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葉綠素
鎖定
葉綠素（Chlorophyl）是高等植物和其它所有能進行光合作用的生物體含有的一類綠色色素。葉綠素有多種，例如葉綠素a、b、c和d，以及細菌葉綠素和綠菌屬葉綠素等，與食品有關的主要是高等植物中的葉綠素a和b兩種。其結構共同特點是結構中包括四個吡咯構成的卟啉環，四個吡咯與金屬鎂元素結合。葉綠素吸收大部分的紅光和紫光但反射綠光，所以葉綠素呈現綠色，它在光合作用的光吸收中起核心作用。葉綠素存在於葉片的葉綠體內的類囊體膜上。在葉綠體內，葉綠素可看成是嵌在蛋白質層和帶有一個位於葉綠素植醇鏈旁邊的類胡蘿蔔素脂類之間。當細胞死亡後，葉綠素即從葉綠體內遊離出來，遊離葉綠素很不穩定，光、酸、鹼、氧、氧化劑等都會使其分解
[1]
。葉綠素是植物進行光合作用時必須的催化劑。葉綠素a為藍黑色晶體，熔點150-153℃，葉綠素b為深色晶體，熔點120-130℃
[2]
。葉綠素a 和葉綠素b 均可溶於乙醇、乙醚和丙酮等溶劑，不溶於水，因此，可以用極性溶劑如丙酮、甲醇、乙醇、乙酸乙酯等提取葉綠素
[3]
。葉綠素具有抗癌、抑菌、抗氧化等作用，可用於醫療、食品、化妝品等行業。
- 中文名
- 葉綠素
- 外文名
- chlorophyll, chlorophyl
- 熔 點
- 120 至 153 ℃
- 水溶性
- 不溶於水
- 外 觀
- 在葉綠體中呈綠色
- 應 用
- 植物光合作用催化劑
- 分 類
- 葉綠素a、b、c和d，以及細菌葉綠素和綠菌屬葉綠素等
- 發現者
- 德國化學家韋爾斯泰特
葉綠素研究歷史
德國化學家韋爾斯泰特，在20世紀初，採用了當時最先進的色層分離法來提取綠葉中的物質。經過10年的艱苦努力，韋爾斯泰特用成噸的綠葉，終於捕捉到了葉中的神秘物質——葉綠素，正是因為葉綠素在植物體內所起到的奇特作用，才使我們人類得以生存。由於成功地提取了葉綠素，1915年，韋爾斯泰特榮獲了諾貝爾化學獎。
葉綠素分類
葉綠素名稱 | 存在場所 | 最大吸收光帶 |
葉綠素a | 所有綠色植物中 | 紅光和藍紫光 |
葉綠素b | 高等植物、綠藻、眼蟲藻、管藻 | 紅光和藍紫光 |
葉綠素c | 硅藻、甲藻、褐藻、鹿角藻、隱藻 | 紅光和藍紫光 |
葉綠素d | 紅藻、藍藻 | 紅光和藍紫光 |
葉綠素f | 細菌 | 非可見光（紅外波段） |
原葉綠素 | 黃化植物（幼苗期） | 近於紅光和藍紫光 |
細菌葉綠素 | 紫色細菌 | 紅光和藍紫光 |
葉綠素理化性質
葉綠素化學結構
葉綠素a
葉綠素分子是由兩部分組成的：核心部分是一個卟啉環(porphyrin ring)，其功能是光吸收；另一部分是一個很長的脂肪烴側鏈，稱為葉綠醇（phytol），葉綠素用這種側鏈插入到類囊體膜。與含鐵的血紅素基團不同的是，葉綠素卟啉環中含有一個鎂原子。葉綠素分子通過卟啉環中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。各種葉綠素之間的結構差別很小。如葉綠素a和b僅在吡咯環Ⅱ上的附加基團上有差異：前者是甲基，後者是甲醛基。細菌葉綠素和葉綠素a不同處也只在於卟啉環Ⅰ上的乙烯基換成酮基和環Ⅱ上的一對雙鍵被氫化。
葉綠素化學性質
葉綠素熒光儀
葉綠素分子含有一個卟啉環的“頭部”和一個葉綠醇的“尾巴”。鎂原子居於卟啉環的中央，偏向於帶正電荷，與其相聯的氮原子則偏向於帶負電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質結合。葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是一個親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性。葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原，而僅以電子傳遞（即電子得失引起的氧化還原）及共軛傳遞（直接能量傳遞）的方式參與能量的傳遞。
