玉米黃質的生物學功能及其應用

陳垚，羅蘭，吳疆（天津農學院農學與資源環境學院，天津300384）

玉米黃質的生物學功能及其應用

陳垚，羅蘭，吳疆*
（天津農學院農學與資源環境學院，天津300384）

玉米黃質是一種在體內具有重要生物學功能的食品來源色素，它在預防老年性黃斑變性（AMD）中發揮了重要的作用。綜述了玉米黃質作為類胡蘿卜素所具有的重要生物功能，體內玉米黃質的生物合成途徑以及分離提取玉米黃質的進展。

玉米黃質；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，并且在其結構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、新黃質、紫黃質，屬于類胡蘿卜素的氧化衍生物［2］。玉米黃質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登記號為144-68-3。玉米黃質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中［3-4］。玉米黃質本身不具有維生素A的活性，但是它與其同分異構體葉黃質在預防老年性黃斑變性（AMD）中發揮了重要的作用［5-6］。玉米黃質被廣泛的用于食品添加劑，并且在食品工業中，常用在給肉類食品的著色上。

1　玉米黃質的生物學特性

1 g玉米黃質可以溶于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。玉米黃質溶于硫酸，可以形成相當穩定的深藍色化合物。玉米黃質是一種多烯化合物，含有9個交替出現的共軛雙鍵，在其碳骨架的兩個末端，各有一個含有羥基的紫羅酮環。

玉米黃質與葉黃質是一對同分異構體，唯一的不同點在于紫羅酮環中雙鍵位置分布的不同。玉米黃質與葉黃質廣泛存在與人體當中，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，但是只有玉米黃質和葉黃質集中出現在人眼睛內部視網膜的中央位置，在臨床上被稱為黃斑。人體自身無法合成玉米黃質，必須通過膳食攝入。綠色蔬菜是葉黃質的主要來源，但是其中的玉米黃質含量較少，玉米黃質主要來源于黃色玉米、柑橘、藍莓、枸杞和雞蛋黃。在1962年，Jungalwala等［7］發現在金鳳花的花藥中，玉米黃質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，其果實中蘊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成熟期間的特異性表達有很密切的聯系，它的玉米黃質二棕櫚酸酯含量達到1 000 mg/kg濕重。很少有微生物合成玉米黃質，但是黃桿菌卻可以合成大量玉米黃質，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，蝦青素為玉米黃質的下游代謝產物［7］。

2　玉米黃質的生物合成途徑

玉米黃質屬于含氧類胡蘿卜素，是在類胡蘿卜素的末端環狀結構引入功能多樣的含氧基團而產生的，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、酮基化酶和環氧酶等。通過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、新黃質、紫黃質等。最常見的類胡蘿卜素氧化反應是β-胡蘿卜素和α-胡蘿卜素的羥化反應，前者形成了玉米黃質，后者形成了葉黃質。β-胡蘿卜素羥化酶和ε-環羥化酶共同催化α-胡蘿卜素發生反應生成了葉黃質［8］，葉黃質是植物光合作用器官中重要的組成成分。β-胡蘿卜素在連續的兩步由β-胡蘿卜素羥化酶催化的反應中，形成了玉米黃質［9］。玉米黃質隨后在玉米黃質環氧酶（ZEP）的催化下生成花藥黃質，進一步在ZEP的催化下生成紫黃質。在植物葉片細胞中，還存在一種與ZEP的催化功能正好相反的紫黃質脫環氧酶（VDE），它催化上述反應的逆反應過程［10］。玉米黃質和花藥黃質與紫黃質在ZEP與VDE的催化下發生可逆的相互轉化反應，這一過程被稱為葉黃素循環（xanthophyll cycle）。ZEP 和VDE是在植物中最早被發現的脂質轉運蛋白［11］。在新黃質合成酶的催化作用下，紫黃質被轉化為新黃質。新黃質合成酶已經從馬鈴薯和蕃茄中克隆出來，并且研究表明它們有很高的同源性。紫黃質與新黃質都是植物脫落酸（ABA）生物合成的前體物質。

