陳垚，羅蘭，吳疆（天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津300384）

玉米黃質(zhì)的生物學(xué)功能及其應(yīng)用

陳垚，羅蘭，吳疆*
（天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津300384）

玉米黃質(zhì)是一種在體內(nèi)具有重要生物學(xué)功能的食品來(lái)源色素，它在預(yù)防老年性黃斑變性（AMD）中發(fā)揮了重要的作用。綜述了玉米黃質(zhì)作為類胡蘿卜素所具有的重要生物功能，體內(nèi)玉米黃質(zhì)的生物合成途徑以及分離提取玉米黃質(zhì)的進(jìn)展。

玉米黃質(zhì)；老年性黃斑變性；類胡蘿卜素Abstract：Zeaxanthin is one such natural pigment emphasized for its critical role in the prevention of age-related macular degeneration（AMD），the leading cause of blindness.This paper highlights zeaxanthin as a carotenoid pigment with promising nutraceutical implications，and enumerates the important plant and microbial sources for its production，the absorptive pathway of zeaxanthin in human system and the progress of the separation and extraction of zeaxanthin.

類胡蘿卜素是一類存在于水果和蔬菜中的天然色素，除了植物，許多光合細(xì)菌和真菌也可以合成類胡蘿卜素，它們是萜類衍生物，并且在其結(jié)構(gòu)中存在很多共軛雙鍵［1］。天然生成的類胡蘿卜素主要有兩大類：（1）α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素，屬于類胡蘿卜素類；（2）玉米黃質(zhì)、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)，屬于類胡蘿卜素的氧化衍生物［2］。玉米黃質(zhì)是黃玉米的主要色素，它的分子式為C40H56O2，分子量為568.88道爾頓，其CAS登記號(hào)為144-68-3。玉米黃質(zhì)廣泛的分布于黃色玉米、蛋黃、橙色和黃色的一些蔬菜和水果當(dāng)中［3-4］。玉米黃質(zhì)本身不具有維生素A的活性，但是它與其同分異構(gòu)體葉黃質(zhì)在預(yù)防老年性黃斑變性（AMD）中發(fā)揮了重要的作用［5-6］。玉米黃質(zhì)被廣泛的用于食品添加劑，并且在食品工業(yè)中，常用在給肉類食品的著色上。

1　玉米黃質(zhì)的生物學(xué)特性

1 g玉米黃質(zhì)可以溶于1.5 L沸騰的甲醇中，幾乎不溶于石油醚和己烷，在乙醚、氯仿、二硫化碳、和吡啶中有較好的溶解性能。玉米黃質(zhì)溶于硫酸，可以形成相當(dāng)穩(wěn)定的深藍(lán)色化合物。玉米黃質(zhì)是一種多烯化合物，含有9個(gè)交替出現(xiàn)的共軛雙鍵，在其碳骨架的兩個(gè)末端，各有一個(gè)含有羥基的紫羅酮環(huán)。

玉米黃質(zhì)與葉黃質(zhì)是一對(duì)同分異構(gòu)體，唯一的不同點(diǎn)在于紫羅酮環(huán)中雙鍵位置分布的不同。玉米黃質(zhì)與葉黃質(zhì)廣泛存在與人體當(dāng)中，在眼、胰臟、肝臟、脾臟、腎臟、卵巢等組織器官中具有較高濃度，對(duì)人類身體健康起著重要的作用。人類血液中存在多種類胡蘿卜素，但是只有玉米黃質(zhì)和葉黃質(zhì)集中出現(xiàn)在人眼睛內(nèi)部視網(wǎng)膜的中央位置，在臨床上被稱為黃斑。人體自身無(wú)法合成玉米黃質(zhì)，必須通過(guò)膳食攝入。綠色蔬菜是葉黃質(zhì)的主要來(lái)源，但是其中的玉米黃質(zhì)含量較少，玉米黃質(zhì)主要來(lái)源于黃色玉米、柑橘、藍(lán)莓、枸杞和雞蛋黃。在1962年，Jungalwala等［7］發(fā)現(xiàn)在金鳳花的花藥中，玉米黃質(zhì)含量占了其總類胡蘿卜素含量的90%左右。枸杞（Lycium chinense）屬于雙子葉植物綱的茄科落葉灌木植物，是一種廣泛使用的中藥材，其果實(shí)中蘊(yùn)含豐富的類胡蘿卜素，這主要與枸杞類胡蘿卜素生物合成途徑在其果實(shí)成熟期間的特異性表達(dá)有很密切的聯(lián)系，它的玉米黃質(zhì)二棕櫚酸酯含量達(dá)到1 000 mg/kg濕重。很少有微生物合成玉米黃質(zhì)，但是黃桿菌卻可以合成大量玉米黃質(zhì)，占其總色素的95%以上。很多海洋微生物和藻類則是以合成蝦青素為主，蝦青素為玉米黃質(zhì)的下游代謝產(chǎn)物［7］。

