一种前景广阔的天然食品着色剂——叶黄素

《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．5 一 种前景广阔的天然食品着色剂——叶黄素 张慧 李涛 徐公世 (青岛大学天然产物研究所，青岛 266071) 摘 要：主要从叶黄素的类别、结构、性质 、来源、分布、生理功效、生产、研究、应用等方面进行详细阐述，说 明叶黄素是一种前途广阔的天然食品着色剂。 关键词：万寿菊花，叶黄素，玉米黄素，食品着色剂 A Natural Food Colorant in Future Xanthophylls Zhang Hui，Li Tao，Xu Gongshi (Qingdao University Natural Product Institute，Qingdao 26607 1) Abstracts：This article introduced xanthophylls from classification，structure，character，source，distribution，physiological function，product，study and use etc．It shows that xanthophylls is a natural food colorant in future． Key words：Marigold，Xanthophylls，Zeaxanthin，Food colorant 类胡萝 卜素(Carotenoids)是指胡萝 卜素(Car． otene)和叶黄素 (Xanthophylls)两大类色素的总 称 。 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 C∞H 0 ，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 ；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。它们分别是仅．胡萝 卜素和 B．胡 萝 卜素的3，3-二羟基衍生物，其结构式分别如下 图所示： al1．trans．IJl】tenin (3R，3S’，6’R)一13，￡-carotene一3．3’-diol 3，3’-Dihydroxy— —carotene全反式一黄体素 玉米黄素(Zeaxanthin) (3R，3’R)-B，3-carotene-3，3’-diol 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、B．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 ·引；黄体素是绿叶中主要的类胡萝 卜素；玉米 45 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．5 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 。 1—1 一些水果的类胡萝 卜素含量(范围或平均值。1~9／lOOg) 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 I-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．Tageteserecta1)，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 I-素的含量达到 l5_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I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I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 l5万亩，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 一2500 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 看成是扶贫项目，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。 46 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 J， 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 司为了迎合市场的需要，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 。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血 管(Bowen et al，1997)，促进淋巴细胞生长，防止乳 瘤的生成(Chew et al，1996) 。 年龄关联性斑点变性(ARMD)L9 3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 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．5 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 仍未找到有效的治疗手段。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 10j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 B一胡萝 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 B 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 。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，Pool—Zoble等。。 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(Landrum et al，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 早餐时摄人20 mq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 ¨。 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。一C上的羟基 受临近双键的影响极易被氧化，4一C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Riard Granstein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、青岛赛特香 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年产量达到 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 47 维普资讯 http://www.cqvip.com 《中国食品添加剂》 China Food Additives 2004 No．5 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 13益活跃起来。1967年，V~adon 和 Munmery研究认为万寿菊花中单独存在的叶黄 素和玉米黄素 10％，环氧类胡罗 卜素是主要的色 素 ；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 3％环氧色素，更有人认为萃取物中的 环氧和氧化产物是在工业生产过程中形成的。这一 类问还有待于人们进行不懈的研究 ¨。 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术 (SFECO )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 SFECO 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(SFECO )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 Grain Processing公司用土壤绿藻发酵生产，干燥粉 冠以A—Zanth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，28℃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 一罗氏化学公司曾 有专 利，用 核 蛋 白小 球 藻 的一 株 嗜热 菌 种 A119Logos于35cc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。Luetke—Brinkhaus将草生欧氏文菌(E． herbicola)因克隆人大肠杆菌中，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2O世纪 9O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 48 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”，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13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 lO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 5O克／公斤一200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。 参考文献 1．王业勤，李勤生．天然类胡萝 h素．研究进展、生产、应用．中 国医药科技出版社．1997年． 2．王永华，梁世中．类胡萝 素的结构和生理功能研究．2000， 16，1—4． 3．Gayle K．Gregory．Tung·Shan Chen．Quantitative analysis of lutein esters in marigold flowers(tagetes erecta)by high per— formance liquid chromatogyaphy；J．Food Sci．，1986，5 1(4)， 1093．1095． 4．Lane C．Sander，Matthias Putsch，Bemd Markar．Separation of carotenoid isomers by capillary electrochromatography with C3o Stationary phases；Ana1．Chem．，1999，71，3477—3483． 5．Jozsef Deli，Zoltan 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工艺，还有待进一步研究。目前实现工业化生产的 产品的工艺多为精制中某一方面的工艺，且生产效 率较低，无法满足市场的需求。 2)在产品质量上，蚕蛹综合利用的主要产品 蛹蛋白中异味物质及色素的脱除不彻底，严重地影 响了它们在食品工业上的应用，但要达到工业化生 产的标推，在工艺设备和如何有效控制提取过程中 的条件等方面有待进一步完善。例如针对脱色不 彻底的情况，我们可采用超临界萃取的方法，这种 方法到目前为止还没有文献报道。但是这种方法 应用于工业化生产时，设置及成本高，这就需要从 效益方面来考虑是否可实行，有待于进一步研究。 蛹蚕白有广阔的前景的开发利用可在多个层 次上进行，如水解制备复合氨基酸、多肽、蛋白胨等 方面。 参考文献 1．张燕，陈业高，等．蚕蛹氨基酸成分及其营养价值[J]．云南 化工，2002，29(6)：22—23． 2．倪红，陈怀新，杨艳燕．柞蚕蛹综合利用技术[J]．湖北大 学学报：自然科学版，2003，25(3)：263—266． 3．钱俊青．脱脂蚕蛹粉的汽提除腥工艺研究[J]．氨基酸和生 物资源，2002，24(1)：15—17． 4．乔明珩，李德芳．微生物法脱臭蚕蛹粉的研制[J]．江苏食 品与发酵，1997，(1)：12—14． 5．吴建一，魏克民．低脂无臭蛹蛋白粉的制备方法[J]．蚕业科 学，2003，29(3)：314—317． 6．王济强，张菁，汪培兰．蚕蛹蛋白脱色除臭精制工艺 中国专 利【申请号】01 131918．6． 7．熊燕飞，陈怀新．H2O2用于蛋白水解物脱色的研究[J]．江 汉大学学报：医学版，2002，30(3)：9—11． 8．郏仕远，谢志刚，曹优明，姜先锋 ．蚕蛹的溶剂法一步脱脂、 脱色、除臭工艺研究『J]．食品科技．2003．(8)：49—50．62． (上接48页) 28 the flowers of daylily(Hemerocallis disticha)as affected by va— rious treatments．J．A ．Food Chem．，2000，48，5962—5968． 8．Conrad Hans Eugster．Carotenoid structures．old and new prob— lems．Pure App1．Chem．，1985，57(5)，639—647 9 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