植酸的生物活性及應(yīng)用

(陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西漢中，723000)

植酸又名環(huán)己六醇磷酸酯，俗稱菲丁，其分子量：660.04、分子式：C6H18O24P6。植酸主要用于食品添加劑、醫(yī)藥原料、金屬保護(hù)劑及阻燃原料，在工業(yè)上可用于涂料、防銹、顯景、洗凈、稀土金屬分析、防爆和防靜電等試劑。周圍環(huán)境pH值的變化和金屬離子的多少會(huì)使植酸變成植酸鹽或自由態(tài)等許多不同形式存在，具有良好的抗氧化性和螯合作用，可以制作成水果、蔬菜、肉類、食用油等制品的抗氧化劑。

1 植酸的生物活性

植酸的存在形式受pH值、共存金屬離子及蛋白質(zhì)的種類等諸多因素影響，尤其在食品與生理系統(tǒng)中存在形式比較復(fù)雜。在動(dòng)物消化道的pH值環(huán)境下，植酸分子可以與許多二價(jià)及以上金屬離子反應(yīng)形成穩(wěn)定的復(fù)合物，植酸與金屬離子結(jié)合的數(shù)量、穩(wěn)定性和環(huán)境的pH值密切相關(guān)。而蛋白質(zhì)表面的帶電氨基酸集團(tuán)可以與植酸發(fā)生靜電結(jié)合，當(dāng)體系pH值低于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)與植酸之間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電作用，這會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而且植酸酶會(huì)被植酸與金屬離子的結(jié)合物抑制。植酸與大多數(shù)蛋白質(zhì)可以在酸性環(huán)境下結(jié)合，這會(huì)改變蛋白質(zhì)表面的靜電性，進(jìn)一步影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性及其功能[1]。而這些影響都會(huì)降低金屬離子與磷的生物利用率。

飼料及食品中也存在植酸，會(huì)改變某些組分的溶解度，提高生物對(duì)它們的利用率，因?yàn)樗梢灾苯踊蜷g接的與蛋白質(zhì)、淀粉、礦物質(zhì)等結(jié)合。而且在一般條件下，植酸的磷酸基團(tuán)可以與帶正電荷的離子及蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的螯合物，以此影響生物體對(duì)蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的吸收和消化[2]。

2 植酸的各種性能

2.1 植酸與金屬的作用

植酸作為多齒金屬螯合劑，金屬可以和其上的六個(gè)磷酸基螯合，能與諸多金屬離子發(fā)生配合反應(yīng)，還能與諸多金屬外層原子反應(yīng)生成膜，從而抑制金屬被腐蝕。而生成的膜上有較多的磷酸基團(tuán)和羥基，無(wú)毒且能與金屬表面的有機(jī)涂層反應(yīng)，從而提高它們之間的吸附力[3]。植酸上的磷酸根還受介質(zhì)環(huán)境、離子強(qiáng)度影響，在與堿金屬、堿土金屬之間進(jìn)行復(fù)雜的相互作用下，還能與金屬離子形成復(fù)雜的復(fù)合物鹽。

植酸的結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理與硅烷相似，可以用來(lái)增強(qiáng)鋼鐵表面涂層的耐蝕性、附著力，能夠改善環(huán)境污染的現(xiàn)狀。戎家玥等[4]用植酸處理金屬，在處理后的鋼鐵表層形成有機(jī)植酸轉(zhuǎn)化膜，起到與金屬的有機(jī)涂層性質(zhì)相類似的作用，還能與有機(jī)涂層化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)它們之間的粘接力；同時(shí)膜層致密、完整，空洞小且極少，可以有效阻止金屬基體形成微電區(qū)以及被氧氣腐蝕，提高基體的耐蝕性。而馬全揚(yáng)[5]用植酸處理鎂合金表面，研究在不同工藝條件下植酸與Mg2+反應(yīng)，形成不同的表面形貌、成分和表面積，對(duì)鎂合金表面性能的影響，為后續(xù)制備高性能玻璃纖維增強(qiáng)鎂合金合板做了鋪墊。崔世亮等[6]用植酸制備環(huán)保型防銹劑，發(fā)現(xiàn)植酸可以在金屬表層自發(fā)組裝并且緩慢釋放它的性能，形成整齊光滑的植酸轉(zhuǎn)化膜，其晶粒極其緊密的排列呈現(xiàn)出稻粒狀，其主要由金屬的氧化物、螯合物和植酸組成，可以有效阻止金屬被腐蝕。而邵雄等[7]用植酸改性了環(huán)氧樹脂，研究發(fā)現(xiàn)植酸改性環(huán)氧樹脂很好地表現(xiàn)出了植酸的緩蝕性、屏蔽作用，而用植酸改性環(huán)氧樹脂制備的水性環(huán)氧-丙烯酸酯乳液的耐腐蝕性能有著顯著提高，對(duì)水性環(huán)氧防腐涂料的發(fā)展有很大的啟發(fā)。秦蓬波等[8]制備阻蝕型聚硫密封膠，用不同的植酸含量對(duì)聚硫密封膠組合，并考察了其活性期、力學(xué)性能、粘接性能以及其阻蝕等性能，發(fā)現(xiàn)植酸分子中的P=O基團(tuán)可以和過(guò)渡金屬形成穩(wěn)定的配合，防止了金屬被進(jìn)一步氧化，當(dāng)植酸摻量相對(duì)較高時(shí)，聚硫密封劑的活性期越長(zhǎng)、阻蝕效果就越好。雷黎等[9]探索pH值會(huì)怎么影響水滑石/植酸復(fù)合膜的構(gòu)成、性能及微觀下的形貌變化，植酸的后處理可以改善膜層裂紋；發(fā)現(xiàn)環(huán)境的pH值在7左右時(shí)，水滑石/植酸復(fù)合膜最致密、耐腐蝕的性能最強(qiáng)。

