油橄欖葉抗氧化活性成分及其作用機制研究進展

李 婷, 張程程, 吳文俊, 章檢明, 牛海月, 劉大群

(浙江農林大學食品與健康學院1,杭州 311300)

(浙江省農業科學院食品科學研究所;農業農村部蔬菜采后保鮮與加工重點實驗室(部省共建)2,杭州 310021)

(甘肅省林業科學研究院油橄欖工程技術研究中心3,蘭州 730020)

油橄欖(OleaeuropaeaL.)主要分布于西班牙、希臘、意大利等地中海國家。我國于1964年開始引種油橄欖,經過多年發展,現已形成了種植總面積超8萬hm2的新型特色產業[1]。油橄欖葉是油橄欖種植和橄欖油加工過程中產生的副產物之一。據統計,油橄欖產業每年產生超100萬t的油橄欖葉廢棄物,但大多數油橄欖葉副產物并沒有得到充分利用,通常被丟棄或焚燒,造成了資源的浪費和環境破壞[2]。油橄欖葉是一種豐富而又低廉的可再生資源,不僅是多酚類物質和其他抗氧化活性成分的潛在來源,還具有廣泛的健康益處,如抗氧化、抗高血壓、抗菌、降血糖、降血脂和抗衰老作用[3]。因此,油橄欖葉資源的再利用尤為重要,將其高附加值的提取物應用于農業食品、保健品、化妝品、生物醫藥等領域具有廣闊的前景。

抗氧化特性與降血糖、降血脂和抗衰老等生物活性密切相關。植物多酚是一類強抗氧化劑,油橄欖葉中富含的橄欖苦苷、羥基酪醇和木犀草素等多酚類物質是其抗氧化活性的重要來源[4]。近年來,隨著油橄欖副產物應用價值的不斷開發,油橄欖葉的抗氧化特性越來越受關注。盡管目前的研究已證實油橄欖葉提取物中含有豐富的抗氧化活性成分,但是關于其抗氧化成分的提取鑒定及其抗氧化機制的研究較少且不全面。此外,國內外關于油橄欖葉抗氧化活性評價研究大多集中于化學評價法,細胞模型和動物模型作為新型的抗氧化活性評價方法已被用于多種天然抗氧化劑的活性研究,但其在油橄欖葉抗氧化活性評價中的應用卻很少報道。研究總結分析了近年國內外相關文獻,全面綜述了油橄欖葉活性成分的分類、提取工藝、抗氧化能力及其機制,并對油橄欖葉提取物應用的未來發展方向進行了展望,以期為油橄欖葉資源的綜合利用及其高附加值的實現提供參考。

1 油橄欖葉活性成分的提取工藝

多酚類物質是油橄欖葉最重要的抗氧化活性成分之一,目前國內外報道的油橄欖葉活性成分提取工藝大多以此為目標。總結了近年來關于油橄欖葉活性成分的提取工藝并比較了不同提取工藝的優缺點。如表1所示,油橄欖葉多酚的提取工藝主要包括傳統的溶劑提取法以及輔助提取法、超臨界流體萃取等新型提取技術。油橄欖葉活性成分的傳統提取工藝主要采用有機溶劑浸提法,使用的溶劑主要為:甲醇、丙酮、乙酸乙酯、乙醇等。Kashaninejad等[5]學者考察了不同體積分數的有機溶劑對油橄欖葉多酚提取率的影響,結果表明體積分數50%乙醇是提取油橄欖葉多酚的最佳溶劑。近年來,為解決有機溶劑浸提法所產生的污染環境、毒性大等問題,低共熔溶劑作為新興的綠色溶劑被應用于植物成分的提取。ünLü[6]以總多酚得率和總黃酮得率為目標,篩選得到了最佳低共熔溶劑組成為氯化膽堿-果糖-水(5∶2∶5)。盡管有機溶劑提取法存在提取時間長、提取效率低等缺點,但因操作方便、設備簡單,目前仍是油橄欖葉多酚的主要提取方法。

