第四章--植物化学物：营养学II

第四章植物化学物Phytochemicals第一节植物化学物概述第二节多酚类化合物第三节含硫化合物第四节皂甙类化合物⑴Phytochemicals:nonnutrientcompoundsinplant-derivedfoodsthathavebiologicalactivityinthebody(p8inNutritionconceptsandconroversies).⑵Phytochemicals:biologicallyactive,naturallyexistingsubstancesinplantsthatactasnaturaldefensesystemsinplantsandshowpotentialforreducingriskforcancerandcardiovasculardisease(p303inFood,Nutrition,&DietTherapy).第一节植物化学物概述植物含有多种低分子量的次级代谢产物(secondarymetabolites)。从广义上讲，这些次级代谢产物是生物进化过程中植物维持其与周围环境(包括紫外线)相互作用的生物活性分子。当吃植物性食品时，就会摄取到各种各样的植物次级代谢产物。过去认为并一直强调在植物性食品中它们是天然毒物并对人体健康有害，例如马铃薯和西红柿中存在的配糖碱(glycoalkaloids)、树薯中存在的氰化甙(cyanogenicglycosides)等。在过去的二十几年中，人们对多吃富含蔬菜和水果的膳食有益于健康的认识逐渐加深。植物的初级代谢产物(primarymetabolites)主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪，其主要作用是进行植物细胞的能量代谢和结构重建。而植物的次级代谢产物中除维生素外均是非营养素成分，现已把它们统称为植物化学物(phytochemicals)。植物次级代谢产物对植物本身而言具有多种功能，如保护其不受杂草、昆虫及微生物侵害，作为植物生长调节剂或形成植物色素，维系植物与其生长环境之间的相互作用等。植物次级代谢产物对健康具有有益和有害的双重作用。以前只是了解它们具有的毒性作用，其中一些还因限制营养素的利用或者增加肠壁的渗透性而被认为是“抗营养”或“有毒”的代谢物。对植物化学物有益作用的认识始于对农场动物的观察，这些家畜常常是连续几个月只喂饲单一的植物草料，然而却能正常生长和发育，这种情况与发达国家人群的膳食营养状况是无法相比的。过去一直认为各种卷心菜中存在的蛋白酶抑制剂和芥子油甙是有害于健康的，然而现在却发现它们有明显的抗氧化和抑制肿瘤的作用。天然存在的植物化学物的总数量还不清楚，但估计有60,000～100,000种。一、植物化学物的分类植物化学物可按照它们的化学结构或者功能特点进行分类。(一)类胡萝卜素是水果和蔬菜中广泛存在的植物次级代谢产物。通常将类胡萝卜素分成无氧(oxygen-free)和含氧(oxygen-containing，如叶黄素)两种类型。对人体营养有意义的大约在40～50种。根据个人膳食特点，人类血清中含有不同比例的类胡萝卜素，主要以无氧型类胡萝卜素的形式存在，如α-和β-胡萝卜素和番茄红素。(二)植物固醇(phytosterols)主要存在于植物的种籽及其油料中，如β-谷固醇(β-sitosteroI)、豆固醇(stigmasterol)和菜油固醇(campesterol)。从化学结构来看植物固醇与胆固醇的区别是前者增加了一个侧链。人每日从膳食中摄入的植物固醇为150〜400mg，但人体能吸收的只占5％左右。人们已知道植物固醇有降低胆固醇的作用，其作用机制主要是抑制胆固醇的吸收。(三)皂甙(saponins)是一类具有苦味的化合物，可与蛋白质和脂类(如胆固醇)形成复合物，在豆科植物中皂甙特别丰富。根据膳食习惯和特点，平均每日膳食摄入的皂甙约为10mg,最高可达到200mg以上。