类胡萝卜素的研究进展

姜立，朱长甫，于婷婷，盛彦敏

（长春师范大学，吉林长春 130031）

1831年，德国化学家Wachenreder从胡萝卜根中结晶分离得到一种碳水化合物类的色素并将其命名为“胡萝卜素（carotene）”[1]。Berzeliu从落叶中分离提取出黄色的极性色素，将其命名为“叶黄素”。此后，随着生物化学科技的发展，人类通过色谱分析等方法又分离出一系列天然色素，并将其命名为“类胡萝卜素”（Carotenoids）[2]。

1 类胡萝卜素概述

类胡萝卜素是一类重要的天然色素的总称，是一类呈黄色、橙色或红色的具有多个共轭双键的萜类物质，也是维生素A的主要来源。类胡萝卜素一般是由8个头尾相连的异戊二烯基团组成，其典型化学结构如图1所示[3]。

图1 类胡萝卜素的典型化学结构

已知的类胡萝卜素有700多种，有近40种是在人类的饮食中发现的，广泛分布在果蔬等食物中。因其种类较多，所以有多种分类方式[4]。按照维生素A原可分为维生素A原类胡萝卜素（如β-胡萝卜素、番茄红素、α-胡萝卜素）和非维生素A原类胡萝卜素（如β-隐黄质、叶黄素和玉米黄质）。典型的分类方式是依据其化学结构的元素组成，可分为胡萝卜素和叶黄素两类[5]，胡萝卜素是只含C、H两种元素的α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素和番茄红素等，叶黄素含有C、H、O三大元素，可形成羟基、酮基、羧基、甲氧基等含氧官能团，典型代表为叶黄素类[4]，目前研究较多的类胡萝卜素包括β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素等。如图2所示，为常见的类胡萝卜素的结构示意图[2,5]，表1为这些类胡萝卜素的理化性质[2]。

图2 常见类胡萝卜素的结构示意图

2 天然类胡萝卜素的分布

2.1 类胡萝卜素在高等植物中的分布

类胡萝卜素是一种光合色素的辅助色素，在高等植物中广泛存在，通常与叶绿素共存，在高等植物的叶绿体中主要是以光合色素-蛋白质复合体的形式存在。许多高等植物花瓣和果实的组织细胞中，由于存在类胡萝卜素等化合物，会呈现出橙色或者黄色，如胡萝卜、辣椒、玉米、番茄等。高等植物的叶子含有相同但比例不同的类胡萝卜素，如β-胡萝卜素、叶黄素、紫黄素、新黄质等[6]。

2.2 类胡萝卜素在微生物中的分布

类胡萝卜素在微生物中也普遍存在，包括真菌、向光性细菌和非向光性细菌等，如酵母、霉菌、红螺菌等。利用水果蔬菜等生产类胡萝卜素，有体积大、质量重、生长周期长等缺点，而微生物具有生长繁殖快、营养需求少、生长条件不苛刻等优点，利用其生产天然的类胡萝卜素，既能够节约生产成本，又能提高生产效率。目前，生产类胡萝卜素的真菌常用的是酵母和霉菌，细菌中利用较多的是光合细菌[6]。

2.3 类胡萝卜素在藻类中的分布

类胡萝卜素在藻类中含量十分丰富，尤其是β-胡萝卜素含量最多。泥生颤藻（O.limosa）、地木耳（Nostoccommume）、巨大螺旋藻（Spirulina maxima）、柱胞鱼腥草（Anabaena cylindrical）、水华鱼腥草（A.variabillis）、佛氏绿胶藻（Chloroglocafrisschii）以及杜氏藻（Dunaliella）等都可以生产类胡萝卜素。目前，主要是以杜氏藻来生产类胡萝卜素，其含有的类胡萝卜素主要有β-胡萝卜素和黄体素，此外还有花药黄素、玉米黄素、紫黄素、α-类胡萝卜素以及顺式γ-类胡萝卜素等[6]。

3 类胡萝卜素的作用功效

类胡萝卜素是在光合生物中发现的一类具有抗氧化性的天然色素，是一类人和动物自身不能合成需要从外界摄取的一类色素[7]，也是体内维生素A的主要来源。类胡萝卜素种类繁多，不同的类胡萝卜素具有不同的生理功能，应用领域也非常广泛[8]。

