（应用化学专业论文）自天然叶黄素酯制取虾青素的实验研究.pdf

摘要 摘要 本课题研究了以广泛种植的万寿菊花提取物为底物，通过化学修饰和分子改 造的技术手段，制取附加值更高的功能性产品一虾青素的生产工艺技术。该工艺 技术主要包括：叶黄素酯的一步法制取玉米黄素和玉米黄素通过溴化、水解、氧 化等环节制取虾青素，还包括组分的分离纯化，分析检测，结构鉴定，工艺参数 优化和工艺装置的设计。 实验研究了如何通过化学反应，把叶黄素酯通过一步法制取玉米黄素并通过 分离纯化得到高含量玉米黄素的生产工艺。叶黄素酯与醇碱溶液和乳化剂混合， 惰性环境下高温反应1 6h 。通过h p l c 分析，该反应转化率达到7 0 以上。反应 后对产物进行分离提纯，得到高纯度游离态玉米黄素。高效液相色谱法进行定 性、定量检测，产品中玉米黄素的含量由反应初始浓度的0 8 变为反应终止浓 度的4 0 。 同时建立了叶黄素酯步法制取玉米黄素的反应动力学模型。结果表明，在 碱远远过量的情况下，可以将该反应近似看作一级反应。1 0 0 下，1 0 0 9 叶黄 素酯溶于1 0 0 m l 丙二醇，在3 0g 碱作用下进行水解，反应中玉米黄素的质量与反 应时间之间关系的表达式为：m 。n l h i 。= 1 1 3 5 + 1 - e x p ( 一0 1 5 1 2 4 0 式中：t 为反应时间，h m z , a x a n t h i 。为时间t 时水解液中游离叶黄素的质量，g 实验研究了由高纯度游离态玉米黄素溴化、水解、氧化生成虾青素的生产工 艺。玉米黄素与氧化剂水溶液混匀，加入卤化剂。惰性环境下反应4 6h 。反 应后萃取分离纯化。高效液相色谱和质谱法进行定性、定量检测。反应最终生成 虾青素，含量达到2 0 。 硕士研究生鹿林( 应用化学) 指导教师胡迎芬教授张惹副教授 关键词：玉米黄素；虾青素；异构化反应；氧化反应 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t u d ym a i n l yr e l a t e dt oap r o c e s sf o rp r e p a r i n ga s t a x a n t h i nf r o mt h em a r i g o l d e x t r a c t ，u s i n gt h et e c h n o l o g yo fm o l e c u l em o d i f ya n dm o l e c u l ec h a n g e t h ep r o c e s s i n c l u d e sp r e p a r i n gz e a x a n t h i nf r o ml u t e i ne a t e r sb yo n es t e p ，a n db r o m i z a t i o n h y d r o l y z a t i o na n do x i d a t i o no fz e a x a n t h i n t h ep r o c e s si n c l u d e dp r o d u c t ss e p a r a t i o n a n dp u r i f i c a t i o n ，a n a l y s i sa n de x a m i n a t i o n ，s t r u c t u r ei d e n t i f y t h ep r o c e s sa l s oi n c l u d e d o p t i m i z i n go ft e c h n i c sp a r a m e t e ra n dd e s i g n i n g o ft e c h n i c se q u i p m e n t s 。 t h ep a p e rp r o v i d e dap r o c e s sf o rp r e p a r i n gz e a x a n t h i nf r o ml u t e i ne a t e r sb yo n es t e p i t c a ng e th i g h p u r i t yz e a x a n t h i nb ys e p a r a t i o na n dp u d f i c a n t i o n l u t e i ne a t e r sw a sm i x e d w i t h1 , 2 p r o p a n e d i o l ，a n dt h e nr e a c t e df o r1 6 ha ta b o u t1 0 0 ，u n d e rs e a l e dc o n d i t i o n a n di n e r ta t m o s p h e r e ，w i t hi s o m e r i z a t i o ny i e l d sn e a rt o7 0 b yh p l c t h e p r o d u c tw a s s e p a r a t e da n dp u t i e dw i t hn - h e x a n a t h t h ef i n a ls u b s t r a t eh a saz e a x a n t h i nc o n t e n to f a b o u t4 0 c o m p a r i n gt ot h ei n i t i a lc o n t e n to f0 。