植物甾醇的利用与资源开发研究进展

刘威良，黄艾祥

 

（云南农业大学 食品科学技术学院 云南 昆明 650201）

 

摘  要：植物甾醇又称植物固醇，是一种天然活性成分，其结构与胆固醇类似，具有重要的生理和药理活性，近年来植物甾醇被列为新资源食品得到越来越多的人关注和认可。文章介绍了植物甾醇的结构与性质、来源、生理活性、食用安全性及在医药、保健食品、化妆品、动物生产等领域的应用，并对其资源开发利用前景进行展望。   

关键词：植物甾醇；食品安全性；生理活性；开发与利用

 Research Progress of the development and utilization of Phytosterol

LIU Wei-liang，HUANG Ai-xiang

 (College of Food Science and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming ,Yunan  650201)

 

 

Abstracts：Phytosterol is also called plant sterols, it is one of natural active compound of the plant and its structure is analogy to the cholesterol, it also possess important physiological and pharmacological function，In recent years the phytosterol has been list as a new resource food by the Ministry of Public Health of China and has been attracted by more people. This paper elaborate the structure , property, resource, physiological activity, food safety and the application of the phytosterol in the area of medical, functional food, cosmetics,and animal production, also prospect the development and utilization.

Key words：Phytosterol; food safety; physiological activity; development and utilization.

植物甾醇（Plant Sterol，PS）又叫植物固醇，是植物体中一种活性成分，属三萜类化合物，结构与胆固醇类似，其在人体内不能合成，广泛存在于植物界^[1]。天然植物甾醇种类繁多，目前已鉴定出来的植物甾醇有250余种，它们主要以游离型、甾醇酯、甾基糖苷及其酰化物等形式存在^{[2, 3]}。研究表明^[4-10]植物甾醇具有降胆固醇、抗炎、抗肿瘤、免疫调节、抗糖尿病、中枢镇静、维持机体内环境稳态和调节调节应激反应等重要的生理和药理功能，Rupert F. Witzmann 博士称其为“生命的钥匙”。

近年来，随着油脂科学与工程技术、生命科学等前沿学科及其研究手段的飞速发展，植物甾醇资源的利用和开发得到了广泛的关注^[11]。本文对植物甾醇的来源、结构与性质、生理功能和药理活性、食用安全性评价及其在保健食品、医药、化妆品、动物生产等领域的应用研究概况进行综述，并对其资源利用和开发前景进行展望。

1 来源

甾醇根据来源不同分为动物甾醇、菌类甾醇和植物甾醇三大类别，其中植物甾醇是植物中一大类活性成分的总称，主要包括游离型和酯化型两种,主要成分为 β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇、燕麦甾醇等^[12]。植物甾醇广泛分布于植物的根、茎、叶、果实和种子中，种类不同其含量组成有所差异。另外一些中草药植物如杜仲、火麻仁、女贞子、骨碎补等甾醇含量也很丰富^[13]。

甾醇不能在人体内合成，唯一来源是从食物中获取，膳食中的植物油如玉米胚芽油、大豆油等是植物甾醇的主要来源，其次为果蔬和谷物^{[14, 15]}。有研究报道指出西方国家膳食中植物固醇的总摄入量大约为 146~406 mg/d，我国居民膳食中平均植物甾醇摄入量约为 322mg/d ^[16-18]。研究表明植物的甾醇提取物能有效降低胆固醇，发挥着重要的生理功能，这推动着人们对植物甾醇类功能产品的开发和资源的合理利用^[19]。

2 结构与理化性质

2.1 结构

19世纪中叶年人们首次用“phytosterol”一词来描述植物来源的甾醇，它是3位羟基的甾体化合物，以环戊烷并多氢菲结构为母核^[20]。植物甾醇种类较多，甾醇的双键被饱和后称为甾烷醇，酯化后称为甾醇酯，人们常说结构决定功能，化学键的变化导致功能也随之改变，但对甾醇物质来说是个例外，化学键的变化并未影响其原有生理活性，甚至还有一定增强作用^{[21, 22]}。

