趙亞民,張麗靜,傅 華
(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730020)
維生素E是一類脂溶性維生素。室溫下,生育酚和生育三烯酚是透明、淡黃色黏稠物質(zhì),無(wú)臭無(wú)味,不溶于水但易溶于非極性溶劑。1922年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)未知、與飲食有關(guān)的因子是實(shí)驗(yàn)室小白鼠正常繁殖所必需的脂溶性成分[1]。1924年,這個(gè)未知因子被命名為維生素E。 1936年,α-生育酚從小麥胚芽油中被分離出來(lái),并且其化學(xué)結(jié)構(gòu)式(C29H50O2)也被確立[2]。1937年,β-、γ-生育酚相繼被分離出來(lái)[3-4],并且發(fā)現(xiàn)它們的活性都比α-生育酚低。1947年,δ-生育酚被報(bào)道從大豆油中分離出來(lái)[5]。植物油中的一些成分由于和α-生育酚具有類似的活性,而被認(rèn)為是其他種生育酚[5-9]。后來(lái)發(fā)現(xiàn)這些成分在其化學(xué)結(jié)構(gòu)中支鏈上含有不飽和鍵,這類生育酚被命名為生育三烯酚[6-7]。天然維生素E包括生育酚和生育三烯酚兩類,因甲基數(shù)目和位置不同,又各有α、β、γ、δ四種類型,活性各異(圖1)。生育酚和生育三烯酚都是由一個(gè)疏水側(cè)鏈和一個(gè)芳香環(huán)的極性頭部組成,具有相似的基本結(jié)構(gòu)式[8]。
圖1 生育酚和生育三烯酚結(jié)構(gòu)式
生育酚和生育三烯酚存在于所有谷物、種子、堅(jiān)果、植物油、水果、肉類、魚類、奶類以及蛋類中[10],并廣泛存在于植物葉片中,葉子中一般以α-生育酚為主,種子中則以γ-生育酚為主[11]。生育酚和生育三烯酚在無(wú)氧或者抗氧化劑存在的條件下,對(duì)熱、酸、堿穩(wěn)定,對(duì)可見(jiàn)光穩(wěn)定,但可以被紫外光破壞[12]。
維生素E是一種有效的天然抗氧化劑。植物油中含量最豐富的天然抗氧化物質(zhì)就是α-和δ-生育酚,生育酚和生育三烯酚能夠抑制食物中的脂質(zhì)氧化。維生素E具有抗氧化活性是由于其結(jié)構(gòu)中酚羥基的存在,從而減慢了脂質(zhì)氧化的進(jìn)程[13]。最初以為羥基的貢獻(xiàn)能力是按照α>β>γ>δ的順序進(jìn)行的[14],但后來(lái)發(fā)現(xiàn)不同的脂質(zhì)模型系統(tǒng),不同的氧化條件以及操作方法都能影響生育酚和生育三烯酚在體外的抗氧化活性。
本研究對(duì)生育酚和生育三烯酚的抗氧化機(jī)理進(jìn)行描述,并結(jié)合其在動(dòng)物生產(chǎn)、食品中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié),以期對(duì)維生素E取得進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。
維生素E由于酚羥基的存在,具有較強(qiáng)的抗氧化作用,人們推測(cè)維生素E的抗病機(jī)制與其抗氧化性能有關(guān)。色滿環(huán)上的羥基作為活性基團(tuán),能夠釋放其羥基上的活潑氫,捕獲自由基,從而阻斷自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),起到預(yù)防或減輕細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化損傷和防止油脂氧化的作用[15-17]。大量實(shí)驗(yàn)和臨床研究報(bào)告表明,維生素E具有抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、提高機(jī)體免疫力等功能,是人類營(yíng)養(yǎng)的必需成分[18-19],維生素E已被許多國(guó)家的藥典收錄。
