叶黄素生物活性和环境因素对其稳定性影响研究进展

于良晓，郭 远，翟晓娜，裴海生，李媛媛

（农业农村部规划设计研究院，农业农村部农产品产地初加工重点实验室，北京 100125）

叶黄素是C40的萜类化合物，系统命名为3,3’-二羟基-β,α-胡萝卜素，分子式为C40H56O2，相对分子质量为568.87，分子结构如图1所示。叶黄素由两个不同的紫罗酮环和一个含多个共轭双键的碳链连接构成，有3个手性中心，8个立体异构体[1-2]。近年来，叶黄素对改善认知、治疗年龄相关的黄斑疾病、缓解心血管疾病等的作用越来越明显，因此，科学界推荐叶黄素为理想膳食的一种基本营养素[3-6]。

图1 叶黄素的分子结构[7-8]Fig.1 Molecular structure of lutein[7-8]

叶黄素生物合成包括多步复杂的次生代谢反应，涉及多种生化反应的关键酶，如八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶、番茄红素β环化酶、胡萝卜素β环羟化酶等[7,9]。由于人体中不存在叶黄素生物合成的关键酶，因此，叶黄素在体内无法合成，必须通过膳食补充。叶黄素膳食来源如表1所示。

表1 叶黄素膳食来源[10-13]Table 1 Dietary sources of lutein[10-13] 单位：μg/100 g

在菠菜、甘蓝等蔬菜及部分水果中，叶黄素主要以自由态形式存在；在万寿菊、南瓜等植物花朵或果实中，叶黄素以酯化形式存在[14]。与自由型叶黄素相比，叶黄素酯的生物利用度较低。临床试验发现，人体推荐叶黄素的每日剂量为6 mg，然而，通过膳食补充，大多数人仅可获得每日所需叶黄素的10%[8]。鉴于膳食叶黄素的平均摄入量远低于人体所需的摄入量，开发富含天然叶黄素的膳食营养补充剂势在必行。叶黄素目前以各种补充剂形式商业化，其市场被细分为食品、医药以及动物饲料等行业。2015年，叶黄素的全球市场价值约为1.35 亿美元，预计到2024 年将以6%的增长率逐年增长，在欧盟，叶黄素的市场价值估计为2.55 亿欧元，预计到2027 年将达到4.05 亿欧元，可见，叶黄素有着广阔的市场前景[5-6,15-16]。然而，在功能食品开发过程中，由于叶黄素结构中具有共轭双键组成的长发色团，使得叶黄素呈现橙黄色的同时也使其易于异构化和氧化，化学性质不稳定，易被温度、氧气、pH 和光照等因素影响而发生降解，导致其在食品加工和医药等方面的应用受到很大的限制[17-18]。

本文从叶黄素的提取方法着手，综述叶黄素对预防多种疾病，如眼睛疾病、神经退行性疾病、心血管疾病、肿瘤疾病、肥胖相关疾病等的功能作用，阐明影响天然叶黄素稳定性的主要因素的研究进展，以期为天然叶黄素的推广应用和产品研发提供理论支撑。

1 叶黄素的提取方法

叶黄素的传统提取方法是有机溶剂提取，为了提高效率，通常将有机溶剂提取法与其他方法联合使用。本文系统总结了有机溶剂提取、超声波辅助提取、微波辅助提取、酶辅助提取和超临界CO2萃取5种叶黄素提取方法的提取原理及应用实例，详见表2。上述提取方法尽管较为常用，但是各有优缺点。例如：有机溶剂提取法工艺简单，成本低，但其提取时间长，提取率低，杂质多，有机溶剂易残留[19-20]；通过微波、超声波或酶辅助提取叶黄素时会将植物细胞壁破碎，以促进有效成分溶出，其速度快，提取率高，但也存在缺点，如微波电场存在尖角集中性，微波加热可能使原料受热不均发生热劣变，超声波使用过程中不采取安全措施可能会损伤操作员的听力；酶过量可能导致可溶性糖和酸的释放，从而抑制酶活性，降低叶黄素提取率[21-25]；使用超临界CO2萃取法无溶剂残留，无污染，避免了萃取物质在高温下发生热劣变，不破坏活性成分，但也存在成本高的缺点[25-26]。据此，在未来研究中，应创新叶黄素提取工艺及提取技术，提高产业效率，拓宽其产业应用。

