植酸及其生理活性研究進(jìn)展

高延芬，徐 虹，宋煥祿

(北京工商大學(xué)，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，食品風(fēng)味化學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048)

1872年，Pfeffer最先于糊粉谷物中發(fā)現(xiàn)了植酸。它一般不以游離態(tài)存在自然界，而以其與鈣鎂等金屬離子組成的一種復(fù)鹽(俗稱菲汀)形式存在，多存于谷類和植物種子如花生、棉籽、玉米、葵花子等的糊粉層和胚芽及麩皮、米糠、水果蔬菜中，其中米糠中的含量最豐富，可高達(dá)14%以上［1］。植酸的化學(xué)名稱為肌醇六磷酸酯，即環(huán)己六醇的六磷酸酯(IP6)，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，其分子式為C6H6P6O24H18，分子量660.08。早期人們對(duì)植酸的研究主要集中在植酸結(jié)構(gòu)的鑒定方面，并且多把植酸看作一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，然而近年來(lái)隨著對(duì)植酸研究的深入，其潛在的生理活性及重要的應(yīng)用價(jià)值不斷得到認(rèn)可。植酸因含有12個(gè)活潑的氫離子而顯強(qiáng)酸性，它有6個(gè)強(qiáng)酸性基、2個(gè)中酸性基、4個(gè)弱酸性基，12個(gè)氫離子可分三步電離，不同pH可獲得植酸不同的酸式鹽，所以植酸在較寬pH范圍內(nèi)可以與不同金屬離子有較強(qiáng)的螯合能力，并且其螯合能力強(qiáng)于EDTA［2］，這些獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)使之呈現(xiàn)多種重要的生理活性和保健功能。植酸的毒性也極低，小白鼠(口服)LD50為4924mg/kg，介于乳酸和山梨酸之間，比氯化鈉(4000mg/kg)安全［3］。因此，植酸的生產(chǎn)和安全性符合A級(jí)綠色食品的概念和有關(guān)規(guī)定，是一種優(yōu)良的多功能添加劑。

圖1 植酸的分子結(jié)構(gòu)圖［4］Fig.1 The molecular structure of phytic acid［4］

1 抗氧化功能

機(jī)體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與鐵離子的催化作用有關(guān)，而自由基的產(chǎn)生和氧化產(chǎn)物的生成會(huì)造成機(jī)體脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)和DNA損傷等的發(fā)生，體內(nèi)氧化應(yīng)激是誘導(dǎo)多種慢性病發(fā)生、發(fā)展的主要機(jī)制［5］。植酸的抗氧化特性在于它能產(chǎn)生氫，破壞自氧化過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)氧化物，使之不能繼續(xù)形成醛、酮等產(chǎn)物;或者是植酸可以充分利用其磷酸基團(tuán)，螯合起催化氧化反應(yīng)進(jìn)行的金屬離子，從而產(chǎn)生良好的抗氧化性。

在1984年［6］，Graf首次把植酸作為一種天然抗氧化劑來(lái)研究，并且在1987年［7］采用分光光度法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植酸鹽/鐵摩爾濃度比大于或等于0.25時(shí)，可完全抑制Fenton反應(yīng)中羥基自由基的產(chǎn)生。Rimbach 和 Pallauf［8-9］在 1998 年應(yīng)用電子自旋(捕集)共振光譜技術(shù)(ESR)，更進(jìn)一步探索了植酸的體外抗氧化特性，自旋捕集不僅可以檢測(cè)到自由基的產(chǎn)生，而且可以部分地確認(rèn)形成自由基的類型，通過(guò)ESR發(fā)現(xiàn)，植酸正是通過(guò)其磷酸基團(tuán)螯合金屬鐵離子來(lái)抑制Fenton反應(yīng)中羥基自由基的生成。Zhang［10］等報(bào)道了植酸的抗氧化作用，具有較好的清除DPPH自由基、羥基自由基、超氧陰離子的能力，在濃度為0.5mg/L時(shí)，上述自由基的清除率分別可達(dá)25.81%、15.93%、5.90%。

Miyamoto［11］等研究還發(fā)現(xiàn)植酸在機(jī)體消化中可被水解，水解產(chǎn)物中含有三個(gè)及三個(gè)以上磷酸基團(tuán)，雖然其螯合作用有所減弱，抗氧化效果也比植酸稍弱，但仍可抑制脂質(zhì)過(guò)氧化和磷脂膜氧化。然而，研究發(fā)現(xiàn)植酸和肌醇在黃嘌呤/黃嘌呤氧化酶催化反應(yīng)中卻對(duì)自由基的生成速度不起任何作用，而此類反應(yīng)多生成超氧化物類物質(zhì)。Midorikawa［12］等認(rèn)為植酸抑制DNA氧化損傷的可能機(jī)制是:植酸雖然不能清除活性氧，卻可抑制產(chǎn)生H2O2的HL-60細(xì)胞中8-O-7，8-二氫-8＇脫氧鳥苷的生成。

