吳興壯,張 華,王小鶴,魯 明,張曉黎
(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,食品與加工研究所,遼寧沈陽110161)
制備萬壽菊葉黃素技術(shù)研究進(jìn)展
吳興壯,張 華,王小鶴,魯 明,張曉黎
(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,食品與加工研究所,遼寧沈陽110161)
由于葉黃素(lutein)是自然界廣泛存在的二羥基類胡蘿卜素,也是人眼視網(wǎng)膜黃斑色素主要組成部分。葉黃素可有效預(yù)防并輔助治療老年性黃斑退化病和白內(nèi)障等眼部疾病,其在生物活性物質(zhì)利用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。萬壽菊是工業(yè)上提取分離葉黃素的理想工業(yè)原料。本文從萬壽菊葉黃素提取專用品種、葉黃素分子結(jié)構(gòu)及葉黃素穩(wěn)定性等6個方面綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)萬壽菊葉黃素的研究工作,并進(jìn)行了前景展望。
葉黃素,萬壽菊,制備
萬壽菊(Tagets erecta L)是菊科萬壽菊屬一年生草本植物,原產(chǎn)墨西哥及美洲地區(qū),18世紀(jì)后期傳入我國。其具有適應(yīng)性強、對土壤要求不嚴(yán)格、耐移植、開花多、花期長、植株矮壯、稍耐早霜、喜溫暖、花色因品種不同而呈現(xiàn)鮮艷的黃色至橙紅色等特點,作為觀賞、美化、凈化環(huán)境的花卉,其體內(nèi)含有驅(qū)蟲化學(xué)成分[1-4],為殺蟲劑、除蟲菊蚊香提供了原料。近幾年來,由于對天然產(chǎn)物的研究日益重視,人們開始關(guān)注萬壽菊的開發(fā)利用。萬壽菊花中的葉黃素又稱“植物黃素體”,屬于一種含氧無維生素A活性的類胡蘿卜天然色素,色澤鮮艷、無毒無害。主要著色成分是全反式葉黃素(3R,3'R,6'R-β,ε-胡蘿卜素-3,3'-二醇)[5-8]。橙色品種萬壽菊干花朵類胡蘿卜素含量為0.6%~2.5%,其中葉黃素酯約占總類胡蘿卜素88%~92%[9]。葉黃素酯通過水解形成葉黃素單體[10],可作為食品及飼料著色劑使用[11]。葉黃素的生物利用率與其存在形式、食品基質(zhì)、生物個體特征、營養(yǎng)狀況及遺傳背景等密切相關(guān),食物中葉黃素的利用率與食品加工狀態(tài)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞與否密切相關(guān),葉黃素脂肪酸酯的生物利用率與膳食中的脂肪量有著密切的關(guān)系,適量的膳食脂肪有利于葉黃素脂肪酸酯在腸道的吸收。早在上世紀(jì)80年代中期,西方醫(yī)學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn):葉黃素在抗氧化、預(yù)防視網(wǎng)膜黃復(fù)病和肌肉退化所導(dǎo)致的盲眼病、預(yù)防癌癥、心血管疾病、冠心病及增強機(jī)體免疫力等方面有著廣泛的生物活性[12-13]。葉黃素既有著色又有生理功效雙重作用,廣泛應(yīng)用于飼料添加劑、食品添加劑、醫(yī)藥、工業(yè)染料、水產(chǎn)品等行業(yè)。從萬壽菊中提取的黃色素,在美洲、歐洲等許多國家已形成了規(guī)?;a(chǎn),我國自20世紀(jì)90年代中期開始種植萬壽菊[14]?,F(xiàn)從高產(chǎn)專用色素萬壽菊品種篩選及萬壽菊葉黃素的結(jié)構(gòu)組成以及葉黃素提取、純化及穩(wěn)定性等方面進(jìn)行闡述,以促進(jìn)萬壽菊葉黃素資源的進(jìn)一步研究及開發(fā)利用。
