食源性甾醇類化合物生物活性及應用

賈 碩,張 帆,周 寰,謝建華,袁蘭蘭,申明月,*

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學圖書館,江西南昌 330031)

甾醇類化合物是以環戊烷全氫菲(甾核)為基本骨架的一大類化合物,廣泛存在于生物體組織內,只能由乙酰輔酶A合成或通過從外界攝取,在生物體生命過程中起著重要的作用[1]。自然界中甾醇存在形式不一,以游離態或結合態的形式存在,通過C-3位衍生為甾醇糖苷、甾醇酯等多種化合物。根據甾核化學式(圖1)C-4位所連甲基的數目,甾醇可大致分為4-無甲基甾醇、4-甲基甾醇和4,4-二甲基甾醇三類,其中4-無甲基甾醇是目前研究最多的一類[2]。根據其來源又可分為動物甾醇、植物甾醇和菌類甾醇[3]。食源性甾醇是從可食用的植物、菌菇中獲得的甾醇類化合物的統稱。表1中列舉了一些常見的食源性甾醇。

表1 常見的食源性甾醇Table 1 Common food-derived sterols

圖1 甾核結構式

食源性甾醇廣泛存在于可食性植物的花、果、葉、種子和根莖等部分中[4],根據植物種類或不同部位的區別,甾醇種類及相對含量也會有一定差別[5]。例如玉米、小麥、大麥和燕麥等谷物中谷甾醇含量較高,且多以結合態的形式存在。目前從植物體中已經分離鑒定出超過40種的植物甾醇,并以谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇等最為常見[6],這三種甾醇含量總和約占總植物甾醇含量的98%[7]。相較于植物體,甾醇類化合物在真菌中更為廣泛地存在,同樣與維持細胞形態與正常生理功能密切相關;同時,在不同真菌中的甾醇類型及含量存在著明顯差異[8]。菌類甾醇多為C28結構,在絕大多數真菌的甾醇成分中,麥角甾醇及其衍生物的含量占主導地位[9]。

食源性甾醇類化合物是重要的天然甾體,具有多種獨特的生物學活性及功能。早在2000年,美國食品藥品監督管理局(FDA)就通過了決議,允許添加了甾醇和(或)其衍生物甾烷醇酯的食品貼上“有益健康”的標簽。關于甾醇類化合物的生理功能的研究,最開始主要集中在其降膽固醇功效及其機理上,后來發現甾醇還具有抗癌、免疫調節、抑菌等生理功能[10]。本文綜述了食源性甾醇的相關研究成果,對其主要生理活性及應用進行了歸納,并對相關研究報道進行了簡要的分析和評述,以期為食源性甾醇的深入研究提供參考。

1 食源性甾醇類化合物的生物活性

1.1 降膽固醇作用

早在1951年,Peterson[11]就提出了植物甾醇能夠降低血漿膽固醇水平,發現喂養含有豆甾醇飼料的實驗組雛雞血漿及肝臟中的膽固醇含量低于未加豆甾醇的對照組。植物甾醇及其衍生物能夠降低血清中低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)的含量,而對其他脂蛋白不造成影響[12]。關于食源性甾醇類化合物特別是植物甾醇降低膽固醇的研究經過以下幾個時期[13]:觀察時代[11]。植物甾醇能抑制腸道膽固醇吸收,導致血清膽固醇濃度降低,但并沒有進行深入研究；膠束時代[14]。提出了微膠束理論,認為甾醇是通過形成微膠束后才可以穿過腸上皮細胞,被人體吸收。由于膽固醇與植物甾醇結構相似,存在競爭關系,所以植物甾醇可以擠掉膠束中膽固醇,從而增加體外膽固醇的排出量；轉運時代[15]:隨著ABCG5/ABCG8和NPC1L1等不同的甾體轉運蛋白及其調控機制的發現,植物甾醇被認為能夠使ATP結合盒亞家族G成員(ABCG5/8)和膽固醇酰基轉移酶(ACAT)表達量增加,導致膽固醇吸收減少。新發現的時代[16]:最近有學者提出腸道膽固醇排泄(TICE)是甾醇介導的降膽固醇作用的可能機制。