8 1 h cr e a c t i o nk i n e t i ce q u a t i o nf o rp r e p a r i n gz e a x a n t h i uf r o ml u t e i ne a t e r sb yo n es t e p w a si n v e s t i g a t e d n cr e a c t i o nw a sr e g a r d e da saf i r s to r d e rr e a c t i o nw h e na l k a l iw a s m u c hm o r et h a nn e e d e d w h e n1 0 0 gl u t e i ne s t e r sw e r eh o m o g e n i z e dw i t h1 0 0m l 1 , 2 - p r o p a n e d i 0 1 t h em i x t u r ew a ss u b j e c t e dt or e f l e c t i o nw i t h3 0g a l k a l i 1 1 i c e x p r e s s i o no ft h eo fz e a x a n t h i na n dt h er e a c t i o nt i m ei sa sf o l l o w s ： m 删= 1 1 3 5 1 - e x p ( - o 1 5 1 2 4 0 】 w h e r eti st h er e a c t i o nt i m e w h e r eh 1 2 岫i st h ec o n c e n t r a t i o no fz e a x a n t h i ni nt h es o l u t i o na tr e a c t i o nt i m e t h ep a p e rp r o v i d e dap r o c e s sf o rb r o m i z a t i o na n do x i d a t i o no fh i g hp u r i t yz e a x a n t h i nt o a s t a x a n t h i n h i g hp u r i t yz e a x a n t h i nw a sm i x e d w i t has o l u t i o no fo x i d a n tu n d e ri c e w a t e lt h es o l u t i o nw a sa d d e dt ot h es t i r r e dz e a x a n t h i ns o l u t i o no v e rap e r i o do f 4t o6 a b s t r a c t h o u r s u n d e rn i t r o g e n a f t e rc o m p l e t i o no ft h er e a c t i o n ，t h eo r g a n i cl a y e rw a se x t r a c t e d , s e p a r a t e da n dp u r i f i e d t h ef i n a ls u b s t r a t ew a s i d e n t i f i e da n dq u a l i t i e dw i t hh p l ca n d m s ，w h i c hi n d i c a t e df o r m a t i o no ft h ed e s i r e da s t a x a n t h i np r o d u c t t h ec o n c e n t r a t i o no f i t w a su p t o2 0 p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：l i nl u ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f y i n g f e nh uh u iz h a n g k e y w o r d s ：z e a x a n t h i n ； a s t a x a n t h i n ；i s o m e r i z a t i o n ； o x i d a t i o n 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 庇林日期：加7 年j ，月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密面。 