Shan和Davis［13］也發(fā)現(xiàn)膳食植酸鹽可提高血液、心臟以及沒有補(bǔ)給硒的肌肉中的GSH-PX活性，且植酸鹽在多種組織中與硒存在正相關(guān)的相互作用。并且植酸作為天然無(wú)毒的抗氧化劑，對(duì)于改善羥基造成的心肌缺血可能存在一定的治療作用，Rao等［14］在SD鼠缺血-再灌注模型中，以7.5和15mg/100g植酸靜脈注射的處理組中，發(fā)現(xiàn)植酸具有心肌保護(hù)作用，它可使肌酸激酶釋放減少、左室功能增強(qiáng)、冠脈血流增加及脂質(zhì)過(guò)氧化減少;而對(duì)照組的肌酸激酶釋放增加、冠脈血流減少、心室功能減退及脂質(zhì)過(guò)氧化增加;這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了植酸抗氧化功能在搶救心肌缺血及缺血-再灌注損傷時(shí)應(yīng)用的潛在可能性。雖然無(wú)數(shù)研究證實(shí)植酸具有較好的體外抗氧化性，并且多認(rèn)為植酸的抗氧化效應(yīng)多取決于其螯合鐵和銅等金屬離子的性質(zhì)，但是植酸分子發(fā)揮其效應(yīng)的機(jī)制并非完全清楚，仍需要更深入的探索。

隨著國(guó)內(nèi)外植酸抗氧化活性相關(guān)研究的進(jìn)展，其抗氧化活性的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，相關(guān)報(bào)道也較多。國(guó)內(nèi)彭益強(qiáng)［15］等報(bào)道了利用植酸的抗氧化作用來(lái)進(jìn)行切花保鮮，植酸可控制著切花衰變的主流，即防止切花體內(nèi)貯藏物質(zhì)的迅速氧化和抑制金屬氧化酶的活性;而且植酸與脫落酸具拮抗作用，能延緩花朵脫落;同時(shí)它還能封閉切花表皮的氣孔，抑制呼吸作用，減少水分散失和營(yíng)養(yǎng)的消耗，從而抑制和抵制真菌的繁殖與侵入。丁筑紅等［16］在刺梨果汁中添加植酸，經(jīng)90℃，30min加熱殺菌處理后，果汁中維生素C的保存率得到明顯提高，褐變程度明顯降低;殺菌后的果汁添加植酸，于50℃恒溫貯藏，果汁中維生素C的損失和褐變也得到很好改善。國(guó)外Katherine［17］等在植酸對(duì)透明水溶液和水包油乳濁液兩種體系中抗壞血酸的降解的影響效果的研究中發(fā)現(xiàn)，1mmol/L的植酸即可顯著地抵抗氧化損傷，乳濁液的貨架期也提高了四倍;其研究小組進(jìn)而以冷凍雞肉作為一完整食品體系，結(jié)果植酸大大抑制了氧氣的攝入、丙二醛的形成以及重新加熱氣味的產(chǎn)生，這就為植酸作為抗氧化劑用于油脂的保藏提供了理論依據(jù)。Uchida等［18］報(bào)道啤酒中的氧自由基參與啤酒的老化過(guò)程，氧化是導(dǎo)致啤酒風(fēng)味老化的主要原因之一，啤酒風(fēng)味老化與羥基的出現(xiàn)有關(guān)。而金屬離子是形成羥基的重要催化劑，植酸通過(guò)絡(luò)合金屬離子形成穩(wěn)定性很高的化合物，抑制氧化作用，有效延緩羥基的生成，防止和減緩啤酒中氧化反應(yīng)的進(jìn)行，從而使啤酒保持新鮮口感。

