植物甾醇降胆固醇机制及其改性研究进展_焦文佳.pdf

现代食品现代食品XIANDAISHIPIN8484/行业综述行业综述Industry Reviewdoi:10.16736/41-1434/ts.2022.24.022植物甾醇降胆固醇机制及其改性研究进展Cholesterol Lowering Effect of Phytosterols and Its Advances of Modification 焦文佳1,2，石剑夫1,2（1广东省食品工业研究所有限公司，广东广州511442；2广东省食品质量监督检验站，广东广州511442）JIAO Wenjia1,2,SHI Jianfu1,2(1.Guangdong Food Industry Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou511442,China;2.Guangdong Food Quality Supervision and Inspection Station,Guangzhou511442,China)摘要：植物甾醇是一种天然的降胆固醇物质，但由于不溶于水、微溶于油的特殊理化性质影响了其开发利用。本文重点介绍植物甾醇的降胆固醇机制及其在功能性食品中的应用，从物理改性和化学改性两方面对植物甾醇国内外研究进展进行综述，并比较了两种改性方法的优缺点，为进一步开发利用植物甾醇提供参考。关键词：植物甾醇；胆固醇；溶解性；改性；衍生物Abstract：Phytosterols are a kind of natural ingredients in reducing cholesterol,for the special physicochemical properties,which is insoluble in water and slightly soluble in oil.This paper focused on the mechanism of phytosterol lowing effect of cholesterol,and its application in functional foods.The research progresses for the modification of phytosterols by physical or chemical method at home and abroad were reviewed.And the advantages and disadvantages of the two different modification methods were also compared in this paper,which provide reference for further development and utilization of phytosterols.Keywords：phytosterols;cholesterol;solubility;modification;derivatives中图分类号：TS201.2植物甾醇是存在于植物体内的具有类胆固醇结构的功能性脂质，是植物体内甾醇类物质的统称1。存在于动物体内的甾醇则称为动物固醇，最常见的是胆固醇，是动物组织中其他固醇类化合物，如胆汁醇、性激素、肾上腺皮质激素、维生素 D3等的前体，是人体必需的营养素之一2。但当体内胆固醇摄入过量时，会引起高胆固醇血症，进而导致动脉粥样硬化、脑中风和冠心病3。研究人员根据胆固醇的吸收代谢机理合成的药物对降低胆固醇有良好的效果，但这类药物的吸收对肝脏和肌肉有一定的毒副作用4。植物甾醇已被证实具有显著降低胆固醇的效果，可用来降低患动脉粥样硬化和心血管疾病的风险，且对人体无明显副作用。