徐夙俠，黃青云，林春松，何恩銘

(福建省亞熱帶植物研究所/福建省亞熱帶植物生理與生化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361006)

甜菜色素是一類比較小眾的色素，只在石竹目Caryophyllales的15個科的植物以及真菌類的毒蠅傘Amanita muscaria中發(fā)現(xiàn)[1—2]，目前已鑒定出的甜菜色素種類有75種[3—4]。鑒于甜菜色素的分布特征，植物學(xué)家用它作為一種化學(xué)分類指標(biāo)[5]。

1 甜菜色素的特性

甜菜色素是一類水溶性色素，與其他色素一樣合成于細(xì)胞質(zhì)中，儲存于液泡[4,6]，在植物體上能表現(xiàn)出紅色、紫色、黃色、白色等豐富的色彩[7](圖1: A, B)。目前，已知的甜菜色素都屬于季胺型生物堿，分為以氨基酸為輔基類型的甜菜黃素(Betaxanthin)和糖苷化類型的甜菜紅素(Betacyanin)兩類[4,8](圖1: C,D)。甜菜紅素和甜菜黃素的吸收光譜分別為532～550 nm和457～485 nm[3]。甜菜色素在pH 4～6、4 ℃條件下表現(xiàn)最穩(wěn)定[4,9]。因此，甜菜色素被廣泛應(yīng)用于低溫冷藏食物中，如奶制品[9]。甜菜色素對光溫的穩(wěn)定性不夠突出，但是短暫高溫有助于提高甜菜色素的穩(wěn)定性[10]。

甜菜色素穩(wěn)定性的強(qiáng)弱是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的。甜菜紅素的熱穩(wěn)定性是甜菜黃素的三倍[11]。甜菜色素的穩(wěn)定性受環(huán)境色素濃度、低糖基化、低?；PO和POD等降解酶、金屬離子(如Fe3+、Fe2+、Cu2+、Cu+、Sn2+、Al3+、Hg2+、Cr3+等)，以及高溫、光照、高氧等因素影響而加速降解[12—13]。原理是上述因素誘導(dǎo)胺鍵斷裂、脫氫作用、去糖基化、脫羧作用、異構(gòu)化等從而導(dǎo)致甜菜色素分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂(圖2)[14]。為了提高甜菜色素的商業(yè)化應(yīng)用，減少降解最可行的手段是添加一定的抗氧化劑、微囊化、像花青素一樣共色素作用等[15—17]。生產(chǎn)上可通過添加抗壞血酸提高甜菜色素的穩(wěn)定性[16—17]。Otálora等[16]從紫色的仙人掌果實(shí)中提取甜菜色素然后通過加入海藻酸鈣和牛血清白蛋白進(jìn)行離子凝膠化穩(wěn)定，甜菜色素膠囊化技術(shù)是提高甜菜色素穩(wěn)定性的有效方法。

圖1 甜菜色素在植物中的色彩及代表性結(jié)構(gòu)Fig.1 Color and representative structures of betalains

2 甜菜色素生理作用及功能性特征

甜菜色素在植物體內(nèi)不僅使花朵美麗以吸引傳粉者繁衍后代，也是實(shí)現(xiàn)其花朵和果實(shí)經(jīng)濟(jì)價值的重要因素[17—18]；生理上，它的存在對植物本身抵抗逆境如干旱脅迫和過氧化脅迫也起著重要作用[19—20]。仙人掌科植物刺梨Opuntia ficus生長于干旱地帶，它可通過甜菜黃素的合成或降解來改變氨基酸濃度從而進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，提高抗旱能力[19]。

圖2 甜菜色素分子的可能降解位置[4]Fig.2 Factors affecting betalain stability[4]

甜菜色素作為重要的植物次生代謝物質(zhì)，與花色素苷一樣也有抗氧化、光保護(hù)作用[21]，其抗氧化和抗輻射作用比膜保護(hù)劑Trolox (維生素E類似物)更顯著[22—24]。研究表明，食用仙人掌科刺梨果實(shí)一段時間可提高人體抗氧化水平[25]；刺梨提取物在體外具有較強(qiáng)的抗菌和抗氧化效果，其機(jī)理可能與所含甜菜色素的抗氧化作用有關(guān)[19,25]。此外，甜菜色素可通過作用人骨髓內(nèi)的過氧化物酶(myeloperoxidase)清除次氯酸[26]。由此可見，長期食用含有甜菜色素的食品有助于緩解外部壓力引起的身體失調(diào)[27—28]。

3 甜菜色素合成

甜菜色素合成代謝的研究始于20世紀(jì)90年代，合成途徑主要包括酶促反應(yīng)和自發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)起始于酪氨酸。參與合成途徑的酶主要有酪氨酸酶(Tyrosinase)、葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP-glucosyltransferase)、多巴雙加氧酶(4,5-DOPA-extradiol-dioxygenase)和細(xì)胞色素單氧化酶(Cytochrome P450-like)。甜菜色素合成的第一個底物是L-酪氨酸，酪氨酸酶有雙重作用，該酶的單酚氧化酶(Monophenolase)作用產(chǎn)生多巴(L-DOPA)[29—30]，另一重活性雙酚氧化酶(Diphenolase)導(dǎo)致多巴氧化成多巴醌(o-DOPA-quinone)[31]，這樣消耗新生成的L-DOPA，而細(xì)胞中的抗壞血酸或者類似物可協(xié)助多巴醌還原成多巴[14,17,31]。酪氨酸酶普遍存在于動植物中，在動物體內(nèi)該酶促成色素的形成；在植物體內(nèi)，除了甜菜色素代謝類型植物中是甜菜色素合成途徑的重要酶外，在花青苷代謝途徑的植物中也有發(fā)現(xiàn)，但功能還不很清楚[32]。酪氨酸酶具有單酚和雙酚氧化酶的雙重功能，屬于PPO類型酶。該酶最早從毒蠅傘中純化的[33]，之后又從大花馬齒莧Portulaca grandiflora、甜菜Beta vulgaris和鹽地堿蓬Suaeda salsa中分離獲得[14,18,29—30,34]。

