第六章-自由基清除剂及其加工技术

功能性食品食品营养与工程学院第六章自由基清除剂及其加工技术了解自由基的概念和对人体的危害掌握几种常见自由基清除剂的结构和生理功能了解国内外自由基清除剂的种类及作用机理掌握几种常见自由基清除剂制备的方法和要点第一节自由基清除剂种类和作用机理一、自由基的概念及其对人体的影响•1定义-自由基是指任何包含一个或多个未成对电子并能独立存在的原子或基团。•1832年德国化学家Baron和Friedrich发现化学反应中有一小群原子，并未把自己的单个原子放出去，而是与别的分子结合。当时化学家把这种原子叫做“radicals”，源于拉丁文“radix”,意思是“aroot”,表示他们根植在其他分子中。2种类-包括氢自由基（H·）、超氧阴离子自由基（O2-·）、羟自由基（·OH）、烷氧基（R·）、氢过氧基（HO2-）、单线态氧（1O2，属于活性氧，是普通氧3O2的激发态）。过氧化氢（H2O2）是活性氧，有高反应性，可促进自由基生成，称自由基关联物质。超氧阴离子自由基（O2-·）羟自由基（·OH）3氧的损伤氧分子轨道有两个未成对电子，很易转变为自由基或活性氧。活性氧自由基含量过多，可能产生毒性。4氧化应激生物体内氧化与抗氧化失去平衡。氧化应激原因A营养不良造成膳食抗氧化剂耗竭；B活性氧自由基产生过多。在大多数疾病中，氧化应激是一种续发性原因，所以抗氧化预防显得十分重要。羟基和超氧自由基5自由基的利弊利：体内物质和能量的转化都必须有自由基的参与。如，氨基酸的氧化；前列腺素的合成；线粒体内营养成分的氧化磷酸化；吞噬细胞杀灭细菌。自由基处于产生与清除的动态平衡弊：破坏细胞结构；引发脂质过氧化；干扰人体正常代谢活动；引发疾病；加速人体衰老。DNA受到自由基损伤蛋白质受到自由基氧化6自由基的来源（1）环境污染水、空气、农药残留（2）化学物质抽烟、食物添加剂、亚硝胺、化妆品（3）体内自行产生运动、暴饮暴食、喝酒（4）烹饪过程（5）紫外线（6）X光7自由基引起的疾病（举例）心脏病老年痴呆症帕金森病肿瘤心脏病心脏病（heartdisease）是心脏疾病的总称，包括风湿性心脏病、先天性心脏病、高血压性心脏病、冠心病、心肌炎等各种心脏病。加拿大研究人员20日发表报告说，全球大约35%的心脏病发作与油炸食品、盐渍零食和肉类有关。这再次表明，食用垃圾食品和动物脂肪能诱发心脏病。老年痴呆症老年痴呆症(Alzheimer‘sdisease,AD)是发生在老年期及老年前期的一种原发性退行性脑病，指的是一种持续性高级神经功能活动障碍，即在没有意识障碍的状态下，记忆、思维、分析判断、视空间辨认、情绪等方面的障碍。、生活方式是导致该病的原因之一。如吸烟酗酒、不合理饮食、缺乏锻炼、与社会交流少。帕金森病帕金森病（Parkinson'sdisease）又称震颤麻痹，巴金森氏症或柏金逊症。该病是一种常见于中老年的神经系统变性疾病，多在60岁以后发病。主要表现为患者动作缓慢，手脚或身体的其它部分的震颤，身体失去了柔软性，变得僵硬。最早系统描述该病的是英国的内科医生詹母·帕金森，当时还不知道该病应该归入哪一类疾病，称该病为“震颤麻痹”。二、自由基清除剂的种类和作用机理•1自由基清除剂：能清除体内自由基或能阻断自由基参与氧化反应的物质。2自由基清除剂的分类非酶类清除剂抗氧化剂（VE、VC、胡萝卜素、还原型谷胱甘肽）。酶类清除剂抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶）。（一）抗氧化酶能清除活性氧的酶统称为抗氧化酶。如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等。