除了已知的各种必需营养素以外，食物中还存在多种多样的其他物质，这些营养素以外的物质对人类健康的关系越来越密切，受到越来越多的关注。这些物质大多来自植物性食物，很多物质泛称为植物化学物质。常见的植物化学物质包括萜类化合物、有机硫化合物、酚和多酚类化合物等。本章主要讨论与婴幼儿营养较为密切的类胡萝卜素，后者也属于萜类化合物。

类胡萝卜素是从自然界中发现的一组非极性的、含40碳的多聚异戊烯化合物，具有与维生素A类似的化学结构，是一类广泛存在于自然界的植物色素。目前已知自然界中存在的类胡萝卜素大约有600种，人类通过食物摄取的只有40多种，而人体内可检测发现的也就20种左右。人类膳食、血液和组织中存在量比较大的、可以容易检测到的类胡萝卜素主要有6种：β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、β-隐黄素、叶黄素、玉米黄素、番茄红素。

类胡萝卜素的分类通常采用2个方法：第一种分类方法是按照类胡萝卜素是否可以转化为维生素A，分为维生素A原类胡萝卜素和非维生素A原类胡萝卜素。第二种分类方法是按照类胡萝卜素的结构特征和极性大小进行分类，含氧类胡萝卜素被称为叶黄素类，而不含氧、只有碳氢组成的类胡萝卜素称为胡萝卜素类。

类胡萝卜素的分子结构中含有多个共轭双键。这些双键可以有效地清除自由基（从而使类胡萝卜素发挥抗氧化剂作用），同时可以吸收可见光。对部分可见光的吸收也使他们各自呈现不同的颜色。双键数目的差别导致类胡萝卜素的颜色可以从无色（共轭双键数目不足）一直到鲜红色。也正是这种不饱和的分子结构，使得类胡萝卜素极易被氧、光和热所破坏。部分常见的类胡萝卜素的分类和性状特征见表3-3-1。

类胡萝卜素是植物化学物质中的重要成员。在植物中，类胡萝卜素是光合作用的捕光复合物的组成成分。类胡萝卜素也可见于细菌、酵母、真菌、鸟的羽毛和甲壳类动物中。但是，哺乳动物体内不能合成类胡萝卜素，需要从膳食中获得。对人体有意义的类胡萝卜素主要来自植物性食物，人体主要通过日常的蔬菜、水果摄取类胡萝卜素。类胡萝卜素的生物学功能主要有生成维生素A、细胞间信息传递、调节免疫反应、抗氧化等。许多流行病学研究表明，增加蔬菜和水果的消费量能降低多种慢性疾病的发病危险，蔬菜、水果摄入量与心血管疾病、肿瘤、糖尿病以及其他疾病呈负相关。目前尚未完全明确植物性食物中哪些植物化学物质发挥了健康作用，但类胡萝卜素在近年来日益受到关注。

β-胡萝卜素（β-carotene）是类胡萝卜素中的一个组分，是一种不含氧的、只有碳氢组成的非极性的多聚异戊烯化合物。它是类胡萝卜素中最为突出的一个成分，原因在于它是最早被认识的类胡萝卜素组分；它几乎是人体内含量高的类胡萝卜素组分；它在食物中的分布最广、含量最丰富，特别是在蔬菜、水果中最突出，几乎所有的蔬菜、水果或多或少都有其踪迹；此外，它也是类胡萝卜素组分中维生素A原活性最强的一种。

1831年，德国化学家Wackenroder HWF（1789—1854）从胡萝卜中分离获得了一种结晶状态的橘黄色物质，并以来源胡萝卜的名字（拉丁文catota）将其命名为carotene，中文译名为胡萝卜素。随后的研究发现，胡萝卜素并不是单一种物质，而是包括很多结构及特性相近的成分。它们与之后从黄色树叶中提取的物质（即叶黄素）也不相同。尽管对这些物质的结构还不甚了解，但当时就已经对这些物质进行分类和命名，其中包括β-胡萝卜素。1907年，德国慕尼黑大学的化学家Willstatter RM教授及其同事指出β-胡萝卜素的化学分子式为C ₄₀ H ₅₆。这项发现也是让Willstatter获得1915年诺贝尔化学奖的部分工作。而β-胡萝卜素的准确化学结构则于1930—1931年被瑞士苏黎世大学的Karrer P教授阐明，他还同时发现，β-胡萝卜素在身体内可以转变为维生素A。这些成果使得Karrer获得了1937年诺贝尔化学奖。随后，各种类胡萝卜素的结构不断得以确认。由于这些物质都与胡萝卜素或与β-胡萝卜素有着相同或非常相似的分子组成、化学结构和理化特性，1911年俄罗斯色谱专家、植物化学家Mikhail Tswett（1872—1919）就将这一大类物质命名为carotenoids（类胡萝卜素）。β-胡萝卜素分子式为C ₄₀ H ₅₆，分子量为536.87，分子结构式如图3-3-1。

