多糖-金属离子螯合介导的花青素稳定性与分子相互作用调控

《Food Chemistry》：Polysaccharide-metal ion chelation-mediated regulation of anthocyanin stability and molecular interactions

　　摘要要点：• 构建了花青素-枸杞多糖-Zn2?/Ca2?三元复合体系，突破了仅使用单一组分稳定花青素的传统范式。• 证实了三元体系在提高花青素稳定性方面显著优于二元体系，其中花青素-枸杞多糖-Zn2?体系的稳定性最佳。• 系统阐明了三元体系中的分子相互作用机制：枸杞多糖首先与Zn2?/Ca2?螯合形成致密的空间网络支架，花青素随后通过多个氢键和配位键嵌入该网络中，形成三维交联结构。• 花青素-枸杞多糖-Zn2?网络具有更致密的结构和更强的空间屏蔽效应，二者共同造就了该体系中花青素的优良稳定性。引言花青素是一类广泛分布于水果、蔬菜和花卉中的水溶性天然色素，因其鲜艳的颜色和潜在的生物活性（包括抗氧化和抗炎作用）而受到广泛关注。这些特性使其在食品、保健品、化妆品和制药行业具有广阔的应用前景（Deepa等，2023；Yang等，2023）。然而，在食品加工和储存过程中，花青素极易因光、温度、氧气、pH值和酶活性等多种环境因素而降解褪色，从而损害其商业价值和功能功效（Jiang等，2024；Zhong等，2024）。近年来，越来越多的研究关注通过花青素与天然化合物的相互作用来提高其稳定性。以往研究已证明，花青素可与小分子（如生物碱、黄酮类化合物、核苷酸、氨基酸、有机酸、金属离子）和大分子（如多糖、多酚、蛋白质）形成复合物，从而提高其稳定性（Kelanne等，2024；Shi等，2024；Tao等，2025）。β-葡聚糖、魔芋葡甘露聚糖和橄榄果胶等多糖可通过氢键、疏水相互作用及其他非共价力与花青素相互作用，从而增强热稳定性和抗氧化活性，同时改善所得体系的剪切稳定性和表观黏度（Fernandes等，2020；Xie等，2023；Dong等，2023；Jang等，2025）。具有不同结构特征的果胶也可通过氢键、疏水相互作用和静电力与花青素形成稳定复合物，其中高度线性且低甲氧基化的果胶通常表现出更强的结合亲和力。此外，超声辅助处理可暴露果胶中更多的游离羧基，从而增强其与花青素的静电和疏水相互作用，进一步提高花青素的热稳定性（Luo等，2024）。除多糖外，花青素还可通过氢键、疏水相互作用、范德华力和静电相互作用与甘露糖蛋白、米蛋白、小麦醇溶蛋白和玉米醇溶蛋白相互作用，从而提高其光稳定性、热稳定性、pH稳定性和生物利用度（Attaribo等，2020；Fu等，2020；Gao等，2023；Guo等，2022；He等，2024；Li等，2023；Yang等，2025）。值得注意的是，枸杞多糖具有良好的水溶性、生物相容性和抗氧化活性，其分子结构中含有丰富的官能团，尤其是羟基和羧基，使其能够与其他分子形成稳定复合物。此外，金属离子可与花青素形成配位复合物（Zhao等，2020）。我们课题组此前的研究表明，枸杞多糖和金属离子可以改善混合紫甘蓝与红枸杞汁的颜色稳定性。然而，关于枸杞多糖、金属离子及其协同作用对花青素稳定性的影响和潜在机制的研究仍十分有限。基于上述发现，本研究提出如下假设：枸杞多糖与Zn2?/Ca2?可与花青素相互作用形成复合体系，从而提高花青素稳定性，且枸杞多糖与金属离子的结合可能对花青素稳定化产生协同效应。为验证该假设，本研究采用HPLC-MS表征了红枸杞中的花青素结构成分，系统评估了枸杞多糖、Zn2?/Ca2?及其组合对花青素热稳定性的影响。此外，通过微观分析、多光谱分析和分子对接技术揭示了枸杞多糖与花青素以及Zn2?/Ca2?与花青素之间的相互作用机制。本研究为提高食品体系中花青素稳定性提供了理论依据，并为开发天然且高稳定性花青素基色素提供了新的思路。部分段落摘要材料红枸杞采自中国青海省格尔木市。X-8大孔树脂、乙腈、石油醚、乙醇、氢氧化钠、硫酸锌和氯化钙（均为分析纯）购自中国上海试剂公司（上海，中国）。枸杞多糖的分子量和单糖组成测定采用凝胶渗透色谱法测定LBPs的重均分子量（Mw）。具体而言，将LBPs样品溶于超纯水并通过0.22 μm水相滤膜过滤。LBPs的单糖组成、分子量与聚合度LBPs的单糖组成、分子量参数和聚合度汇总于表S1中。如表S1所示，LBPs中检测到五种单糖，包括阿拉伯糖（Ara）、半乳糖（Gal）、葡萄糖（Glc）、甘露糖（Man）和果糖（Fru）。在这些单糖中，葡萄糖占绝对优势，占总摩尔比的98.04 ± 0.28%，其次为半乳糖（0.78 ± 0.08%）、甘露糖（0.51 ± 0.08%）、阿拉伯糖。结论本研究采用HPLC-MS/MS表征了红枸杞中的花青素组成，系统研究了LBPs、Zn2?/Ca2?及其协同作用对花青素热稳定性的影响。进一步通过分子相互作用和对接分析阐明了红枸杞花青素热稳定性提升的潜在机制。结果表明，矢车菊素及其衍生物是主要的花青素成分。作者贡献声明Yan Ma：论文撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法学、调查、数据整理、概念构思。Xin Hu：论文撰写——审阅与编辑、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。Mengze Wang：论文撰写——审阅与编辑、指导、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、概念构思。Yudan Cao：可视化、方法学、调查。Jianrui Qi：论文撰写——审阅与编辑。Sijun Huang：……未被引用的参考文献Gharanjig, Iri, Hosseinnezhad, 等，2022aGharanjig, Iri, Hosseinnezhad, 等，2022bJang和Koh，2025Mansour, Salah和Xu，2020aMansour, Salah和Xu，2020bWang, Bi, Lyu, 等，2024Wang, Cheng, Zhu, 等，2024Zhao, Li, Chen, 等，2017利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到中国国家重点研发计划（2021YFD1600305）和"寒地蔬菜高值化加工关键技术研究与应用示范"（2024FRD05073）项目的资助，作者对此表示感谢。Yan Ma｜Xin Hu｜Mengze Wang｜Yudan Cao｜Jianrui Qi｜Sijun Huang｜Yarong Jiao｜Danyang Xin｜Xiaoyan Zhang