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名： 瘟专k日期：汐叮年r 月z 日 导师签名：娟趣多 - 日期：砷年月e l ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 类胡萝l 、素 1 1 1 类胡萝l 、紊概述 1 8 3 1 年，w a c h e n r o d e r 从胡萝卜根中结晶分离出碳水化合物类的 色素，并以“胡萝h 素”命名；之后，b e r z e l i u s 从秋天的叶片中分离 提取出黄色的极性色素，并命名为“叶黄素”；随着生物物理技术的 发展，人们通过色谱分析的方法分离出一系列的天然色素，并命名为 “类胡萝卜素”。在自然界，类胡萝卜素广泛存在于动物。植物及微 生物中。绝大多数类胡萝h 素呈绚丽的黄色，橙色或红色；类胡萝卜素 都具有共同的化学结构特征，它们是由8 个异戊二烯基本单位合成的 多烯链，通过共轭双键构成一类化合物或其氧化衍生物。目前，已知 的类胡萝p 素成员大概有6 0 0 多种。 类胡萝h 素( c a r o t e n o i d s ) 属于类萜化合物，按其化学结构可分 为胡萝l 、素( c a r o t e n e ) 和叶黄素( x a n t h o p h y l l s ) 两大类色素。分子中 不含有氧原子的碳氢族类胡萝卜素被称为胡萝卜素族，胡萝卜素族溶 于石油醚，难溶或不溶于乙醇，d 一胡萝卜索、一胡萝卜素、y 一胡萝 素均属于该族；分子中含有氧功能团( 如羟基、环氧基、甲氧基、酮 基、羟酸等) 的衍生物则被称为叶黄索族，叶黄素族溶于乙醇，不溶于 乙醚，含氧类胡萝卜素分子中的2 个六元碳环上的1 个含氧基团使其具 有较大的稳定性，使它在被机体吸收后不能转化为v 。，仍保持其原来的 颜色和分子结构，具有较强的着色能力。玉米黄素，隐黄素，叶黄素， 辣椒红素，虾青素均属于该族。 1 1 2 类胡萝i 、素的命名和分类 类胡萝卜素的发现者们在给新类胡萝卜素命名时，一般选择那些 能体现它们的来源或特性( 如最大吸收波长) 的名字n ”。因此，人们 把来自胡萝卜的色素称为胡萝卜素，把来自紫罗兰的色素称为紫黄质， 把来自玉米的色素称为玉米黄素。由于来自黄杆菌属脱氧酶的主要色 素的最大吸收波长是4 3 9 n m ，因此有一段时期人们称它为。脱氢酶一 p 4 3 9 ”这些名称可以称为是类胡萝卜素的习惯命名。 但是，对于其他的研究者即使是相同领域的研究者来说，这些习 惯命名所表达的分子结构方面的信息太少了对于中国的研究人员来 重鱼查堂堡主堂堡垒奎 ；i i ，习惯命粥的问题可能更复杂一些。这主要是由于不同语言之间的 互泽所引起的。表1 1 给出了部分类胡萝 素的中英文习惯命名。 表1 i 部分类胡萝h 素的中英文习惯命名对照表 英文各靠中立名荐薹土名嚣中文名耘 t 山k t t h膏羹靠童 如曲1 山盒叠花虹覃 k h - 岫 盘生花t 重 l 州k 啊4 虹一矗t e t a l 冀童 脚k u w l u -弄黄曩 - b 山1 i - h 曲 花药冀窜百舌冀蠢 一- 1 i 一 束芷叶黄素 i _ 虾缸毫 岫啊h 虾青鼍 明曲晴瞄 盒色素 h t t b 盘羹重_d由 言参缸i t i t 舅舡毫 - 幽柱一黄鼻h 嘲矗舶b 目自i i 虹寰 且h i n 材曩胁蠢c i b 柚_ - 量鼙冀塞 c i 刚h 埘曲囊t 誊a - 岫 肆虹奎 c p i 曲 薄玉虹奢- c _ - 叫t 一葫，h 毫 0 一厶- 嘲p - 胡， 蠢 t c a l - t m et 一胡萝h 毫 0 6 喇0 鞠，h 曩t c _ 科d -一捌， 蠢 a h _ l - 毒蛇黄囊a 面m “ 重蠢 。憎岫岫- 辑量膏矗口一a f 蛐血拧t _ 坩乌誊 a拍t-th拧黄cl-南虹花蠢 q 蛐- 岫童o - 岫哪l 甲蠢膏素 a 砷l h - -奄冀c l 仲n 冀曩 a 竹u d 扦t 冀素_ “l - 硅羹膏蠢 i t - 加_ k d 盅黄蠢觑h 瞄一 毒盥一 h 曲_ 衄- l - 缓簟冀毫牲h h k黄素 n 州_ _鱼叠冀素n m 嘲舶毛苴黄搴 h _ 柚h h者f 膏c 埘岫i h 尬冀套 0 l _ - 啦山螺簟t t h 山- i 一 壤o 蠢 m 晡- - - - 冀辜k 呻i 麻风曩，耳尊 h _ - h蠢ir素l-l冀体素叶奢 h 懈d h -鼻捧色素l | 帅旺_ n h 体冀 b 呻_ t 蓝缸蠢b 哪如 鲁蕉膏蠢 l 憎u - i ht 董重 托啪t 螬蝌蠢 m - 岫- t - kt 黄毫 m m a t e d m m e 拧冀重 _ h 岫且冀素m y 山e t m蛐奢 ，蚺l t 蠢虹曩 誓p d i i 重羹搴 - 删_ h i ，i t t 叶冀曩n 山_ 新色毫 啊_ l h簟黄s i tn - 喇- _ t 推虹素 陬- - - - t 蠢霉冀蠢帅柚h 膏圭本t 膏簟 a 哺一 囊克一m 枷h _ l 抽 羹冀素 h d _ i 一 且paldia-参甲鼻童 一簟一 瞄e l u l p t i e 阻嘣她 ，i 事丹柱枰斗鼻t 啊- 勰虹蠢 一一鲁奢缸毫 喇一 番麓“素n 岫- 曲 壮冀毫 2 第一章文献综述 由于习惯命名在使用过程中的局限性，类胡萝卜素的半系统命名 法就应运而生了。