食源性甾醇類化合物生物活性及應(yīng)用

賈 碩,張 帆,周 寰,謝建華,袁蘭蘭,申明月,*

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047;2.南昌大學(xué)圖書館,江西南昌 330031)

甾醇類化合物是以環(huán)戊烷全氫菲(甾核)為基本骨架的一大類化合物,廣泛存在于生物體組織內(nèi),只能由乙酰輔酶A合成或通過從外界攝取,在生物體生命過程中起著重要的作用[1]。自然界中甾醇存在形式不一,以游離態(tài)或結(jié)合態(tài)的形式存在,通過C-3位衍生為甾醇糖苷、甾醇酯等多種化合物。根據(jù)甾核化學(xué)式(圖1)C-4位所連甲基的數(shù)目,甾醇可大致分為4-無甲基甾醇、4-甲基甾醇和4,4-二甲基甾醇三類,其中4-無甲基甾醇是目前研究最多的一類[2]。根據(jù)其來源又可分為動(dòng)物甾醇、植物甾醇和菌類甾醇[3]。食源性甾醇是從可食用的植物、菌菇中獲得的甾醇類化合物的統(tǒng)稱。表1中列舉了一些常見的食源性甾醇。

表1 常見的食源性甾醇Table 1 Common food-derived sterols

圖1 甾核結(jié)構(gòu)式

食源性甾醇廣泛存在于可食性植物的花、果、葉、種子和根莖等部分中[4],根據(jù)植物種類或不同部位的區(qū)別,甾醇種類及相對(duì)含量也會(huì)有一定差別[5]。例如玉米、小麥、大麥和燕麥等谷物中谷甾醇含量較高,且多以結(jié)合態(tài)的形式存在。目前從植物體中已經(jīng)分離鑒定出超過40種的植物甾醇,并以谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇等最為常見[6],這三種甾醇含量總和約占總植物甾醇含量的98%[7]。相較于植物體,甾醇類化合物在真菌中更為廣泛地存在,同樣與維持細(xì)胞形態(tài)與正常生理功能密切相關(guān);同時(shí),在不同真菌中的甾醇類型及含量存在著明顯差異[8]。菌類甾醇多為C28結(jié)構(gòu),在絕大多數(shù)真菌的甾醇成分中,麥角甾醇及其衍生物的含量占主導(dǎo)地位[9]。

食源性甾醇類化合物是重要的天然甾體,具有多種獨(dú)特的生物學(xué)活性及功能。早在2000年,美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)就通過了決議,允許添加了甾醇和(或)其衍生物甾烷醇酯的食品貼上“有益健康”的標(biāo)簽。關(guān)于甾醇類化合物的生理功能的研究,最開始主要集中在其降膽固醇功效及其機(jī)理上,后來發(fā)現(xiàn)甾醇還具有抗癌、免疫調(diào)節(jié)、抑菌等生理功能[10]。本文綜述了食源性甾醇的相關(guān)研究成果,對(duì)其主要生理活性及應(yīng)用進(jìn)行了歸納,并對(duì)相關(guān)研究報(bào)道進(jìn)行了簡要的分析和評(píng)述,以期為食源性甾醇的深入研究提供參考。