國外對萬壽菊栽培方法、色素種類及含量的研究較多,Yadav、Chanda及Mohanty等人先后對萬壽菊的栽植密度、種植時間和生長環(huán)境進(jìn)行研究,提出了各自的栽植密度和栽培方法,Piccaglia研究了收獲期及環(huán)境條件與花瓣色素含量的關(guān)系,國內(nèi)外有關(guān)萬壽菊育種的報道很少,我國的姚振明等、王平等以雄性不育兩用系作母本,同品種可育系作父本配制萬壽菊雜交種,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件分別總結(jié)出了萬壽菊雜交一代制種生產(chǎn)技術(shù)[1,4]。曾麗等[1]、周葉林[15]對提取色素用萬壽菊品種篩選及配套栽培技術(shù)進(jìn)行研究。近些年來,王平等人選育的色素萬壽菊專用品種色素1號,遺傳性狀穩(wěn)定,整齊一致,抗性強,耐高溫,耐雨濕,管理方便,于2005年在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2006年在赤峰宏瑞園藝有限公司、法庫縣農(nóng)業(yè)推廣中心種植,色素含量平均為24‰,都顯著地高于對照(對照為法庫縣種植的F1),比對照增加了2.5個色點。在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小區(qū)平均產(chǎn)量為 190kg,折合 667m2產(chǎn) 5632kg,比對照增產(chǎn)38.7%;在赤峰667m2產(chǎn)4242kg,顯著地高于對照20.9%;在法庫縣667m2產(chǎn)量為4064kg,極顯著地高于對照31.8%[16]。我國一些研究單位在引種的同時也選育了一些品種,如中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所選育的“氣象萬壽菊”、內(nèi)蒙赤峰喀旗選育的“科豐萬壽菊”等,不過色素萬壽菊的育種研究工作還相對薄弱。
葉黃素(lutein)1831年首次由Heinrich wihelm和Ferdinand Wackenroder從胡蘿卜根中提取出來。它是一種含羥基的類胡蘿卜素,分子式為C40H56O2,分子質(zhì)量為568.88[17]。萬壽菊葉黃素是由萬壽菊屬植物金盞花(亦稱萬壽菊,Tagetse erecta)在常溫下浸提而得的葉黃素類(Xanthophylls)混合物,包括葉黃素(lutein)、葉黃素的二棕櫚酸酯(helenien)以及其他胡蘿素的羥基化衍生物和環(huán)氧化衍生物[12]。其分子結(jié)構(gòu)的碳骨架由中央多聚烯鏈和位于兩側(cè)的芳香環(huán)組成,并在每個芳香環(huán)上各有一個羥基(-OH)。在許多自然資源(如高等植物的花瓣)中葉黃素是以酯的形式存在的,大部分存在于自然界中的葉黃素及其酯為全反式異構(gòu)體。游離葉黃素可以被人體直接吸收利用,而葉黃素酯則必須在體內(nèi)水解成葉黃素后才能被吸收。葉黃素是一種人體不能制造的營養(yǎng)元素,有8種異構(gòu)體,較難采用化學(xué)合成,只能從天然植物中提取[2,18]。
萬壽菊鮮花在加工成顆粒前必須經(jīng)乳酸菌發(fā)酵處理過程。一方面起到對原料貯藏保鮮作用,另一方面通過發(fā)酵促使細(xì)胞破壁,提高葉黃素的提取率。目前,我國萬壽菊加工企業(yè)多數(shù)采取鮮花自然發(fā)酵法,存在著發(fā)酵周期長、染雜菌多而腐爛變質(zhì)、造成原料浪費和環(huán)境污染等問題。少數(shù)萬壽菊加工企業(yè)利用國外進(jìn)口青貯飼料發(fā)酵劑,人工接種發(fā)酵,但存在著葉黃素因酶解受到損失,影響萬壽菊葉黃素出率和質(zhì)量,且成本較高等問題。筆者通過查閱大量國內(nèi)外以顆粒為原料提取葉黃素的文獻(xiàn),但就發(fā)酵技術(shù)專門的研究未見報道,張華等人就此項實驗開展研究工作,已篩選并復(fù)配出高效乳酸菌發(fā)酵劑,確定發(fā)酵工藝流程和技術(shù)參數(shù),并在2家萬壽菊加工企業(yè)應(yīng)用,效果理想。因此,開展萬壽菊鮮花乳酸菌發(fā)酵技術(shù)研究,通過人工接種高效復(fù)合乳酸菌發(fā)酵劑和完善發(fā)酵工藝技術(shù),提高萬壽菊乳酸菌發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量,十分必要。
