紅松子油及皮諾斂酸的研究進展

李景彤,劉迪迪,王振宇

(哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院,黑龍江哈爾濱 150090)

紅松(Pinuskoraiensis)為松科松屬常綠針葉喬木,是主產(chǎn)于中國小興安嶺的珍貴樹種。從紅松松子中提取的松子油約含有14%～19%的皮諾斂酸[1]。皮諾斂酸(Pinolenic acid,PLA)為順5,9,12-十八碳三烯酸,1994年日本科學家Sugano[2]首次在紅松子油中發(fā)現(xiàn)這種獨特的脂肪酸成分,其化學結構與γ-亞麻酸和α-亞麻酸相似,參與類花生酸的生物合成,具有減肥、降脂、抗炎、抗氧化等多種生理功效[3]。皮諾斂酸可以通過調(diào)節(jié)多種載脂蛋白表達來減少脂質(zhì)生成,如通過增強肝臟對低密度脂蛋白的攝取,降低血清中低密度脂蛋白水平[4]。皮諾斂酸也可以刺激人體分泌抑制食欲的膽囊收縮素和胰高血糖素樣肽,不僅能幫助機體更好的消耗脂肪,還能向大腦傳遞“飽腹感”信號,降低食欲[5-6]。本文就紅松子油及皮諾斂酸的研究進展進行綜述,并就其在食品、醫(yī)藥等領域的應用作出展望。

1 紅松子油及皮諾斂酸的生理功能

1.1 減肥降脂

1.1.1 血脂調(diào)節(jié) 血脂主要是指血液中的膽固醇(TC)及其酯、甘油三酯(TAG)、磷酯、游離脂肪酸等,由載脂蛋白包括乳糜微粒(CM)、極低密度脂蛋白(VLDL)、低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)運輸[7]。腸道吸收的外源性脂類、肝臟合成的內(nèi)源性脂類及脂肪貯存、脂肪動員等均需通過血液,故血脂水平可反映全身脂類代謝情況。人體脂類的合成與分解通常保持著動態(tài)平衡,但飲食(高脂、高膽固醇、高碳水化合物食品過量等)、疾病(肥胖、糖尿病等)、激素等因素則會引起脂類代謝紊亂。

Asset等[8]研究發(fā)現(xiàn),與不含皮諾斂酸的其他植物油喂養(yǎng)的大鼠相比,含有皮諾斂酸的松子油可降低大鼠血清TAG和VLDL甘油三酯含量,然而差異并不顯著。但Park等[9]也報道了紅松子油顯著降低肝組織TAG水平,并且上調(diào)長鏈酰基輔酶A脫氫酶(ACADL)mRNA表達,降低過氧物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)mRNA水平,下調(diào)白色脂肪組織中去乙?；?(SIRT 3)表達。Ferramosca等[10]發(fā)現(xiàn)含有皮諾斂酸的松子油和不含皮諾斂酸的玉米油都顯著降低參與肝臟脂肪酸合成的線粒體和胞質(zhì)酶活性,由此可見松子油不是通過抑制肝脂肪生成發(fā)揮作用。因此,Zhu等[11]提出了紅松子油可能是通過減少腸脂肪酸攝取和乳糜微粒形成,從而增加肝組織TAG代謝、線粒體脂肪酸氧化和VLDL形成。Lee等[12]對紅松子油皮諾斂酸下調(diào)HepG2細胞脂質(zhì)合成代謝途徑的作用機制,研究表明,皮諾斂酸是通過降低脂肪酸合成相關基因SREBP1c、FAS和SCD1、膽固醇合成相關基因HMGCR和脂蛋白攝取相關基因LDLr的mRNA水平,參與下調(diào)ACSL3和ACSL4脂肪生成途徑,從而下調(diào)HepG2細胞的脂質(zhì)合成代謝途徑。

1.1.2 控制食欲和體重 肥胖是膳食能量攝取過剩和機體能量消耗過低造成的脂肪的積累。肥胖與多種疾病相關,并且會增加代謝綜合征的發(fā)病率[13]。研究表明紅松子油能夠有效控制體重和食欲,通過控制食欲調(diào)節(jié)體重,與神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和激素分泌密切相關[14]。膽囊收縮素-8(CCK-8)是一種在十二指腸細胞中合成的激素,促進蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的消化[15]。胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)產(chǎn)生于回腸中,消化碳水化合物和脂肪[16]。這兩種激素都能誘導產(chǎn)生飽腹感并抑制食欲。Einerhand等[17]的研究表明,紅松子油多不飽和脂肪酸增加小鼠神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤細胞(STC-1細胞)CCK-8的分泌,而攝入紅松子油的超重女性在攝入后四小時內(nèi)CCK-8濃度提高了60%、GLP-1增加了25%,食欲降低了36%。此外,也有研究發(fā)現(xiàn)午餐攝入紅松子油游離脂肪酸后食物攝入量減少了9%,相當于減少了7%的能量攝入[18]。