3　基因工程操作提高生物體玉米黃質含量

目前，很多研究集中在提高玉米黃質含量，對植物體抵抗外界逆境的影響方面，例如Davison等［12］在2002年報道，提高擬南芥細胞內玉米黃質含量，可以使轉基因擬南芥提高對外界紫外線的抵抗作用。提高人來主糧中玉米黃質的含量也是現在研究的熱點。在2002年，Romer等［13］利用基因工程的方法，構建了轉反義玉米黃質環氧化酶基因的轉基因土豆，這個酶能夠催化玉米黃質發生反應生成紫黃質。結果表明，轉基因土豆中，玉米黃質的含量大大提高了，可以達到非轉基因土豆的100多倍。

4　玉米黃質的分離提取及檢測方法

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胚中［14］。玉米黃色素有油狀液體和粉狀固體兩種產品，液體產品常溫下為血紅色油狀液體，固體產品為黃色粉末，均難溶于水，易溶于植物油、乙醇和一些溶劑，目前多數研究都采取有機溶劑萃取法和超臨界二氧化碳萃取法。國內外的專家和學者對玉米黃色素的提取方法和工藝進行了一定的研究。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，發現較高的萃取體積、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、分離壓力及操作時間、二氧化碳流量對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，發現1%溶液對光敏感，在40℃下較穩定，在低溫下或添加到固體食品中穩定性很好［17］。姚艾東研究確立了玉米黃色素提取的方法和工藝條件，其次對玉米黃色素應用中的各種影響因素進行了分析，提出了應用的最佳工藝條件。張存勞介紹了一種對玉米淀粉廠副產品蛋白粉（黃漿粉）生產玉米黃色素的生產方法，采用有機溶劑萃取的方法。宋秀芹等從浸提溶劑、溫度、時間及提取次數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，利用不同的檢測系統，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，在流動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和葉黃質最常用的色譜柱。同時，要注意色譜柱溫度的設定，不同的溫度對于類胡蘿卜素的保留時間產生很大的波動。

5　玉米黃質的應用

5.1預防老年性黃斑變性（AMD）

AMD是造成成年人視力發生不可逆轉性失明的主要原因，這主要是由于視網膜中央位置的黃斑退化導致的。玉米黃質在預防AMD中發揮了重要作用，它不是通過代謝過程產生維生素A來發揮作用吧，而是通過其抗氧化活性吸收高能藍光的能量，從而阻止損傷的發生［19］。

5.2預防白內障

白內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痛過程中視力下降，以至于失明。有研究表明在新生成的晶狀體上皮組織細胞當中，玉米黃質的含量是在晶狀體內部較老細胞中的3倍。上皮阻止包含了晶狀體50%的細胞，卻含有晶狀體74%的玉米黃質，這被認為玉米黃質可以通過抑制氧化損傷從而阻止白內障的發生［20］。

5.3抗癌

有研究表明玉米黃質具有抗癌的功能，在C3H/He雄性小白鼠中的自發性肝癌中，如果給小白鼠喝的水當中添加0.005%的玉米黃質，發現肝癌被抑制了［21］。

5.4抑制低密度脂蛋白氧化

在巨噬細胞介導的低密度脂蛋白（LDL）氧化過程中，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，玉米黃質與人類的巨噬細胞和LDL共同培養24 h，發現LDL的氧化過程被有效抑制，表明玉米黃質有可能減緩動脈粥樣硬化的過程。

6　結論

玉米黃質在預防AMD、白內障、低密度脂蛋白的過氧化方面具有重要的保護作用，所以在膳食中增加玉米黃質的攝入量，對于人體健康是非常有益的。目前，已有很多報道使用微生物發酵的方法生產玉米黃質，隨著高產玉米黃質菌種的選育和玉米黃質分離純化條件的研究，將使玉米黃質成為一種重要的功能性食品添加劑。

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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“大學生創新創業訓練計劃”項目（201410061061）

陳垚（1993—），女（漢），本科，研究方向：生物技術。

吳疆（1976—），男（漢），副教授，主要從事食品生物技術研究。