自動(dòng)氧化是食用油脂和油基食品品質(zhì)劣變的最主要原因,脂類的自動(dòng)氧化極為復(fù)雜,從理論上講,它是一個(gè)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。有一些事實(shí)可以證明這個(gè)結(jié)論[20]:(1)不飽和脂肪酸自動(dòng)氧化產(chǎn)物是氫過(guò)氧化物;(2)自由基的清除劑能阻止或延緩脂類的自動(dòng)氧化;(3)90%以上的亞油酸自動(dòng)氧化產(chǎn)物共軛化了,且其中一個(gè)雙鍵變成了反式;(4)電子旋轉(zhuǎn)共振光譜儀(ESR)能直接測(cè)出自動(dòng)氧化過(guò)程中自由基的存在。經(jīng)研究總結(jié),證明此反應(yīng)有下列3個(gè)反應(yīng)階段:
誘導(dǎo) RH→R·+H·
①
傳播 R·+O2→ROO·
②
ROO·+RH→ROOH+R·
③
ROOH→RO·+HO·
④
RO·+RH→ROH+R·
⑤
RH+R·→H2O+R·
⑥
終止 R·+R·→RR
⑦
ROO·+R·→ROOR
⑧
ROO·+ROO·→ROOR+O2
⑨
式中,RH為油脂中所含的不飽和組分,H為雙鍵兩側(cè)與碳原子結(jié)合的氫原子,受氧攻擊脫落形成R·(脂質(zhì)自由基),開始油脂的自動(dòng)氧化反應(yīng)。基于油脂自動(dòng)氧化的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),維生素E芳香環(huán)上的羥基可以提供氫原子,與ROO·(過(guò)氧自由基)結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物[12,21],從而可以消除自由基,阻斷此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
Shi和Pan[22]用量子化學(xué)方法證明天然維生素E抗氧化作用機(jī)制有2種類型:一種是通過(guò)釋放活潑氫與ROO·(或者RO·)結(jié)合,從而抑制脂質(zhì)過(guò)氧化的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng);另一種是通過(guò)生育酚自由基氧雜萘滿環(huán)上O-C鍵斷裂,結(jié)合·OH,直接清除自由基。但多數(shù)情況下,維生素E的抗氧化作用是與脂氧自由基反應(yīng),向它提供氫原子,自身形成較穩(wěn)定的生育酚游離基[23],使脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷,從而實(shí)現(xiàn)抗氧化效果。
大多數(shù)牧草和牧草的初級(jí)加工產(chǎn)品除含有豐富的粗蛋白外,還富含多種維生素和礦物質(zhì),是家畜所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的良好來(lái)源。牧草中包括維生素E的幾種生育酚異構(gòu)體,其中α-生育酚含量最高[10]。豆科牧草的維生素含量水平高于禾本科牧草[24]。
Brown[25]發(fā)現(xiàn)幼嫩的牛尾草(Rabdosiaternifolia)和梯牧草(Phleumpratense)中α-生育酚含量均比其成熟個(gè)體含量高。Kivimae和Carpena[26]也發(fā)現(xiàn)草地作物后期隨著其不斷成熟,α-生育酚含量卻在降低。Tramontano等[27]發(fā)現(xiàn)溫室中的紫羊茅(Festucarubra)和草地早熟禾(Poapratensis)在種子萌發(fā)后的第2-6周,α-生育酚含量在不斷提高。由此可見(jiàn),植物的成熟度會(huì)影響其自身生育酚含量的水平,所以在測(cè)定生育酚含量時(shí)要注意其生長(zhǎng)階段的差異性。
