全 文 ：6 2014, Vol.35, No.11 食品科学 ※基础研究
热风干燥过程中榆叶叶黄素的降解动力学
樊金玲1，胡云霞1，张金迪1，吴 佳1，孙晓菲1，朱文学1，黄印冉2
（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003；2.河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061）
摘  要：目的：研究热风干燥过程中榆叶叶黄素的降解动力学。方法：采用高效液相色谱法测定榆叶中叶黄素的含
量，对叶黄素降解过程进行反应动力学方程拟合，求解降解动力学参数。结果：新鲜榆叶中叶黄素含量较高，为
（397.5±27.5）μg/g鲜质量（（1.414±0.105）mg/g干质量）。当风速为0.5 m/s，干燥温度为50、60、70 ℃时，榆
叶中叶黄素的热降解符合一级反应动力学模型，半衰期分别为4.5、3.2、2.8 h；温度升高，降解反应速率增大；降
解反应速率常数与干燥温度的关系符合Arrhenius公式，反应活化能为21.23 kJ/mol。结论：热风干燥榆叶时，采用
较低的干燥温度有利于提高叶黄素保留率。
关键词：榆叶；叶黄素；高效液相色谱法；降解动力学
Degradation Kinetics of Lutein in Elm Leaves during Hot Air Drying Process
FAN Jin-ling1, HU Yun-xia1, ZHANG Jin-di1, WU Jia1, SUN Xiao-fei1, ZHU Wen-xue1, HUANG Yin-ran2
(1. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;
2. Hebei Province Forestry Academy of Science, Shijiazhuang 050061, China)
Abstract: Purpose: This study aimed to determine the degradation kinetics of lutein in elm leaves during hot air drying
process at different drying temperatures. Methods: The content of lutein in elm leaves was determined by high performance
liquid chromatography (HPLC). The process of lutein degradation was fitted with a reaction kinetic equation and the
degradation kinetic parameters were resolved. Results: The content of lutein in elm leaves was (397.5 ± 27.5) μg/g fresh
weight (FW) or (1.414 ± 0.105) mg/g dry weight (DW). Analysis of kinetic data suggested a first-order reaction for the
degradation of lutein in elm leaves with the half-lives of 4.5, 3.2 and 2.8 h at 50, 60 and 70 ℃, respectively. Increasing
temperatures from 50 to 70 ℃ enhanced the degradation of lutein during drying process. The temperature-dependent
degradation was adequately modeled on the Arrhenius equation. The activation energy value for the degradation of lutein in
elm leaves was 21.23 kJ/mol. Conclusion：Hot-air dried elm leaves at lower temperature can retain higher levels of lutein.
Key words: elm leaves; lutein; high performance liquid chromatography; degradation kinetics
中图分类号：O656.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）11-0006-05
doi:10.7506/spkx1002-6630-201411002
收稿日期：2013-06-30
基金项目：国家自然科学基金面上项目（31171723）
作者简介：樊金玲（1973—），女，教授，博士，研究方向为天然产物化学。E-mail：fanjinling@haust.edu.cn
叶黄素是一种含氧类胡萝卜素，英文习惯名为
Lutein，结构式见图1。叶黄素具有多种生理活性，能抵
御游离基在人体内造成的细胞与器官损伤，有效预防白
内障、动脉硬化、增强免疫力，特别在预防癌变发生，
延缓癌症发展等方面具有重要作用[1-9]。美国食品与药品
管理局早在1995年已批准叶黄素作为食品补充剂。我国
卫生部公告（2007年第8号）称，叶黄素属于营养强化
剂，可使用于婴儿配方食品、较大婴儿和幼儿配方食品
和学龄前儿童配方食品，2008年卫生部批准叶黄素酯为
新功能食品原料。然而，叶黄素在食用蔬菜、水果中含
量较少；例如，羽衣甘蓝和菠菜是食物中叶黄素含量较高
