类胡萝卜素（carotenoids）是一类重要的天然色素的总称，属于四萜类化合物，又称脂色素，通常是指40碳的碳氢化合物（胡萝卜素）和它们的氧化衍生物（叶黄素）两大类色素的总称，普遍存在于植物、真菌、藻类、细菌中。绝大多数类胡萝卜素呈绚丽的黄色、橙色或红色。据估计每年自然界中产生的类胡萝卜素量达到1亿吨，主要是岩藻黄素、紫黄素、新黄素和叶黄素。
1831年Wachenroder从胡萝卜根中分离出碳水化合物类是色素，以“胡萝卜素”命名；之后，Berzelius从秋天的叶片中分离提取出黄色的极性色素，命名其为“叶黄素”。随着技术的发展，人们又分离出一系列的天然色素，并命名为“类胡萝卜素”。在自然界，类胡萝卜素广泛存在于动物、植物及微生物中。在植物中，类胡萝卜素存在于叶绿体和有色体膜上。
7.3.1.1 结构及理化性质
类胡萝卜素具有共同的化学结构特征，它们是由8个异戊二烯基本单位组合成的多烯链，通过共轭双键构成一类化合物或其氧化衍生物，分子式一般为C40H56。类胡萝卜素分子中最重要的部分是决定生物功能和颜色的共轭双键系统。类胡萝卜素能溶于大部分有机试剂中，一般不溶于水。叶黄素类化合物由于含有羟基、羰基、甲氧基或环氧化结构而极性较强，故在极性较强的有机溶剂中溶解度较大，如丙酮、乙醚、三氯甲烷等。由于类胡萝卜素的分子结构中存在类异戊二烯共轭双键，故吸光性能强。在400～500 nm内有强的吸收，能呈现出红、橙、黄色。类胡萝卜素遇氧、遇酸、强光照射及高温下不稳定，易降解变化或异构化，它在碱性条件下一般较稳定，碱性皂化处理是类胡萝卜素提取工艺中常用步骤。但是，虾黄素不耐碱，可以用酶解法代替。
目前已发现自然界中大约600多种类胡萝卜素类物质，其中60多种存在于人类天然食物中，有20多种可在人血浆和组织中检测出来。这些类胡萝卜素可分为4个家族：①胡萝卜素：如α-、β-、γ-胡萝卜素，番茄红素；②胡萝卜醇，如叶黄素、玉米黄素、虾青素；③类胡萝卜醇的酯类，如B-阿朴-胡萝卜酸酯；④胡萝卜酸，如藏红素、胭脂树橙。所有的类胡萝卜素都可由番茄红素通过氧化、氢化、脱氢、环化，以及碳架重排、降解衍生而来。图1-7-1是几种常见的类胡萝卜素分子结构式。
图1-7-1 几种常见类胡萝卜素分子结构式
早在半个世纪前，人类就已知α-、β-胡萝卜素可水解生成维生素A，进而参与视觉生理代谢，是防止由于维生素A缺乏而引起夜盲症的重要营养物质。约有10%的类胡萝卜素是维生素A的前体。在多种类胡萝卜素成分中，β-胡萝卜素作为维生素A的前体最早受到关注。
7.3.1.2 生物学活性
1.抗氧化活性 研究证明类胡萝卜素是人体总抗氧化状态的敏感检测指标。类胡萝卜素作为总抗氧化水平的指标可从3个方面来理解：①类胡萝卜素与活性氧物质尤其是单线态氧反应后被降解，其分子不可重复性。据估计类胡萝卜素分子（番茄红素或β-胡萝卜素）在完全降解前能承受20多个自由基的攻击；②类胡萝卜素在反应样物质存在时是高度不稳定的，作为牺牲品来保护其他抗氧化系统中更稳定的分子（如维生素E和维生素C）免受氧化，因此类胡萝卜素扮演了抗氧化系统的防御第一线的角色；③与其他脂溶性抗氧化剂一样，类胡萝卜素是以低密度脂蛋白（LDL）被输送到组织，与其他脂溶性抗氧化剂有共同的输送通道。
2.癌症的预防和治疗 类胡萝卜素有防癌抗癌的作用。多项证据表明许多类胡萝卜素具有抗癌活力，类胡萝卜素的应用能使癌症致死的危险性降低20%～30%。β-胡萝卜素对一些癌前病变如口腔癌、鼻咽癌有比较好的治疗效果，对肺癌、宫颈癌、卵巢癌、食管癌也有预防作用。流行病学研究显示饮食中富含类胡萝卜素的果蔬的抗癌位点有肺、胰腺、胃、肝、结肠、乳腺等处。类胡萝卜素可增强邻近细胞胞质之间的间隙连接的信号传递，协调多细胞生物体的整体生化过程，细胞间隙连接的信号传递可能在细胞周期的调节和细胞分化中起着重要作用，而这种信号传递的干扰可能与癌症的发生有关，良好的细胞间隙连接的信号传递则可抑制癌症的发生过程。
最初关于类胡萝卜素预防癌症发生的机制，主要认为与其抗氧化性有关，但是通过近年来对生物化学机制的深入研究显示，其他作用机制起着更为关键的作用。例如，可能涉及引起细胞生长或细胞死亡途径上的一些变化，包括激素与生长因子的信号传输、细胞周期过程的调节机制、细胞分化及凋亡。
3.保护视力 叶黄素和玉米黄质是黄斑中的主要类胡萝卜素，是晶体内唯一的类胡萝卜素。研究证实，叶黄素和玉米黄质可以预防老年性眼病。多摄入富含叶黄素和玉米黄质的绿叶蔬菜与减少和年龄相关的黄斑退行性改变（age-related macular degeneration，ARMD）和白内障形成的风险性相关。过多暴露于蓝色光线下可导致ARMD的发生，叶黄素和玉米黄质吸收蓝光，保护视网膜免受损害。研究还发现，ARMD病人的血清和视网膜的叶黄素和玉米黄质水平较健康对照组明显降低。黄斑色素减少可增高ARMD的风险，补充叶黄素或富含叶黄素的蔬菜可升高血清叶黄素浓度，导致黄斑色素密度增加。
