唐延?xùn)|，楊曉莉，潘玙璠，張方東，侯慶喜，裴繼誠

(天津科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津 300457)

0 引 言

自由基是一種在光熱等外界條件下，共價鍵發(fā)生均裂而形成的具有不成對電子的原子或基團(tuán)，其廣泛存在于自然界之中[1]。其中活性氧(reactive oxygen species，ROS)是一類化學(xué)性質(zhì)活潑的自由基的總稱[2]。ROS有較高的氧化活性，會使機體的代謝產(chǎn)生失衡。脂質(zhì)過氧化作用是典型的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一般表現(xiàn)為不飽和脂肪酸的氧化變質(zhì)。這些脂肪酸在自由基作用下生成自由基中間產(chǎn)物L(fēng)·，然后與O2反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧自由基LOO·，后者與另一脂質(zhì)作用形成脂質(zhì)過氧化物L(fēng)OOH。這些脂質(zhì)過氧化物可以自發(fā)分解，形成更多的自由基來攻擊脂類的雙鍵，產(chǎn)生更多的脂質(zhì)過氧自由基，并依次傳遞下去，形成自動分解的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，造成更大的破壞[3]。

脂質(zhì)過氧化反應(yīng)造成的危害越來越多的被研究學(xué)者所發(fā)現(xiàn)，比如脂質(zhì)氧化產(chǎn)物會直接參與細(xì)胞衰亡的信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致人體衰老[4]；脂質(zhì)過氧化反應(yīng)也是誘發(fā)動脈粥樣硬化[5]、糖尿病[6]、惡性腫瘤[7]等疾病的重要原因。除去不適用于人體的人工抗氧化劑以外，目前還發(fā)現(xiàn)了多種具有抗氧化功效的天然物質(zhì)，如維生素、多酚類、天然黃酮類、阿魏酸等[8]，但它們都存在著不穩(wěn)定、成本高、不易吸收、容易失活等缺點。因此，尋找一種合適的、高效的外源抗氧化劑，在維持機體平衡上變得尤為重要。

殼寡糖(chitosan oligosaccharide，COS)是來源于蝦蟹殼的殼聚糖降解成的帶有氨基的小分子寡糖，是世界上最豐富的可再生資源之一[9]。其具有諸多優(yōu)良的生物活性，如分子量小、溶解性高、生物活性高、人體易吸收等。鑒于其具有的優(yōu)良性能，不斷涌現(xiàn)出新的殼寡糖的改性方法，其中化學(xué)改性方面的研究居多，有羥基化、烷基化、交聯(lián)化、接枝化以及羧基化等改性方向[10-11]?，F(xiàn)有研究可以證明，COS及其改性的衍生物具有一定的抗氧化作用[12-13]。

漆酶/TEMPO體系可以選擇性地將殼寡糖C6位上的羥基氧化為醛基進(jìn)而氧化為為羧基，得到含有羧基的氧化殼寡糖(C-COS)[14-15]。近年來，本課題組對于C-COS的制備進(jìn)行了一系列研究[16]，并證明其具有良好的保濕性[17]、抗黑色素沉積[18]及抗菌性能[19]。亞油酸(linoleic acid)和卵磷脂(lecithin)是人體中多不飽和脂肪酸(PUFA)的代表，亞油酸是一種ω-6多不飽和脂肪酸，是人體生長發(fā)育的必需脂肪酸；以卵磷脂為代表的磷脂構(gòu)成了機體細(xì)胞膜50%左右的脂質(zhì)，這些磷脂是維持生命活動的基礎(chǔ)物質(zhì)。脂質(zhì)過氧化的發(fā)生，意味著多不飽和脂肪酸上不飽和鍵的破壞。本文通過一種綠色化學(xué)的方法制備出C-COS，使其分子結(jié)構(gòu)中C6位含有羧基，選取亞油酸和卵磷脂作為實驗對象，進(jìn)行自由基誘導(dǎo)的體外脂質(zhì)氧化實驗來驗證C-COS的抗脂質(zhì)氧化能力，目的是尋找一種安全的、穩(wěn)定的，對脂質(zhì)過氧化反應(yīng)具有良好抑制效果的材料。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

漆酶，酶活1072 U/mL，由諾維信生物技術(shù)有限公司提供；2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)，購于Sigma公司；殼寡糖，相對分子質(zhì)量≈1000，脫乙酰度為90.5%，購于上海源葉生物科技有限公司；蛋黃卵磷脂，水分≤5%，購于Solarbio公司；亞油酸，含量≥95%；其他試劑均為分析純，購于麥克林試劑網(wǎng)。

