黑芝麻功能成分的構(gòu)效關(guān)系

金征宇，蔡燦欣，田耀旗，陸振猷

(1.江南大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.南方黑芝麻集團(tuán)，廣西 南寧 530022)

黑芝麻又名黑脂麻、胡麻、巨勝等，是脂麻科(胡麻科)脂麻屬植物脂麻(SesamumindicumL.)的干燥成熟種子，表面黑色，呈扁卵圓形，平滑或有網(wǎng)狀皺紋，尖端有棕色點(diǎn)狀種臍[1]，在我國(guó)山東、河北、河南、四川、安徽、江西、湖北等地有產(chǎn)[2]。黑芝麻含有蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、不飽和脂肪酸、維生素以及木脂素類物質(zhì)和黑色素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，集油料、藥物、飼料、食品和化工等用途為一體。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上以黑芝麻作為主要原料的黑芝麻糊、黑芝麻功能飲品、黑芝麻羮、黑芝麻糕點(diǎn)、黑芝麻油等營(yíng)養(yǎng)功能食品也越來越多。本文著重對(duì)黑芝麻及相關(guān)產(chǎn)品的典型功能成分、功效，及其相應(yīng)功能作用的構(gòu)效關(guān)系等進(jìn)行闡述，旨在為進(jìn)一步研究開發(fā)系列黑芝麻功能產(chǎn)品提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 典型功能成分及其作用的共性機(jī)制

1.1 黑芝麻的典型功能成分

1.1.1黑色素類化合物

黑芝麻黑色素屬于兒茶酚型的生物大分子，分子結(jié)構(gòu)以芳環(huán)連接成共軛體系，在芳環(huán)上有羧基、酚羥基、氨基及脂肪烴基等取代基團(tuán)，其結(jié)構(gòu)與聚松伯醇有一定的相似性[3]。黑芝麻黑色素存在于黑芝麻種皮中，為堿溶性色素，安全無毒，穩(wěn)定性好，而且具有清除自由基的活性，是非常好的天然色素和抗氧化劑資源。

1.1.2木脂素類化合物

芝麻中的木脂素類物質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%～1.0%)包括芝麻素、表芝麻素、芝麻林素、芝麻素酚、芝麻林素酚、芝麻酚等，其中芝麻素和芝麻林素是主要的芝麻木脂素，分別占種子質(zhì)量的0.2%～0.5%和0.1%～0.3%[4]。芝麻中木脂素類化合物有強(qiáng)抗氧化、護(hù)肝臟、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、降低血漿中膽固醇、延緩衰老、抗菌、抗癌、抗腫瘤、抗高血壓、保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)免疫等多種生理活性功能。

1.1.3維生素類化合物

芝麻中的維生素含量比較豐富，含維生素A、B、C、D、E等，其中維生素E含量較高[5]。作為一種脂溶性維生素，維生素E具有很強(qiáng)的抗氧化作用，而且能夠更有效地降低膽固醇的含量。

1.1.4微量礦物質(zhì)元素

黑芝麻含有的常量礦物質(zhì)元素和微量礦物質(zhì)元素，包括人體常量元素Ca、P、S、Mg、K、Na和微量元素Se、Fe、Zn、Cu、Si、Al，尤其是黑芝麻中硒元素含量豐富，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與藥用價(jià)值等同，對(duì)于降低前列腺發(fā)病率、抗氧化具有顯著作用。

1.2 黑芝麻功能成分作用的共性機(jī)制

1.2.1功能成分的自由基清除路徑

黑色素、維生素E、木脂素類化合物具有超強(qiáng)的抗氧化活性，可有效清除人體頭發(fā)、皮膚、體內(nèi)的自由基，從而保持頭發(fā)亮澤堅(jiān)韌、皮膚潤(rùn)滑、抵抗衰老。其中芝麻素結(jié)構(gòu)中含亞甲二氧基苯基部分，本身在體外是沒有抗氧化作用的，但經(jīng)肝臟或腸道微生物中的酶代謝，生成一系列去甲基化的中間體，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)的游離兒茶酚類抗氧化產(chǎn)物，具有顯著的自由基清除活性，且對(duì)細(xì)胞有一定保護(hù)作用，可進(jìn)一步抑制活性氧產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低肝損傷、抑制血管重構(gòu)，調(diào)節(jié)血糖血脂[6]。