表1 油橄欖葉活性成分的提取工藝

為加速活性成分從基質中溶出,國內外學者還開發了多種輔助提取方法用于油橄欖葉多酚類物質制備,包括:超聲波輔助提取、微波輔助提取、超聲波輔助提取與噴霧干燥結合等方法[7]。輔助提取法不僅可以縮短提取時間,還能提高多酚提取率,但能耗高、成本較昂貴,目前還鮮見應用于大批量油橄欖葉活性物質的提取。此外,多種新型提取技術也被應用于油橄欖葉多酚的提取,如加壓液體提取、超臨界流體萃取、蒸汽爆破提取、瞬時控制壓力降等方法[8]。與傳統提取技術相比較,新型提取技術具有多酚提取率高、對多酚的破壞作用小、耗時短等優點,但存在對設備需求復雜、投資成本高、技術參數有待完善等問題,在應用方面還存在一定的局限性。

2 油橄欖葉抗氧化活性成分

油橄欖葉活性成分組成已日漸清晰,其不僅富含黃酮、裂環烯醚萜、羥基肉桂酸、簡單酚、三萜酸等多酚類物質,還含有多種親脂類的抗氧化活性物質,包括角鯊烯、生育酚、植物甾醇、β-胡蘿卜素、脂肪酸以及由醛、酮、酯、醇、烯烴和烷烴等復雜混合物組成的精油等[19, 20]。盡管油橄欖葉含有大量上述活性物質,但國內外的研究多集中在橄欖苦苷、羥基酪醇、木犀草素、芹菜素等多酚類物質上,這些化學成分決定了油橄欖葉的營養價值和作用活性[21]。油橄欖葉中多酚類物質的質量分數在15～70 mg/g鮮葉之間,其含量與油橄欖品種、采樣期、氣候條件、生長條件等因素密切相關[22, 23]。油橄欖葉中具有抗氧化活性的多酚類物質主要有:黃酮類、裂環烯醚萜類、三萜酸類、羥基肉桂酸類和簡單酚。其中,黃酮類化合物大多具有6C-3C-6C的基本骨架,且常有羥基、甲氧基、異戊烯基等取代基;裂環烯醚萜類化合物多具有半縮醛及環戊烷環的結構,主要以C1—OH與糖成苷的形式存在,C7-C8處斷鍵成裂環狀態;三萜酸類化合物多為五環三萜類,由三萜苷元與葡萄糖、半乳糖等戊糖類或糖醛酸組成;羥基肉桂酸類化合物是三碳側鏈(C6-C3)的芳香化合物,大多具有鄰苯二酚結構;簡單酚主要是以酚類的的形式存在,其可通過羥基上的游離氫和苯氧基之間形成分子內氫鍵來清除自由基。本文對油橄欖葉中主要抗氧化活性成分進行了總結,其中部分活性物質的化學結構見圖1。

圖1 油橄欖葉主要抗氧化活性成分化學結構

2.1 黃酮類化合物

2.2 裂環烯醚萜類化合物

裂環烯醚萜是環戊烷單萜衍生物中的一類化合物,是由環烯醚萜類化合物在C7、C8處裂環而成,在植物體中多以苷元形式存在[27, 28]。在油橄欖葉中含量較高的裂環烯醚萜類化合物有:橄欖苦苷、橄欖苦苷苷元、斷氧化馬錢子苷、女貞苷等(圖1)。橄欖苦苷是油橄欖葉中最具代表性的裂環烯醚萜類化合物,其含量隨著油橄欖葉片成熟度的增加而降低[29],是油橄欖葉苦味化合物的主要來源[30]。imat等[31]根據高效液相色譜-PDA-電噴霧質譜檢測出油橄欖葉中裂環烯醚萜類化合物質量分數達16.472 mg/g,其中橄欖苦苷還是油橄欖葉中的主要酚類化合物,占總酚質量的40%～50%。Orak等[32]在8種來源于土耳其和一種意大利的油橄欖葉中鑒定了裂環烯醚萜類、苯乙醇類和黃酮類等化合物共12種,其中橄欖苦苷在所有提取物中含量最高,其質量分數為21.0～98.0 mg/g。研究表明,裂環烯醚萜類化合物的高抗氧化能力可能歸因于其結構中的鄰二羥基結構,橄欖苦苷在體內還會降解為羥基酪醇,從而發揮其抗氧化活性[33]。