但天然植物甾醇不溶于水、微溶于油，在人体内生物利用度极低，不能直接添加到食品或药品中进行利用，需要通过改性来提高植物甾醇的溶解度和稳定性。本文对植物甾醇的降胆固醇作用机理及其在功能性食品中的研究进展进行了综述。1植物甾醇简介植物甾醇存在于所有植物性食物中，谷物、豆类、蔬菜、水果和坚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显著差异，其中以油料作物作者简介：焦文佳（1994），女，硕士，研究方向为粮食食品资源开发与利用。现代食品现代食品XIANDAISHIPIN8585/行业综述行业综述 Industry Review中含量最多。目前，商业化植物甾醇的主要来源是植物油精炼下脚料和木浆，特别是菜籽油脱臭馏出物中的植物甾醇含量高达 24%1,5。自然界中植物甾醇主要以游离型和酯化型两种形式存在，游离型植物甾醇在坚果和豆类中含量较多，以-谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇为主，其次是菜籽甾醇、麦角甾醇等；酯化型植物甾醇主要存在于谷类食物中，常见的有-谷甾醇阿魏酸酯、豆甾醇阿魏酸酯等6。此外，植物甾醇还有其他衍生物存在，如植物甾烷醇、植物甾醇糖苷和酰化植物甾醇糖苷等7。植物甾醇和胆固醇同属甾醇类，都是以环戊烷全氢菲为骨架的醇类化合物，在结构上极其相似，与胆固醇的不同之处在于其支链上的双键和甲基8。植物甾醇在常温下为白色结晶粉末或颗粒，无臭无味，熔点可达 130 170，不溶于水、强酸和强碱，可溶于多种有机溶剂，如丙酮、无水乙醇、乙醚、苯、氯仿、石油醚等，常温下溶解度不高，但随着温度的升高，溶解度显著上升9。植物甾醇在光照、水、空气、金属离子等环境中表现出一定的稳定性，但在精炼10、漂白或是油炸11等极端环境中也会发生氧化。OSADA12将甾醇在 100 下加热 24 h，未检测到甾醇损失，也未发现相关植物甾醇氧化物的生成，但更高温度下甾醇却很容易被氧化，在 200 下加热 6 h，甾醇几乎被完全氧化。植物甾醇氧化产物已被证实具有细胞毒性及致癌、致突变等潜在危害，所以应从食品加工、包装和储藏等方面抑制植物甾醇氧化物的生成13。2植物甾醇降胆固醇的作用机理人体内胆固醇的主要来源是自身合成和小肠的吸收3。在正常情况下，体内合成和食物中获得的胆固醇一部分会转化为细胞膜的组成成分，另一部分则会排出体外。但是当人体长期过量摄入胆固醇时，多余的胆固醇不能正常排出体外，会导致血清中胆固醇升高，造成高血脂症，进而引发心脑血管疾病14。2022年中国健康大数据报道，目前中国高血脂人数有1 亿多，血脂异常（含高血脂）人数更达 1.6 亿，仅次于高血压人群（2.7 亿），更有甚者，中国 22%的中年人死于心脑血管疾病。而目前，在世界范围内，高血脂、心血管疾病的主要预防目标是减少低密度脂蛋白胆固醇浓度15。早在 20 世纪 50 年代，人们就已经知道从膳食中摄入植物甾醇，可以降低人体对胆固醇的吸收率16，植物甾醇可降低人体血清总胆固醇（Total Cholesterol，TC）水平和血清中低密度脂蛋白胆固醇（Low Density Lipoprotein Cholesterol，LDL-C）与高密度脂蛋白胆固醇（High Density Lipoprotein Cholesterol，HDL-C）的比值17。植物甾醇作为一种功能性食品添加剂的研究一直延续至今，但其降胆固醇机理有多种说法，目前被接受的理论主要有以下几种。（1）植物甾醇具有疏水性，且具有与胆固醇相似的结构，进入小肠后能够竞争性取代小肠内腔微胶束中的胆固醇，导致部分胆固醇不能被消化，随粪便排出体外，进而减少肠道对胆固醇的吸收，降低体内胆固醇的累积和吸收18。