2　玉米黃質(zhì)的生物合成途徑

玉米黃質(zhì)屬于含氧類胡蘿卜素，是在類胡蘿卜素的末端環(huán)狀結(jié)構(gòu)引入功能多樣的含氧基團(tuán)而產(chǎn)生的，這樣的類胡蘿卜素被稱為葉黃素。類胡蘿卜素的氧化反應(yīng)受到很許多種類的酶的催化作用，例如羥化酶、酮基化酶和環(huán)氧酶等。通過(guò)這些酶的催化作用形成了種類繁多的含氧類胡蘿卜素，例如葉黃質(zhì)、新黃質(zhì)、紫黃質(zhì)等。最常見(jiàn)的類胡蘿卜素氧化反應(yīng)是β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素的羥化反應(yīng)，前者形成了玉米黃質(zhì)，后者形成了葉黃質(zhì)。β-胡蘿卜素羥化酶和ε-環(huán)羥化酶共同催化α-胡蘿卜素發(fā)生反應(yīng)生成了葉黃質(zhì)［8］，葉黃質(zhì)是植物光合作用器官中重要的組成成分。β-胡蘿卜素在連續(xù)的兩步由β-胡蘿卜素羥化酶催化的反應(yīng)中，形成了玉米黃質(zhì)［9］。玉米黃質(zhì)隨后在玉米黃質(zhì)環(huán)氧酶（ZEP）的催化下生成花藥黃質(zhì)，進(jìn)一步在ZEP的催化下生成紫黃質(zhì)。在植物葉片細(xì)胞中，還存在一種與ZEP的催化功能正好相反的紫黃質(zhì)脫環(huán)氧酶（VDE），它催化上述反應(yīng)的逆反應(yīng)過(guò)程［10］。玉米黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)與紫黃質(zhì)在ZEP與VDE的催化下發(fā)生可逆的相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)，這一過(guò)程被稱為葉黃素循環(huán)（xanthophyll cycle）。ZEP 和VDE是在植物中最早被發(fā)現(xiàn)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［11］。在新黃質(zhì)合成酶的催化作用下，紫黃質(zhì)被轉(zhuǎn)化為新黃質(zhì)。新黃質(zhì)合成酶已經(jīng)從馬鈴薯和蕃茄中克隆出來(lái)，并且研究表明它們有很高的同源性。紫黃質(zhì)與新黃質(zhì)都是植物脫落酸（ABA）生物合成的前體物質(zhì)。

3　基因工程操作提高生物體玉米黃質(zhì)含量

目前，很多研究集中在提高玉米黃質(zhì)含量，對(duì)植物體抵抗外界逆境的影響方面，例如Davison等［12］在2002年報(bào)道，提高擬南芥細(xì)胞內(nèi)玉米黃質(zhì)含量，可以使轉(zhuǎn)基因擬南芥提高對(duì)外界紫外線的抵抗作用。提高人來(lái)主糧中玉米黃質(zhì)的含量也是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。在2002年，Romer等［13］利用基因工程的方法，構(gòu)建了轉(zhuǎn)反義玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶基因的轉(zhuǎn)基因土豆，這個(gè)酶能夠催化玉米黃質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成紫黃質(zhì)。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因土豆中，玉米黃質(zhì)的含量大大提高了，可以達(dá)到非轉(zhuǎn)基因土豆的100多倍。

