類胡蘿卜素研究進展

張冠華，刁倩楠

(1.赤峰市農(nóng)牧業(yè)綜合檢驗檢測中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所，上海 201403)

1 類胡蘿卜素命名及分子結(jié)構(gòu)

1831年，德國Wachenreder首次于胡蘿卜根莖分離得到一種碳水化合物色素命名“胡蘿卜素”[1]；接著，Berzeliu又于落葉中分離出一種黃色的色素命名“葉黃素”[2]。隨著社會發(fā)展進步，國內(nèi)外學(xué)者通過各種技術(shù)方式不斷發(fā)現(xiàn)分離一系列其他天然色素，統(tǒng)稱為“類胡蘿卜素”[3]。這些類胡蘿卜素具有共同的分子結(jié)構(gòu)特點即通過共扼雙鍵將8個異戊二烯基團組成的一類化合物或其氧化衍生物[4]，其典型化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。類胡蘿卜素普遍存在于色素中的黃色、橙色、紅色中，具有只吸收藍紫光的光吸光性，在400~500 nm內(nèi)光吸收性最強。類胡蘿卜素的共軛雙鍵結(jié)構(gòu)決定其存在體的顏色變化，含有的共軛雙鍵越多顯現(xiàn)的顏色更接近紅色[6]。另外，通過對柑橘、番茄、枇杷和枸杞等研究顯示類胡蘿卜素的含量不同能夠引起顏色變化。

圖1 類胡蘿卜素典型化學(xué)結(jié)構(gòu)

2 類胡蘿卜素分類及理化性質(zhì)

目前己發(fā)現(xiàn)的自然界類胡蘿卜素已高達700多種，其中約60多種存在于人們?nèi)粘ｏ嬍持械乃卟说仁澄镏?，另外，人體血液中也有部分存在。類胡蘿卜素依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的元素組成及理化性質(zhì)，可分為胡蘿卜素和葉黃素兩類[7]。由碳、氫兩種元素構(gòu)成的胡蘿卜素具體包括α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、γ-胡蘿卜素和番茄紅素等[8]；葉黃素則由碳、氫、氧三大元素構(gòu)成，可形成環(huán)氧基、羥基、酮基、羧基、甲氧基等多種含氧官能團，如葉黃素、玉米黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和蝦青素等[9]。類胡蘿卜素根據(jù)維生素A原的作用分為維生素A原類胡蘿卜素和非維生素A原類胡蘿卜素[7]。維生素A原類胡蘿卜素包括α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和β-隱黃質(zhì)等；非維生素A原類胡蘿卜素包括葉黃素和玉米黃質(zhì)等。典型類胡蘿卜素（β-胡蘿卜素、葉黃素）結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[3]。

圖2 典型類胡蘿卜素結(jié)構(gòu)示意圖[3]

類胡蘿卜素作為大分子親脂性有機化合物，不溶于水易溶于有機溶劑。具有含氧基團結(jié)構(gòu)的類胡蘿卜素，極性較強，更易溶于極性較強的有機溶劑中，如丙酮、乙醚、三氯甲烷、甲醇等；而不具有含氧基團的碳、氫結(jié)構(gòu)類胡蘿卜素，則易溶于極性較小的有機溶劑，如石油醚等。類胡蘿卜素在氧、酸以及強光、高溫等環(huán)境中理化性質(zhì)不穩(wěn)定但在堿性環(huán)境下除蝦青素相對穩(wěn)定[10]。

