植酸及其生理活性研究进展

高延芬，徐 虹，宋焕禄

(北京工商大学，食品添加剂与配料北京高校工程研究中心，食品风味化学北京市重点实验室，北京100048)

1872年，Pfeffer最先于糊粉谷物中发现了植酸。它一般不以游离态存在自然界，而以其与钙镁等金属离子组成的一种复盐(俗称菲汀)形式存在，多存于谷类和植物种子如花生、棉籽、玉米、葵花子等的糊粉层和胚芽及麸皮、米糠、水果蔬菜中，其中米糠中的含量最丰富，可高达14%以上［1］。植酸的化学名称为肌醇六磷酸酯，即环己六醇的六磷酸酯(IP6)，分子结构如图1所示，其分子式为C6H6P6O24H18，分子量660.08。早期人们对植酸的研究主要集中在植酸结构的鉴定方面，并且多把植酸看作一种抗营养因子，然而近年来随着对植酸研究的深入，其潜在的生理活性及重要的应用价值不断得到认可。植酸因含有12个活泼的氢离子而显强酸性，它有6个强酸性基、2个中酸性基、4个弱酸性基，12个氢离子可分三步电离，不同pH可获得植酸不同的酸式盐，所以植酸在较宽pH范围内可以与不同金属离子有较强的螯合能力，并且其螯合能力强于EDTA［2］，这些独特的化学性质特点使之呈现多种重要的生理活性和保健功能。植酸的毒性也极低，小白鼠(口服)LD50为4924mg/kg，介于乳酸和山梨酸之间，比氯化钠(4000mg/kg)安全［3］。因此，植酸的生产和安全性符合A级绿色食品的概念和有关规定，是一种优良的多功能添加剂。

图1 植酸的分子结构图［4］Fig.1 The molecular structure of phytic acid［4］

1 抗氧化功能

机体内自由基的产生与铁离子的催化作用有关，而自由基的产生和氧化产物的生成会造成机体脂质过氧化、蛋白质和DNA损伤等的发生，体内氧化应激是诱导多种慢性病发生、发展的主要机制［5］。植酸的抗氧化特性在于它能产生氢，破坏自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;或者是植酸可以充分利用其磷酸基团，螯合起催化氧化反应进行的金属离子，从而产生良好的抗氧化性。

在1984年［6］，Graf首次把植酸作为一种天然抗氧化剂来研究，并且在1987年［7］采用分光光度法发现，当植酸盐/铁摩尔浓度比大于或等于0.25时，可完全抑制Fenton反应中羟基自由基的产生。Rimbach 和 Pallauf［8-9］在 1998 年应用电子自旋(捕集)共振光谱技术(ESR)，更进一步探索了植酸的体外抗氧化特性，自旋捕集不仅可以检测到自由基的产生，而且可以部分地确认形成自由基的类型，通过ESR发现，植酸正是通过其磷酸基团螯合金属铁离子来抑制Fenton反应中羟基自由基的生成。Zhang［10］等报道了植酸的抗氧化作用，具有较好的清除DPPH自由基、羟基自由基、超氧阴离子的能力，在浓度为0.5mg/L时，上述自由基的清除率分别可达25.81%、15.93%、5.90%。

Miyamoto［11］等研究还发现植酸在机体消化中可被水解，水解产物中含有三个及三个以上磷酸基团，虽然其螯合作用有所减弱，抗氧化效果也比植酸稍弱，但仍可抑制脂质过氧化和磷脂膜氧化。然而，研究发现植酸和肌醇在黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶催化反应中却对自由基的生成速度不起任何作用，而此类反应多生成超氧化物类物质。Midorikawa［12］等认为植酸抑制DNA氧化损伤的可能机制是:植酸虽然不能清除活性氧，却可抑制产生H2O2的HL-60细胞中8-O-7，8-二氢-8＇脱氧鸟苷的生成。

Shan和Davis［13］也发现膳食植酸盐可提高血液、心脏以及没有补给硒的肌肉中的GSH-PX活性，且植酸盐在多种组织中与硒存在正相关的相互作用。并且植酸作为天然无毒的抗氧化剂，对于改善羟基造成的心肌缺血可能存在一定的治疗作用，Rao等［14］在SD鼠缺血-再灌注模型中，以7.5和15mg/100g植酸静脉注射的处理组中，发现植酸具有心肌保护作用，它可使肌酸激酶释放减少、左室功能增强、冠脉血流增加及脂质过氧化减少;而对照组的肌酸激酶释放增加、冠脉血流减少、心室功能减退及脂质过氧化增加;这些实验结果说明了植酸抗氧化功能在抢救心肌缺血及缺血-再灌注损伤时应用的潜在可能性。虽然无数研究证实植酸具有较好的体外抗氧化性，并且多认为植酸的抗氧化效应多取决于其螯合铁和铜等金属离子的性质，但是植酸分子发挥其效应的机制并非完全清楚，仍需要更深入的探索。

