叶黄素 （天然色素，视网膜黄斑区主要色素）

发现历史

叶黄素的发现

1886年，奥地利化学家里本（Lieben）首次从大量风干的奶牛卵巢黄体中分离出主要成分为叶黄素的晶体物质。由于初分离时，该晶体物质不仅仅含有叶黄素，同时也混杂其他色素，因而呈现为红色。因此，Lieben将该红色晶体命名为＂hemolutein＂。Lieben成为第一位将叶黄素从动物组织中分离出来的科学家。

1907年，瑞士科学家威尔斯泰特（Ｗillstätter）与其助手米格（Mieg）分离出了一种黄色的叶绿体伴生物，将其命名为黄叶素（Xanthophyll），并通过碘量法精确测量出黄叶素的分子量为C₄₀H₅₆O₂。此外，他们还发现黄叶素极易溶于酒精，难溶于石油醚。

1912年，Ｗillstätter等人又于鸡蛋蛋黄中分离得到一种黄色色素。后经证实，该黄素色素主要成分为叶黄素和玉米黄素。此外，为纪念图迪休姆（ThudichumJLW）在类胡萝卜素领域的贡献，他们将这种黄色色素命名为lutein。

1931年，奥地利化学家库恩（Kuhn）首次利用液-固色谱法从蛋黄中提取出叶黄素的单体结晶，经分析测定得出叶黄素的单体分子式为C₄₀H₅₆O₂，分子量为568.85。

叶黄素的结构

叶黄素的化学分子结构

叶黄素单体的分子结构可看成三部分：首先是一条碳原子长链，其主链上存在着因单双键交替排列而得到的９个共轭双键。此外，该主链还修饰了四个甲基。而另外两部分为长链两端各连接的不同紫罗酮环：一个是β－紫罗酮环，其双键位于C5与C6之间，且在C3位置上连接了一个羟基；另一个是含有3’－羟基烯丙基的ε－紫罗酮环，双键位于C4’和C5’之间。具体结构如下：

叶黄素的晶体结构

叶黄素的实际分子构型取决于外部环境。晶体学数据显示，叶黄素具有两种不同的分子构型，且这两种构型的共轭多烯链都偏离平面。与之相反的是，叶黄素的量子力学几何优化结构却显示其共轭多烯链应为平面结构。

造成这种现象的原因如下：

如叶黄素β－紫罗酮的分子轨道图所显示，ε-紫罗酮环上C6’属于sp³杂化轨道，为了减轻C18’上的甲基所引起的相互作用力，C5'-C6'单键会发生轻微的扭转。同理，β－紫罗酮环上的C18甲基也会与C8上的氢原子发生强相互作用，不同的是，C5与C6间为双键，无法如单键一样发生扭转。此外，β－紫罗酮环上的C5与C6间双键与共轭多烯链上的双键也会发生共轭作用。因此，C5与C6间双键所在平面与共轭多烯链所在平面并非共面，而是成40°角。

叶黄素的晶体结构、基于量子力学几何优化的叶黄素晶体结构和叶黄素β－紫罗酮环的分子轨道示意图

叶黄素的同分异构体

叶黄素分子中各原子或者基团呈现不同的空间排列形式，存在多种同分异构体，而同分异构体又包括对映异构体和顺反异构体。

对映异构体

叶黄素存在三个手性中心，分别为C3，C3'，C6'，因此可得到八种对映异构体。人体中存在叶黄素结构体形式主要是（3R，3'R，6'R）－叶黄素，极少数是（3R，3'S，6'R）－叶黄素。

顺反异构体

叶黄素具有9个碳碳双键，而一个双键就会相应可得两种顺反异构体，因此叶黄素理论上可得大量的顺反异构体。但是由于叶黄素存在空间位阻效应以及共轭多烯链上的甲基取代作用，目前所报道的顺反异构体有全反式叶黄素及9－顺－、13－顺－、9’－顺－、13’－顺－、9，9’－顺-叶黄素，这几种异构体中全反式－叶黄素为最常见的一种。

