天然植物甾醇的來源、功效及提取研究進(jìn)展

張志旭 昌 超 劉東波，4

（1.作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖南 長沙 410128；2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預(yù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128）

高血壓（hypertensive disease）是最常見的心血管病，是全球范圍內(nèi)的重大公共衛(wèi)生問題，多是由于血脂異常引起的［1，2］。衛(wèi)生部和科技部國家統(tǒng)計(jì)局對(duì)中國居民營養(yǎng)與健康現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查［3］，結(jié)果顯示，成人血脂異常患病率達(dá)到1 8.6%，全國血脂異常人數(shù)約1.6億，不同類型血脂異常的患病率分別為：高甘油三酯血癥11.9%，低高密度脂蛋白血癥7.4%，高膽固醇血癥占2.9%，另有3.9%的人血清膽固醇邊緣升高。自然界中有許多植物被用做食療來緩解和治療高血壓，植物甾醇是近年來研究較多的一類天然有效成分［4］。

1 概述

甾體化合物是廣泛存在于生物體組織內(nèi)的一類天然有機(jī)化合物，種類繁多，在結(jié)構(gòu)上都含有氫化程度不同的環(huán)戊烷全氫菲甾核，且在甾核上含有3個(gè)側(cè)鏈。甾醇是3位碳原子上連接有羥基的甾體化合物，在自然界分布廣泛。根據(jù)其側(cè)鏈長短、側(cè)鏈上雙鍵數(shù)目位置和個(gè)數(shù)，自然界存在的甾醇可能有1 700多種，現(xiàn)已鑒定出的甾醇有250多種［5，6］，主要可分為動(dòng)物甾醇、菌性甾醇和植物甾醇。動(dòng)物甾醇主要來自動(dòng)物組織和動(dòng)物細(xì)胞，以膽固醇（cholesterol）為代表；菌性甾醇主要存在于霉菌和蘑菇之中，主要為麥角甾醇（ergosteor1）；植物甾醇則在大多數(shù)植物中都有分布［7，8］。

由于人體自身不能合成甾醇，食物是獲得甾醇的唯一來源。研究［9］表明，在食物中添加植物甾醇可以起到降血脂的作用。文章通過對(duì)植物甾醇的來源、降血脂功效評(píng)價(jià)、作用機(jī)制以及對(duì)提取純化方法的總結(jié)，提出有效的產(chǎn)品研究和開發(fā)途徑，旨在推動(dòng)植物甾醇類產(chǎn)品的開發(fā)和機(jī)理研究。

2 植物甾醇的來源

植物甾醇是植物體內(nèi)的一種類似于環(huán)狀醇結(jié)構(gòu)的天然活性物質(zhì)，主要是4－無甲基甾醇。天然植物甾醇有游離型和酯化型兩種。酯化型的植物甾醇主要有甾醇硬脂酸酯、甾醇油酸酯、甾醇乙酸酯，是甾醇在酶的作用下發(fā)生酯化或酯交換得到的。游離型的植物甾醇主要有β－谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇4種構(gòu)型，在植物的根、莖、葉、果實(shí)和種子中都有分布，是細(xì)胞膜的主要構(gòu)成成分之一，是維生素D、甾族化合物及多種激素合成的前體物質(zhì)［10］。

植物甾醇在常見可食性植物中的含量見表1～3。由表1可知，蔬菜的植物甾醇含量較低，從1.20～31.15mg/100g，其中葉菜類普遍大于瓜菜類；水果的植物甾醇與蔬菜相當(dāng)，在1.84～28.47mg/100g。表2列出了常見谷物和堅(jiān)果類中的植物甾醇含量，除含淀粉較高的板栗以外，堅(jiān)果類的植物甾醇含量較高，在100mg/100g到500mg/100g左右，谷物食品中，精制程度越高，植物甾醇含量越低。

表1 常見果蔬中植物甾醇含量［11］Table 1 Phytosterol content in common vegetables and fruits/（10－2 mg·g－1）

表2 常見堅(jiān)果和谷物中植物甾醇含量［11，12］Table 2 Phytosterol Content in common cereal and nuts/（10－2 mg·g－1）

表3 常見食用植物油中的植物甾醇含量［13－15］Table 3 Phytosterol Content in edible plant oil/（10－2 mg·g－1）