1 食源性甾醇類化合物的生物活性

1.1 降膽固醇作用

早在1951年,Peterson[11]就提出了植物甾醇能夠降低血漿膽固醇水平,發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)含有豆甾醇飼料的實(shí)驗(yàn)組雛雞血漿及肝臟中的膽固醇含量低于未加豆甾醇的對(duì)照組。植物甾醇及其衍生物能夠降低血清中低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)的含量,而對(duì)其他脂蛋白不造成影響[12]。關(guān)于食源性甾醇類化合物特別是植物甾醇降低膽固醇的研究經(jīng)過以下幾個(gè)時(shí)期[13]:觀察時(shí)代[11]。植物甾醇能抑制腸道膽固醇吸收,導(dǎo)致血清膽固醇濃度降低,但并沒有進(jìn)行深入研究；膠束時(shí)代[14]。提出了微膠束理論,認(rèn)為甾醇是通過形成微膠束后才可以穿過腸上皮細(xì)胞,被人體吸收。由于膽固醇與植物甾醇結(jié)構(gòu)相似,存在競爭關(guān)系,所以植物甾醇可以擠掉膠束中膽固醇,從而增加體外膽固醇的排出量；轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)代[15]:隨著ABCG5/ABCG8和NPC1L1等不同的甾體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其調(diào)控機(jī)制的發(fā)現(xiàn),植物甾醇被認(rèn)為能夠使ATP結(jié)合盒亞家族G成員(ABCG5/8)和膽固醇?；D(zhuǎn)移酶(ACAT)表達(dá)量增加,導(dǎo)致膽固醇吸收減少。新發(fā)現(xiàn)的時(shí)代[16]:最近有學(xué)者提出腸道膽固醇排泄(TICE)是甾醇介導(dǎo)的降膽固醇作用的可能機(jī)制。

關(guān)于食源性甾醇類化合物降膽固醇的作用機(jī)理,存在多種假說[17],目前被接受的主要的解釋理論有以下四種:(a)根據(jù)甾醇的疏水特性,進(jìn)入小腸后能夠競爭性取代小腸內(nèi)腔微膠束中的膽固醇,造成膽固醇濃度下降,減少腸道對(duì)膽固醇的吸收,而使糞便膽固醇排出增多,進(jìn)而降低體內(nèi)膽固醇的累積和吸收,這與膠束理論一致。在體外模擬膽汁的條件下也取得了同樣的效果,植物甾醇的添加能有效取代膠束中的膽固醇,且豆甾醇活性略強(qiáng)于谷甾醇[18]。與植物甾醇類似,菌類甾醇和膽固醇也具有一定的結(jié)構(gòu)相似性,它們可能通過與人腸中的細(xì)胞受體競爭性結(jié)合來減少膽固醇的吸收[19]。(b)小腸內(nèi)只有被ACAT催化酯化后的膽固醇才能進(jìn)入血循環(huán),而由于結(jié)構(gòu)差異性使得食源性甾醇難以被ACAT酯化,大部分又重新由ABCG5/8等轉(zhuǎn)運(yùn)體泵回腸腔。因此,游離甾醇能夠上調(diào)腸細(xì)胞ABCG5/8轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)[20],使被吸收的膽固醇重新回到小腸內(nèi)腔,從而使膽固醇的凈吸收含量降低。另外,通過抑制ACAT的活性進(jìn)而使膽固醇吸收減少作為潛在的降膽固醇方式也被認(rèn)為具有一定的可行性;通過向高膽固醇膳食小鼠飼料中添加植物甾醇,能使受試動(dòng)物肝臟ACAT活性相較對(duì)照組降低12%,同時(shí)小鼠極低密度脂蛋白(VLDL)和低密度脂蛋白(LDL)膽固醇也有顯著降低(34%和41%)[21]。(c)干擾乳糜微粒形成機(jī)制:甾醇類化合物可通過抑制肝細(xì)胞載脂蛋白B(ApoB)的生成和減少VLDL中膽固醇的含量來影響血液中LDL的形成,可增加脂蛋白受體(LDLR)的表達(dá)量進(jìn)而清除了LDL膽固醇[22]。根據(jù)家族性高膽固醇血癥患者的臨床試驗(yàn)結(jié)果,植物甾醇能與辛伐他丁或辛伐他丁/依澤替米貝發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),對(duì)受試患者血漿中總膽固醇、LDL膽固醇、甘油三酯及ApoB能發(fā)揮出更顯著的降低作用[23]。(d)甾醇類化合物可通過調(diào)控膽固醇合成及代謝中關(guān)鍵酶的活性,如植物甾醇能增強(qiáng)膽固醇合成限速酶的活性,同時(shí)可降低乙?；?輔酶A羧化酶和蘋果酸酶的活性,抑制膽固醇的酯化酶ACAT的活性。膽固醇-7α-羥化酶(CYP7A1)是膽固醇向膽酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶,根據(jù)實(shí)驗(yàn)組小鼠肝臟中相關(guān)指標(biāo)的測定結(jié)果,植物甾烷醇能促進(jìn)肝臟X受體α(LXRα)及其靶基因CYP7A1的表達(dá),對(duì)膽固醇代謝有一定的促進(jìn)作用[24]。雙孢菇中甾醇提取物能夠降低高膽固醇血癥大鼠的7膽固醇水平并抑制3-羥基-3-甲基-戊二酰輔酶A還原酶的活性[19]。