表2 叶黄素提取方法的原理及应用实例Table 2 Principle and application of lutein extraction method

2 叶黄素的功能作用

近年来，我国居民生活水平逐渐提高，营养供给能力显著增强，膳食相关疾病的发生和发展备受关注。基于此，我国实施了健康中国战略的重大决策部署，制定了《国民营养计划（2017—2030年）》，印发了《“健康中国2030”规划纲要》，发布了《中国居民膳食指南（2022）》，以期通过膳食营养干预改善我国居民营养健康问题。大量研究报道了叶黄素的健康效应，本文重点关注天然叶黄素预防和改善眼睛疾病、神经退行性疾病、心血管疾病、肿瘤疾病、肥胖相关疾病作用效果，其主要功能作用总结如图2所示。

图2 叶黄素的功能作用[11,18,35-38]Fig.2 The function of lutein[11,18,35-38]

2.1 预防眼睛疾病

黄斑是人类和灵长类动物视网膜中的一种特殊结构，它的中心是视力最高的区域，年龄相关性黄斑疾病（AMD）会导致阶段性的视力损害甚至失明。此外，白内障由晶状体浑浊引起，可导致渐进性视力损害、视力模糊等，是目前另一个严重的眼睛健康问题，也是世界范围内导致失明的主要眼疾[13,39]。一些流行病学和干预研究表明，叶黄素与AMD 和白内障的发病率降低有关，每天膳食中补充10～20 mg 叶黄素可能会阻止AMD 的发展，且叶黄素摄入量与年龄相关性白内障的发病率呈负相关[12,40-41]。叶黄素减少黄斑变性和白内障形成的机制是通过增加眼部组织的黄斑色素沉着，这有助于过滤有害的蓝光，从而减少组织的氧化损伤[42-43]。Widomska 等[42]通过对患有AMD和未患AMD的人群对比研究发现，患有AMD的人群眼睛中叶黄素含量比未患AMD 的人群含量低，进而证实了叶黄素对AMD的改善作用。Li等[37]通过体外试验评估了叶黄素对视网膜神经节细胞抗氧化应激和缺氧的影响，发现采用10、20 μmol/L的叶黄素处理后细胞数量明显增加，当视网膜神经节细胞受到CoCl2诱导的化学缺氧或H2O2触发的氧化应激时，叶黄素可以保护视网膜神经节细胞免受损伤。Sahin等[44]发现，叶黄素可通过调节大鼠G蛋白偶联受体和生长因子来减轻光氧化视网膜损伤，因此叶黄素可被认为是预防早期感光细胞变性和中和氧化应激产生的自由基的辅助疗法。

2.2 预防神经退行性疾病

随着世界人口老龄化问题的日益突出，阿尔兹海默症、帕金森症等与衰老紧密相关的神经退行性疾病正在严重威胁着老年人的健康。二十二碳六烯酸（DHA）是一种存在于大脑中的多不饱和脂肪酸，对儿童的发育和功能改善及维持成年人的神经功能至关重要。然而，DHA 的存在和强烈的代谢活动会产生攻击大脑的自由基。研究发现，叶黄素是神经系统中含量最高的类胡萝卜素，是可变的定位膜区域内丰富的多不饱和脂肪酸，叶黄素可通过提高负责细胞内自由基清除过程的谷胱甘肽水平、通过激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）、通过抑制核因子κB（NF-κB）发挥清除自由基和抗氧化应激的作用[38，45]，抑制DHA氧化，提高膜的稳定性和流动性，并使DHA能够储存以供使用且进一步转化为抗炎化合物，对神经系统发育和维持正常功能都具有重要意义[45]。此外，武万强[46]研究表明，叶黄素可以显著改善脂多糖诱导的神经细胞损伤，也能够显著抑制脂多糖诱导的神经细胞中炎症因子水平，同时叶黄素通过激活蛋白激酶B信号通路发挥神经保护作用。Liu等[47]研究发现，叶黄素可以通过调节脑血管内皮细胞中NF-κB的表达来抑制淀粉样β蛋白的诱导毒性，进而改善线粒体膜电位和细胞活性，发挥改善神经退行性疾病的作用。

