植物类胡萝卜素生物合成及功能
中国生物工程杂志!"#$%&'$()*+#%(,(-. /011 21 11 103 112
收稿日期 /01041/4/0!!修回日期 /0114054/6
国家转基因生物新品种培育科技重大专项资助项目 /00678050029016' /0057805002900: /005780500;9001 /00678050109012'
通讯作者 电子信箱 <
$%-<$)<=>,$?*@+(A 植物类胡萝卜素生物合成及功能
霍!培!季!静 !王!罡!关春峰
天津大学农业与生物工程学院!天津!20003/
摘要!详述了植物类胡萝卜素生物合成途径 并从突破类胡萝卜素合成途径中上游瓶颈限制 类胡萝卜素代谢各分支途径的改造 提高植物细胞对类胡萝卜素物质积累能力三个方面探讨了类胡萝卜素生物合成酶基因在植物基因工程中的研究现状 最后对植物类胡萝卜素代谢的研究前景进行了展望
关键词!类胡萝卜素!生物合成!基因工程
中图分类号!B 51
!!类胡萝卜素是一类天然色素的总称 普遍存在于动物 高等植物 真菌 藻类和细菌中 不同的类胡萝卜素具有不同的生物学功能
在植物中 类胡萝卜素主要存在于植物叶绿体以及许多花和果实的有色体中 其在植物光合作用中发挥两个重要功能 即参与光吸收和防止前体细胞发生光氧化 1 同时 类胡萝卜素也是植物对外界刺激响应的信号分子前体物质 因此 在植物中类胡萝卜素具有促进光形态发生 参与非光化学抑制反应 脂质过氧
化反应及吸引传粉昆虫等作用 /42
近期研究还发现
类胡萝卜素可以参与传统植物激素 如脱落酸 和新型植物激素 如独角金内酯 的生物合成
;4:
在动物细胞中 类胡萝卜素物质也起着尤为重要的作用 但其自身不能合成类胡萝卜素 只能从日常饮食中摄取 C
类胡萝卜素物质具有抗氧化活性 可以保护人类远离一系列的慢性病 是健康饮食中必须的
重要成分
3
其中 4胡萝卜素广泛的存在于各种橘黄
色水果及深绿色和黄色蔬菜中 如花椰菜 菠菜 甘蓝 胡萝卜 南瓜 番薯和西葫芦等 是人体合成维生素D 的重要前体物质 而维生素D 在人体正常生长和组织修复过程中起着重要作用 对维持人体视觉系统和免
疫系统的正常生理功能尤为重要 5 番茄红素是一种红色素 存在于许多水果和蔬菜中 如番石榴 西瓜 葡萄柚和番茄 可以作为单线态氧的有效猝灭剂 能消除羟自由基 在细胞中和脂类结合而有效抑制脂质的氧化 是非常好的食用抗氧化剂 对降低恶性肿瘤和冠心病发病率起着重要作用 6 叶黄质和玉米黄质存在于绿色 某些黄色和橙色的水果和蔬菜中 如玉米 油桃 橘子 木瓜和南瓜等 是人体视网膜黄斑的主要构成成分 10 可以预防老年人群中由黄斑病变所引起的失明 11
正是由于类胡萝卜素与人类健康的关系密切 以及其他方面的应用价值 有关类胡萝卜素生物合成途径及其相关基因的遗传操作调控得到了广泛的研究 本文主要对类胡萝卜素生物合成途径及类胡萝卜素生物合成酶基因在植物基因工程方面应用的国内外最新研究进展进行了综述
!"类胡萝卜素生物合成途径
类胡萝卜素是含;0个碳的类异戊烯聚合物 即四萜化合物 是含有5个异戊二烯单位的四萜化合物 由两个二萜缩合而成 植物中的萜类化合物有两条合成途径 即甲羟戊酸途径 A *?&,(%&)* E F D 和/4"4甲基4G 4赤藻糖醇4;4磷酸 /4"4A *)#.,4G 4*H .)#H $)(,4;4I#(J I#&)* E K L 途径 7#&%等 1/ 综述了植物帖类化合物的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡萝卜素生物合成的前体物质异戊烯二磷酸 $J (I*%)*%.
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O$I#(J I#&)* P L L 主要来自于E K L途径 其在P L L异构
酶作用下生成二甲基丙烯基二磷酸 O$A*)#.,&,,.,
O$I#(J I#&)* G E D L L E K L途径主要在植物特有的细
胞器质体中进行 以P L L为中间产物 除了类胡萝卜素
赤霉素 脱落酸 生育酚 叶绿素 叶醌 质体醌和单萜
等的合成也是通过该途径
三个P L L分子和一个G E D L L分子在?牛儿基?
牛儿基二磷酸合酶 -*H&%.,-*H&%.,O$I#(J I#&)*J.%)#&J*
Q Q L R 催化下缩合形成/0个碳原子的?牛儿基?牛儿
基二磷酸 -*H&%.,-*H&%.,O$I#(J I#&)* Q Q L L Q Q L L是
多种物质生物合成的共同前体 是形成植物类胡萝卜
素最直接的前体 参与合成植物中第一个类胡萝卜
素 八氢番茄红素
在八氢番茄红素合酶 I#.)(*%*J.%)#&J* L RS 催
化下 两个Q Q L L分子缩合生成类胡萝卜素生物合成途
径中的第一个化合物 无色的1:4顺式4八氢番茄红素
在植物中 由八氢番茄红素脱氢酶 I#.)(*%*
O*J&)=H&J* L G R 和 4胡萝卜素脱氢酶 4+&H()*%*
O*J&)=H&J* 7G R 催化;步脱氢反应 L G R脱氢作用的产
物6 1: 6T4三顺式4 4胡萝卜素 在光和 4胡萝卜素异
构酶 4+&H()*%*$J(A*H&J* 7P RU 作用下异构形成黄色
的6 6T4二顺式4 4胡萝卜素 12 在植物非绿色组织中
由类胡萝卜素异构酶 +&H()*%($O$J(A*H J&J* "V W P RU
催化作用下 生成全反式番茄红素 11 1; 全反式番茄
红素是一种红色的类胡萝卜素 主要存在于西瓜 番茄
等的果实中
番茄红素分子式为"
;0X
:C
为含有11个共轭双键
和/个非共轭双键的多不饱和脂肪烃 是一种很重要的类胡萝卜素 结晶是暗红色 1: 分子式及其晶体结构如图1所示
图!"番茄红素的结构及其晶体
晶体图片来源###$%&'()*$+()$+,
-.'/!"01*2345+354*&,6+4723&8(987+(:*,*
番茄红素环化反应是类胡萝卜素进一步合成代谢的分支点 可被环化形成 4 4环两大类胡萝卜素 番茄红素分子的两个末端在番茄红素 4环化酶 ,.+(I*%* 4+.+,&J* Y S"' 作用下形成 4环 即为 4胡萝卜素 其分子结构如图/所示
图;" <胡萝卜素的结构及其晶体
晶体图片来源###$%&'()*$+()$+,
-.'/;"01*2345+354*&,6+4723&8(9 <=&4(3*,*
4胡萝卜素以不同的有机溶剂提取得到的晶体形状不同 一般为深紫红色六棱柱结晶或红色正方形叶片晶体 可溶于二硫化碳 苯 氯仿等溶剂 微溶于甲醇 乙醇 食用油等溶剂 不溶于水 酸和碱等 4胡萝卜素对空气 光和热较敏感 空气中易被氧化而变为无色 无活性的氧化产物 1C 其晶体结构如图2所示
图>" <胡萝卜素的结构
-.'/>"01*2345+354*(9 <+&4(3*,*
若只有其中一个末端在番茄红素 4环化酶 ,.+(I*%* 4+.+,&J* Y S"K 作用下形成 4环 即为 4胡萝卜素 其分子结构如图2所示
以 4胡萝卜素为底物经过Y S"'催化 在其另一端形成 4环 生成 4胡萝卜素 4胡萝卜素为红黄色板状结晶 能溶于石油醚 氯仿 难溶于甲醇 其分子结构如图;所示 13
图?" <胡萝卜素的结构
-.'/?"01*2345+354*(9 <+&4(3*,*
4胡萝卜素 4胡萝卜素 4胡萝卜素和 4隐黄质都含有未被取代的 4环 是维生素D生物合成的前体物质 被称为维生素D原
4胡萝卜素环可以在非亚铁血红素 4胡萝卜素羟化酶 4+&H()*%*#.OH(Z.,&J* '"X 催化下经中间产物 4隐黄质 4+H.I)(Z&%)#$% 生成玉米黄质 [*&Z&%)#$%
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/011!21"11#霍!培等$植物类胡萝卜素生物合成及功能