植酸與金屬絡(luò)合反應(yīng)的產(chǎn)物，能很好地保護(hù)金屬，而植酸的羥基、磷酸基等可以與有機(jī)涂層反應(yīng)增加有機(jī)涂層與金屬表面吸附力，在許多國(guó)家已經(jīng)利用植酸鹽進(jìn)行了對(duì)金屬表面涂裝的處理，形成的植酸轉(zhuǎn)化膜效果顯著。而用植酸處理涂裝形成植酸轉(zhuǎn)化膜的處理工藝還能進(jìn)一步優(yōu)化，其處理藥劑配方還可以進(jìn)一步的完善。

2.2 植酸的抗?fàn)I養(yǎng)價(jià)值

植酸是天然的抗?fàn)I養(yǎng)因子，有較強(qiáng)的抗氧化性，能除去對(duì)人體有害的金屬離子、抑制某些細(xì)菌的生長(zhǎng)，可以用于食品的抗氧化劑、保鮮劑、防腐劑、增味劑和變色防止劑。而在化妝品中添加使用時(shí)，還可以改善使用者的皮膚顏色、促進(jìn)其皮膚血液循環(huán)，還能應(yīng)用于潤(rùn)膚霜、洗發(fā)水、染發(fā)劑、牙膏、牙科用粘固粉等。

植酸阻礙革蘭氏陽(yáng)性菌及其芽孢生存與繁衍，對(duì)肉毒桿菌和黃色葡萄球菌以及溶血鏈球菌等抑制尤為顯著。李冠霖等[10]用植酸做保鮮劑調(diào)理鴨肉，研究了用植酸煮制鴨肉時(shí)間、溫度等對(duì)鴨肉的影響，發(fā)現(xiàn)了合適的植酸煮制時(shí)間與溫度對(duì)鴨肉組織內(nèi)部細(xì)菌的影響，以及對(duì)鴨肉組織內(nèi)部的各種物質(zhì)的保護(hù)和對(duì)肉質(zhì)的影響。植酸是自然界存在的有機(jī)化合物，能抑制水果、蔬菜細(xì)胞的呼吸作用，從而對(duì)果蔬進(jìn)行保鮮，張介馳等[11]用不同濃度的植酸與VC復(fù)配液處理滑菇，發(fā)現(xiàn)植酸和VC復(fù)配后對(duì)滑菇起到更好的保鮮效果，能較好地抑制滑菇的生物變化，保證滑菇的感官品質(zhì)，并確定了配方。王天豐等[12]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)研究植酸作為螯合劑的去污能力，利用植酸能吸收利用一部分離子的能力，有效除去了牙本質(zhì)表面的污垢層，還能與細(xì)菌生長(zhǎng)必須的金屬離子反應(yīng)進(jìn)而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，并對(duì)牙本質(zhì)本身的化學(xué)組分無(wú)影響。姜麗等[13]研究發(fā)現(xiàn)用植酸處理采后紫背天葵，可以抑制其生理生化反應(yīng)，有效提高紫背天葵貯藏生理品質(zhì)、延緩衰老。