4　玉米黃質(zhì)的分離提取及檢測(cè)方法

玉米黃色素是淀粉廠的主要原料黃玉米的主要色素。玉米黃色素主要存在于玉米的角質(zhì)胚中［14］。玉米黃色素有油狀液體和粉狀固體兩種產(chǎn)品，液體產(chǎn)品常溫下為血紅色油狀液體，固體產(chǎn)品為黃色粉末，均難溶于水，易溶于植物油、乙醇和一些溶劑，目前多數(shù)研究都采取有機(jī)溶劑萃取法和超臨界二氧化碳萃取法。國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者對(duì)玉米黃色素的提取方法和工藝進(jìn)行了一定的研究。Jaren，Galan.M等研究了采用超臨界二氧化碳（SCF-CO2）萃取玉米黃質(zhì)等類胡蘿卜素色素的方法。研究了萃取體積、壓力和助溶劑等的影響，發(fā)現(xiàn)較高的萃取體積、萃取壓力和使用助溶劑（如乙醇）可以獲得較高的色素收率。在較低的壓力下，所獲得的色素主要是β-胡蘿卜素，而在較高壓力下，則主要是玉米黃質(zhì)等類胡蘿卜素和少量的β-胡蘿卜素［15］。林紅秀等人研究了以玉米蛋白粉為原料，利用超臨界二氧化碳萃取技術(shù)萃取玉米黃色素的工藝，探索了萃取壓力、溫度、分離溫度、分離壓力及操作時(shí)間、二氧化碳流量對(duì)玉米黃色素萃取率的影響［16］。王威等由玉米淀粉廠的黃蛋白粉提制食用玉米黃色素，提取率6%左右，最大吸收峰446 nm左右，發(fā)現(xiàn)1%溶液對(duì)光敏感，在40℃下較穩(wěn)定，在低溫下或添加到固體食品中穩(wěn)定性很好［17］。姚艾東研究確立了玉米黃色素提取的方法和工藝條件，其次對(duì)玉米黃色素應(yīng)用中的各種影響因素進(jìn)行了分析，提出了應(yīng)用的最佳工藝條件。張存勞介紹了一種對(duì)玉米淀粉廠副產(chǎn)品蛋白粉（黃漿粉）生產(chǎn)玉米黃色素的生產(chǎn)方法，采用有機(jī)溶劑萃取的方法。宋秀芹等從浸提溶劑、溫度、時(shí)間及提取次數(shù)等方面探討了自玉米渣皮中提取玉米黃色素的最佳工藝條件，確定了色素提取的工藝路線［18］。

高效液相色譜（HPLC）法是最常用的分析類胡蘿卜素的方法，利用不同的檢測(cè)系統(tǒng)，正相或者反向色譜柱，等度或者梯度洗脫方法，可以分析幾乎所有的類胡蘿卜素。利用HPLC方法分析時(shí)，在流動(dòng)相中添加一定的抗氧化劑，柱溫控制在20℃左右以防止類胡蘿卜素的降解。C18反向色譜柱是分離β-胡蘿卜素、番茄紅素等的最常用的色譜柱，C30反向色譜柱是分離玉米黃質(zhì)和葉黃質(zhì)最常用的色譜柱。同時(shí)，要注意色譜柱溫度的設(shè)定，不同的溫度對(duì)于類胡蘿卜素的保留時(shí)間產(chǎn)生很大的波動(dòng)。

5　玉米黃質(zhì)的應(yīng)用

5.1預(yù)防老年性黃斑變性（AMD）

AMD是造成成年人視力發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性失明的主要原因，這主要是由于視網(wǎng)膜中央位置的黃斑退化導(dǎo)致的。玉米黃質(zhì)在預(yù)防AMD中發(fā)揮了重要作用，它不是通過(guò)代謝過(guò)程產(chǎn)生維生素A來(lái)發(fā)揮作用吧，而是通過(guò)其抗氧化活性吸收高能藍(lán)光的能量，從而阻止損傷的發(fā)生［19］。

5.2預(yù)防白內(nèi)障

白內(nèi)障是老年人群體中視力下降的主要原因，它使得眼睛中的晶狀體不斷地變渾濁，從而漸漸地使人在無(wú)痛過(guò)程中視力下降，以至于失明。有研究表明在新生成的晶狀體上皮組織細(xì)胞當(dāng)中，玉米黃質(zhì)的含量是在晶狀體內(nèi)部較老細(xì)胞中的3倍。上皮阻止包含了晶狀體50%的細(xì)胞，卻含有晶狀體74%的玉米黃質(zhì)，這被認(rèn)為玉米黃質(zhì)可以通過(guò)抑制氧化損傷從而阻止白內(nèi)障的發(fā)生［20］。

5.3抗癌

有研究表明玉米黃質(zhì)具有抗癌的功能，在C3H/He雄性小白鼠中的自發(fā)性肝癌中，如果給小白鼠喝的水當(dāng)中添加0.005%的玉米黃質(zhì)，發(fā)現(xiàn)肝癌被抑制了［21］。

5.4抑制低密度脂蛋白氧化

在巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的低密度脂蛋白（LDL）氧化過(guò)程中，類胡蘿卜素可以起到重要的抑制氧化的作用［22］。在這一研究中，玉米黃質(zhì)與人類的巨噬細(xì)胞和LDL共同培養(yǎng)24 h，發(fā)現(xiàn)LDL的氧化過(guò)程被有效抑制，表明玉米黃質(zhì)有可能減緩動(dòng)脈粥樣硬化的過(guò)程。

6　結(jié)論

玉米黃質(zhì)在預(yù)防AMD、白內(nèi)障、低密度脂蛋白的過(guò)氧化方面具有重要的保護(hù)作用，所以在膳食中增加玉米黃質(zhì)的攝入量，對(duì)于人體健康是非常有益的。目前，已有很多報(bào)道使用微生物發(fā)酵的方法生產(chǎn)玉米黃質(zhì)，隨著高產(chǎn)玉米黃質(zhì)菌種的選育和玉米黃質(zhì)分離純化條件的研究，將使玉米黃質(zhì)成為一種重要的功能性食品添加劑。