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，型號N-1100，京東理化；傅里葉變換紅外光譜儀，型號VERTEX 70，德國布魯克公司；自動電位滴定儀，型號AT-510，日本京都電子工業(yè)株式會社；核磁共振波譜儀，型號AVANCE Ⅲ，德國布魯克公司；紫外分光光度計，型號UV-2550，日本島津公司。

1.2 羧基化殼寡糖(C-COS)的制備及表征

將0.08 g(2%)的TEMPO放入200 mL， pH值為4.7的乙酸-乙酸鈉溶液中，加入4 g殼寡糖充分?jǐn)嚢瑁蛊淙芙饩鶆?。?0 ℃的恒溫條件下使其穩(wěn)定10 min后，加入400 μL漆酶至溶液中，在30 ℃下通氧反應(yīng)18 h。通氧結(jié)束后，用稀NaOH溶液將反應(yīng)體系調(diào)整至中性，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至10～20 mL，加入400 mL無水乙醇并不斷攪拌，待靜置分層后反應(yīng)產(chǎn)物析出。利用真空抽濾得到反應(yīng)物濾渣，加入蒸餾水重復(fù)以上操作3次以充分醇洗、水洗產(chǎn)物。最后，將得到的濾渣在真空干燥箱內(nèi)烘干72 h，經(jīng)研磨后得到制備好的羧基化殼寡糖。最后將制得的樣品通過FT-IR、13C NMR和電導(dǎo)滴定檢測，確認(rèn)COS成功被選擇性氧化[16,18]。

1.3 對脂肪酸進(jìn)行自由基誘導(dǎo)的氧化

取一定量蛋黃卵磷脂，加入0.01 moL/L， pH 值為7.4 PBS緩沖液，攪拌使其溶解成20 mg/mL的溶液。將溶液超聲乳化1 min，形成卵磷脂脂質(zhì)體，低溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1 羥基自由基對脂肪酸的氧化

羥基自由基是一種最常見、破壞性最強的自由基。分別取2 mL卵磷脂脂質(zhì)體和2 mL亞油酸(溶于無水乙醇)，實驗組分為兩組，均先加入1 mL、6 mmoL/L的FeSO4溶液和1 mL、6 mmoL/L的H2O2溶液，再分別加入2 mL、5 mg/mL的COS和C-COS溶液混勻；空白組加入等量的蒸餾水，使3組樣品在37 ℃水浴鍋內(nèi)避光溫浴氧化1 h[20]。將氧化后萃取出反應(yīng)體系中的脂肪酸成分，后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到氧化后的對比組。

1.3.2 AAPH自由基對脂肪酸的氧化

AAPH是一種在有氧條件下，熱分解形成的過氧脂質(zhì)自由基。分別取2 mL卵磷脂脂質(zhì)體和2 mL亞油酸(溶于無水乙醇)，氧化組加入2mL 0.1 moL/L AAPH啟動氧化反應(yīng)。實驗組分別加入2 mL COS和C-COS溶液(5 mg/mL)，37 ℃避光溫浴1 h，空白組加入等體積的蒸餾水。萃取過程同上，得到經(jīng)過AAPH自由基氧化后的對比組。

1.3.3 Cu2+自由基對脂肪酸的氧化

過渡金屬元素都是重要的脂質(zhì)氧化參與者，一些過渡金屬離子可以作為電子傳遞體發(fā)揮作用，其可以等同于自由基進(jìn)行反應(yīng)。分別取2 mL卵磷脂脂質(zhì)體和2 mL亞油酸(溶于無水乙醇)，氧化組加入2 mL 0.1 mmoL/L醋酸銅溶液啟動氧化反應(yīng)。實驗組分別加入2 mL COS和C-COS溶液(5 mg/mL)，37 ℃避光溫浴1 h，空白組加入等體積的蒸餾水。萃取過程同上，得到經(jīng)過Cu2+氧化后的對比組。

1.4 脂肪酸氧化產(chǎn)物的檢測

1.4.1 共軛二烯含量的檢測

共軛二烯是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)生成的初級產(chǎn)物，將1.3實驗中兩種脂肪酸在3種自由基氧化后的各實驗組樣品經(jīng)過乙醇稀釋后，以乙醇為參比溶液用紫外分光光度計在234 nm測量樣品的吸光度，雙鍵濃度可用摩爾濃度因數(shù)計算求得(雙鍵的摩爾吸光率為3.0×104L/(moL·cm))[21-22]，并計算其抑制率。

