类胡萝卜素抑制油脂光敏氧化的分析研究.docx

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类胡萝卜素抑制油脂光敏氧化的分析研究

类胡萝卜素抑制油脂光敏氧化的研究

1前言

类胡萝卜素在自然界广泛存在，1831年，Wacheroder从胡萝卜根中结晶分离出碳水化合物类的色素，并以“胡萝卜素”命名；之后，Berzelius从秋天的叶片中分离提取出黄色的极性色素，并名之为“叶黄素”；随着生物物理技术的发展，人们通过色谱分析的方法分离出一系列的天然色素，并命名为“类胡萝卜素”。

它们具有共同的化学结构特征，分子中心都是多烯键的聚异戊二烯长链，以此为基础，通过末端的环化、氧的加人或键的旋转及异构化等方式产生出很多衍生物。

目前，已知的类胡萝卜素的成员大概有600多种[1]。

类胡萝卜素是国际公认的具有生理活性的功能性抗氧化剂，单线态氧的有效淬灭剂，能清除羟基自由基，在细胞中与细胞膜中的脂类相结合，有效抑制脂类氧化。

较多的摄入类胡萝卜素能减少老年性前列腺癌和老年性视网膜黄斑变性。

近年来还报道了类胡萝卜素在抗癌、抗衰老等方面也有不少创新的功能价值。

同时，类胡萝卜素作为一种食用油溶性色素，其本身的颜色各异，具有很好的着色功能。

它们已被联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO>、联合国食品添加剂专家委员会（JECFA>认定为A类营养素，在50多个国家和地区被作为营养与着色双重功能的食品添加剂应用于食品、医药与化妆品工业[2]。

本文主要从类胡萝卜素抑制油脂光敏氧化的研究，并探讨其抗氧化机理。

2类胡萝卜素的化学结构和理化性质

2.1类胡萝卜素的化学结构

类胡萝卜素通常是由40个碳原子组成，8个异戊二烯单元首尾连接而成的四萜类化合物（其结构通式如图1>。

根据类胡萝卜素分子结构和溶解性的不同，将其分为两类：

（一>不含氧的烃类，即胡萝卜素类（Carotenes>。

胡萝卜素类广泛存在于高等植物和藻类中，结构特点是在分子中间2个异戊二烯是以尾-尾相连的，这类化合物中存在碳-碳双键，理论上可能的顺反异构体是很多的，但在自然界存在的这一类化合物大多数是全反式的构型，因为全反式的构型最稳定。

如α－胡萝卜素、β－胡萝卜素、γ－胡萝卜素、番茄红素等都属于这一类色素，其易溶于石油醚、苯、氯仿等有机溶剂；（二>胡萝卜素的含氧衍生物类，即叶黄素类（Xanthophylls>。

叶黄素类在藻类色素中为数最多，其母体与胡萝卜相似。

但其为含氧胡萝卜素，即在分子两端的环中有不同数目的氧原子，是胡萝卜素氧化的衍生物。

常见的叶黄素类有辣椒红素、玉M黄素、叶黄素等，能溶于甲醇、乙醇和石油醚[3]。

图1类胡萝卜素的结构通式

2.2类胡萝卜素的理化性质

类胡萝卜素是一类脂溶性色素，大多难溶于水，可溶于有机溶剂。

各种溶剂中的溶解度随温度的上升而增加。

类胡萝卜素的含氧衍生物随其分子中的含氧官能团数目的增多，亲脂性减弱，叶黄素类则易溶于甲醇、乙醇。

类胡萝卜素化合物与浓硫酸或三氯化锑的氯仿溶液都显深蓝色，这两个颜色反应常用来作为这类化合物的定性鉴定。

类胡萝卜素分子结构中有一条共扼双键的长链，使其具有光吸收特性。

不同的类胡萝卜素由于分子结构不同而呈现不同的颜色。

一般来讲，典型的类胡萝卜素紫外－可见光吸收图谱有3个吸收峰，各峰的位置和相对峰高都与类胡萝卜素的分子结构有关，是其分子结构的特征。

影响类胡萝卜素稳定性的因素很多，如光、热、氧、酸、氧化剂、还原剂、金属离子等。

类胡萝卜素耐酸、耐碱，在锌、铜、锡、铁离子存在时不易破环。

由于分子中存在许多不饱和双键，该色素对光、热、氧较为敏感[4]。

3类胡萝卜素对油脂光敏氧化的抑制作用

3.1不同浓度类胡萝卜素对油脂光敏氧化的影响

傅虹飞[5]等人采用柱层析的方法对红葡萄柚果肉中类胡萝卜素进行了分离纯化，并以亚甲基蓝做光敏剂的食用调和油做底物，用碘量法测定不同浓度的单一与复合类胡萝卜素抗光敏氧化活性。

