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    叶黄素的提取与抗氧化作用的研究进展

     

         叶黄素系一种天然色素,又名“植物黄体素”,广泛存在于自然界中。早在上世纪80年代中期,西方医学研究人员就发现植物所含天然叶黄素是一种性能优异抗氧化剂。将一定量叶黄素添加到食品中,可防止人体因器官衰老引起一系列疾病。大量流行病学证据表明,叶黄素对视觉有保护作用,并具有预防白内障、动脉硬化、增强免疫力等功效,特别在预防癌变发生、延缓癌症发展等方面起着重要作用,是目前国际上功能性食品成分研究中一个热点。

    1.叶黄素结构及理化性质
    叶黄素(lutein)属于类胡萝卜素色素之一。类胡萝卜素按其化学结构和溶解性分为两类,即:
    1.胡萝卜素类(carotenes):系共轭烯烃,溶于石油醚,难溶或不溶于乙醇,包括:
    (1)?—胡萝卜素、?—胡萝卜素、?—胡萝卜素,分子式C40H68,具有VA前体功能。自然界分布很广,在动物、植物、微生物体内均有存在,但主要存在于胡萝卜、水果、蔬菜中。
    (2)蕃茄红素(leopene),分子式C40H68,不具VA前体功能,但具有强抗氧化消除自由基功能,主要存在于蕃茄、西瓜、紫色柚中。
    2.叶黄素类(xanthophylls):系共轭多烯烃含氧衍生物,并可以醇、醛、酮、酸形式存在,溶于乙醉,不溶于乙醚。叶黄素类主要包括:
    (1)玉米黄素(zeaxanthin),分子式C40H68O2,主要存在于玉米、辣椒、桃、柑桔、蘑菇中。
    (2)隐黄素(cryptozanthin),分子式C40H68O,主要存在于番木瓜、南瓜、辣椒、黄玉米中。
    (3)叶黄素(lutein),分子式C40H68O2,又叫黄体素,主要存在于万寿菊(金盏花)、甘蓝、菠菜等植物中。
    (4)辣椒红素(capsanthin),分子式C40H68O3,主要存在辣椒中。
    (5)桅子黄(藏红素),存在于桅子果实中。
    在类胡萝卜家中,叶黄素类与胡萝卜素类不同点,从分子结构看,就是比胡萝卜素类多含氧元素。
    叶黄素独特化学结构不仅决定其颜色,也决定其物理化学性质。叶黄素分子有一条含40个碳原子长链,其中有多个共扼双键,正是这些共轭双键使叶黄素具有鲜明颜色和抑制自由基能力。玉米黄素与叶黄素化学结构极为相似,在分析中很难将它们区分开来,因此很多研究总是将它们作为一类物质报道。它们具有相同双键数,然而其中一个双键位置不同,在叶黄素中这个双键形成烯丙基经基末端,使其化学活性更强;而玉米黄素中相应双键则与相邻直链双键形成共轭体系。叶黄素(Lutein)及玉米黄素(Zeaxanthin)结构式见下图:
    叶黄素含有C、H、O元素,链末端还有羟基基团。叶黄素在细胞膜上存在方式是疏水长碳链埋于磷脂分子层中,而亲水性羟基留在膜的两侧,这种定位可使叶黄素、玉米黄素最大程度与极易氧化细胞膜脂质结合在一起,以增强细胞膜强度。在稳定性方面,研究表明游离叶黄素对热极不稳定,叶黄素月桂酸单酯(ML)稳定性稍强,而月桂酸二酯(DL)对热极为稳定。ML、DL对紫外光敏感性都比游离叶黄素差。结果表明,叶黄素游离羟基与脂肪酸醋化后可提高对光稳定性,这也正是商品化叶黄素产品多以叶黄素酯型一个原因[4]。

