植物甾醇降膽固醇機制及其改性研究進展

◎ 焦文佳，石劍夫

（1．廣東省食品工業研究所有限公司，廣東 廣州 511442；2．廣東省食品質量監督檢驗站，廣東 廣州 511442）

植物甾醇是存在于植物體內的具有類膽固醇結構的功能性脂質，是植物體內甾醇類物質的統稱[1]。存在于動物體內的甾醇則稱為動物固醇，最常見的是膽固醇，是動物組織中其他固醇類化合物，如膽汁醇、性激素、腎上腺皮質激素、維生素D3等的前體，是人體必需的營養素之一[2]。但當體內膽固醇攝入過量時，會引起高膽固醇血癥，進而導致動脈粥樣硬化、腦中風和冠心病[3]。研究人員根據膽固醇的吸收代謝機理合成的藥物對降低膽固醇有良好的效果，但這類藥物的吸收對肝臟和肌肉有一定的毒副作用[4]。植物甾醇已被證實具有顯著降低膽固醇的效果，可用來降低患動脈粥樣硬化和心血管疾病的風險，且對人體無明顯副作用。但天然植物甾醇不溶于水、微溶于油，在人體內生物利用度極低，不能直接添加到食品或藥品中進行利用，需要通過改性來提高植物甾醇的溶解度和穩定性。本文對植物甾醇的降膽固醇作用機理及其在功能性食品中的研究進展進行了綜述。

1 植物甾醇簡介

植物甾醇存在于所有植物性食物中，谷物、豆類、蔬菜、水果和堅果中都含有一定量的植物甾醇，但不同植物中含有的甾醇量有顯著差異，其中以油料作物中含量最多。目前，商業化植物甾醇的主要來源是植物油精煉下腳料和木漿，特別是菜籽油脫臭餾出物中的植物甾醇含量高達24%[1,5]。自然界中植物甾醇主要以游離型和酯化型兩種形式存在，游離型植物甾醇在堅果和豆類中含量較多，以β-谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇為主，其次是菜籽甾醇、麥角甾醇等；酯化型植物甾醇主要存在于谷類食物中，常見的有β-谷甾醇阿魏酸酯、豆甾醇阿魏酸酯等[6]。此外，植物甾醇還有其他衍生物存在，如植物甾烷醇、植物甾醇糖苷和?；参镧薮继擒盏萚7]。

植物甾醇和膽固醇同屬甾醇類，都是以環戊烷全氫菲為骨架的醇類化合物，在結構上極其相似，與膽固醇的不同之處在于其支鏈上的雙鍵和甲基[8]。植物甾醇在常溫下為白色結晶粉末或顆粒，無臭無味，熔點可達130 ～170 ℃，不溶于水、強酸和強堿，可溶于多種有機溶劑，如丙酮、無水乙醇、乙醚、苯、氯仿、石油醚等，常溫下溶解度不高，但隨著溫度的升高，溶解度顯著上升[9]。

植物甾醇在光照、水、空氣、金屬離子等環境中表現出一定的穩定性，但在精煉[10]、漂白或是油炸[11]等極端環境中也會發生氧化。OSADA[12]將甾醇在100 ℃下加熱24 h，未檢測到甾醇損失，也未發現相關植物甾醇氧化物的生成，但更高溫度下甾醇卻很容易被氧化，在200 ℃下加熱6 h，甾醇幾乎被完全氧化。植物甾醇氧化產物已被證實具有細胞毒性及致癌、致突變等潛在危害，所以應從食品加工、包裝和儲藏等方面抑制植物甾醇氧化物的生成[13]。

2 植物甾醇降膽固醇的作用機理

人體內膽固醇的主要來源是自身合成和小腸的吸收[3]。在正常情況下，體內合成和食物中獲得的膽固醇一部分會轉化為細胞膜的組成成分，另一部分則會排出體外。但是當人體長期過量攝入膽固醇時，多余的膽固醇不能正常排出體外，會導致血清中膽固醇升高，造成高血脂癥，進而引發心腦血管疾病[14]。2022年《中國健康大數據》報道，目前中國高血脂人數有1 億多，血脂異常（含高血脂）人數更達1.6 億，僅次于高血壓人群（2.7 億），更有甚者，中國22%的中年人死于心腦血管疾病。而目前，在世界范圍內，高血脂、心血管疾病的主要預防目標是減少低密度脂蛋白膽固醇濃度[15]。早在20 世紀50年代，人們就已經知道從膳食中攝入植物甾醇，可以降低人體對膽固醇的吸收率[16]，植物甾醇可降低人體血清總膽固醇（Total Cholesterol，TC）水平和血清中低密度脂蛋白膽固醇（Low Density Lipoprotein Cholesterol，LDL-C）與高密度脂蛋白膽固醇（High Density Lipoprotein Cholesterol，HDL-C）的比值[17]。植物甾醇作為一種功能性食品添加劑的研究一直延續至今，但其降膽固醇機理有多種說法，目前被接受的理論主要有以下幾種。