目前提取天然葉黃素的方法有:有機(jī)溶劑萃取、CO2超臨界萃取、生物技術(shù)萃取、微波萃取、超聲波萃取等方法。
溶劑提取法是傳統(tǒng)生產(chǎn)方法,而且國內(nèi)絕大多數(shù)浸膏生產(chǎn)企業(yè)都在采用此方法。崔震海等通過改變?nèi)軇┓N類、提取時間等條件對葉黃素提取率的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)采用氯仿-乙醇3∶2的混合溶液,浸提次數(shù)2次,物料比1∶10,浸提時間2h/次,提取效果最佳[19]。牛桂玲等對壽菊葉黃素的提取條件進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)最佳提取條件是以正己烷為溶劑,料液比1∶15,浸提2次,每次4h[11]。秦清研究了利用正己烷和乙醇混合溶劑,或石油醚溶劑,從萬壽菊花粉中提取葉黃素的方法,發(fā)現(xiàn)正己烷(為提取劑)和95%乙醇(體積比3∶2),提取溫度60℃,提取時間4~5h,提取次數(shù)5~6次,液料比15∶1[20]提取效果最佳。宋昊等研究了萬壽菊花中的葉黃素在幾種有機(jī)純?nèi)軇┮约斑@些溶劑和乙醇的二元混合溶劑中的溶解規(guī)律,發(fā)現(xiàn)用含乙醇40%的石油醚、乙醇混合溶劑(石油醚沸程為30~60℃)提取葉黃素效果較好,適當(dāng)?shù)亩M分混合溶劑對葉黃素的浸取效果比純?nèi)軇┖?,超聲波振蕩、提高浸取溫度可使葉黃素浸取速率提高3~6倍[21]。劉洪海等采用甲醇處理萬壽菊鮮花后直接用正己烷提取葉黃素酯,采用甲醇處理萬壽菊鮮花后直接用正己烷提取葉黃素酯,并通過L9(34)正交實驗確定了葉黃素酯皂化的最佳條件,即KOH/甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、KOH為4∶1、時間為40min、溫度為50℃時,葉黃素酯皂化進(jìn)行的比較完全[18]。趙文恩等也用乙醇和正己烷提取萬壽菊發(fā)酵干花粒中葉黃素[22],但是這些加工過程都引起類胡蘿卜素大量損失。在青貯階段,鮮花在無太多保護(hù)條件下貯存2~3月,通過自然發(fā)酵,此過程促使細(xì)胞破壁,提高葉黃素的提取率。然而,由于自然發(fā)酵條件無法控制,大量類胡蘿卜素被氧化損失掉。同時,由于青貯階段多種微生物的活動,大量的組織細(xì)胞水變?yōu)楦呱镄柩趿康奈鬯?。干燥過程中,鮮花中類胡蘿卜素易被氧化,也有較多損失。因此,從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度考慮,都要最大限度地減少類胡蘿卜素在加工過程中的損失,研究高效乳酸菌發(fā)酵劑促使細(xì)胞破壁,以利于葉黃素提取和提高出率是非常必要的。
超臨界流體萃取法是從天然動植物中提取功能活性成分的另一種常見方法,它安全、無毒、不破壞活性成分[23-25]。馬清香等采用超臨界 CO2萃取技術(shù),研究了從萬壽菊花中萃取葉黃素的工藝條件,得出原料含水率10.92%,粒徑40目,萃取溫度6℃,壓力30MPa,CO2流速15L/h,分離釜Ⅰ溫度40℃,壓力6MPa,分離釜Ⅱ溫度20℃,時間為6h時萃取效果好[26]?;莶Φ纫沧隽舜隧椦芯浚?0]。侯相林研究發(fā)酵干燥鮮花的超臨界CO2生產(chǎn)工藝,在20~40MPa,30~60℃,超臨界萃取1~10h,減壓分離得提取液,皂化后制得產(chǎn)品純度為 18%~22%,色價為 212~321[27]。目前,國內(nèi)已有色素生產(chǎn)企業(yè)用此種方法提取葉黃素浸膏。