β-胡萝卜素的分子结构中具有许多共轭双键，这些双键即可吸收可见光中的某些光谱，使其呈现特殊颜色，同时又使其具有极强的淬灭活性氧自由基的能力，可减轻机体抗氧化损伤，从而发挥疾病预防作用。β-胡萝卜素分子实际上就是两个尾部相连的视黄醇分子，通过中心裂解或偏心裂解，可转变成两个或一个维生素A。β-胡萝卜素又分为全反式和顺式异构体。全反式-β-胡萝卜素经过中心裂解，可以生成两分子全反式视黄醇（维生素A），顺式β-胡萝卜素转换为维生素A的产量则较低。

各种新鲜红、黄、绿色蔬菜和水果是β-胡萝卜素的丰富来源。含量最为丰富的有胡萝卜、红心甜薯、菠菜、水芹、羽衣甘蓝、绿芥菜、南瓜、莴苣叶、莴苣等。调查显示，我国部分居民四个季节膳食β-胡萝卜素摄入量在2.48～3.76mg/d；美国居民来自膳食的β-胡萝卜素的量约为：男性2.22mg/d，女性1.87mg/d。近年来，从胡萝卜、辣椒、蚕砂、盐藻或者从发酵法培养的红酵母中提取的β-胡萝卜素，被作为营养强化剂和着色剂用于食品、保健品和药品的生产。

β-胡萝卜素毒性很低。过多摄入β-胡萝卜素，如长期摄入大量胡萝卜或者每日补充30mg以上胡萝卜素，可导致胡萝卜素血症，表现为皮肤黄染，但尚未观察到其他方面的毒性反应。β-胡萝卜素食品添加剂的小鼠经口LD ₅₀为21.5g/kg，被美国食品药品管理局批准为 “GRAS（Generally Recognized as Safe，通常被认为是安全的）”。

母亲膳食中的β-胡萝卜素可以被分泌入母乳，因此母乳中一般含有较为丰富的β-胡萝卜素，而牛乳中含量较少。母乳中的β-胡萝卜素可作为婴儿维生素A膳食来源，同时β-胡萝卜素的抗氧化效用也有利于儿童的生长发育。

叶黄素是一种含氧的叶黄素类的类胡萝卜素，它与其同分异构体玉米黄素共同存在于各种蔬菜、花卉、水果等植物中，是植物中的天然色素物质。叶黄素和玉米黄素结构相近，它们在自然界的广泛分布中相互伴随，并且在现代分析测定中往往难以充分分离，因此在食物或组织样品含量测定中，往往将两者合并计算。叶黄素和玉米黄素均为植物的光合色素，存在于植物叶子的叶绿体中，可将吸收的光能传递给叶绿素，推测对光氧化、光破坏具有保护作用。

叶黄素分子式为C ₄₀ H ₅₆O ₂，分子量为568.87，分子结构式如图3-3-2。

从结构图可见，叶黄素是在α-胡萝卜素分子结构基础上，分别在3位和3'位由一个羟基取代一个氢原子。因此，叶黄素又被称为胡萝卜醇、α-胡萝卜素-3，3'-二醇。而叶黄素的异构体玉米黄素，则可以看作是在β-胡萝卜素分子结构基础上，由同样的结构变化而形成的衍生物，后者又被称为玉米黄质、β-胡萝卜素-3，3'-二醇。玉米黄素分子式也为C ₄₀ H ₅₆O ₂，分子量为568.87，分子结构式如图3-3-3。

叶黄素和玉米黄素分子中的β-紫罗酮环由于发生了羟基取代，完全失去了维生素A的活性。由于分子中存在许多共轭双键，叶黄素和玉米黄素具有较强的抗氧化作用。叶黄素和玉米黄素存在于人体各个组织中，但是其在眼睛中的分布最为突出和最具特征性。眼部所有组织中均含有一定量的叶黄素和玉米黄素，包括虹膜组织、晶状体、视网膜、视神经和眼部脂肪，但在视网膜中央凹内层的浓度最高。视网膜中央凹及其周围区域被称为视网膜黄斑，因富含黄斑色素而得名，是直径5～6mm的圆形区域，此处集中了大量的视锥细胞，是视觉最为敏锐的区域。叶黄素和玉米黄素就在视网膜黄斑区发挥黄斑色素作用。

叶黄素和玉米黄素在人体内除了通过血液分布各种组织，发挥整体抗氧化损伤作用外，最突出的生理功能是视网膜和视黄斑保护作用。叶黄素和玉米黄素的最大吸收光谱恰好处于对视网膜损伤最强的短波长可见光线（蓝光）区域。由于叶黄素和玉米黄素高浓度聚集于视网膜的外网状层，光线必须穿过这些黄斑色素才能到达光感受器。因此，眼睛部分组织中存在高浓度的叶黄素和玉米黄素，既可吸收进入眼睛的短波长可见光线，保护视觉感受器免受损害性蓝光的危害，又可通过抗氧化作用，在视觉感受器的膜被氧化前阻断过氧化进程。调查结果显示，增加膳食叶黄素和玉米黄素的摄入量，可降低视网膜黄斑变性的风险，也与白内障的低发生率和低手术风险有关。

