玉米黄质的生物学功能及其应用

陈垚，罗兰，吴疆（天津农学院农学与资源环境学院，天津300384）

玉米黄质的生物学功能及其应用

陈垚，罗兰，吴疆*
（天津农学院农学与资源环境学院，天津300384）

玉米黄质是一种在体内具有重要生物学功能的食品来源色素，它在预防老年性黄斑变性（AMD）中发挥了重要的作用。综述了玉米黄质作为类胡萝卜素所具有的重要生物功能，体内玉米黄质的生物合成途径以及分离提取玉米黄质的进展。

玉米黄质；老年性黄斑变性；类胡萝卜素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.

类胡萝卜素是一类存在于水果和蔬菜中的天然色素，除了植物，许多光合细菌和真菌也可以合成类胡萝卜素，它们是萜类衍生物，并且在其结构中存在很多共轭双键［1］。天然生成的类胡萝卜素主要有两大类：（1）α-胡萝卜素和β-胡萝卜素，属于类胡萝卜素类；（2）玉米黄质、新黄质、紫黄质，属于类胡萝卜素的氧化衍生物［2］。玉米黄质是黄玉米的主要色素，它的分子式为C40H56O2，分子量为568.88道尔顿，其CAS登记号为144-68-3。玉米黄质广泛的分布于黄色玉米、蛋黄、橙色和黄色的一些蔬菜和水果当中［3-4］。玉米黄质本身不具有维生素A的活性，但是它与其同分异构体叶黄质在预防老年性黄斑变性（AMD）中发挥了重要的作用［5-6］。玉米黄质被广泛的用于食品添加剂，并且在食品工业中，常用在给肉类食品的着色上。

1　玉米黄质的生物学特性

1 g玉米黄质可以溶于1.5 L沸腾的甲醇中，几乎不溶于石油醚和己烷，在乙醚、氯仿、二硫化碳、和吡啶中有较好的溶解性能。玉米黄质溶于硫酸，可以形成相当稳定的深蓝色化合物。玉米黄质是一种多烯化合物，含有9个交替出现的共轭双键，在其碳骨架的两个末端，各有一个含有羟基的紫罗酮环。

玉米黄质与叶黄质是一对同分异构体，唯一的不同点在于紫罗酮环中双键位置分布的不同。玉米黄质与叶黄质广泛存在与人体当中，在眼、胰脏、肝脏、脾脏、肾脏、卵巢等组织器官中具有较高浓度，对人类身体健康起着重要的作用。人类血液中存在多种类胡萝卜素，但是只有玉米黄质和叶黄质集中出现在人眼睛内部视网膜的中央位置，在临床上被称为黄斑。人体自身无法合成玉米黄质，必须通过膳食摄入。绿色蔬菜是叶黄质的主要来源，但是其中的玉米黄质含量较少，玉米黄质主要来源于黄色玉米、柑橘、蓝莓、枸杞和鸡蛋黄。在1962年，Jungalwala等［7］发现在金凤花的花药中，玉米黄质含量占了其总类胡萝卜素含量的90%左右。枸杞（Lycium chinense）属于双子叶植物纲的茄科落叶灌木植物，是一种广泛使用的中药材，其果实中蕴含丰富的类胡萝卜素，这主要与枸杞类胡萝卜素生物合成途径在其果实成熟期间的特异性表达有很密切的联系，它的玉米黄质二棕榈酸酯含量达到1 000 mg/kg湿重。很少有微生物合成玉米黄质，但是黄杆菌却可以合成大量玉米黄质，占其总色素的95%以上。很多海洋微生物和藻类则是以合成虾青素为主，虾青素为玉米黄质的下游代谢产物［7］。

2　玉米黄质的生物合成途径

玉米黄质属于含氧类胡萝卜素，是在类胡萝卜素的末端环状结构引入功能多样的含氧基团而产生的，这样的类胡萝卜素被称为叶黄素。类胡萝卜素的氧化反应受到很许多种类的酶的催化作用，例如羟化酶、酮基化酶和环氧酶等。通过这些酶的催化作用形成了种类繁多的含氧类胡萝卜素，例如叶黄质、新黄质、紫黄质等。最常见的类胡萝卜素氧化反应是β-胡萝卜素和α-胡萝卜素的羟化反应，前者形成了玉米黄质，后者形成了叶黄质。β-胡萝卜素羟化酶和ε-环羟化酶共同催化α-胡萝卜素发生反应生成了叶黄质［8］，叶黄质是植物光合作用器官中重要的组成成分。β-胡萝卜素在连续的两步由β-胡萝卜素羟化酶催化的反应中，形成了玉米黄质［9］。玉米黄质随后在玉米黄质环氧酶（ZEP）的催化下生成花药黄质，进一步在ZEP的催化下生成紫黄质。在植物叶片细胞中，还存在一种与ZEP的催化功能正好相反的紫黄质脱环氧酶（VDE），它催化上述反应的逆反应过程［10］。玉米黄质和花药黄质与紫黄质在ZEP与VDE的催化下发生可逆的相互转化反应，这一过程被称为叶黄素循环（xanthophyll cycle）。ZEP 和VDE是在植物中最早被发现的脂质转运蛋白［11］。在新黄质合成酶的催化作用下，紫黄质被转化为新黄质。新黄质合成酶已经从马铃薯和蕃茄中克隆出来，并且研究表明它们有很高的同源性。紫黄质与新黄质都是植物脱落酸（ABA）生物合成的前体物质。

