144-68-3 / 玉米黃素的生理功能和作用

背景及概述^[1]

玉米黃素亦稱(chēng)“玉米黃質(zhì)”。葉黃素類(lèi)脂溶性色素成分。為β-胡蘿卜素的二羥基衍生物?；瘜W(xué)式C₄₀H₅₆O₂。熔點(diǎn)204～206℃。不溶于水，易溶于石油醚。茶葉中的含量為0.074～0.144毫克/克，隨葉片成熟度的提高而增加，中國(guó)種中的含量高于阿薩姆種。在紅茶制造中氧化降解為3-羥基-β-紫羅酮和3-羥基-α-紫羅酮，參與紅茶香氣、外形色澤和葉底色澤形成。

生理功能和作用^[2]

玉米黃素的用途非常廣泛，其主要性能在于它的著色性和抗氧化性。

1. 玉米黃素的著色作用

玉米黃素分子中的2個(gè)六元碳環(huán)上的1個(gè)含氧基團(tuán)使其具有較大的穩(wěn)定性，使它在被腸道吸收后不能轉(zhuǎn)化為VA，仍保持其原來(lái)的顏色和分子結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的著色能力。在家禽工業(yè)中，玉米黃素作為一種經(jīng)濟(jì)高效的著色劑受到生產(chǎn)者的青睞。玉米黃素用作飼料添加劑，可有效地改善動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)狀況、蛋黃、家禽肉類(lèi)及皮膚等色澤。在肉禽體內(nèi)，玉米黃素沉積于爪、喙及皮下脂肪中使其著色，提高家禽胴體品質(zhì)。在產(chǎn)蛋家禽的體內(nèi)，玉米黃素沉積于卵黃中使其呈黃色，提高了蛋的品質(zhì)，并增加其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在食品工業(yè)中，玉米黃素作為一種天然著色劑除了可為食品增加具有誘人食欲的色澤外，同時(shí)又具有抗氧化活性，可防止食品中脂質(zhì)和維生素的氧化，保持食品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味不因氧化而破壞，延長(zhǎng)食品的保鮮期。

2. 玉米黃素的抗氧化作用

氧化損傷是由于抗氧化保護(hù)和自由基代謝不平衡所引起的，可以導(dǎo)致很多疾病，如心血管、癌癥、衰老、炎癥反應(yīng)、白內(nèi)障及一系列神經(jīng)系統(tǒng)疾病。早在30多年前，研究者就發(fā)現(xiàn)B一胡蘿卜素具有淬滅單線態(tài)氧的能力。隨著研究的不斷進(jìn)行，人們發(fā)現(xiàn)，不僅B一胡蘿卜素具有抗氧化能力，大多數(shù)類(lèi)胡蘿卜素都具有抗氧化能力。類(lèi)胡蘿卜素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與它們的抗氧化活性有著密切的關(guān)系，氧化活性的大小取決于其分子結(jié)構(gòu)中共軛雙鍵的數(shù)目和尾端基團(tuán)的結(jié)構(gòu)。玉米黃素分子中擁有11個(gè)共軛雙鍵且尾端基團(tuán)上帶有羥基，這種結(jié)構(gòu)使得它們具有較強(qiáng)的抗氧化能力。在體內(nèi)，玉米黃素雖然不能轉(zhuǎn)化為VA，不具有VA活性，但卻是人體可利用的重要的強(qiáng)抗氧化劑，可通過(guò)淬滅單線態(tài)氧清除自由基等抗氧化行為來(lái)保護(hù)機(jī)體組織細(xì)胞，以降低某些疾病發(fā)生的危險(xiǎn)。

