摘 要:介绍了广泛地存在于动植物中的
叶黄素及其性质以及植物、动物体中叶黄素的分析、提取、研究情况,应用前景。表明叶黄素是重要的天然色素类和天然保健品,是绿色的健康食品原料,极具商业开发价值。
关键词:叶黄素;应用;分离;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
叶黄素(Xanthophyll)(3.3-二羟基-α-胡萝卜素)是一种萜,分子式:C40H56O2,分子量:568.85[1]。科学家对叶黄素化学结构的研究结果表明:它具有3个手性中心、故有8种立体异构体,有一个共同的基本结构:两个六元碳环由一个含十八碳原子的共轭双键的长链相联接。类胡萝卜素主要有两类:胡萝卜素类(不含氧的类胡萝卜素的总称)叶黄素类(含氧的类胡萝卜素的总称)包括叶黄素,黄体素,β-胡萝卜素,隐黄质,玉米黄质、蛋黄色素,隐黄素、玉米黄素、其它色素。
1 叶黄素的自然存在形态
1.1 叶黄素在植物中的存在形态
叶黄素是类胡萝卜素,与β-胡萝卜素很相似,也是维生素A的前身,叶黄素广泛存在于植物中,如菠菜、甘蓝、桃子、芒果、木瓜、香蕉、土豆、菊花、金盏菊等等。叶黄素属于“类胡萝卜素”类物质,它是构成玉米、蔬菜、水果、花卉等植物色素的重要组分。洋甘蓝、羽衣甘蓝、菠菜等深绿色叶菜以及金盏花等花卉中即含大量的叶黄素,而南瓜、桃子、辣椒、芒果、柑桔中则含丰富的叶黄素酯。在中草药中植物色素类(Phytochromes)分布很广、主要有脂溶性色素与水溶性色素两类。脂溶性色素主要为叶绿素、叶黄素与胡萝卜素、三者常共存[2]。此外尚有藏红花素、辣椒红素等。以下是其它植物中叶黄素的存在形态。
(1)朝鲜野菊花中的叶黄素。朝鲜野菊花(Chrysanthemum koriense)届菊科菊届植物。研究用甲醇、乙醇、丙酮、石油醚、氯仿、苯和水为溶剂从朝鲜菊中提取叶黄素,并用分光光度计对该色素在不同的PH值、不同的介质、不同的光照条件下的稳定性进行了检测,结果表明:在不同的PH值条件下以水为溶剂提取的色素均为黄色,且在氯化钠和蔗糖两种介质中的稳定性较好,色素的残存率最低为91.18%,在不同的温度下这种色素的稳定性不同,较强的光照易使该色素褪色,在室内散射光下5小时后其残存率仍为89.67%[2]。朝鲜野菊花中的叶黄素适合于糕点、糖果等食品的着色,也可以用于保健品的着色以及药片糖衣、胶囊的着色,朝鲜菊花的资源丰富,易培养很值得开发利用。
(2)茶叶中的叶黄素。茶叶的色素包括叶绿素、叶黄素、胡萝卜素、黄酮类物质、花青素以及其它茶多酚的氧化物(主要有茶黄素、茶红素及茶褐素)等。黄酮类物质、花青素、茶黄素等溶于水,为水溶性色素。经研究发现茶叶色素具有色彩艳丽,富含维生素P和氨基酸及其化合物,着色效果好,可用作稳定剂等特点。目前,茶叶的色素中主要成分的药用价值已被揭示,不仅可作为传统色素的食品着色剂,而且可以应用于医药领域。茶叶色素对
肿瘤等相关疾病的防治呈现出显著的效果。目前叶黄素和茶红素的提取已逐步趋向于药用型和保健型。由于其“天然,无副作用和标本兼治”的特点定将会受到青睐。
(3)苔藓植物体中的叶黄素。苔藓植物主要分为苔和藓两大纲,在这两纲中都含有叶黄素。对19种肯尼亚苔藓植物的研究发现:在其中含有链孢类胡萝卜素,α-隐黄质,β-隐黄质和胡萝卜素,玉米黄质,叶黄素,3-外叶黄素[3]。同样的在22种法国苔藓中研究发现其植物体内含有:胡萝卜素,α-隐黄质,叶黄素,3-外叶黄素,环氧叶黄素,新叶黄素等。这些胡萝卜素在植物体中含量为:19.71~189.51μg/g,干燥后呈白色[4]。经过生物学家们用薄层色谱法研究发现在伊利若斯州的苔藓中也有胡萝卜素,玉米黄质,叶黄素,3-外叶黄素,以及叶黄素的环氧化物,它们在胡萝卜素中的含量为:26.15~106.21μg/g,干燥后呈白色[3]。
(4)蛋黄色素(Lutein)。自然界存在的类胡萝卜素(Carotenoids)约有6百种以上,只有少于10%会转变成维生素A,所以类胡萝卜素又称为维生素A原(Provitamin A)。β-胡萝卜素为维生素A的前驱物,而蛋黄色素(Lutein)却不是维生素A的前驱物(而为α-carotene之 Dihydroxy衍生物)。类胡萝卜素类又可分为叶红素类(Carotenes)及叶黄素类(xanthophylls),番茄红素(Lycopene),p-胡萝卜素为叶红素类、而蛋黄色素则为叶黄素类。
