紫薯中花色苷及色素抗氧化性能的密度泛函理论研究

公维娟，马秀秀

(齐鲁理工学院 化学与生物工程学院，山东 济南 250200)

花色素是一种水溶性色素，基本结构单元为2-苯基苯并吡喃阳离子，又称为类黄酮类化合物，其化学性质不稳定，易与糖结合成为花色苷[1-2]。研究表明，花色素及其不同糖苷具有抗氧化、抗突变、保护肝脏、预防心血管疾病等作用[3-6]，是一种具有保健作用的色素，在食品、化妆品等行业中被广泛应用[7]。紫薯属旋花科草本植物，含有丰富的花色苷。陈文等，利用了LC-MS/MS方法来分离了紫薯中存在的花色苷，并且鉴定了花色苷的含量，结论显示紫薯中含量最大的两类花色苷分别是芍药类和矢车菊类[8]，但对其抗氧化活性的强弱和机制报道较少。量子化学对于一些物质化学现象的微观本质的正确解释，可以很好的预测物质抗氧化活性强弱。基于以上研究，本文选取了紫薯中存在的两种花色苷和花色素：芍药-3-葡萄糖苷，矢车菊-3-葡萄糖苷，芍药色素，矢车菊色素(见图1)，运用密度泛函理论方法，从分子几何结构及参数、羟基解离能、前线轨道能级三个方面，对紫薯中两种花色苷和两种花色素的抗氧化活性进行了理论评价。

图1 紫薯中两种花色苷和两种花青素的结构式

1 计算方法

密度泛函理论以其精度高且计算速度快的显著性优势被广泛应用于大分子的计算[9-10]。本文选用Gaussian 09W作为计算软件，采用混合函数[11]及Lee，Yang和Parr相关函数[12]B3LYP方法在6-31G(d)基组水平上对紫薯中芍药色素和矢车菊色素及其糖苷进行了优化计算，基于四种化合物酚羟基的O-H键长、BDE、HOMO和LUMO的能级及结构、△E(LUMO-HOMO)等量子化学参数，详细分析了两种花色素及其糖苷的抗氧化活性规律。

2 结果与分析

2.1 分子的几何构型和结构参数

用B3LYP/6-31G(d)方法优化后的矢车菊色素、芍药色素、矢车菊-3-葡萄糖苷、芍药-3-葡萄糖苷的分子几何结构见图2，主要结构参数见表1。

图2 紫薯中两种花色苷和两种花青素的最优结构式 表1 紫薯中两种花色苷和两种花青素主要结构参数(键长(Å)二面角(°)

由图2可以看出矢车菊-3-葡萄糖苷与芍药-3-葡萄糖苷分子、矢车菊色素与芍药色素分子的取代基除了C5'位置上不同之外，其他位置的取代基数目和种类别无二致，因此可将其两两一组进行比较。按照分子价键理论可知：化学键键长越长，键能越小，化学键越容易断裂，化学性质就显得越活泼。

从表1可知芍药-3-葡萄糖苷和芍药色素均是C4'位置的酚羟基键长最大，键强度最弱，此处酚羟基氢原子最容易失去，抗氧化活性最强。而矢车菊-3-葡萄糖苷和矢车菊色素则是C5'位置的酚羟基键长最大，结合图2可知，形成原因是矢车菊-3-葡萄糖苷和矢车菊色素在C4'位置酚羟基O与C5'位置酚羟基H形成了分子内氢键，拉长了C5'位置酚羟基键长，但减弱了C5'位置酚羟基的活泼性，因此抗氧化活性也是C4'位置的酚羟基最强。两种色素的C3、C5和C7位酚羟基与两种花色苷的C5和C7位酚羟基键长并无明显差别，都有一定的抗氧化活性。

分析同种色素和C3位葡萄糖苷的酚羟基键长可知，不论是芍药色素还是矢车菊色素，均是色素酚羟基键长长于对应位糖苷的键长，色素的抗氧化活性要优于糖苷的抗氧化活性。从图2的优化结构和表1二面角参数可以观察到，矢车菊色素与芍药色素的优化分子结构均近似于平面结构，有利于电子离域。但是矢车菊-3-葡萄糖苷与芍药-3-葡萄糖苷C环与B环存在20°～40°左右的二面角，不是共轭的平面结构，因此花色苷的抗氧化活性较弱。

