植物單寧的生物活性研究進(jìn)展

舒 暢,趙韓棟,焦文曉,范新光,姜微波

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)

單寧(tannins)是一類高分子量水溶性多酚類化合物的總稱,廣泛分布于植物的葉、根、果實(shí)和表皮等不同組織中。其分子量在500～3000 Da之間,一些縮合單寧的高聚體分子量可超過(guò)3000 Da[1]。單寧中含有大量羥基,可形成分子間和分子內(nèi)氫鍵,能夠與大分子化合物如蛋白質(zhì)、碳水化合物相互作用并沉淀。單寧是水果和蔬菜中澀味的主要物質(zhì),分子內(nèi)羥基數(shù)在1～5個(gè)范圍內(nèi),澀味隨羥基數(shù)量增加而增加,但超過(guò)7個(gè)羥基,由于空間位阻效應(yīng)(steric hindrance)開(kāi)始抵消氫鍵的強(qiáng)度,澀味變?nèi)鮗2]。

單寧可分為水解單寧和縮合單寧兩大類,縮合單寧又稱兒茶素單寧或原花青素。水解單寧由酸及酸的衍生物與葡萄糖或多元醇通過(guò)酯鍵形成,易被酸或酶水解為酚酸、糖和多元醇。根據(jù)分解產(chǎn)生的酚酸的種類不同,水解單寧又可以分為沒(méi)食子單寧(棓單寧)和鞣花酸單寧。沒(méi)食子單寧的水解產(chǎn)物為沒(méi)食子酸,鞣花單寧的水解產(chǎn)物為六羥基聯(lián)苯二酸和鞣花酸。水解單寧生物活性較強(qiáng),在醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

縮合單寧是植物中含量最豐富的多酚類物質(zhì),是一類由黃烷-3-醇單元結(jié)構(gòu)通過(guò)4→8或4→6 C-C鍵(也有通過(guò)C-O-C鍵)縮合而形成的寡聚物或多聚物[4],也被稱為兒茶素單寧、原花青素、低聚原花青素(oligomeric proanthocyanidin,OPC)。在熱醇-酸溶液中能酸解生成花色素。黃烷-3-醇及黃烷-3,4-二醇是縮合單寧的前體,經(jīng)縮合最終形成縮合單寧。在熱酸處理下,黃烷-3-醇不產(chǎn)生花色素,不屬于原花色素,但是原花色素的重要前體。由于縮合單寧的結(jié)構(gòu)單元類型、連接方式、聚合度、空間構(gòu)型多樣性,目前只準(zhǔn)確測(cè)定了部分縮合單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

單寧廣泛分布于水果、蔬菜、堅(jiān)果等中,主要以膳食多酚的形式被人體攝入,日常飲食中單寧的含量見(jiàn)表1。盡管日常飲食中含有豐富的單寧(每日攝入約0.1～0.5 g),但由于其聚合性質(zhì)及其高級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,目前對(duì)單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其生物活性的研究仍然較少[5]。

表1 不同食品中單寧的含量Table 1 Tannins content in different foodstuffs

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)原花青素單體具有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、抗癌、抗氧化、保護(hù)心血管和抗血栓等多種生物活性[6-8],引起了研究者的廣泛關(guān)注。本文綜述了近幾年單寧吸收代謝和生物活性的研究結(jié)果,為單寧的生物活性研究、開(kāi)發(fā)利用新型藥物資源等提供更多的理論依據(jù)。

1 單寧的吸收和代謝

簡(jiǎn)單酚類物質(zhì)在人體內(nèi)的吸收、代謝和生物利用率已有相關(guān)研究[9],但由于單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,簡(jiǎn)單酚類的代謝規(guī)律并不完全適用于原花青素,其吸收代謝過(guò)程仍存在爭(zhēng)論。Wiese等[10]的研究表明,高分子量的原花青素并不能被完全吸收,蘋(píng)果汁中的原花青素有近90%可在回腸中檢出,說(shuō)明原花青素能夠進(jìn)入結(jié)腸而并未被吸收。單寧的聚合度會(huì)影響其通過(guò)腸屏障的吸收,也會(huì)影響腸道微生物對(duì)單寧的分解(分解為兒茶素和表兒茶素)。一些體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)研究了聚原花色素的水解機(jī)理及其衍生的低聚分子在小腸中的吸收,在血液中能檢測(cè)到少量的原花青素單體和二聚體,其主要代謝產(chǎn)物為甲基化和葡糖醛酸化衍生物。在結(jié)腸中,原花青素可被腸道微生物分解成一系列簡(jiǎn)單代謝物,如苯戊酸酯、苯乙酸和苯丙酸[11]。然而,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其機(jī)理仍然存在爭(zhēng)議。

1.1 體外實(shí)驗(yàn)