(5)藻类中的叶黄素。绿藻:色素体1至多种,形状有杯状,网状、片状、带状等。色素体主要含叶绿素,其它还有胡萝卜素、叶黄素等。故呈草绿色。淀粉核埋在色素体里,数目随种类而不同。贮藏之物是淀粉。硅藻门:色素体的形状和数目随种类而不同,含叶黄素、胡萝卜素、叶绿素和藻黄素,故呈黄褐色、绿色或蓝色。贮藏之物为脂肪和沃露汀(Volutin),散生在原生质中[4]。红藻:主要含有藻红素和叶绿素,也含有藻蓝素、胡萝卜素和叶黄素,因而很多种类呈红色;光合产物为红藻淀粉,一般散生在原生质里或呈颗粒状,无淀粉核;无着生鞭毛的游动孢子。药用植物有石花菜Gelidun amansii lamx,海人草 Digenea simplex(Wulf.)C.Agardh等。
(6)玉米黄色素。其主要成份为玉米黄素(3.3-二羟基-β-胡萝卜素),隐黄素(3-羟基-β-胡萝卜素),叶黄素(3.3-二羟基-α-胡萝卜素)。玉米黄色素属类胡萝卜素色素,其中含有维生素A的前体β-胡萝卜素,在人体肝脏内可转化成具有生物活性的维生素A,具有保健及强化营养的功能。玉米黄色素为油溶性色素,通常为液体产品、亦可添加乳化剂制成水分散性色素,100℃以上为血红色油状液体;100℃以下为桔黄色半凝固油状物、具有玉米油的固有香气,耐热及耐光性较好,其最大吸收峰波长为:λ=44nm[5]。
1.2 叶黄素在动物及人体中的存在形态
科学家们对多种类的鱼进行研究发现,在黄尾鱼、金枪鱼[6]、大麻哈鱼中都有叶黄素及其他的异构体。并利用光谱分析法在红砖鱼的外皮中,找到了4-酮基叶黄素,D[(3s,3's,6's)-3.3'-二羟基-β,ε-胡萝卜素]和4-酮基叶黄素,F[(3s,3'R,6'S)-3.3'-二羟基-β,ε-胡萝卜素]他们还利用光谱分析法,分离出钓鱼当中存在的叶黄素[6]。类胡萝卜素不仅存在于某些动物体中,利用高性能液体色谱分析法发现在人体血浆中,分离出系列的类胡萝卜素:(3R,3'R,6'R)-β,ε-类胡萝卜素-3.3'-二醇,[(3R,3'R,6'R)-叶黄素][7],另外在人奶中也分离出几种类胡萝卜素以及它们的同分异构体。
2 叶黄素的分离提取
(1)膜分离技术。目前天然色素的提取多采用浸提、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,而且产品纯度往往还不高。因此,无论从降低成本还是提高产品质量的角度来看,将膜分离技术[8]用于天然色素的提取是极有价值的。提出陶瓷膜微滤(MF)对浸提液进行精滤提纯,再用反渗透膜(R0)浓缩过滤液。这种工艺以膜分离技术为主体,替代了传统的酒精提纯和蒸发浓缩,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,又保证了色素产品的质量。
(2)干燥法提取叶黄素。研究出一种新型转筒式干燥机[9],用来干燥和捶击金盏花或者万寿菊花瓣,可以从中提取叶黄素。当捶击比率不同时,捶击效率就在70%~90%之间波动。叶黄素的多少决定于干燥时间长度。但在相同的干燥时间里,70℃下干燥提取的叶黄素含量比60℃下提取的叶黄素含量要少。
(3)高效液相色谱分析法提取。以二氯甲烷(22.5mL)+乙腈(9.5mL)+甲醇(67.5mL)+水(0.5mL)为流动相,流量为1.0mL/min。使用光度检测器(波长为450nm)检测分离后的类胡萝卜素和叶绿素。样品进样体积为20uL。在此条件下,叶黄素、叶绿素b、叶绿素a、番茄红素(1ycopene)、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的保留时间分别为3.0、4.9、6.6、12.1、14.6和15.3min。取螺旋藻的培养液(通过测定光密度(560nm)得出培养液中螺旋藻干重[10,11])于离心管中,离心后弃去溶液,加水洗涤后,加入2mL体积分数为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[12,13]测定叶黄素/玉米黄质、β-胡萝卜素及叶绿素a的含量,其最高含量分别为:1.65μg/mg,2.15μg/mg和21.4μg/mg。