而 4胡萝卜素则可在细胞色素L;:0胡萝卜素羟化酶" 4+&H()*%*#.OH(Z.,&J*!"S L63#的作用下生成叶黄素'154/0(&叶黄质和玉米黄质在生物体内以酯化物形式存在!且存在立体异构现象'/14//(&玉米黄质可以转化为花药黄质"&%)#*H&Z&%)#$%#!进而转化为紫黄质"?$(,&Z&%)#$%O*#!两步环氧化作用都是在玉米黄质环化酶"[*&Z&%)#$%*I(Z$O&J*!7K L#催化作用下完成&在胡萝卜素分子中引入羟基%酮基%醚基%环氧基等含氧基团!可以将其转化为其氧化衍生物叶黄素"类胡萝卜素中的另一大类物质#&常见的叶黄素主要有 4隐黄质%叶黄质%玉米黄质%紫黄质%新黄质%辣椒红素和虾青素等!都是常见的氧化衍生叶黄素!其类胡萝卜素分子中引入了羟基%酮基%醚基%环氧基等含氧基团!是类胡萝卜素中的另一大类物质!类胡萝卜素合成途径如图:所示&
;"类胡萝卜素合成酶基因在植物基因工程的应用
!!整个类胡萝卜素生物合成途径极其复杂!包括许多特有的分支途径!其调控机制也十分复杂!涉及中间产物的竞争%瓶颈反应和产物的反馈抑制作用&通过最近几年的研究!研究者通过基因工程突破这些瓶颈或绕过某些途径来提高类胡萝卜素产量已经取得了巨大的成功'/5(&主要体现在以下几个方面&
;/!"突破类胡萝卜素合成途径中的上游瓶颈限制改造限速步骤对提高类胡萝卜素合成途径的产物积累是非常必要的&如上所述!植物中类胡萝卜素生物合成过程中第一个限速反应是由L RS催化/个Q Q L L生成第一个;0个碳的%无色的1:4顺式4八氢番茄红素!在油菜和番茄等多种植物中已证实该酶是类胡萝卜素合成的限速酶&因此!在L RS催化下由Q Q L L生成八氢番茄红素成为类胡萝卜素代谢途径的*瓶颈+!L RS基因已经在植物类胡萝卜素遗传工程中得到广泛的研究&研究发现存在于玉米中的L RS以三种同工酶的形式出现!分别由L RS1%L RS/%L RS2基因编码&玉米胚乳中类胡萝卜素含量与L RS1A V N D 的高度关联!L RS1基因突变可以导致下游类胡萝卜素生成受到影响!而使玉米种子出现浅黄色表型!说明该基因在胚乳类胡萝卜素形成过程中起着至关重要的作用!而L RS/基因是叶片中类胡萝卜素合成的关键!L RS2与根中类胡萝卜素合成以及压力胁迫下脱落酸的生成相关'/6(!类似L RS同工酶的性质!在水稻的研究中也有所发现'20(&利用基因工程过量表达组成型启动子控制下的L RS41基因!可提高番茄或烟草中类胡萝卜素的含量!同时由于内源性的Q Q L L分子被消耗使得赤霉素短缺!使植株发生矮化!这进一步说明L RS41基因的过量表达催化Q Q L L生成八氢番茄红素!进而可提高番茄或烟草中类胡萝卜素的含量'21(&又如将来自脐橙的L RS基因转化香港金橘!其八氢番茄红素含量是野生型的/M:倍!达31 -\-]^"]H*J# _*$-#)!]^#!且 4胡萝卜素和玉米黄质也有较高水平的积累!使金橘颜色由黄色向橙色转变'2/(&这是由于八氢番茄红素含量的增加为合成途径提供了足量的合成底物!从而使 4胡萝卜素和玉米黄质有相对较高水平的积累!而 4胡萝卜素为橙黄色脂溶性化合物!它的积累会引起果实颜色发生变化&我们从类胡萝卜素生物合成途径中发现!植物激素"如赤霉素和D'D#的生物合成都与类胡萝卜素有关!所以类胡萝卜素含量和组成的改变!能够导致植物生理和生化方面的变化!反之亦然&因此!植物类胡萝卜素代谢的调控机制是多元化%多层次的&
突破L RS催化下由Q Q L L生成八氢番茄红素这一类胡萝卜素代谢途径*瓶颈+限制的另一种可行方法!是通过提高Q Q L L上游非选择性前体的含量!如在E K L途径中通过过量表达14脱氧木糖醇4:4磷酸合酶"14O*(Z.4G4Z.,=,(J*:4I#(J I#&)*J.%)#&J*!G8R#以提供合成途径初期的中间产物14脱氧4G4木酮糖4:4磷酸"14 O*(Z.4G4Z.,=,(J*:4I#(J I#&)*!G8L#!进而增加可利用的P L L源&在拟南芥中通过过量表达G8R基因的转基因植株显著提高了类胡萝卜素代谢途径中相关物质产量!其中生育酚是正常水平的/倍!脱落酸是正常水平的;倍!而类胡萝卜素总量接近正常水平的1M:倍'22(&该研究显示!通过增加相应内源性前体物质!同样可以达到提高多萜类合成积累的目的&
;/;"类胡萝卜素代谢途径分支途径的改良
虽然目前人们对植物体内类胡萝卜素生物合成基因的表达调控机制还不是完全清楚!但通过对已知分支点特定基因的特异性表达或者沉默!以实现目的产物的积累已得到广泛的研究&植物类胡萝卜素合成途径中的两个分支点处的关键酶分别是Y S"'和Y S"K!如前所述!番茄红素在Y S"'单独作用下生成 4胡萝卜素!而在Y S"'和Y S"K共同作用下生成 4胡萝卜素&研究通过调节两个合成酶基因在植物代谢途径中表达的相对强弱关系以达到改变产物积累量!并影响合成途径下游物质
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图@"植物类胡萝卜素生物合成途径 ;><;A -.'/@"01*+&4(3*,(.6B .(27,31*3.+:&31#&7
N &A *J (`+(A I(=%OJ &H *$%a,=*!&%O %&A *J (`*%[.A *J &H *$%a,&+b@Q D 2L !24磷酸甘油醛,L .H =?&)*!丙酮酸,G 8R !14脱氧木糖醇4:4磷酸合
酶,G 8V !14脱氧木糖醇4:4磷酸还原异构酶,X G V !羟甲基丁烯基二磷酸还原酶,E K L !/4"4甲基4G 4赤藓糖醇4;4磷酸,P L L !异戊烯二磷酸,".)(b$%$%J !细胞分裂素,P L L P !异戊烯二磷酸异构酶,G E D L L !二甲基丙烯基二磷酸,Q Q L L !?牛儿基?牛儿基二磷酸,L #.,,(c=$%(%*!维生素d 1,W (+(I#*H (,J !生育酚,"#,(H (I#.,,J !叶绿素,Q $aa*H *,,$%J !赤霉素,L RS !八氢番茄红素合酶,1:4!"#4L #.)(*%*!1:4顺式4八氢番茄红素,L G R !八氢番茄红素脱氢酶,6!1:4!"#4L #.)(*%*!6!1:4顺式4八氢番茄红素,6!1:!6T 4)H $4!"#4 4"&H ()*%*!6!1:!6T 4三顺式4 4胡萝卜素,7P RU ! 4胡萝卜素异构酶,6!6T 4O$4!"#4 4"&H ()*%*!6!6T 4二顺式4 4胡萝卜素,7G R ! 4胡萝卜素脱氢酶,3!6!6T 4)H $4!"#4N *=H (J I(H *%*!3!6!64三顺式4链孢红素,3!6!3T 6T 4)H )H &4!"#4Y .+(I*%*!3!6!3T 6T 4四顺式4番茄红素,"V W P RU !类胡萝卜素异构酶,&,,4)H &%J 4Y .+(I*%*!全反式番茄红素,Y S "K !番茄红素 4环化酶, 4"&H ()*%*! 4胡萝卜素,Y S "'!番茄红素 4环化酶, 4"&H ()*%*! 4胡萝卜素,"S L 63D !"S L 63"!含血红素细胞色素L ;:0胡萝卜素羟化酶,Y =)*$%!叶黄质, 4"&H ()*%*! 4胡萝卜素, 4"&H ()*%*! 4胡萝卜素,"X S 1%"X S /!不含血红素胡萝卜素羟化酶,7*&Z &%)#$%!玉米黄质,7K L !玉米黄质环化酶,F $(,&Z &%)#$%!堇菜黄质,N 8R !新黄质合酶,N *(Z &%)#$%!新黄质,D 'D !脱落酸
011
/011 21 11 霍!培等 植物类胡萝卜素生物合成及功能
如叶黄质 玉米黄质 新黄质等的含量