（1）植物甾醇具有疏水性，且具有與膽固醇相似的結構，進入小腸后能夠競爭性取代小腸內腔微膠束中的膽固醇，導致部分膽固醇不能被消化，隨糞便排出體外，進而減少腸道對膽固醇的吸收，降低體內膽固醇的累積和吸收[18]。

（2）植物甾醇的吸收部位主要是在小腸。小腸上皮細胞上ATP 結合蛋白轉運盒轉運體家族ABCG5/8和ABCA1 蛋白與甾醇的吸收有關，甾醇不僅可增強小腸細胞基因ABCA1 的表達，還可以上調ABCG5/8轉運體和基因的表達[19]，使被吸收的膽固醇重新回到小腸內腔，從而降低膽固醇的凈吸收含量[18]。同時，在小腸內的膽固醇只有被酰基輔酶A 膽固醇脂酰轉移 酶（Acyl Coenzyme A-cholesterol Acyltransferase，ACAT）催化酯化后才能進入血液循環，在吸收過程中，植物甾醇與膽固醇競爭ACAT 的酯化部位，只有一部分膽固醇能進行血液循環，進而影響血液中膽固醇的含量，起到降血脂的功效[20]。

（3）植物甾醇不僅可以通過抑制肝細胞載脂蛋白B 的生成速率和降低極低密度脂蛋白膽固醇和膽固醇酯的含量來影響血液中低密度脂蛋白（Low Density Lipoprotein，LDL）的形成，還可以增加脂蛋白受體的表達量，加快清除LDL-C，從而影響血清中LDL的含量[21]。有臨床試驗結果表明，植物甾醇能與他汀類藥物（辛伐他丁或辛伐他丁/依澤替米貝）發揮協同效應，顯著降低受試患者血漿中TC、LDL-C、甘油三酯及肝細胞載脂蛋白B 水平[22]。

（4）膽固醇的合成和代謝過程需要許多酶的參與，植物甾醇可以增強膽固醇合成限速酶的活性，抑制蘋果酸酶、乙?；o酶A 羧化酶和膽固醇的酯化酶ACAT 的活性。甾醇類化合物可通過調控膽固醇合成及代謝中關鍵酶的活性，如植物甾醇能增強膽固醇合成限速酶的活性，同時可降低和蘋果酸酶的活性，抑制膽固醇的酯化酶ACAT 的活性[23]。膽固醇7α 羥化酶是膽固醇分解為膽酸的限速酶，也是肝臟X 受體α 的靶基因之一，膽固醇7α 羥化酶對于維持膽固醇和膽汁酸的動態平衡起著重要作用[24]。小鼠實驗測定結果表明，植物甾烷醇能促進肝臟X 受體α 及膽固醇7α 羥化酶的表達，對膽固醇代謝有一定的促進作用[25]。

雖然對植物甾醇降低膽固醇的作用機理有多種解釋，但機體內膽固醇的平衡是一個極其復雜的過程，受多種因子的調控和影響，植物甾醇降低膽固醇的功效也不是簡單的單個作用機制產生的效果，可能是多重機制相互作用。

3 植物甾醇功能性食品研究

3.1 植物甾醇應用存在的問題

20 世紀70年代，隨著口服降脂藥物的出現，結晶型植物甾醇口感差，吸收困難，過量的攝入會導致血清中植物甾醇濃度升高等問題使天然植物甾醇的應用受到了限制[26]。且GRUNDY 等[27]通過同位素標記法給高膽固醇患者服用標記的膽固醇，并追蹤其在體內的吸收、合成和代謝情況發現，大量服用植物甾醇后，膽固醇的吸收顯著下降，排泄量增加，但體內膽固醇的合成也在增加，所以大量攝入植物甾醇的方式不能達到降低膽固醇的目的。后來，研究人員發現可以通過對植物甾醇進行改性，降低植物甾醇的結晶度，改善植物甾醇的溶解性和吸收問題。目前植物甾醇的改性方法大致可以歸納為物理改性和化學改性兩種。