植物甾醇是植物生長過程中的重要次生代謝產(chǎn)物，植物新細(xì)胞和新組織生長需要植物甾醇的參與，此時(shí)植物甾醇合成旺盛，在種子中富集。種子萌發(fā)后，合成速度逐步遞減，同時(shí)植物甾醇作為作用底物形成配糖生物堿、皂苷、卡烯內(nèi)酯等其它代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致葉、花、果實(shí)等部位植物甾醇含量大幅度降低，而以植物種子部分為食物的堅(jiān)果類食物植物甾醇含量普遍較高［16］。

由于植物甾醇是油溶性的物質(zhì)，植物油大多是從植物種子中提取出來的，因此含油量高的植物中保留的植物甾醇高。表3中列出了植物甾醇在各種植物油中的含量，從1 00mg/100g到1 000mg/100g左右，高于絕大部分非種子部分的植物甾醇含量。

3 降血脂研究進(jìn)展

3.1 安全性評(píng)價(jià)

純的植物甾醇通常為白色結(jié)晶粉末，無臭無味，是三萜化合物的一種，不溶于水，在強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中也不易溶解，3位羥基是其重要的活性基團(tuán)［17］。Sanders等［18］研究了此類物質(zhì)在身體內(nèi)的吸收、分布、代謝以及分泌等，結(jié)果顯示植物甾醇在小腸內(nèi)的吸收率低（1%～10%），而且吸收的部分植物甾醇又會(huì)通過排泄進(jìn)入膽汁。Hepburn等［19］研究了植物甾醇酯的白鼠喂食試驗(yàn)，連續(xù)喂食13周，最高喂食量達(dá)到每天3 900mg/kg·體重，也沒有出現(xiàn)副效果。Turnbull等［20］使用添加植物甾烷醇酯的飼料進(jìn)行動(dòng)物喂食，1.78%的植物甾烷醇酯（相當(dāng)于1.0%游離型植物甾烷醇）添加量都沒有出現(xiàn)顯著負(fù)影響。亞急性毒性試驗(yàn)中，動(dòng)物經(jīng)口喂食添加8.1%植物甾醇的飼料90d，未發(fā)現(xiàn)明顯的副作用；成人每天口服8.6g的植物甾醇，糞便中固醇代謝物和膽汁酸的含量沒有顯著變化，表明該攝取量不影響人體的正常代謝，同時(shí)腸道菌群的組成和代謝活性也沒有受到影響［21］。

1999年，美國FDA推薦可以在食品涂抹用料中加入20%的植物甾醇酯［22］。在北美、歐洲、澳洲的許多國家，含植物甾醇的功能食品也相繼在世界各國市場(chǎng)投放［23］。歐盟食品科學(xué)委員會(huì)（SCF）、美國食品藥物管理局（FDA）認(rèn)可了在適量攝入植物甾醇和植物甾烷醇的情況下，植物甾醇類食品的功效性和安全性［24］。近年來，植物甾醇更是作為單獨(dú)的食品或功能性添加劑受到了國內(nèi)外食品行業(yè)的高度重視，中國衛(wèi)生部2010年第3號(hào)公告將植物甾醇和植物甾醇酯列為新資源食品，其用量分別為≤2.4g/d和≤3.9g/d［25］。

3.2 植物甾醇降血脂功效評(píng)價(jià)

3.2.1 高血脂癥的分類與標(biāo)志物 高血脂癥主要分為四類：① 高膽固醇血癥。以膽固醇為主的類脂過量存在，引起血管硬度增加，彈性降低，使血壓升高，血管容易破裂；②高甘油三脂血癥。以甘油三酯為主的脂肪過量吸收后在血管內(nèi)壁沉積，引起血管通道變細(xì)，血壓升高；③ 低密度脂蛋白血癥。低密度脂蛋白含量升高，產(chǎn)生的低密度脂蛋白膽固醇 （LDL-C）增多，對(duì)動(dòng)脈造成損傷，引起血壓升高；④ 高密度脂蛋白血癥。高密度脂蛋白含量降低，形成的高密度脂蛋白膽固醇 （HDL-C）減少，動(dòng)脈清潔疏通能力減弱，血壓升高［24］。

3.2.2 植物甾醇常見的降血脂功效評(píng)價(jià) 美國食品藥物管理局（FDA）、歐盟食品科學(xué)委員會(huì)（SCF）［25］認(rèn)為適量攝入植物甾醇和植物甾烷醇可降低膽固醇在血液中的含量，美國FDA推薦每天服用不少于1.3g的植物甾醇或3.4g的植物甾烷醇酯來降低心血管疾病發(fā)生的概率。表4顯示了不同研究者對(duì)植物甾醇降血脂功效的評(píng)價(jià)。