共軛二烯生成抑制率(%)=(A2-A1)/A0×100%

(1)

式中：A0為脂肪酸原樣的吸光度；A2為對比組脂肪酸吸光度；A1為各樣品組的脂肪酸吸光度。為了避免實驗誤差，式中均減去了COS和C-COS樣品本身的吸光度，并且每組實驗測量3次，取得最后的平均值。同時設(shè)置空白對照組來消除乙醇對自由基捕獲作用造成的影響，下同。

1.4.2 丙二醛含量的檢測

丙二醛是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的次級產(chǎn)物，具有很高的危害性，其含量也代表了脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的進(jìn)程。取1.3實驗中所得的樣品溶于乙醇中，加入2 mL TCA-TBA-HCL混合溶液，沸水浴15 min，經(jīng)過冰浴后用紫外分光光度計在532 nm測量樣品的吸光度。(MDA的摩爾吸光率為1.56×105L/(moL·cm))[23-24]，并計算其抑制率。

丙二醛生成抑制率(%)=(A2-A1)/A0×100%

(2)

1.4.3 過氧化物含量的檢測

油脂氧化后會生成氫過氧化物，它可以將碘化鉀溶液還原成碘，采用硫代硫酸鈉溶液滴定析出的碘單質(zhì)來比較不同亞油酸氧化后產(chǎn)生的過氧化值。取1.3實驗中所得的樣品，稱量后置于250 mL碘量瓶中，加入30 mL三氯甲烷-冰乙酸混合液(2∶3)，溶解樣品后加入1 mL飽和碘化鉀溶液于暗處靜置3 min。再加入30 mL蒸餾水后搖勻，滴加1 mL淀粉指示液(10 g/L)，立即用前先已經(jīng)精準(zhǔn)標(biāo)定好的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.10 mol/L)滴定至藍(lán)紫色消失。同時取用相同量的試劑，用水做空白試驗。

過氧化物的含量按式(3)計算：

X=(V1-V2)×c×0.1269/m

(3)

式中：X為過氧化值，g/100g；V1為消耗的硫代硫酸鈉溶液體積；V2為空白組消耗的硫代硫酸鈉溶液體積；c為硫代硫酸鈉溶液濃度；m為樣品質(zhì)量；0.1269為1 mL、1 mol/L硫代硫酸鈉溶液相當(dāng)?shù)牡獾馁|(zhì)量。

1.5 脂肪酸氧化后結(jié)構(gòu)檢測

1.5.1 紅外光譜(FI-IR)檢測

選取氧化程度最強的自由基來催化兩種脂肪酸的氧化，對兩種脂肪酸的原樣組，對比樣組、C-COS組的官能團(tuán)變化進(jìn)行分析。取適量反應(yīng)后的亞油酸和卵磷脂涂到傅里葉變換紅外光譜儀的ATR檢測臺上，以空氣為采樣背景，掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描32次。

1.5.2 核磁共振氫譜(1H NMR)檢測

將1.5.1實驗中兩種脂肪酸的原樣組，對比樣組、C-COS組進(jìn)行1H NMR檢測。兩種油樣均以氘代氯仿為溶劑，采用30°脈沖序列，采樣時間定為1.36 s，弛豫時間是1.89 s，累計掃描次數(shù)為1 024次。

2 結(jié)果與討論

2.1 C-COS抑制脂質(zhì)氧化性能檢測

2.1.1 生成共軛二烯含量的檢測

共軛二烯是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的初級產(chǎn)物，在亞油酸和卵磷脂啟動氧化后分別加入COS和C-COS，檢測共軛二烯產(chǎn)生量的變化情況，考察COS和C-COS的抗脂質(zhì)氧化能力，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看到,羥基自由基對兩種脂肪酸氧化程度最強，產(chǎn)生的共軛二烯含量最高。通過對比COS組和C-COS組的檢測可以看出，兩個實驗組產(chǎn)生的共軛二烯含量均有所下降，代表著其初級產(chǎn)物減少，說明COS和C-COS均可對自由基誘導(dǎo)的氧化進(jìn)行抑制。經(jīng)計算，C-COS相較于COS對亞油酸被自由基催化生成共軛二烯的抑制率分別提高了54%、7%、42%，對卵磷脂的抑制率分別提高了54%、38%、26%。

