类胡萝卜素在癸酸反胶束溶液中的
电子吸收光谱特征变化

黄 金1,惠伯棣1,*,蔡 靳2,宫 平1,关 欣1

(1.北京联合大学应用文理学院,北京 100191;2.河北大学生命科学学院,河北 保定 071002)

 

摘 要:采集3种类胡萝卜素在癸酸反胶束溶液中的电子吸收光谱,进行特征分析。用四氢呋喃、丙酮和乙醇3种组装助剂分别构建癸酸反胶束溶液,番茄红素(开环碳氢化合物)、β-胡萝卜素(具环碳氢化合物)和玉米黄素(具环羟基化合物)分别溶解在其中后,采集各溶液在300~550nm波长范围内的电子吸收光谱,分析其特征。结果表明:与3种类胡萝卜素在癸酸中的光谱特征相比,它们在癸酸反胶束溶液中的最大吸收波长(λmax)均有微小位移;具环类胡萝卜素的λmax发生红移,开环胡萝卜素的λmax发生紫移;同时,助剂极性的增强可使三者的吸光系数(A1%1cm)减小。

关键词:癸酸;反胶束溶液;电子吸收光谱;番茄红素;β-胡萝卜素;玉米黄素v

 

Variations in the Electronic Absorption Spectral Characteristics of Carotenoids in Decanoic Acid

Reverse Micelle Solvents

 

HUANG Jin1, HUI Bo-di1,*, CAI Jin2, GONG Ping1, GUAN Xin1

(1. College of Applied Arts and Science, Beijing Union University, Beijing 100191, China;

2. College of Life Science, Hebei University, Baoding 071002, China)

 

Abstract: This study aimed to analyze the electronic absorption spectral acquisition and characteristics of three carotenoids in dacanoic acid reverse micelle solvents. In the present study, tetrahydrofuran, acetone and ethanol were selected to separately construct decanoic acid reverse micelles. After lycopene (acyclic hydrocarbon), β-carotene (cyclic hydrocarbon) and zeaxanthin (cyclic hydroxyl compound) were dissolved in each solvent, the electronic absorption spectra of the solutions were acquired over the wavelength range of 300550 nm. The spectral characteristics were consequently assessed. Data from these investigations suggested that a slight shift in the maximum absorption wavelength (λmax) of all three carotenoids were observed in decanoic acid reverse micelle solvents, in comparison with those in decanoic acid. A bathochromic shift was seen with cyclic carotenoids and a hypsochromic shift was seen with acyclic carotene. Additionally, an increased polarity of the added organic solvents could result in a reduced absorption coefficient (A1%1cm).

Key words: decanoic acid; reverse micelle solvent; electronic absorption spectrum; lycopene; β-carotene; zeaxanthin

中图分类号:TS202.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)01-0115-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201401022

类胡萝卜素(carotenoid)是一类细胞次生代谢产物的总称。类胡萝卜素对人类健康所产生的积极影响,其研究层面从分子水平到生物体水平,早已获得大量实验数据支持;其已知的生物学功能包括:清除体内自由基、调节免疫、保障眼健康、抑制肿瘤或癌、防治心血管疾病等。这也促使在该研究领域的基础工作中,对类胡萝卜素的生物学功能与其分子结构二者之间的关系进行更多讨论。

电子吸收光谱主要产生于分子价电子能级间的跃迁。它不仅在有机化合物的结构鉴定中发挥重要作用,而且依此原理的建立紫外-可见分光光度法是应用最广泛的定量分析方法之一。类胡萝卜素分子中的多个共轭双烯结构使其在可见光区的400~500nm段有很强的吸收带。由于通过对电子吸收光谱其位置、峰型和精细结构进行分析能够得到相当丰富的分子结构信息,并且检测方法操作简便、检测结果稳定可靠;因此测定类胡萝卜素的电子吸收光谱已经成为其基础研究工作中最基本的实验手段。