體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可可原花青素可在模擬人胃環(huán)境下水解成表兒茶素單體或二聚體。但有其他研究表明,可可原花青素在胃中并不能完全解聚。這可能由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件提供的模擬胃酸環(huán)境不同,結(jié)果也有所不同[12-13]。在消化過(guò)程中,小分子的原花青素(如二聚和三聚體)更容易被吸收,高分子量的原花青素可與蛋白質(zhì)、淀粉和消化酶形成復(fù)合物,形成不易消化的復(fù)合物,這與單寧的聚合程度有關(guān)。低聚原花青素的吸收代謝已有相關(guān)綜述報(bào)道,原花青素A型的二聚體、三聚體和四聚體可穿過(guò)Caco-2細(xì)胞單層膜,轉(zhuǎn)運(yùn)率分別為0.6%、0.4%和0.2%,這表明飲食攝入的低聚原花青素在體外可被消化細(xì)胞吸收。此外,(+)-兒茶素和原花青素二聚體和三聚體的滲透系數(shù)相似,而高聚合度的原花青素的轉(zhuǎn)運(yùn)率比其低約10倍[11]。Engemann等[14]使用豬盲腸模型模擬腸道微生物群對(duì)原花青素A2和肉桂鞣質(zhì)B1的降解作用,發(fā)現(xiàn)約80%的原花青素A2和約40%的肉桂鞣質(zhì)B1被降解為羥基化的多酚類化合物。水解單寧經(jīng)幾種細(xì)菌酶代謝為沒(méi)食子酸、連苯三酚、間苯三酚,最后可代謝為乙酸酯和丁酸酯[15]。

綜上,體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明膳食攝入的原花色素大多可以經(jīng)過(guò)消化系統(tǒng),并可能到達(dá)結(jié)腸部位,通過(guò)微生物的分解吸收,產(chǎn)生苯乙酸、苯丙酸和苯丁酸等代謝產(chǎn)物[15]。Déprez[16]利用14C標(biāo)記檢測(cè)代謝產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物濃度較理論值低。這可能是由于原花色素與腸細(xì)胞中各種其他分子以及與結(jié)腸腔中的纖維強(qiáng)烈結(jié)合所導(dǎo)致。目前關(guān)于原花色素代謝菌菌種的研究較少。

1.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

低聚原花青素可在大鼠小腸中被水解成表兒茶素[12]。用荔枝多酚提取物灌胃大鼠,在大鼠血液中可檢測(cè)到原花青素原型,尿液中可以檢測(cè)到微量原花青素二聚體和三聚體[17]。這些結(jié)果表明,只有原花青素的三聚體和二聚體可以在體吸收,這可能是由于其滲透系數(shù)與甘露糖醇相似,也可能由于腸內(nèi)腔對(duì)聚合物的生物利用度有限[18]。用柳樹(shù)原花青素灌胃大鼠,在尿液中檢測(cè)到16種代謝物,主要包括苯乙酸、苯丙酸和苯基丁酸等。其含量隨聚合度的上升而顯著減少:兒茶素單體>二聚體>三聚物>多聚體[19]。

Goodrich等[20]研究了大鼠鼻飼法給予葡萄籽原花青素后的代謝產(chǎn)物,檢測(cè)到了14種原花青素單體化合物和24種微生物代謝物。組織學(xué)檢測(cè)結(jié)果顯示,原花青素單體和二聚體在盲腸和結(jié)腸中聚集,原花青素在盲腸及其附近區(qū)域先出現(xiàn),大約3 h后達(dá)到最大濃度,代謝產(chǎn)物達(dá)到最大濃度3～18 h后,出現(xiàn)在其他的末梢區(qū)域。Bittner等[21]研究了豬口服給予原花青素B4后的吸收和代謝,結(jié)果表明原花青素B4可作為完整分子被吸收,部分由尿液排泄,在體內(nèi)可被降解為單分子的兒茶素和表兒茶素,然后進(jìn)一步代謝為甲基化和葡萄糖醛酸化物。

綜上,腸道微生物只能分解原花青素單體和二聚體,隨原花青素的分子量增大,其分解作用降低。因此聚合度較低的原花青素能夠被機(jī)體所吸收并發(fā)揮其抗氧化活性,聚合度較高的原花青素由于分子量太大而無(wú)法被吸收,使其體內(nèi)抗氧化活性減弱。

