（原子与分子物理专业论文）番茄红素的可见吸收光谱和荧光光谱研究.pdf

四川大学项士学位论文 蚕芨红塞鲍卫星哩噬光谱塑夔光迸谱婴究 原子与分子物理专业 研究生：戴松晖指导教师：李萍教授 光谱技术是研究物质结构的重要方法之一，它可以从原子、分子的角度反 映物质的特性和微观信息，同时也是了解物质反应微观机理和控制反应过程的 有效手段。在物理、化学和生物等领域具有重要的应用价值和意义。 本文在解决了实验测量中的光谱波长和相对强度定标等关键性技术问题 后，采用具有增强功能的光谱探测器i c c d 和荧光光度计，对不同溶剂的番茄 红素的吸收光谱和荧光光谱进行了测量，并对所测的光谱进行了分析实验测 量中，光谱的曝光时间可短至微秒到纳秒。光谱的分辨率最高达到0 2 r i m , 光谱 的波长范围为2 0 0 至9 0 0 r i m 。对所测番茄红素的吸收光谱和荧光光谱光谱进行 了分析，得出以下结论： ( 1 ) 不同溶剂的番茄红素溶液的吸收光谱：( a ) 番茄红素溶于丙酮、二硫化 碳、正己烷、乙酸乙脂、苯和石油醚等6 种溶剂中的吸收光谱的主要吸收峰的 位置随溶剂极性增大而逐渐红移；蚴随着番茄红素溶液浓度的降低，溶液的 吸收光谱强度也随之降低，在一定范围内满足l a m b e r t b e e r 定律( 朗伯一比尔 定律) ；( c ) 番茄红素溶于丙酮与水的混合溶剂，当丙酮与水的体积比达到4 ：l 时，番茄红素溶液的吸收光谱在3 6 0 - 3 8 0 n m 处出现一新的强吸收峰，表明番茄 红素形成了一种新的面一面聚集( c a r d - - p a c ka g g r e g a t e ) 的超分子聚集体。 ( 2 ) 不同溶剂的番茄红素溶液的荧光光谱：( a ) 番茄红素在正已烷、乙酸乙 酯、四氢呋哺、氯仿、丙酮和苯等6 种溶剂中荧光光谱的最大峰值波长( m a x ) 分别为5 4 2 5 r i m 、5 4 8 2 r i m 、5 5 5 0 肿、5 5 5 7 r i m 、5 5 6 4 咖和5 6 5 7 n m ，由于溶 剂效应，随溶剂极性由小到大，荧光光谱的最大峰值波长( m a x ) 逐渐红移， 由这些峰值波长计算得出相应的番茄红素分子在6 种溶剂中的跃迁能e ，分别为 5 2 6 9 k c a l m o l 、5 2 1 5 k c a l m o l 、5 1 5 2 k c a l m o l 、5 1 4 6 k c a l m o l 、 - - i m 四川大学硕士学位论文 5 1 3 7 k c a l m o l 和5 0 5 5 k c a l m o l ，可见跃迁能e t 也随溶剂极性增大而降低； ( b ) 当番茄红素在四氢呋喃溶液中的浓度低于4 0l jg m l 时，溶液的荧光强度随 溶液浓度增加而增大，当浓度高于4 01 tg m l 时，由于番茄红素的激发态分子与 基态分子相互作用，形成激一基缔合物，荧光强度反而减小；( c ) 在浓度低于 4 0pg m l 的溶液中，番茄红素的荧光光谱除最大峰值外还有三个较小峰值，据 此计算得出相应的番茄红素分子的跃迁能分别为b ( 1 ) = 6 6 5k c a l m o l 、b ( 2 ) = 6 2 2k c a l m o l 和e t ( 3 ) = 5 7 2k c a l m o l ；( d ) 由测得的p h 值分别为l 、 3 、5 、7 、9 、1 1 、1 3 和纯的番茄红素丙酮溶液的荧光谱分析得出，在酸性条件 下的荧光强度小，在碱性条件下的荧光强度相对较大：在强酸和强碱环境中番茄 红素都不稳定，其荧光强度下降比较快；在有机溶剂和弱碱环境下番茄红素比 较稳定，其荧光强度变化不大。 我们对番茄红素的吸收光谱和荧光光谱进行了测量和分析，得出了在不同 溶剂、溶液浓度和p h 值等条件下番茄红素光谱的变化规律，并计算了其跃迁 能。这些结果对了解番茄红素的结构以及它与其它物质的相互作用提供了实验 依据，这对于研究番茄红素的稳定性、生物活性、安全性及番茄红素保健食品 的研究都有指导意义。 关键词：吸收光谱；荧光光谱；番茄红素；光谱测试系统 四川大学硕士学位论文 m e a s u r e m e n to ft h es p e c t r aa n dr e s e a r c ho ft h ep h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e sf o rl y c o p e n e m a j o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：d a is o n g h u i a d v i s o r ：p r o f l ip i n g s p e c t r a lt e c h n i q u ei s a ni m p o r t a n tm e t h o df o rr e s e a r c h i n gt h es t r u c t u r eo f m a t e r i a l 。