叶黄素
【背景及概述】
叶黄素是一类含氧类胡萝卜素，类胡萝卜素有一个相同的基本结构：一个十八碳原子的共轭长链相连接的两个六元碳环结构，它主要有两类：胡萝卜素(Carotenes)和叶黄素类(Xantho-phylls)，前者是不含氧的类胡萝卜素的总称，后者是含氧类胡萝卜素的总称，包括叶黄素(lute-in)、玉米黄质、α-胡萝卜素、隐黄质、紫黄质、辣椒红素等。
叶黄素是一种含有两个不同紫罗酮环的天然黄体素，属无维生素A活性的类胡萝卜类，广泛存在于蔬菜、水果、花卉等中，是人眼视网膜黄斑区域的重要色素。叶黄素含有独特的紫罗酮环二羟基结构，可作为强抗氧化剂淬灭单线态氧和蓝光过滤器，具有抗氧化、抗癌、保护视网膜、预防心血管疾病等生物学作用。但叶黄素的理化性质不稳定，在制剂过程中存在水溶性差、性质不稳定和生物利用度低等问题；叶黄素在体内只能与脂类结合吸收，这一特点大大制约了其药效的发挥。叶黄素在临床或食品中应用时要面临着水溶性差、性质不稳定和生物利用度低等问题，在叶黄素的制备、贮藏、加工等过程中不可避免地会发生异构、氧化等反应，需要通过物理包埋和化学改性（如酯化反应）等方法改变剂型，以提高其生物利用度。现就市面上几种剂型包括：油悬浮液、水分散性干粉、微胶囊、脂质体等。
叶黄素的开发利用还存在诸多问题，如传统制剂粒径过大、胃肠道作用的影响和生物利用度偏低等还需深入研究，可考虑在制剂时纳米粒化和模拟细胞膜结构如纳米脂质体制剂，可最大限度地提高生物利用度、减少给药剂量和降低药物毒性，还可保护叶黄素免受胃肠道酶的破坏。
【结构】[3]
1. 叶黄素的构型异构体
叶黄素是α-胡萝卜素的衍生物，分子式C40H56O2，分子量568.85，没有VA活性。它含有二个不同的紫罗酮环：β-和ε-紫罗酮环，在各紫罗酮环的第3个碳原子上存在一个功能性羟基。在C-3、C-3’和C-6’处有三个不对称中心，因此理论上有8种立体异构体。果蔬和人体血清/血浆中的叶黄素主要构型为3R，3′R， 6′R，称叶黄素A；人体血清/血浆中还有一种含量较低的构型异构体，为(3R, 3′S, 6′R)-叶黄素，称为3’ -副叶黄素（epilutein）或叶黄素B，其它叶黄素构型异构体只在海鱼肠道中存在。叶黄素结构如下：
2. 叶黄素的顺反异构体：叶黄素有多种顺反异构体，自然界中万寿菊花的反式叶黄素酯含量最高，万寿菊油树脂中反式：顺式叶黄素比例经HPLC测定为75∶25。顺式叶黄素在室温条件下在醇中的溶解度很高，而反式异构体在该温度下在醇中不溶，因此可在室温下用乙醇分离顺式、反式叶黄素。
I：全反式叶黄素；II：15-顺式叶黄素；III：13-顺式叶黄素；IV：13’ -顺式叶黄素；V：9-顺式叶黄素；VI：角黄素
【分布】[3]
叶黄素在自然界广泛存在，但其存在形式有差别。在椰菜、青豆、绿豌豆、菜豆、抱子甘蓝、甘蓝、羽衣甘蓝、菠菜、莴苣、 kiwi、蜜露等绿色蔬菜、水果中存在的叶黄素以游离非酯化形式存在。而在芒果、木瓜、桃子、李子、橡实形南瓜、笋瓜和橘子等黄色/橙色水果、蔬菜中也存在大量叶黄素，但这些果蔬中叶黄素是以与肉豆蔻酸、月桂酸、棕榈酸等脂肪酸酯化形式存在的。摄入这些食物后，叶黄素酯水解为游离叶黄素后才被吸收和代谢。
【体内过程】[4]
叶黄素与脂质形成胶束被摄入体内，在各种酶的作用下从胃中释放出来，吸收进入肠细胞，随乳糜微粒淋巴或门静脉运输到血液循环后进入肝。在肝内转化并与低密度脂蛋白（LD）一同释放到血液循环，血液部分叶黄素与其他相应的载体结合进入视网膜和其他组织。
