葉黃素及其應用研究

 

摘  要：介紹了廣泛地存在于動植物中的葉黃素及其性質以及植物、動物體中葉黃素的分析、提取、研究情況，應用前景。表明葉黃素是重要的天然色素類和天然保健品，是綠色的健康食品原料，極具商業開發價值。

關鍵詞：葉黃素；應用；分離；提取

 

Abstract：This paper deals with the xanthophill existing in animals and plants:its properties,extraction and prospects of application.The results of the study shows that xanthophill is an important natural pigment and health protection foodstuff with great commercial development values.

Key words：xanthophyll;application;separation;extraction

 

    葉黃素(Xanthophyll)(3.3-二羥基-α-胡蘿卜素)是一種萜，分子式：C₄0H₅₆O₂，分子量：568.85^[1]。科學家對葉黃素化學結構的研究結果表明：它具有3個手性中心、故有8種立體異構體，有一個共同的基本結構：兩個六元碳環由一個含十八碳原子的共軛雙鍵的長鏈相聯接。類胡蘿卜素主要有兩類：胡蘿卜素類(不含氧的類胡蘿卜素的總稱)葉黃素類(含氧的類胡蘿卜素的總稱)包括葉黃素，黃體素，β-胡蘿卜素，隱黃質，玉米黃質、蛋黃色素，隱黃素、玉米黃素、其它色素。

 

1   葉黃素的自然存在形態

 

1．1  葉黃素在植物中的存在形態

    葉黃素是類胡蘿卜素，與β-胡蘿卜素很相似，也是維生素A的前身，葉黃素廣泛存在于植物中，如菠菜、甘藍、桃子、芒果、木瓜、香蕉、土豆、菊花、金盞菊等等。葉黃素屬于“類胡蘿卜素”類物質，它是構成玉米、蔬菜、水果、花卉等植物色素的重要組分。洋甘藍、羽衣甘藍、菠菜等深綠色葉菜以及金盞花等花卉中即含大量的葉黃素，而南瓜、桃子、辣椒、芒果、柑桔中則含豐富的葉黃素酯。在中草藥中植物色素類(Phytochromes)分布很廣、主要有脂溶性色素與水溶性色素兩類。脂溶性色素主要為葉綠素、葉黃素與胡蘿卜素、三者常共存^[2]。此外尚有藏紅花素、辣椒紅素等。以下是其它植物中葉黃素的存在形態。

 

    (1)朝鮮野菊花中的葉黃素。朝鮮野菊花(Chrysanthemum koriense)屆菊科菊屆植物。研究用甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、氯仿、苯和水為溶劑從朝鮮菊中提取葉黃素，并用分光光度計對該色素在不同的PH值、不同的介質、不同的光照條件下的穩定性進行了檢測，結果表明：在不同的PH值條件下以水為溶劑提取的色素均為黃色，且在氯化鈉和蔗糖兩種介質中的穩定性較好，色素的殘存率最低為91.18%，在不同的溫度下這種色素的穩定性不同，較強的光照易使該色素褪色，在室內散射光下5小時后其殘存率仍為89.67%^[2]。朝鮮野菊花中的葉黃素適合于糕點、糖果等食品的著色，也可以用于保健品的著色以及藥片糖衣、膠囊的著色，朝鮮菊花的資源豐富，易培養很值得開發利用。

 

    (2)茶葉中的葉黃素。茶葉的色素包括葉綠素、葉黃素、胡蘿卜素、黃酮類物質、花青素以及其它茶多酚的氧化物(主要有茶黃素、茶紅素及茶褐素)等。黃酮類物質、花青素、茶黃素等溶于水，為水溶性色素。經研究發現茶葉色素具有色彩艷麗，富含維生素P和氨基酸及其化合物，著色效果好，可用作穩定劑等特點。目前，茶葉的色素中主要成分的藥用價值已被揭示，不僅可作為傳統色素的食品著色劑，而且可以應用于醫藥領域。茶葉色素對腫瘤等相關疾病的防治呈現出顯著的效果。目前葉黃素和茶紅素的提取已逐步趨向于藥用型和保健型。由于其“天然，無副作用和標本兼治”的特點定將會受到青睞。

