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天然食用叶黄素的性质、功能及在食品加工中的应用

    叶黄素在自然界中与玉米黄素（Zeaxanthin）共同存在。天然叶黄素酯是一种重要的类胡萝卜素脂肪酸酯，其稳定性优于游离态叶黄素，同样人体对它的吸收也优于游离态叶黄素，叶黄素酯在体内的生物利用度是叶黄素的1.6 倍，卫生部2008 年批准叶黄素酯为新资源食品，因此叶黄素和叶黄素酯均可作为新型保健食品功能因子和食品添加剂使用，其应用前景广阔。
    1· 叶黄素的理化性质及来源
    1.1 叶黄素的理化性质
    叶黄素（Lutein）又名植物黄体素、叶黄体，是一种广泛存在于动植物体内的四萜类化合物［1］，其分子式为C40H56O2，相对分子质量为568.87。叶黄素为橙黄素粉末，浆状或黄棕色液体，有弱的似干草气味，不溶于水，溶于丙醇、甲醇、异丙醇和二氯乙烷，耐热性能好。
    1.2 叶黄素的来源
    叶黄素广泛存在于绿色蔬菜、玉米和蛋黄中，菠菜、猕猴桃、胡萝卜中含量最丰富。研究发现，蛋黄中叶黄素和玉米黄质含量最多，可达胡萝卜素总量的85%，玉米中叶黄素含量最多（占胡萝卜素总量的60%），另外颜色较深的蔬菜水果，如西葫芦、猕猴桃、橘子、南瓜等都含有一定量的叶黄素［2］。近几年发现万寿菊中胡萝卜素含量丰富，尤其是叶黄素含量很高，南美洲Henkle 公司已从资源丰富的南瓜和榨汁后的橘渣中提出叶黄素酯，叶黄素酯在人体内可自动转化为叶黄素。如今万寿菊、玉米蛋白粉和藻类已经成为提取叶黄素的主要资源。
    1.2.1 万寿菊
    万寿菊又名金盏花，是一种年生草本植物，原产墨西哥，万寿菊的花瓣颜色有黄色、橙色和红色。我国20 世纪80 年代开始引进万寿菊，如今已大量种植，成为提取叶黄素的主要原料。美国凯明食品公司率先发明了生产叶黄素的新工艺，使叶黄素成为一种新型保健食品添加剂。该公司从美国南北各地大量野生的金盏花中提取叶黄素成品结晶。Li 等［3］研究了11 种不同品种的万寿菊中叶黄素的含量，实验发现叶黄素含量差距很大，最高含量能达到611.0mg/100g，最低含量161.0 mg/100g。说明叶黄素在万寿菊中的含量差异较大。Bhattacharyya 等［4］研究了3 种不同颜色（橙色、黄色和红色）的万寿菊中叶黄素的抗氧化性，研究发现橙色万寿菊中叶黄素的抗氧化性最高，叶黄素含量也比其他颜色要高。
    1.2.2 玉米蛋白粉
    玉米蛋白粉也叫玉米麸质粉，是生产玉米淀粉、酒精加工的副产物，是由玉米粒经湿磨法工艺制得的粗淀粉乳再经淀粉分离机分出的蛋白质浆经干燥而得，主要由玉米蛋白组成，含有少量的淀粉和纤维素，更重要的是含有丰富的叶黄素、玉米黄素、β-胡萝卜素等。玉米是世界三大粮食作物，每年都有大量的玉米麸质作为饲料使用，是叶黄素的重要资源，因此通过对玉米的二次加工，变废为宝，从医用蛋白粉中提取叶黄素已经成为当今研究的课题。
    1.2.3 藻类
    从万寿菊中提取叶黄素是一个很复杂的项目。种植万寿菊不仅需要大量的土地及人力，而且叶黄素在万寿菊中的含量差异很大，有的含量甚至能达到0.03%，如何筛选出高产量的叶黄素是一个比较棘手的问题，因此从经济效益来看万寿菊并不是最理想的叶黄素来源。如今研究者的目光开始转向藻类，因为藻类不仅含有叶黄素，而且生长快、容易繁殖，可以大大提高生产叶黄素的效率。已从很多藻类中提取到叶黄素，如Muriellopsis sp，Chlorella zofingensis，相信不久的将来藻类会是工业化生产叶黄素的主要来源。
    2· 叶黄素的功能及其作用机理
    2.1 着色功能