研究者将拟南芥Y S"'基因在番茄果实中特异性过量表达 番茄果实中 4胡萝卜素含量增加3倍 而类胡萝卜素总量未发生改变或仅略有提高 1 V(J&)$等 2; 将番茄中的Y S"'基因转化番茄 其果实中 4胡萝卜素含量增加2M5倍 G#&H A&I=H$等 2: 在番茄中过量表达果实特异性启动子驱动的拟南芥Y S"'基因 检测到转基因植株中 4胡萝卜素含量增加1/倍 这些研究显示通过特异性过量表达分支处关键酶基因可以达到相应特定产物积累的目的 另有研究证明 油菜转化 4胡萝卜素酮醇酶 4"&H()*%*b*)(,&J* +H)^ 等基因使得转化植株菜籽中类胡萝卜素总量是野生型的15M C倍 并出现海胆酮 角黄素 虾青素和金盏花黄质等物质含量的增加 2C /006年 D,=H=等 /5 将编码集胞藻属 4胡萝卜素酮醇酶基因 L""C502 4+&H()*%* b*)(,&J* +H)U 转化马铃薯 使马铃薯中7K L的活性受到抑制 玉米黄质得到大量积累 2T4羟基海胆酮 玉米黄质酮和虾青素在马铃薯块茎中的含量也有所增加 Y$等 /6 将+H)^及来自龙胆的Y S"'基因转入玉米中 提高了转基因玉米金盏花黄质 海胆酮和虾青素等的含量 该研究表明 植物类胡萝卜素合成途径的分支点关键酶Y S"'的过量表达促进了下游途径的进行 在底物充足且!$%&基因表达的情况下 下游产物得到一定量的积累 将L G R基因在组成型表达启动子驱动下在番茄中过量表达 番茄果实中类胡萝卜素总量减少一半 但 4胡萝卜素含量增加2倍 这是由于转基因番茄果实中的7G R和Y S"'基因同时被诱导表达的结果 因此 植物类胡萝卜素代谢途径是受多个基因调控互相影响共同完成的
Y S"K是植物类胡萝卜素合成分支途径的另一个关键酶 /00;年 d&)(等 23 研究发现 在成熟的柑橘果实中 Y S"'表达增强 Y S"K表达消失 并且玉米黄素和堇菜黄素大量积累 该研究进一步显示Y S"'和Y S"K基因表达的相对强弱 直接决定了 4胡萝卜素和 4胡萝卜素以及途径下游产物的积累量
以上结果表明类胡萝卜素代谢途径单个分支基因的特异性表达或多个分支基因共同表达 对植物类胡萝卜素含量的改变都有一定贡献
;/>"提高植物细胞对类胡萝卜素物质的积累能力类胡萝卜素存在于高等植物 真菌 藻类和细菌中的黄色 橙红色或红色的成色素细胞中 主要为成熟果实 发育完全的叶绿体和花的有色质体中 如秋季的黄叶 黄色花卉 黄色和红色的果实和黄色块根 在成色素细胞中类胡萝卜素被一些特定脂蛋白结构分隔开来 25 由于类胡萝卜素在植物组织的质体中合成 因此通过增加靶器官或组织中质体的数量和大小来提高类胡萝卜素水平非常重要 例如 花椰菜中由于自发突变造成相关基因的突变 出现深橙色性状的花椰菜 可能与橙色细胞中类胡萝卜素过量积累 类胡萝卜素相关基因表达增强和细胞中储存类胡萝卜素分隔结构的出现相关 26 /00C年 Y=等 ;0 将花椰菜'$基因连接在颗粒结合淀粉合成酶 -H&%=,*4a(=%O J)&H+# J.%)#&J* Q'RR 基因特异性启动子的植物表达载体上在马铃薯中过量表达 块茎中积累的类胡萝卜素总量提高至/: -\-G^ 约为野生型的C倍 e&.&H&<等 ;0 将海藻中克隆的 4胡萝卜素酮醇酶基因转化胡萝卜细胞 在叶绿体和成色素细胞中类胡萝卜素积累量明显增加 使类胡萝卜素含量在根干重中达到/M;A-\- 且胡萝卜颜色明显由橙色转变为红色 E&&J J 1: 和D I*, ;1 等在拟南芥中做了类似实验 拟南芥根中类胡萝卜素含量提高到5:5 -\-G^ OH._*$-#) G^
>"前"景
类胡萝卜素生物合成基因的分离与功能鉴定 为应用基因工程技术改变植物体内类胡萝卜素成分和提高类胡萝卜素含量提供了重要的基因资源 通过类胡萝卜素合成的生物化学及其在体内调控的不断研究 使通过遗传转化调控植物体内类胡萝卜素生物合成途径成为可能 但是通过基因工程虽然在一定程度上提高了植物中类胡萝卜素含量 这并不能从根本上缓解发展中国家广泛存在的维生素D缺乏症等由于类胡萝卜素物质摄入不足引起的疾病 类胡萝卜素生物合成途径是由多个基因共同调节控制的 随着研究的不断深入 进一步阐明类胡萝卜素代谢途径 培育高含量类胡萝卜素的转基因植物将更有针对性
参考文献
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用。β－胡萝卜素的提取工艺众多，工艺各有特点。简要介绍了溶剂提取法提取胡萝卜素，柱色谱分离β－胡萝卜素，薄层色谱法检验分离效果的方法。学习柱色谱法、薄层色谱法的原理及其方法。掌握从胡萝卜中分离提纯β－胡萝卜素的原理和方法。学会用色谱法从胡萝卜中提取胡萝卜素并鉴定之。 关键词：β－胡萝卜素提取分离 引言： 胡萝卜是传统蔬菜和食用天然胡萝卜素的重要来源。β－胡萝卜素是500多种类胡萝卜素的一种。是橘黄色脂溶性化合物，它是一种重要的食用天然色素和营养强化剂，易溶于许多有机溶剂，如：乙酸乙酯、氯仿。几乎不溶于丙二醇、甘油、酸和碱‘不溶于水。β－胡萝卜素是一种非常安全的、无任何毒副作用的营养元素，具有解毒作用。是维护人体健康不可缺少的营养素。在抗癌、预防心血管疾病、白内障及抗氧化方面有显著的功能，可预防因老化引起的多种退化性疾病。另外，β－胡萝卜素在食品工业中的应用也日益广泛。 胡萝卜中含有丰富的胡萝卜素，是β－胡萝卜素含量最高的蔬菜之一。本文以胡萝卜为原料，采用色谱分离的方法研究了胡萝卜素的提取。 正文 1.1胡萝卜中的成分每100克胡萝卜中，约含蛋白质0.6克，脂肪0.3克，糖7.6～8.3克，铁0.6毫克，维生素A（胡萝卜素）1.35～17.25毫克，维生素B1 0.02～0.04毫克，维生素B2 0.04～0.05毫克，维生素C12毫克，热量150.7千焦，另含果胶、淀粉、无机盐和多种氨基酸。各类品种中尤以深橘红色胡萝卜素含量最高，各种胡萝卜所含能量在79.5千焦～1339.8千焦之间。胡萝卜是一种质脆味美、营养丰富的家常蔬菜，素有“小人参”之称。胡萝卜富含糖类、脂肪、挥发油、胡萝卜素、维生素A、维生素B1、维生素B2、花青素、钙、铁等人体所需的营养成分。 胡萝卜素的提取知识点-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 胡萝卜素的提取 了解胡萝卜素的基础知识和提取原理；学会提取胡萝卜素的技术和纸层析的操作要求。1．β－胡萝卜素在人体内可以被氧化成维生素A，因而胡萝卜素具有预防夜盲症等疾病。 另外还可以用作食品、饮料、饲料的添加剂。 2．胡萝卜素是橘黄色晶体，不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等有机溶剂。 3．提取天然胡萝卜素的方法有：从植物（如胡萝卜）中提取；从养殖的岩藻（如海带、马尾藻、裙带菜等）中提取；利用微生物发酵（如产氢红杆菌、工程菌等）生产。 【思考1】在蒸馏法、压榨法和萃取法中，由于胡萝卜素的水溶性和挥发性差，因而不能用蒸馏法提取；由于胡萝卜素的熔点高，因而不能用压榨法提取；由于胡萝卜素易溶于石油醚等有机溶剂，因而可用萃取法提取胡萝卜素。 二、实验设计 1．有机溶剂包括水溶性有机溶剂（如乙醇、丙酮等）和水不溶性有机溶剂（如石油醚、乙酸乙酯、苯、乙醚等）。 2．乙醇和丙酮不能（能、不能）用于胡萝卜素的萃取。原因是萃取中乙醇和丙酮能与水混溶而影响萃取效果。 3．在石油醚、醋酸乙酯、乙醚、苯和四氯化碳这五种有机溶剂中，由于石油醚的沸点最高，在加热萃取时不易挥发，所以最适宜用作萃取剂。 4．萃取效率的主要取决于萃取剂的性质和用量，其次还受到原料颗粒大小、紧密程度、含水量；温度、时间等条件的影响。 【思考2】从影响萃取效率的因素来看，应当如何控制萃取的过程条件？ 用石油醚作为萃取剂，用量相对多一些；原料要粉粹、干燥；萃取温度高；萃取时间长。 1．填写萃取法提取胡萝卜素的实验流程： 2．实验步骤： ①原料加工：取500g新鲜胡萝卜，清水清洗、沥干、粉碎、烘干。 ②原料装填：将胡萝卜粉与200mL石油醚装入蒸馏瓶。 ③加热萃取：安装冷凝回流装置，沸水浴加热萃取30min。 ④过滤：待降温后，将萃取物进行过滤，除去固体物，得到萃取液。 ⑤浓缩：安装水蒸气蒸馏装置，加热萃取液，萃取剂挥发，得到胡萝卜素粗提物。 胡萝卜素的提取工艺研究◎万屏南熊丽萍卢秋晓 目前，生产胡萝卜素的方法 主要有化学合成、生物发 酵和动植物天然提取。通过化学合成或生物发酵生产的胡萝卜素存在结构单一，甚至有致畸形的作用或百分含量不高等缺点。天然提取法提取胡萝卜素的过程简单，适宜常规化生产。业内人士以金盏菊花为原料研究了胡萝卜素的提取条件。研究了从胡萝卜中提取Ｂ一胡萝卜素的工艺，用石油醚一丙酮混合液提取，提取率达 ９０％以上，研究表明，混合溶剂优 于单一溶剂。胡萝卜素分子中均含 有共轭多烯结构，在丙酮、石油醚、 己烷、二硫化碳等中溶解度较大， 不溶于水、丙二醇等极性溶剂。 不同提取剂有不同的适用范围，如 乙醚适用于提取干燥样品，氯仿一 甲醇适用于提取果脯类，石油醚一 丙酮一己烷适用于提取新鲜植物性 食物。