由表4可知，植物甾醇需要在一定劑量的情況下才能發(fā)揮降血脂功效，灌胃模式對(duì)受試動(dòng)物具有明顯較高的降血脂功效。雖然研究結(jié)果認(rèn)為植物甾醇對(duì)于4種高血脂途徑都有改善作用，但普遍認(rèn)為植物甾醇對(duì)降低總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇具有明顯功效，而對(duì)于甘油三酯的降低功效不明顯，對(duì)于升高高密度脂蛋白的功效則結(jié)論不一［35］。

4 降血脂機(jī)理研究

大多數(shù)飲食中的脂質(zhì)以中性脂肪或甘油三酯的形式存在。飲食中膽固醇量平均約300mg/d，同時(shí)肝臟每天分泌1 100mg的膽汁膽固醇進(jìn)入腸道。如圖1所示，在小腸內(nèi)，一部分脂質(zhì)被水解利用，另一部分被轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白重新吸收回肝臟，正常情況下約50%膽固醇被吸收，部分在肌肉組織中儲(chǔ)存，多余的膽固醇隨糞便排出體外［36，37］。

表4 植物甾醇降血脂效果比較Table 4 Comparison of Lipid-lowering Effect by Phytosterol

表4 植物甾醇降血脂效果比較Table 4 Comparison of Lipid-lowering Effect by Phytosterol

血脂異常類型①～④對(duì)應(yīng)3.2.1中的四類高血脂癥狀。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 模式 植物甾醇添對(duì)應(yīng)血脂異常類型小鼠 喂養(yǎng) 260 TC，LDL-C最高降低24.57%和25.87%，P＜0.01加量/（mg·kg－1） 結(jié)論 參考文獻(xiàn)［26］ ①，④小鼠 灌胃 150 TC，LDL-C最高降低42.2%，60.1%；TG，HDL-C無明顯變化，P＜0.05［27］ ①，③倉鼠 喂養(yǎng) 18 500 TC、LDL-C最高降低60%和90%，P＜0.01 ［28］ ①SD大鼠 喂養(yǎng) 1 100 TC最高降低17.98%，P＜0.01 ［29］ ①SD大鼠 喂養(yǎng) 20 000 TC，TG，LDL-C最高降低18.2%，15%和3 1.8%，HDL-C升高38.5%，P＜0.05［21］ ①，②，③，④金黃地鼠 喂養(yǎng) 1 000 TC、LDL-C最高降低43.7%，59.3%；HDL-C升高22.7%，P＜0.05［30］ ①，③，④Wistar大鼠 灌胃 900 TC、TG、LDL-C最高降低68.25%，42.59%，49.4%；HDL-C升高39%，P＜0.01［31］ ①，②，③，④SD大鼠 灌胃 3 000 TC、LDL-C最高降低23.85%，61.22%，HDLC升高25.85%，P＜0.01［32］ ①，③，④蛋雞 喂養(yǎng) 20 TC、TG、HDL-C、LDL-C分別降低24.4%，2 8.4%，13.7%，41.2%，P＜0.01［33］ ①，②，④肉鴨 喂養(yǎng) 20 TC最高降低24.57%，P＜0.01 ［34］ ①

圖1 膽固醇代謝途徑Figure 1 Metabolic Pathways of Cholesterol

植物甾醇屬于甾類化合物，可以以自由狀態(tài)與復(fù)雜脂類或其它化合物結(jié)合成復(fù)合體，由于植物甾醇與膽固醇的結(jié)構(gòu)相似，因此植物甾醇通過食物進(jìn)入人體后，可以顯著影響膽固醇的代謝和吸收。人們發(fā)現(xiàn)植物甾醇的降血脂作用后，就開始探索其降血脂的機(jī)理，目前對(duì)植物甾醇抑制膽固醇吸收的機(jī)理研究比較集中，主要包括競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)機(jī)制、低吸收機(jī)制、阻礙膽固醇溶于膽汁酸機(jī)制等等，但其體內(nèi)作用途徑仍不明確［38］。

4.1 干預(yù)膽固醇代謝的主要可能途徑

載脂蛋白αpoA-I是HDL合成的主要前體，與磷脂形成新生HDL后通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCA1、ABCG1進(jìn)行運(yùn)輸，HDL攜帶膽固醇到達(dá)肝臟，遇到受體SR-B1釋放膽固醇進(jìn)入肝臟，肝臟利用一部分膽固醇形成膽汁酸，另一部分排出體外。如果膽固醇過多，代謝平衡被破壞，發(fā)生血脂代謝異常。通過誘導(dǎo)等形式使前體蛋白αpoA-I增加可以促進(jìn)HDL的形成，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCA1、ABCG1的表達(dá)量升高可以加速膽固醇的代謝，受體蛋白SR-B1的升高可以加速膽固醇向體外排出，因此3種干預(yù)方式都能有效調(diào)節(jié)脂代謝的異常。其中受體蛋白途徑和ABCA1轉(zhuǎn)運(yùn)途徑是膽固醇代謝的主要途徑［39］。