现已确认的植物甾醇中，其中以 β-谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇为主，这些甾醇的结构和胆甾醇结构十分相似，都属于4-无甲基甾醇，区别在于双键数目与支链大小不同^[23-25]。

2.2 性质

2.2.1 一般理化性质

常温状态下植物甾醇混合物一般呈片状或粉末状白色固体，溶剂结晶处理后为针状晶体或白色鳞片状^[26]。植物甾醇无臭无味，熔点较高可达130-170℃，比重略大于水，不溶于水、碱和酸，微溶于丙酮和乙醇，可溶于乙醚、苯、氯仿、石油醚等有机溶剂^[27]。

植物甾醇的化学性质主要表现在活性的羟基和双键上，以及C17位上的烃链基团及构型也使各种甾醇的性质在某些方面出现差异，例如甾醇能被氧化生成酮，在高温条件下发生分解和升华；又如甾醇是构成细胞膜的成分之一，具有疏水性同时还含有亲水性基团（羟基），因此具有良好的乳化性能，用途广泛，同时这种两亲特征也使得其具有调控膜流动性的能力，对细胞膜起到很好的支撑作用^[28-30]。

2.2.2 颜色反应

植物甾醇一个化学特性是它与硫酸或其他强酸作用，可产生颜色反应，其原理大致是脱水后与碳正离子成盐，如将甾醇样品溶于乙酸酐后，滴加少许浓硫酸溶液呈现黄绿色；将甾醇样品用氯仿溶解，然后缓慢加入浓硫酸一滴，液面交界处可观察到玫瑰红色；将甾醇用乙酸溶解后，加入三氯化铁-乙酸酐-浓硫酸，亦会显色，甾醇不同所显颜色亦不同^{[31, 32]}。

植物甾醇的另一个化学性质为它对毛地黄皂苷敏感，有研究资料显示^{[33, 34]}，一分子甾醇和一分子毛地黄皂苷作用可生成甾醇-毛地黄皂苷特异性络合物，一种白色沉淀物，甾醇还可以与一些碱土元素、尿素等发生络合反应。综上可知，人们通常采用以上方法对甾醇样品进行粗略的定性和定量分析。

2.2.3 抗氧化性

有研究表明^{[29, 35]}，由于植物甾醇结构的特殊性，赋予甾醇良好的抗腐败、抗氧化效果，如米糠甾醇阿魏酸酯和生育酚、丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚联用，可提高后者的抗氧化能力至5-10倍。研究还表明^[36]，甾醇与甘氨酸合用后可使油脂自动氧化的诱导期延长。由此可知植物甾醇可以作为一种良好的食品添加剂用于食品保鲜，延长货物的贮藏期。

3.生理功能与药理活性

植物甾醇作为一种重要的天然甾体化合物，具有广泛的生理功能和药理作用，最引人注目的是其拮抗胆固醇的效果显著。随着对其深入研究其他功能方面的作用逐渐被人们所熟识，挖掘新的潜在的药理活性将是生物学家、化学家共同追求的主题。

3.1 生理功能

3.1.1 调节生物膜代谢及组织生长功能

研究表明^[37]动植物中都有甾醇存在，胆固醇是动物细胞膜的主要成分，植物甾醇是植物细胞膜的主要组分，胆固醇和植物甾醇结构类似，两者都能调节细胞膜的流动性、稳定膜结构、增加膜对外界温度的适应度，两者区别仅在于侧链基团的差异，也正由于这细微的差别造成各自在生理功能有所迥异。

研究表明^{[38, 39]}植物甾醇主要分布于植物种子和种子油中，它在新细胞和新组织生长发展过程中发挥着重要作用，例如植物甾醇中的菜籽甾醇是合成植物生长激素的前体物质；另外植物种子胚发育时，植物甾醇的合成量也与之具增，种子成熟后，其合成量逐步减少。研究还表明^[40-42]，植物生长激素和 β-谷甾醇等植物甾醇在生物体内与分子膜的脂质结合，形成植物激素-植物甾醇-核糖蛋白复合体，它可激活脱氧核糖核酸转录生成新的蛋白合成，可增强原有植物激素对动物体温、环境温度和体内分解的稳定性，影响激素-受体-靶基因的调控方式，进而起到调节生长和相应的生物效应。

