類胡蘿卜素研究進展

張冠華，刁倩楠

(1.赤峰市農牧業綜合檢驗檢測中心，內蒙古 赤峰 024000；2.上海市農業科學院 園藝研究所，上海 201403)

1 類胡蘿卜素命名及分子結構

1831年，德國Wachenreder首次于胡蘿卜根莖分離得到一種碳水化合物色素命名“胡蘿卜素”[1]；接著，Berzeliu又于落葉中分離出一種黃色的色素命名“葉黃素”[2]。隨著社會發展進步，國內外學者通過各種技術方式不斷發現分離一系列其他天然色素，統稱為“類胡蘿卜素”[3]。這些類胡蘿卜素具有共同的分子結構特點即通過共扼雙鍵將8個異戊二烯基團組成的一類化合物或其氧化衍生物[4]，其典型化學結構如圖1所示[5]。類胡蘿卜素普遍存在于色素中的黃色、橙色、紅色中，具有只吸收藍紫光的光吸光性，在400~500 nm內光吸收性最強。類胡蘿卜素的共軛雙鍵結構決定其存在體的顏色變化，含有的共軛雙鍵越多顯現的顏色更接近紅色[6]。另外，通過對柑橘、番茄、枇杷和枸杞等研究顯示類胡蘿卜素的含量不同能夠引起顏色變化。

圖1 類胡蘿卜素典型化學結構

2 類胡蘿卜素分類及理化性質

目前己發現的自然界類胡蘿卜素已高達700多種，其中約60多種存在于人們日常飲食中的水果蔬菜等食物中，另外，人體血液中也有部分存在。類胡蘿卜素依據其化學結構的元素組成及理化性質，可分為胡蘿卜素和葉黃素兩類[7]。由碳、氫兩種元素構成的胡蘿卜素具體包括α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、γ-胡蘿卜素和番茄紅素等[8]；葉黃素則由碳、氫、氧三大元素構成，可形成環氧基、羥基、酮基、羧基、甲氧基等多種含氧官能團，如葉黃素、玉米黃質、紫黃質和蝦青素等[9]。類胡蘿卜素根據維生素A原的作用分為維生素A原類胡蘿卜素和非維生素A原類胡蘿卜素[7]。維生素A原類胡蘿卜素包括α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和β-隱黃質等；非維生素A原類胡蘿卜素包括葉黃素和玉米黃質等。典型類胡蘿卜素（β-胡蘿卜素、葉黃素）結構示意圖如圖2所示[3]。

圖2 典型類胡蘿卜素結構示意圖[3]

類胡蘿卜素作為大分子親脂性有機化合物，不溶于水易溶于有機溶劑。具有含氧基團結構的類胡蘿卜素，極性較強，更易溶于極性較強的有機溶劑中，如丙酮、乙醚、三氯甲烷、甲醇等；而不具有含氧基團的碳、氫結構類胡蘿卜素，則易溶于極性較小的有機溶劑，如石油醚等。類胡蘿卜素在氧、酸以及強光、高溫等環境中理化性質不穩定但在堿性環境下除蝦青素相對穩定[10]。

3 類胡蘿卜素的合成及代謝

到目前為止，類胡蘿卜素的代謝酶催化途徑已日趨明了，具體代謝途徑如圖3所示[27]。牻牛兒牻牛兒基焦磷酸(GGPP)作為類胡蘿卜素合成的直接前體，經過八氫番茄紅素合成酶(PSY)、八氫番茄紅素脫氫酶(PDS)、ζ-胡蘿卜素異構酶(ZISO)及ζ-胡蘿卜素脫氫酶(ZDS)共同催化作用下形成番茄紅素。β-胡蘿卜素和葉黃素都是由番茄紅素經過一系列代謝轉化而成的，番茄紅素在番茄紅素ε環化酶作用下先生成δ-胡蘿卜素，繼而在番茄紅素β-環化酶作用下生成α-胡蘿卜素，再進一步轉化生成葉黃素；另一方面，番茄紅素在番茄紅素β-環化酶作用下先生成單環的γ-胡蘿卜素，然后轉化成雙環的β-胡蘿卜素[11]。α-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素羥化酶（BCH）和ε-環羥化酶（ECH）等酶的催化作用下生成葉黃素。β-胡蘿卜素經過BCH羥基化生成玉米黃質，然后在玉米黃素環氧酶（ZEP）的作用下生成紫黃質，紫黃質在新黃質合成酶（NSY）的催化下生成新黃質，紫黃質和新黃質被認為是ABA合成的前體物質。

圖3 類胡蘿卜素代謝途徑示意圖[27]