2.3 预防心血管疾病

人体内胆固醇、脂蛋白的堆积等是造成动脉粥样硬化，进而产生心血管疾病的重要原因。流行病学、体外试验和动物模型研究表明，叶黄素在一定程度上能够通过防止动脉粥样硬化的发生来降低心脑血管疾病的发病率[45]。Zou等[48]在随机临床试验中发现，按时定量服用叶黄素的治疗组的动脉内膜中层厚度显著降低，说明叶黄素对于心血管疾病具有预防作用。如图3所示，叶黄素通过以下几个途径发挥预防和调节心血管疾病的作用：①调节清道夫受体-B1（SR-B1）；②调节细胞外调节蛋白激酶（ERK），参与细胞氧化应激反应中的关键因子Nrf2信号通路的激活；③通过抑制p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）、胞内磷脂酰肌醇激酶等活性，阻断NF-κB通路；④通过抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）参与CJUN氨基末端激酶（JNK）的活性；⑤通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体α（PGC-1α）并随后促进肉毒碱棕榈酰基转移酶1A（CPT1A）的产生。

图3 叶黄素调节动脉粥样硬化的可能机制[36]Fig.3 Possible mechanisms by which lutein regulates atherosclerosis[36]

此外，叶黄素由于极性高、共轭双键多，比其他类胡萝卜素的抗氧化活性更强，有着较强的自由基清除能力[36]。基于叶黄素抗氧化作用，其发挥预防心血管疾病作用的途径是共轭多烯链失去一个电子形成阳离子自由基，使氧自由基还原，从而抑制活性氧的活性，阻止活性氧对正常细胞的破坏[45]。其中，活性氧可与脱氧核糖核酸、蛋白质、脂类等发生反应，削弱它们的生理功能，进而引发心血管疾病等慢性病。叶黄素能猝灭单线态氧，捕获氧自由基，防止自由基对生物膜的损害，从而发挥预防心血管疾病的作用[1]。

2.4 预防肿瘤疾病

近年来，国内外研究发现，叶黄素具有抑制结肠癌、肝癌、乳腺癌等恶性肿瘤的作用，叶黄素主要通过抑制肿瘤细胞增殖和分化、诱导肿瘤细胞凋亡、免疫调节等途径抑制肿瘤的发生和发展[20,49]。纽约大学药物学院通过试验发现，叶黄素低摄入量组的乳腺癌发病率是高摄入量组的2.08～2.21 倍，这说明二者紧密相关，所以在膳食中摄入叶黄素可以一定程度上预防肿瘤的发生[20]。Madaan等[50]提出，叶黄素能够抑制EC9706 细胞的增殖，表明参与食道癌细胞增殖和分化的蛋白会受到叶黄素的调节，从而有效抑制食道癌。Sumantran 等[51]研究发现，叶黄素可在低分化的乳腺细胞中选择性地诱导细胞凋亡，但不会诱导正常人的乳腺细胞凋亡，这说明叶黄素在癌细胞凋亡的调节中起重要作用。