1. 吸收和分布：人体内不存在叶黄素合成酶，因此叶黄素只能通过饮食摄取获得。食物中的叶黄素与脂类结合成混合脂质胶束，通过胆固醇载体转运或被动扩散的方式被人体吸收。研究表明，叶黄素微囊在大鼠的各肠段均有吸收，但其吸收速率常数各不相同，由大到小依次为回肠＞空肠＞十二指肠＞结肠。叶黄素进入人体后贮存在脂肪中，主要分布在肝、血液和视网膜上。一般饮食情况下，叶黄素在人血浆、血清、肝、肾、肺的浓度分别为 0.14～0.61、0.10～1.23、0.10～3.00、0.037～2.10、0.10～2.30 μmol/L。眼部组织中均含有叶黄素，且在视网膜黄斑周边含量最高，可达0.1～1 mmol/L。
2. 转运：参与叶黄素体内运输的B类清道夫受体主要有SR-BI 和 CD36。SR-BI 是高密度脂蛋白（HDL）受体，叶黄素可通过SR-BI机制运输到视网膜色素上皮细胞。CD36 受体还可与光间受体视黄类物质结合蛋白结合，使叶黄素运输到视网膜细胞上。
3. 代谢：BCO1 和 BCO2 是存在于动物体内的类胡萝卜素裂解酶，存在于视网膜和视网膜色素上皮细胞（RPE）中。叶黄素的体内代谢途径有两种，一是在β-胡萝卜素-15，15′-加氧酶（BCMO1）的作用下在分子双键中心发生对称分解，代谢产物主要是维生素 A 及其衍生物；二是在β-胡萝卜素-9′，10′ -双加氧脱氢酶（BCDO2）的作用下在烯烃双键上发生不对称分解。视网膜上皮细胞上主要通过BCDO2产生黄斑色素。3 叶黄素的抗氧化活性活性氧（ROS）可与DNA、蛋白质、脂类发生反应，削弱他们的生理功能，进而引发动脉粥样硬化、癌症、眼底黄斑病等慢性病的发生。叶黄素发挥生物学作用的途径是共轭多烯链失去一个电子形成阳离子自由基，使氧自由基还原，从而抑制ROS的活性，阻止ROS对正常细胞的破坏。
【物化性质】[3]
1. 对热和紫外线的稳定性：全反式游离叶黄素（FL）受热时，首先发生可逆异构化反应，该反应与温度有关，温度越低， [顺式] /[反式]比变化越慢。然后降解成其它物质。反式叶黄素和叶黄素酯在10℃、紫外线下保存10d进行光稳定性研究。保存3d后，各样品总浓度均下降，FL下降最快，3d后降至42.3%，这表明叶黄素酯对紫外线的稳定性优于游离叶黄素。从上述结果可以看出,叶黄素的羟基与脂肪酸酯化能提高它对热和紫外线的稳定性。
2. 在有机溶剂中的溶解度、相对吸光度：叶黄素在四氢呋喃中溶解度最好，在己烷中的溶解度最差，因而若从乙醇或丙酮中萃取至己烷或石油醚中的损失必然很大。另外，由于共轭双键系统外的羟基不会对发色团有显著影响，因此叶黄素的摩尔吸光度可以用于估计其它β-，ε-类胡萝卜素，如α-隐黄质，α-胡萝卜素的浓度。
3. 抗氧化性：甲基亚油酸过氧化氢法和DPPH比色法测定叶黄素的抗氧化活性后发现，全反式游离叶黄素（FL）的抗氧化性没有有显著性差异；也没有协调效应，根据DPPH比色法测定结果显示它们的抗氧化性与α-胡萝卜素相近。叶黄素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素均具有11个相同的发色团，即多烯链中的9个共轭双键和紫罗酮环中2个双键,因此具有类似的抗氧化活性。根据比色法测定结果，FL和α-胡萝卜素的抗氧化活性非常接近，这说明γ-或β-紫罗酮环上的C-3上的羟基对类胡萝卜素的抗氧化性没有影响。
4. 生物利用率：万寿菊叶黄素的主要用途之一是作为家禽的饲料添加剂，叶黄素的利用率受多种因素影响,如在载体中的溶解度，在生物体中的利用过程等。适量的膳食脂肪对叶黄素酯的吸收利用是必要的，而游离叶黄素的生物利用率与膳食脂肪无必然联系。