李大倩等對生物技術(shù)萃取已作了詳細(xì)論述,得出此方法明顯優(yōu)于單純的有機(jī)溶劑法[28-29]。天然植物成分大多為細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物,提取時往往需要將細(xì)胞破碎,而現(xiàn)有的機(jī)械或化學(xué)破碎方法有時難于取得理想的破碎效果。超聲波協(xié)助法在植物有效成分地提取中已顯示出了明顯的優(yōu)勢。超聲波能產(chǎn)生并傳遞強大的能量,由于高能量的超聲波作用在液體里,當(dāng)液體處于稀疏狀態(tài)下時,液體會被撕裂成很多小的空穴,這些空穴一瞬間就閉合,閉合時產(chǎn)生瞬間高壓,即產(chǎn)生空化效應(yīng)。超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生極大的壓力造成被粉碎物細(xì)胞壁及整個生物體的破碎,而且整個破碎過程在瞬間完成。同時,超聲波產(chǎn)生的振動作用加強了胞內(nèi)物質(zhì)的釋放、擴(kuò)散及溶解,有利于胞內(nèi)有效成分的提取。在超聲波輔助提取萬壽菊中葉黃素的過程中,超聲波將細(xì)胞破碎,使葉黃素能夠快速、高效地進(jìn)入提取溶劑,從而縮短提取時間,增加提取效率。李大倩等研究超聲波強化有機(jī)溶劑提取萬壽菊花粉中葉黃素的工藝過程,考察了萃取率的影響因素,結(jié)果表明,正己烷和石油醚作提取溶劑效果較好。以1.000g萬壽菊花粉為原料,超聲波強化正己烷的較優(yōu)提取條件為:料液比1∶20(g∶mL,以下同),超聲波功率3130W,超聲波作用時間30min,葉黃素提取率93.65%;強化石油醚的較優(yōu)條件為:料液比1∶20,超聲波功率400W,超聲波作用時間30min,葉黃素提取率98.77%[30]。孟麗等研究了超聲提取萬壽菊干花中葉黃素酯的工藝條件,分別考察了不同溶劑、料液比、超聲功率和超聲時間對葉黃素酯含量的影響。結(jié)果表明:采用正己烷為溶劑,料液比1∶30,超聲功率500W,超聲時間40min為最佳條件,此時葉黃素酯的含量達(dá)到15.5mg/g[31]。楊云裳等究采用L9(34)正交實驗,以葉黃素含量(g)為評價指標(biāo),用反高效液相色譜法測定,研究了超聲溫度、超聲時間、抗壞血酸用量、超聲頻率對葉黃素超聲提取的最佳工藝條件。實驗表明:葉黃素標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為Y=1.86×108X-1.74×105,相關(guān)系數(shù)R=0.9969,提取溫度40℃,提取時間60min,抗壞血酸用量為7.5%,超聲頻率為100kHz。該工藝合理、簡單、可靠、有效成分提取率高[32]。徐元梅等以料液比、溶劑種類及濃度、固體粒度、超聲次數(shù)作為因素,分析其對萬壽菊葉黃素得率的影響,結(jié)果為:用THF-乙醇(50),料液比為1∶40的條件下,300W,40min,30℃,600轉(zhuǎn),提取一次時,提取率最高可達(dá)90%以上[33]。總體上講,在幾種方法的比較中,超聲波輔助提取方法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),對于充分利用資源,降低成本具有重要意義,將超聲、加熱、攪拌、循環(huán)提取集于一體的超聲循環(huán)提取具有更廣闊的價值和前景。
