一类植物色素构型和性质的研究开题报告

背景：

天然色素是由天然资源获得的食用色素。主要从动物和植物组织及微生物（培养）中提取的色素，天然色素的开发与应用己成为各行业科技工作者普遍关注的课题。人们试图从各种动植物资源中获取天然色素，同时探索其生理活性，来缓解并解决由合成色素所带来的各种问题。但是由于天然色素色泽不稳定，在其使用过程中容易受各种因素(如光照、温度、氧化、pH值、介质极性、金属离子、添加剂等)的影响而发生褪色、变色等方面的变化，而影响其着色效果，严重制约了天然色素代替人工合成色素的进程。在天然色素的开发与应用方面，日本居于世界前列，早在1975年天然色素的使用量就已超过合成色素。植物色素大多为花青素类、类胡萝卜素类、黄酮类化合物，是一类生物活性物质，是植物药和保健食品中的功能性有效成分。鉴于植物色素作为着色用添加剂而应用于食品、药品及化妆品中，用量达不到医疗及保健品的量效比例。在保健食品应用中，这一类植物色素可分别发挥增强人体免疫机能、抗氧化、降低血脂等辅助作用；在普通食品中有的可以发挥营养强化的辅助作用及抗氧化作用。

花青素是一类天然色素，它们存在于水果和蔬菜中，使得水果和蔬菜呈现红色到蓝色的色调。在工业化生产中，大部分色素的常用来源为葡萄、接骨木果、覆盆子和红甘蓝（紫甘蓝）。花青素不仅可以作为色素，而且也有许多生物活性，不同来源的花青素具有不同的特性。来源于葡萄皮的花青素可以降低心脏病的危险，来源于接骨木果的花青素对流感病毒具有抵抗作用，来源于覆盆子的花青素对视力具有良好的保护作用。花青素本身的作用功效也是非常著名的，如抗氧化、防晒、抗辐射、防癌、增进视力、改善睡眠以及美容养颜等。提取、应用天然色素是顺应时代潮流，在医药、日化等方面应用领域受到广泛关注。

电子跃迁本质上是组成物质的粒子（原子、离子或分子）中电子的一种能量变化。原子核外的电子吸收一定的能量,从基态跃迁到具有较高能量的激发态,激发态的电子回到基态时,会以一定波长的光谱线的形式释放出多余的能量,从焰色反应的实验里所看到的特殊焰色,就是光谱谱线的颜色.每种元素的光谱都有一些特征谱线,发出特征的颜色。不同的植物之所以显现出不同的颜色，与其色素在生命活动中发生化学变化时产生电子跃迁有不可分割的联系。

目的：

通过采用软件中现国际热门的计算方法对一类植物色素（花青素）作高精度的量子化学计算研究，得到不同植物中获得该类有机化合物的几何构型等分子特点，分析其热力学性质、光谱性质、电荷性质、活性等分子性质。探究不同植物中的花青素自身分子结构和性质特点以及能力差异，进一步探讨植物色素分子的结构与植物颜色等生理特点之间的联系。

意义：

探究不同植物色素花青素的空间结构、热力学性质、光谱性质、电荷排布、活性等分子性质，分析其分子性质，总结并比较出不同植物中不同种类花青素的分子性质、显色机理、电子跃迁以及光谱性质。目前对花青素的研究大多集中在花青素的提取、改进花青素稳定性以及对花青素的日化应用。对花青素结构以及发光机理研究较少。对为花青素的分子结构、电荷性质、光谱性质等理论进行进一步研究，为改进花青素等天然植物色素提供理论基础，将天然色素花青素推广到更多的领域。

主要研究内容：

花青素,又称花色素，是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，是花色苷水解而得的有颜色的苷元。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质大部分与之有关。在植物细胞液泡不同的PH 值条件下，花青素使花瓣呈现五彩缤纷的颜色。已知花青素有20 多种，食物中重要的有6种，即天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素。自然状态的花青素都以糖苷形式存在，称为花色苷，很少有游离的花青素存在。花青素主要用于食品着色方面，也可用于染料、医药、化妆品等方面。

通过高精度的量子化学计算研究花青素分子结构与性质，了解它们的性质有助于对其生理功能的理解。本研究拟采用实验结合理论的方式，探讨一些植物色素分子的结构和颜色之间的关系。

具体研究内容如下：

1.利用现代科技文献的查阅方法和手段，如因特网，网上图书馆，电子期刊数据库等，查阅有关花青素的提取工艺，鉴定方法，应用领域等方面，有关理论、研究进展及其应用等方面的科技文献资料，并对文献进行综合，分析，研究总结。在此基础上，选择合适的量子化学计算方法，选择合适的研究手段，拟定出具体研究方案，写出开题报告。