2.5 预防肥胖相关疾病

近年来，全球居民膳食结构变化显著，高脂食物摄入量陡然增加。过量的脂肪摄入会破坏机体能量代谢和物质代谢平衡，增加肥胖、Ⅱ型糖尿病和一些癌症的发病风险[52]。Gopal 等[53]研究发现，高脂饮食（HFD）同时补充叶黄素16 周（每日10 mg/kg）可显著降低HFD 诱导的肥胖小鼠的食欲和食物摄取量；与未口服叶黄素的高脂组小鼠相比，叶黄素干预组可显著降低HFD 诱导的体重增加（体重降低45%），该作用主要归因于叶黄素部分地提高了瘦素（LP）的敏感性。LP 是机体受到胰岛素刺激时，由脂肪组织分泌的蛋白质类饱食诱导激素[14]，叶黄素通过引起下丘脑内质网应激减少和LP受体信号传导活化，LP进一步调控体内荷尔蒙黑色素细胞刺激激素的活跃程度，产生饱腹感，发挥减肥的作用。Cheng等[54]研究表明，叶黄素可通过激活AMPK途径来减轻游离脂肪酸诱导的HepG2细胞氧化应激和抑制脂质堆积。Sindhu等[38]研究发现，叶黄素通过抑制负责激活脂肪细胞的转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPARγ）的活性，起到抑制前脂肪细胞增殖分化的作用。PPARγ的活化可下调炎症因子，如TNF-α、LP和白细胞介素-6（IL-6）的表达，并诱导脂联素（一种使肝脏和肌肉对胰岛素敏感的脂肪因子）的表达，进而调节胰岛素的敏感性，干预脂肪细胞分化，发挥降脂作用[52]。此外，一些研究发现：叶黄素也可提高高脂诱导的肥胖小鼠血清中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，保护小鼠免受高脂饮食导致的氧化应激损伤；抑制高脂喂养大鼠体内脂肪吸收代谢相关酶和胰脂肪酶的活性；降低血清中甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，起到减肥的作用[49-52]。上述研究均表明，给予膳食补充叶黄素是预防肥胖的一种潜在策略。

3 影响叶黄素稳定性的因素

虽然叶黄素具有多种生物活性，但由于其独特的结构性质，在加工过程中易被降解[18]，为了更好地发挥叶黄素的生物活性，现对影响叶黄素稳定性的因素进行分析。叶黄素具有多个共轭双键，结构上有全反式和顺式构象之分，常见的有全反式、9-顺式、9’-顺式、13-顺式、13’-顺式叶黄素等。天然的叶黄素以全反式构象为主，它不仅结构最稳定，在生物体内的活性也更强[16]。在加工过程中，全反式叶黄素会发生一定的异构化反应，造成叶黄素的降解[40,55]，生物活性下降。其中，影响叶黄素稳定性的主要环境因素如图4所示。

图4 环境因素对叶黄素稳定性的影响Fig.4 Effects of environmental factors on stability of lutein

3.1 氧气

由于叶黄素含有许多不饱和双键，且两个紫罗酮环均连有羟基，因此叶黄素降解最常见的原因是氧化。水果和蔬菜干燥过程中，叶黄素暴露于空气中，可能会发生非酶氧化，导致叶黄素结构发生异构化。氧化发生的速率与光照、温度、pH及促氧化剂和抗氧化剂的存在有关[13,17]。Kobori 等[56]研究发现，叶黄素在加工过程中除了最基本的环氧化、羟基化外，叶黄素多烯链的直接断裂还会形成无色的小分子化合物，同时叶黄素的生物活性也会丧失。Boon等[3]研究发现，叶黄素一旦开始氧化，便可能会进一步与自身或环境中的其他化学物质发生反应，形成更多的产物，从而影响叶黄素品质。因此，为了减少损失，加工过程中应减少叶黄素与空气的接触。