雖然假說機(jī)制很多,但食源性甾醇降低膽固醇并不是簡單的單個(gè)機(jī)制作用產(chǎn)生的生理活性,可能是多重過程復(fù)雜的相互作用。

1.2 抗癌作用

近年來,食源性甾醇的抗癌活性引起人們關(guān)注[25]。最新的流行性病學(xué)研究發(fā)現(xiàn),攝入植物甾醇能使多種癌癥包括乳腺癌、胃癌、結(jié)腸癌、前列腺癌和卵巢癌等的患病幾率降低[26]。Mendilaharsu等[27]對(duì)烏拉圭的463名新診斷的原發(fā)性肺癌患者和對(duì)照組465名非肺癌住院患者進(jìn)行了病例對(duì)照研究,發(fā)現(xiàn)植物甾醇攝入量與罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)。De等[28]調(diào)查了120名確診患有胃癌的患者和360名非腫瘤性疾病患者的植物甾醇攝入量,研究其對(duì)胃癌患病率的影響,結(jié)果顯示總甾醇攝入量與胃癌發(fā)病率呈反比關(guān)系。Mccann等[29]發(fā)現(xiàn)在較高的豆甾醇攝入量(423 mg/d)下發(fā)生卵巢癌的風(fēng)險(xiǎn)降低。紐約膳食研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的調(diào)查報(bào)告指出菜油甾醇、β-谷甾醇和豆甾醇的攝入都能減少卵巢癌的發(fā)病率[26]。

體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)植物甾醇確實(shí)存在抗癌功效[30]。Llaverias等[31]用一種遺傳性乳腺癌的小鼠模型研究了膳食中植物甾醇對(duì)腫瘤發(fā)病影響,結(jié)果表明小鼠乳腺增生性病變和腫瘤負(fù)擔(dān)減少,同時(shí)植物甾醇攝入對(duì)小鼠體內(nèi)脂肪氧化表現(xiàn)出抑制作用。

體外實(shí)驗(yàn)研究表明β-谷甾醇和豆甾醇能夠抑制小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16F10的生長,并顯示出對(duì)凋亡的誘導(dǎo)作用[32]。Heleno等[33]發(fā)現(xiàn),雙孢菇的甾醇提取物和麥角甾醇比植物甾醇表現(xiàn)出更高的腫瘤細(xì)胞抑制活性,該提取物對(duì)人乳腺癌細(xì)胞MCF-7,大細(xì)胞肺癌細(xì)胞NCI-H460,人子宮頸癌細(xì)胞HeLa及人肝癌細(xì)胞HepG2細(xì)胞系具有很強(qiáng)的抑制作用。從靈芝子實(shí)體中分離得到的三種甾醇組分(真菌甾醇、9(11)-脫氫麥角甾醇過氧化物以及Demethylincisterol A3)能抑制12-O-十四烷酰佛波醇-13-乙酸酯(TPA)誘導(dǎo)的愛潑斯坦病毒早期抗原(EBV-EA)活性,IC50值分別為370、235和293(mol ratio/32 pmol TPA)[34]。利用赤芝中獲得的三種甾醇組分(靈芝萜烯酮醇、麥角甾-7,22-二烯-3β-醇、過氧化麥角甾醇)對(duì)人肝癌細(xì)胞株BEL-7402、人胃癌細(xì)胞株MGC-803進(jìn)行體外抗腫瘤實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)以上三種化合物具有顯著的抗腫瘤效應(yīng),并對(duì)正常細(xì)胞系HUEBV無明顯毒性;進(jìn)一步研究表明,靈芝萜烯酮醇和麥角甾-7、22-二烯-3β-醇對(duì)抑制BEL-7402細(xì)胞增殖表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[35]。