關于食源性甾醇類化合物降膽固醇的作用機理,存在多種假說[17],目前被接受的主要的解釋理論有以下四種:(a)根據甾醇的疏水特性,進入小腸后能夠競爭性取代小腸內腔微膠束中的膽固醇,造成膽固醇濃度下降,減少腸道對膽固醇的吸收,而使糞便膽固醇排出增多,進而降低體內膽固醇的累積和吸收,這與膠束理論一致。在體外模擬膽汁的條件下也取得了同樣的效果,植物甾醇的添加能有效取代膠束中的膽固醇,且豆甾醇活性略強于谷甾醇[18]。與植物甾醇類似,菌類甾醇和膽固醇也具有一定的結構相似性,它們可能通過與人腸中的細胞受體競爭性結合來減少膽固醇的吸收[19]。(b)小腸內只有被ACAT催化酯化后的膽固醇才能進入血循環,而由于結構差異性使得食源性甾醇難以被ACAT酯化,大部分又重新由ABCG5/8等轉運體泵回腸腔。因此,游離甾醇能夠上調腸細胞ABCG5/8轉運體的表達[20],使被吸收的膽固醇重新回到小腸內腔,從而使膽固醇的凈吸收含量降低。另外,通過抑制ACAT的活性進而使膽固醇吸收減少作為潛在的降膽固醇方式也被認為具有一定的可行性;通過向高膽固醇膳食小鼠飼料中添加植物甾醇,能使受試動物肝臟ACAT活性相較對照組降低12%,同時小鼠極低密度脂蛋白(VLDL)和低密度脂蛋白(LDL)膽固醇也有顯著降低(34%和41%)[21]。(c)干擾乳糜微粒形成機制:甾醇類化合物可通過抑制肝細胞載脂蛋白B(ApoB)的生成和減少VLDL中膽固醇的含量來影響血液中LDL的形成,可增加脂蛋白受體(LDLR)的表達量進而清除了LDL膽固醇[22]。根據家族性高膽固醇血癥患者的臨床試驗結果,植物甾醇能與辛伐他丁或辛伐他丁/依澤替米貝發揮協同效應,對受試患者血漿中總膽固醇、LDL膽固醇、甘油三酯及ApoB能發揮出更顯著的降低作用[23]。(d)甾醇類化合物可通過調控膽固醇合成及代謝中關鍵酶的活性,如植物甾醇能增強膽固醇合成限速酶的活性,同時可降低乙酰基-輔酶A羧化酶和蘋果酸酶的活性,抑制膽固醇的酯化酶ACAT的活性。膽固醇-7α-羥化酶(CYP7A1)是膽固醇向膽酸轉化的關鍵酶,根據實驗組小鼠肝臟中相關指標的測定結果,植物甾烷醇能促進肝臟X受體α(LXRα)及其靶基因CYP7A1的表達,對膽固醇代謝有一定的促進作用[24]。雙孢菇中甾醇提取物能夠降低高膽固醇血癥大鼠的7膽固醇水平并抑制3-羥基-3-甲基-戊二酰輔酶A還原酶的活性[19]。

