一种前景广阔的天然食品着色剂——叶黄素
2010-08-12 21:48:39   来源：本站原创   评论：0 点击：

 张慧 李涛 徐公世
       (青岛大学天然产物研究所,青岛266071）


       类胡萝卜素(Carotenoids)是指胡萝卜素(Carotene)和叶黄素(Xanthophylls)两大类色素的总称[1] 。

       在已知的六百多种类胡萝卜素中,被多数国家批准使用于食品、饲料、药物以及化妆品的类胡萝卜素有10多种,其中最主要的有黄体素(Lutein)、玉米黄素(Zeaxanthin) 。其中黄体素和玉米黄素组成的树脂被习惯成为叶黄素 。

       叶黄素是一种无维生素A活性的类胡萝卜醇,其分子式为C40H56O2,易溶于氯仿、二氯化碳,可溶于正己烷,微溶于醇、醚 。其稳定性受物理、化学及生物因素的影响较大,例如光辐射、高温、酸、碱、游离卤素、水分状况等,但氧是影响其稳定性的主要因素,特别是纯的结晶产品更易被氧化破坏[2];因而在保存时要将黄体素结晶纯品或含黄体素的材料密闭真空或充入惰性气体包装,避免光照并且低温保存 。

       黄体素和玉米黄素互为结构同分异构体,同属于脂环族叶黄素 。它们分别是A2萝卜素和B2胡萝卜素的3,32二羟基衍生物,其结构式分别如下图所示:
 
      1 叶黄素的分布和来源

       叶黄素和玉米黄素在自然界分布广泛,含量也较高,一些绿色蔬菜水果如卷心菜、菠菜、莴苣、绿豆、油菜中均富含叶黄素,但该类植物中同时也含较多的叶绿素、B2胡萝卜素及其他类胡萝卜素的环氧、氧代衍生物,遮蔽了叶黄素和玉米黄素的色泽;黄体素是绿叶中主要的类胡萝卜素;玉米黄素的分布极其广泛,它一般与黄体素是伴生在一起的 。在大多数植物中,黄体素的含量均大于玉米黄素;仅在玉米中玉米黄素的含量高于黄体素 。此外一些黄橙色水果如芒果、木瓜、桃子、南瓜等也均富含叶黄素和玉米黄素[5] 。
 
       经过人们长期的寻找发现,万寿菊花中黄体素和玉米黄素的含量极高,其它类胡萝卜素杂质少,易于分离纯化,可作为工业生产的良好来源 。万寿菊花(Marigold.Tageteserectal),又名金盏草(或金盏花),一年生草本,粗壮直立,高约60cm,叶对生,羽状深裂,裂片矩圆形或极针形 。头状花序单生,黄色至橙色,直径5~10cm 。种子繁殖,夏秋连续采摘 。采摘后,在闭光发酵池中在发酵菌群的作用下发酵,再经压榨、干燥、粉碎、制粒等加工工序,可使总类胡萝卜素的含量达到15)25克/公斤,成为提取叶黄素的最佳原料 。

       万寿菊花的种植源于美国和欧洲,当前主要种植国是印度、墨西哥、非洲和中国 。我国20世纪90年代由山东诸城和四川新希望率先引进种植 。经过多年的种植探索,现在地域广阔,主要分布在黑龙江、吉林、山东、新疆、甘肃、宁夏、内蒙、山西、四川等地 。其中,因为黑龙江、吉林和新疆等地土质肥沃、昼夜温差大、光照充足、气候干燥等地域特征,特别适合种植万寿菊花,产量大、色素含量高,种植面积逐年增长 。据统计,2001年全国种植约15万亩,2002年全国种植20万亩,2003年预期可达到25万亩 。年均亩产鲜菊花1500公斤~2500公斤,市场鲜花销售每公斤0.4元~0.6元人民币 。农民每亩收入在1000元人民币以上,所以农民的种植热情高涨,各地政府也把万寿菊花的种植成是扶贫项目,朝阳产业来办 。我国是一个发展中的农业大国,万寿菊花更适合于我国东北、西部地区等地种植,我国具有廉价的农村劳动力,且万寿菊花的种植成本相对较低,具有国际市场竞争力 。

       2 叶黄素的生理功效

       2.1 叶黄素着色作用

       叶黄素突出生理作用是其卓越的着色能力 。人们主要把含叶黄素的材料作为饲料添加剂[6],用在家禽、水产动物和鸟的蛋黄、皮肤、羽毛以及肉的着色上 。在世界许多国家和地区,特别是美国和许多亚洲国家的消费者,由于习惯和心理作用,多数人偏爱金黄色或橙红色的蛋黄,喜欢金黄色皮肤的禽类、软红的肉质,并且往往从蛋黄的色泽判断蛋品的营养价值和新鲜程度 。消费者根据经验将黄色的皮肤视为肉质和风味较好的肉鸡的标志,直接影响产品的售价 。因此在现代养禽业中,饲料公司为迎合市场的需要,往往在饲料中添加超常量的合成商品着色剂,不仅使成本大大增加,且对人类健康不利 。因此,生物来源的含叶黄素和玉米黄素的材料就成为天然饲料着色剂的主要来源,其研究日益受到关注 。在以此为饲料的家禽中,禽蛋上有70%的色素为叶黄素,而且当禽蛋煮熟后其着色效果并无变化[7] 。因为其良好的着色能力和稳定安全等特性,在欧美等国家已经把叶黄素列为食品着色剂,赋予食品美丽的金黄色 。