植酸是一種低毒積弱型抗?fàn)I養(yǎng)因子，在植物中以磷酸鹽形式為主存在，能與許多金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)，可以抑制蛋白質(zhì)的消化性能，還能抑制淀粉酶和胰蛋白酶的活性，會(huì)影響到機(jī)體生理活動(dòng)[14]。還可以抑制氧化并具有一定的抑菌作用，從而延緩食品品質(zhì)劣化，植酸的用途與應(yīng)用范圍廣泛，可以預(yù)見(jiàn)植酸在食品、醫(yī)用、工業(yè)等領(lǐng)域的地位將會(huì)愈發(fā)重要，是未來(lái)所需的一種重要的應(yīng)用原材料。

2.3 植酸的醫(yī)用價(jià)值

植酸具有增加NK細(xì)胞的活性、抗氧化性、阻礙多種癌細(xì)胞增殖的功能，且對(duì)平常的細(xì)胞沒(méi)有傷害，因此在醫(yī)學(xué)上也有著廣泛的應(yīng)用。植酸水解產(chǎn)生的肌醇也具有一定的抗癌性，而且植酸與肌醇的抑癌效果比較溫和，有研究認(rèn)為將兩者合用可以提高對(duì)腫瘤的抑制效果，合用后能對(duì)5種癌細(xì)胞產(chǎn)生抑制，對(duì)不同的癌細(xì)胞抑制效果不同，隨劑量的增加效果有所提高[15]。

植酸能引誘結(jié)直腸癌的分化從而阻礙腫瘤進(jìn)一步惡化[16]，食物中的植酸經(jīng)人體腸胃水解后，其水解產(chǎn)物能阻礙結(jié)直腸癌細(xì)胞的發(fā)展。孫立等[17]討論了植酸與它的水解產(chǎn)物可以對(duì)NDRG1蛋白的表達(dá)產(chǎn)生的反應(yīng)，而且研究了植酸與它的水解產(chǎn)物引誘瘤細(xì)胞分化原因。認(rèn)為其水解主要產(chǎn)生的肌醇，可以與植酸聯(lián)合起抗腫瘤作用，抑制結(jié)直腸癌生長(zhǎng)。有研究表明植酸能夠影響?zhàn)つc膜的屏蔽功能，程立雪等[18]構(gòu)建出結(jié)直腸癌的大鼠模型，擬從zo-1、claudin-1和occludin蛋白的表達(dá)切入，發(fā)現(xiàn)植酸能利用改變緊密連接功能來(lái)改變腸黏膜的屏蔽功能，加強(qiáng)了occludin與zo-1蛋白的表達(dá)水平，降低了claudin-1蛋白的表達(dá)水平，從而抑制了結(jié)直腸癌的表達(dá)。

植酸可以從導(dǎo)致癌細(xì)胞的周期停滯、加快癌細(xì)胞的分化凋亡、阻礙癌細(xì)胞的增值等諸多途徑阻礙癌細(xì)胞的發(fā)展，還可以對(duì)結(jié)直腸癌中Wnt信號(hào)通路產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而抑制結(jié)直腸癌的發(fā)生，并且對(duì)機(jī)體無(wú)不良影響，相比于其他藥物副作用極小，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)植酸及其水解產(chǎn)物很可能成為抑癌領(lǐng)域的新寵[19]。

2.4 植酸的阻燃性能

物質(zhì)的燃燒需要助燃?xì)怏w、熱源、能燃燒的物質(zhì)，而且在有焰燃燒時(shí)自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不可或缺，阻燃劑通過(guò)抑制自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、降低助燃?xì)獾臐舛取⒔K止熱量傳遞和隔絕氧氣等實(shí)現(xiàn)阻燃。而植酸是一種自然界存在的無(wú)毒含磷物質(zhì)，其較高的含磷量讓植酸有很高的阻燃性能[20]，物質(zhì)在燃燒的時(shí)候磷類阻燃劑會(huì)裂解成為小分子P·、P2及PO·，P·和PO·可以與OH·或H·自由基反應(yīng)，其產(chǎn)物可以加速材料的降解，而產(chǎn)物HPO與H·作用產(chǎn)生H2和PO·，可以擾亂由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其產(chǎn)物能夠減少H·濃度從而熄滅火焰。