在Park等[9]的研究中,紅松子油與大豆油相比,可以使飼喂高脂飲食(HFD)的小鼠體重降低17%,這可能是因為紅松子油減少了脂肪組織沉積。Le等[19]也發(fā)現(xiàn)在飲食中加入紅松子油,小鼠的體重增加減少,這與脂肪酸氧化、線粒體氧化和骨骼肌氧化代謝相關基因的表達上調(diào)有關。類似于其他多不飽和脂肪酸,紅松子油中的皮諾斂酸可以作為PPARα和PPARδ的配體,因為它是γ-亞麻酸的位置異構體。這些核受體與脂質(zhì)氧化代謝有關[20]。解偶聯(lián)蛋白-1(UCP-1)是調(diào)節(jié)褐色脂肪組織生熱作用和誘導生熱作用相關基因表達的關鍵蛋白,研究表明松子油也能使UCP-1表達上調(diào)[19]。綜上所述,紅松子油可以通過增加控制食欲的激素來減少食物和能量的攝入,通過增加關鍵器官氧化代謝和褐色脂肪組織產(chǎn)熱來增加能量消耗,從而導致更少的脂肪組織沉積和異位脂肪沉積,減少體重增加,使機體獲得更健康的代謝狀態(tài)。

1.1.3 增強胰島素敏感性 2型糖尿病是一種代謝疾病,與年齡的增長和肥胖有關。2型糖尿病發(fā)展緩慢,起初通過胰島素分泌增加補償外周組織損失的胰島素敏感性,但是胰島素分泌增加使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力增大,最終導致胰島β細胞死亡,無法保持胰島素分泌增加而使血糖水平上升[21]。脂肪酸在激活很多參與胰島素響應組織的游離脂肪酸受體(FFA1、FFA2 FFA3和FFA4)方面發(fā)揮重要作用[22]。最近的研究表明皮諾斂酸作為FFA1和FFA4的配體[23],能夠激活FFA1導致胰島β細胞胰島素分泌增加,激活FFA4導致胰島素敏感性增強[24-25]。小鼠給藥皮諾斂酸在葡萄糖中暴露30分鐘后血糖降低。由此可見,皮諾斂酸激活FFA1和FFA4可以提高胰島素分泌,促進葡萄糖的有效利用[26]。

1.2 免疫與抗炎

機體的免疫功能是由復雜的免疫系統(tǒng)實現(xiàn)的,它包括免疫器官、免疫細胞和免疫因子。免疫系統(tǒng)的存在及其功能的正?；菣C體免疫功能穩(wěn)定的基本保障,其中任何一部分的缺損或異常都會導致免疫功能的不全或紊亂,從而降低或喪失免疫功能。脾臟是血液循環(huán)中的過濾器官,也是人和脊椎動物體內(nèi)最大的免疫器官[27]。脾臟可產(chǎn)生大量的淋巴細胞,其中以B細胞為主,約占總數(shù)的60%。脾臟還含有大量的巨噬細胞,在全身免疫和清除自身衰老血細胞等方面發(fā)揮重要作用[28]。在一項研究中,給腹腔注射卵白蛋白的免疫模型大鼠飼喂紅松子油,與紅花油對照組相比,松子油組大鼠脾臟CD4+T淋巴細胞以及脾細胞內(nèi)白細胞三烯B4(LTB4)、免疫球蛋白IgE和lgG的比例升高[29],說明紅松子油可以促進機體的免疫反應。

機體在進行免疫的同時往往伴隨著炎癥反應。炎癥反應是指血液中的細胞和蛋白質(zhì)分子穿過血管壁侵入組織的過程。抗原或異物入侵、創(chuàng)傷和感染等問題都可能引起炎癥反應,釋放多種炎性介質(zhì)。眾所周知,膳食脂肪酸會影響炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生。一般來說,n-6多不飽和脂肪酸促進炎性介質(zhì)的產(chǎn)生,而n-3多不飽和脂肪酸減少促炎介質(zhì)的生成[30]。

