南极磷虾油变色机理研究：基于模型体系——磷脂反向胶束界面介导的虾青素褪色

《Food Chemistry》：The discoloration mechanism of Antarctic krill oil based on the model systems: Astaxanthin fading mediated by phospholipid reverse micelle interfaces

　　

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  磷脂反胶束介导南极磷虾油的色泽劣变。
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  强极性类胡萝卜素（虾青素、角黄素）锚定于反胶束界面。
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  由此，磷脂酰乙醇胺（PE）反胶束加速了这些锚定类胡萝卜素的褪色。
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  弱极性类胡萝卜素（β-胡萝卜素、番茄红素）分布于脂质相中且不受影响。

引言

南极磷虾油（AKO）是一种富含虾青素（AST）、磷脂（PLs）和长链 ω-3 多不饱和脂肪酸（n-3 PUFAs）的海洋功能性脂质。作为典型的红橙色类胡萝卜素，AST 是 AKO 中的主要着色物质。由于磷虾原料、提取工艺和分析方法等因素，AKO 中的 AST 含量可能在 40–5000 mg/kg 的范围内波动（Xie et al., 2019）。AKO 独特的红色调不仅代表了一种突出的视觉特征，还显著影响消费者对产品质量的直观感知，因此代表了一个关键的感官质量属性。

在 AKO 氧化过程中，AST 通过优先氧化来保护不饱和脂肪酸免受降解，同时 AKO 的颜色逐渐从鲜红色变为深红褐色（Gao et al., 2024）。我们之前的研究表明，褐变和红/黄色度损失这两个同时发生的过程是储存 AKO 色泽劣变的基础，后者主要归因于 AST 的氧化降解（Zeng, Pei, et al., 2024）。为了阐明复杂 AKO 基质中导致 AST 褪色的具体因素，我们在之前的研究中建立了一个简化的模型体系。中链甘油三酯（MCT）被选为相对氧化稳定的脂质基质，以最大程度地减少背景脂质氧化的干扰。对比实验进一步表明，磷脂，特别是磷脂酰乙醇胺（PE），显著加速了该简化体系中 AST 的褪色。这些观察结果促使进一步调查 PE 在油相中的自组装行为是否会改变 AST 的局部氧化微环境。基于静电势分析与分子对接的结合，我们假设 PE 可能在含有微量水的 MCT 中自组装成反胶束（RMs），使 AST 通过其末端极性基团优先与 RMs 的油 - 水界面结合。因此，AST 可能更容易受到 PE 氧化产生的自由基的影响，导致其共轭多烯链断裂并随后褪色（Zeng, Yin, et al., 2024）。然而，这种推测仍缺乏直接的结构证据，且仅限于 AST 这一单一色素。

类胡萝卜素是一类通过共轭双键连接异戊二烯残基形成的萜类化合物（Shen et al., 2023）。根据元素组成，类胡萝卜素分为两大类：1) 无氧胡萝卜素，包括番茄红素以及 α-、β-和 γ-胡萝卜素；2) 带有含氧官能团的叶黄素，如叶黄素、辣椒红素、玉米黄质和虾青素（González-Pe?a et al., 2023）。高度共轭的双键系统赋予了它们特有的颜色和抗氧化能力。然而，不饱和结构在加工和储存过程中容易发生氧化降解，导致色泽劣变（González-Pe?a et al., 2023）。众多研究表明，非均匀系统中的油 - 水界面代表了一个高氧化活性区域。不同类胡萝卜素在脂质膜中的分子取向和空间定位可以显著影响其稳定性，甚至可能决定其促氧化或抗氧化活性（Gruszecki & Strza?ka, 2005; McNulty et al., 2008）。例如，在磷脂酰胆碱脂质体中，AST 可以锚定在油 - 水界面，充当界面与非极性区域之间的自由基传输桥梁，从而与非极性类胡萝卜素协同发挥抗氧化作用（Liang et al., 2009）。尽管如此，这些结论大多源于磷脂双分子层脂质体或水相为连续相的水包油乳液，其中氧化主要发生在外部暴露的油 - 水界面周围。相比之下，AKO 是一个体相油体系，其中磷脂的亲水头基与微量水自组装形成 RMs，疏水尾链延伸至连续的脂质相中。在这些结构中，极性磷脂头基朝向内部的水化区域，而疏水酰基链延伸至周围的油相中。这种反胶束界面可以浓缩氢过氧化物、过渡金属和抗氧化剂，从而为脂质氧化创造局部反应位点（Chen et al., 2011; Wang et al., 2024）。由于脂质体具有磷脂双分子层，而反胶束包含取向相反、弯曲的界面层，因此在双分子层体系中确立的 AST 分子取向和氧化行为不能直接外推至 RMs。因此，不同极性的类胡萝卜素在 RM 体系中是否表现出相似的界面分配和氧化变色行为仍不清楚。