    叶黄素有良好的着色作用，因其具有鲜艳的黄色，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、酱菜及饲料的着色，也可以用于保健品的着色以及药片糖衣、胶囊的着色。叶黄素作为天然黄色素，具有着色能力强、稳定性好、安全性高等优势，在欧美等国家已经把叶黄素列为食品着色剂，能利用它赋予食品美丽的金黄色，可以替代化学合成的柠檬黄、栀子黄等。将叶黄素添加到饲料中，经过不断沉积使动物的肤色变得更加亮丽，相比其他着色剂，叶黄素的着色功能具有稳定性好、持续性强、破坏性小、安全性高等优点。周良娟等［5］通过实验发现叶黄素能显著提高了肉鸡脚胫着色。冷向军等［6］进行了叶黄素对金鱼体色的研究，通过检测金鱼肌肉中水分、脂肪、蛋白质的变化，发现叶黄素并未对金鱼肌肉成分产生影响，并且适量的添加叶黄素还能提高金鱼的成活率。
    2.2 抗癌功能
    国内外研究表明，叶黄素对乳腺癌、食管癌、皮肤癌、前列腺癌等具有抑制作用，能有效抑制HepG2细胞的增殖，其机理可能与调控氧化应激水平、抑制ATP 生成和上调bax mRNA、p53 mRNA 的表达有关。王若仲等［7］以HepG2 人肝癌细胞株和L02 正常人肝细胞株为研究对象，通过添加不同剂量的叶黄素观察细胞存活率，实验表明添加一定量的叶黄素，可以显著降低癌细胞的存活率。美国哈佛大学医学院马金·查克教授等对婴儿食品做了调查，结果发现在普通食品中类胡萝卜素7.83 mg/l00g，叶黄素仅占4％，类胡萝卜素能减少对DNA 的氧化损坏，叶黄素作为人体血液和组织中5 种重要的类胡萝卜素之一，能够加速细胞融合，提高机体的免疫力。付蕾等［8］采用不同浓度的叶黄素（20、40、80、160 mg/L）处理结肠癌HT29 细胞，结果发现叶黄素能够抑制HT29 细胞的增殖。纽约大学药物学院研究结果表明，乳腺癌的发病率与叶黄素摄入量有很密切的关系，调查发现叶黄素摄入量低的实验组乳腺癌发病率是摄入量高组的2.08～2.21 倍，所以在膳食中摄入叶黄素可以抑制与预防肿瘤的发生。
    2.3 保护视力
    近年来研究表明，叶黄素和玉米黄质可防止眼睛中视网膜一部分的光造成损害，其机理有2 点。
    （1）叶黄素可以过滤高能量的可见蓝光。有实验证明，减少40%的蓝色光就可以大大降低视网膜上自由基的数量［9］。
    （2）叶黄素作为抗氧化剂，可以减轻光照对眼睛的氧化作用，控制活性氧化物和自由基的形成。Lee等［10］研究了叶黄素是否可以降低紫外线对身体的影响，通过实验发现，饮食中含有叶黄素的小鼠与空白组相比，耳朵肿胀的现象明显降低，实验进一步发现，饮食中含有叶黄素的小鼠在紫外线照射下产生的自由基数量要少于空白组。说明叶黄素能够降低光照对皮肤的光损伤以及一些病理反应，如耳朵肿胀等现象。
    年龄相关性黄斑变性（AMD）亦称老年性黄斑变性，是威胁中老年人致盲的主要眼病之一，从流行病研究上表明，AMD 的发病率与体内的叶黄素含量呈负相关，很多实验也表明，叶黄素可以降低AMD的发病率。Bone 等［11］通过对患有AMD 和没有患AMD的人进行对比研究发现，患有AMD 的人眼睛中胡萝卜素含量要比没有患AMD 的人含量低，进而证实了叶黄素对AMD 的防控作用。新罕布什尔大学的研究者调查了278 个志愿者中各个因素的含量关系，发现饮食中的叶黄素、血液中的叶黄素与眼睛内的黄斑色素密度值呈正相关，且证明了通过饮食中添加叶黄素可以提高眼睛中黄斑色素密度值，减少患AMD 的风险。《美国视力学协会杂志》北芝加哥医疗中心眼科门诊部的斯丘阿特·理查博士以老龄化黄斑变性患者为对象进行临床研究，结果表明，每天服用6mg 叶黄素可降低患黄斑变性的危险程度［12］。
    2.4 抗氧化功能
    目前常用的人工合成抗氧化剂如BHT、BHA、TBHQ 等会引起动物肝脏扩大，BHT 还可以增加微粒体酶的活性，BHA 也发现具有致癌的可能性，所以国内外开始限制使用人工合成抗氧化剂，天然抗氧化剂开始受到人们的重视和青睐，叶黄素作为一种类胡萝卜素，含有多个不饱和双键，具有较强的自由基清除作用，可以起到抗氧化、延缓衰老的功效。李晋生等［13］对实验小鼠的食物中添加不同含量的叶黄素研究小鼠，空白组为不添加叶黄素，结果表明，叶黄素可显著降低模型小鼠血清MDA 水平并且提高SOD 活性。Zhang 等［14］将叶黄素应用于黑腹果蝇中，观察叶黄素对黑腹果蝇的影响并分析其机理。结果表明0.1 mg/mL 的叶黄素可以将黑腹果蝇的寿命从49.0 d 延长到54.6 d，并观察到与对照组相比黑腹果蝇体内的MDA 有所下降而抗氧化酶的活性有所增加，从而推断出叶黄素可以通过增强抗氧化酶的活性来延长黑腹果蝇的寿命。