2 抗腫瘤活性

植酸抗癌作用屬于非細(xì)胞毒效應(yīng)，具有抗腫瘤的多樣性，它能夠抑制人類造血細(xì)胞系的生長(zhǎng)，對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞、宮頸癌細(xì)胞、前列腺癌細(xì)胞、雌激素受體陽(yáng)性和陰性的人乳腺癌細(xì)胞、肝癌細(xì)胞系等具有抗增殖活性［19］。Shamsuddin［20］等報(bào)道了在體外和體內(nèi)植酸都呈現(xiàn)顯著的抗癌特性(預(yù)防或治療效應(yīng))，植酸可減少細(xì)胞的增殖和惡性細(xì)胞的分裂，這些惡性細(xì)胞可能引起正常表型的轉(zhuǎn)變，總之，植酸在機(jī)體防御機(jī)制和腫瘤清除中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

植酸的抗癌機(jī)制有如下幾種解釋:

a.通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期。細(xì)胞的正常生長(zhǎng)依賴于細(xì)胞周期中各種調(diào)節(jié)因子的平衡調(diào)控，在細(xì)胞周期的G1-S期之間存在一個(gè)周期轉(zhuǎn)換點(diǎn)，該點(diǎn)是決定細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)入S期進(jìn)行DNA復(fù)制或讓細(xì)胞周期在此終止并轉(zhuǎn)為G1期細(xì)胞而走向分化或凋亡的關(guān)鍵點(diǎn)。EL-Sherbiny［21］等選用人類的 3 種癌細(xì)胞:MCF-7、MDA-MB231、HT-29進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用兩種參數(shù)評(píng)價(jià)植酸的抗增殖效應(yīng):用流動(dòng)細(xì)胞儀確定細(xì)胞合成DNA的能力;綜合分析與細(xì)胞周期有關(guān)的蛋白質(zhì)的表達(dá)、增殖標(biāo)志物Ki-67和增殖細(xì)胞的細(xì)胞核抗原(PCNA)的表達(dá)。結(jié)果顯示，Ki-67在植酸處理過(guò)的細(xì)胞中表達(dá)的百分比顯著降低(MCF-7中從82.18%±3.10%降到66.8% ±4.2%;MDA-MB231中從93.4%±4.6%降到71.7%±3.3%;HT-29中從95.2% ±1.2%降到73.5% ±2.5%)，PCNA的表達(dá)水平在植酸處理過(guò)的細(xì)胞中同樣明顯下降。這表明植酸是通過(guò)抑制S期，阻止G0-G1期來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的進(jìn)程，進(jìn)而抑制細(xì)胞的分化與增殖。Singh［22］等研究證實(shí)，植酸通過(guò)調(diào)整CDKI-CDK-cyclin這一復(fù)合體，抑制CDK-cyclin中激酶的活性，可能導(dǎo)致Rb蛋白(Rb基因又稱視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因，屬于一種抑癌基因)的低磷酸化，進(jìn)而使轉(zhuǎn)錄因子E2F4的非活化狀態(tài)(結(jié)合型)增加，使S期相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制，從而使細(xì)胞停滯于G1期，從而促進(jìn)了細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

b.基于植酸抗氧化作用，能有效阻止羥基自由基產(chǎn)生以及與細(xì)胞增殖有關(guān)的陽(yáng)離子結(jié)合形成復(fù)合物，從而抑制癌細(xì)胞的增殖。趙永煥［23］等報(bào)道了植酸能極顯著地降低小鼠血清MDA含量，極顯著升高小鼠血清SOD活性，可在一定程度上抑制由D-半乳糖導(dǎo)致的小鼠腦組織GSH-PX活性下降，低劑量植酸可顯著升高小鼠腦組織中GSH-PX活性，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)植酸抗氧化活性高于了維生素C。

c.植酸可預(yù)防 DNA 的氧化損傷，Midorikawa［12］等研究發(fā)現(xiàn)植酸可抑制經(jīng)H2O2生成體系處理的培養(yǎng)細(xì)胞中dGTP的形成，雖然它不能清除H2O2，卻通過(guò)對(duì)金屬離子的螯合而降低H2O2中活性氧的生成，進(jìn)而抑制H2O2與Cu2+對(duì)DNA特別序列GG與GGG的損害，起到防癌作用。

d.植酸可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)抑制細(xì)胞的增殖，使細(xì)胞循環(huán)周期出現(xiàn)停滯，最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生。在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控中，Bcl-2家族蛋白和基因在線粒體參與的凋亡途徑中起重要的調(diào)控作用。Bcl-2家族成員中的蛋白分為抗凋亡與促凋亡兩類，其中較具代表性的為 Bcl-2抗凋亡蛋白。Bcl-2基因和蛋白的高表達(dá)，雖對(duì)細(xì)胞的增殖率無(wú)影響，但可明顯延長(zhǎng)細(xì)胞的生長(zhǎng)期，抑制多種組織的細(xì)胞凋亡，引發(fā)腫瘤。選擇性地降低細(xì)胞中Bcl-2的表達(dá)，可促使細(xì)胞發(fā)生凋亡［24］。楊志平［25］等研究Western blot的結(jié)果顯示，植酸組Bcl-2與NF-kBP65蛋白的表達(dá)均比正常對(duì)照組低，呈劑量反應(yīng)關(guān)系。植酸在誘導(dǎo)SGC-7901細(xì)胞凋亡過(guò)程中，可能通過(guò)對(duì)NF-kB信號(hào)傳導(dǎo)通路的抑制作用而抑制Bcl-2基因的表達(dá)，從而啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。