天然叶黄素的分布情况

植物

植物是叶黄素的主要自然来源，叶黄素主要分布在植物光合作用的器官（叶与叶绿体）中，作为光合作用过程中采集光的辅助色素。此外，叶黄素不仅可以作为植物用来适应强光的光保护剂，而且也能为花朵和果实创造鲜艳的色彩来吸引昆虫授粉。在植物的其他组织中，叶黄素含量相对较少，但在胡萝卜（根）和玉米（种子）等橙、黄色植物组织中仍含量丰富。

藻类

在有些藻类中，含有丰富的叶黄素，如微藻类、蓝藻和绿藻等。叶黄素除存在于光合作用的器官中，进行光合作用外，还存在于非光合生物中，影响膜流动性。叶黄素赋予藻类黄色或橙色等色彩，并保护它们免受光和氧的损伤。

动物

动物体内叶黄素来自于其食用的含有叶黄素的饲料或者食物，研究认为这种经食物链而进入动物体内的叶黄素也属于天然叶黄素。动物体内的叶黄素主要分布于皮、脂肪、毛以及禽类所生产的蛋黄中。比如，三黄鸡因体内存在大量的叶黄素使得羽毛、皮、爪、喙呈现黄色。禽类的蛋黄则因富含叶黄素和玉米黄素而呈黄色。

常见食物中

在各类食物中，深绿色蔬菜、橙黄色瓜果、禽蛋黄和某些坚果类是叶黄素的良好来源。下表为一些常见叶黄素的含量。

视网膜黄斑区

叶黄素在视网膜黄斑区的分布与视觉细胞分布情况密切相关。研究发现，在视杆细胞最密集的视网膜黄斑周边，叶黄素的相对含量较高，并随着距离黄斑中心凹区越远而递减。

理化性质

物理性质

叶黄素为黄橙色晶体，无味、无臭，有金属光泽。根据其纯度或叶黄素的含量不同可呈黄色或橙色。熔点为196℃，常压下的沸点为702.27℃。叶黄素几乎不溶于水，而易溶于有机溶剂，例如己烷、苯、醚类、二氯甲烷、氯仿等，油水分离系数为logP＝7.9。其分子结构中的发色团，在紫外可见光区有独特的吸收峰，所以，其溶液在可见光下具有绚丽的黄色。此外，叶黄素中的紫罗酮结构周围的电子云密度高度不均匀从而使叶黄素分子表现出较强的极性。

化学性质

抗氧化与清除自由基

叶黄素具有较强抗氧化作用，能够淬灭自由基和阻断细胞内的链式自由基反应，阻止脂质过氧化反应的发生，保护机体组织细胞避免自由基过多导致的氧化应激导致的损伤。

此外，叶黄素主链末端紫罗酮环上的羟基增加了分子的极性，影响其在生物膜结构中存在的位置和形式，对其抗氧化能力具有进一步的作用和影响。

氧化反应

叶黄素分子两端的紫罗酮环上连接的羟基，能在MnO₂等氧化剂的作用下被氧化成羰基，由于叶黄素ε－紫罗酮环上的羟基与环上碳碳双键形成烯丙基羟基，β-紫罗酮环相应的双键与相邻直链双键形成共轭体系，所以ε－紫罗酮环的羟基比β－紫罗酮环的羟基更容易被氧化。除了紫罗酮环上的羟基，叶黄素分子中的多个碳碳双键也易被氧化。

酯化反应

叶黄素分子两端存在两个羟基，故而可以与多种脂肪酸发生脱水酯化反应，生成不同类型的叶黄素酯，叶黄素酯也是叶黄素的一种常见存在形式。

分离提取方法

只有从天然植物中获得得叶黄素才具有抗氧化生物活性。常用的提取方法主要有以下几种：

干燥法

干燥法主要是采用转筒式干燥机，通过捶打以及干燥的手段从万寿菊或者万寿菊花瓣提取叶黄素。改变捶打的比率，锤打效率也会在一定范围内变化（70%-90%）。此方法，所能提取的叶黄素产量取决于干燥时间；如果保持相同的干燥时间，在70℃条件下要比于60℃下所提取的叶黄素量要少。