本论文将用丙酮一石油醚一 坛 正己烷三种溶剂混合作提取剂，以 胡萝卜为原料，用饱和氯化钠溶液 对原料进行预处理，甲醇沉淀多 糖，分光光度法检测结果，对从胡 萝卜中提取胡萝卜素的工艺参数 进行探讨，并对胡萝卜素的抗氧化 性进行研究。 实验 原料及试剂和仪器 丙酮，石油醚，正己烷，氯化钠， 双氧水，甲醇，氨水，ＡＲ级。胡萝 ㈨肿鲥ｏ，ｅ…眦…ａ，，栅鲫，囵 论坛 卜（市售），通过检测胡萝卜素的含量为３．４ｍｇ／１００９，Ｂ一胡萝卜素标准品（进口）。ＰｅｒＫｉｎＥｌｍｅｒ公司的ＰＥＬＡＭＢＤａ紫外可见分光光度计和付立叶红外光谱仪；上海第三仪器厂的７２１型分光光度计。 １、提取方法及最大吸收波长的测定 胡萝ｂ经饱和氯化钠溶液浸泡１２ｈ，目的是使胡萝卜失水并破碎其组织；粉碎后立即加入稳定剂氨水和甲醇，是为了防止胡萝Ｉ－素被氧化，胡萝ｂ素在弱碱性环境下稳定存在：使甲醇浓度达５０％以上是为了沉淀胡萝卜中的多糖。 取石油醚的提取液（以下实验料液比均为４．０９／５０ｍｌ混合液，参比液均为相应比例的混合液）５ｍｌ，用石油醚定容到５０ｍｌ，用石油醚作参比，测得的紫外可见光谱如图１所示．显示出胡萝卜素的特征吸收峰，一个主峰在４５０ｎｍ，两个肩峰分别在４４２ｎｍ和４７０ｎｍ。由此可知，胡萝卜素的最大吸收波长为４５０ｎｍ。以下的实验中所有吸光度的值都是在４５０ｎｍ处测定。胡萝卜素的标准曲线如图２所示。 图１胡萝卜素的紫外可见光谱图 图２胡萝ｂ素的标准曲线图 ２、混合深剂的比例确定 影响胡萝卜素的提取率主要的因素是固液比，混合溶剂比例，提取温度和提取时间。丙酮，石油醚，正己烷三种溶剂以不同比例混合，滤液经定容，在４５０ｎｍ下测定各自的吸光度。提取时间均为１ｈ，温度为２５℃，分别测定提取后的吸光度，计算提取率。 ３、温度确定 温度是影响提取率的一个重要因素，过高温度会影响胡萝ｂ素的稳定性，造成胡萝卜素的损失。在以上确定的最佳溶剂比下，温度分别为２５℃、３０℃、 Ｉｎ中国石油和化工?综合版３５℃，４５℃、４５℃、５０℃，分别测定吸光度，计算提取率。 ４、时间选择 胡萝卜素的提取是一个扩散传质过程，滤饼内部胡萝卜素的浓度高，外部溶剂中胡萝卜素的浓度低，二者之间的浓度差构成了传质的推动力，促使内部的胡萝卜素不断地向外部溶剂中扩散，直至内外达到平衡，这时提取液中胡萝卜素的浓度达到最大值，为确定胡萝ｂ素在该体系中达到平衡的时间，在上述的最佳溶剂比和提取温度下，测定其吸光度，计算提取率，比较不同的浸取时间对胡萝卜素浸出率影响。 ５、正交实验设计 根据单因素实验确定的条件范围，设计３因素３水平正交实验。 ６、抗氧化性能研究 利用Ｈ：ｏ：作为氧化剂，验证胡萝卜素的抗氧化性。从同一提取液中各取５ｍｌ置于相同的避光具塞瓶中，分别加入浓度为０．８％、１．６％、３．２％、６．４％、１２．８％的Ｈ２０２。放置５ｈ后，测定其吸光度。 结果与讨论 １、单因素实验 混合溶剂比例选择 由表１可知，第４组比例提取效果较好。 表１不同溶剂比例吸光度比较 提取剂１２３４５６７８丙酮（ｎｄ）４０３０２５２０２０１５１０１０石油醚（ｍ１）５５７．５１５１０１２．５１５２０正己烷（ｍ１）５１５１７．５１５１０２２．５２５２０吸光度（Ａ）０．４５０Ｏ．６６１０．６３５０．６８００．６３９Ｏ．３１１Ｏ．１６４Ｏ．２３１温度选择 在不同温度下，同提取一小时，比较其吸光度，结果如表２所示。当温度低于４０ｑＧ时，吸光度随温度的升高而增大，相应的胡萝卜素的提取量也增大，当温度高于４００（２时，温度升高，吸光度而下降，这可能因为大部分的胡萝卜素已经被提取出来了，温度的增加已经不能对提取产生影响。当温度４０。（２时，吸光度最大，提取效果也最好。 表２不同温度提取效果比较 常温 温度℃３０３５４０４５５０ （２５） 吸光度（Ａ）０．６８００．５０３０．８７４０．９０８０．８６１ ０．７４５ 课题2胡萝卜素的提取 教材内容解读 要点1胡萝卜素 （1）性质 胡萝卜素是橘黄色结晶，化学性质比较稳定，不溶于水，微溶于石油醚等有机溶剂。 （2）分类 根据双键的数目可以将胡萝卜素划分为α、β、γ三类，β－胡萝卜素是其中最主要的组成成分。 （3）用途 一分子的β－胡萝卜素在人或动物的小肠、肝脏等器官被氧化成两分子的维生素A，因此，胡萝卜素可以用来治疗因缺乏维生素A而引起的各种疾病，如夜盲症、幼儿生长发育不良，干皮症等。胡萝卜素还是常用的食品色素，广泛地用作食品、饮料、饲料的添加剂。最近发现天然胡萝卜素还具有使癌变细胞恢复成正常细胞的作用。 要点2胡萝卜素的提取方法 提取天然胡萝卜素的方法主要有三种，一是从植物中提取，二是从大面积养殖的岩藻中获得，三是利用微生物的发酵生产。如果需要获得β－胡萝卜素，还需要对产物进行进一步的分离。 要点3实验设计 （1）提取方法 胡萝卜素易溶于有机溶剂，可以用萃取的方法提取。 （2）提取胡萝卜素的实验流程 胡萝卜→粉碎→干燥→萃取→过滤→浓缩→胡萝卜素 （3）萃取剂的选择 胡萝卜素可溶于乙醇和丙酮，但他们是水溶性的有机溶剂，因能与水混溶而影响萃取效果，所以不用它们作萃取剂。在石油醚、醋酸乙酯、乙醚、苯和四氯化碳这五种溶剂中，石油醚的沸点最高，在加热萃取时不易挥发，所以石油醚最适宜用作萃取剂。 （4）影响萃取的因素 萃取的效率主要取决于萃取剂的性质和使用量，同时还受到原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等条件的影响。一般来说，原料颗粒小，萃取温度高，时间长，需要提取的物质就能够充分溶解，萃取效果就好。 （5）胡萝卜素提取装置的设计 采用水浴加热，因为有机溶剂都是易燃物，直接使用明火加热容易引起燃烧、爆炸。在加热瓶口安装冷凝回流装置，目的是防止加热时有机溶剂挥发。 要点4实验案例 胡萝卜素的提取 提取胡萝卜素的主要步骤如下。 1.选取500 g新鲜的胡萝卜，用清水洗净，沥干、切碎，然后在40 ℃的烘箱中烘干，时间约需2 h，将干燥后的胡萝卜进一步粉碎过筛。注意胡萝卜的粉碎一定要彻底。 2.将样品放入500 mL圆底烧瓶中，加入200 mL石油醚混匀，按教科书中图6-7所示安装萃取回流装置，萃取30 min，然后过滤萃取液，除去固体物质。 类胡萝卜素生物合成抑制剂的研究进展 11应用化学 摘要概述了类胡萝卜素生物合成抑制剂类除草剂的作用机理以及八氢番茄红素去饱和 酶(phytoene desaturase, PD酶)抑制剂的结构-活性关系。简要介绍了进入商品化开发应用的类胡萝卜素生物合成抑制剂类除草剂品种以及它们的除草活性。 类胡萝卜素生物合成是极佳的除草剂作用靶标,经类胡萝卜素生物合成抑制剂处理后的植物最明显的症状是产生白化叶片【1】。植物产生白化叶片的首要原因是类胡萝卜素生物合成被抑制,其次是叶绿素生物合成被抑制,而且已合成的叶绿素还会遭到破坏。尽管经药剂处理后的植株仍能生长一段时间,但是由于不能产生绿色的光合组织,因此其生长不可能持续下去,随后生长停止,植物死亡【2】。由于此类除草剂以类胡萝卜素生物合成为作用点,确保了动植物之间的选择毒性,具有高效、低毒的特点,成为新型除草剂开发的热点。 1、类胡萝卜素生物合成 类胡萝卜素在植物中的生物合成途径见图l:首先,异戊烯焦磷酸(IPP)在IPP异构酶作用下生成二甲基丙烯基二磷酸(DMAPP),然后DMAPP在拢儿基抛牛儿基焦磷酸合成酸(CGPS)作用下与三个IPP缩合,依次生成10碳的拢牛少L焦磷酸(GPP)、巧碳的法尼基焦磷酸(FPP〕即碳的橄儿基推牛儿基焦磷酸(GGPP)。2个GGPP在八氢番茄红素合成酶(PSY)作用下形成第一个40碳的、无色的举胡萝卜素一八氢番茄红素(Phytone)。Phytone再经过连续的脱氢反应、共扼双键延长,经八氢番茄红素脱氮酶(PDS)脱笨形成ζ一类胡萝卜素,直至在ζ一胡萝卜素脱氢酶(ZDS)作用下形成番茄红素(Lycopene)。番茄红素是类胡萝卜素进一步合成代谢的分枝点,可被环化形成β一、ε一环两大类胡萝卜素分支。番茄红素分子的两个末端在番茄红素β一环化酶(LycB)作用下形成β一环,即为β一胡萝卜素;若只有其中一个末端在番茄红素ε一环化酶(LycE)作用下形成ε一环,即为δ一胡萝卜素;而若分子的两个末端分别被LycB及LycE作用形成β一环和ε一环,即为α一胡萝卜素[3][4]。