3 類胡蘿卜素的合成及代謝

到目前為止，類胡蘿卜素的代謝酶催化途徑已日趨明了，具體代謝途徑如圖3所示[27]。牻牛兒牻牛兒基焦磷酸(GGPP)作為類胡蘿卜素合成的直接前體，經(jīng)過八氫番茄紅素合成酶(PSY)、八氫番茄紅素脫氫酶(PDS)、ζ-胡蘿卜素異構(gòu)酶(ZISO)及ζ-胡蘿卜素脫氫酶(ZDS)共同催化作用下形成番茄紅素。β-胡蘿卜素和葉黃素都是由番茄紅素經(jīng)過一系列代謝轉(zhuǎn)化而成的，番茄紅素在番茄紅素ε環(huán)化酶作用下先生成δ-胡蘿卜素，繼而在番茄紅素β-環(huán)化酶作用下生成α-胡蘿卜素，再進一步轉(zhuǎn)化生成葉黃素；另一方面，番茄紅素在番茄紅素β-環(huán)化酶作用下先生成單環(huán)的γ-胡蘿卜素，然后轉(zhuǎn)化成雙環(huán)的β-胡蘿卜素[11]。α-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素羥化酶（BCH）和ε-環(huán)羥化酶（ECH）等酶的催化作用下生成葉黃素。β-胡蘿卜素經(jīng)過BCH羥基化生成玉米黃質(zhì)，然后在玉米黃素環(huán)氧酶（ZEP）的作用下生成紫黃質(zhì)，紫黃質(zhì)在新黃質(zhì)合成酶（NSY）的催化下生成新黃質(zhì)，紫黃質(zhì)和新黃質(zhì)被認為是ABA合成的前體物質(zhì)。

圖3 類胡蘿卜素代謝途徑示意圖[27]

4 影響類胡蘿卜素合成的因素

類胡蘿卜素的代謝受內(nèi)因、外因等多種因素影響，其中光照、溫度、激素、營養(yǎng)以及發(fā)育信號等環(huán)境因素對類胡蘿卜素的合成影響深遠[12]；而從其自身分子調(diào)控的角度來看，是由于代謝路徑相關(guān)基因的表達、蛋白豐度或者活性發(fā)生了變化，進而引起一系列相關(guān)代謝物合成的含量和組分隨之發(fā)生改變。Karppinen發(fā)現(xiàn)越橘中主要積累葉黃素和β-胡蘿卜素，其果實發(fā)育過程中Psy,Pds,Zds,Crtiso,Lcyb,Lcye,Bch CYP450-Bch和Ccd1的表達量與其果實類胡蘿卜素含量相關(guān)。枇杷果實中類胡蘿卜素的大量積累與Psy的表達和質(zhì)體發(fā)育有關(guān)。類胡蘿卜素合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)還受幾類轉(zhuǎn)錄因子的控制，包括PIF1（光敏色素互作因子1）轉(zhuǎn)錄因子、HY5轉(zhuǎn)錄因子和乙烯響應(yīng)因子RAP2.2轉(zhuǎn)錄因子，均被報道能夠與限速酶PSY結(jié)合，控制PSY基因的表達從而改變類胡蘿卜素的含量[13]。此外，NAC轉(zhuǎn)錄因子、乙烯相關(guān)的EIN轉(zhuǎn)錄因子、MYB轉(zhuǎn)錄因子也能通過直接結(jié)合啟動子而發(fā)揮作用。盡管參與植物體內(nèi)類胡蘿卜素生物合成與代謝途徑中的相關(guān)酶和基因已經(jīng)被廣泛研究，但對植物中類胡蘿卜素形成過程中復(fù)雜的調(diào)控以及遺傳機制仍然認識不足。

5 類胡蘿卜素的分布

研究發(fā)現(xiàn)，自然界天然類胡蘿卜素，普遍存在于植物中，少量存在于真菌、藻類、細菌及少數(shù)動物體內(nèi)，人體不能自主合成類胡蘿卜素，只能從水果、蔬菜等食物中獲得。

5.1 類胡蘿卜素在植物中的分布

大部分植物中都含有類胡蘿卜素，但不同植物甚至不同部位所含類胡蘿卜素的種類及比例不同[10]。在植物葉片中，類胡蘿卜素作為光合輔助色素以光合色素-蛋白質(zhì)復(fù)合體的形式與葉綠素共存，參與光合作用。另外，植物的花瓣或果實呈現(xiàn)出橙色、黃色、紅色，如胡蘿卜、柑橘、番茄等果蔬，就是由于類胡蘿卜素的存在導(dǎo)致的。

5.2 類胡蘿卜素在微生物中的分布

真菌、細菌等微生物中也都有類胡蘿卜素的存在，其中具有代表性的就是酵母、霉菌、紅螺菌等。由于微生物具有生長快、營養(yǎng)需求少、對環(huán)境要求低等特點，利用微生物生產(chǎn)天然類胡蘿卜素可大大提高生產(chǎn)效率。目前，利用微生物生產(chǎn)類胡蘿卜素較多的真菌是酵母和霉菌[14]；細菌中利用較多的是光合細菌[10]。光合細菌體內(nèi)具有雙層膜的類似植物葉綠體的結(jié)構(gòu)即細菌葉綠素，主要含有視紫紅醇、番茄紅素等類胡蘿卜素[10]。