w h i c hc a no b t a i nt h ec h a r a c t e r sa n dm i c r o i o f o m m t i o no ft h es a m p l e ；i ti s a l s oap o w e r f u lw a yt ou n d e r s t a n dt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s ma n dc o n t r o lt h e r e a c t i o np r o c e s so ft h es a m p l ei nt h er e a c t i o n a n y w a ys p e c t r o s c o p yp l a y sav i t a l r o l ei nt h ef i e l d so f p h y s i c s ，c h e m i s t r ya n db i o l o g y i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , w eh a v es o l v e dt h ek e yp r o b l e m so ft h ec a l i b r a t i o no ft h e w a v e l e n g t ha n ds p e c t r a li n t e n s i t yo ft h es y s t e m t h e nu s 崦a na d v a n c e di n t e n s i f i e d c c d s p e c t r o s c o p i cd e t e c t o ra n da f l u o r e s c e n c es p e c t r o p h o t o m e t e rw eh a v ed e t e c t e d t h ea b s o r p t i o ns p e c t r aa n dt h ef l u r o r e s c e c n es p e 妞r ao fl y e o p e n ei nd i f f e r e n t s o l v e n t s t h ee x p o s u r et i m eo ft h es p e c t r ac a nb ea ss h o r ta sm i c r o s e c o n d st o n a n o s e c o n d s ，t h er e s o l u t i o no ft h es p e c t r ac a nr e a c h0 2n m , a n dt h ew a v e l e n g t h r a n g eo ft h es p e c t r ai s2 0 0 - 9 0 0 n m a f t e ra n a l y s i st h ea b s o r p t i o ns p e c t r aa n dt h e f l t t r o r e s c e e n es p e c t r ao fl y e o p e n e ，t h ec o n c l u s i o nc a nb ee d u c e d ： ( 1 ) a b s o r p t i o ns p e c t r ao fl y c o p e n ei nd i f f e r e n ts o l v e n t s ：( a ) i tw a gf o u n dt h a t t h ea b s o r p t i o ns p e c t r am a x i m u m ( m a x ) o fl y e o p e n ei nd i f f e r e n ts o l v e n t si n c l u d i n g a c e t o n e ，c a r b o nb i s u l f i d e ，h e x a n e ，e t h y la c e t a t e ，b e n z e n e , p e t r o l e u me t h e rc h a n g e a l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h ep o l a ro fs o l v e n t ( b ) t h ei n t e n s i t yo fa b s o r p t i o n d e c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo f8 0 l u t i o nc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a ti na s p e c i f i e dr a n g et h ea b s o r p t i o nr u l eo fl y c o p e n es o l u t i o na g r e e 8w i t hl a m b o r t - b e e r l a w ( c ) an e wa b s o r p t i o np e a ka p p e a r si nt h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fl