    2.叶黄素来源
    叶黄素是一种广泛存在于蔬菜、花卉、水果与某些藻类生物中天然色素,是构成玉米、蔬菜、水果、花卉等植物色素主要组分。据国外研究,叶黄素在甘蓝、羽衣甘蓝、菠菜等深绿色叶菜及金盏花(亦称万寿菊,tagetse erecta)等花卉中含量最高[5,6];其次,南瓜、桃子、辣椒、芒果、柑橘中含有丰富“叶黄素醋”,也是叶黄素前体。
    叶黄素首次提取是在1831年,由Heinrich Wihelm Ferdinand Wackenroder从胡萝卜根中提取。此后,Berzdlius在1837年从秋天黄叶中提取叶黄素,随后,其他研究人员也在海藻和蛋黄中相继提取叶黄素。文献表明,茶叶中含有丰富叶黄素。在自然界不同来源果蔬,其叶黄素含量不同,且各地不同来源、不同单位分析结果也千差万别,表1是美国迈阿密国际大学1995年测定叶绿素和玉米黄素的结果。
    从以上资料可看出,自然界食用蔬菜、水果中,叶黄素含量较少,且差别很大,若直接从果蔬中提取叶黄素,成本将十分高昂。所以国内外提取叶黄素工业生产,均以叶黄素含量较高金盏花为原料提取精制而成。
    在我国,金盏花即万寿菊,有悠久中草药种植历史。万寿菊花和叶,有清热化痰、补血通经、去瘀生新功效。中国农大惠伯棣等,深入研究从万寿菊提取叶黄素技术,经研究指出,万寿菊类胡萝卜素总含量可超过1 mg/g鲜重。表2是万寿菊中类胡萝卜素组成含量。
    表1 不同果蔬中叶绿素和玉米黄素的含量(μg/100 g)
    果蔬叶绿素玉米黄素
    甜玉米522437
    菠菜7400
    豆瓣菜11000
    椰菜2000
    胡椒粉(橙色)25008500
    胡椒粉(绿色)1100
    豌豆2000
    杏干10031
    苹果4341

    表2 万寿菊中类胡萝卜素组成含量
    类胡萝卜素类含量(mg/kg干重)
    叶黄素2.13
    叶黄素酯11.21
    玉米黄素0.56
    其它类胡萝卜素2.56
    合计16.4

    除从金盏花中提取叶黄素外,其它公司则在探索新的叶黄素生产途径。如南美洲Henkle公司已从来源丰富南瓜和桔子榨汁后残渣中提取“叶黄素酯”(商品名Xangold ),因医学专家早已证实:叶黄素酯在人体内能自动转化成叶黄素,故叶黄素酯与叶黄素一样可作为新型食品添加剂使用,叶黄素酯提取成功大大拓展叶黄素来源。