4 影響類胡蘿卜素合成的因素

類胡蘿卜素的代謝受內因、外因等多種因素影響，其中光照、溫度、激素、營養以及發育信號等環境因素對類胡蘿卜素的合成影響深遠[12]；而從其自身分子調控的角度來看，是由于代謝路徑相關基因的表達、蛋白豐度或者活性發生了變化，進而引起一系列相關代謝物合成的含量和組分隨之發生改變。Karppinen發現越橘中主要積累葉黃素和β-胡蘿卜素，其果實發育過程中Psy,Pds,Zds,Crtiso,Lcyb,Lcye,Bch CYP450-Bch和Ccd1的表達量與其果實類胡蘿卜素含量相關。枇杷果實中類胡蘿卜素的大量積累與Psy的表達和質體發育有關。類胡蘿卜素合成的轉錄調節還受幾類轉錄因子的控制，包括PIF1（光敏色素互作因子1）轉錄因子、HY5轉錄因子和乙烯響應因子RAP2.2轉錄因子，均被報道能夠與限速酶PSY結合，控制PSY基因的表達從而改變類胡蘿卜素的含量[13]。此外，NAC轉錄因子、乙烯相關的EIN轉錄因子、MYB轉錄因子也能通過直接結合啟動子而發揮作用。盡管參與植物體內類胡蘿卜素生物合成與代謝途徑中的相關酶和基因已經被廣泛研究，但對植物中類胡蘿卜素形成過程中復雜的調控以及遺傳機制仍然認識不足。

5 類胡蘿卜素的分布

研究發現，自然界天然類胡蘿卜素，普遍存在于植物中，少量存在于真菌、藻類、細菌及少數動物體內，人體不能自主合成類胡蘿卜素，只能從水果、蔬菜等食物中獲得。

5.1 類胡蘿卜素在植物中的分布

大部分植物中都含有類胡蘿卜素，但不同植物甚至不同部位所含類胡蘿卜素的種類及比例不同[10]。在植物葉片中，類胡蘿卜素作為光合輔助色素以光合色素-蛋白質復合體的形式與葉綠素共存，參與光合作用。另外，植物的花瓣或果實呈現出橙色、黃色、紅色，如胡蘿卜、柑橘、番茄等果蔬，就是由于類胡蘿卜素的存在導致的。

5.2 類胡蘿卜素在微生物中的分布

真菌、細菌等微生物中也都有類胡蘿卜素的存在，其中具有代表性的就是酵母、霉菌、紅螺菌等。由于微生物具有生長快、營養需求少、對環境要求低等特點，利用微生物生產天然類胡蘿卜素可大大提高生產效率。目前，利用微生物生產類胡蘿卜素較多的真菌是酵母和霉菌[14]；細菌中利用較多的是光合細菌[10]。光合細菌體內具有雙層膜的類似植物葉綠體的結構即細菌葉綠素，主要含有視紫紅醇、番茄紅素等類胡蘿卜素[10]。

5.3 胡蘿卜素在藻類中的分布

藻類中也含有類胡蘿卜素，尤以β-胡蘿卜素最多。目前，利用地木耳、巨大螺旋藻、魚腥草、杜氏藻等都可高產類胡蘿卜素[15]。其中利用率最高的是杜氏藻類，主要存在于淡水以及鹽等高濃度的環境中，含有β-胡蘿卜素、黃體素、玉米黃素及α-類胡蘿卜素等[10]。1983年美國MicrobioResource公司率先利用杜氏藻生產類胡蘿卜素并取得顯著成效，自此將杜氏藻生產類胡蘿卜素推向高潮。我國于20世紀80年代后期，首先由天津鹽業研究所在塘沽進行試行生產[10]。

5.4 類胡蘿卜素在動物中的分布

水產品中肉質粉紅的魚類、魚卵以及無脊椎動物，如鮭魚、蝦、軟體動物殼等含有大量類胡蘿卜素，主要是角黃素和蝦青素[16]。牛體內及其附屬產品如牛奶、奶油和奶酪等也含有一定量的類胡蘿卜素，一般與季節變化相關，在初夏大量進食優質牧草時類胡蘿卜素含量高；母雞體內及雞蛋也含有類胡蘿卜素如玉米黃素和葉黃素等，主要是與喂食的飼料有關[17]。

6 類胡蘿卜素的作用

類胡蘿卜素具有維生素A活性、預防癌癥、調節免疫力、延緩衰老等多種功效，對機體具有重要的生理調節和疾病預防作用。

6.1 類胡蘿卜素是維生素A原

維生素A作為脂溶性維生素，是機體正常代謝和維持機能不可缺少的微量營養素,具有保護視力、抗感染、調節免疫、促進生長發育等功能；其缺乏會導致表皮及粘膜上皮變厚、干燥、脫屑、發生皺紋等，引起夜盲癥、干眼癥、癌癥、心臟病、眼疾等，另外，也會引起腹瀉、呼吸疾病等多種疾病[18]。植物中不含有維生素A，但許多蔬菜和水果中卻含有豐富的維生素A原，其中類胡蘿卜素就是重要的維生素A前體，目前已發現50多種類胡蘿卜素具有該功能，發現最早，關注最多的β-胡蘿卜素，1919年被Steenkbock最先發現β-胡蘿卜素可能具有維生素A活性，在隨后的不斷研究中發現，β-胡蘿卜素是食物中分布最廣、含量最豐富，維生素A原活性最強，并得到廣泛應用的類胡蘿卜素之一[19]。β-胡蘿卜素缺乏時會引起夜盲癥，甚至造成角膜潰瘍、晶體脫落至失明等眼部重大疾病[20]。α-胡蘿卜素和β-隱黃質雖也具有維生素A前體功能，但其轉化率較β-胡蘿卜素產量僅為它的一半。