图2　添加不同抗氧化剂后油脂的POV值

单一和复合类胡萝卜素与BHT的油脂抗光敏氧化作用都呈剂量效应，如图2在2~10μg/mL范围内，浓度越高，抗氧化效果越好。

王静，刘大川[6]从紫（白>苏叶中提取出的类胡萝卜素为材料，以及许飒等[7]以类胡萝卜素成品，对其在油脂自动氧化及光敏氧化中的作用进行了研究。

表1　类胡萝卜素在含亚甲基蓝大豆油中抗光敏氧化结果

注：

大豆油氧化指标以生成CDHP的1%吸收强度（

，λmax=234nm>表示

由表1可见，在含亚甲基蓝作为引发剂的大豆油中加入3种类胡萝卜素均显著抑制光敏所致CDHP的生成，含0.536mg和1.072mg的3种类胡萝卜素的大豆油中生成的CDHP与空白差异显著。

这说明紫（白>苏叶类胡萝卜素与β-胡萝卜素均可抑制亚甲蓝所引发的大豆油光敏氧化，且抑制效果随类胡萝卜素浓度升高而增强。

表2　类胡萝卜素在含亚甲基蓝菜籽油中抗光敏氧化结果

注：

菜籽油氧化指标以生成CDHP的1%吸收强度（

，λmax=234nm>表示

由表2可见，加入β-胡萝卜素、紫苏叶类胡萝卜素、白苏叶类胡萝卜素均显著抑制含亚甲基蓝菜籽油中CDHP的形成，且这种抑制作用随类胡萝卜素浓度升高而增强，含3种不同浓度的β-胡萝卜素、紫苏叶类胡萝卜素和白苏叶类胡萝卜素的菜籽油所生成的CDHP显著低于不含类胡萝卜素的菜籽油空白。

表3　类胡萝卜素在豆油中的抗光敏氧化结果

注:

结果的统计分析采用统计软件SAS中的Tukey检验进行

多重比较,所标字母不同的数据间有显著差异（P<0.05>

由表3可见，在以亚甲基蓝作光敏引发剂的豆油中，ZDP、ZEA和β-胡萝卜素均能显著抑制共轭双键氢过氧化物（COHP>的生成。

含1μmol和2μmol的3种类胡萝卜素的豆油中生成的CDHP显著低于不含类胡萝卜素的豆油，而含0.5μmol类胡萝卜素的豆油中，CDHP的含量与空白差异不显著。

这一实验说明ZDP、ZEA和β-胡萝卜素均可有效抑制豆油的光敏氧化，且抑制效果随类胡萝卜素浓度升高而增强。

表4　类胡萝卜素在菜油中的抗光敏氧化结果

注:

结果的统计分析采用统计软件SAS中的Tukey检验进行

多重比较,所标字母不同的数据间有显著差异（P<0.05>

由表4可见，在以亚甲基蓝作光敏引发剂的菜油中，ZDP、ZEA和β-胡萝卜素在所有浓度水平的CDHP明显低于空白，且随着浓度升高抑制CDHP生成的作用增强，这说明3种类胡萝卜素均可有效抑制菜油的光敏氧化。

3.2不同类胡萝卜素对油脂光敏氧化的抑制作用的影响

从许飒[7]的实验结果<表3）也可看出，3种类胡萝卜素对豆油光敏氧化的抑制作用无显著差异。

但从表4的结果中，ZDP、ZEA和β-胡萝卜素之间抗氧化作用存在一定差异。

ZDP与ZEA、ZEA与β-胡萝卜素之间抗氧化作用相当，而ZDP与β-胡萝卜素之间差异显著，三者抑制CDHP生成的能力按强弱顺序依次为ZDP>ZEA>β-胡萝卜素。

傅虹飞[5]等人也做了相关的研究，结果如下图。

图3　添加起始浓度相同的不同抗氧化剂后油脂POV值的比较

由图3可知，随着时间的增长，添加了抗氧化剂的油脂的POV值比起空白组明显较低，且加入抗氧化剂的最初4h是抑制油脂氧化效果最为明显，几种抗氧化剂的的抗氧化效果依次为：

复合类胡萝卜素>番茄红素>β-胡萝卜素>BHT。

随着反应时间的增加，油脂的POV值趋于稳定，如图3，48h后，BHT组POV值>4，类胡萝卜素组在72h内，POV值均<4，符合国标中对于食用调和油POV值的要求，说明单一和复合类胡萝卜素都能较为有效地抑制其光敏氧化。

4类胡罗卜素抑制光敏氧化的机理

4.1类胡萝卜素猝灭单线态氧（1O2>

Ralws等[8]提出了产生氢过氧化物的光敏机制。

在光敏氧化中，光敏剂吸收光能变为激发态（Sens*>，然后将能量转移到三线态氧（3O2>，生成活性的单线态氧（1O2>，单线态氧可直接与不饱和脂肪（RH>反应生成氢过氧化物（ROOH>。