    3.叶黄素提取方法
    科学家们对叶黄素化学结构研究表明:它具有3个属性中心,8种立体异构体(实际上自然界只存在一种异构体)。因为工艺太复杂,通过化学人工合成单一异构体叶黄素至今尚未成功,目前只有从天然植物中提取叶黄素才含有呈抗氧化作用生物活性物质。国外一些公司正在探索新的叶黄素生产途径,目前叶黄素提取方法主要有以下几种:
    3.1有机溶剂浸提法
    常用有机溶剂有乙醇、丙酮、石油醚等。万寿菊中黄色素在中性条件下难溶于水,而在乙醇中,其溶解度增加较多。因此,选用乙醇作溶剂在碱性条件下进行提取,提取液呈棕黄色,经减压蒸馏、浓缩、沉淀、干燥得褐色固体。宋昊等[9]研究万寿菊中叶黄素在几种有机纯溶剂(四氢呋喃、石油醚、正己烷、丙酮)及这些溶剂和乙醇二元混合溶剂中溶解规律,结果发现,适当二组分混合溶剂对叶黄素浸取效果比纯溶剂好。在二组分混合溶剂中,叶黄素溶解度与溶液极性(反映在溶剂配比上)关系往往表现为呈上抛物线关系。在其它实验条件均相同时,超声波振荡、升高温度可提高溶解效率36倍,原料颗粒越小,溶解效率也越高。
    3.2干燥法
    研究成功一种新型转筒式干燥机,用以干燥和捶击万寿菊或万寿菊花瓣,可从中提取叶黄素。当捶击比率不同时,捶击效率就在70%90%之间波动。叶黄素多少取决于干燥时间长短;但在相同干燥时间里,70℃下干燥提取叶黄素含量比60℃下提取叶黄素含量要少。
    3.3高效液相色谱分析法
    以二氯甲烷(22.5 ml)+乙腈(9.5 ml)+甲醇(67.5ml)+水(0.5 ml)为流动相,流量为1.0 mL/min。使用光度检测器(波长450 nm)检测分离后类胡萝卜素和叶绿素。样品进样体积为20μl。在此条件下,叶黄素、叶绿素b、叶绿素a、番茄红素、α—胡萝卜素和β—胡萝卜素保留时间分别为3.0 min, 4.9 min, 6.6 min, 12.1 min, 14.6 min和15.3 min。取螺旋藻培养液(通过测定光密度(560 nm)得出培养液中螺旋藻干重)于离心管中,离心后弃去溶液,加水洗涤后,加入2mL体积分数的90%丙酮水溶液,置于超声波发生器水浴上,使螺旋藻破碎。离心后取上层提取液用高效液相色谱法测定叶黄素/玉米黄质、β—胡萝卜素及叶绿素a含量。其最高含量分别为:1.65μg/mg, 2.15 pg/mg和21.4 pg mg。
    高速逆流色谱技术。Wei等[11]用高速逆流色谱技术(HSCCC)从万寿菊中提取叶黄素,得出最佳流动相组成为:庚烷: 氯仿: 氢化甲烷=10:3:7 (v/v/v),用HPLC测定提取物含叶黄素纯度大于98.5%。
    3.4膜分离技术
    目前天然色素提取大多采用浸提、蒸发浓缩、溶剂提纯等传统工艺,存在能耗高、溶剂需回收、过程复杂等问题,且产品纯度往往不高。因此,无论从降低成本还是提高产品质量角度来看,将膜分离技术用于天然色素提取是极有价值的。采用陶瓷膜微滤(MF),对浸提液进行精滤提纯,再用反渗透膜(RO)浓缩过滤液。
    这种工艺以膜分离技术为主体,替代传统乙醇提纯和蒸发浓缩,工艺过程简单、色素溶液基本处于常温操作状态,既节约能源,又保证色素产品质量。
    3.5微波加热法
    杨丽飞、邓宇介绍以茶叶为原料,以6#溶剂为介质,用微波加热法提取叶黄素,并通过改变溶剂浓度、微波功率、提取时间等条件对产品提取率影响进行探讨,获得最佳提取条件。结果表明:物料比(w/v)1:25,时间30s,微波浸提2次,叶黄素浸提率达到65.45。该方法与传统提取方法相比,省溶剂,大大提高提取效率。
    3.6萃取法
    从万寿菊花中萃取叶黄素,青岛高科技工业园青大天然产物研究所已形成工业化生产,其提取工艺为:万寿菊鲜花→发酵→干燥→造粒→正己烷萃取→负压蒸发分离→叶黄素树脂。
    另有超临界CO2萃取法。该方法将万寿菊鲜花经发酵、干燥、粉碎后做原料,用超临界CO2以乙醇作夹带剂萃取万寿菊花浸膏,将万寿菊花浸膏经氢氧化钾皂化得到水溶性天然食用色素叶黄素树脂。该方法工艺简单、能耗低、环境友好;产品纯度高、色调正、耐热耐光性好、色泽稳定。