随着国内外植酸抗氧化活性相关研究的进展，其抗氧化活性的应用也越来越广泛，相关报道也较多。国内彭益强［15］等报道了利用植酸的抗氧化作用来进行切花保鲜，植酸可控制着切花衰变的主流，即防止切花体内贮藏物质的迅速氧化和抑制金属氧化酶的活性;而且植酸与脱落酸具拮抗作用，能延缓花朵脱落;同时它还能封闭切花表皮的气孔，抑制呼吸作用，减少水分散失和营养的消耗，从而抑制和抵制真菌的繁殖与侵入。丁筑红等［16］在刺梨果汁中添加植酸，经90℃，30min加热杀菌处理后，果汁中维生素C的保存率得到明显提高，褐变程度明显降低;杀菌后的果汁添加植酸，于50℃恒温贮藏，果汁中维生素C的损失和褐变也得到很好改善。国外Katherine［17］等在植酸对透明水溶液和水包油乳浊液两种体系中抗坏血酸的降解的影响效果的研究中发现，1mmol/L的植酸即可显著地抵抗氧化损伤，乳浊液的货架期也提高了四倍;其研究小组进而以冷冻鸡肉作为一完整食品体系，结果植酸大大抑制了氧气的摄入、丙二醛的形成以及重新加热气味的产生，这就为植酸作为抗氧化剂用于油脂的保藏提供了理论依据。Uchida等［18］报道啤酒中的氧自由基参与啤酒的老化过程，氧化是导致啤酒风味老化的主要原因之一，啤酒风味老化与羟基的出现有关。而金属离子是形成羟基的重要催化剂，植酸通过络合金属离子形成稳定性很高的化合物，抑制氧化作用，有效延缓羟基的生成，防止和减缓啤酒中氧化反应的进行，从而使啤酒保持新鲜口感。

2 抗肿瘤活性

植酸抗癌作用属于非细胞毒效应，具有抗肿瘤的多样性，它能够抑制人类造血细胞系的生长，对结肠癌细胞、宫颈癌细胞、前列腺癌细胞、雌激素受体阳性和阴性的人乳腺癌细胞、肝癌细胞系等具有抗增殖活性［19］。Shamsuddin［20］等报道了在体外和体内植酸都呈现显著的抗癌特性(预防或治疗效应)，植酸可减少细胞的增殖和恶性细胞的分裂，这些恶性细胞可能引起正常表型的转变，总之，植酸在机体防御机制和肿瘤清除中发挥主导作用。

植酸的抗癌机制有如下几种解释:

a.通过调控细胞周期。细胞的正常生长依赖于细胞周期中各种调节因子的平衡调控，在细胞周期的G1-S期之间存在一个周期转换点，该点是决定细胞继续进入S期进行DNA复制或让细胞周期在此终止并转为G1期细胞而走向分化或凋亡的关键点。EL-Sherbiny［21］等选用人类的 3 种癌细胞:MCF-7、MDA-MB231、HT-29进行实验，利用两种参数评价植酸的抗增殖效应:用流动细胞仪确定细胞合成DNA的能力;综合分析与细胞周期有关的蛋白质的表达、增殖标志物Ki-67和增殖细胞的细胞核抗原(PCNA)的表达。结果显示，Ki-67在植酸处理过的细胞中表达的百分比显著降低(MCF-7中从82.18%±3.10%降到66.8% ±4.2%;MDA-MB231中从93.4%±4.6%降到71.7%±3.3%;HT-29中从95.2% ±1.2%降到73.5% ±2.5%)，PCNA的表达水平在植酸处理过的细胞中同样明显下降。这表明植酸是通过抑制S期，阻止G0-G1期来调节细胞周期的进程，进而抑制细胞的分化与增殖。Singh［22］等研究证实，植酸通过调整CDKI-CDK-cyclin这一复合体，抑制CDK-cyclin中激酶的活性，可能导致Rb蛋白(Rb基因又称视网膜母细胞瘤基因，属于一种抑癌基因)的低磷酸化，进而使转录因子E2F4的非活化状态(结合型)增加，使S期相关基因的转录受到抑制，从而使细胞停滞于G1期，从而促进了细胞凋亡的发生。

b.基于植酸抗氧化作用，能有效阻止羟基自由基产生以及与细胞增殖有关的阳离子结合形成复合物，从而抑制癌细胞的增殖。赵永焕［23］等报道了植酸能极显著地降低小鼠血清MDA含量，极显著升高小鼠血清SOD活性，可在一定程度上抑制由D-半乳糖导致的小鼠脑组织GSH-PX活性下降，低剂量植酸可显著升高小鼠脑组织中GSH-PX活性，在实验中发现植酸抗氧化活性高于了维生素C。