3.1.2 降低胆固醇功能

众所周知血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）含量升高是引发冠心病的罪魁祸首，目前降低其水平的方法，大多是依赖药物为主辅以合理的饮食搭配，若单纯借助食物中植物甾醇的力量来解决此问题，无疑受到广大患者们的推崇^[43]。早在1953年国外学者Pollak研究发现 β-谷甾醇可以用来治疗高胆固醇血症。随着研究的不断深入，人们发现植物甾醇可能与胆固醇竞争结合位点、抑制胆固醇吸收、对抗胆固醇溶于胆汁酸等作用机制有关，但具体的体内作用途径还不明确，有待进一步探究^[44]。

Seppo L等研究表明^[45]，每日从食物中摄入 2g的植物甾醇，可降低约10%浓度的LDL-C，胆固醇的吸收率与血清中胆固醇含量，随着植物甾醇摄入的增加随之减少。国内学者金志红^[46]，将植物甾醇掺入奶牛饲料中，考察其对奶牛血浆总胆固醇（TC）及血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）的影响，结果发现植物甾醇可有效降低两者的含量。贾代汉等^[47]通过研究往肉仔鸡饲料中添加20mg/kg剂量的植物甾醇对肉仔鸡血清总胆固醇（TC）的影响，结果表明植物甾醇在此剂量下可显著性降低血清TC的含量。

 3.1.3 雌激素样功能

研究表明^[48]植物甾醇结构上与雌激素荷尔蒙（Hormone）相似，这对预防乳腺疾病和前列腺疾病有很好的作用。研究还表明^[49]植物甾醇具有一定雌激素样功能，可以调节体内甾体激素且无激素的副作用。

Malini和Ling 研究证明^{[50, 51]} β-谷甾醇对子宫内物质代谢有类激素样作用。有研究表明^[52] β-谷甾醇可调节鱼的血浆性类固醇激素、体外性腺类固醇和胆固醇水平。研究表明^[53]长期在水貂饲料中添加 β-谷甾醇可减少雌性的不孕数目，且明显增加成功再生的数量。此外，植物甾醇还可激发甲状腺功能活动，使血清中总三碘甲腺原氨酸与游离态三碘甲腺原氨酸、总甲状腺素水平明显升高^[54]。

3.2 药理活性

3.2.1 抗炎

研究表明^[55] β-谷甾醇功能类似于氢化可的松和羟基保泰松，具有较强的抗炎效果。研究发现^[56] β-谷甾醇还具有类似于临床常用药物阿司匹林的抗炎作用，且服用量高300mg/kg 时也不会出现像阿司匹林这些抗炎药物致胃溃疡的副作用，表明其副作用极低。

Valerio等研究表明^[57]，b-谷甾醇能作用于脂多糖（LPS）诱导的J774A1巨噬细胞，可提高抗炎因子IL-10的活性，减小趋化因子和促炎因子活性，同时增强酪氨酸磷酸酶（SHP-1）活性，抑制核转录因子（NF-κB）迁移。2013年，Liz等研究证实^[58]，β-谷甾醇促进细胞钙的摄取，抑制髓过氧化物酶、腺苷脱氨酶的活性，抑制IL-1β 、TNF-α 的水平，发挥抗炎作用。

3.2.2 抗肿瘤

研究证明^[59-61]，植物甾醇对机体某些癌症的发生和发展有一定抑制作用，如乳腺癌、胃癌、肠癌等。临床研究表明 β-谷甾醇还有抗宫颈癌作用，通过化学处理制成抗癌栓剂，其毒副作用小、效果显著且容易获得^[62]。