y e o p e n ew h e n w a t e rw a sa d d e di nl y e o p e n e - a e e t o n es o l u t i o n - - i l l - - 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) f l u r o r e s c e c n es p e c t r ao fl y c o p e n ei nd i f f e r e n ts o l v e n t s ：( a ) rw a sf o u n dt h a t t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r am a x i m u m ( xm a x ) c h a n g ea l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h e p o l a ro fs o l v e n lt h et r a n s i t i o ne n e r g i e s ( e t ) o fl y c o p e n ei n d i f f e r e n ts o l v e n t s c a l c u l a t e da l e5 2 6 9 ，5 2 1 5 ，5 1 5 2 ，5 1 4 6 ，5 1 3 7a n d5 0 5 5k e a l m 0 1 ( b ) w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fl y c o p e n e - t h fs o l u t i o ni sl o w e rt h a n4 0 1 1e c n a ，t h ei n t e n s i t yo f f l u o r e s c e n c ei n c r e a s e sw i mt h ei n c r e a s eo fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n w h e nt h e c o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a n4 0i t 鲈i l l ，t h ei n t e n s i t yo ff l u o r e s c e n c ed e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o n ，w h i c hi sc a u s e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n m o l e c u l e si nt h ee x c i t e ds t a t ea n dg r o u n ds t a t e ( c ) t i l r w e a kp e a k sa p p e a ri nt h e f l u o r e s c e n c es p e c t r ao fs o l u t i o n s t h ec o n c e n t r a t i o no fw h i c hi sl o w e rt h a n4 0 “ e n a t h et r a n s i t i o ne n e r g i e sc a l lb ec a l c u l a t e da sb e l o w ：e t ( i ) = 6 6 5 k c a l m o l 。e t ( 2 ) ：6 2 2 k c a l m o la n de r ( 3 ) = 5 7 2 k c a l m 0 1 ( d ) t h ec o n c l u s i o nc a nb ee d u c e df r o m t h ef l u r o r e s c e u n es p e c t r ao fl y c o p e n e a c e t o n es o l u t i o nw h e nt h ep hv a l u eo f s o l u t i o nr e s p e c t i v e l ya r e1 , 3 ，5 ，7 ，9 。1 1 ，1 3a n dp u r el y e o p e n e a c e t o n es o l u t i o n ：t h e i n t e n s i t yo ff l u o r e s c e n c eo fl y c o p e t t c ei sr e l a t i v es t r o n g e ru n d e ra l k a l ic i r c u m s t a n c e t h a na c i dc i r c u m s t a n c e ；u n d e rs t r o n ga c i da n da l k a l ie i r c u m s t a n c e , l y e o p e n ei sv