紫薯中花色苷及色素抗氧化性能的密度泛函理論研究

公維娟，馬秀秀

(齊魯理工學院 化學與生物工程學院，山東 濟南 250200)

花色素是一種水溶性色素，基本結(jié)構(gòu)單元為2-苯基苯并吡喃陽離子，又稱為類黃酮類化合物，其化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易與糖結(jié)合成為花色苷[1-2]。研究表明，花色素及其不同糖苷具有抗氧化、抗突變、保護肝臟、預防心血管疾病等作用[3-6]，是一種具有保健作用的色素，在食品、化妝品等行業(yè)中被廣泛應用[7]。紫薯屬旋花科草本植物，含有豐富的花色苷。陳文等，利用了LC-MS/MS方法來分離了紫薯中存在的花色苷，并且鑒定了花色苷的含量，結(jié)論顯示紫薯中含量最大的兩類花色苷分別是芍藥類和矢車菊類[8]，但對其抗氧化活性的強弱和機制報道較少。量子化學對于一些物質(zhì)化學現(xiàn)象的微觀本質(zhì)的正確解釋，可以很好的預測物質(zhì)抗氧化活性強弱。基于以上研究，本文選取了紫薯中存在的兩種花色苷和花色素：芍藥-3-葡萄糖苷，矢車菊-3-葡萄糖苷，芍藥色素，矢車菊色素(見圖1)，運用密度泛函理論方法，從分子幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)、羥基解離能、前線軌道能級三個方面，對紫薯中兩種花色苷和兩種花色素的抗氧化活性進行了理論評價。

圖1 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素的結(jié)構(gòu)式

1 計算方法

密度泛函理論以其精度高且計算速度快的顯著性優(yōu)勢被廣泛應用于大分子的計算[9-10]。本文選用Gaussian 09W作為計算軟件，采用混合函數(shù)[11]及Lee，Yang和Parr相關函數(shù)[12]B3LYP方法在6-31G(d)基組水平上對紫薯中芍藥色素和矢車菊色素及其糖苷進行了優(yōu)化計算，基于四種化合物酚羥基的O-H鍵長、BDE、HOMO和LUMO的能級及結(jié)構(gòu)、△E(LUMO-HOMO)等量子化學參數(shù)，詳細分析了兩種花色素及其糖苷的抗氧化活性規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 分子的幾何構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)

用B3LYP/6-31G(d)方法優(yōu)化后的矢車菊色素、芍藥色素、矢車菊-3-葡萄糖苷、芍藥-3-葡萄糖苷的分子幾何結(jié)構(gòu)見圖2，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素的最優(yōu)結(jié)構(gòu)式 表1 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(鍵長(?)二面角(°)

由圖2可以看出矢車菊-3-葡萄糖苷與芍藥-3-葡萄糖苷分子、矢車菊色素與芍藥色素分子的取代基除了C5'位置上不同之外，其他位置的取代基數(shù)目和種類別無二致，因此可將其兩兩一組進行比較。按照分子價鍵理論可知：化學鍵鍵長越長，鍵能越小，化學鍵越容易斷裂，化學性質(zhì)就顯得越活潑。

從表1可知芍藥-3-葡萄糖苷和芍藥色素均是C4'位置的酚羥基鍵長最大，鍵強度最弱，此處酚羥基氫原子最容易失去，抗氧化活性最強。而矢車菊-3-葡萄糖苷和矢車菊色素則是C5'位置的酚羥基鍵長最大，結(jié)合圖2可知，形成原因是矢車菊-3-葡萄糖苷和矢車菊色素在C4'位置酚羥基O與C5'位置酚羥基H形成了分子內(nèi)氫鍵，拉長了C5'位置酚羥基鍵長，但減弱了C5'位置酚羥基的活潑性，因此抗氧化活性也是C4'位置的酚羥基最強。兩種色素的C3、C5和C7位酚羥基與兩種花色苷的C5和C7位酚羥基鍵長并無明顯差別，都有一定的抗氧化活性。

分析同種色素和C3位葡萄糖苷的酚羥基鍵長可知，不論是芍藥色素還是矢車菊色素，均是色素酚羥基鍵長長于對應位糖苷的鍵長，色素的抗氧化活性要優(yōu)于糖苷的抗氧化活性。從圖2的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和表1二面角參數(shù)可以觀察到，矢車菊色素與芍藥色素的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)均近似于平面結(jié)構(gòu)，有利于電子離域。但是矢車菊-3-葡萄糖苷與芍藥-3-葡萄糖苷C環(huán)與B環(huán)存在20°～40°左右的二面角，不是共軛的平面結(jié)構(gòu)，因此花色苷的抗氧化活性較弱。

