植酸

燕山大学生物化工技术进展论文植酸学院（系）：环境与化学工程学院年级专业：生物卓工姓名：指导教师：植酸一、植酸的简介植酸(phyticacid)是维生素B的一种，学名为环己六醇-六磷酸酯，又名肌醇六磷酸酯，于1872年首先由Pfeffer发现，至今已有100多年的历史，是自然界中普遍存在的较为重要的天然物质。广泛存在于豆类、谷类、干果、蔬菜和水果等植物中，尤其在种子中含量最高，主要以磷酸盐和肌醇的形式贮存，几乎不以游离形式贮存。通常与二价或三价阳离子如Ca2+、Mg2+、Mn2+等离子先形成盐，然后再与蛋白质形成具有单层的泡状小球，这些泡状小球进一步聚集为更大体积的球状体，这些球状体是植酸在生物体中主要的沉积形式。二、植酸的结构及理化性质植酸是一种淡黄色或褐色浆状液体，分子式C6H18O24P6,分子量660.08。植酸的分子式如图1。图2植酸的结构1912年Anderson就提出了植酸为对肌醇正六磷酸酯结构的理论，此理论直到1969年才被Jonson和Tale研究证实。光谱分析其分子构象为六碳环，具有不对称性，其分子结构中含有六个磷酸酯、十二个羟基，其中有4个弱酸性基、2个中酸性基、6个强酸性基，具有很强的螯合能力，1g植酸分子大约可以螯合500mg铁离子。植酸具有的理化特性:植酸易溶于乙醇和水，难溶于无水乙醚、氯仿和苯。植酸为淡黄色或褐色糖浆状液体。水溶液为强酸性，1.3%溶液的pH值为0.40，0.7%时为1.70，0.13%时为2.26，0.013%时为3.20，具有调节pH值及缓冲作用。植酸受热会分解，但120℃以下短时间内受热是稳定的。植酸对光也很稳定，但对微生物不稳定，植酸酶可将其分解成肌醇和磷酸，对酵母很敏感，易被其发酵破坏。植酸与乙二胺四乙酸一样具有较强的螯合能力，但与乙二胺四乙酸比较其特点是，在很宽的pH值范围内都具有螯合能力，其螯合作用的强弱，与螯合的金属离子类型有关。通常在酸性、中性条件下其螯合作用较强。植酸的半致死剂量为LD50=4.2g/kg，与食盐的4.0g/kg比，安全性较高可以作为食品添加剂使用。人类每天从食物中摄取植酸的金属盐（菲汀），在体内被水解成肌醇的单至三磷酸酯，作为磷脂质的重要构成部分在重要脏器，如肝、肾、脑、目、生殖器里大量存在，起着重要的生理作用。三、植酸在生物体内的生理功能1、植酸在植物体内的生理功能在植物的生长发育过程中植酸有着重要作用。在植物体内与Mg、Ca、Mn、Fe、Ba、Zn等离子结合形成植酸盐，在种子的发育和成熟过程中逐渐积累，为植物生长提供能量，促进种子萌发。在种子萌发时，体内的植酸酶将植酸盐解离，结合的金属离子被释放，以满足种子在萌发过程中各项代谢活动的需要以及种子中无机磷的水平。关于植酸参与了细胞内的ATP合成、信号转导、DNA损伤修复及RNA转运等过程也有相关报道。近来研究表明，植酸在物质的运输过程中可起媒介作用。植酸的不完全水解产物如肌醇三磷酸在动植物细胞内信号转导的作用以及在细胞内可作为次级信使传送已成为当今热门的研究课题之一。2、植酸在动物体内的生理功能大量实验发现植酸可抑制脲酸的氧化与红细胞膜脂的过氧化作用，二者均为叔丁基过氧化氢(TBHP)所催化和诱导。植酸与体内Fe2+形成螯合物，减少了Fe2+媒介氧，从而抑制了羟基自由基的产生，导致羟基自由基诱导的脱氧核糖的降解被抑制。应用阻抗技术对血液进行体外实验，研究植酸对ATP释放和血小板聚集的影响，结果表明，植酸可大大降低血小板的聚集，且剂量对其有一定的影响。植酸通过调节细胞信号转导抑制细胞增殖和分化，还会引起恶性细胞向正常表型逆转。植酸通过调整CDKI-CDK-cyclin这一复合体从而干预细胞周期的机制。CDK-cyclin中激酶的活性被抑制，导致Rb蛋白低磷酸化，进而增加了转录因子E2E的非活化状态，抑制S期相关的基因的转录，从而使细胞周期停滞于G期，促进了细胞的凋亡。植酸有利于氧合血红蛋白中氧的释放，改善血红细胞的功能，使血红细胞生存期延长，从而促进了O2的输送和提高了排放CO2的能力。