Mendilaharsu等^[63]通过研究临床病例对照，结果发现摄入适量的植物甾醇可以降低肺癌的发生率。Ifere等研究报道^[64]，植物甾醇具有抑制前列腺肿瘤细胞增殖的作用。Awad等^[60]研究发现，b-谷甾醇能渗入细胞膜中并改变膜流动性，抑制对雄性激素敏感的人前列腺癌细胞增殖，诱导癌细胞凋亡且提高凋亡速率。Kassen等^[65]通过研究 β-谷甾醇加入人前列腺癌细胞培养液后的作用效果，结果发现其可激活蛋白激酶-a（PKC-a）和转化生长因子-b（TGF-b）信号通路，抑制癌细胞的生长。

3.2.3 抗糖尿病

Ivorra等^[66]通过研究 β-谷甾醇及其葡萄糖苷对口服糖耐量实验中空腹血浆胰岛素和血糖的影响，结果发现它们均能降低空腹血糖与提高空腹血浆胰岛素水平，且后者强于前者。Gupta R等^[67]通过研究灌胃不同剂量 β-谷甾醇对链霉素诱导的糖尿病大鼠模型的影响，结果发现 β-谷甾醇不仅提高了胰腺细胞胰岛素和抗氧化剂量，而且可以降低糖化血红蛋白、一氧化氮和血糖水平。

更耐人寻味的研究发现是^[9]，β-谷甾醇可以促进脂肪细胞对葡萄糖的吸收，影响脂肪的分解与合成，且这种独特的作用几乎不受胰岛素和肾上腺素的干预。

3.2.4 中枢神经系统

由于植物甾醇脂溶性较好，可以透过血脑屏障发挥重要的药理作用，例如菜油甾醇能抑制1-甲基-4-苯基吡啶对神经元细胞PC12的毒害作用，起到很好的脑保护作用^[68]。

Aguirre-Hernandez等^[69]研究发现，从美洲椴树中分离提取出 b-谷甾醇，其具有明显的抗焦虑和抗惊厥作用, 其作用机制可能与GABA/BDZR有关，实验有待进一步一研究。有研究表明^[70]， b-谷甾醇还可以预防一些神经退行性疾病如阿尔茨海默症（AD）、帕金森症（PD）等的发生

4食用安全性评价

大量文献研究表明天然植物甾醇的安全性非常高，常规剂量范围内，长期饲喂老鼠及其临床试验中，并未发现严重的毒副作用^[71]。Kim等^[72]以SD大鼠为对象，通过长达13周的慢性毒理学实验，观察研究植物甾醇对大鼠的影响，结果显示植物甾醇没有毒害作用各项指标“均无显著负效果差异”。Hepburn等^[73]通过将植物甾醇酯加入饲料中，喂食老鼠，最高饲喂量可达每日3.9g/kg，连续饲喂13周观察对老鼠的影响，结果显示并未出现相关毒副作用。

Weststrate等^[74]研究表明，成人每日摄入植物甾醇8.6g并未影响到人体的正常代谢功能，也未影响到肠道菌群的稳态和代谢活性。许多权威机构如欧盟的食品科学委员会（SCF）、美国的食品及药物管理局（FDA）等均发表过相关健康声明，证实植物甾醇类食品是安全的^[11]。

5.应用

基于大量实验研究证明^[75]，植物甾醇以其独特的生物学和理化性质对人体表现出诸多功效，又因其本身安全无毒，植物甾醇资源现已被保健食品、医药、化妆品、动物生产等领域所利用，其开发空间有待进一步拓展。

5.1保健食品领域中的利用

植物甾醇在保健食品领域的应用趋向主要是作为预防心血管疾病的功能性成分，自从l995年芬兰Raisio公司首次推出含植物甾醇酯的人造奶油功能食品“Benecol”以来，相继有“TakeControl”和“Phytrol ^TM”等产品问世，在欧洲、美国和加拿大等地利用“Phytrol ^TM”等进行的临床试验一致证明这些产品可以降低胆固醇^[76]。美国P &G 公司和日本Kao公司分别推出添加植物甾醇酯的烹调油，添加量为5 %左右^[77]。1999年美国FDA批准植物甾醇可用于人造奶油制品中，作为降低血中胆固醇的保健食品，除了添加在人造黄油中外还出现在片剂里，主要以咀嚼片形式呈现给消费者，如美国NFLI公司生产的商品名为“Kholesterol Blocker”的咀嚼片，每片含植物甾醇约为400mg，能量却仅有5卡路里 ^{[78, 79]}。

