玉米黄素制备与应用研究进展

玉米黄素制备与应用研究进展

王虹 赵华*

（天津科技大学生物工程学院 天津 300457 ）

燃料乙醇生产美国以玉米为原料，巴西以糖蜜为原料，中国则以玉米、甘薯和木薯等为原料，因其生产成本的65%-80%来源于原料，因此，开发具有高附加值的副产品，并对原料生物量进行合理的利用，是降低燃料乙醇生什产成本的有效途径。

玉米黄素(Zeaxanthin ，3，3-二羟基-β-胡萝卜素，分子式C40H56O2) [1]，广泛存在于黄色玉米表皮中，具有阻断体内的链式自由基反应，抑制自由基的产生，阻止脂质过氧化，延缓衰老和预防癌症等具有诸多生理功能，因而被认为是预防和治疗由自由基引起的许多疾病的理想药物。在食品工业中，玉米黄素作为天然食用色素，正在逐渐取代柠檬黄、日落黄等合成色素，而研究开发以玉米黄素为主要功能成分的保健品也将具有广阔的市场前景。

1 .玉米黄素的制备

玉米黄素主要存在于黄色玉米表皮中，可用于生产玉米黄素的玉米加工副产物有玉米黄粉、DDGS和玉米皮渣等，提取制备技术包括有机溶剂萃取法，超声波提取法，微波辅助提取法，表面活性剂法，酶法提取，超临界流体萃取法以及膜辅助分离提取技术等。

1.1 有机溶剂萃取法

待处理原料与石油醚、乙醇、丙酮等单一溶剂或混合有机溶剂混合，在室温下缓慢搅拌萃取数小时，分离混合油和浸出物料，混合油经过回收溶剂后得到含有玉米黄质、隐黄素及叶黄素等的类胡萝卜素混和物[2]。有机溶剂分离提取法的主要特点是提取工序比较简单，提取率较高，工艺中过滤得到的滤渣可以二次浸提，蒸馏后得到的溶剂可以回收再循环抽提利用，目前对于玉米蛋白粉中玉米黄素的提取已经比较成熟，主要是将玉米蛋白粉烘干，粉碎，加入95%乙醇，反复浸泡提取数次，将蛋白粉黄色提取到无色为止，收集浸泡液进行真空浓缩，即得深红色液体色素产品，用结晶化方法分离得到玉米黄素(以上操作均应在避光条件下进行)。此方法特别要对提取时间的掌握，时间过短提取就不充分，提取时间过长，容易沉积其它的杂质影响纯度。黄新辉等[3]通过正交试验得到提取的最佳条件为，95%乙醇：丙酮=3：2的混合液位提取剂，温度为60℃，料液比为1：10，pH3，回流提取1.5h，提取效果最好。

1.2 超声波提取法

超声波提取玉米黄素，是在有机溶剂萃取法的基础上，用超声波为辅助，提高玉米黄素的得率。超声提取技术的应用原理是利用超声波的空化作用加速植物有效成分的溶出，另外超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放并充分与溶剂混合，利于提取。该技术具有提取时间短、产率高、无需加热、低温提取，有利于有效成分的保护等优点[4]。曹龙奎等[5]采用二次旋转正交组合设计得到了最佳提取工艺条件为：液料比为15：1，温度为54℃，乙醇体积百分数为47%，提取时间29min，玉米黄色素的提取率为5.16%。超声波提取玉米黄色素在保持相对较高的提取率的基础上，缩短了提取时间，操作简单。但需要对产物进一步纯化分离，从而等到玉米黄素。

1.3 微波协助提取法

微波协助提取技术是近年来以传统溶剂浸提原理为基础发展的新型萃取技术，把微波用于浸提，它能强化浸提过程，降低生产时间、能源、溶剂的消耗以及废物的产生，可提高产率，既降低操作费用，又合乎环境保护的要求，是具有良好发展前景的新工艺[6-9]。王启明[10]通过正交试验得到了提取玉米黄色素的最佳工艺条件是70%的乙醇作为提取剂，微波功率360W，时间为90s，料液比为1g:8ml，利用微波辅助萃取玉米黄色素，具有时间短，提取率高，溶剂用量少，有利于回收，节约能源，减轻环境污染等优点。

1.4 表面活性剂提取法

表面活性剂提取玉米黄素，也是在有机溶剂萃取法的基础上，与微波协助萃取技术相结合的一种方法。借助表面法减少了有机溶剂对色素产品的污染，具有速度快，提取率高等优点，为玉米黄色素的开发和利用提供了实验数据。庞振凌等[11]通过实验的得到以料液比为1：80mg/mL，微波辐射档数为中高火，表面活性剂二醇硫酸醋钠溶液浓度为0.03%的最佳提取条件，使用该法提取玉米黄色素的提取率比仅使用微波法提高了11.6%。