e.Saied［26］等研究認(rèn)為植酸能夠促進(jìn)相關(guān)抑癌基因表達(dá)，基因表達(dá)一旦出現(xiàn)損傷，就被抑制在分裂間期，使癌細(xì)胞無(wú)法增殖或使其發(fā)生分化;Saied研究小組通過(guò)細(xì)胞免疫學(xué)和定量ELISA實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分別用3.3和5mmol/L植酸處理HT-29人類克隆癌細(xì)胞三天和六天后，抑癌基因P53和P21WAF1/CIP1的表達(dá)可被顯著提高一定水平，并與植酸存在一定劑量關(guān)系，因此植酸可作為癌癥化療輔助治療劑。

3 對(duì)其它疾病的防治

植酸有益于心腦血管疾病的防治:血小板在內(nèi)皮細(xì)胞粘附、聚集并釋放血栓素，這是血栓、動(dòng)脈硬化發(fā)病的主要原因。Vucenik［27］等應(yīng)用阻抗技術(shù)研究植酸對(duì)血小板聚集和ATP釋放的影響，結(jié)果顯示，植酸可明顯降低血小板的聚集，并且存在劑量-反應(yīng)關(guān)系，并且植酸可有效降低平滑肌對(duì)ATP釋放的感應(yīng)，所以它可降低腦血栓、動(dòng)脈硬化等疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。植酸可以促進(jìn)機(jī)體內(nèi)脂肪代謝，降低血脂，抑制膽固醇的生成，防止高血脂的發(fā)生。Katayama T［28］等發(fā)現(xiàn)過(guò)高的Zn∶Cu比與高膽固醇血癥密切相關(guān)，植酸可與這些離子螯合并改變它們的平衡及可利用度，而影響血清中的膽固醇水平。

植酸還以其強(qiáng)螯合金屬離子的性質(zhì)可以用來(lái)預(yù)防腎結(jié)石的發(fā)生:Grases［29］等先是在雄性大鼠腎結(jié)石模型中發(fā)現(xiàn)，植酸水溶液或植酸/Zn混合物的處理組中，腎乳頭尖端及乳頭組織的鈣化數(shù)量較僅以乙烯乙二醇或乙烯乙二醇/Zn處理的對(duì)照組明顯減少，從而推斷植酸和植酸與Zn的混合物可能對(duì)尿結(jié)石癥的治療很有用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證推斷的準(zhǔn)確性，Grases等［30］又給 Wistar雌鼠分別飼喂不加植酸的AIN-76 A飼料、加1%植酸的AIN-76 A飼料及普通飼料，飼喂不加植酸AIN-76A飼料組的雌鼠尿中不含植酸，而且腎臟中鈣、磷濃度高于其他兩組，并在皮髓質(zhì)部交界處出現(xiàn)沉積，提示飼料及尿中缺乏植酸是引起腎鈣化的重要因素。緊接著，Grases［31］等在對(duì)活動(dòng)性草酸鈣結(jié)石者及健康者尿中植酸水平的研究中發(fā)現(xiàn)，尿結(jié)石者尿中的植酸顯著低于健康者;提示如果可抑制結(jié)晶的鈣鹽的量不足是與鈣結(jié)石形成的重要相關(guān)因素的話，那么尿中低植酸排泄則是該型腎結(jié)石的重要危險(xiǎn)因子;無(wú)植酸飲食可顯著降低尿中植酸的分泌(36h后降低約50%)。這一系列實(shí)驗(yàn)說(shuō)明膳食中的植酸在維持尿中足夠水平以防止鈣鹽結(jié)晶從而防止腎結(jié)石發(fā)展過(guò)程中的重要性。

