目前,人们逐渐意识到抗氧化与健康息息相关。医学研究结果显示人体内过多自由基容易引起动脉粥样硬化、癌症、神经性疾病等多种疾病。因此,广泛存在于食品中的抗氧化物逐渐引起人们的重视。番茄红素和β-胡萝卜素是类胡萝卜素,飞燕草色素和牵牛花色素是花青素类物质,它们广泛存在于各类果蔬中,是具有代表性的天然抗氧化成分,其对清除自由基、防癌抗癌、提高免疫力、延缓衰老、防止心血管等疾病有一定的保健功能。但是目前,测定物质抗氧化的方法种类繁多,标准不一。另外,因为研究方法的局限,对物质的抗氧化机理在理论上的研究还不清楚。因此需要运用新的方法,即量子化学中的密度泛函理论对物质的抗氧化机理进行计算和模拟,从而能够在理论上进行探讨。本研究针对番茄红素、β-胡萝卜素、飞燕草色素和牵牛花色素这四种抗氧化成分,采用量子化学密度泛函理论(DFT),通过Chemdraw 2D和3D软件构建合适的分子模型,运用高斯软件得到键长、红外光谱、前线轨道能量等结构特征和分子能量参数;通过计算这四种化合物与羟基自由基(?OH)反应的过渡态能垒,表征了四种化合物的不同位点的反应活性,探讨了他们对抗氧化及清除羟自由基的机理,并用体外抗氧化实验进行了验证,为机体抗氧化研究提供了理论依据。具体研究结果如下:运用密度泛函B3LYP方法在6-311G基组下计算了番茄红素、β-胡萝卜素、飞燕草色素以及牵牛花色素四种天然抗氧化植物化学物的键长、红外光谱、前线轨道等,分析了它们的活性。结果表明,番茄红素中C2-H43、C34-H81、C35-H83和C35-H84这几个C-H键较长,较为活泼。β-胡萝卜素中C1-H41、C3-H45、C31-H79和C34-H83这几个C-H键较长,为可能的活泼位点。飞燕草色素和牵牛花色素中O21和O22的O-H键较长,较为活泼。通过对四种抗氧化物质优化后分子模型计算获得的红外光谱与实验得到的相应物质红外光谱进行对比分析,证明优化结果合理。从最高占据轨道和最低空轨道的前线轨道能量得到可能的反应活性为番茄红素>β-胡萝卜素,飞燕草色素>牵牛花色素。通过对这四种物质最高占据轨道图电子云密度分布的分析,表明番茄红素和β-胡萝卜素的还原性主要在双键上,飞燕草色素和牵牛花色素的还原性主要集中在B环以及环上的酚羟基上。自由基是指带有不配对的电子的分子基团,羟基自由基(·OH)是人体内主要的活性较高的自由基,及时清除过多的·OH自由基,对保证人体健康具有重要的意义。研究运用密度泛函B3LYP方法在6-311G基组下计算了番茄红素、β-胡萝卜素、飞燕草色素以及牵牛花色素中的活泼位点与羟自由基反应的过渡态模拟。结果表明,番茄红素C2-H43、C34-H81、C35-H83和C35-H84与·OH自由基反应的过渡态计算中所需的活化能1.324 kcal·mol-1、1.318kcal·mol-1、0.954 kcal·mol-1、0.853 kcal·mol-1。计算的过渡态活泼位点结果与番茄红素的键长活泼位点一致。β-胡萝卜素C1-H41、C3-H45、C31-H79和C34-H83与·OH自由基反应的过渡态计算中反应所需的活化0.691 kcal·mol-1、0.628kcal·mol-1、0.621 kcal·mol-1、0.634 kcal·mol-1。计算的过渡态活泼位点结果与β-胡萝卜素的键长活泼位点一致。另外,在飞燕草色素和牵牛花色素中O21和O22位点与·OH自由基反应的过渡态计算中所需的活化能也明显比其他位点所需活化能少。番茄红素、β-胡萝卜素、飞燕草色素和牵牛花色素四种天然抗氧化植物化学物体外清除羟自由基的实验表明,其活性强弱顺序为:番茄红素>β-胡萝卜素,飞燕草色素>牵牛花色素,与密度泛函理论计算结果一致,进一步验证了量子化学所得的结果。