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在食品工业中，偶氮食品染料应用广泛，但它们在不同环境下的化学性质和毒性存在诸多未知。研究人员以 Ponceau 4R、Sunset Yellow 和 Tartrazine 为对象，探究溶剂极性对其光物理性质和毒性的影响。结果表明溶剂极性影响染料互变异构和毒性。该研究有助于评估偶氮染料安全性。
在五彩斑斓的食品世界里，合成染料就像神奇的魔法棒，赋予食物诱人的色泽。其中，偶氮染料（azo dyes）作为食品染色的常用 “选手”，约占所有商业染料的 50%。它们凭借着易获取、低成本、稳定性好等优势，让食品变得更加赏心悦目，刺激着消费者的购买欲。
然而，这些染料并非毫无隐患。偶氮染料能以多种空间和异构形式存在，一旦进入复杂的生物环境，就可能发生化学变化，影响自身稳定性和毒性，进而引发不良生物反应。比如，2010 年就有报告指出，互变异构（tautomerism）现象可能与毒性相关，可目前对于互变异构体稳定性和生物影响之间的直接关系，科学界了解得还十分有限。同时，不同环境下偶氮染料的相互作用共振形式差异，也影响着它们的生物利用度和毒性。在这样的背景下，为了深入探究这些问题，来自伊朗大不里士大学（University of Tabriz）等机构的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
为了揭开偶氮染料的奥秘，研究人员选用了 Ponceau 4R、Sunset Yellow 和 Tartrazine 这三种常见的芳香偶氮食品染料作为研究对象。在研究过程中，他们采用了多种关键技术方法。首先是吸收和发射光谱技术，利用双光束分光光度计和荧光光谱仪，在不同极性的溶剂和液晶（LCs）环境中，记录染料的吸收光谱（300 - 800nm）和荧光光谱，以此来分析染料的光物理性质变化。其次，运用量子力学二阶微扰理论来估算染料的偶极矩，通过测量不同环境下吸收和发射带的最大波数，结合相关公式计算出染料在基态（μg）和激发态（μe）的偶极矩。最后，采用 MTT 测定法评估染料对人胚胎肾（HEK293）细胞的细胞毒性，通过观察细胞对染料的反应，来判断染料的毒性强弱。
1. 溶剂环境对染料吸收和发射光谱行为的影响
研究人员在不同极性、具有不同氢键供体和受体能力的溶剂中，记录了这三种染料的吸光度和荧光光谱。结果发现，由于染料存在偶氮和腙两种互变异构体，它们的吸收光谱较为复杂，通常有一个尖锐的峰和一个肩峰。在酒精等氢键供体溶剂中，腙峰尖锐，偶氮峰呈肩峰；而在 DMF 和 DMSO 等高氢键受体能力的溶剂中，腙峰消失，仅留下尖锐的偶氮峰。在荧光光谱研究中，发现溶剂会影响染料的荧光行为，比如在酒精溶剂中，激发态相互作用会使分子结构重排，产生新的峰，尤其是在 Sunset Yellow 和 Tartrazine 染料中，这种现象更为明显。在液晶环境下，研究人员也观察到了不同染料的吸收和荧光光谱特征，Ponceau 4R 的吸收光谱中以腙峰为主，偶氮峰较弱；Tartrazine 则相反，偶氮峰尖锐，腙峰为肩峰；Sunset Yellow 两种峰的尖锐程度相当。这表明在不同环境下，染料的优势互变异构体形式不同。
2. 溶剂环境对染料相互作用和互变异构的贡献
研究人员利用 Kamlet - Abboud - Taft 多参数溶剂极性模型，定量评估了溶剂对染料光物理行为的影响。该模型考虑了溶剂的酸性（α）、碱性（β）和极性 / 极化率（π?）等参数。研究发现，对于偶氮互变异构体的基态，所有评估的溶剂极性参数的负值表明其稳定性较差；而在荧光过程中，溶剂的氢键受体和供体能力对染料激发态的稳定性影响显著，相关参数的负值意味着这些相互作用能稳定染料的激发态。对于腙互变异构体，氢键供体能力和极性 / 极化率是影响吸收、荧光波数和斯托克斯位移（Stokes shift）的主要因素。在液晶环境中，研究发现影响光谱行为的主要是氢键受体能力和极性 / 极化率，氢键供体能力的影响较小，而且液晶环境中发生激发态分子内质子转移（ESIPT）的概率较低，优势互变异构体形式主要由热力学稳定性决定。
3. 偶极矩和可能的共振结构
研究人员通过计算溶剂极性函数，测定了染料在基态和激发态的偶极矩。结果显示，在溶剂和液晶环境中，三种染料在偶氮和腙互变异构体形式下，激发态偶极矩均高于基态。在溶剂环境中，偶氮形式的激发态偶极矩比腙形式大得多，且基态下偶氮形式的偶极矩低于腙形式，这证实了溶剂环境中存在 ESIPT。但在液晶环境中，尤其是 Ponceau 4R 和 Tartrazine，基态下偶氮形式的偶极矩高于腙形式，表明液晶环境中发生基态分子内质子转移（GSIPT）的可能性较低。
4. 染料的细胞毒性评估
研究人员运用 MTT 测定法评估了三种染料对肾细胞的毒性。结果显示，Ponceau 4R 的溶解度最高，毒性也最强，半数抑制浓度（IC - 50）为 2.23 ng/μl；Sunset Yellow 在测试浓度范围内，细胞活力随浓度增加而下降，但未表现出明显的毒性增强；Tartrazine 则呈现出奇特的细胞毒性效应，低浓度时（13 - 27 ng/μl），对肾细胞增殖有促进作用，浓度升高后，细胞活力下降，IC - 50 为 68.17 ng/μl。研究还发现，染料的毒性与其在液晶环境中腙互变异构体的比例有关，Ponceau 4R 的腙形式比例最高，毒性最强；Tartrazine 的腙形式比例最低，毒性相对较弱。
综合上述研究结果，该研究深入探究了 Ponceau 4R、Sunset Yellow 和 Tartrazine 在不同溶剂和液晶环境中的光物理性质和细胞毒性。研究表明，溶剂极性对染料的互变异构平衡和光物理性质有着重要影响，通过 Kamlet - Abboud - Taft 模型可以有效评估这些影响。同时，偶极矩的测定为理解染料分子的电荷分布和结构提供了重要信息，证实了溶剂环境中 ESIPT 的存在，以及液晶环境中 GSIPT 的低可能性。MTT 测定法揭示了三种染料对肾细胞的不同毒性效应，且毒性与腙互变异构体的比例相关。这些研究结果对于全面评估偶氮染料在食品中的安全性具有重要意义，为监管部门制定更严格的食品添加剂标准提供了科学依据，也为后续研究偶氮染料在生物体内的代谢和毒性机制奠定了基础，有助于推动食品科学和健康医学领域的进一步发展。