e r y u n s t a b l e ，a n di t si n t e n s i t yo ff l u o r e s c e n c ed r o p p e dq u i c k l y ；u n d e ro r g a n i cs o l v e n ta n d f e e b l ea l k a l ic i r c u m s t a n c e ，l y c o p e n ei sr e l a t i v es t a b l e r , t h ec h a n g eo fi t si n t e n s i t yo f f l u o r e s c e n c ei sn o t s t r o n g a f t e ra n a l y s i st h ea b s o r p t i o ns p e c t r aa n dt h ef l u r o r e s c e e n es p e c t r ao fl y c o p e n e ， t h er u l e so ft h es p e c t r ao fl y c o p e n ei nd i f f e r e n ts o l v e n t sh a v eb e e nf o u n da n dt h e t r a n s i t i o ne n e r g i e s r ) o fl y c o p e n ei nd i f f e r e n ts o l v e n t sh a v e b e e nc a l c u l a t e d 。t h e s e r e s u l t si nt h i sp a p e rm a y p r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r eo f l y e o p e n ea n di n t e r a c t i o nb e t w e e nl y c o p e n ea n do t h e rm a t e r i a l k e yw o r d s ：a b s o r p t i o ns p e c t r u m ；f l u o r e s c e n c es p e c t r u m ；l y e o p e n e ；s p e c t r u m m e a s u r i n gs y s t e m - - i v 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 类胡萝卜素是一类广泛存在于自然界中的有色物质，由于首先在胡萝h 中 发现，因而得名类胡萝b 素。类胡萝h 素是一类呈红色、黄色或橙色的天然色 素，在动植物体内发挥着非常重要的生理功能。目前已知的类胡萝i - 素种类已 超过7 0 0 种。类胡萝卜素仅由植物、微生物合成，而动物通过摄入含类胡萝i - 素的食物获得它。自从1 9 8 1 年p e t o 等人【1 l 提出食物中1 3 胡萝h 素具有预防癌 症的作用后，包括番茄红素在内的各类类胡萝h 素的物理化学性质、生理功能 和作用机理受到了广泛研究和关注。 1 1 类胡萝i 、素的研究简史 类胡萝b 素是动植物中广泛存在的一类非常重要的天然色素，其研究历史 可以追溯到1 0 0 多年前。1 9 0 6 年几种类胡萝卜素的分子式得到确认，不久便提 出了类胡萝卜素分子具有多烯烃结构的观点。1 9 2 8 年k a r r e r 和k u l m 的重要研 究结果奠定了现代类胡萝卜素化学的基础，在此期间，包括番茄红素在内的一 些类胡萝卜素的分子结构式得到阐明。k a r r e r 和k u h n 因在类胡萝卜素和维生 素领域的卓越贡献而分获1 9 3 7 年和1 9 3 8 年诺贝尔化学奖。1 9 3 4 年，z e c l u n e i s t e r 描述了1 1 种有确定结构的类胡萝h 素。1 9 4 8 年，在k a l t e r 出版的专著中2 8 种 类胡萝卜素有明确的分子结构。在以后2 0 年中，大约有3 0 0 种类胡萝卜素得到 分离。到1 9 8 7 年，由p f a n d e r 编撰的( k e yt oc a r o t e n i o d s 一书中共列出了 5 6 3 种类胡萝卜素的名称和分子结构式。1 9 9 5 年出版的( c a r o t e n i o d s ) 一书中 又新增列出了5 4 种。自然界中存在的类胡萝卜素可能在1 0 0 0 种以上，迄今人 类已知结构的类胡萝h 素种类已达7 0 0 多种并不断有新的类胡萝卜素被发现和 报道1 2 1 类胡萝卜素的研究已持续了1 0 0 余年，期间所取得的巨大成就一方面源于 人们对类胡萝卜素长久的兴趣，另一方面也归功于色谱分离技术和各种光谱分 析方法的发展。人们之所以对类胡萝卜素的研究产生广泛兴趣，这与类胡萝卜 素在细菌、动、植物体内有着重要生理功能是分不开的。今天，有关各类类胡 萝 素生理功能、人工合成的研究依然是生物学家、化学家研究的热点。 - - 1 - - 四川大学硕士学位论文 1 1 1 类胡萝卜素的结构和分类 类胡萝h 素是指胡萝卜素( c a r o t e n e s ) 及其含氧衍生物叶黄素( x a n t h o p h y l l s ) 两大类色素的总称。类胡萝卜素分子由8 个类异戊二烯单元组成，这些类异戊 二烯单元在分子中心反向连接和排列，中间的2 个甲基处于l ，6 啦关系，其 余的非端基甲基处于l ，5 位关系。所有类胡萝卜素均可以番茄红素( 1 y c o p e n e ) 为基础结构，通过氢化、脱氢、环化、氧化或这些过程的组合来衍生获得。 目前，已知的类胡萝卜素种类按分子中所含氧杂原子和骨架碳原子数的不 同，可分为5 种主要类型，即含4 0 碳的胡萝h 素( c 4 0c a r o t e n e s ) 、含4 0 碳的 叶黄素( c 4 0a n t h o p h y l l s ) 、高类胡萝卜素( h i g h e rc a m t e n o i d s ) 、阿朴类胡萝卜 素( a p o c a r o t c n o i d s ) 和降类胡萝h 素( n o r c a r o t e n o i d s ) ，自然界中存在的绝大多 数类胡萝h 素属于前两种类型 1 1 2 类胡萝i 、素在自然界中的分布 自然界的色彩斑斓充分体现了类胡萝h 素的广泛存在，植物中的类胡萝卜 素赋予了植物的花果以绚丽色彩。然而，自然界中更多的类胡萝h 素存在于植 物、藻类的光合作用组织中，据推算，每年地球上在光合作用组织中产生的类 胡萝卜素的总量达到1 亿吨。虽然类胡萝卜素通常被认为是植物色素，但在微 生物和动物体内也广泛存在，除存在于一些光合作用细菌中外，类胡萝h 素在 一些非光合作用细菌、酵母等微生物中均有分布，起到抗光、抗氧化损伤的作 用。动物不能直接合成类胡萝b 素，只能通过摄取含有类胡萝卜素的植物获得， 摄入的类胡萝卜素使动物的某些组织着色，如鸟类的羽毛、鱼类的鳞片等。人 体和动物中，类胡萝h 素在血液、脂肪组织、肝脏、肾脏、皮肤、卵巢等器官 和组织中均有分布，但在不同动物、不同器官组织中分布差异极大1 3 1 ，这可能 与人体和动物摄入食物的种类、对某些类胡萝卜素特异性吸收有关。 1 1 3 类胡萝i 、素的功能 类胡萝卜素绝大多数生物学功能都是基于其分子结构中的共轭多烯发色团 对光的吸收作用。类胡萝卜素对人体和动物的营养和保健功能并不是基于其分 子的光吸收特性，但仍与其分子的共轭多烯结构密切相关。类胡萝卜素的这些 功能研究有不少综述性报道 4 5 1 。 卜 四川大学硕士学位论文 1 1 3 1 着色 在崇尚绿色食品的今天，类胡萝h 素作为一种天然食品着色剂，在食品生 产中已受到广泛应用。类胡萝b 素是一些动植物组织中的有效着色剂，为了改 善家禽肉质，在饲料中添加类胡萝卜素可使家禽脂肪着色，并使禽蛋品质提高。 在鱼类饲料中添加虾青素、玉米黄质等类胡萝卜素可有效改善鱼的体色和肉质， 提高鱼的观赏价值或营养价值。 1 1 3 2 光合作用和光保护 在高等植物、藻类和光合作用细菌的光合作用单元中都存在类胡萝h 素， 类胡萝i - 素、叶绿素与蛋白质非共价结合形成色素蛋白复合物 ( p i g m e n t - p r o t e i np l e x e s ) ，包括捕光色素蛋白复合物和光合作用反应中心 这种色素蛋白复合物是光合作用发生的分子基础，其中类胡萝h 素起到了双重 作用光吸收和光保护。 类胡萝h 素能够通过非辐射耗散过量的激发能，从而猝灭叶绿素三线态或 直接清除单线态氧f 5 1 。除了直接猝灭叶绿素三线态和直接清除单线态氧之外， h a v a u x 等嘲认为类胡萝i - 素还可以保护类囊体膜脂使之避免光氧化，其机理除 了直接猝灭自由基外，还可能起到终止过氧化自由基链式反应的作用。类胡萝 卜素清除活性氧属于非酶促反应系统，它们与其它一些清除活性氧的酶促反应 系统协同作用，使得光合作用组织在过量光照情况下，能够保持一定的氧化还 原动态平衡，从而减轻或避免光氧化损伤。 类胡萝i - 素在光合作用组织中的功能取决于它们与其它成份( 蛋白质、叶 绿素等) 的相对位置和取向。尽管采用各种先进的分离技术和表征手段，对这 种色素一蛋白复合物的晶体结构进行了研究并有所了解i 0 1 ，但是有关类胡萝卜 素分子在色素蛋白复合物中的位置和取向的细节问题，色素蛋白复合物超分子 体系如何构筑等问题仍不清楚。 1 1 3 3 营养和保健功能 人们很早就认识到v a 对身体健康的重要性。上世纪三十年代，b 一胡萝卜 素与v a 之间相互关系的发现以及随后v a 分子结构式的建立，使得类胡萝卜素 的营养和保健功能引起人们重视。尽管经过各国科学家的不断研究和发现，类 - - 3 - - - 四川失学硕士学位论文 胡萝卜素的功能机制仍不完全明确，但其在人体和动物中的功能可总结为以下 几个方面1 1 0 j ；1 ) 部分类胡萝h 素是维生素a 的前体，v a 是人体必须的微量营 养成份；2 ) 调节免疫功能；3 ) 基于淬灭单线态氧的抗氧化功能；4 ) 能预 防癌症、延缓癌症发展和机体衰老；5 ) 可增加细胞隙间联接交流。 大量研究表明，类胡萝卜素的功能与其分子结构有密切关系【1 1 1 。包括b 一 胡萝卜素在内的5 0 多种类胡萝h 素具有上述五种功能，而另一些类胡萝卜素， 如番茄红素、叶黄素等，虽不具备v a 活性，但在其它四个功能方面表现突出， 有些类胡萝h 素在某些功能上甚至比b 一胡萝卜素强许多倍。