O2-·→O2H2O2-→H2O2过氧化脂LOOH→LOH醇（二）非酶类清除剂1抗氧化剂：食品和药物中的抗氧化成分；2自由基清除剂：能清除自由基实现抗氧化作用的物质；3抗氧化剂作用机理：一是降低活泼自由基中间体的浓度，从而降低自由基链反应传播阶段的速率；二是抑制自由基引发剂的产生，从而达到清除自由基的作用。4自由基清除剂与抗氧化剂的三种关系（1）抗氧化剂即为自由基清除剂氧化变质包括自由基连锁反应的各个阶段（2）抗氧化剂不一定是自由基清除剂有些抗氧化剂通过抑制自由基引发剂（如某些金属元素）的产生起作用（3）自由基清除剂不一定是抗氧化剂有些系统可能并未进行氧化作用5自由基清除剂应用注意事项（1）自由基清除剂只有在足够浓度时才起作用；（2）清除剂只有在产生自由基的位置附近才能起作用；（3）清除剂与自由基反应后本身会成为新自由基，这个新自由基的毒性应小于原来的才能起防护作用。第二节黄酮类化合物黄酮类化合物是优良的活性氧清除剂和脂质抗氧化剂，它是广泛存在于自然界的一大类化合物，多具有艳丽的色泽，是许多中草药中主要活性成分之一。一、黄酮类化合物的结构及生理功能（一）黄酮类化合物的结构•基本母核：2-苯基色原酮类化合物；•黄酮、黄酮醇，人体每天从食物中摄取可达1g；•二氢黄酮、二氢黄酮醇类、异黄酮、二氢异黄酮、双黄酮类、查尔酮类、橙酮类、黄烷醇类、花青素、新黄酮类。（二）黄酮类化合物的生理功能•1清除自由基机理：与超氧阴离子反应阻止自由基反应的引发，与铁离子络合阻止羟基自由基的生成，与脂质过氧化基反应阻止脂质过氧化过程。•2调节免疫功能•增强巨噬细胞吞噬能力和自然杀伤细胞活性；•增加抗体产量，调节体液免疫功能和细胞免疫功能；•通过血脑屏障吸收活性自由基，起抗衰老作用。3保护心血管系统•能影响血管的脆性和渗透性，改善血液循环状态，增加冠脉流量；•选择性地与血管壁上的血栓结合，起抗血栓形成作用；•防治血管老化和脑血管供血不足作用；4抗癌作用•致癌物(苯、苯并芘、亚硝基化合物)，是由惰性物经生物转化成的高活性物质，能破坏细胞结构，引发疾病，转化中产生一些自由基中间物，进一步形成活性很强的羟基自由基和单线态氧，引发癌症。•黄酮类化合物可以作为寻找有效抗癌活性物质。5抗炎作用黄酮类化合物具有抗病原微生物、抗炎症、抗感染作用。据研究，黄酮类化合物的抗炎作用可能与前列腺素生物合成过程中的脂氧化酶受到抑制有关。6保护肝脏作用能促进组织再生，修复内脏器官的病变组损伤。临床上用以治疗急、慢性肝炎，肝硬化以及多种肝损伤等。7调节内分泌功能国外流行病因学研究证明，东方人的乳腺癌、结肠癌和大肠癌的发病率远低于西方人，其重要原因是东方人的食物中含有大量的植物雌激素。植物雌激素植物雌激素主要有3类：异黄酮类、木酚素类和香豆素类，均含在植物及其种籽里。植物雌激素的分子结构与哺乳动物雌激素结构相似，是一类具有类似动物雌激素生物活性的植物成分，可以起到模拟、干扰、双向调节内分泌水平的生理化作用。它们对激素相关疾病有广泛作用，尤其对乳腺癌、前列腺癌、绝经期综合征、心血管病和骨质疏松有一定的预防作用。•8抗菌及抗病毒作用木犀草素、黄芩甘、黄芩素均有一定程度的抗菌作用。•9解痉作用解除平滑肌痉挛（抽搐）作用，如异甘草素、黄豆苷原。10其他作用缓解高血压患者的头痛-大豆苷、葛根素；止咳、祛痰；抑制酪氨酸酶活性，减少皮肤黑色素生；成，吸收紫外线，消除黄褐斑。二、黄酮类化合物的制备工艺黄酮类在植物中以游离黄酮和黄酮苷两种形式存在，溶解度差别较大，提取溶剂不同有水提法、醇提法、混合溶液提法、碱提酸沉淀法、超声提取法、超临界萃取法等。其分离的方法有沉淀法、层析法等。•（一）原料1豆类：大豆等;2水果类：山楂、葡萄柚、蔷薇果、柑桔、柠檬、红桔、樱桃、李;葡萄柚蔷薇果3蔬菜类：花茎甘蓝、洋葱、番茄;甘蓝4中草药类：杜仲、黄芩、红花、金银花、菊花、甘草、陈皮、射干、地锦、淫羊藿、蒲黄等;杜仲黄芩金银花甘草射干射干地锦淫羊藿蒲黄5其他：沙棘、茶叶、葡萄酒、蜂蜜、啤酒、咖啡等。