3.1 β-胡萝卜素

β-胡萝卜素作为胡萝卜素中的主要成员，广泛存在于橘红色及绿色的水果蔬菜里，如绿色蔬菜、胡萝卜、杏、土豆、成熟的南瓜、西葫芦及芒果。在维生素A原的类胡萝卜素中，β-胡萝卜素具有最高的维生素A原的活性。β-胡萝卜素具有抗氧化、抗癌、维生素A原、预防眼睛老年性黄斑病变、延缓衰老、提高免疫力等重要生理保健功能[9]。β-胡萝卜素具有较强的抗氧化能力，可以清除自由基[10]。体内外实验发现，β-胡萝卜素在肝脏的炎症反应、纤维化及肝硬化中都起着预防作用[11]。有文献报道，β-胡萝卜素可以通过抑制HCV RNA病毒的复制降低HCV导致的肝癌。饮食中的β-胡萝卜素对肝脏的损伤有保护作用。补充β-胡萝卜素可缓解野百合碱导致的小鼠肝脏脂肪变性、脂肪堆积、出血等症状[12]。

表1 常见类胡萝卜素的理化性质

3.2 番茄红素

番茄红素是一种隶属于胡萝卜素色素的类胡萝卜素，其作为异戊二烯化合物中四萜类的代表性物质，可以提高自身组织、细胞的抗氧化能力，增强免疫系统能力，有效维持人体健康[13]。研究表明，番茄红素抗氧化作用强，对增强人体免疫力、预防和治疗前列腺和心血管等疾病、防癌抗癌具有一定作用。其功效已逐步被人们所熟知和认可，目前已经开发出一系列保健产品，具有广阔的市场前景[13]。

3.3 叶黄素

叶黄素作为叶黄素的主要代表，在万寿菊、菠菜、胡萝卜等蔬菜中含量丰富。由于无法自身合成叶黄素，动物体内的叶黄素都是直接或间接从水果蔬菜中获得[14]。

天然存在的类萝卜素叶黄素是视网膜中黄斑色素的重要组成部分，可以过滤蓝光，防止视网膜受损。研究表明，叶黄素的抗氧化作用和光过滤作用，在一定程度上可以保护视力，防止视力衰弱，预防白内障等眼科疾病[2]。还有研究表明，叶黄素还广泛存在于大脑内的各个部分，其含量占脑部总类萝卜素的59%且其浓度与婴儿大脑发育和老年人认知功能存在正相关关系[15]。早产儿大脑中叶黄素的浓度显著偏低，这可能是造成早产儿神经发育缺陷的原因。且婴儿早期体内叶黄素水平偏低也会增加神经发育受损、视网膜色素上皮成熟、神经组织氧化的应激风险[16]。研究发现，叶黄素通过降低炎症因子的表达和增加超氧化物歧化酶来完成其在体内良好的抗氧化作用[17]。使用眼睛葡萄膜炎老鼠模型研究发现，叶黄素可以缓解老鼠眼睛的氧化活性物质浓度，减低炎症因子的表达，提示叶黄素在葡萄膜炎症时可以通过去抗氧化作用保护视神经细胞。有文献报道，叶黄素可降低高胆固醇饮食喂养的几内亚猪肝脏内的丙二醛及肿瘤坏死因子的含量[18]，同时降低核因子-κB DNA结合的活性。叶黄素的抗氧化作用可预防NAFLD。

因此不难发现，类胡萝卜素有两大类主要功能，一类是与维生素A有关，一类是其非常强的抗氧化性，能有效清除氧自由基，因此可以预防和治疗许多由于细胞或组织内过量的氧化自由基所导致疾病的发生。例如，在预防和治疗光敏性疾病、心血管疾病、白内障、癌症等疾病上起到重要作用[19]。类胡萝卜素具有氧化性，还可以参与到氧化应激及炎症反应中，其可以保护细胞免于氧化活性物质的氧化损伤[10]。通过临床研究观察发现，虾青素的抗氧化性也可以减少血清中的脂质等[20]。

此外，类胡萝卜素还有一些其他功能，如利用类胡萝卜素的着色效果，可以在禽类养殖中提高蛋黄中的色素沉积，从而提高禽蛋的品质和食用效果[21]。在动物饲料中添加一定量的类胡萝卜素，有利于改善动物体色和羽毛颜色，增加观赏性[2]；也有利于提高动物的生产性能、机体免疫力、繁殖效率等[3-4]，对增加养殖业的经济效益具有一定的推动作用[22]。例如，水产动物的体色受环境条件影响，在内分泌和神经系统的控制下表现出不同颜色。而从饲料中吸收的类胡萝卜素可在鱼体内转变为其他类胡萝卜素沉积在鱼体内，使鱼类显示出固有颜色和肉色，这对提高经济动物的观赏性和产品质量有非常大的意义[21]。

4 结语

类胡萝卜素是一类种类繁多、具有多种功能的天然色素，特别是作为一类抗氧化剂，可以帮助人们延缓衰老、预防肿瘤癌症等。类胡萝卜素不能由人体自身合成只能从外界获取，但其对于人类的健康起着非常重要的作用。基于类胡萝卜素种类和功能的多样性，了解类胡萝卜素在生活中的分布、分类和典型类胡萝卜素的功能，对人们合理选择和利用类胡萝卜素有重要意义。