    3· 叶黄素的提取及制备方法
    万寿菊中叶黄素大多数与月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸结合生成叶黄素酯的形式存在，玉米蛋白粉中，叶黄素大多与蛋白质以复合物的形式存在，通过乙醇等溶剂使蛋白质变性可以迅速提取出叶黄素。传统的叶黄素提取方法一般是通过有机溶剂萃取法将叶黄素提取出来，经过有机溶剂萃取如乙酸乙酯、正丁烷等可以将叶黄素单体与脂肪酸盐分离，从而得到较为纯净的叶黄素单体。为了提高提取效率，有机溶剂提取法都夹带着超声波辅助、微波辅助或酶辅助。另外超临界二氧化碳萃取法作为一种新的方法在叶黄素的提取上也得到了应用。
    3.1 有机溶剂提取
    有机溶剂萃取法是最常用的萃取方法，在叶黄素提取方面应用广泛，万寿菊的鲜花经过发酵、压榨、烘干等工序可制成万寿菊颗粒，再经过溶剂浸提法可制备色素精油。盛爱武等［15］研究了不同浸提液对万寿菊花干粉中叶黄素提取率的影响，发现以乙烷、丙酮、甲醇复合试剂浸提花粉，叶黄素的提取率最高，可达到6.21 mg/L。然而有机溶剂提取法的不足有2点，一是某些有机溶剂由于毒性的存在，使得制备的叶黄素单体上会有有机溶剂残留，存在安全问题。二是提取率低。
    3.2 超声波辅助提取
    超声波辅助是利用超声波作用原理，在提取过程中将细胞破碎使提取物能够快速、高效地进入提取溶剂，从而缩短提取时间，提高提取效率。李大婧等［16］研究了超声波强化有机溶剂提取万寿菊花粉中叶黄素的工艺过程，得出在超声波功率300 W、超声波作用30 min、料液比1∶20 下，叶黄素的提取率可达到93.65%。李秀霞等［17］对玉米蛋白粉叶黄素超声波提取工艺进行了研究，得到的最佳工艺参数为超声时间11 min、初始温度25.4 ℃、液固比为6.4 mL/g，此条件下叶黄素的提取率可达到67.90 μg/g。李曼等［18］探究了超声波辅助有机溶剂提取叶黄素酯的最佳工艺条件，在超声波功率150W、提取温度40℃、提取时间90 min 下，提取率可达到18.57%。
    3.3 酶法辅助提取
    酶可以破坏细胞壁进而使细胞内的提取物质与外界溶液能够迅速结合进行交换，可以大大提高提取效率。李大婧等［19］以万寿菊花粉末为原料，采用液态纤维素酶处理和有机溶剂萃取同时进行的方法提取叶黄素，提取率可达到92.37%，酶法提取与单纯溶剂法提取叶黄素相比（提取率为77.53%），大大提高了提取效率。
    3.4 微波辅助提取
    微波辅助有机溶剂提取法相对于溶剂提取法具有速度高、提取率高、需要溶剂量少、操作简单等优点。李建颖等［20］研究了在柑橘皮中以微波加热提取叶黄素的方法，得到了在微波功率800W 的条件下叶黄素的提取率可达到71.60%。
    无论是酶法辅助、超声波辅助还是微波辅助，目的都是为了让细胞内容物快速流出来。因此也有一些研究者研究了利用不同仪器破坏细胞时对叶黄素提取率的影响。Chan 等［21］比较了高压灭菌锅、超音波震碎机和磨珠均质器3 种不同破坏微藻细胞的方法，试样经过皂化后通过HPLC 分析检测叶黄素含量，结果发现利用磨珠均质器破坏细胞叶黄素的提取率（提取率为2.8 mg/g）要明显高于其他方法。
    3.5 超临界二氧化碳萃取法