1.2.2功能成分的酶活調(diào)控機(jī)制

芝麻素可抑制腸道和肝臟中的多種通路表達(dá)水平，從而調(diào)節(jié)多種關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、酶類、受體的表達(dá)，起到調(diào)節(jié)膽固醇代謝的作用[7]。此外，芝麻素可抑制病變細(xì)胞的活化，從而進(jìn)一步抑制通路激活，降低病變毒素的水平，達(dá)到保護(hù)肝臟、抗癌細(xì)胞增殖、促凋亡、抗炎抗轉(zhuǎn)移的目的。

1.2.3功能成分的腸道消化干預(yù)機(jī)制

芝麻素及其異構(gòu)體主要被大腸和小腸里微生物代謝為四氫呋喃類化合物，此代謝物有助于腸道的消化吸收，并轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織提高人體新陳代謝速度。此外，木脂素類化合物可誘導(dǎo)人體中乳桿菌- 腸球菌群和雙歧桿菌數(shù)量的增加，從而有效調(diào)節(jié)人體腸道微生物群落，促進(jìn)人體的腸道健康[8]。

1.2.4功能成分的微量元素補(bǔ)充作用原理

黑芝麻中鐵含量較高，對(duì)一些缺鐵性貧血有較好的療效，經(jīng)常食用對(duì)骨骼和牙齒有益[9]。此外，黑芝麻中含有的賴氨酸可與鈣、鐵等礦物質(zhì)元素螯合形成可溶性小分子單體，促進(jìn)這些礦物質(zhì)元素的吸收，進(jìn)而促進(jìn)骨、軟骨及結(jié)締組織的形成。

2 黑芝麻功能成分構(gòu)效關(guān)系的具體案例

2.1 黑色素與烏發(fā)潤(rùn)發(fā)

人體生物組織中的光吸收對(duì)于皮膚和頭發(fā)的健康和護(hù)理非常重要[10]。太陽發(fā)出的紫外線對(duì)細(xì)胞化合物具有極強(qiáng)的侵襲性。在經(jīng)過臭氧篩選之后，仍有5%～10%高能中波紅斑效應(yīng)紫外線(UVB，280～320 nm)和90%～95%UVA長(zhǎng)波黑斑效應(yīng)紫外線(UVA，320～400 nm)到達(dá)地球及我們的皮膚，其能量較低，但由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以更容易滲透進(jìn)入皮膚，而我們的頭發(fā)可以被UVA和UVB完全滲透，原理見圖1[11]。紫外線會(huì)引起頭發(fā)基質(zhì)超微結(jié)構(gòu)和感官特性的重大變化，如質(zhì)構(gòu)變硬、干燥、易斷等，同時(shí)也會(huì)影響頭發(fā)的顏色和光澤。Herrling等[12]研究發(fā)現(xiàn)阻止紫外線在皮膚和頭發(fā)中產(chǎn)生自由基的第一道防線是由人體皮膚和頭發(fā)中含有的不同濃度的黑色素引起的，黑色素含量越高，相應(yīng)皮膚中含有的皮膚保護(hù)因子越高。

FR為自由基，ROS為活性氧基團(tuán)，L·為烷基自由基，LOO·為過氧化烷基自由基。圖1 UVA和UVB輻射在皮膚和頭發(fā)的不同層中的穿透深度以及涉及的自由基類型Fig.1 Schematic exposition of penetration depth of UVA and UVB radiation in different layers of skin and hair and presentation of types of free radicals which are involved in this process

2.2 芝麻素與抗氧化

圖2 芝麻素及其代謝產(chǎn)物的抗氧化活性Fig.2 Antioxidant activity of sesamin and its metabolites