盡管現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與流行性病學(xué)的調(diào)查結(jié)果之間存在一致性,但關(guān)于甾醇類物質(zhì)的抗腫瘤機(jī)制至今仍未完全闡明。目前關(guān)于其抗腫瘤機(jī)制的解釋主要有:抑制致癌物的產(chǎn)生、癌細(xì)胞的生長、入侵、轉(zhuǎn)移和促進(jìn)細(xì)胞凋亡等[36]。此外,雖然甾醇類化合物的大部分抗癌作用已經(jīng)在體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到確認(rèn),但仍需要經(jīng)過人體試驗(yàn)證實(shí),才能將其作為抗腫瘤藥物。

1.3 抗炎作用

炎癥與多項(xiàng)疾病聯(lián)系密切,一般的炎癥反應(yīng)是宿主對(duì)外來挑戰(zhàn)或組織損傷有益的自我保護(hù)反應(yīng),最終使得身體機(jī)能恢復(fù)正常。然而長期的炎癥反應(yīng)會(huì)對(duì)身體有損傷,能誘發(fā)多種疾病,如關(guān)節(jié)炎、哮喘、多發(fā)性硬化癥、炎癥性腸病和動(dòng)脈粥樣硬化等[37]。

研究發(fā)現(xiàn)從松針層孔菌子實(shí)體分離得到的麥角甾-4,6,8(14),22-四烯-3-酮、麥角甾-7,24(28)-二烯-3-醇和5,8-環(huán)二氧麥角甾-6,22-二烯-3-醇,對(duì)于脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞RAW 264.7中一氧化氮的產(chǎn)生有顯著抑制作用,其中麥角甾-7,24(28)-二烯-3-醇的IC50為15.1 μmol/L。同時(shí)這些物質(zhì)均表現(xiàn)出對(duì)誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(iNOS)和環(huán)氧化酶-2(COX-2)的蛋白質(zhì)和mRNA表達(dá)的抑制,且存在劑量-效應(yīng)關(guān)系[38]。從多花羅漢松中分離得到的麥角甾醇能顯著降低由LPS誘導(dǎo)的急性肺炎病理變化,并表現(xiàn)出對(duì)促炎性細(xì)胞因子,包括腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)等的抑制作用,說明其作用機(jī)理可能與對(duì)核因子-κB(NF-κB),COX-2和iNOS通路的抑制有關(guān)[39]。

Valerio等[40]長期研究β-谷甾醇的抗炎活性,并且取得了較好的研究成果,實(shí)驗(yàn)通過植物甾醇防治實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)的能力來驗(yàn)證其作為抗炎物質(zhì)的潛力,結(jié)果表明植物甾醇可以通過減少小鼠腦中巨噬細(xì)胞的存在和炎癥活性來降低疾病發(fā)病率。其進(jìn)一步研究表明[41],β-谷甾醇是通過抑制促炎細(xì)胞因子和趨化因子的釋放,從而抑制信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT1)信號(hào)通路,從而具有一定的抗炎活性。此外,β-谷甾醇還可以抑制NF-κB向細(xì)胞核的易位,Yoo等[42]對(duì)從海藻中提取的巖藻甾醇進(jìn)行抗炎活性研究,發(fā)現(xiàn)巖藻甾醇可通過下調(diào)mRNA轉(zhuǎn)錄從而抑制多種細(xì)胞因子的表達(dá);另外巖藻甾醇減弱了LPS誘導(dǎo)的NF-κB轉(zhuǎn)錄活性,同時(shí)減弱了絲裂原活化蛋白激酶通路,表明其抗炎作用與NF-κB和分裂原激活蛋白激酶p38信號(hào)傳導(dǎo)通路有關(guān)。