有机溶剂抽提法

有机溶剂提取是最为广泛使用的叶黄素提取方法。由于叶黄素难溶于水，而易溶于有机溶剂。因此常采用有机溶剂作为提取剂，常用正己烷、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、石油醚等等。例如，选用乙醇作溶剂在碱性条件下提取，经过减压蒸馏、浓缩、沉淀、干燥得到褐色固体。此外，研究证实两种不同的有机溶剂相互混合所组成的二组分溶剂的提取效果要好于纯组分溶剂。

超临界CO₂萃取法

该方法利用CO₂临界流体的特殊性质，在高压条件下与万寿菊干花颗粒接触，通过减压、升温来降低CO₂临界流体的密度，并根据极性大小、沸点高低和相对分子大小等可选择性分离出叶黄素成品。因此，具有无毒无害、溶解能力强、溶剂残留少、产品具有纯度高等一系列的优点。

微波提取法

微波提取法可通过高频率微波震动去破坏富含叶黄素的植物细胞壁，从而使得提取溶剂得以与细胞中的叶黄素充分接触，提高萃取效率和产品得率，具有易于操作、副产物少、高产率和提纯容易等优点。其中，微波功率、提取溶剂、物料比、提取时间、提取级数、试样颗粒大小都是影响微波提取率的因素。

超声波提取法

超声波能够产生高速、强烈的空化效应来破坏提取叶黄素的植物细胞，使溶解介质能渗透到植物细胞，从而加速细胞内叶黄素的释放、扩散及溶解，缩短提取时间，提高提取效率。

酶介质有机溶剂提取法

酶可以破坏万寿菊等叶黄素植物提取物的细胞壁和细胞结构，使得细胞内的叶黄素等成分更容易暴露出来，从而加强了有机溶剂的渗透性。由于植物细胞壁多由多糖组成，因此纤维素酶或者半纤维素酶的降解活性最高，效果最好。

叶黄素的功能性

抗氧化功能

叶黄素结构中有10个共轭双键以及2个功能性羟基通过淬灭单线态氧和清除自由基作用发挥其抗氧化功能，阻止氧化应激对人体组织器官的损伤，延缓衰老和预防疾病。

增强免疫功能

叶黄素对免疫系统的保护主要可体现在以下两个方面：

首先是调控ROS自由基的量，即活性氧化自由基（为机体受到有害刺激时，产生的高活性分子，其在人体中一旦过量，易导致氧化系统和抗氧化系统失衡，从而损害细胞和机体。有代表性的是超氧阴离子自由基）的量。ROS在人体过量，会引起氧化过激而损害各种类型的细胞，造成免疫系统异常。叶黄素可通过淬灭部分ROS自由基的量，从而维持机体氧化-抗氧化系统的平衡，来保护免疫细胞结构完整和免受损伤。

其次是增强免疫反应，增加叶黄素的摄入量，能刺激和增强机体迟发型超敏反应，从而增强机体免疫反应，发挥免疫保护作用。

视觉保护

叶黄素是人眼视网膜黄斑区域的主要色素。它能通过抑制脂质过氧化以及c-fos基因表达来保护视网膜免受氧化应激的损伤。此外，叶黄素可一定程度滤过进入人眼视网膜的蓝光和短波长的光，同时也是单线态氧和其他自由基的高效猝灭剂，能够减少自由基的产生，从而有效阻止其对视觉细胞的破坏。例如，年龄相关性白内障是诸方面因素杂合导致人眼晶状体混浊的最后阶段。而光损伤和氧化应激损伤是年龄性相关白内障主要环境诱导因素。叶黄素作为人眼晶状体中唯一的类胡萝卜素，发挥着强抗氧化和滤光作用，减少了晶状体光敏物质的产生，有效地保护了晶状体免受光辐射和氧化损伤，延缓其浑浊阶段的到来，从而有效预防年龄相关性白内障的发生。