2.3 芝麻木脂素與清膽固醇

芝麻木脂素是黑芝麻中的主要生理活性物質(zhì)之一，具有調(diào)節(jié)膽固醇代謝，降低肝損傷，防止血管硬化的作用。芝麻素作為黑芝麻中最主要的木脂素，占總木脂素含量的0.2%～0.5%，具有抑制人體腸道對(duì)膽固醇的吸收以及降低血液中膽固醇含量的功能[16]。Liang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，芝麻素的降膽固醇作用是通過調(diào)節(jié)膽固醇吸收代謝相關(guān)基因進(jìn)而抑制腸道Niemann-Pick C1 like 1蛋白(NPC1L1)，?；o酶A-膽固醇?；D(zhuǎn)移酶2(ACAT2)等有關(guān)膽固醇吸收的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、酶類、受體等的表達(dá)，從而抑制膽固醇在腸道中的消化吸收，促進(jìn)甾醇在糞便中的排泄。Takada等[18]在研究中發(fā)現(xiàn)，芝麻素抑制NAD(P)H氧化酶誘導(dǎo)的超氧化物歧化酶產(chǎn)生，從而可改善高脂飲食的糖尿病小鼠的運(yùn)動(dòng)能力。此外，芝麻素具有較強(qiáng)的抗氧化和抗炎作用。Chen等[19]研究發(fā)現(xiàn)，芝麻素一方面能夠抑制NF- κB活化從而抑制NF- κB通路的激活，另一方面可以顯著降低肝臟纖維化病變引起的肝臟白細(xì)胞介素- 6(IL- 6)和環(huán)氧合酶- 2(COX- 2)水平，達(dá)到改善肝臟纖維化病變、保護(hù)肝臟的目的。Liu等[20]發(fā)現(xiàn)，芝麻素的抗氧化活性能夠抑制鎳引起的活性氧(ROS)產(chǎn)生和氧化應(yīng)激，并且通過提高磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)和磷酸化蛋白激酶B(PBK/Akt)在肝臟中的表達(dá)水平調(diào)節(jié)PI3K- Akt信號(hào)傳導(dǎo)途徑，顯著降低鎳誘導(dǎo)的DNA損傷和小鼠肝細(xì)胞凋亡。

2.4 木脂素與降血脂、降血糖

黑芝麻中富含甾酮、黃酮、環(huán)烯醚萜苷類等物質(zhì)，這些物質(zhì)可以促進(jìn)細(xì)胞糖的消耗，從而起到降低血糖的作用。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，芝麻素可以在人體肝臟內(nèi)代謝產(chǎn)生抗氧化性高的兒茶酚等物質(zhì)，同時(shí)減少氧自由基生成，抑制血管重構(gòu)，調(diào)節(jié)血糖血脂[21]。芝麻素在胃中會(huì)由胃酸催化差向異構(gòu)化為2-表芝麻素，見圖3[22]。而芝麻素及其異構(gòu)體在到達(dá)直腸前人體吸收并不多，其主要被大腸和小腸里微生物代謝為四氫呋喃類代謝物，這些代謝物有助于腸道中的消化吸收，并通過淋巴吸收進(jìn)入心血管系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織提高人體新陳代謝速率[23]。另外，芝麻中的木脂素可誘導(dǎo)人體中乳桿菌- 腸球菌群和雙歧桿菌數(shù)量的顯著增加，而不刺激直腸桿菌- 梭狀芽孢桿菌群、溶組織梭菌群和擬桿菌的細(xì)菌生長(zhǎng)，這表明木脂素可以有效調(diào)節(jié)人體腸道微生物群落，促進(jìn)人體的腸道健康[8]。

圖3 芝麻素在人體腸胃、腎臟中的代謝流程[22]Fig.3 Metabolic process of sesamin in human stomach and kidney[22]

2.5 芝麻素與抗癌、抗腫瘤

芝麻素可抑制多種癌細(xì)胞生長(zhǎng)，在抗癌細(xì)胞增殖、促凋亡、抗炎及癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移、抗血管生成和促血管生成等方面均可發(fā)揮巨大作用見圖4[24]。Deng等[25]研究發(fā)現(xiàn)，芝麻素濃度依賴性地誘導(dǎo)肝癌HepG2細(xì)胞G2/M期阻滯并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，可抑制HepG2細(xì)胞中高度活化的STAT3和NF- κB(轉(zhuǎn)錄蛋白)信號(hào)通路，并通過該抑制作用下調(diào)檢查點(diǎn)相關(guān)的周期蛋白及其激酶的表達(dá)。Lee等[26]研究發(fā)現(xiàn)，芝麻素能明顯降低低氧誘導(dǎo)因子HIF- 1α和NF- κB(VEGF和MMP- 9表達(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子)的核水平，并有效抑制白細(xì)胞介素IL- 6，IL- 8，腫瘤壞死因子- α的表達(dá)，避免巨噬細(xì)胞對(duì)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)的增強(qiáng)誘導(dǎo)，從而通過抑制VEGF和MMP有效抑制巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)的乳腺癌細(xì)胞的促血管生成作用。此外，芝麻素還可抑制Cyclin D1(G1/S- 特異性周期蛋白- D1)活性，將乳腺癌細(xì)胞的細(xì)胞周期阻滯在G1期[27]。