【应用】[1][3][4]
1. 预防老年性黄斑
区病变(Age-related macular degeneration，AMD)在发达国家, AMD是导致老年人眼盲的主要原因，在大多数国家中，它是导致视力下降的主要原因。研究发现，摄入大量富含叶黄素和玉米黄质的水果和蔬菜，AMD的发病率下降了43%。The EyeDisease Case-ControlStudy(EDCC)对391个湿性AMD患者和578个对照作了检测，该研究指出，随着血清中叶黄素、玉米黄质浓度的增加，AMD的患病率明显下降。
2. 预防白内障
叶黄素和玉米黄质也是人体晶状体中存在的仅有的二种类胡萝卜素，尽管其含量比在黄斑中低很多。三个流行病学试验对膳食叶黄素、玉米黄质对白内障发病率的影响作了研究，。一个研究对护士健康调查(Nurse sHealth Study)的预防性跟踪调查数据进行分析时发现，随叶黄素、玉米黄质的摄入量增大，需进行白内障摘除手术的几率显著降低，但只有当叶黄素、玉米黄质摄入量为达到对照的4倍时才有显著效果；另一个流行病学研究也是对保健人员的跟踪调查(Health Professional s Follow-up Study)的数据作相似的分析，也发现叶黄素、玉米黄质摄入量增大与白内障患病率下降显著相关。
3. 延缓早期动脉硬化
早期关于叶黄索研究主要集中在叶黄素对视力保护作用上，据研究表明叶黄素对早期动脉硬化进程有延缓作用。研究颈动脉主干道血管中层内膜厚度变化与血液中叶黄素含量之间关系试验显示，在测试18个月后,血液中叶黄素含量较高组受试者颈动脉主干道血管壁厚度几乎没变，而血液中叶黄素含量较低组血管壁厚度显著上升。在动物实验中，喂饲小鼠动脉硬化模式食物，一段时间后发现喂饲含叶黄素饲料组小鼠动脉中动脉栓塞比末喂饲组有显著降低。另外，动脉壁细胞中叶黄素还可降低LDL胆固醉氧化性。
4. 抗病作用
研究表明，叶黄素对多种痛症有抑制作用，如乳腺癌、前列腺癌、直肠癌、结肠癌、皮肤癌等。研究表明降低乳腺癌发病率与叶黄素摄入量有很密切关系，调查发现，叶黄素低摄入量实验组乳腺庙发病率是高摄入量组的2.08-2.21倍。在动物实验中,给小鼠腹腔内注入乳腺癌细胞，喂饲0%-0.4%叶黄素含量食物，在接种后50天末喂饲组中有70%发生乳腺癌肿，而喂饲0.02%-0.4%叶黄素含量组肿瘤发生率只有20%-37%。对肿瘤大小、肝脾重量等指标进行综合研究发现叶黄素有抗肿瘤作用，这种作用可能涉及与其它器官组织同的间接免疫调节作用。另据美国癌症研究所报道，人均每天摄入4009-6009水果和蔬菜可使患癌症相对危险性降低50%。另据对前列腺痛细胞增殖一项研究表明，叶黄素单独作用可降低癌细胞增长速度25%，若与番茄红素协同作用可降低其增长速度32%。
5. 抗氧化作用
叶黄素作为一种抗氧化剂可抑制活性氧自由基活性，阻止活性氧自由基对正常细胞破坏。单线态氧游离基和过氧化物游离基既可从机体正常代谢中产生，又可受诸如吸烟、空气污染、辐射、特定药物和环境毒素等影响而大量产生。据认为，活性氧自由基可与DNA、蛋白质、脂类发生反应，削弱它们生理功能，并进一步引发如癌症、动脉硬化、及眼睛黄斑变性等慢性病发生。叶黄素可碎灭单线态氧，从而保护机体免受伤害。
6. 着色作用
叶黄素呈有鲜艳黄色，不溶于水，能溶于油脂、乙醇。着色力强，具有耐光、热、酸、碱等特点，能广泛用于糕点、糖果、调料、酱菜及饲料中作着色剂使用。
【提取】