圖1 羥基自由基、AAPH自由基和Cu2+離子氧化亞油酸(a)和卵磷脂(b)產(chǎn)生的共軛二烯含量Fig 1 Amount of conjugated dienes produced by oxidation of linoleic acid and lecithin by hydroxyl radical, AAPH radical, and Cu2+ ion

2.1.2 生成丙二醛含量的檢測

丙二醛是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的次級產(chǎn)物，在亞油酸和卵磷脂啟動氧化后分別加入COS和C-COS，檢測丙二醛產(chǎn)生量的變化情況，考察COS和C-COS的抗脂質(zhì)氧化能力，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 羥基自由基、AAPH自由基和Cu2+離子氧化亞油酸(a)和卵磷脂(b)產(chǎn)生的丙二醛含量Fig 2 Amount of malondialdehyde produced by oxidation of linoleic acid and lecithin by hydroxyl radical, AAPH radical, and Cu2+ ion

由圖2可以看出,羥基自由基氧化程度最強，其次是銅離子和AAPH自由基。分別加入COS和C-COS后，丙二醛的生成量會有不同程度的降低，丙二醛的含量減少證明了脂質(zhì)氧化的抑制程度。COS和C-COS對羥基自由基和Cu2+離子的抑制程度最強，經(jīng)計算，C-COS相較于COS對亞油酸被自由基催化生成丙二醛的抑制率分別提高了55%、7%、36%，對卵磷脂的抑制率分別提高了55%、36%、26%。

2.1.3 不同自由基氧化脂肪酸產(chǎn)生的過氧化值比較

過氧化值是脂肪酸被氧化程度的一種測量指標(biāo)。在亞油酸和卵磷脂啟動氧化后分別加入COS和C-COS，檢測過氧化值的變化情況，考察COS和C-COS的抗脂質(zhì)氧化能力，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出,C-COS組相比于COS組，其過氧化值均有下降，對脂肪酸產(chǎn)生過氧化物的抑制效果均有提升，但主要在羥基自由基提升較為顯著。經(jīng)計算，C-COS相較于COS對亞油酸被氧化產(chǎn)生過氧化值的抑制率分別提高了51%、43%、8%，對卵磷脂的抑制率分別提高了15%、50%、21%。

圖3 羥基自由基、AAPH自由基和Cu2+離子氧化亞油酸(a)和卵磷脂(b)產(chǎn)生的過氧化值Fig 3 Peroxide values generated from linoleic acid and lecithin oxidized by hydroxyl radical, AAPH radical, and Cu2+ ion

2.2 脂肪酸氧化后結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 紅外光譜分析

選取氧化效果最強的羥基自由基進(jìn)行誘導(dǎo)氧化，通過紅外光譜分析亞油酸和卵磷脂被氧化前后結(jié)構(gòu)的變化，并與加入C-COS樣品后的譜圖進(jìn)行比較，亞油酸和卵磷脂的紅外吸收光譜如圖4所示。

圖4 亞油酸(a)和卵磷脂(b)的FT-IR 圖Fig 4 FT-IR spectra of linoleic acid and lecithin

由圖4(a)可以看出,亞油酸氧化后，對比樣組940 cm-1處出現(xiàn)一個新的峰，為共軛二烯特有的吸收峰。這是亞油酸受到自由基的攻擊失去電子而產(chǎn)生的共軛中間形態(tài)[25]。1 710 cm-1處羰基的吸收峰增強，這可能是脂質(zhì)氧化生成的降解產(chǎn)物導(dǎo)致的，如丙二醛(MDA)[26]。在加入C-COS樣品后(圖4a(c))，1 710處和940 cm-1處的吸收峰強減弱，這印證了2.1.1和2.1.2中的結(jié)果，即初級產(chǎn)物和次級產(chǎn)物：共軛二烯和丙二醛的生成量減少，說明加入C-COS后，脂質(zhì)氧化一定程度上受到抑制。

由圖4(b)可以看出,卵磷脂氧化后(圖4b(b))，1 556 cm-1處峰強減弱，這是C=C伸縮振動對應(yīng)的特征峰，推斷可能是卵磷脂分子上的不飽和雙鍵受到破壞。1 240 cm-1處峰強減弱，推斷可能是卵磷脂分子上P=O鍵受到了攻擊，而C-COS組(圖b(c))中C=C鍵和P=O鍵吸收峰與對比樣相比較原樣減弱不大。說明加入C-COS后，卵磷脂的氧化也受到抑制。

