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      天然植物甾醇的來源、功效及提取研究進展

      2014-12-20 02:00:36張志旭劉東波
      食品與機械 2014年5期
      關鍵詞:降血脂甾醇膽固醇

      張志旭 昌 超 劉東波,4

      (1.作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點實驗室培育基地,湖南 長沙 410128;2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預技術實驗室,湖南 長沙 410128;3.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,湖南 長沙 410128;4.湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院,湖南 長沙 410128)

      高血壓(hypertensive disease)是最常見的心血管病,是全球范圍內(nèi)的重大公共衛(wèi)生問題,多是由于血脂異常引起的[1,2]。衛(wèi)生部和科技部國家統(tǒng)計局對中國居民營養(yǎng)與健康現(xiàn)狀進行調(diào)查[3],結果顯示,成人血脂異?;疾÷蔬_到1 8.6%,全國血脂異常人數(shù)約1.6億,不同類型血脂異常的患病率分別為:高甘油三酯血癥11.9%,低高密度脂蛋白血癥7.4%,高膽固醇血癥占2.9%,另有3.9%的人血清膽固醇邊緣升高。自然界中有許多植物被用做食療來緩解和治療高血壓,植物甾醇是近年來研究較多的一類天然有效成分[4]。

      1 概述

      甾體化合物是廣泛存在于生物體組織內(nèi)的一類天然有機化合物,種類繁多,在結構上都含有氫化程度不同的環(huán)戊烷全氫菲甾核,且在甾核上含有3個側(cè)鏈。甾醇是3位碳原子上連接有羥基的甾體化合物,在自然界分布廣泛。根據(jù)其側(cè)鏈長短、側(cè)鏈上雙鍵數(shù)目位置和個數(shù),自然界存在的甾醇可能有1 700多種,現(xiàn)已鑒定出的甾醇有250多種[5,6],主要可分為動物甾醇、菌性甾醇和植物甾醇。動物甾醇主要來自動物組織和動物細胞,以膽固醇(cholesterol)為代表;菌性甾醇主要存在于霉菌和蘑菇之中,主要為麥角甾醇(ergosteor1);植物甾醇則在大多數(shù)植物中都有分布[7,8]。

      由于人體自身不能合成甾醇,食物是獲得甾醇的唯一來源。研究[9]表明,在食物中添加植物甾醇可以起到降血脂的作用。文章通過對植物甾醇的來源、降血脂功效評價、作用機制以及對提取純化方法的總結,提出有效的產(chǎn)品研究和開發(fā)途徑,旨在推動植物甾醇類產(chǎn)品的開發(fā)和機理研究。

      2 植物甾醇的來源

      植物甾醇是植物體內(nèi)的一種類似于環(huán)狀醇結構的天然活性物質(zhì),主要是4-無甲基甾醇。天然植物甾醇有游離型和酯化型兩種。酯化型的植物甾醇主要有甾醇硬脂酸酯、甾醇油酸酯、甾醇乙酸酯,是甾醇在酶的作用下發(fā)生酯化或酯交換得到的。游離型的植物甾醇主要有β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇4種構型,在植物的根、莖、葉、果實和種子中都有分布,是細胞膜的主要構成成分之一,是維生素D、甾族化合物及多種激素合成的前體物質(zhì)[10]。

      植物甾醇在常見可食性植物中的含量見表1~3。由表1可知,蔬菜的植物甾醇含量較低,從1.20~31.15mg/100g,其中葉菜類普遍大于瓜菜類;水果的植物甾醇與蔬菜相當,在1.84~28.47mg/100g。表2列出了常見谷物和堅果類中的植物甾醇含量,除含淀粉較高的板栗以外,堅果類的植物甾醇含量較高,在100mg/100g到500mg/100g左右,谷物食品中,精制程度越高,植物甾醇含量越低。

      表1 常見果蔬中植物甾醇含量[11]Table 1 Phytosterol content in common vegetables and fruits/(10-2 mg·g-1)

      表2 常見堅果和谷物中植物甾醇含量[11,12]Table 2 Phytosterol Content in common cereal and nuts/(10-2 mg·g-1)