 

    (3)苔蘚植物體中的葉黃素。苔蘚植物主要分為苔和蘚兩大綱，在這兩綱中都含有葉黃素。對19種肯尼亞苔蘚植物的研究發現：在其中含有鏈孢類胡蘿卜素，α-隱黃質，β-隱黃質和胡蘿卜素，玉米黃質，葉黃素，3-外葉黃素^[3]。同樣的在22種法國苔蘚中研究發現其植物體內含有：胡蘿卜素，α-隱黃質，葉黃素，3-外葉黃素，環氧葉黃素，新葉黃素等。這些胡蘿卜素在植物體中含量為：19.71～189.51μg/g，干燥后呈白色^[4]。經過生物學家們用薄層色譜法研究發現在伊利若斯州的苔蘚中也有胡蘿卜素，玉米黃質，葉黃素，3-外葉黃素，以及葉黃素的環氧化物，它們在胡蘿卜素中的含量為：26.15～106.21μg/g，干燥后呈白色^[3]。

 

    (4)蛋黃色素(Lutein)。自然界存在的類胡蘿卜素(Carotenoids)約有6百種以上，只有少于10%會轉變成維生素A，所以類胡蘿卜素又稱為維生素A原(Provitamin A)。β-胡蘿卜素為維生素A的前驅物，而蛋黃色素(Lutein)卻不是維生素A的前驅物(而為α-carotene之 Dihydroxy衍生物)。類胡蘿卜素類又可分為葉紅素類(Carotenes)及葉黃素類(xanthophylls)，番茄紅素(Lycopene)，p-胡蘿卜素為葉紅素類、而蛋黃色素則為葉黃素類。

 

    (5)藻類中的葉黃素。綠藻：色素體1至多種，形狀有杯狀，網狀、片狀、帶狀等。色素體主要含葉綠素，其它還有胡蘿卜素、葉黃素等。故呈草綠色。淀粉核埋在色素體里，數目隨種類而不同。貯藏之物是淀粉。硅藻門：色素體的形狀和數目隨種類而不同，含葉黃素、胡蘿卜素、葉綠素和藻黃素，故呈黃褐色、綠色或藍色。貯藏之物為脂肪和沃露汀(Volutin)，散生在原生質中^[4]。紅藻：主要含有藻紅素和葉綠素，也含有藻藍素、胡蘿卜素和葉黃素，因而很多種類呈紅色；光合產物為紅藻淀粉，一般散生在原生質里或呈顆粒狀，無淀粉核；無著生鞭毛的游動孢子。藥用植物有石花菜Gelidun amansii lamx，海人草 Digenea simplex(Wulf．)C．Agardh等。

 

    (6)玉米黃色素。其主要成份為玉米黃素(3.3-二羥基-β-胡蘿卜素)，隱黃素(3-羥基-β-胡蘿卜素)，葉黃素(3.3-二羥基-α-胡蘿卜素)。玉米黃色素屬類胡蘿卜素色素，其中含有維生素A的前體β-胡蘿卜素，在人體肝臟內可轉化成具有生物活性的維生素A，具有保健及強化營養的功能。玉米黃色素為油溶性色素，通常為液體產品、亦可添加乳化劑制成水分散性色素，100℃以上為血紅色油狀液體；100℃以下為桔黃色半凝固油狀物、具有玉米油的固有香氣，耐熱及耐光性較好，其最大吸收峰波長為：λ＝44nm^[5]。

 

1．2  葉黃素在動物及人體中的存在形態

 

    科學家們對多種類的魚進行研究發現，在黃尾魚、金槍魚^[6]、大麻哈魚中都有葉黃素及其他的異構體。并利用光譜分析法在紅磚魚的外皮中，找到了4-酮基葉黃素，D[(3s，3's，6's)-3.3'-二羥基-β，ε-胡蘿卜素]和4-酮基葉黃素，F[(3s，3'R，6'S)-3.3'-二羥基-β，ε-胡蘿卜素]他們還利用光譜分析法，分離出釣魚當中存在的葉黃素^[6]。類胡蘿卜素不僅存在于某些動物體中，利用高性能液體色譜分析法發現在人體血漿中，分離出系列的類胡蘿卜素：(3R，3'R，6'R)-β，ε-類胡蘿卜素-3.3'-二醇，[(3R，3'R，6'R)-葉黃素]^[7]，另外在人奶中也分離出幾種類胡蘿卜素以及它們的同分異構體。