       2.2 叶黄素沉积作用

       近几年来,对叶黄素和玉米黄素新陈代谢过程及生理活性的研究表明:叶黄素在预防某些疾病方面具有独特的疗效 。叶黄素可以吸收进入人体管(Bowenetal,1997),促进淋巴细胞生长,防止乳瘤的生成(Chewetal,1996)[8] 。年龄关联性斑点变性ARMD)[9]对于65岁以上的人来说,是成为永远失明的第一原因 。在西方国家,ARMD是导致后天性失明的首要诱因 。全球有2500万~3000万人受其影响 。但是对于此病仍未找有效的治疗手段 。但是近几年来的研究表明,叶黄素和玉米黄素不仅具有预防ARMD的效果,而且被认为对这种眼病具有治疗效果 。多项研究表明,叶黄素对于降低白内障和老年性黄斑变性(ARMD)的发病率有积极的作用 。

        Schalch,Hendelman[10]等人先后对视黄斑色素及视网膜进行的研究表明:在眼睛的晶状体中没有B2胡萝卜素,反而存在叶黄素和玉米黄素,该研究发现纠正了以往认为B2胡萝卜素保护视网膜的错误观点,认识到了叶黄素和玉米黄素在防止老年视黄斑退化和视网膜的氧化性损伤方面的重要作用 。1988年,Goldberg等人报道,老年性视黄斑变性(ARMD)发病率与摄食富含叶黄素的蔬菜、水果之间存在明显的负相关[11] 。研究又证明:血液中叶黄素和玉米黄素的含量高时,形成黄斑变性的危险性降低 。最近有人研究比较了356名患者,他们的视黄斑变性均处于发展时期,年龄在55~80岁之间,在调整了视黄斑有影响的其它因子后,发现摄食叶黄素量最高的病人与摄食量低的病人相比,湿型黄斑变形的危险性降低43%(机会比率0.57,95%置信区间0.35~0.92) 。经常食用菠菜(含大量叶黄素和玉米黄素),黄斑变性的危险性显著降低(在眼膏中就含有叶黄素的棕榈酸盐) 。

       Martin,Pool2Zoble等[12,13]分别研究证明叶黄素的代谢过程包含一系列氧化还原反应,可以预防和防止氧化性损伤导致的疾病,并减少与年龄有关的老化病的危险(Landrumetal,1997) 。据美国约翰斯霍普金斯大学Wilmer眼科研究的研究人员报道他们让有视网膜变性疾患的16例患者6个月每日早餐时摄入20c叶黄素增强剂,结果15例视力有大幅度提高 。

       2.3 叶黄素抗氧化作用

       叶黄素的药用价值不仅可以应用在眼部健康,甚至可以扩大到其它的治疗领域 。最近的研究结果表明,叶黄素在治疗心脏病上有所帮助 。研究者发现在受试者血液中叶黄素含量水平与动脉壁增厚之间的相互关系,并发现叶黄素可以预防动脉壁变厚 。Nishino等对抗癌食物的研究证实了多食富含叶黄素和玉米黄素的蔬菜水果可大大降低癌症的发病率 。又有发现,叶黄素对EB病毒激活剂TPA有强烈抑制作用[14] 。

       对于叶黄素和玉米黄素的抗氧化性机理和对眼睛的保护作用,目前为止还没有统一明确的解释 。普遍认为是叶黄素和玉米黄素可通过自由基机理泯灭氧自由基及单态活性氧,分散所吸收的过多能量而达到抗氧化之目的 。其中3-2C上的羟基受临近双键的影响极易被氧化,42C受临近双键、羟基的影响被氧化的可能性也比较大 。

       另外,叶黄素具有保护皮肤的作用 。最新研究表明:自然的抗氧化剂黄体素能够阻止由太阳有害光线引起的皮肤损害,由cornell大学weill医学院的RiardGranstein博士领导的研究小组表明,黄体素能够阻止紫外光对动物皮肤产生的负面效应,这个小组同时发现当皮肤暴露在紫外光中时,黄体素的吸收光能够帮助免疫系统保持正常反应的证据 。关于黄体素对皮肤影响的突破性研究显了抗氧化剂可能保持皮肤,就象保持眼睛一样,这项研究的发现对其它一些皮肤免于太阳伤害的产品产生重要的影响 。