癸酸反胶束溶液在类胡萝卜素研究工作中最早应用于在新鲜鱼肉组织中对虾青素与斑螯黄素等酮基类胡萝卜素的萃取[1]。癸酸反胶束溶液体系中主要的构件分子是癸酸(十碳烷酸,又名羊脂酸,其分子式为CH3(CH2)8CO(OH),相对分子质量为172.27),其羧酸基团具有极性,其烷基链具有非极性,分子具有两亲性质,在乙醇、丙酮、四氢呋喃等强极性有机试剂中可溶解并被装成反胶束聚集体,这些强极性有机试剂即充当组装助剂,在癸酸形成反胶束溶液(图1)的过程中,癸酸分子在极性有机试剂的作用下形成反胶束,羧酸基团向内,烷烃链向外(即连续相)。当癸酸反胶束聚集体处于酸性水环境中,其反胶束聚集结构趋于稳定,最终形成癸酸反胶束溶液,又称癸酸超分子溶液,能够使癸酸反胶束溶液中由烷烃链外翻构成的连续相与水环境分离[2-7]。由于癸酸分子烷基链的非极性,使得癸酸反胶束溶液体系对类胡萝卜素具有良好的溶解性,这对于使用有机试剂萃取类胡萝卜素类化合物的传统方法来说虽然并不具有优势;但是由于其具有能够与水环境分离的性质,这使得在处理新鲜鱼肉等这类高含水量样品时,既能高效萃取类胡萝卜素,又能将样品中的水排除在癸酸反胶束溶液体系之外,这就避免出现类胡萝卜素在有机试剂萃取时由于干燥物料或是萃取液从含水极性有机相向不含水的有机相转移的过程中的损失。此外,应用癸酸反胶束溶液减少了传统有机试剂的使用,实验方法更为环保。

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图 1 癸酸反胶束溶液的结构示意图

Fig.1 Structure diagram of decanoic acid reverse micelles

目前,由于类胡萝卜素在癸酸反胶束溶液中的电子吸收光谱特征数据的缺乏,直接从癸酸反胶束溶液中获得类胡萝卜素电子吸收光谱并根据其对类胡萝卜素进行定性、定量检测的方法未被建立起来。在多数情况下,样品中的类胡萝卜素在被癸酸反胶束溶液萃取后仍被转移到有机溶剂中进行测定。因此,本项研究的目的注重于收集番茄红素(开环碳氢化合物)、β-胡萝卜素(具环碳氢化合物)和玉米黄素(具环羟基碳氢化合物)这3种分子结构上具有代表性的类胡萝卜素(分子结构见图2)在癸酸反胶束溶液中的电子吸收光谱数据,分析其光谱特征的变化规律(光谱特征包括吸光系数(A1%1cm)、最大吸收波长(λmax)、峰型与精细结构(VⅢ/VⅡ)值),为建立类胡萝卜素在癸酸反胶束溶液的光谱检测方法提供有价值的参考。

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图 2 番茄红素(a)、β-胡萝卜素(b)和玉米黄素(c)的分子结构

Fig.2 Molecular structures of lycopene (a), β-carotene (b) and zeaxanthin (c)

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番茄红素由华北制药集团有限责任公司提供,样品经C18-高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)方法测定[8],番茄红素含量>99%;经C30-HPLC方法测定[9],其全反式异构体含量>99%。β-胡萝卜素由浙江医药股份有限公司新昌制药厂提供,样品经C18-HPLC方法测定[10],β-胡萝卜素含量>99%。玉米黄素由北京联合大学应用文理学院食品科学系惠伯棣教授实验室提供,样品经C18-HPLC方法测定,玉米黄素含量>99%。

癸酸 国药集团化学试剂有限公司;盐酸、四氢呋喃、乙醇、丙酮、二氯甲烷、石油醚(沸点:60~90℃) 北京化学试剂厂;娃哈哈纯净水购自本地超市。

1.2 仪器与设备

Multi Spec-1501紫外-可见光分光光度计 日本岛津公司;TP114电子天平(0.0001g) 美国Denver Instrument公司;HH SHII-Ni恒温水浴 北京长风仪器仪表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 癸酸反胶束溶液的制备

1.3.1.1 四氢呋喃-癸酸反胶束溶液的制备

在500mL三角瓶中,称取癸酸30g,在35℃条件下溶解到20mL四氢呋喃中。搅拌5min后加入400mL 10mmol/L盐酸水溶液。振荡5min后,转移至1000mL分液漏斗中。静置5min。待分层后,收集上相液。在35℃条件下,一般可获得上相液35mL。取15mL上相液分别置于3支10mL具塞刻度试管中,每管5mL,待用。