1.4 免疫調(diào)節(jié)作用

植物甾醇具有很好的免疫調(diào)節(jié)功能,Bouic等[43]在1996年首次肯定了β-谷甾醇和其糖苷混合物的免疫調(diào)節(jié)活性,通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),受試馬拉松運(yùn)動(dòng)員在攝取β-谷甾醇和其糖苷混合物后,CD3+和CD4+細(xì)胞增加,IL-6及皮質(zhì)醇降低,炎癥抑制較輕。同時(shí),β-谷甾醇和其糖苷混合物能夠調(diào)節(jié)T細(xì)胞活性,增強(qiáng)NK細(xì)胞的細(xì)胞毒性能力。Navarro等[44]發(fā)現(xiàn)β-谷甾醇能夠抑制嗜中性細(xì)胞滲入組織,減少β-葡糖醛酸酶和超氧化物的產(chǎn)生,表明其體外調(diào)節(jié)活性與補(bǔ)體系統(tǒng)的經(jīng)典途徑密切相關(guān)。孟海波等[45]研究發(fā)現(xiàn)米糠甾醇能提高大鼠巨噬細(xì)胞的吞噬率、吞噬系數(shù)、碳廓清指數(shù)、促進(jìn)B淋巴細(xì)胞增殖及分化,在中劑量及低劑量組中可觀察到血清溶血素的釋放增加,各劑量組大鼠脾臟指數(shù)均有提高,表明米糠甾醇對(duì)大鼠體液免疫改善有顯著作用。通過預(yù)先對(duì)小鼠飼喂蒲公英甾醇,能顯著降低由致死劑量LPS誘導(dǎo)的內(nèi)毒性休克的死亡率,抑制炎性細(xì)胞因子(IFN-γ,IL-1β,IL-6,TNF-α)和介質(zhì)(NO、前列腺素PGE2)分泌,并對(duì)肺組織損傷具有一定的預(yù)防作用[46]。

1.5 其它

除降膽固醇、抗腫瘤、抗炎和調(diào)節(jié)免疫活性外,食源性甾醇還有許多其他生理功能,例如抗氧化功效、表面活性劑、類激素等[47]。研究發(fā)現(xiàn)植物油富含的甾醇在煎炸條件下能保護(hù)油脂中的脂肪酸,使其不被氧化降解。燕麥油脂中分離出的Δ5-燕麥甾醇、Δ7-燕麥甾醇和β-谷甾醇等能夠阻止不飽和脂肪酸在髙溫條件下發(fā)生氧化降解[48]。

另外,甾醇還具有抑菌活性。研究發(fā)現(xiàn)玉米須甾醇能夠明顯抑制金黃色葡萄球菌、志賀氏菌、毛霉和青霉等生長[49]。其抑菌機(jī)制可能是玉米須甾醇能夠使菌體體內(nèi)電解質(zhì)出現(xiàn)滲透,從而使細(xì)胞膜的通透性發(fā)生變化;細(xì)菌體內(nèi)蛋白質(zhì)的含量下降;還原糖的消耗速度變慢[49]。文冠果種仁甾醇同樣表現(xiàn)出對(duì)細(xì)菌的可溶性蛋白質(zhì)合成及還原糖利用能力的抑制作用,對(duì)四種微生物的抑制強(qiáng)度順序?yàn)榻瘘S色葡萄球菌>鼠傷寒沙門氏菌>枯草芽孢桿菌>大腸桿菌[50]。