 

2  葉黃素的分離提取

 

    (1)膜分離技術。目前天然色素的提取多采用浸提、蒸發濃縮、溶劑提純等傳統工藝，存在能耗高、溶劑需回收、過程復雜等問題，而且產品純度往往還不高。因此，無論從降低成本還是提高產品質量的角度來看，將膜分離技術^[8]用于天然色素的提取是極有價值的。提出陶瓷膜微濾(MF)對浸提液進行精濾提純，再用反滲透膜(R0)濃縮過濾液。這種工藝以膜分離技術為主體，替代了傳統的酒精提純和蒸發濃縮，工藝過程簡單、色素溶液基本處于常溫操作狀態，既節約能源，又保證了色素產品的質量。

 

    (2)干燥法提取葉黃素。研究出一種新型轉筒式干燥機^[9]，用來干燥和捶擊金盞花或者萬壽菊花瓣，可以從中提取葉黃素。當捶擊比率不同時，捶擊效率就在70%～90%之間波動。葉黃素的多少決定于干燥時間長度。但在相同的干燥時間里，70℃下干燥提取的葉黃素含量比60℃下提取的葉黃素含量要少。

 

    (3)高效液相色譜分析法提取。以二氯甲烷(22.5mL)+乙腈(9.5mL)+甲醇(67.5mL)+水(0.5mL)為流動相，流量為1.0mL/min。使用光度檢測器(波長為450nm)檢測分離后的類胡蘿卜素和葉綠素。樣品進樣體積為20uL。在此條件下，葉黃素、葉綠素b、葉綠素a、番茄紅素(1ycopene)、α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素的保留時間分別為3.0、4.9、6.6、12.1、14.6和15.3min。取螺旋藻的培養液(通過測定光密度(560nm)得出培養液中螺旋藻干重^[10,11])于離心管中，離心后棄去溶液，加水洗滌后，加入2mL體積分數為90%丙酮水溶液，置于超聲波發生器水浴上，使螺旋藻破碎。離心后取上層提取液用高效液相色譜法^[12,13]測定葉黃素/玉米黃質、β-胡蘿卜素及葉綠素a的含量，其最高含量分別為：1.65μg/mg，2.15μg/mg和21.4μg/mg。

 

    (4)改良的高效色譜分析法^[14]。這種方法能迅速地分離高等植物中光合的色素，所用儀器為高效液相色譜分析系統，采用美國waters公司的680型自動程序梯度控制器，501型高壓液相泵，M490型可編程序紫外可見光檢測器，730型數據處理器，記錄保留時間和峰面積，走紙速度為2cm/min。選擇最佳的色譜分離條件是色譜分析中的關鍵，本方法選用兩種流動相A液和B液，采用線性梯度洗脫分離色素組分。用改良的高效色譜分析法分析葉黃素循環組分，具有快速、準確、分離度好以及重復穩定等優點，可以認為是目前分析測定葉黃素循環組分的最佳方法。

 

    (5)玉米黃漿水中提取玉米黃色素。選用己烷質量分數高達74%～80%的抽提溶劑油，根據液-固萃取原理，通過液固二相存在濃度差時的分子擴散作用，利用泵循環施以外力時的對流擴散作用，達到色素浸出的目的。再通過真空濃縮精制獲得液態色素產品，或者添加輔料獲得固態色素產品^[15]。

 

    (6)大豆中葉黃素的解析。在酸和堿性稻殼灰中大豆油色素(葉黃素)解析^[16]時，連續的異丙醇/己烷的洗滌，增加溶液極性可提高葉黃素的解析，表明競爭吸附很大程度上決定于溶液的極性。但是當加入2%異丙醇洗滌時，用多種提取法解析出來的葉黃素會減少。葉黃素吸附的量越多必然伴隨著更多的葉黃素的解析。這說明酸性環境比堿性環境更有利于解析。

 