［1］Britton G.Structure and properties of carotenoids in relation to function［J］.FASEB J，1995，9（15）：1551-1558

［2］Eonseon J，Polle JW，Lee HK，et al.Xanthophylls in microalgae：from biosynthesis to biotechnological mass production and application［J］. Microbiol Biotechnol，2003，13（2）：165-74

［3］Block G，Patterson B，Subar A.Fruit，vegetables，and cancer prevention：a review of epidemiological evidence［J］.Nutr Cancer，1992，18 （1）：1-29

［4］Steinmetz K A，Potter J D.Food-group consumption and colon cancer intheAdelaidecase-controlstudy［J］.IntJCancer，1993，53（5）：711-719

［5］Moeller S M，Jacques P F，Blumberg J B.The potential role of dietary xanthophylls in cataract and age-related macular degeneration［J］.J Am Coll Nutr，2000，19（5）：522-527

［6］Snodderly D M.Evidence for protection against age-related macular degeneration by carotenoids and antioxidant vitamins［J］.Am J Clin Nutr，1995，62（Suppl）：1448S-1461S

［7］Sajilata M G，Singhal R S，Kamat M Y.The carotenoid pigment zeaxanthin-a review［J］.Comprehensive Rev Food Sci Food Saf，2008，7（1）：29-49

［8］Tian L，Musetti V，Kim J，et al.The Arabidopsis LUT1 locus encodes a member of the cytochrome P450 family that is required for carotenoid epsilon-ring hydroxylation activity［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2004，101（1）：402-407

［9］Bouvier F，Hugueney P，d'Harlingue A，et al.Xanthophyll biosynthesis in chromoplasts：isolation and molecular cloning of an enzyme catalyzing the conversion of 5，6-epoxycarotenoid into ketocarotenoid ［J］.Plant J，1994，6（1）：45-54

［10］Bugos R C，Yamamoto H Y.Molecular cloning of violaxanthin deepoxidase from romaine lettuce and expression in Escherichia coli ［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1996，93（13）：6320-6325

［11］Bugos R C，Hieber A D，Yamamoto H Y.Xanthophyll cycle enzymes are members of the lipocalin family，the first identified from plants ［J］.J Biol Chem，1998，273（25）：15321-15324

［12］Davison P A，Hunter C N，Horton P.Overexpression of beta-carotene hydroxylase enhances stress tolerance in Arabidopsis，Nature，2002，418（6894）：203-206

［13］Romanchik J E，Morel D W，Harrison E H.Distributions of carotenoids and α-tocopherol among lipoproteins do not change when human plasma is incubated in vitro［J］.Nutr，1995，125（10）：2610-2617

［14］杜連起.食品添加劑：玉米黃色素的提取［J］.食品工業(yè)，1997（3）：31

［15］Jaren Galan M，F(xiàn)letcher A E，Stavola BL De.Vitamin C is associated with reduced risk of cataract in a Mediterranean population［J］. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1999，47（9）：3558-3564

［16］林紅秀.玉米黃色素的超臨界CO2萃取及其性質(zhì)的研究［J］.鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（20）：57-60

［17］王威.玉米蛋白粉中黃色素提取工藝的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，1994（2）：36-40

［18］宋秀芹，馬建峰.玉米黃色素的提取［J］.河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1993 （4）：46-49

［19］Handelman G J，Dratz E A，Reay C C，et al.Carotenoids in human macula and whole retina［J］.Invest Opthalmol Vis Sci，1988，29（6）：850-55

［20］Yeum K J，Shang F M，Schalch W M.Fat-soluble nutrient concentrations in different layers of human cataractous lens［J］.Curr Eye Res，1999，19（6）：502-505

［21］NishinoH，TokudaH，SatomiY，etal.Cancerpreventionby carotenoids ［J］.Pure Appl Chem，1999，71（12）：2273-2278

［22］Keri L，Carpenter H，Veen C，et al.The carotenoids β-carotene，canthaxanthin and zeaxanthin inhibit macrophage-mediated LDL oxidation［J］.FEBS Lett，1997，401（2-3）：262-406

Biological Function and Application of Zeaxanthin

CHEN Yao，LUO Lan，WU Jiang*
（College of Agronomy and Resources and Environment，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

zeaxanthin；age-related macular degeneration；carotenoid

2015-04-14

天津市級(jí)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（201410061061）

陳垚（1993—），女（漢），本科，研究方向：生物技術(shù)。

吳疆（1976—），男（漢），副教授，主要從事食品生物技術(shù)研究。