丙二醛的毒性作用及檢測技術研究進展

翟曉虎，楊海鋒，陳慧英，何衛華，楊俊花*

（1江蘇農牧科技職業學院，泰州225300；2上海市農業科學院農產品質量標準與檢測技術研究所，上海201403；3江西工業貿易職業技術學院，南昌330038）

丙二醛是生物體脂質過氧化產生的產物，為1，3-雙不飽和醛結構，化學性質活潑，具有親電子性。生物體內，自由基作用于脂質發生過氧化反應，氧化終產物為丙二醛，會引起蛋白質、核酸等生命大分子的交聯聚合，且具有細胞毒性。故在科學研究中常將MDA作為機體氧化應激和脂質過氧化的重要生理指標。過量的MDA蓄積，不僅能降低動物體能、損傷神經，還能破壞腸道細胞結構，影響線粒體功能［1-3］。MDA作為飼料油脂氧化酸敗重要的有毒有害物質之一，畜禽攝入后極易引起氧化應激，導致組織細胞膜結構受損、流動性下降，肝臟抗氧化能力降低，動物生產性能和肉品質也下降，給畜牧業造成巨大的經濟損失［4-5］。此外，過量的MDA極易在動物源性產品中蓄積，最后通過食物鏈進入人體，損害健康。因此，本文結合國內外文獻報道綜述了關于MDA的理化性質、來源、代謝途徑、毒性作用及檢測技術的研究進展，旨在為揭示油脂酸敗致MDA蓄積引起的健康危害和畜禽生產性能下降作用機制提供參考。

1 丙二醛的理化性質

MDA是一種揮發性短鏈小分子化合物，含兩個結晶水，呈無色針狀晶體，60℃下真空干燥可得無水物。相對分子量為72.06，熔點72—74℃，水溶液呈弱酸性（pKa＝4.46）。MDA純品在中性條件下穩定，在酸性條件下不穩定，液態或氣態下完全烯醇化，形成穩定的烯酸式鹽，如MDA的烯醇式鈉鹽等。

2 丙二醛的來源

工業生產中，MDA主要由乙醛和甲酸乙酯在堿性條件下縮合而成，并在高壓真空下進一步升華精制，常用作醫藥中間體、感光色素的原料。在生物體內，MDA是二十烷基類物質（如：花生四烯酸）酶促降解的副產物，以及多不飽和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acid，PUFA）氧化降解的中間產物。在花生四烯酸的氧化降解過程中，首先經脂肪酸環化酶催化形成9，11，15-過氧化氫衍生物-前列腺素G2（Prostaglandin G2，PGG2），再由前列腺素過氧化酶催化生成前列腺環素、前列腺素、血栓烷的活潑中間體-PGH2（Prostaglandin endoperoxide H2），最后在血栓烷合成酶的作用下，約有30%形成MDA［6］。另外，很多學者認為MDA是PUFA在熱酸或金屬催化下形成的不穩定二級產物，推測含有三個或者多個共軛雙鍵的PUFA在氧化過程中形成含有β、γ共軛雙鍵的過氧化氫自由基或形成易氧化、環基化的含氧橋自由基（含三碳兩氧的五元環），而后這種過氧化物發生分子內斷裂生成MDA［7］。臭氧、氮氧化物、氧過多和某些外源性物質等環境因素也能促進體內脂質過氧化的發生。此外，高度不飽和酸的累積、維生素E或硒缺乏以及組織損傷等都能誘導金屬催化脂質過氧化的發生，導致過量的MDA產生［8］。另外，在電離輻射或氧化應激條件下，蛋白質、核苷酸、糖類等多種非脂類生物分子降解也可產生MDA［9］。