3　基因工程操作提高生物体玉米黄质含量

目前，很多研究集中在提高玉米黄质含量，对植物体抵抗外界逆境的影响方面，例如Davison等［12］在2002年报道，提高拟南芥细胞内玉米黄质含量，可以使转基因拟南芥提高对外界紫外线的抵抗作用。提高人来主粮中玉米黄质的含量也是现在研究的热点。在2002年，Romer等［13］利用基因工程的方法，构建了转反义玉米黄质环氧化酶基因的转基因土豆，这个酶能够催化玉米黄质发生反应生成紫黄质。结果表明，转基因土豆中，玉米黄质的含量大大提高了，可以达到非转基因土豆的100多倍。

4　玉米黄质的分离提取及检测方法

玉米黄色素是淀粉厂的主要原料黄玉米的主要色素。玉米黄色素主要存在于玉米的角质胚中［14］。玉米黄色素有油状液体和粉状固体两种产品，液体产品常温下为血红色油状液体，固体产品为黄色粉末，均难溶于水，易溶于植物油、乙醇和一些溶剂，目前多数研究都采取有机溶剂萃取法和超临界二氧化碳萃取法。国内外的专家和学者对玉米黄色素的提取方法和工艺进行了一定的研究。Jaren，Galan.M等研究了采用超临界二氧化碳（SCF-CO2）萃取玉米黄质等类胡萝卜素色素的方法。研究了萃取体积、压力和助溶剂等的影响，发现较高的萃取体积、萃取压力和使用助溶剂（如乙醇）可以获得较高的色素收率。在较低的压力下，所获得的色素主要是β-胡萝卜素，而在较高压力下，则主要是玉米黄质等类胡萝卜素和少量的β-胡萝卜素［15］。林红秀等人研究了以玉米蛋白粉为原料，利用超临界二氧化碳萃取技术萃取玉米黄色素的工艺，探索了萃取压力、温度、分离温度、分离压力及操作时间、二氧化碳流量对玉米黄色素萃取率的影响［16］。王威等由玉米淀粉厂的黄蛋白粉提制食用玉米黄色素，提取率6%左右，最大吸收峰446 nm左右，发现1%溶液对光敏感，在40℃下较稳定，在低温下或添加到固体食品中稳定性很好［17］。姚艾东研究确立了玉米黄色素提取的方法和工艺条件，其次对玉米黄色素应用中的各种影响因素进行了分析，提出了应用的最佳工艺条件。张存劳介绍了一种对玉米淀粉厂副产品蛋白粉（黄浆粉）生产玉米黄色素的生产方法，采用有机溶剂萃取的方法。宋秀芹等从浸提溶剂、温度、时间及提取次数等方面探讨了自玉米渣皮中提取玉米黄色素的最佳工艺条件，确定了色素提取的工艺路线［18］。

高效液相色谱（HPLC）法是最常用的分析类胡萝卜素的方法，利用不同的检测系统，正相或者反向色谱柱，等度或者梯度洗脱方法，可以分析几乎所有的类胡萝卜素。利用HPLC方法分析时，在流动相中添加一定的抗氧化剂，柱温控制在20℃左右以防止类胡萝卜素的降解。C18反向色谱柱是分离β-胡萝卜素、番茄红素等的最常用的色谱柱，C30反向色谱柱是分离玉米黄质和叶黄质最常用的色谱柱。同时，要注意色谱柱温度的设定，不同的温度对于类胡萝卜素的保留时间产生很大的波动。

5　玉米黄质的应用

5.1预防老年性黄斑变性（AMD）

AMD是造成成年人视力发生不可逆转性失明的主要原因，这主要是由于视网膜中央位置的黄斑退化导致的。玉米黄质在预防AMD中发挥了重要作用，它不是通过代谢过程产生维生素A来发挥作用吧，而是通过其抗氧化活性吸收高能蓝光的能量，从而阻止损伤的发生［19］。

5.2预防白内障

白内障是老年人群体中视力下降的主要原因，它使得眼睛中的晶状体不断地变浑浊，从而渐渐地使人在无痛过程中视力下降，以至于失明。有研究表明在新生成的晶状体上皮组织细胞当中，玉米黄质的含量是在晶状体内部较老细胞中的3倍。上皮阻止包含了晶状体50%的细胞，却含有晶状体74%的玉米黄质，这被认为玉米黄质可以通过抑制氧化损伤从而阻止白内障的发生［20］。

5.3抗癌

有研究表明玉米黄质具有抗癌的功能，在C3H/He雄性小白鼠中的自发性肝癌中，如果给小白鼠喝的水当中添加0.005%的玉米黄质，发现肝癌被抑制了［21］。

5.4抑制低密度脂蛋白氧化

在巨噬细胞介导的低密度脂蛋白（LDL）氧化过程中，类胡萝卜素可以起到重要的抑制氧化的作用［22］。在这一研究中，玉米黄质与人类的巨噬细胞和LDL共同培养24 h，发现LDL的氧化过程被有效抑制，表明玉米黄质有可能减缓动脉粥样硬化的过程。

6　结论

玉米黄质在预防AMD、白内障、低密度脂蛋白的过氧化方面具有重要的保护作用，所以在膳食中增加玉米黄质的摄入量，对于人体健康是非常有益的。目前，已有很多报道使用微生物发酵的方法生产玉米黄质，随着高产玉米黄质菌种的选育和玉米黄质分离纯化条件的研究，将使玉米黄质成为一种重要的功能性食品添加剂。

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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

天津市级“大学生创新创业训练计划”项目（201410061061）

陈垚（1993—），女（汉），本科，研究方向：生物技术。

吴疆（1976—），男（汉），副教授，主要从事食品生物技术研究。