α一、β一胡萝卜素还可形成结构更为复杂的叶黄素等[5]。 类胡萝卜素是含 40 个碳的类异戊烯聚合物，即四萜化合物，是含有 8 个异戊二烯单位的四萜化合物，由两个二萜缩合而成。植物中的萜类化合物有两条合成途径，即甲羟戊酸途径( mevalonate，MVA)和2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸( 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate，MEP) 途径。Zhan 等【6】综述了植物帖类化合物的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡萝卜素生物合成的前体物质异戊烯二磷酸 中国生物工程杂志!"#$%&'$()*+#%(,(-. /011 21 11 103 112 收稿日期 /01041/4/0!!修回日期 /0114054/6 国家转基因生物新品种培育科技重大专项资助项目 /00678050029016' /0057805002900: /005780500;9001 /00678050109012' 通讯作者 电子信箱 < $%-<$)<=>,$?*@+(A 植物类胡萝卜素生物合成及功能 霍!培!季!静 !王!罡!关春峰 天津大学农业与生物工程学院!天津!20003/ 摘要!详述了植物类胡萝卜素生物合成途径 并从突破类胡萝卜素合成途径中上游瓶颈限制 类胡萝卜素代谢各分支途径的改造 提高植物细胞对类胡萝卜素物质积累能力三个方面探讨了类胡萝卜素生物合成酶基因在植物基因工程中的研究现状 最后对植物类胡萝卜素代谢的研究前景进行了展望 关键词!类胡萝卜素!生物合成!基因工程 中图分类号!B 51 !!类胡萝卜素是一类天然色素的总称 普遍存在于动物 高等植物 真菌 藻类和细菌中 不同的类胡萝卜素具有不同的生物学功能 在植物中 类胡萝卜素主要存在于植物叶绿体以及许多花和果实的有色体中 其在植物光合作用中发挥两个重要功能 即参与光吸收和防止前体细胞发生光氧化 1 同时 类胡萝卜素也是植物对外界刺激响应的信号分子前体物质 因此 在植物中类胡萝卜素具有促进光形态发生 参与非光化学抑制反应 脂质过氧 化反应及吸引传粉昆虫等作用 /42 近期研究还发现 类胡萝卜素可以参与传统植物激素 如脱落酸 和新型植物激素 如独角金内酯 的生物合成 ;4: 在动物细胞中 类胡萝卜素物质也起着尤为重要的作用 但其自身不能合成类胡萝卜素 只能从日常饮食中摄取 C 类胡萝卜素物质具有抗氧化活性 可以保护人类远离一系列的慢性病 是健康饮食中必须的 重要成分 3 其中 4胡萝卜素广泛的存在于各种橘黄 色水果及深绿色和黄色蔬菜中 如花椰菜 菠菜 甘蓝 胡萝卜 南瓜 番薯和西葫芦等 是人体合成维生素D 的重要前体物质 而维生素D 在人体正常生长和组织修复过程中起着重要作用 对维持人体视觉系统和免 疫系统的正常生理功能尤为重要 5 番茄红素是一种红色素 存在于许多水果和蔬菜中 如番石榴 西瓜 葡萄柚和番茄 可以作为单线态氧的有效猝灭剂 能消除羟自由基 在细胞中和脂类结合而有效抑制脂质的氧化 是非常好的食用抗氧化剂 对降低恶性肿瘤和冠心病发病率起着重要作用 6 叶黄质和玉米黄质存在于绿色 某些黄色和橙色的水果和蔬菜中 如玉米 油桃 橘子 木瓜和南瓜等 是人体视网膜黄斑的主要构成成分 10 可以预防老年人群中由黄斑病变所引起的失明 11 正是由于类胡萝卜素与人类健康的关系密切 以及其他方面的应用价值 有关类胡萝卜素生物合成途径及其相关基因的遗传操作调控得到了广泛的研究 本文主要对类胡萝卜素生物合成途径及类胡萝卜素生物合成酶基因在植物基因工程方面应用的国内外最新研究进展进行了综述 !"类胡萝卜素生物合成途径 类胡萝卜素是含;0个碳的类异戊烯聚合物 即四萜化合物 是含有5个异戊二烯单位的四萜化合物 由两个二萜缩合而成 植物中的萜类化合物有两条合成途径 即甲羟戊酸途径 A *?&,(%&)* E F D 和/4"4甲基4G 4赤藻糖醇4;4磷酸 /4"4A *)#.,4G 4*H .)#H $)(,4;4I#(J I#&)* E K L 途径 7#&%等 1/ 综述了植物帖类化合物的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡萝卜素生物合成的前体物质异戊烯二磷酸 $J (I*%)*%. 教学准备 1. 教学目标 1、了解有关胡萝卜素的基础知识 2、掌握提取胡萝卜素的基本原理 3、掌握萃取法提取胡萝卜素的技术 4、学会纸层析的操作方法 2. 教学重点/难点 教学重点： 胡萝卜素的提取，纸层析的操作 教学难点： 胡萝卜素的提取 3. 教学用具 教学课件 4. 标签 教学过程 （一）引入新课 植物有效成分提取的方法有哪些？这一节我们再来学习萃取法提取胡萝卜素的原理、方法和提取技术。 （二）背景知识 1．基础知识 （1）胡萝卜素的性质：橘黄色晶体，化学性质稳定，不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等。 （2）胡萝卜素的来源：植物、岩藻、微生物发酵。 （3）分类 根据双键的数目可以将胡萝卜素划分为α、β、γ三类，β－胡萝卜素是其中最主要的组成成分。 （4）用途 一分子的β－胡萝卜素在人或动物的小肠、肝脏等器官被氧化成两分子的维生素A，因此，胡萝卜素可以用来治疗因缺乏维生素A而引起的各种疾病，如夜盲症、幼儿生长发育不良，干皮症等。胡萝卜素还是常用的食品色素，广泛地用作食品、饮料、饲料的添加剂。最近发现天然胡萝卜素还具有使癌变细胞恢复成正常细胞的作用。 （5）方法：萃取法。 影响因素：萃取剂性质、用量；原料颗粒大小、紧密程度、含水量；温度、时间等。 选择控制：溶剂：石油醚 原料：颗粒小、干燥。 条件：温度较高，时间长。 （三）胡萝卜素的提取 1．实验设计 1．1实验流程：阅读教材图6－6。 溶剂：应选择使用水不溶性有机溶剂，如石油醚（为什么？）。 选择溶剂应注意哪些因素？：（提取效率、水溶性与水不溶性、沸点高低、有无毒性、是否易于产品分离等） （1）提取方法 胡萝卜素易溶于有机溶剂，可以用萃取的方法提取。 （2）提取胡萝卜素的实验流程 胡萝卜→粉碎→干燥→萃取→过滤→浓缩→胡萝卜素 （3）萃取剂的选择 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ 植物生理科学 第一作者简介：张建成，男，１９７４年出生，山西农业大学讲师，华中农业大学在职博士研究生生，主要研究方向为生物技术与果树遗传育种。通信地 址： ０３０８０１山西省太谷县山西农业大学园艺学院。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｃｎｄ００１＠ｗｅｂｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ或ｚｊｃｎｄ００１＠１６３．ｃｏｍ。通讯作者：刘和，男，１９６２年出生，山西农业大学副教授，主要研究方向为果树栽培生理。收稿日期：２００７－０３－２８，修回日期：２００７－０５－１１。 植物类胡萝卜素生物合成及其调控与遗传操作 张建成，刘和 （山西农业大学园艺学院，山西太谷０３０８０１） 摘要：类胡萝卜素是生物体内通过类异戊二烯途径合成的、自然界广泛存在的一大类天然色素物质的总称。近年来，类胡萝卜素生物合成基因的分离和功能鉴定与有关类胡萝卜素生物合成调控机制研究的新进展，使通过遗传操作调控植物体内类胡萝卜素生物合成途径成为可能。本文主要综述了近年来类胡萝卜素生物合成及其调控研究的进展，并介绍了应用转基因技术改变植物体内类胡萝卜素成分与含量的成功事例。 关键词：类胡萝卜素；生物合成及调控；转基因植物中图分类号：Ｑ９４５．