5.3 胡蘿卜素在藻類中的分布

藻類中也含有類胡蘿卜素，尤以β-胡蘿卜素最多。目前，利用地木耳、巨大螺旋藻、魚腥草、杜氏藻等都可高產(chǎn)類胡蘿卜素[15]。其中利用率最高的是杜氏藻類，主要存在于淡水以及鹽等高濃度的環(huán)境中，含有β-胡蘿卜素、黃體素、玉米黃素及α-類胡蘿卜素等[10]。1983年美國MicrobioResource公司率先利用杜氏藻生產(chǎn)類胡蘿卜素并取得顯著成效，自此將杜氏藻生產(chǎn)類胡蘿卜素推向高潮。我國于20世紀80年代后期，首先由天津鹽業(yè)研究所在塘沽進行試行生產(chǎn)[10]。

5.4 類胡蘿卜素在動物中的分布

水產(chǎn)品中肉質(zhì)粉紅的魚類、魚卵以及無脊椎動物，如鮭魚、蝦、軟體動物殼等含有大量類胡蘿卜素，主要是角黃素和蝦青素[16]。牛體內(nèi)及其附屬產(chǎn)品如牛奶、奶油和奶酪等也含有一定量的類胡蘿卜素，一般與季節(jié)變化相關(guān)，在初夏大量進食優(yōu)質(zhì)牧草時類胡蘿卜素含量高；母雞體內(nèi)及雞蛋也含有類胡蘿卜素如玉米黃素和葉黃素等，主要是與喂食的飼料有關(guān)[17]。

6 類胡蘿卜素的作用

類胡蘿卜素具有維生素A活性、預(yù)防癌癥、調(diào)節(jié)免疫力、延緩衰老等多種功效，對機體具有重要的生理調(diào)節(jié)和疾病預(yù)防作用。

6.1 類胡蘿卜素是維生素A原

維生素A作為脂溶性維生素，是機體正常代謝和維持機能不可缺少的微量營養(yǎng)素,具有保護視力、抗感染、調(diào)節(jié)免疫、促進生長發(fā)育等功能；其缺乏會導(dǎo)致表皮及粘膜上皮變厚、干燥、脫屑、發(fā)生皺紋等，引起夜盲癥、干眼癥、癌癥、心臟病、眼疾等，另外，也會引起腹瀉、呼吸疾病等多種疾病[18]。植物中不含有維生素A，但許多蔬菜和水果中卻含有豐富的維生素A原，其中類胡蘿卜素就是重要的維生素A前體，目前已發(fā)現(xiàn)50多種類胡蘿卜素具有該功能，發(fā)現(xiàn)最早，關(guān)注最多的β-胡蘿卜素，1919年被Steenkbock最先發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素可能具有維生素A活性，在隨后的不斷研究中發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素是食物中分布最廣、含量最豐富，維生素A原活性最強，并得到廣泛應(yīng)用的類胡蘿卜素之一[19]。β-胡蘿卜素缺乏時會引起夜盲癥，甚至造成角膜潰瘍、晶體脫落至失明等眼部重大疾病[20]。α-胡蘿卜素和β-隱黃質(zhì)雖也具有維生素A前體功能，但其轉(zhuǎn)化率較β-胡蘿卜素產(chǎn)量僅為它的一半。

發(fā)展中國家維生素A缺乏的嚴重問題迫在眉睫，據(jù)世界衛(wèi)生組織報道，每年至少有200萬人死于維生素A缺乏，而且多為學(xué)齡前兒童[5]，尤其在非洲這個問題更加嚴峻，每年有高達近1萬多名兒童為此失明[21]。在我國嬰兒出生之始到至少三歲便要求給孩子額外補充維生素A制劑。