雖然假說機制很多,但食源性甾醇降低膽固醇并不是簡單的單個機制作用產生的生理活性,可能是多重過程復雜的相互作用。

1.2 抗癌作用

近年來,食源性甾醇的抗癌活性引起人們關注[25]。最新的流行性病學研究發現,攝入植物甾醇能使多種癌癥包括乳腺癌、胃癌、結腸癌、前列腺癌和卵巢癌等的患病幾率降低[26]。Mendilaharsu等[27]對烏拉圭的463名新診斷的原發性肺癌患者和對照組465名非肺癌住院患者進行了病例對照研究,發現植物甾醇攝入量與罹患癌癥的風險呈負相關。De等[28]調查了120名確診患有胃癌的患者和360名非腫瘤性疾病患者的植物甾醇攝入量,研究其對胃癌患病率的影響,結果顯示總甾醇攝入量與胃癌發病率呈反比關系。Mccann等[29]發現在較高的豆甾醇攝入量(423 mg/d)下發生卵巢癌的風險降低。紐約膳食研究機構發布的調查報告指出菜油甾醇、β-谷甾醇和豆甾醇的攝入都能減少卵巢癌的發病率[26]。

體內外實驗研究證實植物甾醇確實存在抗癌功效[30]。Llaverias等[31]用一種遺傳性乳腺癌的小鼠模型研究了膳食中植物甾醇對腫瘤發病影響,結果表明小鼠乳腺增生性病變和腫瘤負擔減少,同時植物甾醇攝入對小鼠體內脂肪氧化表現出抑制作用。

體外實驗研究表明β-谷甾醇和豆甾醇能夠抑制小鼠黑色素瘤細胞B16F10的生長,并顯示出對凋亡的誘導作用[32]。Heleno等[33]發現,雙孢菇的甾醇提取物和麥角甾醇比植物甾醇表現出更高的腫瘤細胞抑制活性,該提取物對人乳腺癌細胞MCF-7,大細胞肺癌細胞NCI-H460,人子宮頸癌細胞HeLa及人肝癌細胞HepG2細胞系具有很強的抑制作用。從靈芝子實體中分離得到的三種甾醇組分(真菌甾醇、9(11)-脫氫麥角甾醇過氧化物以及Demethylincisterol A3)能抑制12-O-十四烷酰佛波醇-13-乙酸酯(TPA)誘導的愛潑斯坦病毒早期抗原(EBV-EA)活性,IC50值分別為370、235和293(mol ratio/32 pmol TPA)[34]。利用赤芝中獲得的三種甾醇組分(靈芝萜烯酮醇、麥角甾-7,22-二烯-3β-醇、過氧化麥角甾醇)對人肝癌細胞株BEL-7402、人胃癌細胞株MGC-803進行體外抗腫瘤實驗,發現以上三種化合物具有顯著的抗腫瘤效應,并對正常細胞系HUEBV無明顯毒性;進一步研究表明,靈芝萜烯酮醇和麥角甾-7、22-二烯-3β-醇對抑制BEL-7402細胞增殖表現出協同效應[35]。

盡管現有實驗研究結果與流行性病學的調查結果之間存在一致性,但關于甾醇類物質的抗腫瘤機制至今仍未完全闡明。目前關于其抗腫瘤機制的解釋主要有:抑制致癌物的產生、癌細胞的生長、入侵、轉移和促進細胞凋亡等[36]。此外,雖然甾醇類化合物的大部分抗癌作用已經在體外實驗和動物實驗中得到確認,但仍需要經過人體試驗證實,才能將其作為抗腫瘤藥物。

1.3 抗炎作用

炎癥與多項疾病聯系密切,一般的炎癥反應是宿主對外來挑戰或組織損傷有益的自我保護反應,最終使得身體機能恢復正常。然而長期的炎癥反應會對身體有損傷,能誘發多種疾病,如關節炎、哮喘、多發性硬化癥、炎癥性腸病和動脈粥樣硬化等[37]。