2 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

食源性甾醇在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用最早始于1995年,植物甾烷醇酯最早被應(yīng)用于人工黃油的工業(yè)生產(chǎn)[51]。而我國在2002年頒布的《衛(wèi)生部關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范保健食品原料管理的通知》中指出,植物甾醇作為保健食品的植物性原料中功能成分,被列為“可用于保健食品的物品”和“既是食品又是藥品的物品”[52]。隨著相關(guān)研究的不斷完善,目前已有大量以食源性甾醇作為有效成分的功能性食品,按照分類又可分為油脂類、保健品以及飲品類(表2)。

表2 以食源性甾醇作為活性成分的部分功能性食品Table 2 Partial functional foods with food-derived sterol(s)as active ingredients

然而,甾醇因其獨(dú)特的物理性質(zhì)幾乎不溶于水且生物利用度相對(duì)較低[53];因此一般會(huì)將甾醇通過化學(xué)修飾如酯化后添加到產(chǎn)品中,其它方式如通過微膠囊化技術(shù)將其它物質(zhì)作為載體如羥丙基-β-環(huán)糊精或乳清蛋白分離物、菊粉和殼聚糖的混合體系也能提高甾醇在水體系中的溶解程度[54-55]。目前已有向果汁、巧克力、發(fā)酵乳等添加植物甾醇類化合物的相關(guān)研究[56]。迄今除外源性甾醇類物質(zhì)本身外,添加這類化合物的產(chǎn)品在儲(chǔ)存期內(nèi)相較于未添加的產(chǎn)品在主要營養(yǎng)成分的含量方面更加穩(wěn)定。總體而言,植物甾醇及其衍生物的添加對(duì)產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值和貨架期的延長具有一定的積極作用。

目前,有關(guān)菌類甾醇應(yīng)用于食品中的報(bào)道也在逐年增加。雙孢菇甾醇提取物與麥角甾醇表現(xiàn)出與植物甾醇相似的抗氧化活性,能保護(hù)酸奶免受氧化,延長產(chǎn)品貨架期[33]。此外,向發(fā)酵乳制品中添加姬松茸子實(shí)體的甾醇提取物能顯著提高其抗氧化能力,而對(duì)其營養(yǎng)成分無明顯影響[57]。

Grasso等[58]人發(fā)現(xiàn)添加植物甾醇后,火雞肉質(zhì)在剪切力、脂質(zhì)氧化、L值和持水能力方面受到了顯著影響,其感官差異、顏色、質(zhì)地和風(fēng)味的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明植物甾醇的添加對(duì)產(chǎn)品整體影響較小。購買意愿和支付意愿指標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示,盡管甾醇添加后肉的感官評(píng)價(jià)弱于非添加肉,但在標(biāo)明富甾醇的信息后該食品的可接受程度有顯著提高,說明目前人們對(duì)于甾醇添加食品的接受程度也越來越高[59]。

3 結(jié)語

一般認(rèn)為,植物油在食源性甾醇攝入來源中占據(jù)重要地位,除此之外,谷物、蔬果、菌菇類中都含有較為豐富的甾醇類物質(zhì)。而在油脂加工廢料如脫臭餾出物中甾醇含量較高,在工業(yè)生產(chǎn)上被作為甾醇提取的主要來源。食源性甾醇在自然界分布廣泛,并且具有顯著的生理活性,包括但不限于降膽固醇、抗癌、抗氧化能力等。目前對(duì)其活性的研究尚不夠完善和深入,并且關(guān)于其生理活性的作用機(jī)理尚未完全闡明。因此通過更加完善的方式評(píng)估和驗(yàn)證其機(jī)理深入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與臨床數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià),才能進(jìn)一步推動(dòng)其在食品、醫(yī)藥甚至其他領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。

另一方面,我國油脂產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大,但同發(fā)達(dá)國家相比甾醇資源的開發(fā)利用方面相對(duì)落后,油脂及菌菇類生產(chǎn)加工廢料的直接丟棄造成該資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此,合理高效地利用這類天然產(chǎn)物會(huì)是今后相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。