卟啉環中的鎂原子可被氫離子、銅離子、鋅離子所置換。用酸處理葉片，氫離子易進入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩定。人們常根據這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標本。 葉綠醇是親脂的脂肪族鏈，由於它的存在而決定了葉綠素分子的脂溶性，使之溶於丙酮、酒精、乙醚等有機溶劑中。由於在結構上的差別，葉綠素a呈藍綠色，b呈黃綠色。在光下易被氧化而退色。葉綠素是雙羧酸的酯，與鹼發生皂化反應。
葉綠素不是很穩定，光、酸、鹼、氧、氧化劑等都會使其分解。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去卟啉環中的鎂成為去鎂葉綠素。葉綠素溶液能進行部分類似光合作用的反應，在光下使某些化合物氧化或還原。人工製備的葉綠素膜在光下能產生光電位和光電流，也能催化某些氧化還原反應。
[4]
葉綠素熒光磷光現象
葉綠素的可見光波段的吸收光譜，在藍光和紅光處各有一顯著的吸收峯，吸收峯的位置和消光值的大小隨葉綠素種類不同而有所不同。葉綠素a最大的吸收光的波長在420-663nm，葉綠素b 的最大吸收波長範圍在460-645nm。當葉綠素分子位於葉綠體膜上時，由於葉綠素與膜蛋白的相互作用，會使光吸收的特性稍有改變。
葉綠素的熒光現象
熒光效應在植物生理學中有廣泛的應用。用這個效應可以研究植物的抗逆生理。因為在逆境下，植物的葉綠素會發生變換，研究其熒光，可以作為植物受逆境脅迫程度的指標。另外，還有一個磷光效應。就是當熒光出現後，立即中斷光源，用靈敏的光學儀器還可在短時間內看到微弱紅光，這就是磷光。
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葉綠素光合作用
光合作用是指綠色植物通過葉綠體，把光能用二氧化碳和水轉化成化學能，儲存在有機物中，並且釋放出氧的過程。光合作用的第一步是光能被葉綠素吸收並將葉綠素離子化。產生的化學能被暫時儲存在三磷酸腺苷（ATP）中，並最終將二氧化碳和水轉化為碳水化合物和氧氣。
1864年，德國科學家薩克斯做了這樣一個實驗：把綠色葉片放在暗處幾小時，目的是讓葉片中的營養物質消耗掉。然後把這個葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時間後，用碘蒸氣處理葉片，發現遮光的那一半葉片沒有發生顏色變化，曝光的那一半葉片則呈深藍色。這一實驗成功地證明了綠色葉片在光合作用中產生了澱粉。
1880年，德國科學家恩吉爾曼用水綿進行了光合作用的實驗：把載有水綿和好氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣並且是黑暗的環境裏，然後用極細的光束照射水綿。通過顯微鏡觀察發現，好氧細菌只集中在葉綠體被光束照射到的部位附近；如果上述臨時裝片完全暴露在光下，好氧細菌則集中在葉綠體所有受光部位的周圍。恩吉爾曼的實驗證明：氧是由葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。
將一片脱去澱粉的紫羅蘭葉片放在陽光下數小時之後用碘試劑檢測，可以發現只有葉片上綠色的區域變色而白色區域沒有，也就是説只有綠色區域有澱粉存在。這顯示了光合作用在缺乏葉綠素的情況下無法進行，葉綠素存在是光合作用的必要條件。
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葉綠素生物代謝
綠葉
葉綠素在活體內也和其他物質一樣處於不斷更新狀態。它被葉綠素酶分解，或經光氧化而漂白。深秋時許多樹種葉片呈美麗的紅色，就是因為這時葉綠素降解速度大於合成速度，含量下降，原來被葉綠素所掩蓋的類胡蘿蔔素、花色素的顏色顯示出來的緣故。葉綠素含N，Mg，類胡蘿蔔素不含N，Mg。
在植物衰老和儲藏過程中，酶能引起葉綠素的分解破壞。這種酶促變化可分為直接作用和間接作用兩類。直接以葉綠素為底物的只有葉綠素酶，催化葉綠素中植醇酯鍵水解而產生脱植醇葉綠素。脱鎂葉綠素也是它的底物，產物是水溶性的脱鎂脱植葉綠素，它是橄欖綠色的。葉綠素酶的最適温度為60-82℃，100℃時完全失活。起間接作用的有蛋白酶、酯酶、脂氧合酶、過氧化物酶、果膠酯酶等。蛋白酶和酯酶通過分解葉綠素蛋白質複合體，使葉綠素失去保護而更易遭到破壞。脂氧合酶和過氧化物酶可催化相應的底物氧化，其間產生的物質會引起葉綠素的氧化分解。果膠酯酶的作用是將果膠水解為果膠酸，從而提高了質子濃度，使葉綠素脱鎂而被破壞。