１８ 文献标识码：Ａ ＲｅｃｅｎｔＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣａｒｏｔｅｎｏｉｄＢｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＲｅｇｕｌａｔｉｏｎａｎｄＭａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ＺｈａｎｇＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ＬｉｕＨｅ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｏｒｔｃｕｌｔｕｒｅ，ＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｇｕ０３０８０１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓａｒｅｉｓｏｐｒｅｎｏｉｄｍｏｌｅｃｕｌｅｓｔｈａｔａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｇｒｏｕｐｏｆｐｉｇｍｅｎｔｓｆｏｕｎｄｉｎｎａ－ｔｕｒｅ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｃｌｏｎｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｇｅｎｉｃｇｅｎｅｓａｎｄｔｈｅｎｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｔｕｄｉｅｓｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｍａｋｅｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｌｙｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐａｔｈｗａｙｔｏｂｅｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｐｌａｎｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗ，ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｌｙｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｏｍｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｐｌａｎｔｓｏｆａｌｔｅｒｉｎｇｔｈｅｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｂｙｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃａｒｏｔｅｎｏｉｄｓ，ＣａｒｏｔｅｎｏｉｄＢｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＲｅｇｕｌａｔｉｏｎ，Ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃｐｌａｎｔｓ类胡萝卜素是生物体内通过类异戊二烯途径合成而呈现红色、橙红色和黄色的一大类色素物质的总称。 除极少数非光合细菌合成Ｃ３０、 Ｃ４５、Ｃ５０类胡萝卜素外，类胡萝卜素主要是由８个类异戊二烯单位缩合而成的 Ｃ４０的四萜类色素。迄今，在自然界中已发现６００多种Ｃ４０类胡萝卜素，主要作为高等植物、藻类和蓝细菌（ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ）光合膜的重要组分。 植物类胡萝卜素主要分布于植物叶绿体和有色体膜中，包括胡萝卜素（ｃａｒｏｔｅｎｅ）和叶黄素（ｘａｎｔｈｏｐｈｙｌｌｓ）两大类。植物类胡萝卜素是光吸收复合体的重要组分，并且在保护光合器官、防止光氧化损伤等方面起着重要作用［１，２］。植物类胡萝卜素也是许多花和果实中的重要色素，赋予植物花、果实等器官绚丽的色彩，用以吸引昆虫、鸟类或其它动物来进行授粉和传播种子［１］。植 物类胡萝卜素还是植物激素（如ＡＢＡ）［３］、防御化合物［４］ 和风味芳香物（如β－吲哚）［５］ 等许多生理活性物质生物合成的前体。此外，β－胡萝卜素和含β－环的胡萝卜素是人类及动物体内维生素Ａ（ｒｅｔｉｎｏｌ）合成的前体［６］，许多其它非维生素Ａ类胡萝卜素，如叶黄体素（ｌｕｔｅｉｎ）、玉米黄质（ｚｅｔｘａｎｔｈｉｎ）、番茄红素（ｌｙｃｏｐｅｎｅ）在淬灭自由基、增强人体免疫力、预防心血管疾病和防癌抗癌等保护人类健康方面具有更为重要的作用［７］。 早在２０世纪５０、６０年代，人们就已逐渐阐明了类胡萝卜素生物合成的途径［８］。迄今，应用反向遗传学技术［９］、转座子标签法［１０］、异源基因作探针筛选文库［１１］、基因图位克隆［１２，１３］及其工程大肠杆菌“颜色互补”等技术［１４］，将参与植物类胡萝卜素生物合成的基因均分离和鉴定，对植物类胡萝卜素生物合成途径、相关基因 ２１１?? 植物与微生物联合修复土壤石油污染 植物-微生物联合修复土壤石油污染 目录 1 我国的石油污染概况: .... 错误！未定义书签。 2 土壤石油污染危害：...... 错误！未定义书签。 3 土壤石油污染历来修复技术及进展：错误！未定义书签。 3.1微生物修复 (3) 3.2植物修复 (3) 4 植物与微生物联合修复土壤石油污染： (3) 4.1 植物与微生物联合修复土壤石油污染 具体实验引用： (4) 4.1.1 [实验目的] (4) 4.1.2 [方法] (4) 4.1.3 [实验结果] (4) 4.1.4 [实验结论] (4) 4.2 植物与微生物联合修复土壤石油污染 结合实验的理论分析： (4) 5植物-微生物联合修复土壤石油污染技术展望： (7) 参考文献 (7) 植物-微生物联合修复土壤石油污染 (1．郑州大学，河南郑州10459) 摘要石油污染土壤的生物修复技术具有成本低、简便高效、对环境影响小等优点,正逐步成为石油污染治理研究的热点领域,具有广阔的发展前景。介绍了我国的石油污染概况及生物修复技术在石油污染治理中的应用,重点对石油污染土壤的微生物修复、植物修复、植物-微生物联合修复技术的研究进展及各自的优点、局限性进行了综述,并提出了石油污染土壤生物修复技术研究的重点领域。 关键词石油污染土壤微生物修复植物修复 1 我国的石油污染概况: 我国作为石油生产、消费大国,由于生产条件、环保技术等方面相对落后,石油污染问题相当突出。据统计,我国有机污染土壤面积约为0.2亿ｈｍ2,其中石油污染占相当比例。我国自1978年原油年产量突破1亿ｔ大关而成为世界十大产油国之一以来,目前勘探开发的油气田和油气藏已有400多个,年产石油污染土壤近10万ｔ,累计堆放量近50万ｔ。以油田为例,每口油井污染的土地面积为200～500ｍ2,全国共有油井20万口,由此造成的土壤污染可达8000万ｍ2,这一数值每年还在增长中。据统计,我国每年有60万ｔ石油经跑、冒、滴、漏途径进入环境,对土壤、地下水、地表水造成污染。此外,污灌也是造成土壤石油污染的原因之一,如沈抚灌区污灌面积达0.87万ｈｍ2,全国类似农田有10万ｈｍ2,致使农作物中污染物严重超标,农产品质量低下,同时也造成了严重的地下水污染。随着石油开采和使用量的增加,大量的石油及其产品进入环境,不可避免地对环境造成了污染,给生物和人类带来了严重危害。 2 土壤石油污染危害： 1）80%以上的落地原油被截留在50ｃｍ以上的表层土壤中,逐渐积累导致土壤结构破坏,影响土壤通透性并对农作物的生长和发育造成很大的负面影响。 2)同时,石油类污染物还可以通过根系吸收后残留在植物体内,通过食物链影响人体健康。 20世纪80年代以来,土壤的石油烃类污染成为世界各国普遍关注的环境问 题。 3 土壤石油污染历来修复技术及进展： 有蒸汽法、抽气法、有机溶剂法、水力冲洗法、氧化法、热处理法、微生物法、植物法等修复技术。其中,天然微生物的生物降解作用已成为消除环境中石油烃类污染的主要机制。 3.1 微生物修复 微生物修复是研究最多、应用也最为广泛的一种生物修复方法。由此产生一系列生物修复技术如土耕法、生物通气法、预制床法、堆肥法、生物反应器等。