人体不能直接合成叶黄素和玉米黄质，人类组织中存在的所有类胡萝卜素必须来源于膳食或其他相关来源。叶黄素和玉米黄素的膳食来源极为丰富，最突出的来源是深绿色叶蔬菜，包括甘蓝、芥蓝、菠菜、苋菜、水芹、菊苣、莴苣、生菜等。每100g菠菜中叶黄素和玉米黄素的含量可达12mg，羽衣甘蓝可达39.5mg/100g。豌豆、玉米等一些食物中含量也很丰富，尤其是玉米是玉米黄素的一个主要来源。蛋黄也是叶黄素的有效膳食来源，尤其是为改善蛋黄的色泽而在鸡饲料中添加万寿菊提取物后，蛋黄中含量更高。牛奶中几乎不含叶黄素和玉米黄素，但母乳中含有2～232μg/L叶黄素和玉米黄素。万寿菊中叶黄素和玉米黄素含量极高，其提取物已经作为食品着色剂用于食品生产，作为天然色素用于饲料生产，以增进禽蛋蛋黄色泽。

母乳中含有叶黄素和玉米黄质，但在不同哺乳阶段以及不同膳食状况下，母乳中叶黄素和玉米黄质含量有很大差别。对来自全球9个城市471名乳母乳汁进行的调查表明，母乳中叶黄素和玉米黄质的变化范围为3～232μg/L。澳大利亚、加拿大、英国和美国的母乳中约为15μg/L，中国和日本母乳中约为43μg/L，所有地区叶黄素+玉米黄质的平均浓度为25±19μg/L。初乳中叶黄素+玉米黄质的含量明显高于成熟乳。母乳中叶黄素和玉米黄质的含量与乳母的膳食摄入量和血清水平呈正相关关系。

母乳是新生儿叶黄素和玉米黄质的唯一来源。一般婴儿配方奶中叶黄素和玉米黄质的含量极微，因此和母乳喂养儿相比，非母乳喂养儿的叶黄素摄入量极其有限。有研究显示，出生时血浆叶黄素和玉米黄质浓度相近的婴儿（48±15μg/L和49±10μg/L），分别用母乳和配方奶喂养1个月后，母乳喂养儿的血浆叶黄素和玉米黄质浓度增加到96± 64μg/L，而配方奶喂养儿的血浆叶黄素和玉米黄质浓度则下降到比出生时水平还低（33±19μg/L）。这一研究结果暗示，配方奶喂养儿视网膜中叶黄素和玉米黄质的含量可能也较低。

目前还没有足够的临床资料证明生命早期叶黄素营养对成年后乃至老年时期视觉健康的影响程度。但已有令人信服的证据表明，出生后缺少叶黄素和玉米黄质可导致视网膜和视网膜色素上皮细胞的解剖学结构发生明显的改变。用不含叶黄素饲料喂养的恒河猴，其视网膜色素上皮细胞的密度和分布出现异常。补充叶黄素和玉米黄质可逆转这种异常变化，且叶黄素和玉米黄质与DHA具有协同作用。这些结果提示，叶黄素和玉米黄质对视觉的影响可能不仅是通过保护功能，而且还通过代谢作用来实现。这也意味着生命早期的保护将对预防以后退行性疾病的发生具有重要作用。

用缺乏类胡萝卜素的饲料喂养长大的恒河猴，出现脂褐素引起的衰老性损伤（脉络膜小疣）时间远远早于正常饲料喂养的猴。视网膜脂褐素是视网膜色素上皮细胞溶酶体对视觉感受器细胞外节段的不完全消化所产生的物质，由氧化后的蛋白质、脂质和其他化合物所构成。脂褐素不能被转运至细胞外，在人的一生中，脂褐素在眼睛视网膜色素上皮细胞内不断累积。在氧含量、光照时间增加以及缺少黄斑色素的条件下，脂褐素在视网膜色素上皮细胞内累积速度加快。人类视网膜色素上皮细胞内脂褐素的累积量中，几乎有一半可能发生在5岁之前。理论上，生命早期增加黄斑色素含量，可减慢脂褐素的累积，并减少自由基氧化产物的生成量。

用添加或者不添加叶黄素的婴儿配方奶进行喂养的随机安慰剂对照研究，是证明早期叶黄素保护作用的最直接方法，但这需要多年的随访，才能获得视网膜和视网膜色素上皮细胞变化的证据。在获得这方面的资料之前，根据动物实验资料以及认识到的视网膜损伤累积机制，有理由相信叶黄素可能对视觉具有长期的健康效益。同时，基于叶黄素的低危险性，在生命早期增加叶黄素和玉米黄质的摄入量是值得考虑的。