2.2 前線軌道能量分析

福井謙一提出的前線分子軌道理論在學術界中得到了不少人的認可，他以科學地方式有效地指出了分子最高占據(jù)軌道(HOMO)和分子最低空軌道(LUMO)彼此間存在的相互作用[13]。在發(fā)生化學反應時，HOMO的能量越高，該軌道中的電子越不穩(wěn)定，給出電子越容易；LUMO的能量越低，該軌道越容易接受電子；△E(LUMO-HOMO)作為兩軌道的能級差，反映了電子從HOMO向LUMO躍遷所需要的能量，差值越大，反應越難發(fā)生。四種化合物的前線軌道結(jié)構(gòu)圖和軌道能級的相關數(shù)據(jù)分別列于圖3和表2。

圖3 兩種花色苷和兩種花青素的前線軌道結(jié)構(gòu)圖

表2 四種化合物的最高占據(jù)軌道能級和 最低空軌道能級及其能級差(a.u.)

通過圖3我們能夠較為直觀的看到參與反應的軌道分布情況，四種化合物分子的HOMO和LUMO主要集中在苯環(huán)、C-O及酚羥基上，是離域的共軛軌道，而糖苷上的原子對前線軌道沒有貢獻，因此糖苷上的羥基不具備抗氧化活性，這一點在其他研究中也有體現(xiàn)[14]。因此在表1中分析鍵長數(shù)據(jù)時沒有把糖苷上的羥基鍵長列入。

從表2中可以看出，兩種花色素的△E(LUMO-HOMO)均小于對應的花色苷的△E(LUMO-HOMO)，花色素的活性更強，與前面鍵長數(shù)據(jù)相一致。矢車菊-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)小于芍藥-3-葡萄糖苷的△E(LUMO-HOMO)，矢車菊色素的△E(LUMO-HOMO)同樣小于芍藥色素的△E(LUMO-HOMO)，因此不論是花色素還是花色苷，均是矢車菊類的抗氧化活性較強，分析其分子結(jié)構(gòu)可知，矢車菊類的C5'位為酚羥基，而芍藥類的C5'位為甲氧基，兩者結(jié)構(gòu)的不同，導致了酚羥基數(shù)目不同，數(shù)目越多，活性越強，因此矢車菊類的活性較高，這與其他文獻的結(jié)論相一致[15]。因此四種化合物的活潑性為：矢車菊色素>芍藥色素>矢車菊-3-葡萄糖苷>芍藥-3-葡萄糖苷。

2.3 酚羥基解離能BDE

研究表明，黃酮類化合物具有抗氧化能力的機理其實是氫原子轉(zhuǎn)移機制。解離能(BDE)的高低決定了其抗氧化能力的效果，氧氫鍵中的鍵離能越低，其去氫反應更容易發(fā)生，抗氧化能力越強[16]。酚羥基的解離能可以通過下述公式來計算：BDE=Ep+EH-Er ，其中Ep、EH、Er分別代表了相關自由基的能量、氫原子的能量和四個化合物分子的能量。

表3 紫薯中兩種花色苷和兩種花青素不同位置酚羥基解離能BDE(a.u.)

由表3中的數(shù)據(jù)可知，四種化合物均是C4'位BDE值最小，C4'是起抗氧化作用的活性位點，這與前文中鍵長數(shù)據(jù)的結(jié)論相一致。A環(huán)上的C5位BDE值小于C7位，C5位比C7位活性稍強。兩種花色素中，矢車菊色素BDE<芍藥色素BDE，抗氧化能力矢車菊色素>芍藥色素；矢車菊色素-3-葡萄糖苷BDE<芍藥色素-3-葡萄糖苷BDE，抗氧化能力矢車菊色素-3-葡萄糖苷>芍藥色素-3-葡萄糖苷，這與前線軌道的分析結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

結(jié)合四種化合物優(yōu)化后的分子幾何構(gòu)型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、前線軌道、羥基解離能的分析， C4'位酚羥基抗氧化能力最強，是清除自由基反應的最大活性位點，其它位酚羥基也都具有一定的抗氧化能力，且C5位活性略高于C7位；矢車菊色素抗氧化活性大于芍藥色素，矢車菊色素-3-葡萄糖苷抗氧化活性大于芍藥色素-3-葡萄糖苷；C3位糖苷上的酚羥基不具有抗氧化性能，因此總體上花色素抗氧化性能要優(yōu)于花色苷。