Yoon［32］等也發(fā)現(xiàn)植酸的攝入量與血糖生成指數(shù)(GI)呈負(fù)相關(guān);在人體生理pH和生理溫度下，植酸鈉(相當(dāng)于2%的植酸)的存在可使小麥淀粉的消化速率降低50%;當(dāng)加入鈣劑與植酸形成復(fù)合物后這種效應(yīng)可被逆轉(zhuǎn);同樣，將植酸鈉加入未發(fā)酵的面包中，面包的消化率也降低，高植酸含量的面包可產(chǎn)生平緩的血糖反應(yīng)曲線;由此得出，植酸抑制淀粉酶或酶的輔基Ca，延緩淀粉的消化、吸收，為防治糖尿病帶來(lái)了新的希望。

此外，Otake［33］等證實(shí)植酸可抑制人類 HIV 引起的細(xì)胞病變效應(yīng)以及HIV特異性抗原在MT-4細(xì)胞中的表達(dá)，這可能為人類HIV和與免疫缺陷有關(guān)疾病的攻克提供了新的線索。Shamsuddin［34］等利用細(xì)胞系K-562，通過(guò)觀察植酸對(duì)紅白血病細(xì)胞的治療發(fā)現(xiàn)，植酸可使非正常細(xì)胞數(shù)目減少19%～36%，也促進(jìn)了細(xì)胞分化向正常細(xì)胞的轉(zhuǎn)型。

4 促進(jìn)發(fā)酵作用

丁筑紅［35］等研究發(fā)現(xiàn)植酸在適當(dāng)濃度范圍對(duì)一些微生物的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，在植酸濃度為0.01%～0.1%時(shí)對(duì)漢遜酵母促進(jìn)作用隨著植酸濃度的增加而增加，且濃度達(dá)0.1%時(shí)植酸促進(jìn)酵母生長(zhǎng)的效果最佳;植酸濃度在0.01%～0.05%范圍內(nèi)，根霉、總狀毛霉菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)也處于最佳水平。Tamang等［36］研究表明，微生物在發(fā)酵過(guò)程中，植酸的含量減少，有研究認(rèn)為微生物是利用一定濃度植酸分解代謝產(chǎn)物來(lái)促進(jìn)自身繁殖，但具體的代謝機(jī)理還有待進(jìn)一步探索。

普遍認(rèn)為植酸促進(jìn)發(fā)酵原理是打破細(xì)胞內(nèi)酶合成的“反饋平行”，改善細(xì)胞膜通透性，增加膜內(nèi)外物質(zhì)交換，能量轉(zhuǎn)化，代謝調(diào)節(jié)等［37］。植酸是磷元素的豐富來(lái)源，而磷是核酸和磷脂的成分，組成多磷化合物及許多酶的活性物質(zhì)，微生物對(duì)磷的需要量也很高，一般為0.005～0.01mol/L。磷進(jìn)入細(xì)胞后即迅速同化為有機(jī)磷化合物，同時(shí)形成ATP、ADP等，用于調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞生長(zhǎng)及發(fā)酵過(guò)程的能量代謝。同時(shí)，植酸還是一種非離子型表面活性劑，積累在細(xì)胞膜的表面，可以改善氧的通透性及物質(zhì)傳遞性，從而加快菌體繁殖速度，進(jìn)而加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗及產(chǎn)物的生成和分泌。El-Batal［38］等分別報(bào)道，植酸作為發(fā)酵促進(jìn)劑能促進(jìn)某些酶、抗生素等的生物合成，如植酸鹽對(duì)蠟狀芽孢桿菌蕈狀變種的α-1，6-葡萄糖苷酶和β-淀粉酶，隱球菌屬某些種的磷酸酶，枯草芽孢桿菌、綠膿假單胞菌和灰色鏈霉菌等的蛋白酶，桔青霉的核糖核苷酶的產(chǎn)生都具有明顯的促進(jìn)作用，并能使小單胞菌屬的某些種如慶大霉素產(chǎn)量提高7倍。

5 展望

一直以來(lái)，植酸作為一種精細(xì)化工產(chǎn)品，在日用化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)、電鍍業(yè)、航天航空、石油化工等行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。早期有關(guān)植酸的生理活性功能的研究多爭(zhēng)議它是否影響機(jī)體對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素(如礦物質(zhì)和蛋白質(zhì))的吸收，但隨著相關(guān)研究的深入，植酸顯著的抗氧化、抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病等功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們之前的疑慮，植酸也因此受到人們的普遍關(guān)注，其生理活性價(jià)值將被進(jìn)一步大力開發(fā)和研究。隨著人們對(duì)食品品質(zhì)、健康生活的要求不斷提高，植酸作為一種天然、安全的多功能綠色食品成份或食品添加劑，一定具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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