圖4 芝麻素的抗癌細(xì)胞增殖、促凋亡、抗炎、抗轉(zhuǎn)移、抗血管生成和促血管生成以及促自噬活性的分子和細(xì)胞機(jī)制以及主要的靶向信號(hào)通路Fig.4 Summary of known molecular and cellular mechanisms as well as major targeted signaling pathways including anti-proliferative,pro-apoptotic,anti-inflammatory,anti-metastatic,anti- and pro-angiogenic,pro-autophagocytic activities and major targeted signaling pathways of sesamin

2.6 礦物質(zhì)元素與補(bǔ)氣養(yǎng)血、牙齒保健

黑芝麻中含有多種礦物質(zhì)元素，表1列舉了黑芝麻中的礦物質(zhì)元素的組成與含量分布，其中，作為微量礦物質(zhì)元素鐵和常量礦物質(zhì)元素鈣的含量較高，對(duì)補(bǔ)氣養(yǎng)血、骨骼發(fā)育等有一定作用。

表1 黑芝麻中礦物質(zhì)元素的組成與含量分布Tab.1 Composition and content distribution of mineral elements in black sesame mg/100 g

Elhardallou等[30]以黑芝麻、紅棗和鴿豌豆為原料，制備一款富含鐵和蛋白質(zhì)的能量飲料，其中產(chǎn)品的鐵含量在(14.6～14.8)mg/100 g范圍內(nèi)，可作為礦物質(zhì)補(bǔ)充劑有效地添加到嬰幼兒斷奶后的輔食中。Njidda等[31]在新西蘭白兔飼料中添加黑芝麻以代替花生粉，研究發(fā)現(xiàn)隨著黑芝麻代替膳食含量的升高，白兔的血紅蛋白、白細(xì)胞、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)顯著性增加，且對(duì)血液學(xué)參數(shù)、血清生化指標(biāo)和胴體特性無不良影響(P>0.05)。Abdalla[32]以烤黑芝麻作為天然鐵源的補(bǔ)充餐，研究對(duì)妊娠期貧血孕婦的影響。結(jié)果表明，大多數(shù)參與實(shí)驗(yàn)的孕婦在服用芝麻補(bǔ)充餐后血紅蛋白濃度、血清鐵和轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度顯著提高。

Abebe等[33]報(bào)道黑芝麻具有高鈣含量，是鈣補(bǔ)充劑的有效來源。Rezvani等[34]通過將脫鈣后的前磨牙用黑芝麻制備的凝膠覆蓋處理后，評(píng)估其顯微硬度發(fā)現(xiàn)，由于高鈣含量，黑芝麻可顯著提高脫鈣牙釉質(zhì)的顯微硬度，證明了黑芝麻對(duì)牙釉質(zhì)的再礦化能力，可作為牙齒礦化劑。此外，Thaweboon等[35]表示芝麻對(duì)Streptococcusmutans這種主要的致齲細(xì)菌具有抗菌潛力。

3 研究趨勢(shì)與展望

黑芝麻作為一種藥食同源的重要原料，對(duì)于其營(yíng)養(yǎng)成分、活性功能及相關(guān)保健食品開發(fā)的研究逐漸增多。現(xiàn)今關(guān)于黑芝麻功能特性的研究，主要考慮黑芝麻多種組分的整體性，而非提取精制成分進(jìn)行單一化。對(duì)于功能特性的研究?jī)H停留于作用功效表面，沒有深入研究功能成分的具體作用機(jī)制及其基礎(chǔ)藥理。很多功能性作用的驗(yàn)證主要采用體外模擬實(shí)驗(yàn)或小型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，應(yīng)加強(qiáng)大型動(dòng)物瘺管實(shí)驗(yàn)和人體臨床研究。加大科研投入，系統(tǒng)揭示黑芝麻功能性成分對(duì)人體健康的關(guān)鍵作用機(jī)制，建立黑芝麻功能性成分健康信息數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步開發(fā)黑芝麻輕脂飲品、黑芝麻硒片、黑芝麻泡騰片等新型黑芝麻產(chǎn)品。