3. 玉米黃素的視覺(jué)保護(hù)作用

葉黃素和玉米黃素在減少與衰老相關(guān)聯(lián)的黃斑退化和白內(nèi)障等嚴(yán)重眼疾發(fā)生中起重要作用。據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，40歲以上成年人視力下降的主要原因之一是“增齡性黃斑變性癥”(Age—relat.edMacularDegeneration-AMD)及其眼病(一種老年性角膜渾濁所至的盲眼病)，2001年美國(guó)AMD癥患者約有1，400萬(wàn)人。對(duì)AMD患者365人和健康者520人進(jìn)行研究，凡攝食富含葉黃素和玉米黃素的黃綠色蔬果者，患AMD癥危險(xiǎn)性明顯下降。有關(guān)黃斑變性的病理生理學(xué)，近年來(lái)提出丁一些理論。這些理論認(rèn)為黃斑變性的產(chǎn)生與高能短波光和紫外線、可見(jiàn)光的輻射有關(guān)。研究表明，葉黃素和玉米黃素以高濃度存在于人眼底黃斑中，可作為近紫外藍(lán)光的吸收劑行使保護(hù)功能。光線到達(dá)眼睛的視桿細(xì)胞與視錐細(xì)胞之前必先通過(guò)高濃度的葉黃素和玉米黃素層，其可吸收光線而防止黃斑氧化損傷，以保護(hù)黃斑免遭破壞。白內(nèi)障是由于晶狀體透明度下降、渾濁而導(dǎo)致視力障礙的一種疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化維生素類(lèi)胡蘿卜素(玉米黃素)和自由基清除劑具有抗白內(nèi)障的作用。在眼睛的晶狀體中存在玉米黃素，它能淬滅單線態(tài)氧，能間接地減少晶狀體蛋白的氧脅強(qiáng)，從而防止白內(nèi)障的形成。

應(yīng)用^[3]

1. 食品保鮮劑

將玉米黃色素、胡蘿卜素、隱黃素、葉黃素、玉米黃素)與常用的合成抗氧化劑(BHT)在抗氧化能力上進(jìn)行比較，結(jié)果顯示在氧化的最初一段時(shí)間內(nèi)，玉米黃色素的抗氧化能力強(qiáng)于BHT。玉米黃素的抗氧化活性，可防止食品中脂質(zhì)和維生素的氧化，保持食品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味不因氧化而破壞，延長(zhǎng)食品的保鮮期，因而玉米黃素是一種十分理想的天然食品保鮮劑。目前生產(chǎn)上將玉米黃素常用于固體食品中。

2. 天然著色劑

應(yīng)用安全無(wú)毒的天然食用色素代替合成食用色素食品是工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。玉米黃素本身就是食物中的正常成分，玉米黃素分子中的2個(gè)六元碳環(huán)上的1個(gè)含氧基團(tuán)使其具有較大的穩(wěn)定性，有較強(qiáng)的著色能力；同時(shí)兼有營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化或一定藥理作用，調(diào)節(jié)人體代謝有積極作用，符合天然食品添加劑“天然”、“營(yíng)養(yǎng)”、“多功能”的發(fā)展方向。但是玉米黃素作為天然色素比合成色素價(jià)格高，充分利用廉價(jià)的天然資源制取玉米黃素食用色素，降低其生產(chǎn)成本，才能更好推廣運(yùn)用天然食用色素。

制備^[3]

1. 溶液直接分離提取

1）直接浸提提取工藝

有機(jī)溶劑分離提取法的主要特點(diǎn)是提取工序比較簡(jiǎn)單，提取率較高，工藝中過(guò)濾得到的濾渣可以二次浸提，蒸餾后得到的溶劑可以回收再循環(huán)抽提利用。目前對(duì)于玉米蛋白粉中玉米黃素的提取已經(jīng)比較成熟，主要是將玉米蛋白粉烘干，粉碎，加入95乙醇，反復(fù)浸泡提取數(shù)次，將蛋白粉黃色提取到無(wú)色為止，收集浸泡液進(jìn)行真空濃縮，即得深紅色液體色素產(chǎn)品，用結(jié)晶化方法分離得到玉米黃素(以上操作均應(yīng)在避光條件下進(jìn)行)。此方法特別要對(duì)提取時(shí)間的掌握，時(shí)間過(guò)短提取就不充分，提取時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易沉積其它的雜質(zhì)影響純度。

2）酶法提取

植物體中類(lèi)胡蘿卜素與蛋白質(zhì)一般以結(jié)合的狀態(tài)存在，采用傳統(tǒng)的直接浸提法，濃縮后得到玉米黃色素粗制品中含有一定的醇溶蛋白，不利于最后玉米黃素的純化。采用酶法提取玉米黃色素，就是利用蛋白酶使部分蛋白質(zhì)水解，拆散蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅可以提高玉米黃色素的提取速率，而且可得到較高純度的玉米黃色素。