1.3.1.2 丙酮-癸酸反胶束溶液的制备

同1.3.1.1节。用丙酮替换四氢呋喃。在35℃条件下,一般可获得30mL上相液。

1.3.1.3 乙醇-癸酸反胶束溶液的制备

同1.3.1.1节。用乙醇替换四氢呋喃。在35℃条件下,一般可获得25mL上相液。

1.3.2 类胡萝卜素储备液的配制

1.3.2.1 番茄红素储备液的配制

准确(至0.0001g)称取1mg番茄红素晶体于25mL棕色容量瓶中。加入5~6滴二氯甲烷,将晶体溶解。用石油醚定容。

1.3.2.2 β-胡萝卜素储备液的配制

准确(至0.0001g)称取1mg β-胡萝卜素晶体于25mL棕色容量瓶中。加入少量正己烷,振荡,将晶体溶解。用石油醚定容。

1.3.2.3 玉米黄素储备液的配制

准确(至0.0001g)称取1mg玉米黄素晶体于25mL棕色容量瓶中。加入少量丙酮,振荡,将晶体溶解。用丙酮定容。

1.3.3 电子吸收光谱采集

1.3.3.1 3种类胡萝卜素在癸酸中电子吸收光谱的采集

取10mL具塞刻度试管3支,每只分别加入5mL癸酸(35℃预热)。第1支中加入0.2mL的番茄红素储备液,第2支中加入0.2mL的β-胡萝卜素储备液,第3支中加入0.2mL的玉米黄素储备液,分别振荡溶解。以癸酸为空白,在分光光度计上采集300~550nm范围内的各溶液电子吸收光谱。测量各光谱的λmax以及在λmax处的吸光度,并计算VⅢ/VⅡ值作为光谱特征的表征[11]。

1.3.3.2 番茄红素电子吸收光谱的采集

取装有5mL癸酸-四氢呋喃、癸酸-丙酮和癸酸-乙醇反胶束溶液的试管各1支,分别加入0.2mL的番茄红素储备液,振荡溶解。以各溶剂为空白,在分光光度计上获取波长300~550nm范围内各溶液的电子吸收光谱。测量各光谱的λmax以及在λmax处的吸光度,并计算VⅢ/VⅡ值作为光谱特征的表征。

1.3.3.3 β-胡萝卜素电子吸收光谱的采集

同1.3.3.2节。用β-胡萝卜素储备液替换番茄红素储备液。

1.3.3.4 玉米黄素电子吸收光谱的采集

同1.3.3.2节。用玉米黄素储备液替换番茄红素储备液。

1.3.3.5 各类胡萝卜素吸光系数的推导

取装有5mL石油醚的试管2支、装有5mL丙酮的试管1支,分别加入0.2mL的番茄红素、β-胡萝卜素和玉米黄素的储备液,振荡溶解。以各溶剂为空白,在分光光度计上获取300~550nm范围内的各溶液电子吸收光谱。测量各光谱的λmax以及在λmax波长处的吸光度。

表 1 类胡萝卜素在有机试剂中的吸光系数[11]

Table 1 Absorption coefficients of the selected carotenoids in organic solvents[11]

类胡萝卜素

A1%1cm

λmax/nm

溶剂

β,β-胡萝卜素

2592

450

石油醚

番茄红素

3450

470

石油醚

玉米黄素

2340

452

丙酮

 

 

表1为3种类胡萝卜素已发表文献[11]的有机试剂吸光系数。在本项研究中,会首先测定各类胡萝卜素在有机溶剂中的吸光系数,与表1进行比较,从而检验实验操作与仪器状态的稳定性。之后,根据测得的各类胡萝卜素在癸酸反胶束溶液中的吸光度,按公式(1)从3种类胡萝卜素在有机溶剂中的吸光系数推算各自在癸酸反胶束溶液中的吸光系数。

526873.jpg (1)

式中:A1%1cm为类胡萝卜素在癸酸反胶束溶剂中的吸光系数,为在1cm光程长的比色杯中1g/100mL溶质的理论吸收值;A1%1cm为类胡萝卜素在有机溶剂中的吸光系数,为在1cm光程长的比色杯中1g/100mL溶质的理论吸收值,在此,采用已发表的值(表1);A反胶束溶剂为类胡萝卜素在癸酸反胶束溶剂中的吸光度;A有机溶剂为类胡萝卜素在有机溶剂中的吸光度。

2 结果与分析

2.1 类胡萝卜素分子在癸酸中的电子吸收光谱特征

在室温条件下,癸酸通常以固体状态存在;当温度升至35℃后,其变为液体状态。为了能使癸酸具有流动性,实验操作与检测温度均维持在35℃。

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图 3 番茄红素、β-胡萝卜素和玉米黄素在癸酸(35℃)中的电子吸收光谱

Fig.3 Electronic absorption spectra of lycopene, β-carotene and zeaxanthin in decanoic acid (35℃)