甜菜色素合成途徑的第二個關(guān)鍵酶是多巴雙加氧酶，該酶催化 L-DOPA形成中間產(chǎn)物開環(huán)多巴(4,5-seco-DOPA)。該酶首先是從毒蠅傘中鑒定分離的[35—36]，之后也從大花馬齒莧和甜菜中分離出來[37]。形成開環(huán)多巴之后進(jìn)行自發(fā)反應(yīng)形成甜菜色素的生色團(tuán)甜菜醛氨酸(Betalamic acid)[14]，之后該生色團(tuán)和各種氨基酸發(fā)生自發(fā)的縮合反應(yīng)形成各類甜菜黃素[38]。酪氨酸酶和多巴雙加氧酶兩個關(guān)鍵酶都屬于氧化酶，催化過程依賴于氧分子。

甜菜色素合成途徑的第三個關(guān)鍵酶是細(xì)胞色素單氧化酶(Cyt P450)，該酶催化多巴形成環(huán)狀多巴(Cyclo-DOPA)[39]，其作用機(jī)制尚不清楚，推測與電子傳遞有關(guān)。

甜菜色素合成過程中的第四個關(guān)鍵酶葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UDP-G)則是修飾酶，把糖基轉(zhuǎn)移至甜菜苷配基上，形成甜菜苷元[40]。環(huán)狀多巴在葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下形成環(huán)多巴葡萄糖，繼而和甜菜醛氨酸自發(fā)反應(yīng)形成甜菜苷(Betanin)，這是甜菜紅素形成的基本苷元。另一種可能是環(huán)狀多巴首先和生色團(tuán)甜菜醛氨酸發(fā)生自發(fā)反應(yīng)形成甜菜苷配基，然后在葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下形成甜菜苷[41]。從番杏科彩虹菊Dorotheanthus bellidiformis中分離純化出葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶[42—43]。

甜菜紅素和甜菜黃素的合成過程受幾個關(guān)鍵酶的調(diào)控程度有較大差異。甜菜黃素的積累取決于一個分支途徑，而甜菜紅素的合成由多個途徑完成。甜菜黃素的合成直接正相關(guān)于酪氨酸酶和多巴雙加氧酶的表達(dá)強(qiáng)度；甜菜紅素的形成由于受多個分支的影響，細(xì)胞色素單氧化酶和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)強(qiáng)度與甜菜紅素積累的線性關(guān)系不顯著[44]。

目前，大自然中未發(fā)現(xiàn)兩類色素共存于同一種植物，但是越來越多的表觀遺傳學(xué)和反向遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，花青苷代謝途徑的酶和轉(zhuǎn)錄因子可以在甜菜色素代謝類型的植物中表達(dá)；反之，甜菜色素代謝途徑的酶和轉(zhuǎn)錄因子也可以在花青苷代謝植物中表達(dá)并翻譯成相應(yīng)的蛋白[44—50]。

4 甜菜色素的應(yīng)用

由于甜菜色素的保健價值日益被人們所熟知，加上其較高的酸堿穩(wěn)定性，近年來被越來越看好開發(fā)成天然食用色素用于食品工業(yè)[10]。甜菜色素的開發(fā)符合食品添加劑國際需求潮流：安全、保健的功能型食品添加劑。2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球每年對食用色素的需求量達(dá)到45 000～50 000 t[12]，其中對紅甜菜來源的甜菜色素的需求占10%以上[51]。目前，歐盟已經(jīng)批準(zhǔn)甜菜紅素用于食品(EEC No.E162)[52]，美國藥品食品管理局(FDA)也正式批準(zhǔn)甜菜紅素在食品領(lǐng)域的使用(No.73.40)[53]，這類色素由于在高pH(＞4)環(huán)境中更穩(wěn)定而可能被更廣泛應(yīng)用(其抗氧化能力為花青苷色素的1.5～2倍)。甜菜色素的適用范圍包括糖果、酸奶、沙拉、軟飲料等[5]，添加50 mg·kg-1甜菜色素即可有良好的著色效果。甜菜黃素由于含有特殊氨基酸，被賦予獨(dú)特于甜菜紅素的理化性質(zhì)和保健價值，將成為食品中補(bǔ)充氨基酸的重要來源。目前市場上還沒有商品化的甜菜黃素銷售，原因一是來源較少，二是其弱穩(wěn)定性。紅甜菜是商業(yè)化甜菜色素的主要來源，但來自于紅甜菜的甜菜紅素由于來源部位位于土壤中容易攜帶微生物，而且?guī)в袕?qiáng)烈的土腥味。市場上對于其他甜菜紅素來源代替紅甜菜有強(qiáng)烈的需求。目前，火龍果Hylocereus undatus由于不具有上述紅甜菜的劣勢有望成為甜菜紅素的新來源，但是其果膠類物質(zhì)過多。因此，開發(fā)更多優(yōu)良的甜菜色素來源是擴(kuò)大其應(yīng)用的根本措施。