沙棘（二）减压蒸馏法•黄酮类化合物在水中有一定溶解度，易溶于甲醇、乙醇、醋酸乙酯等有机溶剂。•用热水浸提出多糖、脂类及黄酮类化合物等可溶性成分，再用有机物溶剂进一步提纯。减压蒸馏法制备黄酮类化合物工艺流程原料→破碎→热水提取→过滤→收集滤液→醇提→静置弃沉淀→减压浓缩→浸膏NaOH水溶液淀粉、果胶、蛋白质（三）树脂柱纯化法•离子交换树脂是一种不溶性高分子物质，对溶液中的离子具有选择吸附能力;•选择适宜的树脂，极性相近的黄酮类被吸附在树脂柱内，得到富集、纯化，然后用洗脱剂洗脱出来。树脂柱纯化法制备黄酮类化合物工艺原料→破碎→石油醚回流提取→过滤→水浸泡滤渣→过滤→乙醇提取→过滤→滤液→回收乙醇→黄酮粗提液→上树脂柱→水洗→乙醇洗脱→减压浓缩→黄酮精制液→喷雾干燥→成品？脱脂？去除色素等水溶性成份大孔树脂吸附法大孔树脂吸附分离技术是以采用特殊的吸附剂从混合液中有选择地吸附其中的有效成分，除去无效成分的一种提取精制的新工艺。近年来，大孔吸附树脂法已广泛地应用于中药有效成分的分离与精制。有报道研究发现，用大孔树脂吸附法可分离黄酮，其中HZ-841大孔吸附树脂是一种大孔弱极性吸附剂，其应用是借助范德华力，从极性溶剂中吸附非极性的有机物。目前，该技术已在国内广泛用于纯化苷类、黄酮类、生物碱类成分。喷雾干燥应用于物料干燥的一种方法。于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。（四）碱提取酸沉淀法•黄酮苷类不溶于酸性水，易溶于碱性水;•采用碱液提取，再在提取液中加酸，黄酮苷类即可沉淀析出。•简便易行，如芦丁、橙皮苷、黄芩苷的提取。碱提取酸沉淀法原料→混匀煮沸→调酸度→抽滤→取残渣→水煎→抽滤→合并滤液→调酸度→抽滤→水洗→干燥→重结晶→成品碱液提取碱提物、水提物使黄酮苷沉淀Ca(OH)2水提取HCl（五）超声波提取破坏植物细胞壁，使细胞内有效成分大量溶于有机溶剂，提高提取效率。超声波提取原理在容器中加入提取溶媒（水、乙醇或其他有机溶剂等），将原料根据需要粉碎或切成颗粒状，放入提取溶媒中；容器的外壁连接换能器振子或将振子密封于不锈钢盒中投入容器中；开启超声波发生器，振子向提取溶媒中发出超声波，超声波在提取溶媒中产生的‘空化效应’和机械作用一方面可有效地破碎原料的细胞壁，使有效成分呈游离状态并溶入提取溶媒中，另一方面可加速提取溶媒的分子运动，使得提取溶媒和药材中的有效成分快速接触，相互溶合、混合。（六）超临界CO2提取在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。•研究酶法与溶剂提取相结合提取罗汉果中黄酮类化合物的工艺条件；•通过正交试验找出纤维素酶法及溶剂提取的最佳工艺条件。例酶解-溶剂法提取罗汉果中黄酮类物质罗汉果的果实和叶含有罗汉果三萜皂苷，还含有大量的果糖、黄酮类化合物、十多种人体必需氨基酸、脂肪酸、维生素C、微量元素等。酶法提取：根据植物药材细胞壁的构成，利用酶反应所具有的高度专一性等特点，选择相应的酶，将细胞壁的组成成分水解或降解，破坏细胞壁的结构，使有效成分充分暴露出来，溶解、混悬或胶溶于溶剂中，达到提取细胞内有效成分的目的的提取方法。提取工艺流程•罗汉果→粉碎、过目→一定量的原料加溶剂酶解→过滤•→一次提取物→浓缩→乙醇沉淀→石油醚萃取•→乙酸乙酯萃取→罗汉果黄酮类物质除去多糖、蛋白质等除去脂溶性色素等•对酶解温度、酶解时间、酶的浓度及pH等影响因素进行四因素三水平的正交试验。纤维酶酶解条件的正交因素表水平ABCD酶解温度/℃酶浓度/(U/mL)pH值酶解时间/min165304.950270505.280375705.5110编号ABCD得率g.100g-1)111112.010212223.610313331.942421231.323522311.470623121.148