由图3可知,其各自的电子吸收光谱峰型与其在有机试剂中的峰型基本一致。癸酸所表现出来的两亲分子特性使得类胡萝卜素分子的分散不受其分子结构中强电负性羧酸基的影响。癸酸分子结构中的弱极性烷烃链使得癸酸在被组装成反胶束聚合体之前就可以像传统有机试剂一样作为类胡萝卜素溶剂。

对图3数据进行整理,通过与表1进行比较,得到表2。

表 2 癸酸对类胡萝卜素光谱特征的影响

Table 2 Influence of decanoic acid on carotenoid spectral characteristics

类胡萝卜素

A1%1cm

 

λmax/nm

石油醚[11]

癸酸a

 

石油醚[11]

癸酸a

β, β-胡萝卜素

2592

2352

 

450

459

番茄红素

3450

2835

 

470

478

玉米黄素

2348

2352

 

449

457

 

注:a. 列数据由上至下依次参照文献[12-14]。

 

由表2可知,番茄红素、玉米黄素和β-胡萝卜素在癸酸中的λmax较其在石油醚,均向长波长方向移动了8~9nm。在电子吸收光谱中,这种λmax向长波长方向的移动意味着溶质的激发态能级大幅降低,即表明:与传统有机溶剂(如石油醚)相比,溶解在癸酸中的3种类胡萝卜素在吸收可见光后均处于较低的激发态能级。与此同时,按式(1)所推算出的三者在癸酸中的吸光系数表明:与石油醚相比,番茄红素和β-胡萝卜素两种类胡萝卜素在癸酸中的吸光系数均有下降,玉米黄素基本持平。已知类胡萝卜素的吸光系数与其溶剂极性之间存在一定规律,即开环类胡萝卜素化合物的吸光系数随溶剂的极性上升而下降[11]。考虑到癸酸极性大于石油醚,可见番茄红素和β-胡萝卜素在癸酸中吸光系数下降的现象都符合上述规律。

2.2 类胡萝卜素分子在癸酸反胶束溶液中的电子吸收光谱特征

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图 4 番茄红素在癸酸超分子溶液中的电子吸收光谱

Fig.4 Electronic absorption spectra of lycopene in decanoic acid-based supramolecular solvents

表 3 组装助剂极性对番茄红素在癸酸反胶束溶液中光谱特征的影响

Table 3 Influence of the polarity of the added solvents on lycopene spectral characteristics in decanoic acid reverse micelle solvents

项目

癸酸反胶束溶液中的组装助剂

癸酸

四氢呋喃

丙酮

乙醇

助剂极性E°(Al2O3

0.45

0.56

0.88

 

λmax/nm

476

475

476

478

VⅢ/VⅡ/%

25

28

36

65

A1%1cm

3143

2899

3132

2835

 

 

番茄红素在癸酸反胶束溶液中的电子吸收光谱如图4所示,其光谱特征见表3。与癸酸相比,癸酸反胶束溶液中的λmax向短波长方向均发生了2~3nm移动;处于癸酸反胶束溶液中的番茄红素其峰形和精细结构发生明显改变,其VⅢ/VⅡ值均出现显著下降;其吸光系数均出现升高。λmax向短波长方向的移动表明番茄红素分子在癸酸反胶束溶液中吸收可见光后其激发态的能级略有升高,跃迁能略有增加;VⅢ/VⅡ值的变化与组装助剂极性E°呈一定规律,即VⅢ/VⅡ值随组装助剂极性上升而下降。而吸光系数的变化既不符合开环类胡萝卜素化合物的吸光系数随溶剂的极性上升而下降的规律,而又不是完全符合随溶剂的极性上升而上升的规律。这说明溶液极性并非是影响吸光系数的唯一因素。不同组装助剂在组装癸酸反胶束溶液可能会出现不同的烷烃链空间排列结构,吸光系数的改变可能与这种空间排列也有联系。

表 4 组装助剂极性对β-胡萝卜素在癸酸反胶束溶液中光谱特征的影响

Table 4 Influence of the polarity of the added solvents on β-carotene spectral characteristics in decanoic acid reverse micelle solvents

项目

癸酸反胶束溶液中的组装助剂

癸酸

四氢呋喃

丙酮

乙醇

助剂极性E°(Al2O3

0.45

0.56

0.88

 

λmax/nm

460

459

458

459

VⅢ/VⅡ/%

25

16

15

16

A1%1cm

2247

2150

2096

2352

 

 