3）超聲波提取

超生波提取玉米黃素，也是在直接浸提法的基礎(chǔ)上，以超聲波為輔助，提高玉米黃素的得率。超聲輻射的提取過(guò)程中，超聲場(chǎng)聲能量產(chǎn)生超聲空化作用，大大加快了內(nèi)擴(kuò)散速度，同時(shí)對(duì)固體顆粒表面進(jìn)行剝離、凹蝕和粉碎作用，創(chuàng)造了新的活性表面，使傳質(zhì)比表面積增大，從而提高提取速度。以95％乙醇作為提取溶劑，提取溫度為50℃，超聲提取1.5h，玉米黃色素的提取收率可達(dá)8.7。超聲波提取玉米黃色素縮短了提取的時(shí)間，操作簡(jiǎn)單，所得產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但浸出后的物料蛋白含量較高，需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)一步純化分離得到玉米黃素。

4）超臨界流體萃取

采用超臨界丙烷萃取玉米黃色素獲得成功，在壓力8.5～10.0MPa，溫度96.8℃條件下，萃取時(shí)間4h，丙烷流量控制為35g／min，丙烷純度>99.5，可得到純度較高的玉米黃色素，并且溶殘含量低，這有利于近一步得到高品質(zhì)的玉米黃素。采用超臨界流體萃取法提取玉米黃素它不引進(jìn)任何化學(xué)合成物質(zhì)，其操作溫度低，壓力不會(huì)過(guò)高，玉米黃素亦不易降解，有利于保持玉米黃素的天然性。但由于該技術(shù)對(duì)于設(shè)備的要求較高，還不能形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，并且產(chǎn)出率較低。

5）膜輔助分離提取技術(shù)

膜分離作為一種新發(fā)展的高新分離技術(shù)，它利用半透膜作為障礙層，借助于膜的選擇滲透作用，在能量、濃度或化學(xué)位差的作用下對(duì)混合物中的不同組分進(jìn)行分離純化。采用膜技術(shù)對(duì)玉米中的葉黃素類(lèi)(Xanthophyl1)進(jìn)行提取，將經(jīng)過(guò)磨碎的玉米材料經(jīng)85％的酒精在5O℃下提取30rain，得到的提取液采用超濾(U20T和RTM-PX膜)進(jìn)行分離得到玉米醇溶蛋白，再采用納米過(guò)濾技術(shù)(TFC—SR1膜)分離純化得到葉黃素類(lèi)物質(zhì)(葉黃素和玉米黃素)，再采用結(jié)晶化方法或?qū)游龇▽?duì)葉黃素和玉米黃素進(jìn)行分離得到玉米黃素，整個(gè)過(guò)程裝置比較簡(jiǎn)單，同時(shí)操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低且方便、易于自動(dòng)控制。

2. 其它制備合成玉米黃素的方法

1）生物合成法制備玉米黃素

玉米黃素是植物的次生代謝產(chǎn)物，可以通過(guò)重組基因技術(shù)可調(diào)控異戊二烯途徑合成玉米黃素，構(gòu)建高產(chǎn)植物或菌株。國(guó)外研究人員采用草生歐文氏菌的基因簇克隆人大腸桿菌中，經(jīng)修飾加工后在釀酒酵母細(xì)胞中表達(dá)。將多余的某些部分刪除后，這種再構(gòu)建的基因表達(dá)的牛兒焦磷酸(GGPP)成酶的活性從6.35增至23.4nmol／min，把合成番茄紅素環(huán)化酶原有的起始碼GTG更換成ATG，并將編碼六氫番茄紅素合成酶基因與釀酒酵母磷酸甘油酸激酶啟動(dòng)子融合后用一個(gè)整合載體轉(zhuǎn)化到酵母中，可產(chǎn)玉米黃素。

2）化學(xué)方法制備玉米黃素

葉黃素分子結(jié)構(gòu)在多羥基醇和堿作用下可轉(zhuǎn)化成玉米黃素，利用這一性質(zhì)可以進(jìn)行玉米黃素的生產(chǎn)。用葉黃素異構(gòu)化生成玉米黃素速率較快，全部過(guò)程可在常壓下進(jìn)行，較適合于工業(yè)化生產(chǎn)。在乙醇鈉和苯存在下，可以將葉黃素轉(zhuǎn)化為玉米黃素在氮?dú)庵?，在甲醇、甲醇鉀和二甲亞砜存在下，可以將葉黃素轉(zhuǎn)化為玉米黃素。美國(guó)專(zhuān)利報(bào)道葉黃素在無(wú)催化劑的水相體系中能異構(gòu)化產(chǎn)生玉米黃素的方法。在該方法中，葉黃素與強(qiáng)堿水溶液長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)得到玉米黃素。

主要參考資料

[1] 中國(guó)茶葉大辭典

[2] 玉米黃素及生理功能

[3] 玉米黃素提取及應(yīng)用研究進(jìn)展