      表3 常見食用植物油中的植物甾醇含量[13-15]Table 3 Phytosterol Content in edible plant oil/(10-2 mg·g-1)

      植物甾醇是植物生長過程中的重要次生代謝產(chǎn)物,植物新細胞和新組織生長需要植物甾醇的參與,此時植物甾醇合成旺盛,在種子中富集。種子萌發(fā)后,合成速度逐步遞減,同時植物甾醇作為作用底物形成配糖生物堿、皂苷、卡烯內(nèi)酯等其它代謝產(chǎn)物,導致葉、花、果實等部位植物甾醇含量大幅度降低,而以植物種子部分為食物的堅果類食物植物甾醇含量普遍較高[16]。

      由于植物甾醇是油溶性的物質(zhì),植物油大多是從植物種子中提取出來的,因此含油量高的植物中保留的植物甾醇高。表3中列出了植物甾醇在各種植物油中的含量,從1 00mg/100g到1 000mg/100g左右,高于絕大部分非種子部分的植物甾醇含量。

      3 降血脂研究進展

      3.1 安全性評價

      純的植物甾醇通常為白色結晶粉末,無臭無味,是三萜化合物的一種,不溶于水,在強極性有機溶劑中也不易溶解,3位羥基是其重要的活性基團[17]。Sanders等[18]研究了此類物質(zhì)在身體內(nèi)的吸收、分布、代謝以及分泌等,結果顯示植物甾醇在小腸內(nèi)的吸收率低(1%~10%),而且吸收的部分植物甾醇又會通過排泄進入膽汁。Hepburn等[19]研究了植物甾醇酯的白鼠喂食試驗,連續(xù)喂食13周,最高喂食量達到每天3 900mg/kg·體重,也沒有出現(xiàn)副效果。Turnbull等[20]使用添加植物甾烷醇酯的飼料進行動物喂食,1.78%的植物甾烷醇酯(相當于1.0%游離型植物甾烷醇)添加量都沒有出現(xiàn)顯著負影響。亞急性毒性試驗中,動物經(jīng)口喂食添加8.1%植物甾醇的飼料90d,未發(fā)現(xiàn)明顯的副作用;成人每天口服8.6g的植物甾醇,糞便中固醇代謝物和膽汁酸的含量沒有顯著變化,表明該攝取量不影響人體的正常代謝,同時腸道菌群的組成和代謝活性也沒有受到影響[21]。

      1999年,美國FDA推薦可以在食品涂抹用料中加入20%的植物甾醇酯[22]。在北美、歐洲、澳洲的許多國家,含植物甾醇的功能食品也相繼在世界各國市場投放[23]。歐盟食品科學委員會(SCF)、美國食品藥物管理局(FDA)認可了在適量攝入植物甾醇和植物甾烷醇的情況下,植物甾醇類食品的功效性和安全性[24]。近年來,植物甾醇更是作為單獨的食品或功能性添加劑受到了國內(nèi)外食品行業(yè)的高度重視,中國衛(wèi)生部2010年第3號公告將植物甾醇和植物甾醇酯列為新資源食品,其用量分別為≤2.4g/d和≤3.9g/d[25]。

      3.2 植物甾醇降血脂功效評價

      3.2.1 高血脂癥的分類與標志物 高血脂癥主要分為四類:① 高膽固醇血癥。以膽固醇為主的類脂過量存在,引起血管硬度增加,彈性降低,使血壓升高,血管容易破裂;②高甘油三脂血癥。以甘油三酯為主的脂肪過量吸收后在血管內(nèi)壁沉積,引起血管通道變細,血壓升高;③ 低密度脂蛋白血癥。低密度脂蛋白含量升高,產(chǎn)生的低密度脂蛋白膽固醇 (LDL-C)增多,對動脈造成損傷,引起血壓升高;④ 高密度脂蛋白血癥。高密度脂蛋白含量降低,形成的高密度脂蛋白膽固醇 (HDL-C)減少,動脈清潔疏通能力減弱,血壓升高[24]。

      3.2.2 植物甾醇常見的降血脂功效評價 美國食品藥物管理局(FDA)、歐盟食品科學委員會(SCF)[25]認為適量攝入植物甾醇和植物甾烷醇可降低膽固醇在血液中的含量,美國FDA推薦每天服用不少于1.3g的植物甾醇或3.4g的植物甾烷醇酯來降低心血管疾病發(fā)生的概率。表4顯示了不同研究者對植物甾醇降血脂功效的評價。