不同利用方式也會(huì)對(duì)牧草中維生素E含量產(chǎn)生影響。收獲的農(nóng)作物在陽(yáng)光下暴曬,生育酚的含量會(huì)降低,損耗量還與干燥方式和干燥時(shí)間有關(guān)[28]。Hucker[29]發(fā)現(xiàn)在刈割后的茬地里,或者在秋冬季節(jié)無(wú)綠色植物的地方,放牧?xí)?dǎo)致部分羊缺乏維生素E。由于青草在干燥或貯藏的過(guò)程中,會(huì)消耗掉一定量生育酚,所以青貯飼料中生育酚含量一般都高于干草。Hidiroglou等[30]比較了同一次刈割的干草和青貯飼料的α-生育酚含量,測(cè)得青貯飼料中含量為0.40~0.60 mg/kg,干草中含量為0.14~0.43 mg/kg。
維生素E是動(dòng)物必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),它可以增強(qiáng)動(dòng)物的免疫力、抗應(yīng)激能力和繁殖能力[31]。維生素E還能提高動(dòng)物抗氧化能力,清除細(xì)胞中的自由基,阻止肌細(xì)胞膜上磷脂中不飽和脂肪酸的氧化,改善動(dòng)物產(chǎn)品的品質(zhì)[32]。
α-生育酚可通過(guò)直接阻止脂質(zhì)氧化而間接延緩氧合肌紅蛋白的氧化來(lái)發(fā)揮其對(duì)肉品的穩(wěn)定作用。Daly等[33]研究發(fā)現(xiàn),喂養(yǎng)黑麥草(Loliumperenne)、苜蓿(Medicagosativa)等牧草為主的肉牛瘦肉中生育酚含量比飼喂糧食飼料的牛高。Descalzo[34]發(fā)現(xiàn)阿根廷肉牛在均補(bǔ)充維生素E的條件下,飼喂牧草的牛的血漿中α-生育酚平均含量(3.91 mg/kg)是飼喂糧食飼料的牛的4倍,與同樣飼喂牧草卻未補(bǔ)充維生素E的牛(3.08 mg/kg)相比無(wú)明顯提高。Wood等[35]對(duì)同時(shí)飼喂飼料和牧草與典型飼育場(chǎng)只飼喂飼料的牛進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)前者肌肉中維生素E含量要比后者高出3倍,而且牛肉所顯現(xiàn)出來(lái)的紅色也要好很多。上述結(jié)果表明,用牧草來(lái)飼喂家畜要比用糧食飼料飼喂家畜能明顯提高動(dòng)物體內(nèi)維生素E含量。目前已有許多研究證明(表1),飼喂牧草肉牛所產(chǎn)牛肉中α-生育酚含量比飼喂糧食飼料的高。
圈養(yǎng)牲畜一般較少攝食新鮮牧草飼料,這種情況下可通過(guò)向飼料中添加維生素E以滿足其需求。牛每日飼喂300~3 520 IU α-生育酚,肉品顏色穩(wěn)定性可延長(zhǎng)2~5 d。補(bǔ)充維生素E后腰肌肉變色時(shí)間比對(duì)照組明顯延長(zhǎng),牛肉的紅色和顏色飽和度也明顯比對(duì)照組好很多。每天給牛補(bǔ)充360 IU/kg維生素E還可顯著抑制其脂質(zhì)氧化[41]。Yang等[40]對(duì)一部分牛一直只飼喂牧草,對(duì)另一部分牛在屠宰前132 d飼喂添加維生素E(2 500 IU/d)的糧食飼料, 發(fā)現(xiàn)添加維生素E的牛肌肉中α-生育酚含量明顯提高,與只飼喂牧草的牛肌肉及肝臟中α-生育酚含量水平相當(dāng)。α-生育酚含量水平隨著補(bǔ)充維生素E量的水平的增加而增加。于宰前50 d給黑白花牛每日補(bǔ)飼200 IU α-生育酚,可明顯減少儲(chǔ)藏期肌肉中鐵肌紅蛋白的生成量,提高肌肉的紅色度,延長(zhǎng)肉產(chǎn)品的貨架期[42]。