4.2 阻礙膽固醇吸收的競(jìng)爭(zhēng)性機(jī)制研究

Child P［40］利用大鼠腸絨毛細(xì)胞進(jìn)行了植物甾醇的吸收利用研究，發(fā)現(xiàn)膽汁酸微膠束中的膽固醇濃度下降，認(rèn)為由于植物甾醇的疏水性較大，置換了小腸內(nèi)腔膽汁酸微膠束中的膽固醇，使膽固醇的吸收利用降低。同時(shí)植物甾醇或甾烷醇在酯化過程中也與膽固醇發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，使膽固醇在腸細(xì)胞的酯化率降低，減少了膽固醇隨乳糜微粒排出的數(shù)量。Sergey等［41］通過體外試驗(yàn)表明游離 β－谷甾醇（β-sitosterol，SI）和谷甾烷醇（sitostanol，SS）能通過競(jìng)爭(zhēng)性機(jī)制有效降低膳食模型中的膽固醇濃度。

4.3 降低膽固醇吸收的誘導(dǎo)抑制調(diào)控機(jī)制研究

膽固醇飲食可誘導(dǎo)肝和腸ABCG5和ABCG8的表達(dá)，它們?cè)谀懝檀挤置诘侥懼衅鹬匾淖饔茫参镧薮己康脑黾涌梢栽黾舆@些轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，從而加速膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)，減少膽固醇吸收［42］。同時(shí)，植物甾醇可能通過結(jié)合膽固醇受體和競(jìng)爭(zhēng)膽固醇吸收位點(diǎn)來抑制膽固醇的吸收，達(dá)到降低膽固醇的效果［43］。

4.4 脂蛋白代謝的調(diào)控機(jī)制

ABCAl是一種整合膜蛋白，是膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)中的重要蛋白，植物甾烷醇的攝入能提高其表達(dá)量，促進(jìn)新生的HDL顆粒結(jié)合血漿中的膽固醇運(yùn)回肝臟，生成膽汁酸［44］。另外，植物甾醇對(duì)LDL、VLDL的轉(zhuǎn)運(yùn)和膽汁的形成都有一定影響，但作用機(jī)理、機(jī)制尚不明確［45，46］。

5 植物甾醇的提取純化進(jìn)展

天然植物甾醇主要以豆甾醇、谷甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇等形式存在，對(duì)上述甾醇的混合物提取和單體的有效分離是實(shí)現(xiàn)高純度植物甾醇規(guī)模化生產(chǎn)過程中的重要部分，也是研究植物甾醇降血脂機(jī)理的重要基礎(chǔ)。工業(yè)應(yīng)用中植物甾醇的提取原料一般為油脂精煉后的副產(chǎn)物，但隨著植物甾醇的功效越來越得到認(rèn)可，也開始從一些高等級(jí)的原料中提取植物甾醇［47，48］。

5.1 物理法

物理法主要是根據(jù)物理性質(zhì)的差異分離提取植物甾醇，包括分子蒸餾法、吸附法和溶劑結(jié)晶法等。

5.1.1 分子蒸餾 依靠不同物質(zhì)分子逸出后的運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的技術(shù)。丁輝等［49，50］用分子蒸餾從大豆油脫臭餾出物中提取植物甾醇的含量達(dá)到2 6.12%，收率達(dá)到60.09%，此技術(shù)可以起到濃縮植物甾醇的作用，但流程長，步驟多，產(chǎn)品的純度和回收率不高。

5.1.2 吸附法 根據(jù)吸附劑對(duì)不同組分吸附的選擇性差異進(jìn)行分離，提取的植物甾醇純度較高，但是洗脫時(shí)間過長，溶劑消耗量大［51，52］。