2 單寧的生物活性

單寧的生物活性已得到廣泛的關(guān)注,國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)[22-25]報(bào)道。單寧可防止多種慢性疾病的發(fā)生,目前認(rèn)為單寧的生物活性主要來(lái)源于黃烷-3-醇及其衍生物[24,26-27]。單寧的生物活性降低主要取決于兩方面,一方面是高分子量化合物的生物利用率低,降低了其生物活性;另一方面是單寧與其他物質(zhì)相結(jié)合影響其活性。其結(jié)合性質(zhì)可在胃腸道中產(chǎn)生局部作用(如與蛋白質(zhì)結(jié)合),而其代謝產(chǎn)物(二聚體和三聚體)可被人體吸收,產(chǎn)生全身效應(yīng)[8-9,18,28-29]。單寧具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗癌、抗炎、抗過(guò)敏和血管擴(kuò)張等作用[6,11,24,26-27,32]。單寧的主要生物活性及其作用機(jī)理見(jiàn)表2。

表2 單寧生物活性研究進(jìn)展Table 2 Advances in research on biological activity of tannins

2.1 抗氧化、清除自由基

單寧是良好的自由基清除劑和脂質(zhì)過(guò)氧化抑制劑,其作用機(jī)制主要是其結(jié)構(gòu)中的酚羥基在體內(nèi)釋放H+,競(jìng)爭(zhēng)性地與自由基結(jié)合,從而保護(hù)脂質(zhì)不被氧化,阻斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。體外實(shí)驗(yàn)還證明,原花青素可以抑制脂質(zhì)過(guò)氧化酶和脂氧合酶活性[51],從而防止脂質(zhì)的氧化。水解單寧和原花青素的抗氧化活性取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu),隨聚合度的增加,抗氧化活性隨之增加[8]。蔓越莓原花青素的抗氧化活性是抗壞血酸的10倍,是α-生育酚的37倍[52],一些體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明了相似的結(jié)論[6,8,30-31]。

Fushimi[53]比較了青熟和完熟柿(DiospyroskakiThunb.)果肉提取物對(duì)大鼠的抗氧化作用,結(jié)果表明青熟柿組大鼠血漿中磷脂氫過(guò)氧化物(膜脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物)水平顯著低于對(duì)照組,而完熟柿組與對(duì)照組比較無(wú)差異。這主要是由于青柿中較多的可溶性單寧提高了果實(shí)的抗氧化活性。另一項(xiàng)研究表明,柿果肉和花生皮中的幾種原花色素型二聚體在小鼠體內(nèi)均具有較高的抗氧化活性,B型二聚體在水相中有較高的抗氧化能力,而A型和B型二聚體在組織或脂溶性體系中抗氧化能力相近[54]。

Zhou[55]測(cè)定了紅景天(RhodiolaroseaL.)中的低聚原花青素對(duì)小鼠血清、心臟、肝臟和腦組織中自由基的清除活性。實(shí)驗(yàn)表明這些低聚原花青素可以降低細(xì)胞的丙二醛含量,增強(qiáng)SOD和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx)活性。Li等[56]通過(guò)證明原花青素可提高總抗氧化能力,提高SOD、GSH、GPx和CAT活性,降低MDA水平,從而減少氧化損傷。

2.2 抗腫瘤活性

原花青素的抗腫瘤活性主要是通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)信號(hào)分子的表達(dá),以及促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡、阻滯細(xì)胞周期等作用。Gollucke[33]的研究表明葡萄籽原花青素通過(guò)調(diào)控Bax/Bcl-2基因的表達(dá)并激活半胱氨酸蛋白酶-3,誘導(dǎo)小鼠皮膚表皮細(xì)胞JB6 C141進(jìn)行p53依賴性凋亡。此外,葡萄籽原花青素能夠抑制人表皮角化細(xì)胞中MAPK蛋白(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的磷酸化并調(diào)控NF-κB的表達(dá)。葡萄籽原花青素可以抑制前列腺癌激素不敏感細(xì)胞DU145和前列腺癌激素敏感細(xì)胞LNCaP的生長(zhǎng)并抑制其中基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-2和MMP-9的表達(dá),葡萄籽原花青素能夠通過(guò)增強(qiáng)抗組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性來(lái)調(diào)節(jié)激素受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄[57],基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)參與腫瘤組織的生長(zhǎng)和代謝。Chung等[58]也發(fā)現(xiàn)葡萄籽原花青素可以抑制胰腺癌細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶的活性。葡萄籽原花青素可以抑制小鼠乳腺癌4T1細(xì)胞、結(jié)腸直腸癌HT29細(xì)胞、LoVo細(xì)胞系的細(xì)胞活性、增殖,促進(jìn)其凋亡[8]。Prasad[23]發(fā)現(xiàn)葡萄籽原花青素通過(guò)干擾細(xì)胞周期進(jìn)程的正常調(diào)節(jié),誘導(dǎo)Cip1/p21和Kip1/p27蛋白水平上升,以及細(xì)胞周期蛋白D1、D2 E和細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶CDK2、CDK4、CDK6,導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)周期停滯于G0/G1期。