1 9 7 4 年，类胡萝卜素的半系统命名规则最终得到了 国际理论与应用化学协会( i u p a c ) 和国际生物化学协会( i u b ) 的认可， 并被化学文摘( c a ) 所采用“。目前，这种命名方法简称为i u p a c ，并 被大量应用于对新发现的类胡萝h 素的命名中。 与有机化合物的系统命名相同，类胡萝卜素的半系统命名从本质 上讲是对类胡萝h 素类化合物的分子结构的描述。通过半系统命名规 则得到的类胡萝h 素化合物的名称，可以明确表达一个已知类胡萝 素的分子结构。换言之，了解类胡萝卜素的半系统命名法的前提就是 了解和掌握类胡萝h 素类化合物的分子结构及其特征。 现在比较常见的分类方法是按照结构将其分为4 个亚族1 ：胡萝卜 素，如。一、p 一、y 一胡萝卜素、番茄红素等；胡萝卜醇，如叶黄素、 玉米黄素、虾青索等；胡萝卜醇的浸膏类，如鼻阿朴一8 一胡萝卜酸浸 膏；胡萝卜酸，如藏红素、胭脂树橙等。 也有人将按照结构将其细分为1 1 种主要类型，如表1 2 所示： 青岛大学硕士学位论文 类 胡 萝 卜 素 表1 2 类胡萝h 素的分类 一无环类胡萝h 素( 如西红柿红素，l y c o p e n e ) i无环叶黄索( 如螺菌黄素，s p i r i l l o x a n t h in ) l脂环族胡萝p( 如a 一玉米胡萝h 素，a z e a c a r o t e n e ) i脂环族叶黄素( 如叶黄素，l u t e i n ) i 芳族类胡萝h 素 ( 如海绵烯，r e n i e r a t e r i e ) 环戊基酮类胡萝h 素( 如辣椒红素c a p s a n t h i n ) 1环氧类胡萝h 素( 如紫黄素，y i o i a x a n t h i n ) i丙二烯类胡萝h 素( 如岩藻黄素，f u c o x a n t h i n ) i炔属类胡萝h 素( 如异黄素，a l l o x a n t h i n ) l高类胡萝h 素( 如癸异戊二烯黄素d e c a p r e n o x a n t h i n ) 降解的类胡萝h 素 ( 如b 一胡萝h 素酮，b c a r o t e n o n e ) 但这种分类是相对的。例如。环氧类胡萝卜素可以归入脂环族叶 黄素中，但该类型的叶黄素都具有取代基团，因而将其归为一类。又 如菌红素( 图1 i ) 可以归入无环叶黄素类，但它的碳架上有cs o ，含有不 止8 个类异戊二烯单位，将其归入高类胡萝卜素一类更能反映其特性。 1 1 3 类胡萝i 、素的应用 1 1 3 1 功能性色素 类胡萝卜素是人类最早知道的食品着色剂，也是自然界产量最大 的色素之一。类胡萝卜素在天然色素的种类、资源和色素的化学性质 等方面不受制约，所以这个领域的技术开发甚为活跃，目前已从光合 细菌中提取出8 0 多种类胡萝 素，不仅色调丰富，而且提取容易， 能大量生产。 天然类胡萝卜索在食品加工工业有着更为广泛的应用。9 0 年代以 4 第一章文献综述 前，西方国家大都将类胡萝h 素作为食用色素用于食品与饮料中。9 0 年代后天然类胡萝 素逐渐成为一种强化营养食品的重要添加剂。面 制食品中加类胡萝h 索不仅可使色泽鲜艳，还能增加其营养价值，可 谓一举两得。此外，天然类胡萝卜素还与其它保健植物油，如月见草 油或深海鱼油等一起加工成胶囊等新颖保健品抽1 。 1 1 3 2 饲料添加剂 二十世纪八十年代化学合成类胡萝h 素一度畅销和独占世界市 场，年产近万吨，主要用于饲料添加剂。类胡萝卜素用作饲料添加剂， 可有效地改善动物营养状况，蛋黄，家禽肉类及皮肤等的色泽。在家 禽体内，类胡萝h 素沉积于爪、喙及皮下组织中使其着色，提高家禽 胴体的品质：在产蛋家禽体内，类胡萝 素沉积于卵黄中使其呈黄色， 提高蛋的品质。 1 1 3 3 药用价值 人类的许多致命疾病如：癌症、心脏病、心血管疾病、白内障等， 这些疾病形成的某一阶段均包括了由自由基控制的氧化过程。目前研 究表明，由于类胡萝h 素分子结构中含有多个共轭双键，因而是一种 非常强的抗氧化剂，能有效地清除氧自由基”。作为一种有效的抗氧 化剂，类胡萝h 素分子可以与自由基起反应，形成无害的产物，或者 通过破坏自由基的链反应，将自由基从体内清除掉，从而使肌体细胞 免受损伤，可以延缓衰老和预防癌症等一1 。目前，类胡萝卜素抗氧化的 药用价值正成为研究的热点。 上世纪9 0 年代后，沉寂已久的天然来源豹类胡萝h 素重新开始走 俏世界市场与此同时，开辟天然类胡萝卜素新来源及其提取工艺成 为各公司( 尤其专门从事天然植物产品开发的制药公司) 的科研新课 题。