奶牛初乳含有很多維生素E,對(duì)犢牛健康有利,干奶期需要補(bǔ)充較多維生素E。在奶牛日糧中加入優(yōu)質(zhì)牧草,不僅可提高牛奶產(chǎn)量,而且還可顯著提高奶產(chǎn)品的品質(zhì)和乳脂率,其所含維生素E能有效地控制牛奶香味的氧化,保持鮮奶所具有的特殊香味[43]。加拿大新布朗斯維克畜牧研究所的研究和應(yīng)用表明,向產(chǎn)奶期奶牛日糧中添加維生素E,可以有效防止所產(chǎn)牛奶中的脂肪氧化,同時(shí)延長(zhǎng)牛奶中脂肪酸敗的時(shí)間。實(shí)踐表明,在產(chǎn)奶期的奶牛日常飼料中按每日每頭添加500~700 mg的維生素E,其奶牛血液中維生素E的含量最高,并使所產(chǎn)牛奶中的維生素E含量也相應(yīng)增高,而牛奶的貯藏時(shí)間在相同條件下比未添加維生素E的延長(zhǎng)了2~3倍[44]。
采食牧草除了能有效提高動(dòng)物體內(nèi)生育酚含量外,還能顯著提高牛體內(nèi)不飽和脂肪酸含量[40],這有可能與牧草中高維生素E提供的強(qiáng)抗氧化性有關(guān)。家畜進(jìn)食牧草還能有效提高體內(nèi)谷胱甘肽的濃度。飼喂牧草的牛肉中谷胱甘肽的濃度相對(duì)有顯著提高[45]。此外,飼喂牧草的牛肌肉中超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性也都有明顯提高[46]。
新鮮牧草中含有豐富的維生素E,通過(guò)放牧足以滿足家畜對(duì)維生素E的需求;圈養(yǎng)牲畜可以通過(guò)向飼料中大量添加維生素E的方式補(bǔ)充維生素E,使肌肉中生育酚濃度得到提高。喂高精糧飼料需要補(bǔ)充較多的維生素E,而飼喂新鮮牧草可降低維生素E的補(bǔ)充量。幼嫩的青綠飼料中維生素E含量較多,干草中維生素E含量較低,所以在春季補(bǔ)飼鮮草有利于家畜維生素E的補(bǔ)充。
許多研究已經(jīng)證實(shí),生育酚在動(dòng)物脂肪和植物油中有抗氧化作用,研究主要集中在α-生育酚和δ-生育酚抗氧化活性的比較上。Telegdy和Berndorfer[47]調(diào)查了α-、β-、γ-和δ-生育酚在豬油中的抗氧化活性。他們發(fā)現(xiàn)在20~60 ℃時(shí),各生育酚抗氧化活性順序?yàn)棣?γ>β>δ;而當(dāng)溫度為80~120 ℃時(shí),各生育酚抗氧化活性順序?yàn)棣?γ>α>β。Cort[48]發(fā)現(xiàn)在雞肉和豬肉脂肪中生育酚含量分別為0.02%、0.05%和0.20%時(shí),DL-γ-生育酚抗氧化功能要比DL-α-生育酚強(qiáng)。在牛肉脂肪中生育酚含量為0.02%時(shí),DL-γ-生育酚抗氧化功能也比DL-α-生育酚強(qiáng)。這些研究表明,在保護(hù)脂肪不被氧化的作用方面,γ-生育酚相對(duì)于α-生育酚通常呈現(xiàn)出較高的抗氧化功能。
Lampi和Piironen[49]研究了α-生育酚和γ-生育酚對(duì)黃油甘油三酯的氧化過(guò)程以及抗氧化劑和促氧化劑的轉(zhuǎn)移效果的影響。試驗(yàn)中樣品添加生育酚量為2~500 μg/g。檢測(cè)樣本放在40 ℃黑暗環(huán)境中16 d使其氧化,并且每隔4 d測(cè)定其過(guò)氧化值(PV)、茴香胺值(AV)和剩余生育酚濃度。這個(gè)誘導(dǎo)反應(yīng)中,添加了α-生育酚的樣品要比添加了γ-生育酚的樣品的氧化率低。