      由表4可知,植物甾醇需要在一定劑量的情況下才能發(fā)揮降血脂功效,灌胃模式對受試動物具有明顯較高的降血脂功效。雖然研究結果認為植物甾醇對于4種高血脂途徑都有改善作用,但普遍認為植物甾醇對降低總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇具有明顯功效,而對于甘油三酯的降低功效不明顯,對于升高高密度脂蛋白的功效則結論不一[35]。

      4 降血脂機理研究

      大多數(shù)飲食中的脂質(zhì)以中性脂肪或甘油三酯的形式存在。飲食中膽固醇量平均約300mg/d,同時肝臟每天分泌1 100mg的膽汁膽固醇進入腸道。如圖1所示,在小腸內(nèi),一部分脂質(zhì)被水解利用,另一部分被轉(zhuǎn)運蛋白重新吸收回肝臟,正常情況下約50%膽固醇被吸收,部分在肌肉組織中儲存,多余的膽固醇隨糞便排出體外[36,37]。

      表4 植物甾醇降血脂效果比較Table 4 Comparison of Lipid-lowering Effect by Phytosterol

      表4 植物甾醇降血脂效果比較Table 4 Comparison of Lipid-lowering Effect by Phytosterol

      血脂異常類型①~④對應3.2.1中的四類高血脂癥狀。

      實驗動物 模式 植物甾醇添對應血脂異常類型小鼠 喂養(yǎng) 260 TC,LDL-C最高降低24.57%和25.87%,P<0.01加量/(mg·kg-1) 結論 參考文獻[26] ①,④小鼠 灌胃 150 TC,LDL-C最高降低42.2%,60.1%;TG,HDL-C無明顯變化,P<0.05[27] ①,③倉鼠 喂養(yǎng) 18 500 TC、LDL-C最高降低60%和90%,P<0.01 [28] ①SD大鼠 喂養(yǎng) 1 100 TC最高降低17.98%,P<0.01 [29] ①SD大鼠 喂養(yǎng) 20 000 TC,TG,LDL-C最高降低18.2%,15%和3 1.8%,HDL-C升高38.5%,P<0.05[21] ①,②,③,④金黃地鼠 喂養(yǎng) 1 000 TC、LDL-C最高降低43.7%,59.3%;HDL-C升高22.7%,P<0.05[30] ①,③,④Wistar大鼠 灌胃 900 TC、TG、LDL-C最高降低68.25%,42.59%,49.4%;HDL-C升高39%,P<0.01[31] ①,②,③,④SD大鼠 灌胃 3 000 TC、LDL-C最高降低23.85%,61.22%,HDLC升高25.85%,P<0.01[32] ①,③,④蛋雞 喂養(yǎng) 20 TC、TG、HDL-C、LDL-C分別降低24.4%,2 8.4%,13.7%,41.2%,P<0.01[33] ①,②,④肉鴨 喂養(yǎng) 20 TC最高降低24.57%,P<0.01 [34] ①

      圖1 膽固醇代謝途徑Figure 1 Metabolic Pathways of Cholesterol

      植物甾醇屬于甾類化合物,可以以自由狀態(tài)與復雜脂類或其它化合物結合成復合體,由于植物甾醇與膽固醇的結構相似,因此植物甾醇通過食物進入人體后,可以顯著影響膽固醇的代謝和吸收。人們發(fā)現(xiàn)植物甾醇的降血脂作用后,就開始探索其降血脂的機理,目前對植物甾醇抑制膽固醇吸收的機理研究比較集中,主要包括競爭結合位點機制、低吸收機制、阻礙膽固醇溶于膽汁酸機制等等,但其體內(nèi)作用途徑仍不明確[38]。