發展中國家維生素A缺乏的嚴重問題迫在眉睫，據世界衛生組織報道，每年至少有200萬人死于維生素A缺乏，而且多為學齡前兒童[5]，尤其在非洲這個問題更加嚴峻，每年有高達近1萬多名兒童為此失明[21]。在我國嬰兒出生之始到至少三歲便要求給孩子額外補充維生素A制劑。

6.2 類胡蘿卜素預防癌癥的作用

機體細胞電子被搶奪是萬病之源，自由基就是一種缺乏電子的物質，生物系統中一旦形成高度活潑的自由基后，就開始在機體內爭奪細胞蛋白分子電子，隨后繼續引發相鄰分子爭奪電子的連帶反應，使細胞蛋白分子逐漸轉畸變分子，進而誘發癌癥。

越來越多的研究證實，類蘿卜素醫療效果顯著，尤其具有防癌、抗癌的作用[22]，癌癥防治過程中，不但抑制多種癌癥的發生，也能使癌癥致死率降低20%~30%[23]。β-胡蘿卜素能夠預防治療一些癌前病變，如口腔癌、鼻咽痛、肺痛等，進一步避免相關癌癥的發生。番茄紅素是有效的單線態氧淬滅劑，也具有抗癌作用，尤其對防治乳癌、子宮內膜癌和肺癌具有顯著療效。

6.3 類胡蘿卜素具有調節免疫作用

免疫系統具有抵御細菌、病毒等有害物質侵入機體引起感染，同時對已入侵的有害物質也有識別、殺滅的作用[20]。類胡蘿卜素具有較強的調節機體免疫功能，20世紀80年代初seifter最早發現類胡蘿卜素可能具有增強免疫活性的功效[24]；1991年Benidhc發現，類胡蘿卜素可直接提高B細胞活力的同時，也可提升淋巴輔助T細胞、協助B細胞產生抗體的能力[25]；還可以通過增加自然殺傷力，進而達到不斷清除病原，消除感染細胞以及癌細胞的目的。隨后多種類胡蘿卜素的免疫調節功能陸續被證實并得到廣泛應用，如β-胡蘿卜素、番茄紅素、玉米黃質等，不久將來還會有更多類胡蘿卜素被廣泛應用于醫療領域。

6.4 類胡蘿卜素可延緩衰老

機體中存在一定數量高度活躍的自由基后，就會損傷正常細胞的細胞膜，引發一系列細胞功能急劇下降的連鎖反應，導致機體快速衰老。類胡蘿卜素，尤其是β-胡蘿卜素具有明顯的消除自由基、延緩衰老的功效，另外，對于冠心病、血栓等疾病也有積極地防治作用[26]。葉黃素和玉米黃素對消除自由基，保持皮膚水性、彈性也具有重要作用，數據顯示機體每天口服葉黃素和玉米黃素混合物6 mg，即可顯著降低皮膚脂肪中的過氧化物，增強皮膚水性及彈性。

6.5 其他作用

另外，流行病學調查發現，類胡蘿卜素中的β-隱黃質能有效降低骨質疏松癥和風濕性關節炎的發生幾率。

類胡蘿卜素還作為飼料添加劑，對動物正常生長發育具有特殊意義，如常見的“無癥狀”發熱、延期排卵、卵泡囊腫、黃體減少以及胎盤停滯、繁殖發育障礙等癥狀，添加后均可得到很大程度的改善。另外，產蛋雞在添加富含類胡蘿卜素的飼料后，提高產蛋率的同時蛋黃顏色也會加深，提高其營養價值。

類胡蘿卜因其具有著色力強、色澤穩定均勻，被廣泛應用于各個領域，并被我國列入食品標準。如作為飲料、糖果等食品找色劑、與兒童食品營養配伍以及用于藥品糖衣片著色等。

7 結語

總之,類胡蘿卜素具有可利用率高、作用功能大、應用范圍廣的優勢，雖然已通過分子生物學、基因工程等多種研究手段，對類胡蘿卜素的生物合成途經及關鍵調控酶進行闡明，但由于類胡蘿卜素種類過于多，而且仍有許多類胡蘿卜素至今尚未被發現，加之類胡蘿卜素在不同領域其具體用量及分子調節機制的不同方式尚不明確，這就決定了類胡蘿卜素仍是當下科研工作中的重點、難點和熱點。