1.5 酶法提取

植物体中类胡萝卜素与蛋白质一般以结合的状态存在，采用传统的直接浸提法，浓缩后得到玉米黄色素粗制品中含有一定的醇溶蛋白，不利于最后玉米黄素的纯化。采用酶法提取玉米黄色素，就是利用蛋白酶使部分蛋白质水解，拆散蛋白质的网络结构，不仅可以提高玉米黄色素的提取速率，而且可得到较高纯度的玉米黄色素。卢艳杰等[12]首次采用了水解玉米蛋白粉的方法提取玉米黄色素。经过酶水解后，玉米黄色素的提取率可以提高近70%。并且确定了最佳的水解工艺：底物浓度为5%，酶浓度为1.2%，温度35℃，pH为7.4-8.0，水解时间为6h。

1.6 超临界流体萃取法

提取玉米黄素常用有机溶剂法，产品不可避免地存在溶剂残留，影响了质量且生产周期长。超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extraction ，简称SFE)具有传质速率高、萃取速度快、溶解度大、选择性好等特点，使有效成分能够有选择性的萃取出来，且杂质少、产品品质高。采用超临界二氧化碳萃取玉米黄素等类胡萝卜素色素，在较高的萃取体积、萃取压力和使用助溶剂(如乙醇) 可获得较高色素收率。在较低压力下，所获得的色素主要是β-胡萝卜素，而在较高压力下，则主要是玉米黄质等类胡萝卜素。以玉米蛋白粉为原料，在压力7.39MPa以上，温度大于31.1℃的超临界状态下，CO2密度增加接近于液体，对玉米黄素有较大的溶解能力和渗透性;通过控制萃取器内CO2压力、温度、流量、萃取时间和一、二级分离器内的压力、温度及添加夹带剂等，可以有选择地分离获得高纯度的玉米黄素[13，14]。

另外，张民等[15]采用了超临界10.0MPa，温度在96.8℃，丙烷萃取玉米黄色素，经过试验得到了最佳萃取条件是，压力8.5～10.0MPa，温度为96.8℃，萃取时间4h，丙烷纯度大于99.5%，流量为35g/min。应用该方法可以得到较高纯度的玉米黄色素，产品的溶残小于2.39mg/L，因此可以进一步分离纯化得到玉米黄素。

但超临界流体萃取法对设备的要求较高，并且产品出率较低，还不能形成大规模的工业化生产。

2. 玉米黄素的分离纯化

玉米黄素属于异戊二烯类， 常常与隐黄素、β-胡萝卜素、叶黄素等共存，组成类胡萝卜素混合物，其分子结构如图1所示，其常用的分离纯化方法有薄层色谱法和高效液相色谱

法。

图1 玉米黄素的分子结构

2.1 薄层色谱法

薄层色谱是色谱分析方法中的一种，其特点是仪器和操作简单，展开时间快，检测灵敏度高，不仅适用微量成分的分离和鉴定，而且可用于制备少量纯物质。无论无机物、有机物、小分子化合物或大分子化合物、亲水性物质或亲脂性物质等各种类型化合物的分离、精制和鉴定都可用薄层色谱。玉米黄色素属于异戊二烯类色素，主要由玉米黄素、叶黄素等类胡萝卜素组成的混合物，故对玉米黄素的分离采用分离类胡萝卜素的吸附法、薄层色谱法进行分离，对分离成分进行红外、紫外光谱定性鉴定。卢艳杰等[16]利用溶剂萃取、薄层层析对玉米蛋白粉中的玉米黄素和黄体素进行了提取分离，通过薄层层析的相对迁移率、与AgNO3的显色反应、紫外-可见吸收光谱对分离的道的玉米黄素进行了定性的研究。

2.2 高效液相色谱法

对食品中叶黄素和玉米黄素的定量分析一般采用电子(紫外-可见)吸收光谱法。由于二者在许多食品材料中是共存的，二者的分离是它们定量分析的基础。到目前为止，HPLC是最有希望分离二者的手段。1994年，Sander等首次应用C30固定相在HPLC上成功分离了多种极性的类胡萝卜素及它们的几何异构体。随后，C30柱子在类胡萝卜素的分离与检测中

获得了越来越多的应用[17～19]。惠伯棣等[20]在装备了二极管阵列检测器(PDA)的高压液相色谱(HPLC)上，应用C30柱，食品中的全反式叶黄素和玉米黄素获得了良好的分离。根据其色谱行为和光谱特征，玉米黄素可被鉴定。