5.1.3 溶劑結(jié)晶法 溶劑結(jié)晶法主要采用非極性溶劑通過結(jié)晶的方法富集豆甾醇，然后再采用另一種溶劑體系進(jìn)一步純化，主要使用的非極性溶劑包括正丙醇、正丁醇、正己烷和異丁醇等，高純度純化的溶劑和溶劑體系包括丙酮、甲苯、甲苯—甲醇和甲苯—丙酮體系。利用物質(zhì)在有機(jī)溶劑中溶解度差異的原理來提取植物甾醇，是國內(nèi)外關(guān)于混合甾醇單體分離研究的最常用方法。趙一凡等［53］以正己烷作為提取溶劑，采用冷卻結(jié)晶的方法從大豆油脫臭餾出物中分離粗甾醇，在2℃下結(jié)晶18h得到的甾醇純度為84.39%，再用丙酮重結(jié)晶將甾醇產(chǎn)品純度提高到94.87%。結(jié)晶法分離混合植物甾醇操作簡(jiǎn)單但步驟多，溶劑用量大，回收困難，甾醇得率不高，一般需要后續(xù)純化。

5.2 化學(xué)法

化學(xué)方法是傳統(tǒng)的甾醇分離方法，1906年就開始應(yīng)用［54］。主要是利用化學(xué)反應(yīng)制備甾醇的各種衍生物，增加各種甾醇的物理性差異，再用物理法分離的方法，包括絡(luò)合法、皂化法等。

5.2.1 絡(luò)合法 利用甾醇和有機(jī)酸、鹵素、鹵素堿土金屬鹽等的絡(luò)合性，甾醇絡(luò)合后的溶解度產(chǎn)生較大差異達(dá)到分離提取的效果。楊亦文等［55］用氯化鈣絡(luò)合法提取植物甾醇的工藝甾醇產(chǎn)品的含量達(dá)96%以上，收率達(dá)到75%以上，該法得到的植物甾醇純度和回收率較高，但是溶劑回收困難，生產(chǎn)成本較大。

5.2.2 皂化法 利用酯在堿的作用下水解生成羧酸鹽和醇，再獲取所要提取的有機(jī)物。曹智［56］優(yōu)化了從天然維生素E生產(chǎn)渣油中提取植物甾醇的皂化工藝，但該法原料的利用率、產(chǎn)品的純度和收率低。

5.3 其它方法

酶法、超臨界CO2萃取法、微波輔助萃取法、加速溶劑萃取法是近年來在上述基礎(chǔ)上發(fā)展起來的輔助方法，由于采用了新型的設(shè)備或原理，提取率和純度更高，適于生產(chǎn)高品質(zhì)的植物甾醇，但大部分需要與上述基礎(chǔ)方法配合使用。

5.3.1 酶法 酶法是使用酶對(duì)酯化過程進(jìn)行催化，從而提高植物甾醇的純度及回收率方法，但酶的價(jià)格高使用壽命短［57］。

5.3.2 超臨界CO2萃取法 超臨界CO2萃取法是通過選擇操作條件，在溶解度較高的脂肪酸、甘油三酯被萃取后，將留在萃取器中的植物甾醇再進(jìn)行分離純化，或者直接用制得的植物甾醇制品進(jìn)入此分離系統(tǒng)進(jìn)行分離，但設(shè)備復(fù)雜且費(fèi)用高［58］。

溶劑結(jié)晶法、吸附法和絡(luò)合法是較為傳統(tǒng)的分離方法，目前仍在廣泛使用。加速溶劑萃取法在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了溶劑的使用，具有高速、低溶劑消耗的優(yōu)點(diǎn)，是一種替代傳統(tǒng)方法的較好方式。而分子蒸餾法、超臨界CO2萃取法具有高效性和高選擇性，作為一種新型化工分離技術(shù)正在逐漸替代傳統(tǒng)分離方法，具有十分廣泛的應(yīng)用前景，但由于設(shè)備投資大，維護(hù)和使用費(fèi)用高，對(duì)于后期的純化也還存在許多難題。

6 結(jié)論與展望

由于植物甾醇的多重功效逐漸受到人們關(guān)注，對(duì)植物甾醇的研究也越來越深入和多樣化。從提純分離開始，為提高植物甾醇的高效性和針對(duì)性，高效高純低成本的分離技術(shù)逐步被開發(fā)和應(yīng)用起來；為了提高植物甾醇的吸收利用率和產(chǎn)品化，液晶技術(shù)、脂質(zhì)體制備技術(shù)、微膠囊技術(shù)等技術(shù)逐步在植物甾醇的產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用。植物甾醇降血脂機(jī)理的基礎(chǔ)研究是這一新資源食品開發(fā)的基礎(chǔ)，隨著基礎(chǔ)研究的深入和突破，一類新型的健康食品才會(huì)真正為大家打開一扇健康之門。

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