2.2 前线轨道能量分析

福井谦一提出的前线分子轨道理论在学术界中得到了不少人的认可，他以科学地方式有效地指出了分子最高占据轨道(HOMO)和分子最低空轨道(LUMO)彼此间存在的相互作用[13]。在发生化学反应时，HOMO的能量越高，该轨道中的电子越不稳定，给出电子越容易；LUMO的能量越低，该轨道越容易接受电子；△E(LUMO-HOMO)作为两轨道的能级差，反映了电子从HOMO向LUMO跃迁所需要的能量，差值越大，反应越难发生。四种化合物的前线轨道结构图和轨道能级的相关数据分别列于图3和表2。

图3 两种花色苷和两种花青素的前线轨道结构图

表2 四种化合物的最高占据轨道能级和 最低空轨道能级及其能级差(a.u.)

通过图3我们能够较为直观的看到参与反应的轨道分布情况，四种化合物分子的HOMO和LUMO主要集中在苯环、C-O及酚羟基上，是离域的共轭轨道，而糖苷上的原子对前线轨道没有贡献，因此糖苷上的羟基不具备抗氧化活性，这一点在其他研究中也有体现[14]。因此在表1中分析键长数据时没有把糖苷上的羟基键长列入。

从表2中可以看出，两种花色素的△E(LUMO-HOMO)均小于对应的花色苷的△E(LUMO-HOMO)，花色素的活性更强，与前面键长数据相一致。矢车菊-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)小于芍药-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)，矢车菊色素的△E(LUMO-HOMO)同样小于芍药色素的△E(LUMO-HOMO)，因此不论是花色素还是花色苷，均是矢车菊类的抗氧化活性较强，分析其分子结构可知，矢车菊类的C5'位为酚羟基，而芍药类的C5'位为甲氧基，两者结构的不同，导致了酚羟基数目不同，数目越多，活性越强，因此矢车菊类的活性较高，这与其他文献的结论相一致[15]。因此四种化合物的活泼性为：矢车菊色素>芍药色素>矢车菊-3-葡萄糖苷>芍药-3-葡萄糖苷。

2.3 酚羟基解离能BDE

研究表明，黄酮类化合物具有抗氧化能力的机理其实是氢原子转移机制。解离能(BDE)的高低决定了其抗氧化能力的效果，氧氢键中的键离能越低，其去氢反应更容易发生，抗氧化能力越强[16]。酚羟基的解离能可以通过下述公式来计算：BDE=Ep+EH-Er ，其中Ep、EH、Er分别代表了相关自由基的能量、氢原子的能量和四个化合物分子的能量。

表3 紫薯中两种花色苷和两种花青素不同位置酚羟基解离能BDE(a.u.)

由表3中的数据可知，四种化合物均是C4'位BDE值最小，C4'是起抗氧化作用的活性位点，这与前文中键长数据的结论相一致。A环上的C5位BDE值小于C7位，C5位比C7位活性稍强。两种花色素中，矢车菊色素BDE<芍药色素BDE，抗氧化能力矢车菊色素>芍药色素；矢车菊色素-3-葡萄糖苷BDE<芍药色素-3-葡萄糖苷BDE，抗氧化能力矢车菊色素-3-葡萄糖苷>芍药色素-3-葡萄糖苷，这与前线轨道的分析结论相一致。

3 结论

结合四种化合物优化后的分子几何构型、结构参数、前线轨道、羟基解离能的分析， C4'位酚羟基抗氧化能力最强，是清除自由基反应的最大活性位点，其它位酚羟基也都具有一定的抗氧化能力，且C5位活性略高于C7位；矢车菊色素抗氧化活性大于芍药色素，矢车菊色素-3-葡萄糖苷抗氧化活性大于芍药色素-3-葡萄糖苷；C3位糖苷上的酚羟基不具有抗氧化性能，因此总体上花色素抗氧化性能要优于花色苷。