2.查阅文献，设计理论计算方案，确定具体计算步骤，对花青素的相关参数进行高精度量子化学计算研究。

3.将得到的数据进行整理分析，将得到的实验数据进行比较、分析差异。

4.对研究的目标体系进行评价，并对一些相关的性质等进行理论预测。

5. 探讨花青素结构性质与表现出的植物生理功能之间的联系。

6.完成毕业论文。

预期目标：

1.利用现代科技文献的查阅方法和手段，如因特网，网上图书馆，电子期刊数据库等，查阅花青素的提取工艺，鉴定方法，应用领域等方面，有关理论研究方面的科技文献资料；

2.整合所查阅的文献，分析研究总结，完成开题报告；

3.选择合适的量子化学计算方法，拟定出具体的研究方案；

4.学会操作几种常用的量子化学计算软件，采用密度泛函方法优化出花青素的空间几何结构；通过它们的性质有助于对其生理功能的理解，探究不同植物中的花青素自身特点以及能力差异，进一步研讨植物色素分子的结构与植物颜色等生理特点之间的联系。

5.整理、分析数据；

6.对研究的目标体系进行评价，并对一些相关的性质等作出理论推测；

7.完成毕业论文。

1.学习并初步掌握量子化学计算软件的安装和操作；

2.采用几种常用的量子化学计算方法如AM1,HF,MP2,B3LYP等的使用方法和适用研究体系；

3.采用密度泛函方法优化出花青素的空间几何结构；

4.分析微观结构，联系其与植物表现出的颜色等生理功能；

5.得到数据，分析整理数据；

6.探讨一些植物色素分子的结构和颜色之间的关系，得出结论。

[1] 吴蔚楚.植物花青素研究进展.当代化工研究[J]，2018，09: 183-184.

[2] JianHe, Bernadene A. Magnuson, M. Monica Giusti. Analysis of Anthocyanins in RatIntestinal ContentssImpact of Anthocyanin Chemical Structure on FecalExcretion. Journal of Agrultural and Food Chemistry [J], 2005, 53: 28592866.

[3] FlorianC. Stintzing, Angela S. Stintzing, Reinhold Carle, et al. Color andAntioxidant Properties of Cyanidin-Based Anthocyanin Pigments. Journal of Agrulturaland Food Chemistry [J], 2002, 50: 61726181.

[4] ClaireE. Burtch, Anna Katharine Mansfield, David C. Manns. Reaction Kinetics ofMonomeric Anthocyanin Conversion to Polymeric Pigments and Their Significanceto Color in Interspecific HybridWines. Journal of Agricultural and Food Chemistry [J], 2017, 65: 63796386.

[5] 房照龙，扈本荃.现代提取技术在天然色素领域的应用.广州化工[J]，2018，4(46):21-23.

[6] E.M. Francia-Aricha, M. T. Guerra, J. C. Rivas-Gonzalo, et al. New AnthocyaninPigments Formed after Condensation with Flavanols. Journal of Agrultural andFood Chemistry [J], 1997, 45: 22622266.

[7] ErnestSondheimer Z. I. Kertesz. AnthocyaninPigments Colorimetric Determination in Strawberries and Strawberry Products. ANALYTICALCHEMISTRY [J], 1948,3(20): 245-248.

[8] 徐馨,丁金龙.提高天然色素稳定性方法的研究进展.中国调味品[J]，2018，1(43): 175-179.

[9] 舒冠雄，贾佳，孙虎，等.天然色素的应用及发展. 学术论坛[J]，2017, 4:64-66.

[10] 刘欣晔，蒋郸骥.植物颜色“大师”—花青素.化学教与学[J]，2018(12):82-85.

[11] ChangyuanLiu, Jing Tang, Liyan Zhao. Research Progress on the Stability and Functionof Anthocyanins. Hans Journal of Food and Nutrition Science [J], 2018, 7(1),53-63.

[12] 倪崛，陈绍辉，杨俊文，等.天然色素稳定性研究及其新的类型划分.食品安全导刊[J]，2018，10: 78-79.

[13]E. M. Francia-Aricha, M. T. Guerra, J. C. Rivas-Gonzalo, et al. NewAnthocyanin Pigments Formed after Condensation with Flavanols. Journal ofAgricultural and Food Chemistry [J], 1997, 45: 22622266.

[14] 潘晓威，叶剑芝，苏子鹏，等.番茄红素生物学功能研究进展及应用前景.现代农业科技，2018(1):237-240.

[15] 张波，韩舜愈，马腾臻，等.红葡萄酒中花色苷衍生物结构研究进展.食品科学[J]，2018(39): 284-295.

[16] KomKamonpatana, Mark L. Failla, Purnima S. Kumar, M. Monica Giusti. Anthocyanin StructureDetermines Susceptibility to Microbial Degradation and Bioavailability to theBuccal Mucosa. Journal of Agricultural and Food Chemistry [J], 2014, 62:69036910.