植酸阻燃劑近年來(lái)已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題，肖文成等[21]用植酸對(duì)滌綸織物浸軋焙烘，優(yōu)化了植酸對(duì)滌綸織物的阻燃處理工藝，處理后的滌綸織物表現(xiàn)出了優(yōu)良的阻燃性能，其極限氧指數(shù)達(dá)到30.7，燃燒面積明顯減小，熱分解的速度熱釋放總量明顯降低，而且對(duì)組織物的白度、硬挺度和斷裂強(qiáng)度等物理性能沒(méi)有明顯影響。而邢亞琳[22]用植酸、氧化淀粉合成氧化淀粉植酸酯中間體POST，再加成縮合制備一類別的氧化淀粉植酸酯Schiff base，將其與DDPO反應(yīng)獲得七種含磷較高的阻燃劑，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的阻燃性能。張秋艷[23]應(yīng)用尿素和植酸的一步反應(yīng)加工成了植酸銨，再將其接枝到lyocell再生纖維素表面，得到了阻燃型耐久纖維，發(fā)現(xiàn)新型lyocell再生纖維有良好的阻燃性能，并利用植酸和雙涂覆法研發(fā)了新的阻燃型纖維。

近年來(lái)因?yàn)辂u素類阻燃劑燃燒后會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有傷害的氣體，且磷、氮阻燃劑能夠和鹵素阻燃劑相媲美，因此植酸作為無(wú)毒和環(huán)境友好性阻燃劑愈發(fā)被重視，其主要用于聚乳酸、EVA等領(lǐng)域。在阻燃劑體系中加入植酸鹽后阻燃效果有明顯優(yōu)化，并降低了體系的熱釋放速率，植酸中磷元素存在于不同的體系中還能改善體系的成炭性能[24]。由于生活中易燃物的增多，各種火災(zāi)對(duì)人民生活生命的危害日益嚴(yán)重，很有必要研發(fā)無(wú)毒的新型阻燃劑，所以植酸作為一種綠色無(wú)毒天然產(chǎn)物，在阻燃領(lǐng)域有著重要的意義。

3 總結(jié)與展望

植酸是一種天然無(wú)毒提取物，具有良好的生物活性，是一種具有較強(qiáng)的螯合性的抗?fàn)I養(yǎng)因子，還能保護(hù)金屬、抑制癌細(xì)胞、制作新型阻燃劑。植酸在食品、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

植酸在食品保鮮、金屬保護(hù)、阻燃劑和治療癌癥等方面有著舉足輕重的作用。植酸制成的保鮮劑能有效地抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖、延緩脂肪氧化，有效地保持了產(chǎn)品的原有品質(zhì)；并且有很強(qiáng)的螯合性，能與金屬形成致密、均勻的絡(luò)合物有效保護(hù)金屬免受腐蝕，還可以與油漆反應(yīng)增加油漆在金屬表面的附著力，能與有機(jī)涂層發(fā)生反應(yīng)增強(qiáng)其屏蔽和防腐性能；還是天然的營(yíng)養(yǎng)品，可以與金屬離子絡(luò)合，具有強(qiáng)抗氧化性，能除去對(duì)人體有害的金屬離子，抑制氧化并具有一定的抑菌作用，在食品、醫(yī)用、工業(yè)等領(lǐng)域的地位將會(huì)愈發(fā)重要，是未來(lái)諸多產(chǎn)業(yè)所需的一種重要應(yīng)用原材料；并且有多種抑制癌細(xì)胞增殖的功能，且對(duì)正常細(xì)胞無(wú)影響，相比于其他藥物副作用極小，而植酸的不同水解率產(chǎn)物對(duì)癌癥的防治有重要意義，其水解產(chǎn)生的肌醇也能有效地降低乳腺癌細(xì)胞分化和傳播速度；還是一種天然的環(huán)境友好型無(wú)毒的含磷有機(jī)化合物，作為一種綠色無(wú)毒天然產(chǎn)物，制備成的阻燃劑被行業(yè)寄以厚望，在阻燃領(lǐng)域有著重要的意義。

植酸在生物傳感器和吸附等領(lǐng)域也備受矚目，但是目前植酸的應(yīng)用還有諸多問(wèn)題有待解決：如何準(zhǔn)確地檢驗(yàn)植酸的含量和其使用的閾值；如何減弱植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用；如何對(duì)植酸進(jìn)行大規(guī)模有要求的生產(chǎn)及如何發(fā)揮其最大潛在價(jià)值等諸多問(wèn)題。隨著植酸相關(guān)方面研究的不斷深入，相信今后植酸的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍將被進(jìn)一步的拓寬，存在的問(wèn)題也會(huì)逐步解決。