國內(nèi)張嫦等研究了用柱層析法分離和測定萬毒菊及其粗、精加工產(chǎn)品中的葉黃素含量。以硅膠為固定相,正己烷-丙酮、正己烷-丙酮、乙醇分別作為胡蘿卜素及葉黃素的洗脫劑。其測定波長為474nm,標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.012,RSD低于1.89%[34]。趙文恩等通過薄層層析對產(chǎn)品進(jìn)行了分析,得出在溶解的色素中全一反式葉黃素含量為70%~87%,結(jié)晶中全一反式葉黃素含量為6%~7%,其中的其他物質(zhì)是提取過程未濾凈的萬壽菊或未洗凈的雜質(zhì)[22]。彭密軍等對硅膠柱層析純化的梯度洗脫條件進(jìn)行摸索,采用薄層色譜掃描法進(jìn)行測定,通過硅膠柱層析純化后,游離葉黃素的含量可提高到93.55%[35]。杜桂彩等研究了金盞菊中葉黃素的液相色譜測定方法,流動相為V(CH2Cl)∶V(CH3OH)∶V(CH3CN)∶V(H2O)= 32∶38∶29∶1,得到了葉黃素和15種葉黃素酯的色譜峰,葉黃素的保留時間為3.681min[36]。國外一般采用AOAC法[37]或HPLC法分析萬壽菊中葉黃素。一般用HPLC分析類胡蘿卜萃取物先皂化除去三酰甘油酯和其他干擾成分[38]。國外對酶法提取萬壽菊中葉黃素研究的較多,對葉黃素和葉黃素酯的分析方法研究的較為透徹,一些微量成分和異構(gòu)成分也被檢測出,而我國在利用新方法制備葉黃素方面研究的較少,對葉黃素的定性定量分析方法還不是很成熟。諸多研究表明葉黃素對老年性黃斑退化、白內(nèi)障、癌癥、心血管疾病等慢性疾病有延緩和抑制作用,尤其在保護(hù)眼睛方面作用獨特。由于萬壽菊葉黃素對有人體重要的生理功能,在生物活性物質(zhì)利用領(lǐng)域具有廣闊的開發(fā)前景,在世界范圍內(nèi)已成為研究的新熱點。盡管我國已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)葉黃素,但產(chǎn)品以粗制品為主,出口供進(jìn)一步加工或作為飼料著色劑使用。所以,我國在葉黃素的提取分離及分析檢測方面還需進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究,為葉黃素工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
目前針對葉黃素穩(wěn)定性研究報道也很多,筆者查閱大量文獻(xiàn),其中史先磊等用聚乙二醇2000和聚乙二醇4000包裹的葉黃素對光和溫度的穩(wěn)定性能明顯加強,10d內(nèi)保存率仍在90%以上[6]。牛桂玲等人萬壽菊葉黃素的穩(wěn)定性研究,得出萬壽菊葉黃素溶液對光極為敏感,對熱亦不穩(wěn)定[11]。仇厚援等系統(tǒng)研究了食品添加劑對萬壽菊葉黃素穩(wěn)定性影響,得出防腐劑、酸味劑、護(hù)色劑、甜味劑等小分子有機(jī)化合物和分子量較大的絡(luò)合劑對萬壽菊黃色素的穩(wěn)定性影響不大;亞硫酸鈉對萬壽菊黃色素有較好的穩(wěn)定作用,能提高黃色素的保存率;氧化劑對黃色素的穩(wěn)定性具有極大的破壞性,但是具有較強抗氧化作用的酚類抗氧化劑對黃色素卻表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。另外還發(fā)現(xiàn),氧化活性較弱的抗壞血酸對穩(wěn)定黃色素的效果也很理想[39]。陳利梅等研究了萬壽菊黃色素的穩(wěn)定性結(jié)果表明:萬壽菊黃色素對熱較穩(wěn)定,但要盡可能地避免高溫長時間加熱;光照對萬壽菊黃色素有極大的破壞性;pH對萬壽菊黃色素的穩(wěn)定性影響較小;Fe3+、Cu2+、Al3+、Fe2+對萬壽菊黃色素有破壞作用;蔗糖、防腐劑對其穩(wěn)定性影響不明顯;叔丁基對苯二酚(TBHQ)、2,6-二叔丁基甲酚(BHT)對色素有顯著的穩(wěn)定作用[40]。彭子模等從光、熱、pH、還原介質(zhì)、氧化介質(zhì)、蔗糖、防腐劑、金屬離子等對色素穩(wěn)定性的影響方面進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:萬壽菊色素耐光、耐熱、耐還原性較差;對氧化劑有一定耐受性;適用pH范圍廣;蔗糖以及金屬離子Na+、K+對色度基本上無影響,而Fe2+、Sn2+、Zn2+對色素溶液顏色的穩(wěn)定性只有微弱影響;而Fe3+、Cu2+、Ca2+的加入則改變了色素溶液的顏色,對色度有一定的影響[41]。這些文獻(xiàn)絕大多數(shù)都是從色素的耐光性、耐酸堿、耐金屬離子、耐氧化劑、還原劑等方面考慮,真正從葉黃素改性技術(shù)方面研究的報道太少,相關(guān)單位應(yīng)加大研發(fā)力度,利用包埋等先進(jìn)技術(shù)提高葉黃素穩(wěn)定性和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域,為葉黃素更好的應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。