这些研究发现， 一方面进一步激起了人们研究类胡萝h 素功能机制的兴趣，另一方面也促使了 各种基于类胡萝卜素为主要成份的营养品、保健品和药品的出现。 毫无疑问，类胡萝h 素( 尤其是b 一胡萝卜素) 最主要的营养功能之一是 作为v a 前体。今天，在一些欠发达国家和地区，v a 缺乏仍然是主要问题之一 v a 缺乏轻者会发生夜盲症、皮肤干燥变厚等症状，重者会引起眼睛角膜增厚和 角质化，造成晶状体脱落以致失明。婴幼儿缺乏v a 会导致多种并发症并危机生 命。研究发现补充6 一胡萝卜素可有效预防v a 缺乏症，而且由于b 一胡萝卜素 不具备大剂量v a 的毒性，因此是一种安全的v a 补充剂。 类胡萝卜素可提高人体免疫功能【1 2 】。流行病学研究发现，b 一胡萝卜素的 摄入量以及其在血液中的浓度与某些癌症的发生率呈负相关性，这使得人们开 始考虑类胡萝卜素对动物和人体免疫功能的影响。早期的动物和人体实验表明 1 3 1 ，增加b 一胡萝卜素的摄入量可提高抗炎效果。b 一胡萝卜素可刺激淋巴子 细胞和母细胞数量的增加，增强淋巴细胞活性，增强噬中性白血球数目并增强 其杀菌活性，早期的相关研究可查阅文献f 1 4 l 。最近对某些鸟类的研究证实【1 5 1 ， 类胡萝卜素除作为羽毛的装饰色素来吸引异性外，对鸟类的免疫功能确亦有调 节作用。 类胡萝卜素具有很强的抗氧化活性。人体代谢产生的单线态氧、各种自由 基会对细胞产生严重的破坏，损伤d n a 甚至危害生命，如氧自由基对细胞的过氧 化损害可引发心脑血管疾病、多种炎症和恶性肿瘤，自由基的损害也是造成人 体衰老的重要原因之一。f o o t e 等【1 6 】首次实验证实，b 一胡萝卜素可有效地淬 灭单线态氧。类胡萝h 素主要通过电子能量交换淬灭机制【l 。7 】，将单线态氧的过 剩激发能以热能的形式散失，后来研究发现导致类胡萝卜素结构破坏的化学淬 d 一 四川大学硕士学位论文 灭也是其机制之一【l 射。类胡萝h 素除能淬灭单线态氧而防止自由基形成外，还 可与自由基反应或直接清除自由基。体外和体内研究表明，天然类胡萝i - 素可 有效阻断自由基的链式反应，这与抑制自由基形成或阻止脂质过氧化初始反应 的预防性抗氧化物( 过氧化氢酶、谷胱甘肽一过氧化物酶、超氧化物歧化酶等) 不同，因而类胡萝i - 素清除自由基的效率极高。研究还发现，类胡萝卜素的抗 氧化活性与氧浓度、溶剂、类胡萝卜素的结构等有关【1 9 1 。在低氧压环境中天然 类胡萝卜素的抗氧化效能最强，而预防性抗氧化物及其它断链抗氧化物( 维生 素e 、维生素c 等) 在低氧压环境中往往无抗氧化作用。因此，类胡萝i - 素可与 其它抗氧化物协同作用，提高抗氧化能力，如类胡萝卜素与a - 生育酚联用可提 高抗氧化作用1 2 0 1 。 大量的动物实验、组织培养和流行病学研究表明，类胡萝卜素对多种肿瘤 和癌症因子有抑制作用，这种作用主要源于类胡萝卜素对自由基的清除，或干 扰致癌因子的活化，或影响细胞间隙连接通讯除可降低患癌症的风险外，类 胡萝卜素还可降低其它一些慢性疾病( 包括心血管、眼部疾病) 的发生率。类 胡萝卜素可有效抑制脂蛋白中脂质成分的氧化，防止低度脂蛋白因氧化形成大 量的泡沫状细胞而在动脉血管壁沉积，对预防心脑血管疾病有重要功能【z u 。 类胡萝卜素可促进细胞隙问连结通讯。细胞膜的间隙是广泛存在于组织或 细胞中的连结大多数细胞的疏水通道，其直径约为1 6a 。小分子代谢物及离子 可自由通过间隙，使细胞间得以互通信息，蛋白质、信使r n a ( m r n a ) 等大分 子物质则不能透过间隙，使各个细胞保持遗传的一致性。目前认为圈，细胞间 隙连接通讯可传输细胞群体内生长调控信号，调节细胞的正常增殖与分化。最 近的研究发现，类胡萝卜素及某些代谢产物( 如视黄酸等) 能促进间隙连结通 讯岱l ，降低癌细胞的增殖，从而发挥抑制癌症作用。 1 2 番茄红素的研究现状 番茄红素是继b 一胡萝卜素之后研究最为广泛的类胡萝卜素。长期以来， 番茄红素一直作为一种普通的植物色素，并未引起太多的关注，只是在最近十 多年来，由于番茄红素在防治癌症，特别是前列腺癌、胃癌、皮肤癌、宫颈癌 等方面的功效不断被发现和证实。才引起了人们的广泛关注。 番茄红素( l y c o p e n e ) 分子式为c 柚h 。，分子量为5 3 6 8 5 ，仅含c 、h 两种元 素，它的化学结构为由1 1 个共轭碳碳双键和2 个非共轭碳碳双键组成的非环状平 - - - 5 - - 四川大学硕士学位论文 面多共轭双键结构，见图i - - 1 。 图l i 番茄红素的分子结构 番茄红素分子为开环结构，两端没有芳香环，因而不表现出v a 活性。番茄 红素可溶于脂肪、油脂、乙醚、石油醚、已烷和丙酮，易溶于氯仿、二硫化碳、 苯等有机溶剂，不溶于水，难溶于甲醇、乙醇。番茄红素是许多其它的类胡萝 卜素合成的中间体。自然界中番茄红素的形成主要发生在某些水果和细菌中， 如番茄、西瓜、南瓜、李子、柿子、胡椒、桃、木瓜、芒果、番石榴、葡萄、 葡萄柚、红莓、云莓、柑橘等的果实，茶叶及萝b 、胡萝h 、芜菁甘蓝等的根 部。其中番茄果实所含番茄红素量最高，番茄及其制品是人们膳食中番茄红素 的最主要来源，人体从番茄中获得的番茄红素占总摄入量的8 0 5 以上。 