3.玉米黄素的应用

3.1玉米黄素的着色作用

玉米黄素分子中的2个六元碳环上的1个含氧基团使其具有较大的稳定性，使它在被肠道吸收后不能转化为VA，仍保持其原来的颜色和分子结构，具有较强的着色能力。在家禽工业中，玉米黄素作为一种经济高效的着色剂受到生产者的青睐。玉米黄素用作饲料添加剂，可有效地改善动物营养状况、蛋黄、家禽肉类及皮肤等色泽。在肉禽体内，玉米黄素沉积于爪、喙及皮下脂肪中使其着色，提高家禽胴体品质。在产蛋家禽的体内，玉米黄素沉积于卵黄中使其呈黄色，提高了蛋的品质，并增加其营养价值。在食品工业中，玉米黄素作为一种天然着色剂除了可为食品增加具有诱人食欲的色泽外，同时又具有抗氧化活性，可防止食品中脂质和维生素的氧化，保持食品的营养物质和风味不因氧化而破坏，延长食品的保鲜期。

3.2玉米黄素的抗氧化作用

氧化损伤是由于抗氧化保护和自由基代谢不平衡所引起的，可以导致很多疾病，如心血管、癌症、衰老、炎症反应、白内障及一系列神经系统疾病。早在30多年前，研究者就发现β-胡萝卜素具有淬灭单线态氧的能力。随着研究的不断进行，人们发现，不仅β-胡萝卜素具有抗氧化能力，大多数类胡萝卜素都具有抗氧化能力。类胡萝卜素分子的化学结构与它们的抗氧化活性有着密切的关系，氧化活性的大小取决于其分子结构中共轭双键的数

目和尾端基团的结构。玉米黄素分子中拥有11个共轭双键且尾端基团上带有羟基，这种结构使得它们具有较强的抗氧化能力。在体内，玉米黄素虽然不能转化为VA，不具有VA活性，但却是人体可利用的重要的强抗氧化剂，可通过淬灭单线态氧清除自由基等抗氧化行为来保护机体组织细胞，以降低某些疾病发生的危险。玉米黄素的抗氧化活性，可以防止食品中的脂质和维生素的氧化，保持食品的营养物质和风味不因氧化而破坏，延长食品的保鲜期，因而玉米黄素是一种十分理想的天然食品保鲜剂。目前生产上将玉米黄素常用于固体食品中。

3.3玉米黄素对眼睛的保护作用

3.3.1玉米黄素对老年黄斑性病变的影响

老年黄斑性病变(Age-related Macular De-generation ，ARMD 或AMD)是眼睛老化所造成的疾病，严重时会造成视力缺损。Bone等[21]分别采用高效液相色谱(HPLC)和闪烁光度法 (Flicker Photometry) ，检测血清中玉米黄素的浓度和黄斑色素光密度，该实验显示人体摄入玉米黄素的量，血清中玉米黄素的浓度和黄斑色素光密度存在正比关系。视网膜通过叶黄素凝结蛋白质介导吸收玉米黄素，能选择性地在眼部进行黄斑积累，并提供黄斑色素;同时玉米黄素可作为光过滤器，捕获因高能量的蓝光通过角膜并照射到视网膜上而产生的自由基，从而可以延缓、预防和改善老年性视黄斑病变。最新报道显示，适量摄入玉米黄素和叶黄素可以改善老年黄斑性病变患者的视力[22，23]。叶黄素和玉米黄素在正常人眼视网膜色素浓度为0. 1～1 mmol/L之间，对于玉米黄素的摄取必须适量，研究显示正常人摄入玉米黄素可以起到预防AMD的作用，然而AMD病人射入过量的玉米黄素，则会产生类胡萝卜素醛(Carotenoid-derived Aldehydes，CDA)增加氧化应急，导致细胞的氧化-还原电势不平衡，使细胞死亡，以及消耗掉大量的亚麻仁油酸，对人体造成有害影响[24]。

3.3.2玉米黄素对白内障的预防作用

白内障(Cataract)是老年人中普遍存在的疾病，其形成与紫外线、自由基和氧化剂有关。研究人员Taber等在1980～1992年对77466位年龄在45271岁的妇女的白内障摘除手术进行调查，结果发现，平时摄入玉米黄素和叶黄素较高的妇女，其进行手术的危险性要比摄入量少的低22%。玉米黄素通过淬灭单线态氧，来防止眼球晶状体中蛋白和脂类的氧化，从而间接地减少晶状体蛋白的氧胁强，起到预防白内障的病发的作用。

4.展望

近年来，随着玉米燃料乙醇发展，玉米深加工和综合利用的研究也将日渐重视，玉米黄素无毒，无害，对环境不会造成污染，是一种绿色的添加剂，相信玉米黄素势必会在食品行业中发挥其重要的作用。另外，它对人体也具有抗氧化、增强免疫力等作用，相信在生产燃料乙醇的同时，开发玉米黄素制品在市场上会有广阔的应用前景。

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