（2）植物甾醇的吸收部位主要是在小肠。小肠上皮细胞上 ATP 结合蛋白转运盒转运体家族 ABCG5/8和 ABCA1 蛋白与甾醇的吸收有关，甾醇不仅可增强小肠细胞基因 ABCA1 的表达，还可以上调 ABCG5/8转运体和基因的表达19，使被吸收的胆固醇重新回到小肠内腔，从而降低胆固醇的净吸收含量18。同时，在小肠内的胆固醇只有被酰基辅酶 A 胆固醇脂酰转移 酶（Acyl Coenzyme A-cholesterol Acyltransferase，ACAT）催化酯化后才能进入血液循环，在吸收过程中，植物甾醇与胆固醇竞争 ACAT 的酯化部位，只有一部分胆固醇能进行血液循环，进而影响血液中胆固醇的含量，起到降血脂的功效20。（3）植物甾醇不仅可以通过抑制肝细胞载脂蛋白 B 的生成速率和降低极低密度脂蛋白胆固醇和胆固醇酯的含量来影响血液中低密度脂蛋白（Low Density Lipoprotein，LDL）的形成，还可以增加脂蛋白受体的表达量，加快清除 LDL-C，从而影响血清中 LDL的含量21。有临床试验结果表明，植物甾醇能与他汀类药物（辛伐他丁或辛伐他丁/依泽替米贝）发挥协同效应，显著降低受试患者血浆中 TC、LDL-C、甘油三酯及肝细胞载脂蛋白 B 水平22。（4）胆固醇的合成和代谢过程需要许多酶的参与，植物甾醇可以增强胆固醇合成限速酶的活性，抑制苹果酸酶、乙酰基辅酶 A 羧化酶和胆固醇的酯化酶 ACAT 的活性。甾醇类化合物可通过调控胆固醇合成及代谢中关键酶的活性，如植物甾醇能增强胆固醇合成限速酶的活性，同时可降低和苹果酸酶的活性，抑制胆固醇的酯化酶 ACAT 的活性23。胆固醇 7 羟现代食品现代食品XIANDAISHIPIN8686/行业综述行业综述Industry Review化酶是胆固醇分解为胆酸的限速酶，也是肝脏 X 受体 的靶基因之一，胆固醇 7 羟化酶对于维持胆固醇和胆汁酸的动态平衡起着重要作用24。小鼠实验测定结果表明，植物甾烷醇能促进肝脏 X 受体 及胆固醇7羟化酶的表达，对胆固醇代谢有一定的促进作用25。虽然对植物甾醇降低胆固醇的作用机理有多种解释，但机体内胆固醇的平衡是一个极其复杂的过程，受多种因子的调控和影响，植物甾醇降低胆固醇的功效也不是简单的单个作用机制产生的效果，可能是多重机制相互作用。3植物甾醇功能性食品研究3.1植物甾醇应用存在的问题20 世纪 70 年代，随着口服降脂药物的出现，结晶型植物甾醇口感差，吸收困难，过量的摄入会导致血清中植物甾醇浓度升高等问题使天然植物甾醇的应用受到了限制26。且 GRUNDY 等27通过同位素标记法给高胆固醇患者服用标记的胆固醇，并追踪其在体内的吸收、合成和代谢情况发现，大量服用植物甾醇后，胆固醇的吸收显著下降，排泄量增加，但体内胆固醇的合成也在增加，所以大量摄入植物甾醇的方式不能达到降低胆固醇的目的。后来，研究人员发现可以通过对植物甾醇进行改性，降低植物甾醇的结晶度，改善植物甾醇的溶解性和吸收问题。目前植物甾醇的改性方法大致可以归纳为物理改性和化学改性 两种。3.2植物甾醇物理改性物理改性是指用物理手段对植物甾醇进行包埋，达到改善口感和提高水溶性的目的，不改变植物甾醇的结构。这种方法操作简单，无有机试剂的混入，可显著提高植物甾醇的水溶性。植物甾醇常温下以晶体形式存在，不溶于水，口感粗糙，不宜直接食用。目前，主要通过包合、乳化法、注入法、薄膜分散法、淀粉凝胶包埋法、旋转蒸发法、高压均质法、超声法、超临界 CO2法、冷冻干燥法、喷雾干燥法、冷冻熔融法、微胶囊化法和自组装法等物理手段将植物甾醇微米或纳米化，并加入乳化剂抑制晶核的生成，可改善植物甾醇的溶解性。