特别是最近天然类胡萝卜素防癌抗癌、防老抗衰及防治心血管疾 病等新功效的发现，使天然类胡萝h 素的应用也从着色剂转向营养食 品、保健品、药品及添加剂等许多领域。可以预见，今后天然类胡萝 卜素产销量将急剧增长 1 2 万寿菊花 万寿菊( m a r i g o l d 学名t a g e t e se r e c t a ) 亦称金盏菊 青岛大学硕士学位论文 ( 花) ( c a l e n d u l ao f f i c i n a l isl ) 。菊科、万寿菊属，一年生草本植 物。夏秋季开花，花期长，花大而美丽，常上部成黄色，下部( 或大部) 成橙色。原产墨西哥，现我国各地均广泛种植。 万寿菊色素亦称“叶黄素酯”，是新鲜的由万寿菊花采摘后，经过长 期的厌氧发酵，压榨，粉碎，干燥，制粒制成工业化原料。然后用6 0 溶剂油萃取，而得到的一种油状树脂。万寿菊色素为橙黄色至黄褐色 块状固体、糊状或粘稠液体，略有不良气味。不溶于水和丙二醇，溶 于乙醇、丙酮、油脂、己烷等。万寿菊色素( “叶黄素酯”) 为本课题的初 始原料。 1 2 1 主要成分 万寿菊花不仅含有醇溶碳水化合物、脂肪、氨基酸、果胶、半纤 维素等常见化学成分，而且含有类胡萝h 素、类黄酮、香豆素、挥发 油等活性成分。万寿菊干花约含各种类胡萝卜素1 一2 ，其中叶黄 素占万寿菊提取物中总胡萝卜素的9 0 。万寿菊提取物主要成分见表 1 3 。【1 0 1 表1 3 万寿菊色素主要成分( ) 反式叶黄素 顺式叶黄素 玉米黄质 环氧化物 不皂化物 其它 7 0 0 0 2 0 0 0 7 o o 0 5 8 1 0 2 1 4 0 万寿菊色素中主要色素成分结构式如下： 6 第一章文献综述 的叩嘏弧：1 戮蘸淤1 = - 1 1 - 3 ：三2 1 全反式叶黄素( p 俨胡萝3 二醇) r 0 舌 o r 淤认州 舭棚 胁测从啪。 沁h 3 9 - 颓式叶黄素醋 r = 脂肪酸基 4 r 胡萝t l l c c 。h 。 5 p 胡萝1 - 素，c 。h h 6 全反式玉米黄质c o h o ， 7 隐黄质c h 。o 图1 2 万寿菊色素中主要色素成分结构式 作为商品万寿菊色素( 叶黄素酯) ，可能含有正己烷提取时所带入原 料中原有的油脂和蜡质，可在萃取后加入植物油来调节色价或浓度， 为保护其稳定性可加入抗氧化剂，饲料中添加乙氧基喹啉，食品中添 加v 。在叶黄素酯中，所含脂肪酸组成为表1 4 所示： 表1 4 万寿菊色素中脂肪酸组成 在叶黄素酯中有叶黄素单酯、也有双酯和混合双酯，包括二棕榈 酸叶黄素酯、二硬脂酸酯，及少量棕榈酸一肉豆蔻酸酯，棕榈酸一硬 7 青岛大学硕士学位论文 脂酸酯等。 叶黄素酯经皂化后，在8 一环合柱( b c y c l o b o n dc 0 1 u m n ) 上分 离吸附后用正己烷乙酸乙酯( 8 7 ：1 3 ) 作为流动相，流速为2 0 m l m $ r l ， 所得洗脱液用h p l c 分析其中类胡萝卜素的组成，结果见图i - 3 “。 蜒 皋 餐 1 。2 ，3 ，一顺式叶黄素异构体4 一全反式叶黄素5 - - 全反式玉米黄素 6 9 或9 顺式叶黄素异构体7 一1 3 或1 3 一顺式叶黄素异构体 图1 3 万寿菊提取物h p l c 色素图 1 2 2 主要用途 万寿菊花中叶黄素均以酯形式存在，而非游离态。在提取物皂化 时因水解而得游离态叶黄素，并进而可纯化为结晶。 在新鲜万寿菊花中，所含是反式叶黄素和玉米黄素。在原料干燥 时，由于高温，可能使反式叶黄素部分异构化成顺式叶黄素和微量环 氧化物，使反式叶黄素含量会有所下降。浓缩和脱溶时由于加热，会 使少量顺式叶黄素有所增加。而在叶黄素纯化时，由于顺式叶黄素选 择性的溶于溶剂，故因顺式体转入溶剂而相对提高反式叶黄素含量。 叶黄素酯在皂化时，主要留下反式叶黄素。 叶黄素是叶黄素酯经皂化、水解后分离、提纯、精制而得。纯叶 黄素为棱格状黄色结晶，有金属光泽，熔点1 8 3 1 9 0 ，对光和氧不 稳定，需贮放于- 2 0 和氮气下以求稳定。不溶于水，溶于以下溶剂 ( m g l ) 拍1 ：丙酮8 0 0 ，乙腈1 0 0 ，苯6 0 0 ，氯仿6 0 0 0 ，环己烷5 0 ，环己酮 8 幻的加 z 2 i i i i i n o o o n 第一章文献综述 4 0 0 0 ，二氯甲烷8 0 0 ，二甲基甲酰胺1 0 0 0 ，乙醇3 0 0 ，乙酸乙酯8 0 0 ，乙 醚2 0 0 0 ，己烷2 0 ，异丙醇4 0 0 ，甲醇2 0 0 ，叔丁酸甲酯2 0 0 0 ，四氢呋喃 8 0 0 0 ，甲苯5 0 0 。据此可选择适当的溶剂进行溶解、沉降等纯化操作。 在氯仿溶液中在4 4 5 n m 处有最大吸收峰。叶黄素有8 种异构体，以全反 式为主。 1 3 叶黄素 叶黄素( l u t e i n ) 是自然界广泛存在的类胡萝h 素。在已知结构 的六百多种类胡萝h 素中，被多数国家批准用于食品、饲料、药物以 及化妆品的类胡萝 素有l o 多种，其中最主要的有叶黄素和玉米黄 索。 