黑芝麻功能成分的構效關系

金征宇，蔡燦欣，田耀旗，陸振猷

(1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室/食品學院，江蘇 無錫 214122；2.南方黑芝麻集團，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，平滑或有網狀皺紋，尖端有棕色點狀種臍[1]，在我國山東、河北、河南、四川、安徽、江西、湖北等地有產[2]。黑芝麻含有蛋白質、礦物質、不飽和脂肪酸、維生素以及木脂素類物質和黑色素等營養物質，集油料、藥物、飼料、食品和化工等用途為一體。在國內市場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、黑芝麻油等營養功能食品也越來越多。本文著重對黑芝麻及相關產品的典型功能成分、功效，及其相應功能作用的構效關系等進行闡述，旨在為進一步研究開發系列黑芝麻功能產品提供重要科學依據。

1 典型功能成分及其作用的共性機制

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，分子結構以芳環連接成共軛體系，在芳環上有羧基、酚羥基、氨基及脂肪烴基等取代基團，其結構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(質量分數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，分別占種子質量的0.2%～0.5%和0.1%～0.3%[4]。芝麻中木脂素類化合物有強抗氧化、護肝臟、調節脂質代謝、降低血漿中膽固醇、延緩衰老、抗菌、抗癌、抗腫瘤、抗高血壓、保護中樞神經系統、調節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微量礦物質元素

黑芝麻含有的常量礦物質元素和微量礦物質元素，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，營養價值與藥用價值等同，對于降低前列腺發病率、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的抗氧化活性，可有效清除人體頭發、皮膚、體內的自由基，從而保持頭發亮澤堅韌、皮膚潤滑、抵抗衰老。其中芝麻素結構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，轉化為強的游離兒茶酚類抗氧化產物，具有顯著的自由基清除活性，且對細胞有一定保護作用，可進一步抑制活性氧產生的氧化應激反應，降低肝損傷、抑制血管重構，調節血糖血脂[6]。

1.2.2功能成分的酶活調控機制

芝麻素可抑制腸道和肝臟中的多種通路表達水平，從而調節多種關鍵轉運蛋白、酶類、受體的表達，起到調節膽固醇代謝的作用[7]。此外，芝麻素可抑制病變細胞的活化，從而進一步抑制通路激活，降低病變毒素的水平，達到保護肝臟、抗癌細胞增殖、促凋亡、抗炎抗轉移的目的。

1.2.3功能成分的腸道消化干預機制

芝麻素及其異構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，并轉運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人體中乳桿菌- 腸球菌群和雙歧桿菌數量的增加，從而有效調節人體腸道微生物群落，促進人體的腸道健康[8]。

1.2.4功能成分的微量元素補充作用原理

黑芝麻中鐵含量較高，對一些缺鐵性貧血有較好的療效，經常食用對骨骼和牙齒有益[9]。此外，黑芝麻中含有的賴氨酸可與鈣、鐵等礦物質元素螯合形成可溶性小分子單體，促進這些礦物質元素的吸收，進而促進骨、軟骨及結締組織的形成。

2 黑芝麻功能成分構效關系的具體案例

2.1 黑色素與烏發潤發

人體生物組織中的光吸收對于皮膚和頭發的健康和護理非常重要[10]。太陽發出的紫外線對細胞化合物具有極強的侵襲性。在經過臭氧篩選之后，仍有5%～10%高能中波紅斑效應紫外線(UVB，280～320 nm)和90%～95%UVA長波黑斑效應紫外線(UVA，320～400 nm)到達地球及我們的皮膚，其能量較低，但由于波長較長，所以更容易滲透進入皮膚，而我們的頭發可以被UVA和UVB完全滲透，原理見圖1[11]。紫外線會引起頭發基質超微結構和感官特性的重大變化，如質構變硬、干燥、易斷等，同時也會影響頭發的顏色和光澤。Herrling等[12]研究發現阻止紫外線在皮膚和頭發中產生自由基的第一道防線是由人體皮膚和頭發中含有的不同濃度的黑色素引起的，黑色素含量越高，相應皮膚中含有的皮膚保護因子越高。