由于皂甙具有溶血的特性，一直被认为是对健康有害的，而人群试验却未能证实其危害。目前一些国家已批准将某些种类的皂甙作为食品添加剂用于饮料，如美国和加拿大将其作为泡沫稳定剂用在啤酒中，英国用在无酒精饮料(softdrinks)中。(四)芥子油甙(glucosinolates)存在于所有十字花科植物中，它们的降解产物具有典型的芥末、辣根和花椰菜的味道。借助于植物中一种特殊的酶，即葡糖硫苷酶(myrosinase)的作用，植物组织的机械性损伤可将芥子油甙转变为有实际活性的物质，即异硫氰酸盐(isothiocyanates)、硫氰酸(thiocyanates)和吲哚(indole)。当白菜加热时，其中的芥子油甙含量可减少30％～60％。人体每日从膳食中摄入芥子油甙的量大致为10～50mg，素食者每日摄入量可高达110mg。芥子油甙的代谢产物，如硫氰酸盐可在小肠完全吸收。(五)多酚(polyphenols)是所有酚类衍生物的总称，主要为酚酸(包括羟基肉桂酸)和类黄酮，后者主要存在于水果和蔬菜的外层(黄酮醇)及整粒的谷物中(木聚素lignans)。新鲜蔬菜中的多酚可高达0.1％，如莴苣外面的绿叶中多酚的含量就特别高。绿叶蔬菜中类黄酮的含量随着蔬菜的成熟而增高。户外大地蔬菜中类黄酮的含量明显高于大棚蔬菜中的含量。最常见的类黄酮是槲皮素(quercetin)，其每日摄入量大约为23mg，最近的研究表明这个剂量的类黄酮，如槲皮素对人体健康有益。(六)蛋白酶抑制剂(proteaseinhibitors)植物蛋白酶抑制剂存在于所有植物中，特别是豆类、谷类等种籽中含量更高。哺乳动物肠道中的蛋白酶抑制剂主要阻碍内源性蛋白酶(如胰蛋自酶)的活性，导致机体加强消化酶的合成反应。人类能合成一种特殊形式的胰蛋白酶。蛋白酶抑制剂与蛋白酶形成复合物，阻断酶的催化位点，从而竞争性抑制蛋白酶。蛋白酶是使一些癌症具有侵袭能力的重要因子。人体平均每日摄入的胰蛋白酶抑制剂约为295mg。(七)单萜类调料类植物中所存在的植物化学物主要是典型的食物单萜类(monoterpenes)物质，如薄荷(peppermint)中的薄荷醇(menthol)、葛缕子种籽(carawayseeds)中的香芹酮(carvone)、柑桔油(citrusoil)中的柠檬油精(limonene)。单萜类物质的每日摄入量大约为150mg。caraway：香菜，葛缕子一种伞形科的两年生欧亚大陆草本植物(葛缕子），有微细全裂的叶子和白色或粉色小花花簇。葛缕子籽的籽状果实，广泛地用作各种食物的香料和调味品。Alsocalled:Inthissense,alsocalledcarawayseed(八)植物雌激素(phyto-oestrogens)存在于植物中，可结合到哺乳动物体内雌激素受体上并能发挥类似于内源性雌激素作用的成分。异黄酮(isoflavones)和木聚素从化学结构上讲均是多酚类物质，但也属于植物雌激素。虽然植物雌激素所显示出的作用只占人体雌激素作用的0.1％，但在尿中植物雌激素的含量可比内源性雌激素高10～1000倍。依照机体内源性雌激素数量和含量的不同，植物雌激素可发挥雌激素和抗雌激素两种作用。(九)硫化物(sulphides)包括所有存在于大蒜和其它球根状植物中的有机硫化物。大蒜中的主要活性物质是氧化形式的二丙烯基二硫化物(diallyldisuIphide)，亦称蒜素(allicin)，蒜素中的基本物质是蒜苷(alliin)。当大蒜类植物的结构受损时，蒜苷在蒜氨酸酶(allinase)的作用下形成蒜素。新鲜大蒜中蒜素的含量可达4g／kg。白菜中也含有硫化物，但由于缺少蒜氨酸酶而不能形成具有生物活性的硫化物代谢产物。(十)植物凝血素(lectins)存在于大豆和谷类制品中，可能具有降低血糖的作用。除上述各种植物次级代谢产物外，还有一些植物化学物没有归属到所列分类中，例如葡萄糖二胺(glucarates)、苯酞(phthalides)、叶绿素(chlorophyll)和生育三烯酚类等。