总之，我们之前的研究表明 PE 的 RMs 可能参与 AST 的变色过程（Zeng, Yin, et al., 2024），但缺乏直接的结构证据。此外，含有 RMs 的体系中不同极性类胡萝卜素的差异化变色机制尚未得到探索。鉴于此，本研究采用了一种简化的基于 MCT 的模型体系。系统地比较了在有无 PE 存在下四种代表性类胡萝卜素（虾青素、角黄素、β-胡萝卜素和番茄红素）的氧化变色行为。应用了一系列分析技术，包括颜色参数测量、脂质氧化产物分析、色素保留率测定、低温透射电子显微镜（cryo-TEM）、小角 X 射线散射（SAXS）、激光共聚焦显微镜（CLSM）、临界胶束浓度（CMC）测量、反胶束尺寸分析和界面张力测量。主要目标是表征 AKO 模型体系中不同极性类胡萝卜素的变色模式，阐明类胡萝卜素与 PE 反胶束界面之间的相互作用，并为保留 AKO 色泽的靶向策略提供理论基础。

章节摘要

材料与试剂

中链甘油三酯（MCT）购自上海源叶生物科技有限公司。虾青素（AST, ≥ 95%）、角黄素（CAN, ≥ 95%）、β-胡萝卜素（β-CAR, ≥ 96%）、番茄红素（LYC, ≥ 98%）和硫酸亚铁铵购自上海阿拉丁试剂有限公司。1,2-二油酰基-sn-甘油 -3- 磷脂酰乙醇胺（PE, C₄₁H₇₈NO₈P, ≥ 80%）、三氯乙酸和 2- 硫代巴比妥酸购自上海麦克林试剂有限公司。NBD-PE

不同模型体系的色泽变化

图 1A 显示了不同模型体系在 60 °C 下储存 20 天期间的色泽变化。储存第 0 天，所有模型体系均呈现橙红色。值得注意的是，含有 AST 和 CAN 的模型体系（MA、MAE、MC 和 MCE 组）的颜色明显比含有 β-CAR 和 LYC 的体系（MB、MBE、ML 和 MLE 组）更深。作为一类结构多样的四萜类化合物，类胡萝卜素具有高度不饱和的共轭多烯链。因此，它们可以

结论

本研究利用 MCT 模型体系揭示了 PE RMs 介导的不同类胡萝卜素的极性依赖性氧化褪色机制。PE 自发在含有微量水的油相中形成球形 RMs，创造了一个氧化活性的油 - 水界面。虽然强极性类胡萝卜素（AST、CAN）结构相对稳定，但其末端极性基团促进了它们与 RM 界面的结合并参与界面组装。这种定位增加了

CRediT 作者贡献声明

Qian Wang：撰写 - 初稿，数据管理，构思。Fawen Yin：撰写 - 审阅与编辑，监督，数据管理。Xiangbo Zeng：形式分析，构思。Xinmiao Wang：撰写 - 审阅与编辑，数据管理。Xuechen Pei：撰写 - 审阅与编辑，数据管理。Dayong Zhou：撰写 - 审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢

本工作由“国家自然科学基金（32230080）”和“大连科学创新基金”项目（2022JJ11CG008）提供资金支持。

Qian Wang|Fawen Yin|Xiangbo Zeng|Xinmiao Wang|Xuechen Pei|Dayong Zhou