類胡蘿卜素的研究進展

姜立，朱長甫，于婷婷，盛彥敏

（長春師范大學，吉林長春 130031）

1831年，德國化學家Wachenreder從胡蘿卜根中結晶分離得到一種碳水化合物類的色素并將其命名為“胡蘿卜素（carotene）”[1]。Berzeliu從落葉中分離提取出黃色的極性色素，將其命名為“葉黃素”。此后，隨著生物化學科技的發(fā)展，人類通過色譜分析等方法又分離出一系列天然色素，并將其命名為“類胡蘿卜素”（Carotenoids）[2]。

1 類胡蘿卜素概述

類胡蘿卜素是一類重要的天然色素的總稱，是一類呈黃色、橙色或紅色的具有多個共軛雙鍵的萜類物質，也是維生素A的主要來源。類胡蘿卜素一般是由8個頭尾相連的異戊二烯基團組成，其典型化學結構如圖1所示[3]。

圖1 類胡蘿卜素的典型化學結構

已知的類胡蘿卜素有700多種，有近40種是在人類的飲食中發(fā)現(xiàn)的，廣泛分布在果蔬等食物中。因其種類較多，所以有多種分類方式[4]。按照維生素A原可分為維生素A原類胡蘿卜素（如β-胡蘿卜素、番茄紅素、α-胡蘿卜素）和非維生素A原類胡蘿卜素（如β-隱黃質、葉黃素和玉米黃質）。典型的分類方式是依據(jù)其化學結構的元素組成，可分為胡蘿卜素和葉黃素兩類[5]，胡蘿卜素是只含C、H兩種元素的α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、γ-胡蘿卜素和番茄紅素等，葉黃素含有C、H、O三大元素，可形成羥基、酮基、羧基、甲氧基等含氧官能團，典型代表為葉黃素類[4]，目前研究較多的類胡蘿卜素包括β-胡蘿卜素、番茄紅素、葉黃素等。如圖2所示，為常見的類胡蘿卜素的結構示意圖[2,5]，表1為這些類胡蘿卜素的理化性質[2]。

圖2 常見類胡蘿卜素的結構示意圖

2 天然類胡蘿卜素的分布

2.1 類胡蘿卜素在高等植物中的分布

類胡蘿卜素是一種光合色素的輔助色素，在高等植物中廣泛存在，通常與葉綠素共存，在高等植物的葉綠體中主要是以光合色素-蛋白質復合體的形式存在。許多高等植物花瓣和果實的組織細胞中，由于存在類胡蘿卜素等化合物，會呈現(xiàn)出橙色或者黃色，如胡蘿卜、辣椒、玉米、番茄等。高等植物的葉子含有相同但比例不同的類胡蘿卜素，如β-胡蘿卜素、葉黃素、紫黃素、新黃質等[6]。

2.2 類胡蘿卜素在微生物中的分布

類胡蘿卜素在微生物中也普遍存在，包括真菌、向光性細菌和非向光性細菌等，如酵母、霉菌、紅螺菌等。利用水果蔬菜等生產類胡蘿卜素，有體積大、質量重、生長周期長等缺點，而微生物具有生長繁殖快、營養(yǎng)需求少、生長條件不苛刻等優(yōu)點，利用其生產天然的類胡蘿卜素，既能夠節(jié)約生產成本，又能提高生產效率。目前，生產類胡蘿卜素的真菌常用的是酵母和霉菌，細菌中利用較多的是光合細菌[6]。

2.3 類胡蘿卜素在藻類中的分布

類胡蘿卜素在藻類中含量十分豐富，尤其是β-胡蘿卜素含量最多。泥生顫藻（O.limosa）、地木耳（Nostoccommume）、巨大螺旋藻（Spirulina maxima）、柱胞魚腥草（Anabaena cylindrical）、水華魚腥草（A.variabillis）、佛氏綠膠藻（Chloroglocafrisschii）以及杜氏藻（Dunaliella）等都可以生產類胡蘿卜素。目前，主要是以杜氏藻來生產類胡蘿卜素，其含有的類胡蘿卜素主要有β-胡蘿卜素和黃體素，此外還有花藥黃素、玉米黃素、紫黃素、α-類胡蘿卜素以及順式γ-類胡蘿卜素等[6]。

3 類胡蘿卜素的作用功效

類胡蘿卜素是在光合生物中發(fā)現(xiàn)的一類具有抗氧化性的天然色素，是一類人和動物自身不能合成需要從外界攝取的一類色素[7]，也是體內維生素A的主要來源。類胡蘿卜素種類繁多，不同的類胡蘿卜素具有不同的生理功能，應用領域也非常廣泛[8]。