的蔬菜品种，其叶黄素含量仅分别为0.317 25 mg/g干质量
和0.179 mg/g干质量[10-12]。另一方面，叶黄素的稳定性
较差，易受温度、光照、氧气、酸、碱等影响而发生降
解，使其开发利用受到一定限制[13-19]。
OH
HO
H
图 1 叶黄素结构式
Fig.1 Structure of lutein
榆树（Ulmus pumila L.）又名白榆、家榆，为榆
科榆属植物，广泛分布于东北、华北、西北及西南各省
区[20]。榆叶在我国有悠久的药用和食用历史，如《本草
纲目》中记载：“榆叶暴干为末，淡盐水拌，或炙或晒
※基础研究 食品科学 2014, Vol.35, No.11 7
干，拌菜食之，亦辛滑下水气”；我国民间也素有榆
叶鲜食、拌面蒸制等食用历史。现代医学研究表明白
榆具有较强的抗氧化、抗菌、抗炎、抑制前列腺增生
等功能[21-24]。
本实验室的前期研究结果表明：榆叶中含有丰富的
类胡萝卜素类物质。本实验在此基础上，采用高效液相
色谱法进一步分析了榆叶中的叶黄素含量，着重探讨了
榆叶中叶黄素在常见加工方式——热风干燥过程中的降
解规律，建立了可有效预测榆叶中叶黄素降解的动力学
模型，为榆叶的深加工利用提供了理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
榆叶，榆树品种为白榆，采摘时间2011年6月，由河
北省林业科学研究院提供。
正己烷（分析纯）、甲醇（色谱纯） 天津市
德恩化学试剂有限公司；叶黄素（纯度95%） 北
京华迈科生物技术有限公司；高效液相色谱（h i g h
performance liquid chromatography，HPLC）用水为实
验室自制超纯水。
1.2 仪器与设备
DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海雷韵试验
仪器制造有限公司；AVM05型风速仪 上海双旭电子
有限公司；Agilent 1260高效液相色谱仪 美国安捷伦
公司；旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；超声波清洗
仪 上海生源超声波仪器设备有限公司。
1.3 方法
1.3.1 含水率的测定
取新鲜榆叶片洗净，擦干。置于表面皿中放入
105 ℃烘箱中烘干至恒质量；计算新鲜榆叶的含水率。
1.3.2 榆叶热风干燥实验
采摘新鲜健康榆叶，称取18 份，每份5 g。将榆叶
单层平铺在已编好号的物料盘内后，放入干燥箱内，
设定风速、风温进行干燥。干燥过程中，每1 h取出3 份
样品，迅速称质量，记为m1,i，按式（1）计算物料含水
率，取平均值。将物料用组织粉碎机粉碎，精密称取式
（2）计算出来的质量m2,i于试管中，密封好后，放入冰
箱；该批次干燥实验结束后，将冰箱中的样品进行真
空冷冻干燥。然后进行叶黄素提取及含量测定，取平
均值。按上述方法依次进行 50、60、70 ℃（风速均为
0.5 m/s）条件下的干燥实验。
干燥不同时间取出物料的含水率为：
Xi˙ m1,i˄1ˇX˅ ˉ1
5
（1）
式中：Xi为第i次从干燥箱中取出物料的含水率（干基）；
X为新鲜榆叶的含水率（干基）；m1,i为第i次从干燥箱中
取出物料的质量/g。
若对应取出0.05 g绝干榆叶用于叶黄素的检测，每次
取出物料粉碎后，用于叶黄素含量测定的样品质量为：
m2,i˙0.05h˄1ˇXi˅ （2）
式中：m2,i为第i次从干燥箱中取出的物料中用于叶黄
素含量测定的样品质量，其绝干物料质量为0.05 g。
1.3.3 榆叶叶黄素的提取
称取榆叶样品置于研钵内，每次加入10 mL正己烷，
反复提取至无色，合并提取液，旋转蒸发至干，复溶于
20 mL甲醇中，2 000 r/min离心，取上层清液，备用。
1.3.4 榆叶叶黄素的含量测定
采用高效液相色谱外标法定量测定待测样品液中的
叶黄素含量。
HPLC条件：色谱柱：ZORBAX SB-C18；柱温：
25 ℃；流速：1 mL/min；进样量：5 μL；流动相A：
甲醇，流动相B：水。线性梯度洗脱：0～5 m i n，
75%A；5～10 min，75%～95%A；10～17 min，
95%A；17～30 min，95%～100%A。检测器波长范围：
260～600 nm；检测波长：450 nm。
标准曲线制作：精密称取叶黄素标准品2.5 mg，用
冰丙酮溶解并定容于25 mL棕色容量瓶中，得到叶黄素
标准品储备液（100 μg/mL）。将储备液分别稀释为以
下一系列质量浓度标准品使用液：1、2、4、10、20、
40、100 μg/mL，进行HPLC检测。以峰面积为纵坐标，
以溶液质量浓度为横坐标，进行线性回归，得到标准曲
线方程。
样品叶黄素含量测定：取榆叶叶黄素提取液，过
0.45 μm滤膜，进行HPLC分析。通过标准曲线测得样品
叶黄素质量，并计算榆叶中叶黄素含量。
2 结果与分析
2.1 高效液相色谱法定量分析榆叶中叶黄素含量
0
ˉ5051015
5 10 15
16
.8
56
17
.7
43
24
.7
58
27
.0
45
20 25
22.564˄ ਦ哴㍐˅ᰦ䰤/minmAU
图 2 叶黄素标准品的HPLC图（450 nm）
Fig.2 HPLC chromatogram of lutein recorded at 450 nm
利用高效液相色谱分析、外标法测定了榆叶中叶黄
素含量。叶黄素标准品的高效液相色谱图如图2所示。叶
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黄素峰面积与质量浓度在1～100 μg/mL范围内线性关系
良好，线性回归方程为y=28.479x＋31.75，相关系数达到
0.999；此方程可以用于叶黄素峰面积与质量浓度之间的
定量分析与计算。
0
0
20
10
30
40
50
5 10 15
5.
