基于TDDFT方法及分子结构解析红曲色素的光降解机理

The weak photostability has seriously restricted the wide utilization of monascus pigments in food industries, and their photodissociation mechanisms are unclear yet. Time-dependent density functional theory (TDDFT) will be performed to optimize the geometries of ground states, excited-states of the main components of monascus pigments obtained by separation and extraction. Comparing the bond length, bond energy and electrons distribution between carbon atoms in the optimum geometric configuration, the photodissociation location and difficulty degree of monascus pigment molecule are analyzed, and the possible photodissociation mechanism of monascus pigment is deduced. The chemical structure of monascus pigment before and after photodissociation are compared by accurate chemical structure analysis methods, and the photodissociation mechanism of monascus pigment is described in molecular structure level. Some chemical groups are selected to prevent monascus pigment photodissociation by time-dependent density functional theory (TDDFT). Photostable monascus pigments derivatives containing the chemical groups will be produced by Monascus cultivated in fermentation medium with addition of compounds containing these chemical groups. The study will provide theoretical and technical basis for the elucidation of photodissociation mechanism of monascus pigments, and for the fermentation of photostable monascus pigments derivatives.

红曲色素见光易分解的缺点严重制约了其在食品工业中的应用，关于红曲色素的光降解机理却不清楚。本项目采用含时密度泛函方法（TDDFT）对分离获得的红曲色素主要组分的基态、激发态的最佳几何构型进行优化，根据最佳几何构型下碳原子之间的键长、键能、电子重排情况等，解析红曲色素各组分分子中发生光分解的部位及难易程度，推断红曲色素的光降解机理；通过精准的化学结构分析方法对红曲色素各组分光降解前后的化学结构进行测定、比较分析，从分子结构水平解析红曲色素的光降解机理；采用TDDFT方法从化学结构理论计算的角度分析筛选出能够阻止红曲色素光褪色的化学基团，将含有这些基团的化合物加入发酵培养基中，通过发酵过程中红曲霉的色素合成途径将底物中的这些化学基团转移到色素分子结构中，发酵生产出光稳定性高的红曲色素。本课题的完成将为红曲色素光降解机理的阐述及光稳定性高的红曲色素的发酵生产提供理论和技术依据。

红曲色素作为应用广泛的天然食用色素，在食品、医药和化妆品领域都有重要的应用前景，见光易分解的缺点严重制约了其产业的发展。深度理解红曲色素的褪色机理和有效提高其光稳定性是该领域重要的研究方向。本项目围绕“红曲色素的光褪色机理及其防护”从理论计算推导到实验验证开展了系列研究工作。通过薄层层析色谱和柱层析色谱法分离获得了较纯的两种红曲黄色素和八种红曲红色素；采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）在B3LYP/6-31+ G(d)水平对六种红曲色素的前线占有轨道能EHOMO，最低空穴轨道能E LUMO、能差ELUMO−EHOMO，各色素分子基态及激发态共轭π键中主要cc键的键长计算，结果分析可知，红曲色素光稳定性顺序为：Ankaflavin > Monascin > Rubropunctatin > Monascorubrin > Rubropunctamine > Monascorubramine, 色素分子吸收光量子后被激发从基态转化为激发态，电子从c=c双键移向c-c单键，引起发色官团内π键共轭体系的C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8 和C17之间的电子云重排，使红曲色素的官能团破坏，以Rubropunctamin为例解析了红曲色素光降解过程的分子结构变化；根据DFT和TDDFT对红曲色素光分解机理计算分析结果可知，红曲色素光褪色过程中电子重排会产生带孤对电子的自由基。采用电子自旋共振波谱仪（ESR），以BMPO为自旋捕获剂，实验证实了红曲色素光降解过程中自由基的产生情况。通过探讨溶液中氧气含量、过氧化氢酶和SOD、羟基自由基等对红曲色素稳定性和自由基的影响，从分子水平解析了红曲色素的光褪色机理；外源有机N源能够明显提高红曲红色素的组成，使其色调呈现红色；蓝光照射能够降低红曲霉细胞壁中几丁质含量，提高细胞通透性，使红曲色素易于分泌到胞外，解除胞内色素合成的反馈抑制，提高色素产量，蓝光还对桔霉素具有光降解作用，为高色价低桔霉素的光控发酵法提供了依据；抗坏血酸、具有抗氧化功能纳米材料及红曲色素-壳聚糖纳米微球对红曲色素具有明显保护效果，为红曲色素的保护提供了新的途径。这些结果将为红曲色素光降解机理的阐明和从根本上提高红曲色素稳定性新方法的设计提供科学依据。