由表4可知,与癸酸相比,癸酸反胶束溶液中的λmax向短波长方向均发生了0~1nm移动;除了四氢呋喃-癸酸反胶束溶液体系VⅢ/VⅡ值出现明显升高之外,丙酮和乙醇-癸酸反胶束溶液中的β-胡萝卜其峰形和精细结构发生改变不明显,其VⅢ/VⅡ值基本一致;其吸光系数均出现下降。λmax向短波长方向0~1nm的移动幅度表明β-胡萝卜素分子在癸酸反胶束溶液中吸收可见光后其激发态的能级并未发生明显变化,跃迁能也没有出现显著改变;组装助剂极性E°改变,VⅢ/VⅡ值并不一定会随之变化。而其吸光系数的变化与番茄红素更是不同,单独讨论不同组装助剂的癸酸反胶束溶液,其吸光系数对癸酸下降的绝对值是随溶剂的极性上升而上升的,即溶剂的极性越大,吸光系数的下降就越显著。导致β-胡萝卜素在癸酸反胶束溶液出现这种现象可能与其分子的环状端基结构有关。与番茄红素相比,β-胡萝卜素虽同属碳氢化合物,但分子结构中的六元环显然发挥了影响。

表 5 组装助剂极性对玉米黄素在癸酸反胶束溶液中光谱特征的影响

Table 5 Influence of the polarity of the added solvents on zeaxanthin spectral characteristics in decanoic acid reverse micelle solvents

项目

癸酸反胶束溶液中的组装助剂

癸酸

四氢呋喃

丙酮

乙醇

助剂极性E°(Al2O3

0.45

0.56

0.88

 

λmax/nm

458

458

457

457

VⅢ/VⅡ/%

35

40

38

33

A1%1cm

2250

2154

2091

2352

 

 

由表5可知,与癸酸相比,玉米黄素在3种癸酸反胶束溶液中的λmax变化不明显,VⅢ/VⅡ值亦无显著变化,其吸光系数均出现下降。不同组装助剂的癸酸反胶束溶液,其吸光系数对癸酸下降的绝对值是随溶剂的极性上升而上升的,这与β-胡萝卜素趋势一致。在实验中,最为显著的现象是:玉米黄素在癸酸和3种反胶束溶液中的吸光系数与β-胡萝卜素的极其接近。与β-胡萝卜素相比,玉米黄素虽同属具环类胡萝卜素,但分子中的羟基对分子的吸收系数影响不大,但在VⅢ/VⅡ值的变化上二者具有显著差别。

3 讨 论

3.1 类胡萝卜素分子结构对光谱的影响

分子中的六元环端基可以吸收可观的能量,决定分子跃迁能的大小,使分子受溶剂环境变化的影响减小,如:最大吸收波长的移动程度减小、VⅢ/VⅡ值保持稳定、吸光系数变化较小、对溶剂极性的变化不敏感等。 羟基对分子的电子吸收光谱影响有限[15]。

3.2 癸酸环境对光谱的影响

液相癸酸本身对类胡萝卜素化合物是一个良好的溶剂。在组装成反胶束结构后,其活性基团为外侧的烃基链,极性有所下降。因此对类胡萝卜素类化合物的溶解性加强。因此,癸酸反胶束溶液起到了稳定溶质分子激发态能级的作用。当组装助剂的极性发生变化时,组装成的聚集体极性也发生了变化。组装助剂的极性越强,癸酸反胶束外侧的烃基链暴露得越多,反胶束结构越稳定,作为溶媒,极性越弱,对类胡萝卜素的溶解越有益。

3.3 癸酸反胶束溶液在类胡萝卜素检测中的应用前景

在类胡萝卜素的检测中,已经开始使用癸酸反胶束溶液作为样品萃取溶媒。本项研究的结果表明:癸酸反胶束溶液可能导致溶液中类胡萝卜素的电子吸收光谱发生一定程度的变化。这些变化有一定规律可循。应用外标或内标法,可以在癸酸超分子溶液中根据其电子吸收光谱直接对类胡萝卜素进行定量测定。在今后的研究中,癸酸反胶束溶液环境对类胡萝卜素分子吸光系数的影响应该是重要的研究内容。这种努力将导致在定量测定中可直接应用Lamber-Beer定律计算许多类胡萝卜素在样品中的含量。

参考文献:

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收稿日期:2012-10-29

作者简介:黄金(1991—),男,本科,研究方向为食品质量与安全。E-mail:huangjin0808@163.com

*通信作者:惠伯棣(1959—),男,教授,博士,研究方向为类胡萝卜素化学及生物化学。E-mail:bodi_hui@ygi.edu.cn