国内学者李晓光等^[80]通过往蛋白饮品中添加一定比例植物甾醇酯，最终研制出一种可降低血清胆固醇的功能性饮料。随着人们对健康产品消费理念的转变，含植物甾醇的功能食品研发方向逐步从高能量向低脂健康过渡，产品类型多样有甜点、饮料、烹饪油、酱汁等。

5.2医药领域中的利用

植物固醇能合成甾体激素，用于调节水、盐、糖和蛋白的代谢，并用于甾体类药物如口服避孕药、抗高血压药等的制作^[81]。临床医学上植物甾醇主要用于治疗动脉粥样硬化和高胆固醇症，还可辅助治疗前列腺炎、宫颈炎、外阴白斑、支气管哮喘和慢性气管炎等疾病^[82]。

5.3 化妆品领域的利用

研究已表明植物甾醇可以调控反向膜流动性，具有良好且稳定的乳化性能，如今美国、日本等国家已将其用于洗发护发品、护肤品、沐浴用品等。国内学者钟建华等指出^[24]，b-谷甾醇可以改善皮肤触感，预防和抑制鸡眼的形成，还能防止皮肤干燥和角质化如手掌、脚心、膝等部位。有报道指出^[29]，b-谷甾醇渗透性颇高，能够预防皮肤衰老、保湿、抑制皮肤炎症、抵抗红斑，作为一种皮肤营养剂添加于化妆品中。

此外，植物甾醇还可使头发不易断裂、韧性增加、减少静电作用、保护头皮，作为一种护理剂用于洗发露中。

5. 动物生产中的利用

研究表明^[83]，植物甾醇在生物体内能合成一种植物甾醇核糖核蛋白，能促进动物性蛋白的合成，构成一种新型的动物生长调节剂，广泛用于动物生产中，如将其添加到猪的饲料中并喂食，除能提高猪的生产性能外，猪的肉质、口味、色泽也得到明显改善，这也与其具有良好的抗氧化功效密不可分。研究还表明^[84]，将植物甾醇添加至鱼、虾、鸭、鸡等生物饲料中并长期喂食，不仅其肉质的胆固醇含量得到降低，还能增加食用者们的食欲。

另外，有研究表明，植物甾醇及其衍生物可以用于杀虫剂中，很好的防控如夜蛾等一些植食性害虫^{[85, 86]}。

6.展望

植物甾醇研究开发在国外得到迅速发展，各种新产品不断问世，而我国在该领域的开发相对滞后。2010年，中国卫生部将植物甾醇及植物甾醇酯列为新资源食品，我国又有着丰富的油料、木浆下脚料及中草药等植物甾醇资源，且当前植物甾醇类保健品深受广大消费者喜爱，因此其开发前景非常广阔。

植物甾醇及其制品在防控心血管疾病、拮抗胆固醇等方面均表现出了良好的作用，目前已研发出多种含有植物甾醇的保健食品，但其降胆固醇、抗肿瘤、中枢镇静等方面的作用机理并未系统阐明，有待进一步研究。随着分子生物学、油脂科学与先进工程技术手段的迅猛发展，寻找植物甾醇新的功能活性将是广大科研工作者们努力奋斗的方向，这将为高附加值植物甾醇类药品及其保健品开发提供有力的科学依据。

综上所述，植物甾醇是人们膳食中不可或缺的营养成分，具有多种生理和药理功能，能够通过多靶点、多途径作用于机体，应将其保健功能和产品有效结合，高效合理利用植物甾醇资源。随着大健康产业的逐步发展，国民对健康品质的追求，相信植物甾醇会得到更多人的关注，带动相关产业向前发展。

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