3 丙二醛的代謝轉化

在正常飲食或生理狀態下，會產生較多的內源性MDA，但哺乳動物有其完善的MDA促降解途徑，使機體內MDA的生成和降解基本保持動態平衡。MDA的代謝途徑主要包括兩部分：（1）首先MDA衍化生成乙醛，其次在醛降解酶的作用下生成CO2和少量乙酰輔酶A或丙酰輔酶A，CO2直接排出體外，乙酰輔酶A或丙酰輔酶A進入其他代謝循環，如脂質合成途徑。（2）代謝酶直接將MDA及脂質過氧化產生的其他醛類還原成相應的醇，直接解除醛的毒害作用［7］。其他資料顯示，MDA還可通過生成丙二酸鹽類被消耗。此外，由于MDA對酸不穩定，其代謝產物中只有極少量以原型分泌到尿液中，大都以N-乙酰-ε（2-丙烯醛基）賴氨酸（簡寫：ε-PL）的形式出現［8］。給大鼠灌胃14C標記MDA，12 h后MDA分別經CO2、糞便、尿液的排泄量為60%—70%、5%—15%和9%—17%［10］。

4 丙二醛的毒性作用

MDA不僅是生物體氧化應激的標志物，同時它還具有很強的毒副作用。其毒害機制可能是它易與生物分子中的初級氨發生非特異性反應，導致分子內或分子間發生交聯反應［11］。MDA與核苷酸堿基反應形成多種加合物，如M1G、M2G、M1A、M3A、M1C、M3C。這些加合物是由MDA上具有強親電子性的1，3-雙不飽和醛基與親核物質如賴氨酸、組氨酸等氨基酸殘基和蛋白質發生反應，進而誘導DNA和蛋白功能發生改變［12-13］。有研究指出，M1G不僅降低DNA的復制速度，對大腸桿菌也有致突變作用［14］。Chuan等［15］給人類RKO和H1299細胞系添加1 mmol/L的MDA，作用24 h后細胞內M1G含量顯著增加，細胞出現不可逆轉的周期停滯。Voitkun等［16］觀察發現在MDA作用下DNA-組蛋白發生交聯反應，不僅阻礙DNA的正常轉錄和復制，嚴重時還會導致染色體斷裂、缺失，以及突變和細胞死亡。有報道指出，MDA在體內與賴氨酸殘基結合形成N-ε-（2-丙烯醛基）賴氨酸或1-氨基-3-亞氨基丙烯和吡啶-二氫吡啶化合鍵形成的賴氨酸-賴氨酸交聯，是導致動脈粥樣硬化的基礎［17］，同時MDA引起的膠原蛋白分子間的交聯反應，可能是心血管硬化的主要原因［18］。此外，機體內過高的MDA還可引發嚴重的細胞毒性、遺傳毒性、神經毒性、致突變或致癌變作用等。

4.1 細胞毒性

MDA與核苷酸、蛋白質等的親核加成反應，是其對活體細胞產生毒害作用的基礎。Yin等［19］研究發現MDA會攻擊神經元細胞功能蛋白，改變蛋白活性，進而影響細胞的正常功能。給三周齡SD大鼠側腦室注射MDA，電鏡觀察發現不同濃度的MDA處理都會對大鼠海馬CA1區神經元細胞內線粒體造成不同程度損傷，如線粒體嵴變模糊或消失等，且MDA濃度越高，線粒體損傷越大［2］。其他研究發現，MDA能引起神經元突觸變短、胞體腫脹，抑制質膜Ca2+-ATPase活性，破壞神經元胞質游離Ca2+穩態，誘導細胞凋亡或死亡［20］。還有研究表明，MDA還可抑制NADH和琥珀酸呼吸鏈、降低電子傳遞鏈復合物I、II、V的活性以及腦神經元細胞中線粒體膜電位，促進ROS的產生，降低SOD活性和GSH水平，加劇線粒體蛋白質的羰基化程度［21］。

MDA對肝細胞的代謝也有影響，用不同濃度MDA體外干預大鼠肝線粒體，結果發現MDA對線粒體呼吸鏈及α-酮戊二酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶均有不同程度的影響，且不同酶對MDA的敏感程度不同［22］。體外人骨髓間充質干細胞研究顯示，高體積濃度的（10－3mol/L、10－4mol/L）MDA還能使細胞數減少，群體倍增時間延長，細胞活力降低，凋亡率增加，G2/M期和S期的細胞百分率明顯增加［23］。紅細胞試驗發現MDA可通過羰基應激造成其損傷，并誘導血液粘度增加［24］。可見，MDA主要通過改變蛋白活性、損傷線粒體、抑制膜電位、電子呼吸鏈功能、阻滯細胞周期等作用來誘導細胞凋亡，產生毒害作用。