鉴于番茄红素的独特功能，人们对番茄红素的生产、分离和纯化等进行了 大量的研究。目前，番茄红素的人工化学合成研究已取得突破，以色列的l y c o r e d 公司及德国巴斯夫公司均能工业化人工合成番茄红素，产品已在市场流通。 1 2 1 番茄红素的稳定性和顺反异构 番茄红素具有长链共轭双键结构，为高度不饱和碳氢化合物，这导致其化 学性质极不稳定，很易发生氧化降解或顺反异构。番茄红素的粗提液对热( 低 于6 0 c ) 和碱较稳定，对光十分敏感，日光照晒一天，番茄红素完全损失断】。 此外，番茄红素在大豆色拉油和猪油光敏氧化过程中，光照使番茄红素残存率 明显降低田】。相对而言，番茄红素在生物组织中比较稳定，番茄酱中的番茄红 素降解速率比其在有机溶剂或晶体状态要小得多。表明生物组织中的大分子 ( 如蛋白质、纤维素等) 对番茄红素可能具有保护作用，但这种保护作用的机 理并不清楚，除生物大分子阻隔番茄红素与氧的接触外，是否还存在大分子对 番茄红素其它物理化学性质的影响( 如聚集结构等) ，还需要进一步研究。高 纯度的番茄红素晶体需要在低温、避光、惰性气体下保存，但研究也发现，番 茄红素晶粒分散或溶解在植物油中性质非常稳定，可长期保存，这为我们提供 了另一种保存番茄红素的方法。 四川大学硕士学位论文 理论上讲，番茄红素每个共轭双键均有顺反两种构型，其异构体总数高达 2 个，但由于分子链上甲基的位阻效应，实际的异构体数量要小得多， z e c h m e i s t e r 等嚣1 推测番茄红素实际可能存在的异构体数量为7 2 种。番茄红素 在许多食物中主要以全反式异构体出现，如未经处理的番茄9 0 以上为全反式 番茄红素。食品加工过程中，由于干燥、热处理、光照等因素的影响，约有1 0 左右的番茄红素由全反式向顺式异构体转变。动物和人体组织中，研究发现 反式异构体比例减小，顺式异构体增加，如人体血液中顺式异构体总含量达6 0 以上咧，前列腺中更是高达8 0 c m ，对动物组织的分析也出现相似结果。番 茄红素在被消化、吸收、转运、分布过程中，顺式异构体的比例增加。e r d m a n 认为i ，有几种因素导致了这种现象，一方面，番茄红素在酸性胃液中，顺式 异构体约有5 1 0 左右的增加嗍，另一方面，相对于反式异构体，顺式异构 体由于分子扭曲，不易发生聚集，在肠道中易与胆酸盐形成胶束，被小肠粘膜 细胞优先吸收，故体内顺式异构体比例增加然而，上述原因还不能完全解释 顺式异构体在肠道内和肠粘膜上皮细胞中含量的差异。顺反异构体在功能上有 什么差异? 某些组织对不同番茄红素顺反式异构体的有选择性富积的分子基础 是什么? 这些问题并不十分清楚，这方面的研究还需研究者的努力。 1 2 2 番茄红素的生物学特性 1 2 2 1 番茄红素在植物和微生物中的存在形式 番茄红素在植物或微生物细胞中有两种存在状态，其中有小部分与蛋白质 形成复合物，在细胞内发挥特定的生理作用，例如在光合作用组织中，所有已 知的色素一蛋白复合物除含主要的叶绿素外，还包括一种或几种类胡萝h 素， 其中r s m o l i s c h i a n u m 的捕光系统中所含的主要类胡萝卜素为番茄红素哪1 当番茄等水果成熟或某些花朵绽放时，进行光合作用的叶绿体转变成载色体。 此过程中，类囊体膜分解，叶绿素和大多数光合作用组织消失，番茄红素发生 聚集，与蛋白质、脂类等最终形成晶体状载色体，表现出明亮的红色。在载色 体中，我们用显微镜可观察到番茄红素的针状微晶。 1 2 2 2 番茄红素的吸收分布和代谢 番茄红素从食物基质中释放出来是吸收的第一步，食物烹调后更利于 番茄红素的吸收，这是因为加热使番茄红素与一些大分子的结合受到破坏，更 四川大学硕士学位论文 易从食物基质中释放出来。番茄红素必须与胆酸盐作用形成胶束才能被小肠粘 膜上皮细胞吸收，有些食物成份或药物会影响此胶束形成过程，因而直接影响 番茄红素的吸收，如食物中的纤维、脂肪、植物固醇和降胆固醇药物等。小肠 上皮粘膜细胞吸收番茄红素后，形成乳糜粒，通常此过程认为是一被动扩散过 程。乳糜粒被小肠粘膜上皮细胞分泌进入淋巴系统，随淋巴循环进入血液，在 血液中，番茄红素与脂蛋白结合，并由脂蛋白转运到各组织部位。研究发现， 番茄红素在血浆中主要与低密度脂蛋白结合并被转运 3 4 1 。哺乳动物中番茄红素 主要分布在肝脏、脂肪组织、前列腺、肾上腺和睾丸等组织和器官。 番茄红素的代谢产物分为酶代谢产物和氧化代谢产物。f e r r e i r a 及其合作 者 3 5 1 采用高效液相色谱、紫外可见光谱和质谱分离分析技术，模拟番茄红素的 代谢环境，得到几种酶裂解代谢产物和氧化代谢产物。此外，k h a c h i k 等3 6 1 在 人血浆和乳汁中还检测到番茄红素的另外两种代谢产物 ( 2 ，6 - c y c l o l y c o p e n e l ，5 - d i o l s ，一对异构体) ，然而，这两种代谢产物在番 茄及其制品中也有发现，尽管其浓度远低于血浆中的浓度，一定程度上可以说 明番茄红素在动物体内代谢产生了2 ，6 一c y c l o l y c o p e n e 一1 ，5 - d i o l s 另外， c a t h e r i n e 等【3 7 1 采用高锰酸钾氧化番茄红素，分离鉴定出1 1 种阿朴一番茄红素醛 酮类( a p o - l y c o p e n a l s o n e s ) 以及6 种阿朴一番茄红素二醛类 ( a p o c a r o t e n d i a l s ) 氧化产物。