目前叶黄素的提取方法主要有以下几种。
1. 有机溶剂抽提法：有机溶剂提取是到目前为止最为广泛使用的叶黄素提取方法，常用有机溶剂有正己烷、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、石油醚等。万寿菊中黄色素在中性条件下难溶于水，而在乙醇中其溶解度增加较多。因此选用乙醇作溶剂在碱性条件下进行提取，提取液呈棕黄色，经减压蒸馏、浓缩、沉淀、干燥得褐色固体。
2. 微波提取法：利用微波萃取的高效性和强选择性的特点，以及其所具有的操作简便、副产物少、产率高及产物易提纯等优点，在磁控管所产生的每秒24.5亿次超高频率的快速震动下，使植物原料内分子间相互碰撞、挤压，加速了天然色素的浸出。它的优越性不仅在于降低设备投资和运行费用，而且也符合环境保护的要求。因此微波提取在天然色素的提取工艺中具有广阔的应用前景。研究表明：微波功率>料液比>提取时间，最佳条件：6号溶剂油作为浸提剂、微波功率为800W、提取时间为25 min、物料比为1/10时，柑橘皮中的叶黄素提取率最大，达到74.12%。
3. 超临界CO2萃取法：此法不仅能够去除异味，将叶黄素的含量提高至200mg/kg以上，还具有生产过程简化、生产周期短、生产效率高等特点。通过超临界CO2萃取法从万寿菊干花颗粒中提取叶黄素得出最佳工艺为萃取压力45 MPa、温度50 ℃；分离压力8 MPa，温度55 ℃，在分离釜中收集主要提取物；分离压力4 MPa，温度20 ℃，在分离Ⅱ收集的为杂质。此条件下叶黄素浸膏萃取率高。
4. 酶处理法：有研究表明，鲜万寿菊花溶在水中(10%，w/v)，先用纤维素酶处理，再用有机溶剂（氯仿或正己烷）萃取的方法。和无酶对照组比较，产量提高36%。利用水相酶法处理万寿菊花粉，再用正己烷-乙醇-丙酮-甲苯(10:6:7:7)混合液萃取，可显著提高叶黄素的萃取率。酶法降解万寿菊花并没有引起叶黄素异构化，而且酶处理后的万寿菊粉，全反式叶黄素含量最高，达25.1 g/kg干重。但是，由于酶处理法反应时间过长，溶剂萃取前需去除酶处理过程大量的水分，使上述方法在实际应用中受限。
5. 膜分离技术：采用陶瓷膜微滤对浸提液进行精滤提纯，再用反渗透膜浓缩过滤液。这种工艺以膜分离技术为主体，替代了传统的酒精提纯和蒸发浓缩，工艺过程简单、色素溶液基本处于常温操作状态，既节约能源，又保证了色素产品的质量。因此，无论是从降低成本还是提高产品质量角度来看，将膜分离技术用于天然色素的提取是极有价值的。
6. 干燥法提取叶黄素：国外研究出一种新型转筒式干燥机，用来干燥和捶击金盏花或者万寿菊花瓣，可以从中提取叶黄素。当捶击比率不同时，捶击效率就在70%~90%之间波动。叶黄素的多少决定于干燥时间长短，但在相同的干燥时间里，70 ℃下干燥提取的叶黄素含量比60 ℃下提取的叶黄素含量要少。
【参考资料】
[1] 许秀兰, 赵国华, 阚建全, 等. 叶黄素研究进展[J]. 粮食与油脂, 2004 (10): 3-7.
[2] 宋幼良, 吴殿星, 钱国壬, 等. 叶黄素研究进展[J]. 农业科技通讯, 2013 (11): 138-140.
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[4] 石晓晴, 黄月英, 沈一唯, 等. 叶黄素的生物学作用及制剂研究进展[J]. 中国药房, 2017, 28(4): 561-565.
[5] 李永祥, 曹端林. 叶黄素的提取及应用研究进展[D]. , 2004.