有研究表明,皮諾斂酸似乎也能減少促炎介質(zhì)的生成。Chen等[31]用LPS刺激小鼠小膠質(zhì)細胞BV-2建立炎癥模型,發(fā)現(xiàn)皮諾斂酸減少促炎介質(zhì)的生成。濃度為50 μmol/L的皮諾斂酸分別使一氧化氮(NO)、白介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子α(TNF-α)減少41%、27%和74%,同時,顯著減少前列腺素(PGE2)的生成。在LPS刺激的大鼠原發(fā)性腹膜巨噬細胞模型中,皮諾斂酸也能減少NO和PGE2產(chǎn)生。Chuang等[32]也報道了皮諾斂酸減少由LPS誘導的小鼠巨噬細胞RAW264.7 中PGE2的產(chǎn)生,且皮諾斂酸的作用呈劑量依賴關系。LPS刺激巨噬細胞誘導其一氧化氮合酶(iNOs)和前列腺素環(huán)加氧酶-2(COX-2)表達增加,iNOs和COX-2基因表達的上調(diào)通常與核轉錄因子的κB(NF-κB)途徑激活有關。皮諾斂酸分別下調(diào)iNOs和COX-2蛋白表達,這說明皮諾斂酸可能和n-3多不飽和脂肪酸一樣抑制NF-κB途徑的激活。然而,Chuang等[32]也報道了皮諾斂酸減少PGE2產(chǎn)生,但增加了COX-2的表達,這表明與下調(diào)PGE2不同,皮諾斂酸及其代謝產(chǎn)物可能與AA競爭作為COX-2的底物。

1.3 抗氧化

生物系統(tǒng)通過有氧代謝和藥物、紫外線、電離輻射和污染等外源生成的活性氧,包括過氧化氫、超氧陰離子和羥基自由基等,可能會對機體造成一定的傷害[33]。抗氧化酶在細胞防御自由基誘導的大分子和細胞損傷中發(fā)揮重要作用。這些酶包括超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等。Wang等[34]的體內(nèi)動物實驗研究表明,紅松子油能顯著提高大鼠血清中抗氧化酶的活力。在Chen等[35]的研究中,飼喂紅松子油的大鼠血清SOD和GSH-Px活性升高,血清總抗氧化能力(T-AOC)高于高脂模型組,血清丙二醛(MDA)水平顯著降低。

1.4 抗腫瘤轉移

轉移是決定癌癥病情嚴重程度的一個主要因素,是指腫瘤細胞失去剛性結構而獲得能動性向周圍其他組織入侵[36]。一些多不飽和脂肪酸能抑制腫瘤發(fā)展,如二十碳五烯酸(EPA),另一些多不飽和脂肪酸似乎促進腫瘤的發(fā)展,如花生四烯酸(AA)。人類乳腺癌細胞在給藥皮諾斂酸后能動性和侵襲性下降了25%,細胞多不飽和脂肪酸組成改變,AA從12.6%下降到4.9%。由于AA是PGE2的前體,PGE2合成呈劑量依賴性降低,COX-2表達也降低。然而,皮諾斂酸不影響細胞增殖,也沒有觀察到細胞基質(zhì)粘連[37]。

2 皮諾斂酸的改性研究現(xiàn)狀

目前,關于對皮諾斂酸改性的研究報道較少,早在1993年Kuklev等[38]利用脂氧合酶將皮諾斂酸(5Z,9Z,12Z-十八碳三烯酸)進行改性,得到的主產(chǎn)物為13-羥基-5Z,9Z,11E-十八碳三烯酸。而目前最主要的改性方法是將皮諾斂酸制備成結構脂。結構脂(SLs)是通過化學或酶法以一定的方式對自然界存在的脂類進行修飾,改變其脂肪酸組成或位置分布,使其成為具有特定分子結構和功能的脂類,具有更好的營養(yǎng)價值和物理化學性質(zhì)[39]。根據(jù)已有的文獻報道,主要采用酶法催化皮諾斂酸合成結構脂。