      4.1 干預膽固醇代謝的主要可能途徑

      載脂蛋白αpoA-I是HDL合成的主要前體,與磷脂形成新生HDL后通過轉(zhuǎn)運蛋白ABCA1、ABCG1進行運輸,HDL攜帶膽固醇到達肝臟,遇到受體SR-B1釋放膽固醇進入肝臟,肝臟利用一部分膽固醇形成膽汁酸,另一部分排出體外。如果膽固醇過多,代謝平衡被破壞,發(fā)生血脂代謝異常。通過誘導等形式使前體蛋白αpoA-I增加可以促進HDL的形成,轉(zhuǎn)運蛋白ABCA1、ABCG1的表達量升高可以加速膽固醇的代謝,受體蛋白SR-B1的升高可以加速膽固醇向體外排出,因此3種干預方式都能有效調(diào)節(jié)脂代謝的異常。其中受體蛋白途徑和ABCA1轉(zhuǎn)運途徑是膽固醇代謝的主要途徑[39]。

      4.2 阻礙膽固醇吸收的競爭性機制研究

      Child P[40]利用大鼠腸絨毛細胞進行了植物甾醇的吸收利用研究,發(fā)現(xiàn)膽汁酸微膠束中的膽固醇濃度下降,認為由于植物甾醇的疏水性較大,置換了小腸內(nèi)腔膽汁酸微膠束中的膽固醇,使膽固醇的吸收利用降低。同時植物甾醇或甾烷醇在酯化過程中也與膽固醇發(fā)生競爭反應,使膽固醇在腸細胞的酯化率降低,減少了膽固醇隨乳糜微粒排出的數(shù)量。Sergey等[41]通過體外試驗表明游離 β-谷甾醇(β-sitosterol,SI)和谷甾烷醇(sitostanol,SS)能通過競爭性機制有效降低膳食模型中的膽固醇濃度。

      4.3 降低膽固醇吸收的誘導抑制調(diào)控機制研究

      膽固醇飲食可誘導肝和腸ABCG5和ABCG8的表達,它們在膽固醇分泌到膽汁中起著重要的作用,植物甾醇含量的增加可以增加這些轉(zhuǎn)運體的表達,從而加速膽固醇的轉(zhuǎn)運,減少膽固醇吸收[42]。同時,植物甾醇可能通過結合膽固醇受體和競爭膽固醇吸收位點來抑制膽固醇的吸收,達到降低膽固醇的效果[43]。

      4.4 脂蛋白代謝的調(diào)控機制

      ABCAl是一種整合膜蛋白,是膽固醇逆轉(zhuǎn)運中的重要蛋白,植物甾烷醇的攝入能提高其表達量,促進新生的HDL顆粒結合血漿中的膽固醇運回肝臟,生成膽汁酸[44]。另外,植物甾醇對LDL、VLDL的轉(zhuǎn)運和膽汁的形成都有一定影響,但作用機理、機制尚不明確[45,46]。

      5 植物甾醇的提取純化進展

      天然植物甾醇主要以豆甾醇、谷甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇等形式存在,對上述甾醇的混合物提取和單體的有效分離是實現(xiàn)高純度植物甾醇規(guī)?;a(chǎn)過程中的重要部分,也是研究植物甾醇降血脂機理的重要基礎。工業(yè)應用中植物甾醇的提取原料一般為油脂精煉后的副產(chǎn)物,但隨著植物甾醇的功效越來越得到認可,也開始從一些高等級的原料中提取植物甾醇[47,48]。

      5.1 物理法

      物理法主要是根據(jù)物理性質(zhì)的差異分離提取植物甾醇,包括分子蒸餾法、吸附法和溶劑結晶法等。

      5.1.1 分子蒸餾 依靠不同物質(zhì)分子逸出后的運動平均自由程的差別來實現(xiàn)物質(zhì)分離的技術。丁輝等[49,50]用分子蒸餾從大豆油脫臭餾出物中提取植物甾醇的含量達到2 6.12%,收率達到60.09%,此技術可以起到濃縮植物甾醇的作用,但流程長,步驟多,產(chǎn)品的純度和回收率不高。