4.2 神經毒性

MDA的神經毒性可能是源于對神經元細胞功能以及線粒體損傷作用的不斷累積，從而誘導神經元細胞凋亡。Morris水迷宮方法（包括定位航行實驗和空間探索實驗）研究發現，側腦室注射MDA不僅顯著影響SD大鼠的逃避潛伏期，同時還影響對水下平臺所在象限的準確記憶，顯著降低大鼠的空間學習、記憶能力［2］。李莉等［1］研究腹腔注射MDA對昆明小鼠體能行為（游泳、爬桿）的影響，結果發現一次性給藥或長期給藥MDA對小鼠的體能影響均達到了顯著水平。可見，MDA不僅導致大腦學習記憶能力的損傷和衰退，還能影響動物的體能，對生物體的運動機能也具有毒害作用。

4.3 遺傳毒性

MDA的遺傳毒性可能與其和不同核苷酸反應形成加合物有關。Vander等［25］指出MDA能引起基因堿基對置換或移碼突變。其他遺傳毒性試驗表明，MDA不僅能使大鼠皮膚成纖維細胞產生微核，10－4mol/L和10－3mol/LMDA分別處理12 h后可致14%和34%的染色體發生畸變，24 h后畸變率分別達到46%和52%［26］。Heddle等［27］研究發現MDA的微核試驗中產生無著絲粒片段，引發染色體斷裂。同時，在細胞分裂后期MDA能誘導產生滯后染色體，引起主軸異變，使染色體出現不均等分裂。可見，MDA的遺傳毒性主要是引起基因突變、微核產生以及染色體畸變等。

4.4 致突變和致癌毒性

早在1976年，Mukai等［28］就用Ames試驗證實了MDA對鼠傷寒沙門氏菌具有致突變作用。隨后，有研究表明20 mM MDA可對淋巴瘤細胞株產生細胞毒性，同時誘導大量的突變體細胞出現［29］。給Fischer大鼠灌胃100 mg/kg MDA鈉鹽兩年，可誘導甲狀腺濾泡細胞癌、胰島細胞腺瘤以及垂體前葉腺癌等發生，但對B6C3F1小鼠進行類似試驗，卻未觀察到癌變率增加［30］。目前的國內外動物試驗數據都不足以證明MDA對人體有致癌性，但對胃癌、肝癌、糖尿病和心血管疾病等患者血液中MDA的含量檢測發現，這些患者體內MDA的水平要遠高于正常人群［31］。可見，MDA不僅具有致突變作用，長期飼喂高劑量還可能誘導癌癥的發生，但對人體的作用還有待進一步試驗研究。

4.5 其他

MDA的其他研究發現，給8周齡雄性ICR Swiss小鼠灌胃90 d，肝細胞核呈現不規則，大小不一，染色過深，有的還形成空泡，并且肝臟的病變呈劑量-效益關系。然而，雌性ICR Swiss小鼠持續一年通過飲水攝入0.1 mg/（kg·bw）、1 mg/（kg·bw）、10 mg/（kg·bw）不同劑量的 MDA，其他組織未觀察到任何變化，只有肝臟發生嚴重損傷、肝臟臟器系數顯著降低，病理組織學顯示肝細胞出現結節性增生、肝細胞瘤和血管瘤等病變［32］。草魚研究指出，MDA會引起肝胰臟氧化應激，并可通過影響細胞線粒體內部結構來損傷草魚肝胰臟，增加其發生脂肪性肝炎的機率［3］。故可推斷，肝臟可能是MDA毒性作用的靶器官，因此很有必要對畜禽飼料中油脂的酸敗程度特別是MDA含量開展安全評估工作。