1 3 1 叶黄素的结构与性质 叶黄素“”是一种无v 活性的类胡萝卜醇，其英文习惯命名为 l u t e i n ，中文系统命名3 ，3 一二羟基一b ，a 一胡萝卜素，英文系 统命名3 ，3 一d i h y d r o x y 一6 ，a c a r o t e n e ，分子式为c 。h 5 。0 ：，相 对分子质量5 6 8 8 5 。叶黄素是一种含氧的类胡萝卜素，其分子结构的 碳骨架由中央多聚烯链和位于两侧的芳香环组成，并在每个芳香环上 各有一个羟基。由于稀键的存在，叶黄素可以发生几何异构。叶黄素 全反式分子结构如图1 4 所示： 图1 4 叶黄素( l u t e j n ) 易溶于氯仿，二氯化碳，可溶于正己烷，微溶于醇、醚。其稳定 性受物理、化学及生物因素的影响较大，例如光辐射、高温、酸、碱、 游离卤素、水分状况等，但氧是影响其稳定性的主要因素，特别是高 纯度的结晶产品更易被氧化破坏n 川。因而在保存时，要将叶黄素结 晶纯品或含叶黄素的材料密闭真空或充入惰性气体包装，避免光照并 且低温保存 9 青岛大学硕士学位论文 1 3 2 叶黄素的分布 在自然界中，叶黄素的分布非常广泛，主要存在于深绿色食叶蔬 菜、花卉、水果中，如甘蓝、菠菜、芥菜、万寿菊花瓣等中含有大量 的叶黄素及叶黄素酯，它们是叶黄素的良好来源。表1 5 列出了一些水 果和蔬菜中所含的叶黄素的含量“”。 表1 5 几种果蔬中叶黄素的含量( m g l o o g ) 果蔬种类叶黄素含量 甜玉米 菠菜 豆瓣菜 椰菜 胡椒粉( 桔色) 胡椒粉( 绿色) 豌豆 杏干 苹果 从表1 5 可以看出，绿色蔬菜、水果中叶黄素含量虽然较高，但 该类植物中同时也含较多的叶绿素、a 一胡萝卜素及其它类胡萝卜素 的环氧、氧代衍生物，不仅遮蔽了叶黄素的色泽，也使分离过程变得 繁琐、费时费力，增加了提取成本。经过人们长期寻找发现，万寿菊 ( 金盏草属植物) 中叶黄素的含量极高，其它类胡萝卜素杂质少。易 于分离纯化，可作为工业生产的良好来源“ 万寿菊花中叶黄素资源 见表1 6m 1 。 表1 6 万寿菊花的类胡萝h 素化合物组成 主要成分 百分含量( ) 叶黄素 叶黄素酯 玉米黄素 其它类胡萝i - 素 2 1 3 1 1 2 1 o 5 6 2 5 6 万寿菊花瓣中所含的叶黄素主要是以叶黄素酯的形式存在。叶黄 淼黜僦翟 第一章文献综述 素酯的提取拓展了叶黄素的来源。 1 3 3 叶黄素功能特性 叶黄素是自然界广泛存在的类胡萝卜素，它的抗氧化特性及生理保 健功能正在日益受到关注。近年来，大量流行病学的调查和研究表明， 叶黄素在减少癌症、心血管疾病发病率、增强免疫功能和视觉保护等方 面具有独特的生理功能。 1 3 3 1 保护视觉圳 叶黄素是存在眼内的一种主要类胡萝卜素。它能防治白内障及保 护因老年性带来黄斑部变性。老年性黄斑变性症( a m d ) 对6 5 岁以上者来 说，是成为永远失明第一原因。有关黄斑变性的病理生理学，近年来 提出了一些理论”。这些理论认为黄斑变性的产生与高能短波光如紫 外线、可见蓝光的辐射有关。高能短波光的辐射或其他因素引起光受 体外侧自由基的产生，这些自由基本身具有的毒性或引起有毒物质的 产生及有害物质的积累，最终使光感受失去功能。美国有l ，3 0 0 万人患 a m d 症状，估计3 2 0 万人因这种疾病陷于视觉障碍，到2 0 5 0 年这个数字 估计将翻一翻。现在，能有效预防a m d 手段还没有。研究表明，叶黄素 以高浓度存在于人眼底黄斑中，可作为近紫外蓝光的吸收剂，通过捕获 自由基、防止或降低氧化和自由基对视网膜带来的伤害而行使保护功 能“。若通过增加叶黄素含量高的食品摄取量，可减少发生a m d 可能性。 据广泛研究认为，叶黄素对眼睛主要生理功能是作为抗氧化剂和光保 护剂。 1 ：3 3 2 延缓早期动脉硬化 早期关于叶黄素研究主要集中在叶黄素对视力保护作用上，据最 近研究表明，叶黄素对早期动脉硬化进程有延缓作用。d w y e r 等研究颈 动脉主干道血管中层内膜厚度变化与血液中叶黄素含量之间关系，在 测试1 8 个月后，血液中叶黄素含量较高组受试者颈动脉主干道血管壁 厚度几乎没变，而血液中叶黄素含量较低组血管壁厚度显著上升在 动物实验中，喂饲小鼠动脉硬化模式食物，一段时间后发现喂饲含叶 黄素饲料组小鼠动脉中动脉栓塞比末喂饲组有显著降低另外，动脉 壁细胞中叶黄素还可降低l d l 胆固酵氧化性。 l l 青岛大学硕士学位论文 1 3 3 3 抗癌作用 2 1 最新研究成果表明，叶黄素对多种癌症有抑制作用，如乳腺癌、 前列腺癌、直肠癌、结肠癌、皮肤癌等。据纽约大学药物学院最近研 究，降低乳腺癌发病率与叶黄素摄入量有很密切关系，调查发现，叶 黄素低摄入量实验组乳腺癌发病率是高摄入量组的2 0 8 2 2 l 倍。在 动物实验中，给小鼠腹腔内注入乳腺癌细胞，喂饲0 一0 4 叶黄素含 量食物，在接种后5 0 天末喂饲组中有7 0 发生乳腺癌肿，而喂饲 0 0 2 0 4 叶黄素含量组肿瘤发生率只有2 0 3 7 。