紫薯中花色苷及色素抗氧化性能的密度泛函理論研究

公維娟，馬秀秀

(齊魯理工學院 化學與生物工程學院，山東 濟南 250200)

花色素是一種水溶性色素，基本結構單元為2-苯基苯并吡喃陽離子，又稱為類黃酮類化合物，其化學性質不穩定，易與糖結合成為花色苷[1-2]。研究表明，花色素及其不同糖苷具有抗氧化、抗突變、保護肝臟、預防心血管疾病等作用[3-6]，是一種具有保健作用的色素，在食品、化妝品等行業中被廣泛應用[7]。紫薯屬旋花科草本植物，含有豐富的花色苷。陳文等，利用了LC-MS/MS方法來分離了紫薯中存在的花色苷，并且鑒定了花色苷的含量，結論顯示紫薯中含量最大的兩類花色苷分別是芍藥類和矢車菊類[8]，但對其抗氧化活性的強弱和機制報道較少。量子化學對于一些物質化學現象的微觀本質的正確解釋，可以很好的預測物質抗氧化活性強弱。基于以上研究，本文選取了紫薯中存在的兩種花色苷和花色素：芍藥-3-葡萄糖苷，矢車菊-3-葡萄糖苷，芍藥色素，矢車菊色素(見圖1)，運用密度泛函理論方法，從分子幾何結構及參數、羥基解離能、前線軌道能級三個方面，對紫薯中兩種花色苷和兩種花色素的抗氧化活性進行了理論評價。

圖1 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素的結構式

1 計算方法

密度泛函理論以其精度高且計算速度快的顯著性優勢被廣泛應用于大分子的計算[9-10]。本文選用Gaussian 09W作為計算軟件，采用混合函數[11]及Lee，Yang和Parr相關函數[12]B3LYP方法在6-31G(d)基組水平上對紫薯中芍藥色素和矢車菊色素及其糖苷進行了優化計算，基于四種化合物酚羥基的O-H鍵長、BDE、HOMO和LUMO的能級及結構、△E(LUMO-HOMO)等量子化學參數，詳細分析了兩種花色素及其糖苷的抗氧化活性規律。

2 結果與分析

2.1 分子的幾何構型和結構參數

用B3LYP/6-31G(d)方法優化后的矢車菊色素、芍藥色素、矢車菊-3-葡萄糖苷、芍藥-3-葡萄糖苷的分子幾何結構見圖2，主要結構參數見表1。

圖2 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素的最優結構式 表1 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素主要結構參數(鍵長(?)二面角(°)

由圖2可以看出矢車菊-3-葡萄糖苷與芍藥-3-葡萄糖苷分子、矢車菊色素與芍藥色素分子的取代基除了C5'位置上不同之外，其他位置的取代基數目和種類別無二致，因此可將其兩兩一組進行比較。按照分子價鍵理論可知：化學鍵鍵長越長，鍵能越小，化學鍵越容易斷裂，化學性質就顯得越活潑。

從表1可知芍藥-3-葡萄糖苷和芍藥色素均是C4'位置的酚羥基鍵長最大，鍵強度最弱，此處酚羥基氫原子最容易失去，抗氧化活性最強。而矢車菊-3-葡萄糖苷和矢車菊色素則是C5'位置的酚羥基鍵長最大，結合圖2可知，形成原因是矢車菊-3-葡萄糖苷和矢車菊色素在C4'位置酚羥基O與C5'位置酚羥基H形成了分子內氫鍵，拉長了C5'位置酚羥基鍵長，但減弱了C5'位置酚羥基的活潑性，因此抗氧化活性也是C4'位置的酚羥基最強。兩種色素的C3、C5和C7位酚羥基與兩種花色苷的C5和C7位酚羥基鍵長并無明顯差別，都有一定的抗氧化活性。

分析同種色素和C3位葡萄糖苷的酚羥基鍵長可知，不論是芍藥色素還是矢車菊色素，均是色素酚羥基鍵長長于對應位糖苷的鍵長，色素的抗氧化活性要優于糖苷的抗氧化活性。從圖2的優化結構和表1二面角參數可以觀察到，矢車菊色素與芍藥色素的優化分子結構均近似于平面結構，有利于電子離域。但是矢車菊-3-葡萄糖苷與芍藥-3-葡萄糖苷C環與B環存在20°～40°左右的二面角，不是共軛的平面結構，因此花色苷的抗氧化活性較弱。