研究發現從松針層孔菌子實體分離得到的麥角甾-4,6,8(14),22-四烯-3-酮、麥角甾-7,24(28)-二烯-3-醇和5,8-環二氧麥角甾-6,22-二烯-3-醇,對于脂多糖(LPS)誘導的巨噬細胞RAW 264.7中一氧化氮的產生有顯著抑制作用,其中麥角甾-7,24(28)-二烯-3-醇的IC50為15.1 μmol/L。同時這些物質均表現出對誘導性一氧化氮合酶(iNOS)和環氧化酶-2(COX-2)的蛋白質和mRNA表達的抑制,且存在劑量-效應關系[38]。從多花羅漢松中分離得到的麥角甾醇能顯著降低由LPS誘導的急性肺炎病理變化,并表現出對促炎性細胞因子,包括腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-6(IL-6)等的抑制作用,說明其作用機理可能與對核因子-κB(NF-κB),COX-2和iNOS通路的抑制有關[39]。

Valerio等[40]長期研究β-谷甾醇的抗炎活性,并且取得了較好的研究成果,實驗通過植物甾醇防治實驗性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)的能力來驗證其作為抗炎物質的潛力,結果表明植物甾醇可以通過減少小鼠腦中巨噬細胞的存在和炎癥活性來降低疾病發病率。其進一步研究表明[41],β-谷甾醇是通過抑制促炎細胞因子和趨化因子的釋放,從而抑制信號傳導及轉錄激活因子(STAT1)信號通路,從而具有一定的抗炎活性。此外,β-谷甾醇還可以抑制NF-κB向細胞核的易位,Yoo等[42]對從海藻中提取的巖藻甾醇進行抗炎活性研究,發現巖藻甾醇可通過下調mRNA轉錄從而抑制多種細胞因子的表達;另外巖藻甾醇減弱了LPS誘導的NF-κB轉錄活性,同時減弱了絲裂原活化蛋白激酶通路,表明其抗炎作用與NF-κB和分裂原激活蛋白激酶p38信號傳導通路有關。

1.4 免疫調節作用

植物甾醇具有很好的免疫調節功能,Bouic等[43]在1996年首次肯定了β-谷甾醇和其糖苷混合物的免疫調節活性,通過體內外實驗結果發現,受試馬拉松運動員在攝取β-谷甾醇和其糖苷混合物后,CD3+和CD4+細胞增加,IL-6及皮質醇降低,炎癥抑制較輕。同時,β-谷甾醇和其糖苷混合物能夠調節T細胞活性,增強NK細胞的細胞毒性能力。Navarro等[44]發現β-谷甾醇能夠抑制嗜中性細胞滲入組織,減少β-葡糖醛酸酶和超氧化物的產生,表明其體外調節活性與補體系統的經典途徑密切相關。孟海波等[45]研究發現米糠甾醇能提高大鼠巨噬細胞的吞噬率、吞噬系數、碳廓清指數、促進B淋巴細胞增殖及分化,在中劑量及低劑量組中可觀察到血清溶血素的釋放增加,各劑量組大鼠脾臟指數均有提高,表明米糠甾醇對大鼠體液免疫改善有顯著作用。通過預先對小鼠飼喂蒲公英甾醇,能顯著降低由致死劑量LPS誘導的內毒性休克的死亡率,抑制炎性細胞因子(IFN-γ,IL-1β,IL-6,TNF-α)和介質(NO、前列腺素PGE2)分泌,并對肺組織損傷具有一定的預防作用[46]。

1.5 其它

除降膽固醇、抗腫瘤、抗炎和調節免疫活性外,食源性甾醇還有許多其他生理功能,例如抗氧化功效、表面活性劑、類激素等[47]。研究發現植物油富含的甾醇在煎炸條件下能保護油脂中的脂肪酸,使其不被氧化降解。燕麥油脂中分離出的Δ5-燕麥甾醇、Δ7-燕麥甾醇和β-谷甾醇等能夠阻止不飽和脂肪酸在髙溫條件下發生氧化降解[48]。