61
0
9.
01
6
11
.7
04 12
.8
86
14
.2
37
15
.2
80
18
.5
47
17
.7
00
26
.6
08
27
.0
02
20 25ᰦ䰤/minmAU 22.463 ˄ਦ哴㍐˅
图 3 榆叶叶黄素提取物的HPLC图（450 nm）
Fig.3 HPLC chromatogram of lutein extracted from elm leaves
recorded at 450 nm
榆树叶正己烷提取液的HPLC色谱图如图3所示。经计
算，新鲜榆叶中的叶黄素含量为（397.5±27.5）μg/g鲜质
量（（1.414±0.105）mg/g干质量）。叶黄素虽然广泛存
在于高等植物中，但在食用蔬菜、水果中含量较少。羽衣
甘蓝和菠菜是食物中叶黄素含量较高的蔬菜品种，其叶黄
素含量分别为0.317 mg/g干质量和0.179 mg/g干质量[10-12]；
万寿菊是目前工业提取叶黄素的主要原料，其叶黄素含量
约为1.70 mg/g干质量。本研究测得榆叶中的叶黄素含量约
为羽衣甘蓝的4.5 倍，菠菜的7.9 倍，接近万寿菊中的叶黄
素含量。鉴于榆叶可食、可入药，且叶黄素含量较高，因
此可以考虑开发明目食品、保健品等为人们利用。
2.2 榆叶热风干燥过程中叶黄素降解动力学
0
0
20
60
40
80
100
120
1 2 3 4 5ᰦ䰤/h؍⮉⦷/% 50 ć 60 ć 70 ć
图 4 热风干燥过程中榆叶叶黄素保留率的变化
Fig.4 Changes in lutein retention during hot air drying process
0
0.0
0.2
0.4
0.8
0.6
1.0
1.2
1.4
1 2 3 4 5ᰦ䰤/hˉln ˄C t/C 0˅ 50 ć 60 ć 70 ć
图 5 热风干燥过程中榆叶叶黄素降解动力学
Fig.5 Degradation kinetics of lutein in elm leaves during hot air drying process
当风速0.5 m/s时，不同温度热风干燥过程中榆叶叶黄素
的保留率随时间的变化如图4所示。同一温度下，随着热风
干燥时间的延长，榆叶中叶黄素的含量下降；温度越高，叶
黄素降解越快。干燥温度为50、60、70 ℃，干燥时间2 h时，
榆叶中叶黄素的保留率分别为75.84%、68.55%和66.23%。
将干燥t 小时后的榆叶叶黄素含量Ct和新鲜榆叶叶黄
素含量C0的比值取对数后与时间作图，结果见图5，不同
干燥温度条件下，－ln（Ct/C0）与时间呈良好的线性关
系，相关系数均＞0.97（表1），表明榆叶中叶黄素降解
符合一级反应动力学。
按式（3）～（5）计算动力学参数k、t1/2和D值，计
算结果见表1。
ln˄Ct / C0˅˙ˉkt （3）
t1/2˙ˉln0.5hkˉ1 （4）
D˙ln10hkˉ1 （5）
式中：C0为新鲜榆叶中叶黄素的含量/（mg/g）；Ct为
一定温度条件下干燥t小时后榆叶中叶黄素含量/（mg/g）；
k为一级反应常数/h-1；t1/2为半衰期，即叶黄素降解50%所
需时间/h；D为叶黄素降解90%所需时间/h。
表 1 不同温度下榆叶热风干燥过程中叶黄素的降解参数
Table 1 Degradation parameters for lutein in elm leaves at different
temperatures during hot drying process
T/℃ k/h-1 t1/2/h D/h Z/℃
Q10 Ea /（kJ/mol）50～60 ℃ 60～70 ℃
50 0.155 2（0.975 9） 4.5 14.8 94.6 1.39 1.14 21.23（0.95）
60 0.215 2（0.990 2） 3.2 10.7
70 0.245 7（0.985 2） 2.8 9.4
注：k 为一级动力学参数（相关系数 R2）；t1/2 为半衰期，叶黄素降解
50% 所需时间；D 为叶黄素降解 90% 所需时间；Z 为半衰期（t1/2）变化
10 倍所需的温度变化；Q10 为温度系数，表示温度每升高 10 ℃，反应速