    3. 叶黄素的抗氧化作用
    叶黄素作为一种抗氧化剂可抑制活性氧自由基活性,阻止活性氧自由基对正常细胞破坏。单线态氧游离基和过氧化物游离基既可从机体正常代谢中产生,又可受诸如吸烟、空气污染、辐射、特定药物和环境毒素等影响而大量产生。据认为,活性氧自由基可与DNA、蛋白质、脂类发生反应,削弱它们生理功能,并进一步引发如癌症、动脉硬化、及眼睛黄斑变性等慢性病发生。叶黄素可焠灭单线态氧,从而保护机体免受伤害。
    3.1对体外证据的研究
    生物体系产生几种高度氧化的游离基,有单线态氧、羟基游离基、超氧化物游离基、过氧化氢、长碳链氢过氧化物、过氧化物游离基。这些游离基通过三种不同的途径与类胡罗卜素反应:电子转移、脱氢作用和加合作用。一直称包括叶黄素在内的类胡萝卜素为天然抗氧化剂。
    类胡萝卜素容易被氧化,多烯链失去电子,生成阳离子自由基。类胡萝卜素“优先”被氧化生成阳离子自由基,反过来阳离子自由基被抗坏血酸还原为原来的类胡萝卜素。这一学说解释了类胡萝卜素怎样阻止多聚不饱和脂肪酸、核酸和蛋白质的不可逆氧化作用。Truscott在体外化学反应基础上进行试验研究:在细胞膜内与活性氧游离基反应得到疏水维生素E阳离子游离基,它能够被与膜结合的类胡萝卜素如玉米黄质再生,反过来生成的类胡萝卜素阳离子可被膜体系外的维生素C再次还原。这种体外的反应实验符合抗氧化作用学说,为深入探索类胡萝卜素抗氧化功能提供强有力的理论基础[12]。
    Burton和Ingold提出过氧化物游离基直接加到类胡萝卜素上—游离基加合作用理论[13]。他们认为这种反应机制产生了能直接与O2作用的碳为中心的类胡萝卜素游离基。次级反应产生类胡萝卜素过氧化物游离基,它的生成取决于氧分压条件。当低氧分压时,类胡萝卜素与过氧化自由基(ROO?)反应生成类胡萝卜素自由基(CAR?),后者可与ROO?反应生成ROOCAR,从而阻断脂质过氧化链式反应(如:CAR + ROO?→ROOH + CAR? CAR?+ ROO?→ROOCAR)。但高氧分压时,类胡萝卜素与ROO?反应生成类胡萝卜素过氧化自由基(CAROO?),后者可与不饱和脂肪酸(LH)发生反应,引起脂质过氧化,发生扩增反应,从而表现为促氧化作用(如:CAR?→ CAROO?+ LH → CAR + LOOH)。氧分压足够高时,由于比消耗的产生更多的游离基,常把依赖O2的步骤称为促氧化效应。
    Martin和他的同事也认为低氧分压时,许多类胡萝卜素是重要的抗氧化剂,阻止底物被过氧化物游离基氧化。当氧浓度增加时,氧生成的过氧化游离基占主要因素,压力足够高(如1atm)时,将失去抗氧化剂能力。但是,对于生理状态的氧分压和类胡萝卜素浓度而言,促氧化步骤影响太小,类胡萝卜素仍有良好的链式抗氧化能力。
    2000年李丛民、尹海川通过添加叶黄素和硒化合物入卷烟中,采用电子自旋共振波谱法和原子荧光光谱法分析叶黄素和硒化合物对清除卷烟焦油中自由基效果,结果发现自由基峰高随叶黄素或硒化合物含量增加而降低。另外,叶黄素还能增强机体免疫能力。
    3.2对体内证据的研究
    目前,人们对视网膜内类胡萝卜素可能存在的抗氧化作用仍然感兴趣。Rapp等和Sommerburg等对视网膜黄斑中心附近和周边区域分离的杆状细胞外部片段进行仔细分析,发现这些细胞结构中都存在叶黄素和玉米黄质。由于视网膜色素上皮细胞和外部片段氧化作用产生的损害非常大,所以要求叶黄素和玉米黄质有抗氧化功能。医学上也有重要证据表明AMD病是由视网膜色素上皮细胞和外部片段的氧化降解和游离基过程产生的。
    叶黄素和玉米黄质由于吸光能力很强,可在视网膜内部形成一种很有效的蓝光过滤器,这种蓝光能深入眼睛内部。黄斑色素主要累积在由许多光感受器神经轴突组成的Henle纤维细胞层中,其中神经轴突覆盖在光感受器上。在蓝光到达脆弱的组织结构光感受器、视网膜色素上皮细胞和下部的脉络膜血管层之前,黄斑类胡萝卜素削弱了蓝光。一般认为可能是降低蓝光强度能有效减少对视网膜氧化的压力,降低程度有时高达90%,通常是40%,由此可充分解释一些流行病学研究中观察到的患AMD危险性降低的现象。现今许多研究证明了黄斑类胡萝卜素能保护视网膜,免受到暴露在强烈蓝光下引起的损害。
    Henle纤维细胞层内发现的叶黄素和玉米黄质具有过滤光的能力,也间接的说明它们的抗氧化功能。由于它减少了蓝光产生的游离基的比率,从而减少了过氧化游离基诱导的氧化链反应的几率。黄斑色素的抗氧化功能最早由Kirschfeld提出,虽然不是通常意义的化学抗氧化作用机理,但这种抗氧化功能也是相当重要的。大多数组织中的氧分压很低,30mmHg或者更低。视网膜的外片段氧分压很高,可能通过蓝光诱导的光敏氧化生成高比率的单线态氧,最终使各种细胞结构发生不可逆损害。
    视网膜中除了主要的黄斑色素组分叶黄素、玉米黄质和内消旋玉米黄质外,还有少数几种微量组份。虽然没有类胡萝卜素抗氧化活性的直接证据,视网膜中氧化代谢物的存在至少与上面提到的学说相一致。同样,氧化/还原途径形成的内消旋玉米黄质、3S,3S’玉米黄质和环氧化物,它们的存在也与它们积极参与视网膜内的氧化代谢过程的学说相一致。这些都说明了人体视网膜内高浓度叶黄素和玉米黄质的存具有抗氧化作用,可降低老年黄斑变性病(AMD)的发病机率。