常用乳化剂有棕榈酸正十六酯、硬脂酸甘油酯、吐温和泊洛沙姆系列等合成乳化剂，大豆蛋白、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白、卵磷脂和果胶等天然乳化剂。-环糊精由于其特殊的环状空间结构，也可包埋疏水性物质。其他包埋体系如纳米乳液、纳米粒和微胶囊等均是先以植物甾醇溶于“油相”，再与乳化剂和水等混合，通过高速分散、超声、均质等手段形成均一分散体系，由于植物甾醇在油中的溶解性也较差，上述“油相”通常以无水乙醇等有机溶剂代替。近年来植物甾醇的物理改性研究进展详见表 1。运用纳米技术和不同的载体系统对植物甾醇进行包封，可以促进植物甾醇在胃肠道环境的溶解，增强其在靶组织中的吸收，从而提高其口服生物利用度。LI等28利用大豆分离蛋白和大豆卵磷脂制备出颗粒分布均匀的植物甾醇纳米粒，其平均粒径为 93.35 nm、包埋率达 97.3%，生物利用度（70.8%）比游离植物甾醇提高 18.2%，水溶性（2.122 mgmL-1）是游离植物甾醇的 155 倍。李青等33利用大豆蛋白-甜菊糖苷形成的复合体系作为稳定剂，采用高压微射流均质法制备出平均粒径在 193 217 nm 的植物甾醇纳米乳液，有效改善了植物甾醇的水溶性，提高了其生物利用度。PAAVER41以壳聚糖为稳定剂/载体聚合物，采用静电纺丝法制备了均匀分布、平均直径在 150 218 nm的-谷甾醇聚合物纳米纤维。3.3植物甾醇化学改性植物甾醇是一种两亲性分子，结构中既有亲水基团也有疏水基团，但其在油、水中的溶解性均较差，在健康人体内的吸收率通常小于食物中含量的 5%，而胆固醇的吸收率却可以达到 35%70%42。与胆固醇结构相比，植物甾醇的支链更长，疏水性更强，在人体内的吸收率更低43。化学改性是指通过生化手段改变植物甾醇的化学结构，使其烷基化或在其活泼羟基上接入某些基团以改善其功能性质。近年来植物甾醇的化学改性研究进展详见表 2。研究发现在植物甾醇的活泼羟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，在水性食品中的应用则需要通过物理包埋来实现。TAKASHI 等55发明了一种制备植物甾醇 o/w 乳液的方法，所制备油相中植物甾醇酯含量为1.5%5.0%，而单纯的植物甾醇由于在油中溶解度低，很难制备稳定的乳液。CAO 等56表明虽然植物甾醇酯在油中的溶解度提高了，但高油含量的摄入也会伴随着风险。植物甾醇水溶性改性产物的制备弥补了这一缺憾，通现代食品现代食品XIANDAISHIPIN8787/行业综述行业综述 Industry Review常是在植物甾醇酯上再次引入某些亲水基团，提高衍生物的水溶性，且不会改变其降胆固醇功效。3.4两种方法优缺点比较物理改性操作简单，耗时少，无有害物质的混入，但需添加大量乳化剂以改善植物甾醇的溶解性。化学合成乳化剂效果好，但在食品工业中应用受限；天然乳化剂使用更安全，但相对合成乳化剂成本较高，乳化效果较差，所制备的液体产品稳定性差，储藏过程中甾醇易析出，干燥后的产品复溶性差。化学改性显著提高植物甾醇类产品的水溶性或油溶性，可直接添加在食品体系中，稳定性好。但改性过程比较复杂，耗时长，产物复杂多样，分离纯化困难，且需用到大量有机试剂，新的衍生物还可能存在安全隐患，有待于进一步研究。