5 丙二醛的暴露現狀

MDA作為脂質過氧化主要的產物之一，在酸敗食品中含量很高。根據美國國家醫學圖書館的統計資料顯示，MDA在魚肉、魚油、腐敗的鮭魚油、腐敗的堅果、腐敗面粉、橙汁、植物油、脂類、新鮮的冷凍青豆、牛奶、牛奶脂肪、黑面包、生（熟）肉中都有檢測到。1983年，美國居民從魚和肉類中攝入MDA的日均量為0.2μg和0.6μg［33］。目前，關于我國居民食用油脂及油脂飼料中MDA的含量檢測報道較少，只有覃勇榮等［34］檢測了桂西北65種常見石山植物葉片中MDA的含量范圍為0.0052—0.0381μmol/g。其他報道只是將MDA作為評判大米陳化，面粉、臘肉、食用油、飼料以及堅果儲存過程中油脂酸敗的一個指標，這可能與我國還沒有建立食品以及飼料中MDA安全限量的標準有關。隨著飲食結構的改變，我國人民生活水平的逐漸提高，MDA的日攝入量可能增加。高油脂食品作為人體MDA攝入的主要途徑，故對高油脂食品中MDA進行監測和開展安全限量研究很有必要。

6 丙二醛的檢測方法

MDA能與核苷酸、蛋白質等親核物質反應，發生氧化損傷或其他生理作用。在生物和醫藥科學中，MDA常作為肝臟和機體等氧化應激的生物標志物。而在不同種食品，特別是高油脂食品MDA常作為判定油脂酸敗的標志物。因此，不斷提升和改進MDA的檢測方法對準確判斷機體損傷和油脂酸敗具有重要意義。

6.1 比色法

硫代巴比妥酸（TBA）比色法是檢測MDA含量的傳統分析方法。該法利用過氧化降解產物中的MDA與硫代巴比妥酸（TBA）在高溫（80—100℃）和酸性條件下以1∶2的比例縮合，形成的紅色的MDA-TBA加合物，于532 nm處有最大吸收峰來進行測定［35］。此方法的優點是儀器簡單，易于快速操作、簡便、成本低廉，從而被廣泛采用。而比色法的缺點是靈敏度低、選擇性不強，常出現假陽性。這主要是由于在高溫、酸性條件下，不僅MDA會與TBA反應，脂類氧化產生的其他醛類物質也能與TBA發生反應。因此，TBA與MDA的反應不具有特異性。

6.2 高效液相色譜法

高效液相色譜法是定量分析MDA的方法，可實現MDA的定性、定量、確證同時進行。為了取得理想的檢測效果，常需綜合考慮流動相、色譜柱、柱溫和檢測器等條件，優化最佳配比。課題組前期工作中已采用高效液相色譜法（HPLC）及熒光檢測器建立了飼料中MDA的檢測方法，并制定了國家標準GB/T 28717—2012。該方法的檢測限為0.015 mg/kg，定量限為0.05 mg/kg［36］。跟比色法相比，該方法特異性高、靈敏度強。然而，該法也存在諸多不足，如檢測器靈敏度有限，耗時長，回收率和分子組分會受環境因素影響等。

6.3 其他方法

孔汶汶等［37］開拓性的應用近紅外光譜技術實現了除草劑脅迫下大麥葉片中MDA的簡便、無損和快速檢測。其他研究還開展了MDA的液相色譜-質譜聯用儀（Liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、氣相色譜-質譜聯用儀（Chromatograph-mass spectrometer，GC-MS）、液相色譜串聯質譜法（LC-MS/MS）、氣相色譜串聯質譜法（GC-MS/MS）等。如 Shin等［38］用 GC-MS法檢測人體尿液中MDA的檢測限為0.04μg/L。Syslová等［39］在用LC-MS/MS分析哈氣中的MDA含量，檢測限可低至0.032μg/L。這些技術增強了MDA檢測的靈敏度和特異性，但由于儀器設備昂貴、樣品需要衍生化等要求限制了方法的廣泛應用。

7 結論

隨著人類對精密儀器和分子生物學的研究，將會進一步揭示MDA毒性作用的機理，并提出更高靈敏度和特異性的檢測方法標準。然而目前國內外對MDA的毒理試驗研究還較少。隨著人類飲食習慣、膳食結構的變化，現代社會人們對油脂類食品的攝入量日益增加，MDA作為脂質過氧化的產物有生物毒性，有對人體健康造成危害的潛在性。因此，對高油脂食品中MDA的毒理試驗研究很有必要，這也將給MDA的進一步風險評估提供數據。

［1］李莉.氧應激狀態下丙二醛對小鼠體能的急慢性影響和對生化影響的研究［D］.長沙：湖南師范大學，2004.

