖）与PC复合物表现出最佳稳定性。木寡糖-PC复合物在加热3小时后仍能保持蓝色，且其b值(-29.603)和吸光度稳定性最好。FTIR分析表明，木寡糖与PC的结合引起了最显著的特征峰位移，表明其相互作用最强。

3.5. 分子动力学模拟分析藻蓝蛋白与寡糖和糖醇的相互作用机制

分子动力学模拟显示，糖醇（如山梨醇、甘露醇）和寡糖（如木寡糖）在模拟过程中会吸附到PC表面，最终形成聚集核心。溶剂可及表面积(SASA)轨迹分析表明，这些复合物的系统稳定性显著增强。模拟聚集倾向评分显示，山梨醇、甘露醇和木寡糖的评分均大于1，表明它们能有效促进PC的稳定聚集。

3.6. 分子对接表明糖醇和寡糖与藻蓝蛋白具有相对稳定的结合

以山梨醇和木寡糖为代表的分子对接结果显示，它们与PC的结合能分别为-6.96 kcal/mol和-6.12 kcal/mol，表明结合过程是自发的。结合模式显示，这些分子通过氢键和静电相互作用占据了PC的疏水口袋。

3.7. 糖醇和寡糖促进PC的结合和聚集并增强其稳定性

粒径分析发现，山梨醇-PC和甘露醇-PC复合物在6小时后的粒径分别增至473.9 nm和649.6 nm；木寡糖-PC和低聚果糖-PC复合物粒径增至835.7 nm和848.2 nm，证实了复合物发生了聚集。ITC分析进一步证实，山梨醇和木寡糖与PC的结合是放热的自发过程，热力学参数（ΔG < 0）支持其结合稳定性。

本研究通过多维度实验和理论模拟，证实了蛋白质（BSA）、糖醇（山梨醇、甘露醇）和寡糖（木寡糖）分别在特定pH环境下能有效增强藻蓝蛋白的颜色稳定性。其核心机制在于这些稳定剂通过氢键和疏水相互作用与PC结合，形成保护性聚集结构，从而屏蔽了外界不利因素（热、光、极端pH）对PC发色团的破坏。该研究不仅为藻蓝蛋白在烘焙食品（碱性）、酸性饮料、乳制品等不同pH体系食品中的应用提供了具体可行的稳定化方案（如推荐配比），更重要的是从分子层面阐明了相互作用的机理，为理性设计高效、安全的天然色素稳定剂提供了坚实的理论支撑，对推动海洋生物资源在食品工业中的高值化利用具有重要的科学意义和应用价值。