对肿瘤大 小、肝脾重量等指标进行综合研究发现叶黄素有抗肿瘤作用，这种作 用可能涉及与其它器官组织协同的间接免疫调节作用。该研究得出结 论是，在膳食中摄入叶黄素不仅能抑制肿瘤，甚至可起到预防肿瘤发 生作用。另据美国癌症研究所( a i c r ) 报道，人均每天摄入4 0 0 9 一6 0 0 9 水 果和蔬菜可使患癌症相对危险性降低5 0 。另据对前列腺癌细胞增殖 一项研究表明，叶黄素单独作用可降低癌细胞增长速度2 5 ，若与番 茄红素协同作用可降低其增长速度3 2 。叶黄素是人体血液中主要类 胡萝卜素之一，它在抑制肿瘤生长方面有着特殊生物学功能，体外研 究表明，叶黄素在抑制细胞膜脂质自氧化和氧化诱导细胞损伤方面比 b 一胡萝卜素更有效。在饲料中添加叶黄素能抑制小鼠可转移乳腺肿 瘤生长并促进淋巴细胞增长。 1 3 3 4 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d n a 、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。叶黄素可猝灭单线态氧，从而保护机 体免受伤害。2 0 0 0 年李丛民，尹海川钉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。 1 3 3 5 着色作用 第一章文献综述 叶黄素呈有鲜艳黄色，不溶于水，能溶于油脂、乙醇。着色力强， 具有耐光、热，酸、碱等特点，能广泛用于糕点，糖果、调料、酱菜 及饲料中作着色剂使用。我国已在饲料添加剂中将其作天然着色剂使 用。j u l i u s z k 等( 1 9 8 6 ) 研究叶黄素类物质在肉鸡体内代谢机制。饲料 中叶黄素( 1 u t e i n ) 为游离醇，在肠道内容物中酶的作用下能转化为一 酯和二酯，然后叶黄素以被动扩散形式吸收。吸收后血清中9 6 叶黄 素为游离醇，即血液以游离醇形式输送叶黄素，当血液中叶黄素类物 质含量过高时，便储存于肝脏中。在肉鸡血清样品的叶黄素类物质都 呈自由态，而在肉鸡皮下脂肪里则以二棕榈酸酯形态存在，这表明只 有自由态叶黄素类物质才能进入肉鸡血液，而自由态叶黄素类物质只 有转化为二棕榈酸酯后才能稳定保存下来。家禽从饲料中摄取类胡萝 h 素在体内溶于脂肪，类胡萝卜素在十二指肠，空肠，回肠中被吸收， 进入血液后，主要与高密度脂蛋白内a p - i 结合，通过脂蛋白这一载体 在血液中输送，少数类胡萝p 素在肝脏中会发生代谢作用，但大部分 都沉积于特异组织中。一般认为叶黄素和玉米黄素两个六元碳环上各 一个羟基与它们稳定性有极大关系，从而使它们黄色能在鸡皮及蛋黄 中呈现出来”“。 1 4 玉米黄素 1 4 1 玉米黄素的结构和性质 玉米黄素的中文习惯命名为玉米黄素，英文习惯命名为 z e a x a n t h i n ，全反式玉米黄素的中文系统命名为全反式3 ，3 一二羟基 一e ，b 一胡萝卜素，英文系统命名3 ，3 一d i h y d r o x y 一8 ，b c a r o t e n e ，分子式为c 。h s 。0 ：，相对分子质量5 6 8 8 5 。玉米黄素是一种 含氧的类胡萝卜素，与叶黄素属同分异构体。大部分存在与自然界中 的玉米黄素为全反式异构体，分子结构如图1 7 所示。 图1 7 玉米黄素( z e a x a n t h i n ) 青岛大学硕士学位论文 t 4 2 玉米黄素的来源 在自然界中，玉米黄素的分布非常广泛，主要存在于深绿色食叶 蔬菜、花卉、水果，金盏菊、黄玉米、酸浆、枸杞等。其中的主要类胡 萝卜素是玉米黄素及其它。 1 4 2 1金盏菊 玉米黄素在自然界分布广泛，一些绿色植物如菠菜，莴苣等都富 含玉米黄素，但这些植物中同时也富含叶绿素、b 一胡萝卜素等，如作 为原料，需要许多花费大、费时的纯化步骤，纯化过程繁杂、不经济。 国内大量种植的金盏菊中叶黄素所占非常高，而玉米黄素含量非常少。 一种金盏菊中玉米黄素含量非常高且仅含少量其它类胡萝卜素，玉米 黄素的比例最高可以达到9 6 3 4 ，是提取玉米黄素的理想原料“”。但 是目前，这种金盏菊还没有在国内种植。 1 4 2 。2 玉米 玉米黄色素属于类胡萝卜素，是以玉米黄素存在于玉米籽粒中。 在湿法生产玉米淀粉中，玉米黄色素随蛋白质一起被分离而存在于副 产物玉米蛋白粉中，含量约为0 2 0 0 3 7 m g k g ”。我国是玉米生产 大国，玉米的种植面积广、产量大，年产量居世界第二位，为玉米黄 素的提取提供了原料保障。 从玉米中提取玉米黄素的过程；选用工业6 溶剂油，根据液一固萃 取原理，通过液固二相存在浓度差时的分子扩散作用。利用泵循环施 以外力时的对流扩散作用，达到色素浸出的目的。再通过真空浓缩精 制获得液态色素产品，或者添加辅料获得色素产品。 植物中提取玉米黄素不但可以大大降低食用天然色素成本增加 经济收入，同时对国家农业种植业结构的调整都将具有潜在的意义。 1 4 2 3 酸浆 酸浆果实中含有丰富的类胡萝卜素化合物，主要有玉米黄素双酯。 