6.2 類胡蘿卜素預(yù)防癌癥的作用

機體細胞電子被搶奪是萬病之源，自由基就是一種缺乏電子的物質(zhì)，生物系統(tǒng)中一旦形成高度活潑的自由基后，就開始在機體內(nèi)爭奪細胞蛋白分子電子，隨后繼續(xù)引發(fā)相鄰分子爭奪電子的連帶反應(yīng)，使細胞蛋白分子逐漸轉(zhuǎn)畸變分子，進而誘發(fā)癌癥。

越來越多的研究證實，類蘿卜素醫(yī)療效果顯著，尤其具有防癌、抗癌的作用[22]，癌癥防治過程中，不但抑制多種癌癥的發(fā)生，也能使癌癥致死率降低20%~30%[23]。β-胡蘿卜素能夠預(yù)防治療一些癌前病變，如口腔癌、鼻咽痛、肺痛等，進一步避免相關(guān)癌癥的發(fā)生。番茄紅素是有效的單線態(tài)氧淬滅劑，也具有抗癌作用，尤其對防治乳癌、子宮內(nèi)膜癌和肺癌具有顯著療效。

6.3 類胡蘿卜素具有調(diào)節(jié)免疫作用

免疫系統(tǒng)具有抵御細菌、病毒等有害物質(zhì)侵入機體引起感染，同時對已入侵的有害物質(zhì)也有識別、殺滅的作用[20]。類胡蘿卜素具有較強的調(diào)節(jié)機體免疫功能，20世紀80年代初seifter最早發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素可能具有增強免疫活性的功效[24]；1991年Benidhc發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素可直接提高B細胞活力的同時，也可提升淋巴輔助T細胞、協(xié)助B細胞產(chǎn)生抗體的能力[25]；還可以通過增加自然殺傷力，進而達到不斷清除病原，消除感染細胞以及癌細胞的目的。隨后多種類胡蘿卜素的免疫調(diào)節(jié)功能陸續(xù)被證實并得到廣泛應(yīng)用，如β-胡蘿卜素、番茄紅素、玉米黃質(zhì)等，不久將來還會有更多類胡蘿卜素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

6.4 類胡蘿卜素可延緩衰老

機體中存在一定數(shù)量高度活躍的自由基后，就會損傷正常細胞的細胞膜，引發(fā)一系列細胞功能急劇下降的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致機體快速衰老。類胡蘿卜素，尤其是β-胡蘿卜素具有明顯的消除自由基、延緩衰老的功效，另外，對于冠心病、血栓等疾病也有積極地防治作用[26]。葉黃素和玉米黃素對消除自由基，保持皮膚水性、彈性也具有重要作用，數(shù)據(jù)顯示機體每天口服葉黃素和玉米黃素混合物6 mg，即可顯著降低皮膚脂肪中的過氧化物，增強皮膚水性及彈性。

6.5 其他作用

另外，流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，類胡蘿卜素中的β-隱黃質(zhì)能有效降低骨質(zhì)疏松癥和風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生幾率。

類胡蘿卜素還作為飼料添加劑，對動物正常生長發(fā)育具有特殊意義，如常見的“無癥狀”發(fā)熱、延期排卵、卵泡囊腫、黃體減少以及胎盤停滯、繁殖發(fā)育障礙等癥狀，添加后均可得到很大程度的改善。另外，產(chǎn)蛋雞在添加富含類胡蘿卜素的飼料后，提高產(chǎn)蛋率的同時蛋黃顏色也會加深，提高其營養(yǎng)價值。

類胡蘿卜因其具有著色力強、色澤穩(wěn)定均勻，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并被我國列入食品標準。如作為飲料、糖果等食品找色劑、與兒童食品營養(yǎng)配伍以及用于藥品糖衣片著色等。

7 結(jié)語

總之,類胡蘿卜素具有可利用率高、作用功能大、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢，雖然已通過分子生物學(xué)、基因工程等多種研究手段，對類胡蘿卜素的生物合成途經(jīng)及關(guān)鍵調(diào)控酶進行闡明，但由于類胡蘿卜素種類過于多，而且仍有許多類胡蘿卜素至今尚未被發(fā)現(xiàn)，加之類胡蘿卜素在不同領(lǐng)域其具體用量及分子調(diào)節(jié)機制的不同方式尚不明確，這就決定了類胡蘿卜素仍是當下科研工作中的重點、難點和熱點。