2.3 三萜酸類化合物

三萜酸是由30個碳原子(含6個異戊二烯單元)聚合而成的萜類化合物,多數以游離酸或三萜皂苷配基的形式存在于植物中。在油橄欖葉中,含量最豐富的游離三萜酸為齊墩果酸、熊果酸、山楂酸和積雪草酸(圖1)[34]。Romero等[35]使用1∶1混合的甲醇和乙醇提取干燥油橄欖果實中的齊墩果酸和山楂酸,結果顯示未經NaOH處理的天然黑橄欖果肉中的三萜酸質量分數高達2 000 mg/kg,其中山楂酸的濃度高于齊墩果酸。有研究表明,三萜酸類化合物中含有的活性基團可阻止或減少肝臟脂質過氧化物丙二醛的生成,另外活潑的雙鍵很容易與自由基發生加成反應,減少氧自由基對肝臟的損害[36]。

2.4 羥基肉桂酸類化合物

羥基肉桂酸是由肉桂酸衍生而成的化合物,是植物中分布最廣的一類酚酸化合物。油橄欖葉中含有豐富的綠原酸、咖啡酸、阿魏酸等羥基肉桂酸類化合物[37]。Albogami[38]利用高效液相色譜分析顯示油橄欖葉提取物中含綠原酸(16.11±1.35)mg/g,占總酚質量的59.4%。Papoti等[39]采用3種溶劑提取7個希臘品種油橄欖葉并進行含量分析,發現提取溶劑對油橄欖葉羥基肉桂酸活性成分含量影響較小,其中乙醇提取物:3～13 mg CAF/g,甲醇提取物:5～11 mg CAF/g,水提物:4～12 mg CAF/g。酚酸類化合物中一般都具有鄰苯二酚結構或者羥基鄰位存在給電子基團的衍生物,使其具有較高的抗氧化活性。此外,苯環上的α,β-不飽和酸共軛結構可以提高酚酸類化合物的抗氧化活性[40]。

2.5 簡單酚

油橄欖葉中還含有大量簡單酚類化合物,包括酪醇、羥基酪醇、羥基酪醇 4-O-葡萄糖苷等(圖1)。酪醇、羥基酪醇等化合物為橄欖苦苷的降解產物,在油橄欖葉成熟或加工過程中含量增加,具有與橄欖苦苷相似的生物學特性,如抗菌、降血糖、降血脂、降膽固醇、抗氧化和清除自由基等作用[41, 42]。研究表明,羥基酪醇的抗氧化活性機理可能是通過羥基上的游離氫和苯氧基之間形成分子內氫鍵來清除自由基,從而延遲氧化反應[43]。在來自葡萄牙的特級初榨橄欖油中,9個品種中酪醇質量分數在1.135～5.715 mg/20 g之間,羥基酪醇質量分數在0.651～5.259 mg/20 g之間[44]。馮晗珂等[45]將油橄欖葉提取物經UPLC分離后測定羥基酪醇濃度為238.67 μmol/L。相比較而言,橄欖油中的羥基酪醇比葉片中的更加豐富。羥基酪醇極易氧化,很難人工合成,因此從植物原料中獲取羥基酪醇是目前的主要途徑。

3 油橄欖葉抗氧化活性研究進展

隨著合成抗氧化劑如丁基化羥基茴香醚和二丁基羥基甲苯的毒副作用不斷被發現,其在食品、保健品、化妝品等領域中的應用大為受限[46]。植物基抗氧化劑因此受到了極大的關注。油橄欖葉提取物富含黃酮、裂環烯醚萜、羥基酪醇等多種抗氧化活性物質,具有清除氧自由基,抵抗機體氧化應激水平的作用,從而使油橄欖葉表現出對降血脂、抗衰老、預防心血管疾病等有促進作用[21]。因此,油橄欖葉的抗氧化特性是其多種生物活性的基礎,研究油橄欖葉抗氧化活性對于提高其綜合利用價值具有重要意義。為了更全面地了解油橄欖葉的抗氧化活性,本文分別從體外化學評價法、細胞抗氧化模型和動物模型3個方面對油橄欖葉的抗氧化能力進行綜述(表2)。