3、植酸在微生物生长中的生理功能在微生物生长的过程中，一些微生物如霉菌、酵母等具有分泌植酸酶的功能，在细胞分裂生长的过程中植酸酶不断地分泌和积累，植酸被分解成磷酸和肌醇，而在微生物生长繁殖过程中磷酸和肌醇具有不可替代的作用，在微生物发酵过程中体内的酶系能够被肌醇激活，增加产物生成量。磷酸是磷脂和核酸的成分，可以形成多磷化合物和一些酶的活性基，磷进入细胞后迅速被同化为有机磷化合物，同时形成ATP、ADP等，用于调节微生物生长和发酵过程中的能量代谢。植酸还是一种非离子的表面活性剂，在细胞膜的表面累积，可以改善细胞膜的通透性及物质传递性，从而使菌体繁殖速度加快，进而使营养物质消耗加快及促进产物的生成和分泌。丁筑红等研究不同浓度的植酸对根霉、汉逊酵母、总状毛霉在培养过程中生长状况的影响发现，植酸在低浓度范围内对几株菌的生长表现为前期有一定的抑制，而中后期则明显地促进生长，植酸浓度增加导致微生物的生长受阻甚至完全抑制。在研究植酸对白菜乳酸发酵过程的影响中表明，添加植酸会对微生物的生长繁殖产生明显影响。植酸对发酵前期杂菌的生长有抑制作用，而对后期优势菌群的菌体生长繁殖有促进作用。四、植酸的用途植酸是一种重要的有机磷系添加剂，具有独特的生理功能和化学性质，在食品、医药、日用化工、金属加工、纺织工业、高分子工业以及塑料加工工业等方面具有广泛的应用。1、在食品工业中的应用在食品工业中，由于植酸具有很好的抗氧化性，且安全无毒，因此被广泛用作食品保鲜剂和防腐剂，以延长食品的保鲜和保质期。植酸能使许多可促进氧化作用的金属离子被鳌合而失去活性，同时还释放出氢，破坏分解油脂在自动氧化过程中产生的过氧化物，使之不能继续形成醛酮等产物。将少量的植酸添加到植物油中即可抑制油脂的氧化及酸败。在面包、色拉等食品中加入一定量的植酸，食品中合成色素和天然色素的稳定性大大增强，避免油脂氧化，色、香、味可以保持时间较长且营养不变；将鲜果和蔬菜经过植酸处理，可大大延长期保鲜期。将植酸加入酱制品中不仅可保持色泽，而且可避免因使用硝酸盐对人体产生危害。另外，利用植酸的螫合性，可去除酒类、软饮料中金属离子，增加爽口感。2、在医药工业中的应用在医药工业中，植酸具有抗氧化性，可作为维生素的稳定剂，是合成综合维生素的主要原料。植酸钙中含有机磷和钙等容易被人体吸收，可用于治疗钙缺乏、佝偻病、骨疾等症状，并能改善细胞营养、有利于人体新陈代谢。植酸可以抑制自由基的生成，可促进机体内脂肪代谢，降低血脂，抑制胆固醇的生成，可制成抗动脉硬化药，对治疗肾、肝以及CCl4中毒等有很好的疗效。植酸的钠盐和铋盐可治疗十二指肠溃疡、胃炎、腹泻等疾病。在庆大霉素和其他抗菌素的生产中，添加植酸作为发酵的促进剂、防变色剂，可以增大其产量。植酸还可用作有毒重金属铅、汞等的解毒剂，用于治疗重金属中毒症。3、在日化用品中的应用添加植酸的牙膏，可清除牙齿及牙龈表面的积垢，消除抽烟所形成的牙斑，保持长时间的口腔清爽。植酸和洗发液中其它成份配伍，可以调节皮肤的酸碱度，螯合皮肤中微量存在的水分，防止头发干枯，还可以洗脱皮肤及头发上的微量金属，消除静电，使头发更飘逸柔软。将植酸添加到沐浴露中既可以调节皮肤的酸碱度还可以保持皮肤的水分，去除皮肤上的角质层，去除皮肤瘙痒和异味，使皮肤更富有光泽，减少一些痘类等皮肤病的发生。在清洗剂中添加植酸，清洗水果和蔬菜，不仅可以去除表面的农药残留还可以保鲜。经植酸清洗过的肉类可以延长其存放期。4、在纺织工业中的应用在纺织工业中，利用植酸可以防止纺织物的皱纹产生、可以防止纺织物产生静电以及作为丝绸、棉、聚酯织物的阻燃剂，且具有良好的保水性能。高分子聚合物中植酸能起到催化固化的作用，可以防止自聚结块。由于植酸具有抗静电的能力，可以大大提高烯烃聚合物的透明度。例如在制备聚氨酯过程中，加入一定量的植酸可以提高其固化的速度，提高其产品质量。目前广泛用于塑料、纺织物等的抗静电添加剂就是由植酸的季铵盐制得，是一种重要的表面活性剂。