叶黄素双酯等由酸浆果实提取物及其皂化物的h p l c 色谱图的比较可 以看出：酸浆果实提取物经过皂化后，产物中存在丰富的游离态玉米黄 素和叶黄素。 我国的酸浆野生资源丰富，除西藏外，各省市自治区均有广泛分 第一章文献综述 布，北方较多。酸浆的野生性很强， 根状茎可在中国北方严寒地区越冬， 植，多年收获。 适于各种土壤栽培。根系耐寒， 翌年萌发新株。因此，可一次栽 1 4 2 4 化学合成 目前，国内外研发机构正进行这方面的工作。 1 4 3 玉米黄素的生理功能和作用 抗氧化功能是类胡萝h 素共同具有的特性，类胡萝卜素的分子结 构与它们的抗氧化活性有着密切的关系。类胡萝卜素抗氧化活性的大 小取决于其分子结构中共轭双键的数目和尾端基团的结构。玉米黄素 的分子中拥有1 1 个共轭双键，决定了其具有较强的抗氧化能力，可通 过猝灭单线态氧、清除自由基等抗氧化行为来保护机体组织细胞。对 玉米黄素的体外实验已证实了其具有显著的抗氧化活性”“川。通过流 行病学研究显示，玉米黄素在视觉保护，减少心血管疾病发病率、增强 免疫功能和抗癌等方面具有独特的生理功效。 1 4 3 1 对视觉的保护作用 1 4 3 1 1 玉米黄素与白内障 自内障( c a t a r a c t ) 是由于晶状体透明度下降、混浊而导致视力障 碍的一种疾病，通常可分为先天性与后天性2 种导致白内障的原因有 遗传、老化、外伤、慢性眼病以及其他疾病如糖尿病产生的并发症等 老年性白内障是老年人中普遍存在的疾病，是一种晶状体自然老化的 现象。玉米黄素是眼睛晶状体中发现的仅有的2 种类胡萝卜素之一，它 能猝灭单线态氧，能间接地减少晶状体蛋白的分解，从而防止白内障的 形成”“美国的一项涉及几万人的调查显示，类胡萝卜素摄入量较高 的人群患白内障的几率明显低于类胡萝卜素摄入量较低者在某些食 品中，以菠菜与白内障危险性降低的相关性最好，由于菠菜中富含玉 米黄素，菠菜摄入量较高的人群患白内障的几率明显低于菠菜摄入量 较低的人群”“。 1 4 3 1 2 玉米黄素与老年黄斑变性 青岛大学硕士学位论文 老年黄斑变性( a g el i l a c u l a rd e g e n e r a t i o na m d ) 是西方发达国 家主要的不可逆致盲的原因，通常也是视力下降的主要因素，是6 0 岁 以上老年人常见的眼部疾病，因a m d 而致盲的几乎占盲人总数的5 0 。 1 9 8 5 年，b o n e 等人首次证明人体视网膜黄斑色素为玉米黄素和叶黄素 的混合物”“，并于1 9 8 8 年进一步研究了人体视网膜中玉米黄素和叶 黄素的分布，发现它们分布在整个视网膜和晶状体中。一些流行病学 的研究发现，血液中的抗氧化剂的浓度与老年黄斑变性的发病率呈反 比，血液类胡萝b 素和抗氧化维生素浓度低的人患a m d 的危险较大。眼 病病例对照研究( f d c c ) 对多名患有湿性a m d 的病人和健康者作了调查， 结果发现a m d 的发病率随血清玉米黄素的浓度升高而显著降低，玉米黄 素的摄入量较高( 5 7 5 7 9 9 d ) 的人群与摄入量较低( 1 2 l l g g d ) 的人群相 比，a m d 发生率明显降低。 1 4 3 2 玉米黄素对心血管病的作用 心血管疾病是目前死亡率较高的疾病，病因十分复杂。已有研究 报道，高类胡萝b 素膳食的人群患心血管疾病的危险性较低。1 9 9 2 年。 s t a h e l i n 等证实血液类胡萝b 素水平与局部缺血型心脏病之间存在 反比关系：1 9 9 4 年，s t r e e t 等人的研究表明，玉米黄素可显著地降低心 肌梗塞的发病率。同年，m o m s 等研究发现，血液中总类胡萝h 素水平与 冠心病的发病危险成反比：1 9 9 6 年c a r p e n t e r 等人的研究进一步证明， 血液中的玉米黄素能够有效抑制低密度脂蛋白( l d l ) 的氧化，具有预防 心血管疾病的作用”，1 9 9 7 年和1 9 9 9 年，s t e p h e n 等人又研究了血液中 的a 一胡萝卜素，b 一胡萝卜素、玉米黄素、叶黄素、隐黄素和番茄红 素等对颈总动脉内膜血管中层增厚的影响，发现在所研究的类胡萝 素中，玉米黄素和叶黄素降低颈总动脉内膜血管中层增厚的能力最强。 1 4 3 3 玉米黄素对癌症的作用 大量流行病学的研究表明，类胡萝卜素可降低肺癌、乳腺癌、前 列腺癌等的发病率人们摄入富含类胡萝卜素的食物以保持血液中较 高的类胡萝h 素水平，可降低癌症、心血管疾病和其他老化性疾病的可 能性。s n o d d e r l y 和c h e w 分别在1 9 9 5 年和1 9 9 6 年提出，玉米黄素在减少 癌症的发生、发展、增强免疫功能方面有独特的生物功能。一些研究 表明，玉米黄素的摄入量与前期乳腺癌的发病率星反比”。细胞培养 的研究结果表明，玉米黄素在抑制细胞脂质的自动氧化和防止氧化带 第一章文献综述 来的细胞损伤方面比b 一胡萝卜素更有效，而细胞脂质的过氧化与肿瘤 的生长有关。 1 4 4