2.2.2 核磁共振氫譜分析

為與紅外光譜相結(jié)合來驗證亞油酸和卵磷脂氧化后及加入C-COS結(jié)構(gòu)的變化，采用核磁共振波譜儀進(jìn)行檢測，所得的1H NMR譜圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 亞油酸的1H NMR圖Fig 5 1H NMR spectra of linoleic acid

圖6 卵磷脂的1H NMR圖Fig 6 1H NMR spectra of lecithin

圖5是亞油酸原樣的1H NMR譜圖。在氧化后，對比樣組δ=5.41～5.29(9、10、12、13位置上)的積分由3.64減小到3.42、δ=2.79 (11位置上)的積分由1.77減小到1.61。δ=1.39～1.25(4～7，15～17位置上)的積分由14.03增大到14.14，推測這可能是由于經(jīng)過氧化進(jìn)程中，亞油酸分子遭到破壞導(dǎo)致其鏈的破裂，亞甲基數(shù)量增多。同時雙鍵被自由基攻擊而破壞，其間的H被俘獲，導(dǎo)致其數(shù)量減少。而C-COS組9、10、12、13位置和11位置積分分別為3.61和1.75，較對比樣組積分有所增大；4～7，15～17位置的峰積分為14.09，較對比樣組積分有所減小。說明加入了C-COS后，氧化受到了抑制。

圖6是卵磷脂原樣的1H NMR譜圖。在氧化后，δ=5.36(52～55位置上)的積分值由4.03增大到4.90，而加入C-COS后該處峰的積分值為4.79，較對比組積分有所減小。可以認(rèn)為是經(jīng)過氧化后卵磷脂分子上的不飽和雙鍵受到破壞，但C-COS的添加抑制了這一破壞效果，這也印證了上文紅外光譜的結(jié)果。

2.3 抑制脂質(zhì)過氧化機理

通過對比各組COS和C-COS的抗脂質(zhì)氧化實驗，發(fā)現(xiàn)C-COS抑制脂質(zhì)過氧化的能力相比COS均有不同程度的增強，推斷它們的抑制機理如圖7所示。

圖7 COS與C-COS對脂質(zhì)過氧化的抑制機理Fig 7 Inhibitory mechanism of COS and C-COS on lipid peroxidation

從圖7中C0S路線可以看出，由于COS中C2位上含有氨基(-NH2)，它可以提供電子并捕獲自由基，最終生成穩(wěn)定的大分子自由基(RH)[27]。這解釋了COS本身就可以抑制自由基誘導(dǎo)的脂質(zhì)氧化反應(yīng)。但經(jīng)過漆酶/TEMPO體系，COS的C6位羥基被選擇性地氧化為羧基(-COO-)而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呖怪|(zhì)氧化效果的C-COS。即圖7中C-C0S路線，羧基一方面具有與過渡金屬離子(如Fe2+、Cu2+等)螯合的能力[28]，從而避免其催化產(chǎn)生自由基；另一方面螯合作用可以讓C2上氨基更多地暴露在糖鏈外側(cè)，使其更充分地捕獲自由基。這兩種途徑相結(jié)合，協(xié)同提升了自由基的捕獲效率，且C-COS與被氧化底物不飽和脂肪酸形成了競爭機制而起到保護(hù)作用。由于自由基的減少，從源頭起到了抑制脂肪酸被自由基氧化的程度。

3 結(jié) 論

(1)利用漆酶/TEMPO體系選擇性的將殼寡糖C6上的羥基氧化成羧基，得到C-COS。通過體外實驗法，發(fā)現(xiàn)加入C-COS較COS生成的共軛二烯含量、丙二醛含量和過氧化值均有下降，證明了其具有更好的抑制脂質(zhì)氧化的效果，說明這一新型材料在抗脂質(zhì)氧化方面有較大的應(yīng)用價值。

(2)通過FT-IR和1H NMR，檢測了亞油酸和卵磷脂被氧化前后結(jié)構(gòu)的變化，并與加入C-COS樣品后的譜圖進(jìn)行比較，證實了C-COS的添加可以保護(hù)脂肪酸上的不飽和雙鍵，從而抑制其脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。

(3)根據(jù)氨基可以捕獲自由基、羧基可以螯合金屬離子這兩種性質(zhì)，進(jìn)一步推斷出C-COS有較好抑制效果的原因，說明C6位羧基和C2氨基在清除自由基、減少脂質(zhì)氧化方面起積極作用。這也為殼寡糖類似結(jié)構(gòu)物質(zhì)的改性及應(yīng)用提供了重要思路。