［2］陳菁菁，方垂，李芳序，等.丙二醛對大鼠空間學習、記憶能力及海馬CA1區超微結構的影響［J］.動物學報，2007，53（6）：1041-1047.

［3］姚仕彬，葉元土，蔡春芳，等.丙二醛對離體草魚腸道粘膜細胞的損傷作用［J］.水生生物學報，2015，39（1）：133-141.

［4］陳騁，余群力，韓玲，等.丙二醛對牛肉線粒體高鐵肌紅蛋白還原能力的影響［J］.農業機械學報，2015，46（12）：253-259.

［5］王改琴，王恬.油脂氧化酸敗對畜禽機體功能影響及其氧化防控措施［J］.中國油脂，2010，35（7）：46-50.

［6］THURESSON E D，LAKKIDESK M，RIEKE C J，et al.Prostaglandin endoperoxide H synthase-1：the functions of cyclooxygenase active site residues in the binding，positioning，and oxygenation of arachidonic acid［J］.JBiol Chem，2001，276（13）：10347-10357.

［7］李國林，李莉，印大中.TBARS的新應用-表征羰基緊張［J］.激光生物學報，2003，12（2）：112-115.

［8］DRAPER H H，HADLEY H H.A review of recent studies on themetabolism of exogenous and endogenousmalondialdehyd［J］.xenobiotica，1990，20（9）：901-907.

［9］JANERODR.Malondialdehyde and thiobarbituric acid activity asdiagnostic indicesof lipid peroxidation and peroxidative tissue injury［J］.Free Radic Biol Med，1990，9（6）：515-540.

［10］SIU G M，DRAPER H H.Metabolism ofmalonaldehyde in vivo and in vitro［J］.Lipids，1982，17（5）：349-355.

［11］MARTIN G，HENK L，WILFRIEDM A.Recent Advancements in the LC-and GC-Based Analysis of Malondialdehyde（MDA）：A Brief Overview［J］.Chromatographia，2012，75（9-10）：433-440.

［12］BASU A K，HARA SM，VALLADIER P，et al.Identification of adducts formed by reaction of guanine nucleosides and malondialdehyde and structurally related aldehydes［J］.Chem Res Toxicol，1988，1（1）：53-59.

［13］STONE K，UZIEBLO A，MARNETT L J.Studies of the reaction ofmalondialdehyde with cytosine nucleosides［J］.Chem Res Toxicol，1990，3（5）：467-472.

［14］FINK SP，REDDY G R，MARNETT L J.Mutagenicity in Escherichiacoli of the major DNA adduct derived from the endogenous mutagen malondialdehyde［J］.Proc Natl Acad Sci U SA，1997，94（16）：8652-8657.

［15］JIC，ROUZER C A，MARNETT L J，et al.Induction of cell cycle arrest by the endogenous product of lipid peroxidation，malondialdehyde［J］.Carcinogenesis，1998，19（7）：1275-1283.

［16］VOITKUN V，ZHITKOVICH A.Analysis of DNA-protein cross-linking activity ofmalondialdehyde in vitro［J］.Mutat Res，1999，424（1-2）：97-106.

［17］UCHIDA K.Role of reactive aldehyde in cardiovascular diseases［J］.Free Radic Biol Med，2000，28（16）：85-96.

［18］SLATTER D A，BOLTON CH，BAILEY A J.The importance of lipid-derived malondialdehyde in diabetesmellitu［J］.Diabetologia，2000，43（5）：550-557.

［19］YIN D Z.Biochemical basis of lipofuscin，ceroid，and age pigment-like，fluorophores［J］.Free Radic Biol Med，1996，21（6）：871-888.