微生物修复技术是利用土壤中的土著菌或向污染土壤中接种选育的高效降 胡萝卜的7大功效与4大禁忌 胡萝卜是一种质脆味美、营养丰富的家常蔬菜，素有“小人参”之称。胡萝卜富含糖类、脂肪、挥发油、胡萝卜素、维生素A、维生素B1、维生素B2、花青素、钙、铁等营养成分。胡萝卜不仅营养丰富，而且胡萝卜汁还可以祛斑美白。除此之外，胡萝卜还有什么样的功效呢？下面就赶紧和小编一起来看一下吧。 胡萝卜早餐饼 1、益肝明目 胡萝卜含有大量胡萝卜素，这种胡萝卜素的分子结构相当于2个分子的维生素A，进入机体后，在肝脏及小肠粘膜内经过酶的作用，其中50%变成维生素A，有补肝明目的作用，可治疗夜盲症。 2、利膈宽肠 胡萝卜含有植物纤维，吸水性强，在肠道中体积容易膨胀，是肠道中的“充盈物质”，可加强肠道的蠕动，从而利膈宽肠，通便防癌。 胡萝卜炒金针菇 3、健脾除疳 维生素A是骨骼正常生长发育的必需物质，有助于细胞增殖与生长，是机体生长的要素，对促进婴幼儿的生长发育具有重要意义。 4、增强免疫功能 胡萝卜素转变成维生素A，有助于增强机体的免疫轼能，在预防上皮细胞癌变的过程中具有重要作用。胡萝卜中的木质素也能提高机体免疫机制，间接消灭癌细胞。 清炒胡萝卜杏鲍菇 5、降糖降脂 胡萝卜还含有降糖物质，是糖尿病人的良好食品，其所含的某些成分，如懈皮素、山标酚能增加冠状动脉血流量，降低血脂，促进肾上腺素的合成，还有降压，强心作用，是高血压、冠心病患者的食疗佳品。 6、改善贫血 胡萝卜素既有造血功能补充人体所需的血液，从而改善贫血或冷血症，同时含有丰富的钾。 7、促进骨骼增长 胡萝卜中的维生素A是骨骼正常发育的必需物质，有利于细胞的生殖与增长。 蕃茄葫萝卜羹 四大禁忌 1.胡萝卜、辣椒不宜一起生吃胡萝卜除含大量胡萝卜素外，还含有维生素C分解酶，而辣椒含有丰富的维生素C，所以胡萝卜不宜与辣椒一起生吃，否则会降低辣椒的营养价值。但维生素C分解酶不耐热，50℃时就能被破坏，所以熟吃时不必担心。 2.胡萝卜怕酸炒时勿放醋胡萝卜中含有大量胡萝卜素，吃胡萝卜最好油炒或与肉同炖。胡萝卜素怕酸，吃胡萝卜切忌放醋。 3.胡萝卜、白萝卜不要一起食用虽然胡萝卜、白萝卜对人体都有很多好处，二者一起食用却会让两者营养降低。 4.白萝卜因含有多种酶、芥子油、木质素、干扰素诱生剂等，表现出良好的助消化、抗癌、抗病毒感染、提高机体免疫力、产生干扰素等功效。但上述物质均不耐热，在70℃的高温下便被破坏。而胡萝卜则恰恰相反，胡萝卜中含有丰富的β－胡萝卜素，生吃时，70％以上的胡萝卜素不能被吸收，用食用油将其炒熟后食用，方能提高胡萝卜素的吸收利用率。另外，胡萝卜中因含有维生素C分解酶，二者混吃时，会破坏白萝卜中的维生素C。 β-胡萝卜素的结构与生理功能 胡萝卜素类包括4种化合物，α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素和番茄红素。虽然4种胡萝卜素的结构和化学性质很相近，但是其营养价值却不同，1分子β-胡萝卜素可以转化成2分子维生素A，而1分子α-胡萝卜素或γ-胡萝卜素只能转化成1分子的维生素A[19]，其中以β-胡萝卜素的含量和活性最高[20]。维生素A在人体内具有维持正常视觉、保持上皮细胞健全和提高人体免疫力等生理功能。β-胡萝卜素属于四萜类化合物，其分子式为C40H56，分子量为536.88，在植物和藻类中常与叶绿素共同存在。Vuong等人[2]将185名试验前血浆中β-胡萝卜素浓度较低的学龄前儿童分为3组进行了30天的对比实验，一组每天摄入含有3.5mg 天然β-胡萝卜素的木鳖果糯米饭(xoi gac)，另一组摄入含有5.0mg人工合成β-胡萝卜素的米饭，对照组摄入无强化的米饭。结果表明实验组血浆中β-胡萝卜素浓度极显著高于对照组(P<0.001)，并且摄入“xio gac”实验组血浆中维生素A的含量极显著高于其他两组(P=0.006、P=0.0053)，由此说明来自木鳖果中的β-胡萝卜素是维生素A原的良好来源。此外，有研究也表明β-胡萝卜素和维生素E、叶黄素和维生素E的混合物可以更有效抑制氢过氧化物形成[21]。通常情况下，黄色、橙色、红色的果蔬中全反式结构的β-胡萝卜素含量最多，同时亦存在少量的顺式异构体。全反式β-胡萝卜素不稳定，在光和热的作用下可部分转化为顺式异构体（见图4）[22]。 类胡萝卜素双键两侧的顺反异构会影响其生物利用率，而且脂肪酸的存在亦会促进番茄红素和胡萝卜素的吸收率。木鳖果假种皮中含有22%(质量分数)的脂肪酸，其中含有32%月桂酸、29%棕榈酸，不饱和脂肪酸的存在会增加类胡萝卜素的吸收[5]。此外，有学者在体外模拟了人体中类胡萝卜素的消化过程，指出类胡萝卜素的消化必须有0.5%~1.0%的脂质参与[23]，因而木鳖果中的类胡萝卜素具有更高生理活性。 跟多内容请狂戳https://www.wendangku.net/doc/367821181.html,/ 植物-微生物联合修复土壤石油污染 目录 1 我国的石油污染概况: ................................................................................ 错误！未定义书签。 2 土壤石油污染危害：................................................................................. 错误！未定义书签。 3 土壤石油污染历来修复技术及进展：..................................................... 错误！未定义书签。 3.1微生物修复 (3) 3.2植物修复 (3) 4 植物与微生物联合修复土壤石油污染： (3) 4.1 植物与微生物联合修复土壤石油污染具体实验引用： (4) 4.1.1 [实验目的] (4) 4.1.2 [方法] (4) 4.1.3 [实验结果] (4) 4.1.4 [实验结论] (4) 4.2 植物与微生物联合修复土壤石油污染结合实验的理论分析： (4) 5植物-微生物联合修复土壤石油污染技术展望： (7) 参考文献 (7) 植物-微生物联合修复土壤石油污染 (1．郑州大学，河南郑州10459) 摘要石油污染土壤的生物修复技术具有成本低、简便高效、对环境影响小等优点,正逐步成为石油污染治理研究的热点领域,具有广阔的发展前景。介绍了我国的石油污染概况及生物修复技术在石油污染治理中的应用,重点对石油污染土壤的微生物修复、植物修复、植物-微生物联合修复技术的研究进展及各自的优点、局限性进行了综述,并提出了石油污染土壤生物修复技术研究的重点领域。 关键词石油污染土壤微生物修复植物修复 1 我国的石油污染概况: 我国作为石油生产、消费大国,由于生产条件、环保技术等方面相对落后,石油污染问题相当突出。据统计,我国有机污染土壤面积约为0.2亿ｈｍ2,其中石油污染占相当比例。我国自1978年原油年产量突破1亿ｔ大关而成为世界十大产油国之一以来,目前勘探开发的油气田和油气藏已有400多个,年产石油污染土壤近10万ｔ,累计堆放量近50万ｔ。以油田为例,每口油井污染的土地面积为200～500ｍ2,全国共有油井20万口,由此造成的土壤污染可达8000万ｍ2,这一数值每年还在增长中。据统计,我国每年有60万ｔ石油经跑、冒、滴、漏途径进入环境,对土壤、地下水、地表水造成污染。此外,污灌也是造成土壤石油污染的原因之一,如沈抚灌区污灌面积达0.87万ｈｍ2,全国类似农田有10万ｈｍ2,致使农作物中污染物严重超标,农产品质量低下,同时也造成了严重的地下水污染。随着石油开采和使用量的增加,大量的石油及其产品进入环境,不可避免地对环境造成了污染,给生物和人类带来了严重危害。 2 土壤石油污染危害： 1）80%以上的落地原油被截留在50ｃｍ以上的表层土壤中,逐渐积累导致土壤结构破坏,影响土壤通透性并对农作物的生长和发育造成很大的负面影响。 2)同时,石油类污染物还可以通过根系吸收后残留在植物体内,通过食物链影响人体健康。 20世纪80年代以来,土壤的石油烃类污染成为世界各国普遍关注的环境问题。 3 土壤石油污染历来修复技术及进展： 有蒸汽法、抽气法、有机溶剂法、水力冲洗法、氧化法、热处理法、微生物法、植物法等修复技术。其中,天然微生物的生物降解作用已成为消除环境中石油烃类污染的主要机制。 