表 1植物甾醇的物理改性研究进展表体系芯材载体材料主要发现参考文献纳米粒植物甾醇（由-谷甾醇（41%）、豆甾醇（25%）、菜油甾醇（30%）组成）大豆分离蛋白、大豆卵磷脂生物利用率、水溶性 均显著高于游离植物甾醇28豆甾醇玉米醇溶蛋白和有机溶剂制备的纳米颗粒尺寸均匀，表面光滑29-谷维醇壳聚糖、三聚磷酸钠、吐温 80、硫酸钠、焦亚硫酸钠、戊二醛、泊洛沙姆-407制备的纳米粒能降低血液中 胆固醇和低密度脂蛋白的水平30纳米乳液-谷甾醇乳化剂（磷脂酰胆碱和溶血磷脂酰胆碱）；油相（中链甘油三酯），超纯水与甘油混合液纳米乳液的稳定性 受乳化剂的不饱和度影响31-谷甾醇10%商业级无水乳脂、1%乳清分离蛋白、89%水与单独添加时相比，复合添加 植物甾醇和乳清蛋白增强了 纳米乳液的稳定性32植物甾醇大豆分离蛋白（SPI）；甜菊糖（STE）苷；磷酸盐缓冲液（pH=7.0）SPI-STE 复合稳定剂体系 有利于降低乳液粒度，提高贮藏稳定性，改善水溶性33脂质体-谷甾醇和绿茶提取物脂相（角鲨烯葡萄籽油、鲱鱼油，棕榈酸正十六酯、硬脂酸甘油酯）；水相（吐温 80）与游离-谷甾醇（36.5%）相比，纳米脂质体 具有更高的抗氧化能力（92%）34植物甾醇大豆分离蛋白、大豆卵磷脂、无水乙醇脂质体的生物活性、冻干后的水溶性均优于未经包埋的植物甾醇35-谷甾醇脂相（双硬脂酸甘油酯、辛酸/癸酸三甘酯和聚乙二醇（共表面活性剂）；水相（泊洛沙姆 407）脂质体分布均匀，粒径较小，在最佳制备条件下，其抗氧化 能力在储存期间保持不变36微/纳米胶囊黄金莓植物甾醇抗性淀粉；壳聚糖最佳工艺条件下制备的 植物甾醇微胶囊包埋率最高37-谷维醇果胶和溶剂显现出优异的抗氧化活性，更高的缓释性和稳定性38-环 糊精植物甾醇（主要成分豆甾醇）羟丙基-环糊精；二氯甲烷；甲醇在包合状态下,植物甾醇的 水溶性得到大幅度的提高39-谷甾醇环糊精和溶剂稳定性提高40静电纺丝纳米纤维-谷甾醇壳聚糖作为稳定剂/载体聚合物；乙醇；乙酸；三氟乙酸；1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇-谷甾醇的水溶性增强，用光学显微镜可观察到-谷甾醇立即重结晶41现代食品现代食品XIANDAISHIPIN8888/行业综述行业综述Industry Review表 2植物甾醇的化学改性研究进展表改性方法接入基团方法转化率/%溶解性参考文献烷基化HPd/C 催化80油溶44HRaney-Ni 催化94.18油溶45HRaney-Ni、Pd/C 催化94.18/93.65油溶46酯化月桂酸/亚油酸SDS+HCl 催化93.31/81.23油溶47月桂酸甲酯氧化镁催化93.0油溶48油酸固定化 Candida rugosa 脂肪酶催化98.36油溶49月桂酸Candida rugosa 脂肪酶催化95.102油溶50混合脂肪酸氧化铜-纳米羟基磷灰（CuO-NHAP）催化99.3油溶51其他衍生物琥珀酸、山梨醇Lipozyme RM IM 催化 51水溶52谷氨酸甘氨酸和天冬氨酸，盐酸盐4-二甲氨基吡啶、1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和三乙胺 93.0水溶53琥珀酸酐、赤藓糖醇吡啶、Lipozyme 43581.6水溶544结语随着现代人们生活水平的不断提高，高血脂人群基数不断扩大，天然降胆固醇产品受到越来越多人们的青睐。植物甾醇作为一种新兴的食品添加剂已被广泛认可，但其特殊的理化性质限制了其应用和发展。物理改性和化学改性的方法已开发出了各种亲水性和亲油性植物甾醇产品，含植物甾醇的食品如饮料、果酱、糖果、糕点、麦片、奶酪以及保健品、化妆品、药品在国外已被广泛接受；但在国内仅限于应用于一些保健品中，在功能性食品方面的发展应用上仍有待进一步提高。作为一个油料资源大国，我国的植物甾醇资源丰富，综上所述两种改性方法的优缺点，迫切需要开发一种绿色、经济、安全、高效的产品以适应时代发展的需要。参考文献1LEONG W F，LAI O M，LONG K，et al.Preparation and 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