    (7)葉黃素產品生產工藝。以萬壽菊花中用正己烷萃取而得的葉黃素為例：

    葉黃素→加熱成油液狀→皂化→攪拌→過篩→干燥、包裝

                                ↑

                 硅藻土和硅酸→干燥

    皂化時氫氧化鈉水溶液ω(NaOH)＝0.17。

    萬壽菊(Marigold)是提煉葉黃素及類胡蘿卜素的主要原料，其中黃色色素含量平均每公斤不低于12克，這種色素是無公害的天然色素。

    除了上述從萬壽菊花中提取葉黃素制備產品工藝外，目前很多公司都在摸索新的葉黃素生產途徑。如南美洲Henkle公司已從來源豐富的南瓜和桔子榨汁后的殘渣中提取出“葉黃素酯”(商品名Xangold)，因為醫學專家已證實：葉黃素酯在人體內能自動轉化成為葉黃素，故葉黃素酯與葉黃素一樣可作為新型食品添加劑使用。葉黃素酯的提取成功大大拓展了葉黃素的來源。

 

3  葉黃素的應用研究

 

    (1)應用于動物。在水產飼料中常用的色素為蝦青素，它是葉黃素的一種^[17,18]，最先人們認識到蝦青素可使鮭蹲魚類的肉呈粉紅色，同樣蝦類飼料也常用蝦青素作為著色劑。現在，國外學者深入研究發現，蝦青素對于鮭蹲魚類及蝦類的繁殖、存活及免疫能力都非常重要。在某些特定水域中，成年鮭蹲魚類之所以不能繁衍后代，就是因為它們產的卵子中以及魚苗體內缺乏蝦青素，鮭蹲魚類卵子中蝦青素的含量與其孵化率成正相關。蝦青素是水生動物的必需營養物質。

 

    20世紀90年代一蘇聯學者提出假設，禽蛋的葉黃素是雞胚胎的一種適應物質，即與胚胎的發育密切相關，它能決定胚胎的成活率和生態的可塑性。現已證實，葉黃素含量高的蛋其胚胎的循環系統和血管區的發育均較快，蛋黃葉黃素還能促進胚胎肝臟中脂類的更好的吸收。

 

    (2)葉黃素增強劑可提高視力。廣泛存在于綠色的葉片和蛋黃中的一種葉黃素(為類胡蘿卜素的一種)被認為是很有效的健康食品原料。補充天然葉黃素，可降低眼疾風險。蛋黃色素(Leutein)及玉米黃素(Zeaxanthin．為lutein的同質異構物isomer)常并存，可選擇性的在視網膜(retina)及水晶體(1ens)累積，每克水晶體約含有10ng，尤其在視網膜黃斑(macula)特別多，可形成視網膜黃斑色素(macular Pigment)，吸收藍色光而防止視網膜最敏感的區域受到光線傷害，有助于預防老化所引起新生血管型視網膜黃斑變性(Neovascular Age—related macular degeneration，AMD，ARMD)^[17]。

    在現有的眾多食品中，獼猴桃是最好的葉黃素供應源，黃色玉米和蛋黃是僅次于獼猴桃的葉黃素高源食物。多吃富含葉黃素的食物對視力有益。

 

(3)葉黃素對人體疾病的作用。葉黃素抗氧化作用對人體疾病的主要功能是，在人體內可防止一種生理代謝過程中產生的有害物質“游離基”所造成的組織損傷、細胞衰老等病變^[19]。科學家認為，人體衰老很大程度上與游離基的破壞作用有關。迄今為止科學家尚未發明一種可完全清除掉體內游離基的藥物。而維生素E、維生素C及β－胡蘿卜素之所以有抗衰老作用，原因在于它們對游離基有一定抑止作用，故它們均被認為是“抗氧化劑”。來自植物的“類胡蘿卜素”其抗氧化作用甚至優于VE，VC和天然胡蘿卜素。據介紹，添加有類胡蘿卜素(如葉黃素和番茄紅素等)的食品可以預防老年性視力退化、抗衰老、使人保持旺盛的精力以及預防癌癥、心血管疾病(如中風、心肌梗塞等等)。

 

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（以下略）