(4)改良的高效色谱分析法[14]。这种方法能迅速地分离高等植物中光合的色素,所用仪器为高效液相色谱分析系统,采用美国waters公司的680型自动程序梯度控制器,501型高压液相泵,M490型可编程序紫外可见光检测器,730型数据处理器,记录保留时间和峰面积,走纸速度为2cm/min。选择最佳的色谱分离条件是色谱分析中的关键,本方法选用两种流动相A液和B液,采用线性梯度洗脱分离色素组分。用改良的高效色谱分析法分析叶黄素循环组分,具有快速、准确、分离度好以及重复稳定等优点,可以认为是目前分析测定叶黄素循环组分的最佳方法。
(5)玉米黄浆水中提取玉米黄色素。选用己烷质量分数高达74%~80%的抽提溶剂油,根据液-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,或者添加辅料获得固态色素产品[15]。
(6)大豆中叶黄素的解析。在酸和碱性稻壳灰中大豆油色素(叶黄素)解析[16]时,连续的异丙醇/己烷的洗涤,增加溶液极性可提高叶黄素的解析,表明竞争吸附很大程度上决定于溶液的极性。但是当加入2%异丙醇洗涤时,用多种提取法解析出来的叶黄素会减少。叶黄素吸附的量越多必然伴随着更多的叶黄素的解析。这说明酸性环境比碱性环境更有利于解析。
(7)叶黄素产品生产工艺。以万寿菊花中用正己烷萃取而得的叶黄素为例:
叶黄素→加热成油液状→皂化→搅拌→过筛→干燥、包装
↑
硅藻土和硅酸→干燥
皂化时氢氧化钠水溶液ω(NaOH)=0.17。
万寿菊(Marigold)是提炼叶黄素及类胡萝卜素的主要原料,其中黄色色素含量平均每公斤不低于12克,这种色素是无公害的天然色素。
除了上述从万寿菊花中提取叶黄素制备产品工艺外,目前很多公司都在摸索新的叶黄素生产途径。如南美洲Henkle公司已从来源丰富的南瓜和桔子榨汁后的残渣中提取出“叶黄素酯”(商品名Xangold),因为医学专家已证实:叶黄素酯在人体内能自动转化成为叶黄素,故叶黄素酯与叶黄素一样可作为新型食品添加剂使用。叶黄素酯的提取成功大大拓展了叶黄素的来源。
3 叶黄素的应用研究
(1)应用于动物。在水产饲料中常用的色素为虾青素,它是叶黄素的一种[17,18],最先人们认识到虾青素可使鲑蹲鱼类的肉呈粉红色,同样虾类饲料也常用虾青素作为着色剂。现在,国外学者深入研究发现,虾青素对于鲑蹲鱼类及虾类的繁殖、存活及免疫能力都非常重要。在某些特定水域中,成年鲑蹲鱼类之所以不能繁衍后代,就是因为它们产的卵子中以及鱼苗体内缺乏虾青素,鲑蹲鱼类卵子中虾青素的含量与其孵化率成正相关。虾青素是水生动物的必需营养物质。
20世纪90年代一苏联学者提出假设,禽蛋的叶黄素是鸡胚胎的一种适应物质,即与胚胎的发育密切相关,它能决定胚胎的成活率和生态的可塑性。现已证实,叶黄素含量高的蛋其胚胎的循环系统和血管区的发育均较快,蛋黄叶黄素还能促进胚胎肝脏中脂类的更好的吸收。
(2)叶黄素增强剂可提高视力。广泛存在于绿色的叶片和蛋黄中的一种叶黄素(为类胡萝卜素的一种)被认为是很有效的健康食品原料。补充天然叶黄素,可降低眼疾风险。蛋黄色素(Leutein)及玉米黄素(Zeaxanthin.为lutein的同质异构物isomer)常并存,可选择性的在视网膜(retina)及水晶体(1ens)累积,每克水晶体约含有10ng,尤其在视网膜黄斑(macula)特别多,可形成视网膜黄斑色素(macular Pigment),吸收蓝色光而防止视网膜最敏感的区域受到光线伤害,有助于预防老化所引起新生血管型视网膜
黄斑变性(Neovascular Age—related macular degeneration,AMD,ARMD)
[17]。
在现有的众多食品中,猕猴桃是最好的叶黄素供应源,黄色玉米和蛋黄是仅次于猕猴桃的叶黄素高源食物。多吃富含叶黄素的食物对视力有益。
(3)叶黄素对人体疾病的作用。叶黄素抗氧化作用对人体疾病的主要功能是,在人体内可防止一种生理代谢过程中产生的有害物质“游离基”所造成的组织损伤、细胞衰老等病变
[19]。科学家认为,人体衰老很大程度上与游离基的破坏作用有关。迄今为止科学家尚未发明一种可完全清除掉体内游离基的药物。而维生素E、维生素C及β-胡萝卜素之所以有抗衰老作用,原因在于它们对游离基有一定抑止作用,故它们均被认为是“抗氧化剂”。来自植物的“类胡萝卜素”其抗氧化作用甚至优于VE,VC和天然胡萝卜素。据介绍,添加有类胡萝卜素(如叶黄素和番茄红素等)的食品可以预防老年性视力退化、抗衰老、使人保持旺盛的精力以及预防
癌症、心血管疾病(如
中风、心肌梗塞等等)。
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(以下略)