五、植酸败质效应植酸是一种重要的败质因子(antniurtitionalafctor)，它与蛋白酶抑制剂、蚕豆素、单宁、外源凝集素、甲状腺致肿素、生氰化合物及菜籽中硫普、棉籽中棉酚等天然抗营养物质一样，会影响人体或动物对粮油食品与饲料中矿质元素和蛋白质的消化，吸收及利用。1、降低Ca、Zn、Fe等矿质元素溶解度植酸分子结构决定其具有极强鳌合化‘学特性。其在很宽的PH值范围内均带负电荷(pH3一4时尤甚)，能与带正电荷的Mg2+、Fe2+、Cd2+等许多二价或多价金属离子鳌合形成溶解度很低络合物，称之为植酸盐。这些难溶性植酸盐络合物，是植酸在粮油籽粒中主要存在方式。它们的形成使上述金属离子不易为人或单胃动物所利用，极大地降低了食物中矿质元素生物效能，其中Ca、Zn等必需矿质元素的生物学有效性平均只有34%与42%，导致幼儿易患拘楼病，成人体内易出现“钙质负平衡”现象，即钙质的排出量大于摄入量，而畜禽动物表现出厌食、消瘦、生长机能衰退、蛋白质吸收能力降低等缺锌症状(Anjuo，1978;Erdmna，1979)。许多研究指出，世界上不少地方的矿物质缺乏病常常与摄食植酸过多的植物有密切关系。二次大战期间，英国因缺粮，曾规定供应出粉率达100%的全麦粉面包，结果三年后约有一半的幼儿患拘楼病，当改为供应出粉率85%面粉后，问题才得以改善。印度学者研究显示，稻米加工精度与人体钙质利用率之间存有一密切关系，食用加工精度过低糙米时，人体易出现缺钙症。2、降低蛋白质生物效价与消化率植酸也能有效地与蛋臼质分子形成鳌合物。在低于蛋白质等电点pH介质的酸性条件下，蛋白质带正电，植酸带负电两者可生成植酸一蛋白二元复合物。而在高于蛋白质等电点pH介质的碱性条件下，蛋白质和植酸都带负电能以上述金属阳离子为桥生成植酸一金属阳离子一蛋白质三元复合物。这些复合物形成不仅使蛋白质可溶性明显下降而且大大降低粮油食品中蛋白质生物效价与消化率，影响蛋白质的功能特性。更应值得重视的是，植酸及其不完全水解产物还能抑制蛋白质、淀粉水解酶和脂肪酶等一系列水解消化酶活性，会严重影响动物的正常代谢与生殖能力。稻谷淳一等从SDS-PAGE凝胶电泳图上发现经胃蛋白酶消化的B酪蛋白酶的消化性受到植酸浓度的明显影响，而且大豆.蛋白质S7球蛋白的消化也受到显著抑制。吴新糖等报道，如果菜籽粕中植酸含量高于其蛋白质的9.2-9.5%时，则孕鼠表现出生殖机能衰退观象，分娩前体重明显减轻。3、降低磷素有效利用率磷是参与人或动物体内重要生理活动的一种必需矿质元素。它不仅为核酸与核蛋白的组成成份，而且也是磷脂重要组份。磷在细胞分裂，遗传信息传递、生物膜形成及能量代谢中具有重要功能。植酸(肌醇六磷酸)中含有大量的有机磷。它是粮油籽粒中磷的主要贮备形态。一些植物生理学者研究证实，油菜籽在成熟过程中，叶和根将磷酸都转移到籽粒内。同位素示踪结果进一步显示，转移的绝大部分磷最后发现在植酸内，并以植酸磷的形态贮藏在细胞质的球状蛋白体中。由于植酸中的磷酸基团与金属离子或蛋白质分子鳌合在一起形成植酸磷，从而极难被非反邹动物所消化利用，导致磷的生物学有效性平均只有23%。许多研究表明，在各类油料饼粕中大约有60-70%磷由于结合在植酸及相应的盐形式中，而难以为畜禽利用。同样在谷物籽实中则有高达75-88%磷也因上述原因不能被人体所利用。六、植酸的提取、分离与纯化1、植酸的提取目前植酸提取方法主要有化学合成法、微生物发酵法、溶剂萃取法三种。（1）化学合成法：该法是以肌醇和磷酸为原料，经化学反应制得植酸。该法虽然可行，但工业上的肌醇多是以植酸为原料生产得来，且操作麻烦，成本较高，所以基本无工业意义。（2）微生物发酵法：William在1971年发现了粗糙链孢霉(NeurosporaCrassa)肌醇缺陷型突变株能分泌产生植酸及植酸的异构体，同时还证明该突变株缺乏植酸酶，为游离肌醇的酶系。从土壤中筛选微生物寻找所需的菌种，然后用诱变剂处理筛选出的菌种，选