3.2 温度

在加工过程中，食品需要通过煮、炒或蒸等方式暴露在高温下。叶黄素会不可避免地受到加热、空气等影响，其中前者影响更为显著[4,40]，由于叶黄素的所有双键都以异构体的形式存在，高温加热能使全反式叶黄素异构化为顺式异构体，甚至裂解为环氧化物、羟基氧化物[4,57-60]。李秀鑫等[57]研究发现，60 ℃时叶黄素的保留率为96.5%，而100 ℃时下降至67%，说明叶黄素在高温条件下较不稳定。Barba 等[58]发现，热处理会引起类胡萝卜素的大量损失，但适当的热处理会增加类胡萝卜素的生物利用度。Kim 等[59]发现，在菠菜热加工过程中，温度从4 ℃上升至55 ℃会导致叶黄素的半衰期从116 d 下降至10 d，降解十分明显。分析原因为热处理下导致菠菜细胞壁和细胞膜破坏，促使叶黄素溶出，全反式构象会部分转变成顺式结构（9-顺式和13-顺式叶黄素），其稳定性下降，从而导致叶黄素的降解，生物活性显著降低。综上可知，叶黄素的热降解是一种常见的现象，在食品加工过程中，将叶黄素保持在安全的温度范围至关重要。

3.3 pH

在食品加工过程中，pH影响着许多现象和过程，例如，蛋白质性质的改变（变性、凝胶化、酶活性）、微生物的生长和死亡以及美拉德反应等。不同的pH条件下，叶黄素会产生不同的变化，低于4.0 或高于8.0的极端pH 值情况下，叶黄素会发生去酯化和顺/反异构化，导致颜色损失[60-61]。李季楠等[61]研究发现，pH 6.0～12.0范围内对叶黄素纳米乳液体系中叶黄素稳定性的影响不显著，而当以pH 2.0处理后，叶黄素的降解量明显增大，且此时自由基清除活性明显降低。因此，在食品加工过程中，要控制合适的pH，否则不仅会导致叶黄素的降解，对于食品的颜色和风味等也会造成不利影响。

3.4 光照

光照对于叶黄素具有明显的降解作用，这是由于光加速叶黄素分子链的氧化，载色体降解断裂，形成低分子量化合物，使叶黄素失去颜色。同时，叶黄素的共轭多烯链发生去质子化、失去电子的同时叶黄素的稳定性降低[35,62]。Kline 等[63]研究发现，随着光照时间的延长，叶黄素在提取液中的保留量逐渐减少，放置2周时，于448 nm 下测定日光照射的叶黄素损失率达37.24%。Ma 等[64]在探究细胞培养条件时发现，光照易引起叶黄素的色素分解，高光照强度（750 μmol·m-2·s-1）会降低叶黄素含量。Xiao 等[13]用紫外灯（365 nm）照射叶黄素2 h后，发现游离叶黄素的保留率为8.62%，表明90%以上的游离叶黄素被破坏，而同等条件下的叶黄素-多糖复合体的保留率达79.93%，这也为今后叶黄素的应用提供了新的思路。综上可知，在食品加工过程中应尽量避免光照，以提高叶黄素的稳定性。

4 结束语

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空间巨大。尽管现有研究已经发现叶黄素在预防眼睛疾病、神经退行性疾病、心血管疾病、肿瘤疾病、肥胖相关疾病等方面的功能作用，然而关于叶黄素生物活性实现机制及其在人体中的吸收、代谢途径和作用机制等的研究值得深入探索。此外，叶黄素的开发利用还存在诸多问题，如加工过程中氧气、温度、pH、光照等都会对叶黄素产生不利影响，导致其发生降解。因此，应更广泛地探索可提高叶黄素稳定性和生物利用度且又不影响叶黄素生物活性的加工技术，如纳米乳液和微胶囊等技术。同时，来自同一基质的叶黄素的生物可及性和生物利用度受食物基质的内在特性、加工方式以及某些膳食成分的影响，所有这些因素都不是单独作用，而是相互影响。因此，在未来研究中，应该进一步研究叶黄素与食品组分的相互作用，基于上述探索，期望未来不断实现叶黄素的工业化和规模化生产。