Kanno等[50]發(fā)現(xiàn),50 ℃下牛奶中脂類自然氧化過(guò)程中生育酚發(fā)揮了抗氧化作用。生育酚同系物抗氧化活性強(qiáng)弱順序按其PV值達(dá)到30 mequiv/kg的時(shí)間來(lái)計(jì)算,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)生育酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%時(shí),γ>β>δ>α;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003%時(shí),α>γ>β>δ;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí),γ>δ>β>α;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.05%時(shí),δ>γ>β>α。α-生育酚0.003%的含量正好相當(dāng)于牛奶中正常情況下所含生育酚量,這個(gè)含量的α-生育酚比同一含量水平上的其他生育酚抗氧化能力強(qiáng),比α-生育酚其他含量水平所表現(xiàn)出來(lái)的抗氧化能力也要強(qiáng)。
與以上研究相比,生育酚和生育三烯酚在魚油中的抗氧化功能研究相對(duì)較少。Hamilton等[51]研究了魚油中加入α-生育酚、δ-生育酚以及γ-和δ-生育酚的混合物后,其氧化穩(wěn)定性和魚油氣味的變化。將樣品暴露在20 ℃的空氣中放置0~6個(gè)月測(cè)定穩(wěn)定性,期間監(jiān)測(cè)其PV值和異味形成。添加維生素E含量為2%時(shí),各生育酚抗氧化效用強(qiáng)弱順序?yàn)棣?γ/δ>α。Kulas和Ackman[52]利用純化的魚油甘油三酯研究α-、γ-和δ-生育酚的抗氧化功能。將試驗(yàn)樣本敞口放置在30 ℃黑暗環(huán)境中0、2、4、6、8、10 d,測(cè)定其PV值。生育酚濃度為0.1 g/kg時(shí),PV值大小依次為α>γ>δ;濃度為1.0 g/kg時(shí),順序恰好顛倒過(guò)來(lái)。
我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展迅速,牧草和飼料作物是農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的重要生產(chǎn)資料,對(duì)畜牧業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。維生素E作為一種動(dòng)物必需維生素,具有其他物質(zhì)所不具備的而生命有機(jī)體必需的生物活性。維生素E在維持肉類、奶類產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性上具有重要作用,補(bǔ)充維生素E是改善和提高動(dòng)物產(chǎn)品的一個(gè)有效途徑。動(dòng)物自身不能合成維生素E,需要從飲食中攝取,而牧草是動(dòng)物攝取天然維生素E的主要和直接來(lái)源。 圈養(yǎng)家畜可通過(guò)在飼料中補(bǔ)充維生素E的方式提高家畜維生素E含量。天然牧草中含有豐富的維生素E,通過(guò)放牧或者飼喂新鮮牧草可有效提高家畜體內(nèi)維生素E含量。
維生素E具有沸點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),是油脂和含油食品中的天然抗氧化劑。維生素E不僅營(yíng)養(yǎng)豐富,而且安全性高,其又應(yīng)用于生產(chǎn)功能性保健和強(qiáng)化食品,是一種安全、無(wú)毒又富有營(yíng)養(yǎng)的食品添加劑。
受到人工合成的維生素E結(jié)構(gòu)、類型及活性的限制,人們更趨向于選擇天然維生素E。但植物本身維生素含量并不高,所以提高植物中天然維生素E含量也是一種需要。隨著分子生物學(xué)、生物化學(xué)的發(fā)展,人們可以利用基因工程等技術(shù)手段,結(jié)合作物育種技術(shù),對(duì)植物進(jìn)行改良,從而提高植物體內(nèi)維生素E的含量。此外,改善飼料、食品加工工藝,獲得高維生素E含量飼料、食品也很有益處。
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