2.2 前線軌道能量分析

福井謙一提出的前線分子軌道理論在學術界中得到了不少人的認可，他以科學地方式有效地指出了分子最高占據軌道(HOMO)和分子最低空軌道(LUMO)彼此間存在的相互作用[13]。在發生化學反應時，HOMO的能量越高，該軌道中的電子越不穩定，給出電子越容易；LUMO的能量越低，該軌道越容易接受電子；△E(LUMO-HOMO)作為兩軌道的能級差，反映了電子從HOMO向LUMO躍遷所需要的能量，差值越大，反應越難發生。四種化合物的前線軌道結構圖和軌道能級的相關數據分別列于圖3和表2。

圖3 兩種花色苷和兩種花青素的前線軌道結構圖

表2 四種化合物的最高占據軌道能級和 最低空軌道能級及其能級差(a.u.)

通過圖3我們能夠較為直觀的看到參與反應的軌道分布情況，四種化合物分子的HOMO和LUMO主要集中在苯環、C-O及酚羥基上，是離域的共軛軌道，而糖苷上的原子對前線軌道沒有貢獻，因此糖苷上的羥基不具備抗氧化活性，這一點在其他研究中也有體現[14]。因此在表1中分析鍵長數據時沒有把糖苷上的羥基鍵長列入。

從表2中可以看出，兩種花色素的△E(LUMO-HOMO)均小于對應的花色苷的△E(LUMO-HOMO)，花色素的活性更強，與前面鍵長數據相一致。矢車菊-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)小于芍藥-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)，矢車菊色素的△E(LUMO-HOMO)同樣小于芍藥色素的△E(LUMO-HOMO)，因此不論是花色素還是花色苷，均是矢車菊類的抗氧化活性較強，分析其分子結構可知，矢車菊類的C5'位為酚羥基，而芍藥類的C5'位為甲氧基，兩者結構的不同，導致了酚羥基數目不同，數目越多，活性越強，因此矢車菊類的活性較高，這與其他文獻的結論相一致[15]。因此四種化合物的活潑性為：矢車菊色素>芍藥色素>矢車菊-3-葡萄糖苷>芍藥-3-葡萄糖苷。

2.3 酚羥基解離能BDE

研究表明，黃酮類化合物具有抗氧化能力的機理其實是氫原子轉移機制。解離能(BDE)的高低決定了其抗氧化能力的效果，氧氫鍵中的鍵離能越低，其去氫反應更容易發生，抗氧化能力越強[16]。酚羥基的解離能可以通過下述公式來計算：BDE=Ep+EH-Er ，其中Ep、EH、Er分別代表了相關自由基的能量、氫原子的能量和四個化合物分子的能量。

表3 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素不同位置酚羥基解離能BDE(a.u.)

由表3中的數據可知，四種化合物均是C4'位BDE值最小，C4'是起抗氧化作用的活性位點，這與前文中鍵長數據的結論相一致。A環上的C5位BDE值小于C7位，C5位比C7位活性稍強。兩種花色素中，矢車菊色素BDE<芍藥色素BDE，抗氧化能力矢車菊色素>芍藥色素；矢車菊色素-3-葡萄糖苷BDE<芍藥色素-3-葡萄糖苷BDE，抗氧化能力矢車菊色素-3-葡萄糖苷>芍藥色素-3-葡萄糖苷，這與前線軌道的分析結論相一致。

3 結論

結合四種化合物優化后的分子幾何構型、結構參數、前線軌道、羥基解離能的分析， C4'位酚羥基抗氧化能力最強，是清除自由基反應的最大活性位點，其它位酚羥基也都具有一定的抗氧化能力，且C5位活性略高于C7位；矢車菊色素抗氧化活性大于芍藥色素，矢車菊色素-3-葡萄糖苷抗氧化活性大于芍藥色素-3-葡萄糖苷；C3位糖苷上的酚羥基不具有抗氧化性能，因此總體上花色素抗氧化性能要優于花色苷。