      5.1.2 吸附法 根據(jù)吸附劑對不同組分吸附的選擇性差異進行分離,提取的植物甾醇純度較高,但是洗脫時間過長,溶劑消耗量大[51,52]。

      5.1.3 溶劑結晶法 溶劑結晶法主要采用非極性溶劑通過結晶的方法富集豆甾醇,然后再采用另一種溶劑體系進一步純化,主要使用的非極性溶劑包括正丙醇、正丁醇、正己烷和異丁醇等,高純度純化的溶劑和溶劑體系包括丙酮、甲苯、甲苯—甲醇和甲苯—丙酮體系。利用物質(zhì)在有機溶劑中溶解度差異的原理來提取植物甾醇,是國內(nèi)外關于混合甾醇單體分離研究的最常用方法。趙一凡等[53]以正己烷作為提取溶劑,采用冷卻結晶的方法從大豆油脫臭餾出物中分離粗甾醇,在2℃下結晶18h得到的甾醇純度為84.39%,再用丙酮重結晶將甾醇產(chǎn)品純度提高到94.87%。結晶法分離混合植物甾醇操作簡單但步驟多,溶劑用量大,回收困難,甾醇得率不高,一般需要后續(xù)純化。

      5.2 化學法

      化學方法是傳統(tǒng)的甾醇分離方法,1906年就開始應用[54]。主要是利用化學反應制備甾醇的各種衍生物,增加各種甾醇的物理性差異,再用物理法分離的方法,包括絡合法、皂化法等。

      5.2.1 絡合法 利用甾醇和有機酸、鹵素、鹵素堿土金屬鹽等的絡合性,甾醇絡合后的溶解度產(chǎn)生較大差異達到分離提取的效果。楊亦文等[55]用氯化鈣絡合法提取植物甾醇的工藝甾醇產(chǎn)品的含量達96%以上,收率達到75%以上,該法得到的植物甾醇純度和回收率較高,但是溶劑回收困難,生產(chǎn)成本較大。

      5.2.2 皂化法 利用酯在堿的作用下水解生成羧酸鹽和醇,再獲取所要提取的有機物。曹智[56]優(yōu)化了從天然維生素E生產(chǎn)渣油中提取植物甾醇的皂化工藝,但該法原料的利用率、產(chǎn)品的純度和收率低。

      5.3 其它方法

      酶法、超臨界CO2萃取法、微波輔助萃取法、加速溶劑萃取法是近年來在上述基礎上發(fā)展起來的輔助方法,由于采用了新型的設備或原理,提取率和純度更高,適于生產(chǎn)高品質(zhì)的植物甾醇,但大部分需要與上述基礎方法配合使用。

      5.3.1 酶法 酶法是使用酶對酯化過程進行催化,從而提高植物甾醇的純度及回收率方法,但酶的價格高使用壽命短[57]。

      5.3.2 超臨界CO2萃取法 超臨界CO2萃取法是通過選擇操作條件,在溶解度較高的脂肪酸、甘油三酯被萃取后,將留在萃取器中的植物甾醇再進行分離純化,或者直接用制得的植物甾醇制品進入此分離系統(tǒng)進行分離,但設備復雜且費用高[58]。

      溶劑結晶法、吸附法和絡合法是較為傳統(tǒng)的分離方法,目前仍在廣泛使用。加速溶劑萃取法在傳統(tǒng)方法的基礎上改進了溶劑的使用,具有高速、低溶劑消耗的優(yōu)點,是一種替代傳統(tǒng)方法的較好方式。而分子蒸餾法、超臨界CO2萃取法具有高效性和高選擇性,作為一種新型化工分離技術正在逐漸替代傳統(tǒng)分離方法,具有十分廣泛的應用前景,但由于設備投資大,維護和使用費用高,對于后期的純化也還存在許多難題。

      6 結論與展望

      由于植物甾醇的多重功效逐漸受到人們關注,對植物甾醇的研究也越來越深入和多樣化。從提純分離開始,為提高植物甾醇的高效性和針對性,高效高純低成本的分離技術逐步被開發(fā)和應用起來;為了提高植物甾醇的吸收利用率和產(chǎn)品化,液晶技術、脂質(zhì)體制備技術、微膠囊技術等技術逐步在植物甾醇的產(chǎn)品開發(fā)中應用。植物甾醇降血脂機理的基礎研究是這一新資源食品開發(fā)的基礎,隨著基礎研究的深入和突破,一類新型的健康食品才會真正為大家打開一扇健康之門。

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