2022年1月21日，日本东北大学多元物质研究所铃木龙树（Ryuju Suzuki）助理教授课题组在物理化学专业期刊The Journal of Physical Chemistry C（JPCC）上在线发表了为 「Effect of Molecular Distortion on the Optical Properties of Carotenoid Based Nanoparticles」的论文，该研究阐明了类胡萝卜素的分子变形影响了其的光学特性（色调）的机理。

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpcc.1c08572

01研究亮点

1. 阐明分子的“变形”对产生成熟蔬菜和水果鲜艳色调的色素类胡萝卜素的色调有很大影响。

2. 可望应用于可呈现天然材料原有色调的着色技术和基于软分子的新型纳米材料的开发。

02研究概要

【背景】西红柿和胡萝卜中所含的 (Carotenoid) 类胡萝卜素是天然的黄色、橙色和红色颜料。在用难溶于水的类胡萝卜素对饮料等水性食品进行着色时，它们在液体中呈微粒分散的状态。这是非常有趣的，类胡萝卜素微粒的状态影响色调。例如，胡萝卜中所含的β–胡萝卜素大块晶体呈红色，而细小颗粒则呈黄色。在开发使用类胡萝卜素的食用染料中，需要精确控制细颗粒的色调，但是其色调变化的分子机制尚不清楚。本文中，研究小组重点研究了类胡萝卜素多烯分子结构的灵活性，它可能作为微粉化导致颜色变化的一个因素（图1a）。固体的色调由分子结构和分子排列两个结构因素决定，但由于一般的有机染料具有稳定的刚性分子结构（图1b），因此分子排列主宰色调。

另一方面，在分子骨架较软且分子本身容易变形的类胡萝卜素中，普遍认为因变形而引起的分子结构的变化对固体的色调影响是不可忽略的。然而，许多研究仅从分子排列的角度解释了色调变化，并没有考虑分子结构的影响。在这项研究中，研究人员使用冷冻电镜和拉曼光谱对产生的类胡萝卜素细颗粒进行了详细分析，并考虑了分子形变引起的分子结构变化与色调之间的关系。

【结果与讨论】

研究小组制备了四种类胡萝卜素的纳米级微颗粒作为样品，包括了番茄红素：成熟番茄的红色来源，β–胡萝卜素：胡萝卜的橙色来源；叶黄素：菠菜中丰富的黄色素；虾青素：鲑鱼、虾、蟹等中富含（图 2a）。使用冷冻电镜对所获得的类胡萝卜素颗粒的精细结构进行详细分析表明它们由结晶和无定形两个域组成（图2b）。

接下来，假设构成每个域的分子会发生不同的扭曲，并进行拉曼光谱分析。在类胡萝卜素拉曼光谱中，基于拉曼光谱的峰位置可获得的有效π共轭长度来估计分子畸变程度。首先，在块状晶体中，得到与类胡萝卜素分子多烯的理想共轭双键数（番茄红素10个，β-胡萝卜素，虾青素9个，叶黄素9个）对应的光谱，细颗粒中的类胡萝卜素分子没有发生扭曲。另一方面，类胡萝卜素颗粒的光谱分析（图 3a）表明它们含有与块状晶体具有相同有效 π 共轭长度的未扭曲分子和具有比块状晶体更短的有效 π 共轭长度的扭曲分子（图3b）。

此外，发现由于微粉化而缩短的有效 π 共轭长度与吸收峰的短波长偏移之间建立了良好的相关性。研究小组得出结论，分子形变随着有效 π 共轭长度的缩短；且与晶体相比，细颗粒的色调变化的主要原因是分子扭曲。

03作者介绍

铃木龙树（Ryuju Suzuki），现任日本东北大学多多元物质科学研究所助理教授；主要研究方向为：天然色素分子的微粒化机理阐明。

本研究由日本东北大学，国立海洋研究所和奈良先端科学技术大学院大学共同合作完成；第一作者为铃木龙树（Ryuju Suzuki）博士，通讯作者为铃木龙树（Ryuju Suzuki）博士和Shigeru Deguchi博士。

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