在活體綠色植物中，葉綠素既可發揮光合作用，又不會發生光分解。但在加工儲藏過程中，葉綠素經常會受到光和氧氣作用，被光解為一系列小分子物質而褪色。光解產物是乳酸、檸檬酸、琥珀酸、馬來酸以及少量丙氨酸。因此，正確選擇包裝材料和方法以及適當使用抗氧化劑，以防止光氧化褪色。
葉綠素提取分離
葉綠素提取
葉綠素提取的準備工作是在一個半暗的房間裏，室温保持在25℃。提取步驟如下：
(1) 取1000克新鮮的綠葉，在韋氏攪切器中粉碎。
(3) 將過濾後的丙酮提取液放到盛有1升石油醚和100mL丙酮的漏斗中，然後輕輕地旋轉，同時加放蒸餾水直到分層為止。水層的大部分丙酮和水溶雜質被丟棄，只剩石油醚溶液。
(5)用無水硫酸鈉對懸浮液進行乾燥，並將其滲入到3cm厚的蔗糖粉末製成柱中，然後用石油醚清洗沉澱的色素去掉類胡蘿蔔素，使之只含有天然的葉綠素。
(6) 含有天然葉綠素的蔗糖柱分兩層，綠層有4-10mm的葉綠素b層，另一藍層為2-6mm的葉綠素a層。
(7) 將位於藍層正中的部分（約佔藍層的一半）放入醚中，對此懸浮液進行過濾、洗提，用蒸餾水清洗，用硫酸鈉乾燥，再用器皿進行過濾後，得到葉綠素a。
(8) 將(6)中的綠層中間部分移出，迅速放入醚中過濾、洗提，製成葉綠素b醚溶液。
葉綠素分離
色譜法是一種很好的分離純化、鑑定有機化合物的重要方法，尤其是在微量分析中應用的更是廣泛。果蔬中色素主要包括脂溶性的胡蘿蔔素、葉黃素、葉綠素和水溶性的花青素。在提取實驗時，我們可以利用相似相溶的原理把水溶性的花青素濾掉，繼而可以利用薄層色譜、柱色譜、高效液相色譜對胡蘿蔔素、葉黃素和葉綠素進行分離，由於這三種色素的極性依次減弱，可以適當地選擇單一的有機溶劑或者不同配比的混合溶劑作為展開劑和洗脱劑，確定最佳的優化分離條件。
葉綠素測定方法
葉綠素提取液的吸收光譜表明：有兩個強吸收峯，分別在紅光區和藍紫區，不同提取溶劑和原料所得的葉綠素溶液的吸收光譜比較相似。葉綠素a、葉綠素b的紅區最大吸收峯分別在663nm、645nm附近，在藍紫區分別為429nm、453nm附近。由於提取溶劑和原料不同，對葉綠素提取液進行光譜掃描後，所得的最大吸收值可能有較小範圍的浮動。
高效液相色譜(HPLC)定量檢測葉綠素含量準確率較高，效果很好。用甲醇和丙酮作為流動相，體積比為80：20時，同時在流動相中加入質量分數為0.1%的冰醋酸，流速為1.0mL/min。利用每一種色素的色譜峯面積進行定量，葉綠素a、葉綠素b的定量可通過外標法由工作曲線求得。
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葉綠素穩定性影響因子
葉綠素光
在活體植物中，葉綠素得到了很好的保護，既可以發揮光合作用，又不會發生降解。但離體葉綠素對光照很敏感，光和氧氣作用可導致葉綠素不可逆的分解。在自然條件或以膠態分子團存在的水溶液中，葉綠素在有氧的條件下，可進行光氧化而產生自由基，因此一些研究人員認為葉綠素的光氧化降解必需有氧分子參與，而且其降解速率隨氧分子濃度的升高而加快。單線態氧和羥基自由基是葉綠素光化學反應的活性中間體，可與葉綠素吡咯鏈作用而進一步產生過氧自由基和其他自由基，最終可導致卟啉環和吡咯鏈的分解既而造成顏色的褪去。當然影響光氧化的因素有很多，比如體系中的水分、温度、光照時間、光照強度、光的波長範圍等等，在這些影響因素中主要有光照時間、光照強度、光的波長範圍、氧的濃度。目前在此方面的研究主要集中在自然光（複合光）對色素的影響，而且大多數研究不是很深人。對於單色光（不同波段的光）對葉綠素穩定性的影響研究方面的報道卻較少。
葉綠素葉綠素酶
已有研究表明，葉綠素酶是一種糖蛋白。葉綠素酶催化葉綠素結構中的植醇鍵而水解生成脱植葉綠素，是葉綠素降解中的關鍵酶。葉綠素酶是以葉綠素作為底物的，它是一種酯酶。脱鎂葉綠素也是葉綠素酶的底物，酶促反應的產物是脱鎂脱植葉綠素。葉綠素酶的最適反應温度在60～80℃範圍，實驗證明，葉綠素酶在80℃以上其活性下降，100℃時已完全失活。
葉綠素温度