［20］蔡建光，湯華.丙二醛對大鼠海馬神經元結構的破壞和鈣離子穩態的影響［J］.生命科學研究，2011，15（4）：283-288.

［21］劉昌盛.丙二醛對大鼠腦線粒體呼吸功能和相關酶活性影響研究［D］.沈陽：沈陽農業大學，2006.

［22］龍建剛，王學敏，高宏翔，等.丙二醛對大鼠肝線粒體呼吸功能及相關脫氫酶活性影響［J］.第二軍醫大學學報，2005，26（10）：1131-1135.

［23］李輝.丙二醛對體外培養骨髓間充質干細胞生長與增殖的影響［D］.長沙：湖南師范大學，2005.

［24］彭密軍，劉婷婷，蔡建光，等.紅細胞羰基毒化及谷胱甘肽的保護作用［J］.生命科學研究，2008，12（3）：215-221.

［25］VANDERVEEN L A，HASHIM M F，SHYR Y，etal.Induction of frameshiftand base pair substitutionmutations by themajor DNA adductof the endogenous carcinogen malondialdehyde［J］.Proc Natl Acad Sci，2003，100（42）：1447-1452.

［26］BIRD R P，DRAPER H H，BASRUR PK.Effectofmalonaldehyde and acetaldehyde on culturedmammalian cells：Production ofmicronucleiand chromosomal aberrations［J］.Mutat Res，1982，101（3）：237-246.

［27］HEDDLE JA.A rapid in vivo test for chromosomal damage［J］.Mutation Res，1973，18（2）：187-190.

［28］MUKAI F H，GOLDSTEIN B D.Mutagenicity of malondialdehyde，a decomposition product of peroxidized polyunsaturated fatty acids［J］.Science，1976，191（14229）：868-869.

［29］YAU TM.Mutagenicity and cytotoxicity ofmalondialdehyde in mammalian cells［J］.Mech Ageing Dev，1979，11（2）：137-144.

［30］SPALDING JW.NTP toxicology and carcinogenesis studies ofmalondialdehyde，sodium salt（3-hydroxy-2-propena1，sodium salt）（CAS No.24382-04-5）in F344/N rats and B6C3F1 mice（gavage studies）［J］.Natl Toxicol Program Tech Rep Ser，1988，331：1-182.

［31］DEL RD，STEWART A J，PELLEGRININ.A review of recent studies on malondialdehyde as toxic molecule and biologicalmarker of oxidative stress［J］.Nutr Metab Cardiovasc Dis，2005，15（4）：316-328.

［32］BIRD R P，DRAPER H H，VALLIV E O.Toxicological evaluation ofmalonaldehyde：a 12-month study ofmice［J］.JToxicol Environ Health，1982，10（6）：897-905.

［33］HARTMAN P E.Review：putative mutagens and carcinogens in foods.I.nitrate/nitrite ingestion and gastric cancer mortality［J］.Environ Mutagen，1983，5（1）：111-121.

［34］覃勇榮，農艷春，潘振興，等.桂西北65種石山植物的丙二醛和脯氨酸含量［J］.貴州農業科學，2012，40（9）：49-53.

［35］周琪，梁運祥.動物肝組織中丙二醛含量測定方法的改進［J］.時珍國醫國藥，2010，21（1）：224-22 5.

［36］楊海鋒，劉丹，楊俊花，等.高效液相色譜法測定飼料中的丙二醛含量［J］.上海農業學報，2013，29（4）：14-17.

［37］孔汶汶，劉飛，鄒強，等.基近紅外光譜技術的油菜葉片丙二醛含量快速檢測方法研究［J］.光譜學與光譜分析，2011，31（4）：988-991.

［38］SHIN H S，JUNG D G.Sensitive analysis ofmalondialdehyde in human urine by derivatization with pentafluorophenyl-hydrazine then headspace GC-MS［J］.Chromatographia，2009，70（5）：899-903.

［39］SYSLOVáK，KACER P，KUZMAM，etal.Rapid and easymethod formonitoring oxidative stressmarkers in body fluids of patientswith asbestos or slica-induced lung diseases［J］.JChromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci，2009，877（24）：2477-2486.