3.1 微生物修复 微生物修复是研究最多、应用也最为广泛的一种生物修复方法。由此产生一 课题2 胡萝卜素的提取 ★课题目标 （一）知识与技能 1、了解有关胡萝卜素的基础知识 2、掌握提取胡萝卜素的基本原理 （二）过程与方法 1、掌握萃取法提取胡萝卜素的技术 2、学会纸层析的操作方法 （三）情感、态度与价值观 领悟科学探究的方法，形成严谨、创新以及勇于实践的科学态度 ★课题重点 胡萝卜素的提取，纸层析的操作 ★课题难点 胡萝卜素的提取 ★教学方法 启发式教学 ★教学工具 多媒体课件 ★教学过程 （一）引入新课 上一节课我们学习了提取植物芳香油的原理、方法和提取技术，这一节我们再来学习萃取法提取胡萝卜素的原理、方法和提取技术 （二）进行新课 1．基础知识 1．1胡萝卜素的性质：橘黄色晶体，化学性质稳定，不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石 油醚等。 1．2胡萝卜素的来源：植物、岩藻、微生物发酵。 1．3方法：萃取法。 影响因素：萃取剂性质、用量；原料颗粒大小、紧密程度、含水量；温度、时间等。 选择控制：溶剂：石油醚 原料：颗粒小、干燥。 条件：温度较高，时间长。 2．实验设计 2．1实验流程：阅读教材图6－6。 溶剂：应选择使用水不溶性有机溶剂，如石油醚（为什么？）。 2．2实验步骤： ①原料加工：取500g新鲜胡萝卜，清水清洗，沥干、粉碎、烘干。 ②原料装填：将胡萝卜粉与200mL石油醚装入蒸馏瓶。 ③加热萃取：安装萃取回流装置，沸水浴加热萃取30min。 ④过滤：将萃取物过滤，除去固体物，得到萃取液。 ⑤浓缩：安装水蒸气蒸馏装置，加热萃取液，萃取剂挥发，得到胡萝卜素。 ＊注意事项： 烘干胡萝卜时，温度过高、时间过长，胡萝卜素会分解。 2．3胡萝卜素的纸层析鉴定： ①制备滤纸条：取18×30cm滤纸条，于距底端2cm处划基线，取ABCD四个点。 ②点样：用最细注射器针头分别吸取标准样品和提取样品在AD和BC点样，吹干。 ③层析：将滤纸卷成筒状并固定，放到盛有1cm深石油醚的密封容器中层析。 ④观察：取出滤纸条，使石油醚充分挥发后观察层析带。 ＊注意事项： 滤纸条预先干燥处理； 点样时快速细致、样点圆点尽量细小； 滤纸筒的竖直边缘不能接触； 石油醚易挥发，注意层析容器要密封。 类胡萝卜素的作用与功效 【类胡萝卜素】 不溶于水而溶于有机溶剂。叶绿体中的类胡萝卜素含有两种色素，即胡萝卜素和叶黄素，前者呈橙黄色，后者呈黄色。功能为吸收和传递光能，保护叶绿素。 辅助色素：在植物和光合细菌，像类胡萝卜素叶黄素和藻胆素中，吸收可见光的色素，这类色素是对叶绿素捕获光能的补充。 非皂化脂质。是广泛地分布于动植物中的黄、橙、红或紫色的一组色素。构成发色原因的共轭二重键具有长链聚烯烃结构。通常是几种混在一起生成。具有C40的萜结构的较多，不含氮。已知天然类胡萝卜素约有300种，其中不含氧的碳化氢类有胡萝卜素、菌脂素等；含氧的非常多，有醇、酮、醚、醛、环氧化物、羰酸和酯等。它们之中大量存在的有岩藻黄质、叶黄素（、堇菜黄质、新黄质等，均属于胡萝卜醇。类胡萝卜素多数不溶于水，溶于脂溶剂，不稳定，易氧化。其生物合成过程如下： 乙酰，异甲基焦磷酸→牻牛儿基焦磷酸，无色类胡萝卜素等。 β-胡萝卜素、α-胡萝卜素等在动物体内变为视黄醇（维生素A）和视黄醛（维生素A醛），与视觉有关。在光合作用时，类胡萝卜素所吸收的光能传递给叶绿素，用于推动光化学过程。对细菌，则与其向光性有关．类胡萝卜素是O2的一种重要的激活状态的有效灭活剂，可防止生物的光灭活和光破坏。细菌的类胡萝卜素，有菌酯色素、β- 胡萝卜素、γ-胡萝卜素和玉米黄素等，此外特别值得重视的是从具有光合成的红色硫黄细菌和红色无硫黄细菌中所取得的螺菌黄素、球形（红极毛杆菌）酮，以及绿色硫黄细菌中含有的绿菌烯等。 类胡萝卜素是高度不饱和化合物（多烯），含有一系列共轭双键和甲基支链。色素的颜色随着共轭双键的数目而变动。共轭双键的数目越多，颜色移向红色越远。 有些类胡萝卜素在工业上利用作为食物和脂肪的着色剂，如β－胡萝卜素、番茄红素、玉米黄质、叶黄素、辣椒红、藏花素、藏花酸、胭脂树橙、红酵母红素等。 类胡萝卜素的生物合成也是按照类萜的合成模式，两个单位“头对头”缩合成为衍生物即类胡萝卜素──八氢番茄红素。高等植物、藻类和真菌都能将八氢番茄红素逐步脱氢，按次序生成六氢番茄红素,δ-胡萝卜素，链孢红素，最后产生番茄红素。类胡萝卜素分子两端的环化过程尚未完全阐明，但已有证据说明链孢红素或番茄红素是环化类胡萝卜素的前体。含氧的类胡萝卜素──叶黄素是通过直接引入分子氧而合成的。 维生素 A是无色的脂溶性类异戊二烯醇。在动物体内,β-胡萝卜素加两分子的水，断裂成为两分子的视黄醇(即维生素A,A存在于动物肝脏，血液和眼球的视网膜中;A只发现于淡水鱼中)。在暗中全反式视黄醛转变成为11顺视黄醛才能与视蛋白结合形成视紫红质，后者与暗视觉有关，故缺维生素A导致夜盲症。 希望对你能有所帮助，祝你天天快乐！ 课题3 胡萝卜素的提取 一．学习目标 1.能够记住有关胡萝卜素的基础知识和提取胡萝卜素的基本原理。（重点、难点） 2.会说出胡萝卜素的提取技术和纸层析的操作方法。（重点） 二．学法指导 联系生活中炒胡萝卜的做法，尝试设计实验提取胡萝卜素；学会纸层析的操作方法，领悟科学探究的方法。 三．课前热身 1．胡萝卜素是_____________结晶，化学性质比较_________，不溶于_________，微溶于_________，易溶于_____________等有机溶剂。根据双键的数目可以将胡萝卜素划分为α、β、γ三类。是其中最主要的组成成分。与β-胡萝卜素化学结构类似的胡萝卜素约有100多种,它们大多存在于蔬菜中。__________蔬菜是提取天然β-胡萝卜素的原料。 2．工业生产上，提取天然β-胡萝卜素的方法主要有三种，一是从__________ 中提取，二是从__________ 中获得，三是利用__________ 生产。本课题所提供的方法只能提取胡萝卜素的__________ ，若要获得β-胡萝卜素，还需要进一步的__________ 。 3.萃取胡萝卜素的有机溶剂应具有较高的________，能够_____________胡萝卜素，并且不与_________混溶。 4.萃取的效率主要取决于萃取剂的____________和_____________，同时还受到______________________、紧密程度、_________、萃取的__________和时间等条件的影响。 5.萃取过程的注意事项： (1)萃取过程应避免明火加热，采用_____________。 (2)为防止加热时有机溶剂_________，要在加热瓶口安装_______________________。 (3)萃取液的浓缩可直接使用__________________。 (4)浓缩前要进行_____________。 6．提取的胡萝卜素粗品的鉴定：_____________法。 原理：__________________与其他色素和杂质在层析液中的________不同，在滤纸中的________________不同。 步骤 量做基线：在18 cm×30 cm滤纸下端距底边处做一基线，在基线上取A、B、C、D四点 对照点样：A、D点上点，B、C点上点（点样后滤纸卷成筒状） 干燥层析：吹干，放入中层析（层析溶剂不能超过点样基线） 对比观察：对比观察点与点的异同 写出如下装置中各数字对应的名称 ①___________②__________ ③___________④___________ ⑤___________⑥___________ 四．课堂探究 1胡萝卜素的提取
胡萝卜素的提取知识点
胡萝卜素的提取工艺研究
课题2 胡萝卜素的提取过程
类胡萝卜素生物合成抑制剂的研究进展解析
植物类胡萝卜素生物合成及功能
课题2 胡萝卜素的提取 教学设计 教案
植物类胡萝卜素生物合成及其调控与遗传操作
植物与微生物联合修复土壤石油污染
胡萝卜的7大功效与4大禁忌
β-胡萝卜素的结构与生理功能
植物与微生物联合修复土壤石油污染
专题62胡萝卜素的提取
类胡萝卜素的作用与功效
(完整版)胡萝卜素的提取