近年來,我國葉黃素產(chǎn)量逐年上升,但都為粗品,主要用于動物飼料添加劑或粗品出口,主要產(chǎn)品有萬壽菊顆粒、葉黃素浸膏和葉黃素粉末。葉黃素含量低,一些高校和科研院所也正在開展高純度、高品質(zhì)晶體葉黃素研究工作,取得了一定進(jìn)展。葉黃素是一種著色能力強、有營養(yǎng)和保健雙重功效的天然色素,其資源充足、產(chǎn)業(yè)化程度高、有研究基礎(chǔ)、應(yīng)用開發(fā)潛力大,是一種前途廣闊的重要的食品著色劑,隨著葉黃素在食品、醫(yī)藥、水產(chǎn)品加工和飼料工業(yè)中應(yīng)用的日益擴(kuò)大以及人們對其功能的深入了解,葉黃素作為一種功能因子在多領(lǐng)域應(yīng)用拓展將是今后重點,可以預(yù)測,葉黃素將在我國及世界發(fā)揮重要的作用,有廣闊的市場前景。
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Research progress of preparation technology of lutein extract from marigold
WU Xing-zhuang,ZHANG Hua,WANG Xiao-h(huán)e,LU Ming,ZHANG Xiao-li
(Food and Processing Research Institute,Liaoning Academy of Agricultural Sciences,Shenyang 110161,China)
As the lutein is widespread in nature dihydroxy carotenoids,and it also is a human eye retina main component of macular pigment.Lutein could be an effective adjuvant therapy to prevent and age-related macular disease and cataract and other degenerative eye diseases,and its used in the field of bioactive substances have a wide application prospect.Marigold is the industrial extraction and separation on the ideal of industrial raw materials lutein.In this paper,lutein extracted from marigold exclusive varieties,the molecular structure of lutein and lutein stability at home and abroad in recent years,six aspects of the relevant research work of marigold lutein and the prospect were reviewed.
lutein;marigold;preparation
TS201.2
A
1002-0306(2012)06-0456-05
2011-04-12
吳興壯(1975-),男,副研究員,主要從事微生物發(fā)酵與天然食品添加劑方面的研究。