FR為自由基，ROS為活性氧基團，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之一，具有調節膽固醇代謝，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]研究發現，芝麻素的降膽固醇作用是通過調節膽固醇吸收代謝相關基因進而抑制腸道Niemann-Pick C1 like 1蛋白(NPC1L1)，酰基輔酶A-膽固醇酰基轉移酶2(ACAT2)等有關膽固醇吸收的關鍵轉運蛋白、酶類、受體等的表達，從而抑制膽固醇在腸道中的消化吸收，促進甾醇在糞便中的排泄。Takada等[18]在研究中發現，芝麻素抑制NAD(P)H氧化酶誘導的超氧化物歧化酶產生，從而可改善高脂飲食的糖尿病小鼠的運動能力。此外，芝麻素具有較強的抗氧化和抗炎作用。Chen等[19]研究發現，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胞介素- 6(IL- 6)和環氧合酶- 2(COX- 2)水平，達到改善肝臟纖維化病變、保護肝臟的目的。Liu等[20]發現，芝麻素的抗氧化活性能夠抑制鎳引起的活性氧(ROS)產生和氧化應激，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)在肝臟中的表達水平調節PI3K- Akt信號傳導途徑，顯著降低鎳誘導的DNA損傷和小鼠肝細胞凋亡。

2.4 木脂素與降血脂、降血糖

黑芝麻中富含甾酮、黃酮、環烯醚萜苷類等物質，這些物質可以促進細胞糖的消耗，從而起到降低血糖的作用。相關的實驗發現，芝麻素可以在人體肝臟內代謝產生抗氧化性高的兒茶酚等物質，同時減少氧自由基生成，抑制血管重構，調節血糖血脂[21]。芝麻素在胃中會由胃酸催化差向異構化為2-表芝麻素，見圖3[22]。而芝麻素及其異構體在到達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，并通過淋巴吸收進入心血管系統轉運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人體中乳桿菌- 腸球菌群和雙歧桿菌數量的顯著增加，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菌生長，這表明木脂素可以有效調節人體腸道微生物群落，促進人體的腸道健康[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胞生長，在抗癌細胞增殖、促凋亡、抗炎及癌細胞轉移、抗血管生成和促血管生成等方面均可發揮巨大作用見圖4[24]。Deng等[25]研究發現，芝麻素濃度依賴性地誘導肝癌HepG2細胞G2/M期阻滯并誘導細胞凋亡，可抑制HepG2細胞中高度活化的STAT3和NF- κB(轉錄蛋白)信號通路，并通過該抑制作用下調檢查點相關的周期蛋白及其激酶的表達。Lee等[26]研究發現，芝麻素能明顯降低低氧誘導因子HIF- 1α和NF- κB(VEGF和MMP- 9表達的重要轉錄因子)的核水平，并有效抑制白細胞介素IL- 6，IL- 8，腫瘤壞死因子- α的表達，避免巨噬細胞對血管內皮生長因子(VEGF)和基質金屬蛋白酶(MMP)的增強誘導，從而通過抑制VEGF和MMP有效抑制巨噬細胞誘導的乳腺癌細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，將乳腺癌細胞的細胞周期阻滯在G1期[27]。

圖4 芝麻素的抗癌細胞增殖、促凋亡、抗炎、抗轉移、抗血管生成和促血管生成以及促自噬活性的分子和細胞機制以及主要的靶向信號通路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 礦物質元素與補氣養血、牙齒保健

黑芝麻中含有多種礦物質元素，表1列舉了黑芝麻中的礦物質元素的組成與含量分布，其中，作為微量礦物質元素鐵和常量礦物質元素鈣的含量較高，對補氣養血、骨骼發育等有一定作用。

表1 黑芝麻中礦物質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的能量飲料，其中產品的鐵含量在(14.6～14.8)mg/100 g范圍內，可作為礦物質補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，研究發現隨著黑芝麻代替膳食含量的升高，白兔的血紅蛋白、白細胞、紅細胞計數顯著性增加，且對血液學參數、血清生化指標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充餐，研究對妊娠期貧血孕婦的影響。結果表明，大多數參與實驗的孕婦在服用芝麻補充餐后血紅蛋白濃度、血清鐵和轉鐵蛋白飽和度顯著提高。

Abebe等[33]報道黑芝麻具有高鈣含量，是鈣補充劑的有效來源。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，評估其顯微硬度發現，由于高鈣含量，黑芝麻可顯著提高脫鈣牙釉質的顯微硬度，證明了黑芝麻對牙釉質的再礦化能力，可作為牙齒礦化劑。此外，Thaweboon等[35]表示芝麻對Streptococcusmutans這種主要的致齲細菌具有抗菌潛力。

3 研究趨勢與展望

黑芝麻作為一種藥食同源的重要原料，對于其營養成分、活性功能及相關保健食品開發的研究逐漸增多。現今關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行單一化。對于功能特性的研究僅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制及其基礎藥理。很多功能性作用的驗證主要采用體外模擬實驗或小型動物實驗，應加強大型動物瘺管實驗和人體臨床研究。加大科研投入，系統揭示黑芝麻功能性成分對人體健康的關鍵作用機制，建立黑芝麻功能性成分健康信息數據庫，進一步開發黑芝麻輕脂飲品、黑芝麻硒片、黑芝麻泡騰片等新型黑芝麻產品。