除葡萄籽原花青素外,葡萄和松樹(shù)皮等富含原花青素的組織同樣可以有效抑制HT29人結(jié)腸直腸癌細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和G2期細(xì)胞周期阻滯[33]。體外實(shí)驗(yàn)中,漿果原花青素提取物對(duì)人口腔表皮樣癌細(xì)胞(KB)、人舌鱗癌細(xì)胞(CAL-27)、人乳腺癌細(xì)胞系(MCF-7)、人結(jié)腸癌HT-29、116細(xì)胞和前列腺淋巴結(jié)癌細(xì)胞(LNCaP)有抗增殖和促進(jìn)凋亡的作用[6]。

2.3 抗菌性

單寧可抑制胞外酶活性、與微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相結(jié)合(如絡(luò)合金屬離子)、使原生質(zhì)中的蛋白質(zhì)沉淀變性、破壞細(xì)菌外膜通透性或直接作用于微生物代謝影響其生長(zhǎng)。此外,單寧還可以干擾微生物細(xì)胞壁多肽與巰基反應(yīng),使膜蛋白功能喪失[15]。

漿果中的原花青素可以抑制細(xì)菌的粘附性,蔓越莓原花青素可以抑制粘附于尿路上皮的大腸桿菌的生長(zhǎng)。原花青素的分子結(jié)構(gòu)會(huì)影響其抗粘附性,蔓越莓原花青素是由一系列兒茶素寡聚體和A-型連接形成的聚合物,在結(jié)構(gòu)上與葡萄、蘋(píng)果等其他來(lái)源的原花青素不同,是唯一能夠抑制細(xì)菌在人體粘附的原花青素。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明蔓越莓原花青素及其代謝物能夠抑制細(xì)菌在尿路上皮的粘附[59]。

云莓(RubuschamaemorusL.)、樹(shù)莓、草莓多酚提取物含有豐富的鞣花酸單寧,對(duì)空腸彎曲桿菌(Campylobacterjejuni)和白色念珠菌(Candidaalbicans)具有很好的抑制效果。覆盆子和藍(lán)莓多酚提取物對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌(單胞李斯特菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和糞腸球菌)和革蘭氏陰性菌(費(fèi)氏檸檬酸桿菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌)都有抑制活性[6],幽門(mén)螺桿菌和蠟狀芽孢桿菌對(duì)漿果原花青素最敏感,而發(fā)酵酵母對(duì)其具有抗性[60]。林生假榆桔(PteleopsishylodendronMildbr.)多酚提取物富含鞣花酸單寧,能夠抑制肺炎克雷伯桿菌、蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌和傷寒沙門(mén)氏菌活性[15]。石榴皮多酚提取物能抑制金黃色葡萄球菌、傷寒沙門(mén)氏菌、單胞李斯特菌和大腸桿菌活性。鞣花酸單寧能夠抑制金黃色葡萄球菌(包括甲氧西林金黃色葡萄球菌)、大腸桿菌、白色念珠菌莢膜的形成[61]。安石榴甙、安石榴林具有抗真菌活性,可以抑制白念珠菌、新型隱球菌、煙曲霉活性[15]。

單寧的抗病毒活性與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān),化學(xué)性質(zhì)越活躍，其細(xì)胞毒性越強(qiáng)。單寧可以通過(guò)與病毒包膜組分相結(jié)合從而影響其活性。單寧可干擾單純皰疹病毒(HSV)、艾滋病毒(HIV)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及其產(chǎn)生的細(xì)胞病變效應(yīng)[60]。鞣花酸單寧和幾種原花青素還是逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑[62],可以抑制乙型肝炎病毒感染細(xì)胞中E抗原(HBeAg)的分泌[15]。

3 結(jié)語(yǔ)

單寧為多酚類化合物,在植物中分布廣泛,具有多種生物活性,能夠清除自由基、抗菌、抑制腫瘤、保護(hù)心血管、預(yù)防糖尿病。目前對(duì)單寧的研究正日趨成熟,其應(yīng)用也愈加廣泛,但有些方面的研究仍有待提升。首先,生物利用率是單寧在體內(nèi)產(chǎn)生生物活性的先決條件,單寧在體內(nèi)的吸收機(jī)制、其影響因素尚未完全明確,這對(duì)開(kāi)發(fā)和利用單寧類化合物具有重要的意義。此外,單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分子量大小、結(jié)構(gòu)單元類型、連接方式、聚合度、空間構(gòu)型等對(duì)其生物活性的影響尚不明確,需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)考證。單寧及其代謝產(chǎn)物產(chǎn)生多種生物活性的機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究,建議進(jìn)一步確定其體內(nèi)代謝中潛在的活性成分。最后,單寧的細(xì)胞毒性及機(jī)理尚未明確。因此,對(duì)于單寧的研究仍有大量工作需要做。