另外,甾醇還具有抑菌活性。研究發現玉米須甾醇能夠明顯抑制金黃色葡萄球菌、志賀氏菌、毛霉和青霉等生長[49]。其抑菌機制可能是玉米須甾醇能夠使菌體體內電解質出現滲透,從而使細胞膜的通透性發生變化;細菌體內蛋白質的含量下降;還原糖的消耗速度變慢[49]。文冠果種仁甾醇同樣表現出對細菌的可溶性蛋白質合成及還原糖利用能力的抑制作用,對四種微生物的抑制強度順序為金黃色葡萄球菌>鼠傷寒沙門氏菌>枯草芽孢桿菌>大腸桿菌[50]。

2 在食品領域的應用

食源性甾醇在食品領域中的應用最早始于1995年,植物甾烷醇酯最早被應用于人工黃油的工業生產[51]。而我國在2002年頒布的《衛生部關于進一步規范保健食品原料管理的通知》中指出,植物甾醇作為保健食品的植物性原料中功能成分,被列為“可用于保健食品的物品”和“既是食品又是藥品的物品”[52]。隨著相關研究的不斷完善,目前已有大量以食源性甾醇作為有效成分的功能性食品,按照分類又可分為油脂類、保健品以及飲品類(表2)。

表2 以食源性甾醇作為活性成分的部分功能性食品Table 2 Partial functional foods with food-derived sterol(s)as active ingredients

然而,甾醇因其獨特的物理性質幾乎不溶于水且生物利用度相對較低[53];因此一般會將甾醇通過化學修飾如酯化后添加到產品中,其它方式如通過微膠囊化技術將其它物質作為載體如羥丙基-β-環糊精或乳清蛋白分離物、菊粉和殼聚糖的混合體系也能提高甾醇在水體系中的溶解程度[54-55]。目前已有向果汁、巧克力、發酵乳等添加植物甾醇類化合物的相關研究[56]。迄今除外源性甾醇類物質本身外,添加這類化合物的產品在儲存期內相較于未添加的產品在主要營養成分的含量方面更加穩定。總體而言,植物甾醇及其衍生物的添加對產品營養價值和貨架期的延長具有一定的積極作用。

目前,有關菌類甾醇應用于食品中的報道也在逐年增加。雙孢菇甾醇提取物與麥角甾醇表現出與植物甾醇相似的抗氧化活性,能保護酸奶免受氧化,延長產品貨架期[33]。此外,向發酵乳制品中添加姬松茸子實體的甾醇提取物能顯著提高其抗氧化能力,而對其營養成分無明顯影響[57]。

Grasso等[58]人發現添加植物甾醇后,火雞肉質在剪切力、脂質氧化、L值和持水能力方面受到了顯著影響,其感官差異、顏色、質地和風味的綜合評價結果表明植物甾醇的添加對產品整體影響較小。購買意愿和支付意愿指標的數據顯示,盡管甾醇添加后肉的感官評價弱于非添加肉,但在標明富甾醇的信息后該食品的可接受程度有顯著提高,說明目前人們對于甾醇添加食品的接受程度也越來越高[59]。

3 結語

一般認為,植物油在食源性甾醇攝入來源中占據重要地位,除此之外,谷物、蔬果、菌菇類中都含有較為豐富的甾醇類物質。而在油脂加工廢料如脫臭餾出物中甾醇含量較高,在工業生產上被作為甾醇提取的主要來源。食源性甾醇在自然界分布廣泛,并且具有顯著的生理活性,包括但不限于降膽固醇、抗癌、抗氧化能力等。目前對其活性的研究尚不夠完善和深入,并且關于其生理活性的作用機理尚未完全闡明。因此通過更加完善的方式評估和驗證其機理深入進行實驗研究與臨床數據的評價,才能進一步推動其在食品、醫藥甚至其他領域的更廣泛應用。

另一方面,我國油脂產業規模較大,但同發達國家相比甾醇資源的開發利用方面相對落后,油脂及菌菇類生產加工廢料的直接丟棄造成該資源的嚴重浪費。因此,合理高效地利用這類天然產物會是今后相關產業發展的一個方向。