3.2 植物甾醇物理改性

物理改性是指用物理手段對植物甾醇進行包埋，達到改善口感和提高水溶性的目的，不改變植物甾醇的結構。這種方法操作簡單，無有機試劑的混入，可顯著提高植物甾醇的水溶性。

植物甾醇常溫下以晶體形式存在，不溶于水，口感粗糙，不宜直接食用。目前，主要通過包合、乳化法、注入法、薄膜分散法、淀粉凝膠包埋法、旋轉蒸發法、高壓均質法、超聲法、超臨界CO2法、冷凍干燥法、噴霧干燥法、冷凍熔融法、微膠囊化法和自組裝法等物理手段將植物甾醇微米或納米化，并加入乳化劑抑制晶核的生成，可改善植物甾醇的溶解性。常用乳化劑有棕櫚酸正十六酯、硬脂酸甘油酯、吐溫和泊洛沙姆系列等合成乳化劑，大豆蛋白、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白、卵磷脂和果膠等天然乳化劑。β-環糊精由于其特殊的環狀空間結構，也可包埋疏水性物質。其他包埋體系如納米乳液、納米粒和微膠囊等均是先以植物甾醇溶于“油相”，再與乳化劑和水等混合，通過高速分散、超聲、均質等手段形成均一分散體系，由于植物甾醇在油中的溶解性也較差，上述“油相”通常以無水乙醇等有機溶劑代替。近年來植物甾醇的物理改性研究進展詳見表1。

表1 植物甾醇的物理改性研究進展表

運用納米技術和不同的載體系統對植物甾醇進行包封，可以促進植物甾醇在胃腸道環境的溶解，增強其在靶組織中的吸收，從而提高其口服生物利用度。LI等[28]利用大豆分離蛋白和大豆卵磷脂制備出顆粒分布均勻的植物甾醇納米粒，其平均粒徑為93.35 nm、包埋率達97.3%，生物利用度（70.8%）比游離植物甾醇提高18.2%，水溶性（2.122 mg·mL-1）是游離植物甾醇的155 倍。李青等[33]利用大豆蛋白-甜菊糖苷形成的復合體系作為穩定劑，采用高壓微射流均質法制備出平均粒徑在193 ～217 nm 的植物甾醇納米乳液，有效改善了植物甾醇的水溶性，提高了其生物利用度。PAAVER[41]以殼聚糖為穩定劑/載體聚合物，采用靜電紡絲法制備了均勻分布、平均直徑在150 ～218 nm的β-谷甾醇聚合物納米纖維。

3.3 植物甾醇化學改性

植物甾醇是一種兩親性分子，結構中既有親水基團也有疏水基團，但其在油、水中的溶解性均較差，在健康人體內的吸收率通常小于食物中含量的5%，而膽固醇的吸收率卻可以達到35%～70%[42]。與膽固醇結構相比，植物甾醇的支鏈更長，疏水性更強，在人體內的吸收率更低[43]?；瘜W改性是指通過生化手段改變植物甾醇的化學結構，使其烷基化或在其活潑羥基上接入某些基團以改善其功能性質。近年來植物甾醇的化學改性研究進展詳見表2。

表2 植物甾醇的化學改性研究進展表

研究發現在植物甾醇的活潑羥基上接入脂肪酸可增加其油溶性，酯化后的植物甾醇在油中的溶解度提高了近10 倍，易溶于含大量油或脂肪的食品中，在水性食品中的應用則需要通過物理包埋來實現。TAKASHI 等[55]發明了一種制備植物甾醇o/w 乳液的方法，所制備油相中植物甾醇酯含量為1.5%～5.0%，而單純的植物甾醇由于在油中溶解度低，很難制備穩定的乳液。CAO 等[56]表明雖然植物甾醇酯在油中的溶解度提高了，但高油含量的攝入也會伴隨著風險。植物甾醇水溶性改性產物的制備彌補了這一缺憾，通常是在植物甾醇酯上再次引入某些親水基團，提高衍生物的水溶性，且不會改變其降膽固醇功效。

3.4 兩種方法優缺點比較

物理改性操作簡單，耗時少，無有害物質的混入，但需添加大量乳化劑以改善植物甾醇的溶解性。化學合成乳化劑效果好，但在食品工業中應用受限；天然乳化劑使用更安全，但相對合成乳化劑成本較高，乳化效果較差，所制備的液體產品穩定性差，儲藏過程中甾醇易析出，干燥后的產品復溶性差。

化學改性顯著提高植物甾醇類產品的水溶性或油溶性，可直接添加在食品體系中，穩定性好。但改性過程比較復雜，耗時長，產物復雜多樣，分離純化困難，且需用到大量有機試劑，新的衍生物還可能存在安全隱患，有待于進一步研究。

4 結語

隨著現代人們生活水平的不斷提高，高血脂人群基數不斷擴大，天然降膽固醇產品受到越來越多人們的青睞。植物甾醇作為一種新興的食品添加劑已被廣泛認可，但其特殊的理化性質限制了其應用和發展。物理改性和化學改性的方法已開發出了各種親水性和親油性植物甾醇產品，含植物甾醇的食品如飲料、果醬、糖果、糕點、麥片、奶酪以及保健品、化妝品、藥品在國外已被廣泛接受；但在國內僅限于應用于一些保健品中，在功能性食品方面的發展應用上仍有待進一步提高。作為一個油料資源大國，我國的植物甾醇資源豐富，綜上所述兩種改性方法的優缺點，迫切需要開發一種綠色、經濟、安全、高效的產品以適應時代發展的需要。