       黄体素的应用在我国尚未引起食品界重视,开发黄体素及含黄体素的保健食品将在本世纪的保健食品市场上占有一席之地 。

       3 叶黄素的生产和研究

       我国在叶黄素的生产和研究方面起步较晚 。20世纪80年代,最初由山东诸城莲春天然色素提纯有限公司引进美国的种子开始在山东等地种植万寿菊花,并引进墨西哥技术进行提取加工生产叶黄素树脂 。生产的产品主要出口,进入欧美市场 。现在已经有青岛大学天然产物研究所、青岛赛特精香料有限公司、青岛天然色素厂、青岛同鑫天然色素有限公司、邯郸中进天然色素有限公司等多个生产厂家,2002年产量达1500吨,按每吨13万元计算,销售额达到1.95亿元,占2002年全国天然色素总产值30%相当可观 。估计2002年全国叶黄素产量已经超过全球的一半 。目前,我国已经形成了一条叶黄素树脂的产业链 。由万寿菊花的种植、到万寿菊花的加工制粒再到叶黄素树脂的提取,再到叶黄素树脂的深加工,最后到叶黄素树脂在饲料、保健品、医药上的应用,环环相扣,共同发展 。

       从1831年首次分类胡萝卜素到本世纪50年代,人们对类胡萝卜素的研究主要集中在B胡萝卜素上;仅是近几年,叶黄素类(Xanthophylls)在抗氧化能力和生物活性方面的更高价值才受到人们关注,对它的研究才日益活跃起来 。1967年,Valadon和Munmery研究认为万寿菊花中单独在的叶黄素和玉米黄素210%,环氧类胡罗卜素是主要的色素[15];而Quackenbush和Miller(1972)则认为在分离出的几种色素中,88)92%是叶黄素(Lutein)和玉米黄素,仅23%环氧色素,更有人认为萃取物中的环氧和氧产物是在工业生产过程中形成的 。这一类问题还有待于人们进行不懈的研究[16] 。

       目前,多种分离新技术的发现,使叶黄素和玉米黄素的生产进入了一个新的发展阶段 。青岛大学早在98年应用超临界二氧化碳流体萃取技(SFECO2)从万寿菊花中萃取叶黄素树脂或从叶黄素树脂精制高品质叶黄素获得成功,并用SFECO2萃取万寿菊花中的叶黄素的技术已进行了工业生产 。超临界二氧化碳流体萃取技术(SFECO2)已被用于从玉米蛋白粉中萃取玉米黄色素(主要是叶黄素和玉米黄素),为玉米淀粉行业的综合利用探索了一条新途径;发酵培养技术也大有用武之地,小球藻(Chlosella)、绿藻(Chlorcoccum)、衣藻Chlamydomonas)等藻类均富含叶黄素 。培养这些藻类产生叶黄素的方法有好几个专利申请 。美国GrainProcessing公司用土壤绿藻发酵生产,干燥粉冠以A2Zanth商品用做鸡饲料添加剂,工艺过程是将该藻在含有葡萄糖玉米浆、尿素、无机盐的培养基中,28e培养9d,培养过程中适当添加葡萄糖,可产叶黄素294mg/L 。霍夫曼-罗氏化学公司曾有专利,用核蛋白小球藻的一株嗜热菌种A119Logos于35e培养四天产叶黄素207mg/L,但并未工业化 。重组基因技术为构建高产菌株开拓了新途径 。Luetke2Brinkhaus将草生欧氏文菌(E.herbicola)因克隆入大肠杆菌中,激活酶的活性,并经过载体转化,可产玉米黄素5%,很有应用前景 。最近有一则美国专利报道经过基因重组的土壤绿藻的高产菌株可产玉米黄素0.65%(W/W) 。

       4 叶黄素的应用和发展

       早在20世纪90年代,在欧洲和美国,已经批准了万寿菊花提取物成为允许的食品着色剂 。目前,在美国和欧洲,多家公司正在致力于研究叶黄素的药用价值,并且已经开发了添加叶黄素和玉米黄素的用于治疗眼病的药膏 。现在正在开发含有叶黄素的/超视力饮料0,对于预防和治疗眼部疾病有很好效果 。在这方面,美国的建明(Kemin)公司、胡兹制造公司、瑞士的罗氏(ROCHE)公司处于研究的前沿 。瑞士罗氏公司近日推出两种新型叶黄素剂型,分别为叶黄素5%CWS(冷水扩散性干粉)和叶黄素5%TG/P(药用片剂型) 。该产品可用作食品添加剂 。

       国内,以万寿菊花提取的叶黄素树脂经皂化作用后制成动物饲料着色剂代替进口化学合成的动物饲料(例如加丽黄等)已有5至10年的历史 。青岛大学率先申请了叶黄素方面的国家发明专利,并形成了保健品级原料)))叶黄素粉末,含量达到50克/公斤)200克/公斤 。广州范乐医药科技有限公司生产叶黄素为主的维视保软胶囊保健品,已经面世 。

       5 结论

       综上所述,从天然植物万寿菊花中提取的叶黄素树脂,是一种着色能力强、富有营养和保健医疗作用的天然色素 。因其来源丰富、产业化程度高、研究基础扎实,应用开发比较深入,所以将成为我国一种前途广阔的重要的食品着色剂,在我国和世界食品行业将发挥重要的作用 。