另外还有植酸也未列入前述分类中，动物试验的结果表明植酸具有调节血糖和预防肿瘤的作用，但在某些情况下植酸可影响矿物质和微量元素的吸收。二、植物化学物的生物学作用植物化学物具有多种生理作用，主要表现在以下几个方面。(一)抗癌作用癌症是发达国家的第二位重要死因，营养是与癌症危险性相关的主要外源性因素，在各种癌症类型中有三分之一与营养因素有关。一些营养因素可以促进癌症的发生，但其它的营养因素可能会降低癌症发生的危险性。蔬菜和水果中所富含的植物化学物多有防止人类癌症发生的潜在作用，大约有30余种植物化学物质在降低人群癌症发病率方面可能具有意义。欧洲一些功能性食品具有潜在的预防癌症的生物活性，目前这些国家的食品法典委员会推荐将蔬菜和水果的每日消费量增加5倍。癌症的发生是一个多阶段过程，植物化学物几乎可以在每一个阶段抑制肿瘤的发生。从不同的实验系统(离体、动物、人)可获得有关蔬菜、水果以及提取的植物化学物的抗癌作用资料。致癌物(如亚硝胺)通常是以未活化的形式被摄入体内。植物化学物(如芥子油甙、多酚、单萜类、硫化物等)通过抑制I相酶和诱导Ⅱ相酶来抑制致癌作用，如十字花科植物提取的芥子油甙的代谢物萝卜硫素(sulforaphane，属异硫氰酸盐)可活化细胞培养系统中具有去毒作用的Ⅱ相酶-苯醌还原酶(quinonereduetase)；在人体试验中，每日食用300g布鲁塞尔芽甘蓝(Brusselssprouts)可增加男性的GST活性，但对女性无作用。某些酚酸(phenolicacid)可与活化的致癌剂发生共价结合并掩盖DNA与致癌剂的结合位点，这种作用机制可抑制由DNA损伤所造成的致癌作用。现已证实植物雌激素对机体激素代谢有影响。动物试验表明，植物雌激素和芥子油甙的代谢物吲哚-3-甲醇(indole-3-carbinol)可影响雌激素的代谢。植物化学物抗癌作用的另一可能机制是调节细胞生长(增生)，如莱姆树中的单萜类可减少内源性细胞生长促进物质的形成，从而阻止对细胞增生的异常调节作用。(二)抗氧化作用癌症和心血管疾病的发病机制与反应性氧分子及自由基的存在有关。人体对这些活性物质的保护系统包括抗氧化酶系统(SOD、GSH-Px等)、内源性抗氧化物(尿酸、谷胱甘肽、α-硫辛酸、辅酶Q10等)及具有抗氧化活性的必需营养素(维生素E和维生素C等)。现已发现植物化学物，如类胡萝卜素、多酚、植物雌激素、蛋白酶抑制剂和硫化物等也具有明显的抗氧化作用。在植物源性食物的所有抗氧化物中，多酚无论在数量上还是在抗氧化作用上都是最高的。血液中低密度脂蛋白胆固醇浓度升高是动脉硬化症的主要原因，但低密度脂蛋白胆固醇只有经过氧化后才会引起动脉粥样硬化。红葡萄酒中的多酚提取物以及黄酮醇(槲皮素)在离体试验条件下与等量具有抗氧化作用的维生素相比，可更有效地保护低密度脂蛋白胆固醇不被氧化。某些种类的蔬菜对DNA氧化性损伤具有保护作用，以尿中排出的8-氧-7,8-二氢-2-脱氧鸟苷(8-oxo-7，8-dihydro-2-desoxyguanosine)作为生物标志物(biomarker)可以检测出DNA的氧化性损伤。每天食用300g布鲁塞尔芽甘蓝共3周的人群，与同样时间内每日食用300g无芥子油甙蔬菜的人群相比可明显降低DNA的氧化性损伤，这就说明并强调了植物化学物作为抗氧化剂对降低癌症发生危险性的潜在生物学作用及多吃蔬菜和水果的重要意义。(三)免疫调节作用已进行了很多有关多种类胡萝卜素对免疫系统刺激作用的动物试验和干预性研究，其结果均表明类胡萝卜素对免疫功能有调节作用。但其它植物化学物对免疫系统功能的影响较少研究。对类黄酮的研究几乎全部是在离体条件下进行的，多数研究表明类黄酮具有免疫抑制作用；而皂甙、硫化物和植酸具有增强免疫功能的作用。可以肯定类胡萝卜素及类黄酮对人体具有免疫调节作用。(四)抗微生物作用早期研究已证实球根状植物中的硫化物具有抗微生物作用。蒜素是大蒜中的硫化物，具有很强的抗微生物作用。芥子油甙的代谢物异硫氰酸盐和硫氰酸盐同样具有抗微生物活性。混合