4.保护皮肤 20世纪60年代已证明补充β-胡萝卜素可以预防红细胞增多症引起的原卟啉症，这是一种光敏感性疾病，暴露于可见光下导致皮肤瘙痒和烧灼感。后期对大量人群研究也显示，补充β-胡萝卜素、番茄红素，或混合型类胡萝卜素可显著降低紫外线照射诱发的红斑，使紫外线光敏感度降低。
5.保护心血管 叶黄素可能具有保护心血管系统的作用。例如，希腊、澳大利亚人群血液中类胡萝卜素的水平较高，特别是叶黄素，其心血管疾病死亡率降低35%。有一项研究显示，当被调查对象血清叶黄素水平增加20%时，可以明显减缓颈动脉内膜、中膜的厚度（早期动脉粥样硬化的指标）。(www.xing528.com)
6.增强免疫功能 20世纪80年代初，Seifter就有关于补充类胡萝卜素可以增强免疫活性的报道。1991年Bendich指出，类胡萝卜素能增加免疫系统中B细胞的活力、消灭外源入侵的病原菌；能提高淋巴辅助T细胞的活力，协助B细胞产生抗体，并提高其他免疫组分的活性，还能增加自然杀伤细胞（NK）的数目，以消除体内被感染的细胞或癌细胞。
7.3.1.3 人体类胡萝卜素水平的测定
大量摄入水果和蔬菜，可以给机体补充各种抗氧化营养素，包括多种维生素、类胡萝卜素和其他植物化学物质，有助于预防慢性疾病，包括癌症和心脑血管疾病。对类胡萝卜素水平的测定有助于确定对水果、蔬菜和含类胡萝卜素的健康食品的摄入量。
1.血清（血浆）类胡萝卜素水平 血清或血浆类胡萝卜素的测试是评估人体类胡萝卜素状态最常用的方法。空腹取血，用高效液相色谱（HPLC）定量分析血清或血浆中类胡萝卜素，测定结果可用于监测水果和蔬菜的食用量，判断体内类胡萝卜素的水平。某些类型蔬菜、水果摄入量的增加可以引起空腹血液类胡萝卜素的增加。多项研究显示，水果和蔬菜的摄入量与血液类胡萝卜素之间的相关系数r为0.3～0.7，其相关性的高低受膳食摄入量调查准确性的影响。Polsine等采用更精确的7天记录法，评估20名45～65岁健康妇女，每天摄入的水果和蔬菜量与血清α-胡萝卜素（r=0.73）、β-胡萝卜素（r=0.48）、叶黄素（r=0.60）和总血浆类胡萝卜素（r=0.48）显著相关。
药代动力学资料表明，相对于皮肤或其他组织，血液类胡萝卜素对短期饮食波动更敏感。应用加速器质谱法和14C标记的β-胡萝卜素进行高度敏感示踪研究，发现在摄入β-胡萝卜素后30天内血浆β-胡萝卜素呈多相反应，但在其他组织，尤其是皮肤中的类胡萝卜素水平可更好地反映体内稳态水平和组织利用度。
2.皮肤类胡萝卜素的测量 皮肤类胡萝卜素有助于防护紫外线辐射，而且与血液类胡萝卜素浓度比较，皮肤类胡萝卜素对摄食后变化的反应较慢。用HPLC法分析96名26～82岁的健康高加索人的皮肤活检标本和血标本，发现皮肤和血浆类胡萝卜素浓度呈显著相关性，β-胡萝卜素的相关系数r为0.75，番茄红素为0.52，叶黄素为0.51，α-胡萝卜素为0.67。36名志愿者分别接受12周β-胡萝卜素、混合类胡萝卜素，或安慰剂（每组12人），发现血清类胡萝卜素水平比皮肤β-胡萝卜素增加更迅速，峰值出现更快。因此，皮肤类胡萝卜素的测量作为较长时期类胡萝卜素稳态营养状况的生物学指标有较高价值。
7.3.1.4 类胡萝卜素的食物来源
目前国内还没有可以利用的类胡萝卜素数据库，1993年，由美国农业部（USDA）和国家癌症研究院（NCI）合作，发布了美国第一个类胡萝卜素成分数据库（carotenoids database）。该数据库涵盖了133种水果和蔬菜类食物的6种类胡萝卜素成分（α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-隐黄质、番茄红素、叶黄素/玉米黄质）的5个数据。该数据库于1998年由USDA和Minnesota大学NCC中心协作进行更新，形成新的数据库USD-NCC Carotenoid Database for US。后来，这些共215种食物的类胡萝卜素数据被引入了2003年发布的第16版《美国农业部营养素标准参考数据库》（USDA Nutrient Database for Standard Reference，Release No.16）。到2005年8月发布的第18版中，包括测定的基本原料食物中的类胡萝卜素数据和计算的复合性食物中类胡萝卜素的数据，共提供了3994种食物的β-胡萝卜素数据，3857种食物的α-胡萝卜素数据，3841种食物的β-隐黄质数据，3807种食物的番茄红素数据，3767种食物的叶黄素/玉米黄质数据。表1-7-5列出了其中一些常见食物的含量。
表1-7-5 美国食物类胡萝卜素含量（μg/100g）
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