酶法合成結構脂的常見方法有:直接酯化法、酸解法和酯交換法。但是在實際操作中直接酯化法合成結構脂的工藝很少采用,大多采用酯交換的工藝路線。酶催化酯交換反應的機理是兩個TAG分子之間或TAG與簡單的?；ブg發(fā)生的酰基轉移互換反應。酶催化酸解法制備結構脂是針對TAG所含脂肪酸的組成及位置進行優(yōu)化,其機理是TAG上的?；c游離脂肪酸進行交換的反應,本質(zhì)上也是酯交換的一種形式[40]。Kim等[41]采用酶促酸解法催化皮諾斂酸與鯡魚油合成結構脂。Lee等[42]以南極假絲酵母脂肪酶(Novozym 435)為催化劑,成功地催化松子油皮諾斂酸與乙醇的酯化反應,制備出皮諾斂酸含量較高的脂肪酸乙酯。已知皮諾斂酸主要取代松子油TAG的sn-3位,約占那個位置酯化脂肪酸的39%。當乙醇存在時,Novozym 435表現(xiàn)出對TAG的sn-3專一性。當松子油乙醇摩爾比為1∶80時,獲得的脂肪酸乙酯皮諾斂酸含量和產(chǎn)量最佳。Pyo等[43]采用一種由青霉菌產(chǎn)生的冷活脂肪酶作為生物催化劑,催化皮諾斂酸與甘油合成了高純度的單脂肪酸甘油酯。No等[44]將褶皺假絲酵母脂肪酶(Candida rugosa)固定化處理,催化松子油中獲得的皮諾斂酸與植物甾醇合成植物甾醇酯,最大轉化率可達93%。Woo等[45]將等摩爾的亞油酸、共軛亞油酸、皮諾斂酸和甘油在無溶劑系統(tǒng)中酯化,制備出具有減肥作用的TAG,并研究了固定化Novozym435對這三種脂肪酸的選擇性。當甘油與混合脂肪酸摩爾比1∶3、酶加載量10%、溫度70 ℃、真空度0.4 kPa、反應時間24 h條件下,該TAG最大得率為98.9%。在反應的初始階段,Novozym 435的選擇性順序為皮諾斂酸>共軛亞油酸>亞油酸;而反應達到平衡后,Novozym435對三種脂肪酸的選擇性無顯著性差異。Huang等[46]以嗜熱絲孢菌酶(Lipozyme TL IM)為催化劑酶促松子油與亞麻油酯交換,制備出含有皮諾斂酸的結構脂,并利用該結構脂改善了褐藻素的化學穩(wěn)定性和生物可利用性。

甘油三酯的代謝和吸收取決于脂肪酸的立體特異性和鏈長,長鏈脂肪酸的吸收需要蛋白調(diào)控[47]。已知松子油脂肪酸的酯化主要發(fā)生在sn-1,3位[5],但是在十二指腸內(nèi)胰酶優(yōu)先水解sn-1,3位的酯鍵[48],因此甘油三酯sn-2位酯化的脂肪酸更容易通過腸壁進入人體,被有效地吸收利用[49-50]。吸收后的脂肪酸經(jīng)淋巴途徑進入血液循環(huán)運送到目標器官和組織。Zhu等[51]通過Lipozyme TL IM酶促皮諾斂酸和棕櫚硬脂酯交換來增強sn-2位皮諾斂酸的含量,并應用于低反式人造黃油的制備[52]。Choi等[53]先使用Novozym 435酶促松子油脂肪酸重新分布,使TAG主鏈sn-2位為皮諾斂酸,再以Lipozyme RM IM為催化劑酶促皮諾斂酸分布在sn-2位的松子油脂肪酸與癸酸的酸解反應,制備出sn-2位富含皮諾斂酸的結構脂。Chung等[54]不僅由Novozym 435催化松子油脂肪酸與甘油酯化制備出sn-2位富含皮諾斂酸的結構脂,還在大鼠腸系膜淋巴管模型中證實了該結構脂比松子油皮諾斂酸更容易被腸道淋巴吸收。

3 前景與展望

皮諾斂酸是存在于松科植物種子中的特有多不飽和脂肪酸成分,在紅松子油總脂肪酸中的含量約為14%～19%。紅松子油皮諾斂酸具有多種生理功能,作為某些疾病(肥胖、心腦血管疾病、糖尿病、癌癥等)的調(diào)節(jié)因子,以及通過相關酶活性和基因表達的調(diào)控，抑制某些疾病發(fā)生等相關研究,將會是未來醫(yī)藥研究領域的一個重要方面。

國內(nèi)對于皮諾斂酸的研究和開發(fā)尚處于起步階段,對于其改性產(chǎn)物的研究更是一片空白。通過改性皮諾斂酸使其分布在甘油骨架sn-2位上,比天然松子油皮諾斂酸更容易被小腸消化吸收,然而改性后生理功能的發(fā)揮是否增強還需要進一步通過體內(nèi)外實驗進行驗證。本文的目的在于為紅松子的開發(fā)利用提供一些理論依據(jù),以提高紅松子深加工技術和產(chǎn)品的附加值,同時為皮諾斂酸作為食品、保健品的功能性配料提供參考。

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