　　Sens—→Sens*

　　Sens*+3O2—→1O2+Sens

1O2+RH—→ROOH

类胡萝卜素抑制脂肪的光敏氧化是通过物理猝灭单线态氧而不是猝灭光敏剂。

通过H2O2与NaOCl的反应体系产1O2，使用超微弱发光仪在710nm处测量，研究β-胡萝卜素对1O2的猝灭[9]，如图3所示，β-胡萝卜素存在下1O2的双分子发光峰明显降低。

图4β-胡萝卜素对单线态氧（1O2>710nm处双分子发光的猝灭

β-胡萝卜素浓度增大，发光峰值降低。

因为峰降低是与β-胡萝卜素浓度对数呈相关性（见图5>，所以3×10-4mol/L与4×10-4mol/Lβ-胡萝卜素浓度之间差别比发光时间进程图上看不太明显（图4>。

在450nmβ-胡萝卜素吸收光谱下分别观察H2O2与NaOCl对其吸光度影响，可看出β-胡萝卜素对此体系产生的1O2的猝灭与单独H2O2及NaOCl对β-胡萝卜素的化学漂白反应无关（表5>。

前者发生的是物理猝灭，后者进行的是化学反应。

尽管H2O2对β-胡萝卜素的氧化速度很慢，NaOCl对它的漂白较快，但仍按化学变化进行，使胡萝卜素浓度逐渐降低。

BC：

类胡萝卜素BIX：

胭脂树橙LUT：

叶黄素CAN：

角黄素

图5不同浓度下类胡萝卜素猝灭单线态氧的能力

表5450nm处H2O2和NaOCl对β-胡萝卜素OD值的影响

许多学者研究了类胡萝卜素的1O2猝灭能力。

一些研究者通过间接的方法来研究，Hira-yama测量甲苯胺蓝敏化的亚油酸光氧化过程中氧的消耗量，Lee测量叶绿素敏化的大豆油光氧化中氧的氧消耗，Foote测量亚甲蓝敏化的2-甲基-2-戊烯光氧化后，再经还原而生成的产物醇的量。

另一些研究者使用液氮冷却的锗光电二极管检测器，通过测量某些芳香族化合物的内过氧化物热解时产生的1O2在1270nm的单分子化学发光，直接检测其产生与猝灭。

这些研究都证明了类胡萝卜素对1O2的猝灭能力。

4.2类胡萝卜素分子基本特征对其抗氧化作用的影响

4.2.1共轭双键数

图6类胡萝卜素消除活性氧的常数以及叶绿素a

光漂白的抑制与类胡萝卜素双键数的关系

Foote[10]的研究发现类胡萝卜素与1O2的反应速率常数及防止叶绿素褪色跟类胡萝卜素中的共轭双键数有关（如图6所示>，共轭双键数越多，则反应速度常数越大，抑制褪色的作用越强，特别是7－9个共扼双键的类胡萝卜素，在这个范围内随共扼双键数目上升，其反应速度常数及抑制褪色作用几乎直线上升。

不同结构的类胡萝卜素抑制光敏氧化的强弱不同，随着类胡萝卜素结构中共轭双键数的增加，类胡萝卜素抗光敏氧化的能力增强。

表3结果中ZDP、ZEA、和β-胡萝卜素均含有11个共轭双键，对CDHP的抑制作用相当。

4.2.2生成热

表6不同类胡萝卜素分子的基本特征

生成热（heatofformation>是基本的热力学参数之一，表6中所列举的几种类胡萝卜素的生成热的差异非常大，说明它们的活性存在一定差异，其中番茄红素的生成热为正值，大于其它化合物说明其在结构上的稳定性较差，分子比较活泼[11]。

从结构上看是因为番茄红素具有独特的长链分子结构，包含着比其他任何类胡萝卜素更多的13个双键，而碳碳双键被认为是能量传递过程中最主要的结构。

这印证了图3所表明的番茄红素抗氧化效果比β-胡萝卜素强。

4.3类胡萝卜素稳定性对油脂光敏氧化的影响

图7ZDP在油脂光敏氧化中的稳定性

由图7可见，ZDP在油脂光敏氧化过程中较稳定，随时间延长，它的氧化程度加剧，ZDP残留量随之减少。

在豆油体系中，ZDP含量下降的速度明显低于菜油，这说明ZDP在豆油光敏氧化的条件下稳定性好，即菜油光敏氧化的速度比豆油快。

说明了表3和表4结果中类胡萝卜素在菜油和豆油中抗氧化能力的差异。

4.4结论

类胡萝卜素能有效抑制油脂的光敏氧化，且抑制作用随浓度升高而增强。

类胡萝卜素种类不同，抗氧化能力也有所差异，与其本身的结构，如共轭双键数和生成热有