    由于常用的有机溶剂萃取法具有溶剂残留问题，一般只能作为饲料添加剂使用，而利用超临界二氧化碳萃取则可以解决这个问题。超临界二氧化碳萃取法是利用超临界二氧化碳对于某些物质具有特殊的溶解作用从而可以选择性地把极性大小、沸点高低和分子质量大小的成分分别萃取出来，临界二氧化碳萃取法相对于其他传统方法具有无溶剂残留、无污染，可避免萃取物质在高温下发生热劣化，可以保持萃取物质的天然活性等优点，可以制备出溶剂残留少、活性高的叶黄素。佟万兵等［22］以玉米蛋白粉为原料，利用超临界二氧化碳萃取技术提取叶黄素，得出最佳工艺条件为萃取时间2.3 h、萃取温度42 ℃、萃取压力30 MPa、夹带剂为90%乙醇（添加量为5 mg/100 g），在此条件下由响应面预测的玉米叶黄素纯度可达46.5%。目前已有很多人通过超临界萃取提取叶黄素，并不断有人对条件进行优化，但由于超临界萃取方法所需要的费用比较高，并没有应用于叶黄素的规模化生产，相关的文献也并不多，但作为绿色高效的萃取技术，超临界二氧化碳萃取技术在叶黄素的萃取方面具有较大潜力。
    4 ·叶黄素在食品加工中的应用
    叶黄素作为一种绿色健康的食品添加剂已经应用于食品、医药等领域。据斯洛文尼亚卢卡尔亚那大学的研究者称，将叶黄素加入到葵花籽油中，然后再加热，有助于降低油在高温条件下产生的反式脂肪酸，这一效果要明显优于将迷迭香提取物加入到油中。研究者将迷迭香提取物和叶黄素添加到葵花籽油中，然后将样品油与对照组油一同加热到180℃，之后分别测定加热后各种油中反式脂肪酸的含量，与加热前相比，对照组油、加入迷迭香提取物的样品油、加入叶黄素的样品油，在加热后所含有的多于一个反式双键的反式脂肪酸含量由0.91%分别上升到1.71%、1.55%、1.43%。叶黄素还应用于饮料和果冻中作为营养强化剂和着色剂，将橙汁饮料、含乳饮料、碳酸饮料加入叶黄素，经过6 个月的贮藏后，叶黄素的保持力都在90%以上。李雨等［23］以木糖醇、叶黄素为原料，经过粉碎混合、造粒、整粒等工艺制备成一种木糖醇叶黄素固体饮料，通过将低能量的木糖醇和具有抗疲劳的叶黄素结合，提高了饮料的保健作用。汤臣倍健公司将叶黄素制备成越橘叶黄素酯软胶囊，通过实验发现，经过45 d 使用后，试食组对眼痛、眼胀、畏光、视物模糊、眼睛干涩等症状有明显的改善效果，如今此胶囊已成功应用于保健食品领域中［24］。
    5· 结论与建议
    叶黄素不仅是一种天然的着色剂，还能够保护视力、抗氧化减缓衰老、具有提高免疫力、抗肿瘤等多种保健功能，随着消费者对天然、绿色、健康食品需求的增加，天然叶黄素的潜在市场销售值巨大。目前国内外已开出多种叶黄素食品，如美国纽崔莱生产的安利越橘护眼益视片（含胡萝卜素、维生素A、叶黄素）、德国生产的2 代清瞳叶黄素蓝莓胶囊、修正药业生产的叶黄素酯软糖、华北制药集团生产叶黄素压片糖果、宣城柏维力生物工程有限公司生产的恩百叶黄素蓝莓咀嚼片、美国克明食品公司生产的可为人补充叶黄素的功能性食品即所谓“超视力饮料-福罗拉”已经推出，这是一种含“GLO 叶黄素”的水溶性饮料制品。美国的胡兹制造公司、瑞士的罗氏公司以及德国MAR-CUS 公司等也都在致力于叶黄素保健食品的研究开发和生产，市场前景广阔。但我国目前在叶黄素功能机理、量效关系及应用方面还需要加强。
    （1）虽然叶黄素及叶黄素酯来源丰富，但由于我国人口多、土地资源紧张，所以植物资源提取叶黄素有限，需要着重考虑利用农副产品加工副产物如玉米黄粉、果蔬加工副产物如果渣、果皮、蔬菜下脚料等提取。可利用藻类养殖、微生物发酵等高效生产方法实现叶黄素的规模化、工业化生产。
    （2）叶黄素除了本身具有的良好着色功能，还具有保护视力以及抗氧化、预防肿瘤、抑制肿瘤生长、延缓人体动脉硬化的功能，也可以减少植物油加工过程中反式脂肪酸生成的作用，但具体作用机理及量效关系需要进一步探讨。
    （3）研究叶黄素及叶黄素酯与其他抗氧化剂如β-胡萝卜素、维生素E、维生素C、番茄红素、茶多酚等之间的复配增效作用，以开发高效的食品抗氧剂及抗氧化延缓衰老的保健食品；研究叶黄素与其他功能性成分如花青素、维生素A、β-胡萝卜素、生物活性多糖、活性肽等之间的协同增效作用开发保护视力、预防肿瘤、提高机体免疫力等保健食品。

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