    4.应用前景
    叶黄素对人体的重要生理功能已引起广泛关注。目前研究人员已从天然物质中成功地提纯得到叶黄素酯,并将其作为营养强化剂进行推广,如Salt Lake Citybased Weider Nutrition lnternational, Inc.生产的Schiff牌的营养强化剂已实现商品化,种类有10%、20%、30%、40%、60%等不同纯度的产品。提取后的叶黄素结晶呈桔红色,由于它是从天然物质制得,因此食用安全、可靠,而且在人体消化道内容易被水解、吸收。对于叶黄素,USDA目前虽未给定出膳食推荐量,但Lutein esters于2002年已被FDA认定为GRAS物质,GRN NO.110。叶黄素作为食品添加剂,市场将是十分广阔的[17]。酯在美国市场上十分畅销。美国2004年调查结果显示,叶黄素类食品、低糖食品、防心血管疾病食品等是功能性食品发展趋势。
    博九官网 近年我国叶黄素产量逐年上升,但都系为粗品,主要用于动物饲料添加剂或粗品出口,主要品种有叶黄素酯,叶黄素粉末(深棕色),叶黄素含量10 g/kg。制取高含量高纯度叶黄素,用于食品和医药,技术上尚有一定难度。国内中国农大,北京大学,上海交大等,均开展高纯度叶黄素研究工作,叶黄素纯度可达95%以上[20],但叶黄素应用在我国尚未引起食品工业界重视。叶黄素因对人体具有重要生理功能而日益受到关注,作为一种功能因子在多领域应用拓展将是今后重点,可以预测,叶黄素开发前景将十分光明。

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