抗癌作用

研究认为叶黄素通过抑制与致癌物代谢活化相关的酶活性，例如细胞色素氧化酶P4501A2发挥抑癌作用。此外，叶黄素还可以抑制癌症的发展、抑制癌细胞的侵袭和转移，其多途径作用机制为选择性地凋亡调控、抑制新生血管的形成、促进细胞间缝隙链接，诱导细胞分化、抑制氧化损伤以及免疫调控等等。

降低心脑血管患病率

叶黄素的强抗氧化能力能有效抑制动脉粥样硬化的氧化应激反应和血管内皮细胞的氧化损害，从而达到延缓动脉粥样硬化来降低心脑血管疾病的患病率。

安全相关

食用安全

叶黄素来源于天然食物，人体每天都能摄入一定量的叶黄素。即使是叶黄素结晶，至今亦未发现过量食用对人体的可能危害或诱发已知疾病。相反，许多研究表明，即使增加这些叶黄素的摄入量，也不会损害人体健康。例如，连续6个月每天服用20mg叶黄素，或每天30mg服用五个月以上，甚至是每天服用40mg叶黄素并持续2个月，都未见任何不良反应。

此外，急性毒性试验中，大鼠服用叶黄素2000mg／kg，以及大小鼠均服用10000mg／kg，并连续观察两周，未见任何动物死亡，亦未见任何毒性反应。因此，叶黄素属于无毒级化合物。

诱变性安全

叶黄素也不具有任何的遗传毒性。在鼠伤寒杆菌的孵化实验中，对每组添加不同剂量的叶黄素，结果都显示，不同组的鼠伤寒沙门菌的回变菌数量没有增加，表明叶黄素没有直接或者间接致突变性。相反，在添加致突变剂后，叶黄素还能在一定程度上加强菌株的抗诱变作用。

此外，在仓鼠卵巢细胞染色体畸变试验中，添加不同剂量的叶黄素后，所有组别的卵巢细胞均未发现致染色体畸变现象。反之，添加叶黄素的量越多，细胞对其他致染色体断裂物质的抗性越强。

建议食用量

成人安全食用量

依据叶黄素食品安全性毒理学评价结果和欧洲食品安全局（EFSA）的ADI值为1mg／(kg d)，食品添加剂专家联合委员会（JECFA）的ADI为2mg／(kg d)，取安全性更高的前者，即60kg的成人摄入叶黄素60mg/d是安全的。

婴儿安全食用量

适量的叶黄素摄入有增强婴儿的免疫能力和预防疾病效果。其安全摄入量标准应至少为婴儿每天从母乳中摄入的叶黄素量。EFSA的专家组认为，婴儿配方奶粉、配方食品中的叶黄素加入量不超过250μg/L。

其他人群安全食用量

吸烟与肺癌人群吸烟者

吸烟者长期处于氧化应激状态，叶黄素能通过抗氧化炎性作用，预防相关疾病的发生。研究发现，吸烟者血清叶黄素水平明显低于非吸烟者，且吸烟越多其血清浓度越低。因此可适当增加吸烟者膳食叶黄素的摄入量，以维持机体常态叶黄素水平。但有研究显示，长期服用高剂量β－胡萝卜素、维生素A和叶黄素补充剂的吸烟者患肺癌的风险增加。安全起见，吸烟或者肺癌人群慎用较高剂量（>10mg／d）的叶黄素补充。

皮肤黄染者

叶黄素的过量摄入导致其在体内累积会导致皮肤黄染。例如，连续服用高剂量叶黄素（≥15mg／d）2-5个月后，会出现皮肤黄染，但是对身体器官无损伤，停止服用后，症状消失。因此，在出现皮肤黄染后，当停止服用。尤其是肝、肾功能不全者因新陈代谢速率低，导致叶黄素的排泄量少于正常人，所以较容易产生皮肤黄染，因此肝、肾功能不全者应适当控制叶黄素的摄入量。