以金属卟啉为催化剂、空气为氧化剂，模拟 细胞色素p 4 5 0 酶催化氧化番茄红素，发现产物非常复杂，除各种阿朴一番茄红素 醛酮类外，还有几种番茄红素的顺式异构体和环氧化物产生。番茄红素氧化产 物的复杂性使得对其代谢研究变得十分困难，由于体外与体内环境的差异，番 茄红素的体外氧化研究结果是否真实地反应了体内的代谢情况，还需进一步研 究。 1 2 2 3 番茄红素的生理活性及机理 人们从流行病学和实验室对番茄红素的功能进行了大量的研究，一些 长期的流行病学调查结果显示，高番茄红素的摄入量可大大降低患某些癌症及 心血管疾病的风险 3 8 - 4 0 1 。番茄红素的抗病保健功能很大程度上决定于其抗氧化 活性以及清除自由基的能力。许多体外实验结果表明，番茄红素可有效淬灭单 线态氧，清除各种自由基。若以淬灭单线态氧的速率常数来衡量抗氧化活性， 番茄红素为b 一胡萝h 素的2 倍，维生素e 的1 0 0 倍，d iw a s c i o 认为番茄红素是淬 8 一 四川大学硕士学位论文 灭单线态氧活性最强的类胡萝卜素【4 l l 。番茄红素还可刺激体内其它抗氧化酶的 活性，石刚等【4 2 1 研究发现饲喂番茄红素4 周后，大鼠血清和肝组织的超氧化物 歧化酶活性、谷胱甘肽过氧化物酶活力以及总抗氧化能力上升，丙二醛含量降 低，认为番茄红素可以提高大鼠机体的抗氧化能力。 番茄红素具有高度的疏水性，通常结合在细胞的膜结构或脂蛋白中，因此， 番茄红素对清除脂溶性环境中的活性氧和自由基效果更为显著。血液循环系统 中的l d l 氧化被认为是导致动脉粥样硬化和心脏病的主要原因，番茄红素易与 l d l 结合，对防止l d l 氧化沉积形成血栓以及导致的胆固醇升高具有明显作用 f 4 3 1 。番茄红素对防治前列腺疾病效果显著，番茄红素在前列腺中富积，可有效 抑制前列腺癌细胞的生长，最近的研究发现1 4 4 】，番茄红素对正常的前列腺上皮 细胞生长也有抑制作用，表明其有助于防治前列腺增生肥大。 除具有抗氧化活性外，番茄红素还具有调节细胞隙间连接交流的能力。大 多数肿瘤细胞的细胞间隙连接通讯功能微弱或缺失，细胞间隙连接通讯功能的 抑制或破坏被认为是促癌变阶段的重要机制 4 5 】研究认为，番茄红素对细胞间 信号传导的调节作用也是其防癌机理之_ 4 6 1 ，番茄红素可能通过激活编码间隙 连接蛋白c x - 4 3 的控制基因c x - 4 3 m r n a ，增加c x - 4 3 蛋白数量来调控细胞间隙连接 通讯功能1 4 7 。然而，对番茄红素的这种调节作用的生物化学研究很不充分，相 关机理并不完全清楚最近s t a h l 等研究发现h s l ，番茄红素的氧化产物 2 。7 。1 1 一t r i m e t h y l t e t r a d e c a h e x a e n e - 1 ，1 4 - d i a l ，也许是番茄红素在体内 的代谢产物之对细胞隙间通讯有很强的促进作用，而另一种可能的体内 氧化代谢产物a c y c l o - r e t i n o i ca c i d _ 微果不明显嗍。正如前面所述， 对番茄红素在体内的氧化代谢研究并不全面，体外获得的氧化产物若不能在体 内发现，尽管其功能明显，目前的证据并不能肯定为番茄红素的真正作用，至 少不十分充分。 1 3 光谱技术的应用 在2 0 世纪上半叶，热力学( t h e r m o d y n a m i c s ) 和化学动力学( c h e m i c a l k i n e t i c s ) 在化学领域的研究中占据着统治地位。这些研究虽然逐步形成了人们 对于物质整体或宏观的认识，但却不能提供关于单个分子或较少数目分子的特 性的有用信息即微观信息伴随着量子力学的建立和发展，现代分子光谱学得 母- 四j l l 欠学硕士擘位论文 以形成并很快获得了与热动力学或化学动力学同等重要的地位 4 9 1 。 2 0 世纪2 0 年代中期s c h r 6 d i n g c r 和h e i s e n b e r g 率先将量子力学应用于分子 光谱学的研究 5 0 - 5 卯。现代分子光谱学在此以后获得了迅速而巨大的发展。其研 究对象涵盖单原子分子、双原子分子和多原子分子；既包括中性分子，也包括 分子离子；既包括性质稳定的闭壳层分子，也包括化学性质活跃的自由基；小 分子光谱的研究已日臻完善，大分子、分子聚合物光谱的研究亦时有突破。 其研究手段日趋繁多、技术日趋精巧，涵盖了电磁波与物质相互作用的三 种形式：发射、吸收和散射，几乎利用了一切可以利用的物理效应：有利用光 声效应( p h o t o a c o u s r ce f f e c t ) 的光声光谱( p h o t o a c o u s i t es p e c t r o s c o p y ) ，有利用 d o p p l e r 效应的速度调制光谱，有利用f a r a d a y 磁旋光效应的z e e m a n 磁旋光光 谱等等，就覆盖的频率而言，目