3.1 β-胡蘿卜素

β-胡蘿卜素作為胡蘿卜素中的主要成員，廣泛存在于橘紅色及綠色的水果蔬菜里，如綠色蔬菜、胡蘿卜、杏、土豆、成熟的南瓜、西葫蘆及芒果。在維生素A原的類胡蘿卜素中，β-胡蘿卜素具有最高的維生素A原的活性。β-胡蘿卜素具有抗氧化、抗癌、維生素A原、預防眼睛老年性黃斑病變、延緩衰老、提高免疫力等重要生理保健功能[9]。β-胡蘿卜素具有較強的抗氧化能力，可以清除自由基[10]。體內外實驗發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素在肝臟的炎癥反應、纖維化及肝硬化中都起著預防作用[11]。有文獻報道，β-胡蘿卜素可以通過抑制HCV RNA病毒的復制降低HCV導致的肝癌。飲食中的β-胡蘿卜素對肝臟的損傷有保護作用。補充β-胡蘿卜素可緩解野百合堿導致的小鼠肝臟脂肪變性、脂肪堆積、出血等癥狀[12]。

表1 常見類胡蘿卜素的理化性質

3.2 番茄紅素

番茄紅素是一種隸屬于胡蘿卜素色素的類胡蘿卜素，其作為異戊二烯化合物中四萜類的代表性物質，可以提高自身組織、細胞的抗氧化能力，增強免疫系統(tǒng)能力，有效維持人體健康[13]。研究表明，番茄紅素抗氧化作用強，對增強人體免疫力、預防和治療前列腺和心血管等疾病、防癌抗癌具有一定作用。其功效已逐步被人們所熟知和認可，目前已經(jīng)開發(fā)出一系列保健產品，具有廣闊的市場前景[13]。

3.3 葉黃素

葉黃素作為葉黃素的主要代表，在萬壽菊、菠菜、胡蘿卜等蔬菜中含量豐富。由于無法自身合成葉黃素，動物體內的葉黃素都是直接或間接從水果蔬菜中獲得[14]。

天然存在的類蘿卜素葉黃素是視網(wǎng)膜中黃斑色素的重要組成部分，可以過濾藍光，防止視網(wǎng)膜受損。研究表明，葉黃素的抗氧化作用和光過濾作用，在一定程度上可以保護視力，防止視力衰弱，預防白內障等眼科疾病[2]。還有研究表明，葉黃素還廣泛存在于大腦內的各個部分，其含量占腦部總類蘿卜素的59%且其濃度與嬰兒大腦發(fā)育和老年人認知功能存在正相關關系[15]。早產兒大腦中葉黃素的濃度顯著偏低，這可能是造成早產兒神經(jīng)發(fā)育缺陷的原因。且嬰兒早期體內葉黃素水平偏低也會增加神經(jīng)發(fā)育受損、視網(wǎng)膜色素上皮成熟、神經(jīng)組織氧化的應激風險[16]。研究發(fā)現(xiàn)，葉黃素通過降低炎癥因子的表達和增加超氧化物歧化酶來完成其在體內良好的抗氧化作用[17]。使用眼睛葡萄膜炎老鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，葉黃素可以緩解老鼠眼睛的氧化活性物質濃度，減低炎癥因子的表達，提示葉黃素在葡萄膜炎癥時可以通過去抗氧化作用保護視神經(jīng)細胞。有文獻報道，葉黃素可降低高膽固醇飲食喂養(yǎng)的幾內亞豬肝臟內的丙二醛及腫瘤壞死因子的含量[18]，同時降低核因子-κB DNA結合的活性。葉黃素的抗氧化作用可預防NAFLD。

因此不難發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素有兩大類主要功能，一類是與維生素A有關，一類是其非常強的抗氧化性，能有效清除氧自由基，因此可以預防和治療許多由于細胞或組織內過量的氧化自由基所導致疾病的發(fā)生。例如，在預防和治療光敏性疾病、心血管疾病、白內障、癌癥等疾病上起到重要作用[19]。類胡蘿卜素具有氧化性，還可以參與到氧化應激及炎癥反應中，其可以保護細胞免于氧化活性物質的氧化損傷[10]。通過臨床研究觀察發(fā)現(xiàn)，蝦青素的抗氧化性也可以減少血清中的脂質等[20]。

此外，類胡蘿卜素還有一些其他功能，如利用類胡蘿卜素的著色效果，可以在禽類養(yǎng)殖中提高蛋黃中的色素沉積，從而提高禽蛋的品質和食用效果[21]。在動物飼料中添加一定量的類胡蘿卜素，有利于改善動物體色和羽毛顏色，增加觀賞性[2]；也有利于提高動物的生產性能、機體免疫力、繁殖效率等[3-4]，對增加養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益具有一定的推動作用[22]。例如，水產動物的體色受環(huán)境條件影響，在內分泌和神經(jīng)系統(tǒng)的控制下表現(xiàn)出不同顏色。而從飼料中吸收的類胡蘿卜素可在魚體內轉變?yōu)槠渌惡}卜素沉積在魚體內，使魚類顯示出固有顏色和肉色，這對提高經(jīng)濟動物的觀賞性和產品質量有非常大的意義[21]。

4 結語

類胡蘿卜素是一類種類繁多、具有多種功能的天然色素，特別是作為一類抗氧化劑，可以幫助人們延緩衰老、預防腫瘤癌癥等。類胡蘿卜素不能由人體自身合成只能從外界獲取，但其對于人類的健康起著非常重要的作用?；陬惡}卜素種類和功能的多樣性，了解類胡蘿卜素在生活中的分布、分類和典型類胡蘿卜素的功能，對人們合理選擇和利用類胡蘿卜素有重要意義。