表2 油橄欖葉提取物抗氧化活性研究現狀

3.1 體外化學評價法

大部分油橄欖葉提取物抗氧化活性的研究通常采用體外化學評價法,包括1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基、2,2′-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)自由基、O2-、·OH清除能力法以及氧化自由基吸收能力法(ORAC)、鐵離子還原/抗氧化能力法(FRAP)[15]。化學評價法一般在固定條件下加入一定量的自由基,通過反應后的自由基殘存量反映出抗氧化劑的自由基清除能力。Papoti等[39]等研究發現,油橄欖葉乙醇與甲醇提取物均具有強烈的抗氧化活性,且乙醇與甲醇提取物的DPPH自由基清除能力接近,分別為89%～92%和91%～94%的抑制率;Xie等[47]比較了不同品種、不同干燥方式等處理下油橄欖葉提取物的抗氧化能力,其ABTS和DPPH自由基清除活性在61.05～335.5 mg TE/g和42.7～378.2 mg TE/g之間。與其他農業食品副產物相比,如葡萄藤(DPPH:35.3 mg TE/g),覆盆子渣(DPPH:27.45 mg TE/g),麥麩(ABTS:129.50 mg TE/g),油橄欖葉提取物具有優異的抗氧化性能。油橄欖葉抗氧化活性與其酚類化合物如橄欖苦苷、羥基酪醇、黃酮苷元及其衍生物的含量顯著相關(相關系數R>0.9)[47]。Benavente-Garcia等[48]對油橄欖葉酚類化合物抗氧化ABTS能力進行測定:蘆丁>木犀草素>油橄欖葉粗提物>羥基酪醇>香葉木素>咖啡酸>橄欖苦苷>木犀草素-7-O-葡萄糖苷>芹菜素7-O-葡糖苷。盡管大多數體外化學抗氧化評價研究均證明了油橄欖葉優異的抗氧化性能,但在研究生物體內抗氧化活性方面,體外化學評價方法不夠準確充分,一方面它們是在非生理條件下的pH和溫度下進行反應,另一方面體內抗氧化活性需要分析體內的生物利用度、吸收和代謝等因素,體外化學評價方法無法分析上述因素,因此不能客觀公正的評價待測物抗氧化活性。

3.2 細胞抗氧化模型

細胞模型通常被用于生物活性物質的抗氧化性能評估,經由分析生物活性物質在細胞內吸收、分布和代謝情況,推測生物活性物質在復雜生物系統中的抗氧化機制,較體外化學評價法能得到更有代表性的生物活性物質抗氧化性評估結果。近年來,眾多研究者從細胞實驗層面探究了油橄欖葉酚類提取物的抗氧化能力。據報道,生物體經外源性電離輻射、缺氧等因素會誘導線粒體產生超氧陰離子、羥自由基、過氧自由基、單線態氧和過氧化氫等活性氧,這些活性氧均具有誘導細胞產生抗氧化應激的能力[49, 50]。機體自身的抗氧化酶,如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、還原型谷胱甘肽能維持機體處于健康的氧化還原狀態[51]。一些非酶抗氧化劑,如多酚類物質等天然抗氧化劑都具有保護機體免受氧化損傷的功能。Difonzo等[52]研究發現富含橄欖苦苷的油橄欖葉提取物能夠降低支氣管上皮NCI-H292細胞中活性氧ROS產生(下降約40%),具有緩解肺部疾病的潛在作用。油橄欖葉提取物還能夠保持葡萄糖誘導氧化應激下HepG2細胞的細胞膜完整性,并使細胞內谷胱甘肽濃度和谷胱甘肽s-轉移酶活性維持在與非應激細胞相當的水平,有效改善糖誘導的肝細胞的氧化應激[4];含有羥基酪醇、毛蕊花糖苷和木犀草素的組分的油橄欖葉提取物同樣能夠誘導細胞產生抗氧化應激反應,保護細胞免受H2O2造成的氧化損傷[53]。