一些研究表明，葉綠素提取液在不同受熱温度下，其降解速率曲線有明顯的拐點，葉綠素在80℃以下，降解速度較慢，90℃以上降解速度急劇加快。總體而言，隨着温度的升高，葉綠素降解的速率是逐漸加快的，只是較低的温度下降解速率不明顯。
葉綠素pH值
體系的pH值是影響葉綠素穩定性的一個重要因子，葉綠素在中性和弱酸弱鹼性條件下較穩定，相關研究表明：pH值在6～11之間葉綠素的保存率高達90%。但當體系的pH值下降到4時，葉綠素脱鎂反應的速度比較明顯，且隨着酸性的增強，破壞性越大。
葉綠素氧氣
大多數文獻報道，葉綠素降解速率與氧氣濃度呈正相關，也就是説隨着氧氣濃度的增大，整個提取液的體系褪綠現象越嚴重，即葉綠素的保存率越低。
葉綠素金屬離子
在酸性條件下，葉綠素分子卟啉環中的鎂離子可被氫離子取代，生成黃褐色的脱鎂葉綠素，脱鎂葉綠素分子中的氫離子又可被其他金屬離子如：銅、鋅、鈣離子取代，而生成相應的葉綠素金屬離子絡合物而恢復為綠色。實驗表明，這種絡合物對酸、光、氧、熱等穩定性大大提高了，這些離子均能使葉綠素保存率提高，使葉綠素能夠較長時間的保存，而且銅離子的效果優於鋅離子。儘管葉綠素銅絡合物的色澤及其穩定性比鋅絡合物的好，但銅離子屬於重金屬離子，毒害性較大，所以應該對其含量進行嚴格控制；而鋅是人體必需的微量元素，因此，在綠色果蔬加工過程中，採用鋅離子取代葉綠素分子中的鎂離子，形成較穩定的葉綠素鋅絡合物，目前已經得到了產業化應用。
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葉綠素作用價值
葉綠素具有抗氧化、抗突變、抗炎症、抑制癌細胞、清除重金屬污染、減輕黃麴黴毒素致癌效果等作用。
預防DNA的氧化損傷作用，並通過螯合各種促氧化金屬離子而抑制脂質氧化。
在體外研究中，葉綠素可抑制胰腺癌細胞；在動物研究中，給高脂膳食造成的肥胖小鼠灌喂菠菜葉綠素提取物，可以減輕內毒素血癥，降低多個炎症反應指標。
20世紀90年代，人們發現葉綠素及其衍生物可以抑制多種化學致癌物的致突變作用。在黃麴黴毒素污染地區的人體研究中發現，應用葉綠酸或富含葉綠素的食物進行預防干預，可以降低體內黃麴黴毒素代謝物的水平，可能有利於降低黃麴黴毒素污染帶來的肝癌風險。
血紅素有催化脂質氧化的作用，因此吃得過多時會促進細胞過度增殖，產生細胞毒性。食用含有大量葉綠素的食物，葉綠素會替代血紅素，保護人體不被過多的血紅素危害。
葉綠素呈現黑綠至深綠色油狀物，可溶於乙醚和丙酮等有機溶劑，微溶於醇，受光、熱或遇酸易褪色，因而需用銅、鐵或鈷來置換葉綠素中的鎂，以使葉綠素保持穩定狀態。用葉綠素作食品色素可靠性和安全性高。
葉綠素有顯著的脱臭作用。可用於口臭、腋臭、腳臭的治療，用作食品和香煙的脱臭劑。
葉綠素在治療潰瘍、增進腸蠕動緩解便秘、抗癌和降低膽固醇等方面有明顯作用。
葉綠素還具有抗過敏的作用。口服銅葉綠酸鈉對慢性蕁麻疹、慢性濕疹、氣喘和凍瘡等疾病有一定效果。
- 參考資料
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- 1. 丁芳林編．食品化學 第2版：華中科技大學電子音像出版社，2017.01：170
- 2. 張學銘等編．化學小辭典．北京：科學技術文獻出版社，1984.10：77
- 3. 陳敏．食品化學：中國林業出版社，2008年
- 4. 葉綠素研究進展 ．中國知網[引用日期2017-04-24]
- 5. 乾旱脅迫對黃瓜幼苗葉綠素含量和光合特性的影響 ．中國知網[引用日期2017-04-24]
- 6. 葉綠素熒光動力學參數的意義及實例辨析 ．中國知網[引用日期2017-04-24]
- 7. 葉綠素的光學性質及其應用 ．中國知網[引用日期2017-04-24]
- 8. 高等植物葉綠素生物合成的研究進展 ．中國知網[引用日期2017-04-24]
- 9. 美味健康的葉綠素 ．湖南省市場監督管理局[引用日期2023-11-10]
- 10. 曹佔泉,健康長壽指南,陝西人民出版社,1998.09,第218頁
- 11. 曹佔泉,健康長壽指南,陝西人民出版社,1998.09,第219頁
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