率增大的比例数；Ea 为反应活化能。
榆叶中叶黄素在干燥过程中随温度的变化由反应活
化能（Ea）、温度系数（Q10）以及Z值来确定。可分别按
式（6）～（8）计算，计算结果见表1。
k=k0e
ˉEa /RT （6）
式中：k为一级反应速率常数/h-1；k0为频率常数；
Ea为反应活化能/（kJ/mol）；T为温度/K；R为气体常数/
（J/（mol·K））。
式（6）（Arrhenius方程）两边同时取对数，由式
（3）可得不同温度（T）下降解反应常数（k），以lnk对
1/T作线性回归，直线斜率为－Ea/R，截距为lnk0，由直线
的斜率即可求出反应活化能Ea。
Q10＝˄k1/k2˅10/˄T1ˉT2˅ （7）
式中：Q10为温度系数，表示温度每升高10 ℃，反应
速率增大的比例数。k1和k2分别为温度T1和T2时的一级反
应速率常数。
※基础研究 食品科学 2014, Vol.35, No.11 9
T＝ˉZlgt1/2ˇb （8）
式中：Z为半衰期（t1/2）变化10 倍所需的温度变化/℃；
b为常数。以T对lgt1/2作线性回归，由直线的斜率可得
到Z值。
由表1可知，随着干燥温度的升高，榆叶叶黄素降解
速率常数k增大，半衰期t1/2和D值相应减小。榆叶干燥过程
中叶黄素降解的反应速率常数（k）与温度（T）的关系符
合Arrhenius方程，反应活化能为21.23 kJ/mol（R2=0.95）。
在多数研究中（包括多种真实的食品体系和模拟体
系），叶黄素热降解符合一级动力学模型，如Aparicio-
Ruiz等[25]对初榨橄榄油、Henry等[26]对红花油加热过程中
叶黄素的降解研究。但也有研究者报道了叶黄素热降解符
合多级动力学模型，如Hadjal等[27]的研究表明在两种不同
pH值的水溶性模型体系中叶黄素的热降解符合二级动力学
（热处理温度45、60、75、90 ℃）；Achir等[28]的研究表
明在棕榈油精和Vegetaline®（一种煎炸用商品油）中叶黄素
的热降解更适宜用二级反应动力学模型来描述（热处理温
度120、140、160、180 ℃）。除反应级数外，叶黄素热降
解过程的动力学、热力学参数也因所处基质、热处理方式
及条件等不同而异。如Aparicio-Ruiz[25]、Henry等[26]报道了
由采收季节不同的橄榄为原料榨取的初榨橄榄油中，叶
黄素的热降解反应活化能为68.1～75.1 kJ/mol，Achir等[28]
则报道了叶黄素在棕榈油精和Vegetaline®中叶黄素降解
的活化能分别为112、75 kJ/mol。
本研究表明热风干燥过程中榆叶中叶黄素降解符合
一级反应动力学，反应速率常数为0.155 2～0.245 7 h-1，
反应活化能为21.23 kJ/mol，D值9.4～14.8 h。测定结果接
近南瓜汁[29]和番木瓜汁[30]中总类胡萝卜素降解的动力学
参数。
热风干燥过程中叶黄素的损失可能由于异构化和氧
化反应引起。热处理可引起叶黄素的异构化反应，9-顺
式和13-顺式叶黄素是主要的顺式产物[25,31]。迄今为止，
在有氧条件下伴随异构化反应同时发生的氧化反应被认
为是叶黄素损失的主要原因。加热过程中叶黄素氧化
首先生成环氧衍生物，环氧衍生物可进一步发生裂解反
应，因裂解位点不同而生成相应的醛和酮及一些挥发性
强的短链裂解产物；短链裂解产物也可由叶黄素直接氧
化裂解产生。Boon等[32]对类胡萝卜素包括叶黄素的降解
机制做了较详尽的论述。
3 结 论
榆叶中叶黄素含量为（397.5±27.5）μg/g鲜质量
（（1.414±0.105）mg/g干质量）。风速0.5 m/s，温度
50、60、70 ℃条件下进行热风干燥过程中，榆树叶中
叶黄素的降解符合一级反应动力学模型；提高干燥温
度，叶黄素降解反应速率增大，半衰期分别为4.5、3.2、
2.8 h；降解反应速率常数与干燥温度的关系符合Arrhenius
公式（相关系数0.95），反应活化能为21.23 kJ/mol。
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