3.3 動物模型

大量化學抗氧化和細胞實驗在體外層面證明了油橄欖葉抗氧化活性,由表2可知,近年來部分研究者嘗試在體內動物模型層面論證在不同的氧化應激條件下,油橄欖葉能否有效控制機體的氧化還原水平。Rouibah等[54]通過建立Wistar大鼠過敏性哮喘的實驗模型,分析油橄欖葉的水提取物和富含羥基酪醇的酸水解物提取物對大鼠肺氧化應激因子丙二醛、還原型谷胱甘肽水平的影響,體內研究表明酸水解提取物比水提取物能更好地改善哮喘疾病中的抗氧化狀態,與其富含羥基酪醇有關。此外,油橄欖葉提取物可通過阻止自由基的產生或刺激抗氧化防御系統的成分來調節氯菊酯誘導的遺傳和氧化損傷,表明油橄欖葉提取物可能是防止農藥誘發的致突變性或致癌性的理想候選物[55]。研究表明,油橄欖葉多酚物質可通過激活核因子E2相關因子2的轉錄、上調過氧化物酶體增殖物激活受體的表達,從而防止機體免受氧化應激損傷[56]。研究顯示油橄欖葉提取物在體內外良好的抗氧化特性,且有利于保持機體健康、維持穩態,這對天然抗氧化劑的開發以及相關疾病的防治具有重要意義。

4 油橄欖葉提取物抗氧化機制

4.1 直接清除自由基

油橄欖葉抗氧化作用可能的機制示意圖見圖2。多酚類物質具有直接清除自由基的能力,其機制是多酚結構中作為氫供體的酚羥基能夠將單線態氧還原成低活性的三線態氧,從而減少自由基在機體中的產生。另一方面,酚羥基還能捕捉活性氧自由基,與環境中的氧結合生成醌類結構,進而發揮清除自由基的能力。研究表明,多酚物質的抗氧化能力與其結構密切相關:1)酚羥基數目越多,捕捉活性氧自由基能力越強;2)具有鄰二羥基結構能提高多酚類物質的抗氧化活性。油橄欖葉中的橄欖苦苷、羥基酪醇、黃酮類化合物結構中都帶有多個酚羥基,其中槲皮素、木犀草素等物質還具有鄰二羥基結構,具有強烈的自由基清除能力,在體外實驗中可直接清除DPPH·和ABTS·等自由基[48]。

圖2 油橄欖葉抗氧化作用可能的機制示意圖

4.2 激活抗氧化酶活性

生物體在受到外界刺激時,組織會受到氧化損傷導致ROS在細胞中快速積累,并加速生物體的死亡[60, 61]。在生物體內存在氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)和NAD(P)H醌脫氫酶1(NQO1)等抗氧化酶,能對抗親電離子和氧化應激反應,在保護機體免受環境壓力方面起著重要作用[62]。研究表明,多酚類物質可激活機體抗氧化酶,起到抗氧化功效。Luo等[59]研究了油橄欖葉提取物對機體活性氧ROS水平的影響,采用0.4 mg/mL的油橄欖葉提取物處理暴露于35 ℃熱應激下秀麗隱桿線蟲48 h,與對照組相比,處理組活性氧ROS水平顯著下降了54.15%,MDA含量降低了72.96%,而抗氧化酶CAT、SOD、GSH-Px活性分別增加了10.81%、30.97%和52.23%。表明油橄欖葉提取物可能通過促進體內抗氧化酶的活性清除ROS產生的自由基,提高對熱應力的抗性。此外,油橄欖葉羥基酪醇也可通過增加CAT、SOD、GSH-PX和谷胱甘肽還原酶的活性,清除細胞環境中的過氧化物,維持細胞中還原性谷胱甘肽的水平,改善機體抗氧化防御系統[63]。

4.3 相關核因子的激活

近年來,部分研究提出了油橄欖葉活性成分抗氧化途徑相關的作用機制,其中研究最多的是基于核因子Nrf2誘導的調節。Nrf2是一種亮氨酸拉鏈轉錄因子,為細胞抗氧化應激的關鍵核轉錄因子,可作為一種防御反應抵抗外部和內部的刺激。在氧化應激條件下,大量的Nrf2迅速發生核移位,并激活NQO1、微粒體環氧化物水解酶、血紅素氧合酶等相關抗氧化酶的表達,提高還原性谷胱甘肽的水平,維持細胞內氧化/抗氧化的平衡[64]。Zrelli等[65]研究表明油橄欖葉中的羥基酪醇可激活血管內皮細胞VECs的Nrf2信號通路,有助于增強細胞內抗氧化防御系統,降低細胞內ROS水平;此外,黃酮類物質也可使細胞核Nrf2表達增加116%,提高Keap1的表達[66]。核轉位狀態下的Nrf2可以識別啟動子中的抗氧化反應元件下游的目標基因血紅素氧合酶、NQO1等,激發它們的表達以緩解多種氧化應激反應。油橄欖葉抗氧化活性成分復雜,其酚類物質的組分含量與抗氧化活性密切相關,但其他活性成分如橄欖苦苷、山楂酸等的抗氧化機制還不清晰。此外,油橄欖葉活性成分在體內的吸收、代謝及其與腸道菌群的互作等研究還有待深入闡明。

5 總結與展望

隨著合成抗氧化劑毒副作用不斷被發現,利用天然抗氧化劑代替合成抗氧化劑已成為新趨勢。油橄欖葉作為一種具有優良抗氧化特性的生物廢棄物,可作為天然抗氧化劑的原料,具有巨大的經濟價值和社會價值。然而,油橄欖葉在我國的加工應用范圍較小,研究不夠系統全面,鑒于其優良的抗氧化特性,亟需全面深入研究及推廣應用。為實現油橄欖葉資源在農業食品、保健品、生物醫藥等領域的充分應用,今后對于油橄欖葉抗氧化方面的研究還需進行改進:

油橄欖葉抗氧化活性評價有待加強。目前,國內外關于油橄欖葉抗氧化活性評價研究大多集中于化學評價法,不能充分反映其在生物體內的抗氧化活性,未來的研究可以結合細胞模型和動物模型對油橄欖葉抗氧化活性進行更加客觀的評價。

油橄欖葉的抗氧化活性機制需深入研究。油橄欖葉抗氧化活性成分復雜,其黃酮、裂環烯醚萜、羥基肉桂酸、簡單酚和三萜酸等酚類物質的組分含量與抗氧化活性密切相關,需通過分離純化方法明確酚類物質的抗氧化能力,并研究不同酚類物質間的協同抗氧化效果。此外,油橄欖葉中特定酚類物質的抗氧化機制,如橄欖苦苷、山楂酸等物質的抗氧化機制還不清晰,親脂類的抗氧化活性物質對油橄欖葉提取物的抗氧化作用是否有增效作用還不明確,有待進一步的研究探索。

油橄欖葉的加工利用研究有待加強。油橄欖葉富含多酚類物質,加工利用期間易發生降解反應。另外,油橄欖葉富含橄欖苦苷,味苦澀,在食品抗氧化劑應用中要做到既保留其功能活性而不影響食品風味具有一定的挑戰。未來的研究可以利用納米脂質體等材料將油橄欖葉提取物進行包封,掩蓋其苦味,提高其在食品體系中的穩定性。在應用方面,目前我國市場上應用油橄欖葉開發的產品較少。基于油橄欖葉良好的抗氧化特性,通過與其他天然原料復配等方法,開發功能食品、化妝品等多元化產品,不僅能提高油橄欖葉的綜合利用價值,還能推動我國油橄欖產業的健康可持續發展。