c.植酸可预防 DNA 的氧化损伤，Midorikawa［12］等研究发现植酸可抑制经H2O2生成体系处理的培养细胞中dGTP的形成，虽然它不能清除H2O2，却通过对金属离子的螯合而降低H2O2中活性氧的生成，进而抑制H2O2与Cu2+对DNA特别序列GG与GGG的损害，起到防癌作用。

d.植酸可通过调控细胞信号传导来抑制细胞的增殖，使细胞循环周期出现停滞，最终诱导细胞凋亡的发生。在细胞信号传导的调控中，Bcl-2家族蛋白和基因在线粒体参与的凋亡途径中起重要的调控作用。Bcl-2家族成员中的蛋白分为抗凋亡与促凋亡两类，其中较具代表性的为 Bcl-2抗凋亡蛋白。Bcl-2基因和蛋白的高表达，虽对细胞的增殖率无影响，但可明显延长细胞的生长期，抑制多种组织的细胞凋亡，引发肿瘤。选择性地降低细胞中Bcl-2的表达，可促使细胞发生凋亡［24］。杨志平［25］等研究Western blot的结果显示，植酸组Bcl-2与NF-kBP65蛋白的表达均比正常对照组低，呈剂量反应关系。植酸在诱导SGC-7901细胞凋亡过程中，可能通过对NF-kB信号传导通路的抑制作用而抑制Bcl-2基因的表达，从而启动细胞凋亡。

e.Saied［26］等研究认为植酸能够促进相关抑癌基因表达，基因表达一旦出现损伤，就被抑制在分裂间期，使癌细胞无法增殖或使其发生分化;Saied研究小组通过细胞免疫学和定量ELISA实验发现，分别用3.3和5mmol/L植酸处理HT-29人类克隆癌细胞三天和六天后，抑癌基因P53和P21WAF1/CIP1的表达可被显著提高一定水平，并与植酸存在一定剂量关系，因此植酸可作为癌症化疗辅助治疗剂。

3 对其它疾病的防治

植酸有益于心脑血管疾病的防治:血小板在内皮细胞粘附、聚集并释放血栓素，这是血栓、动脉硬化发病的主要原因。Vucenik［27］等应用阻抗技术研究植酸对血小板聚集和ATP释放的影响，结果显示，植酸可明显降低血小板的聚集，并且存在剂量-反应关系，并且植酸可有效降低平滑肌对ATP释放的感应，所以它可降低脑血栓、动脉硬化等疾病发生的风险。植酸可以促进机体内脂肪代谢，降低血脂，抑制胆固醇的生成，防止高血脂的发生。Katayama T［28］等发现过高的Zn∶Cu比与高胆固醇血症密切相关，植酸可与这些离子螯合并改变它们的平衡及可利用度，而影响血清中的胆固醇水平。

植酸还以其强螯合金属离子的性质可以用来预防肾结石的发生:Grases［29］等先是在雄性大鼠肾结石模型中发现，植酸水溶液或植酸/Zn混合物的处理组中，肾乳头尖端及乳头组织的钙化数量较仅以乙烯乙二醇或乙烯乙二醇/Zn处理的对照组明显减少，从而推断植酸和植酸与Zn的混合物可能对尿结石症的治疗很有用。为了进一步验证推断的准确性，Grases等［30］又给 Wistar雌鼠分别饲喂不加植酸的AIN-76 A饲料、加1%植酸的AIN-76 A饲料及普通饲料，饲喂不加植酸AIN-76A饲料组的雌鼠尿中不含植酸，而且肾脏中钙、磷浓度高于其他两组，并在皮髓质部交界处出现沉积，提示饲料及尿中缺乏植酸是引起肾钙化的重要因素。紧接着，Grases［31］等在对活动性草酸钙结石者及健康者尿中植酸水平的研究中发现，尿结石者尿中的植酸显著低于健康者;提示如果可抑制结晶的钙盐的量不足是与钙结石形成的重要相关因素的话，那么尿中低植酸排泄则是该型肾结石的重要危险因子;无植酸饮食可显著降低尿中植酸的分泌(36h后降低约50%)。这一系列实验说明膳食中的植酸在维持尿中足够水平以防止钙盐结晶从而防止肾结石发展过程中的重要性。

Yoon［32］等也发现植酸的摄入量与血糖生成指数(GI)呈负相关;在人体生理pH和生理温度下，植酸钠(相当于2%的植酸)的存在可使小麦淀粉的消化速率降低50%;当加入钙剂与植酸形成复合物后这种效应可被逆转;同样，将植酸钠加入未发酵的面包中，面包的消化率也降低，高植酸含量的面包可产生平缓的血糖反应曲线;由此得出，植酸抑制淀粉酶或酶的辅基Ca，延缓淀粉的消化、吸收，为防治糖尿病带来了新的希望。

此外，Otake［33］等证实植酸可抑制人类 HIV 引起的细胞病变效应以及HIV特异性抗原在MT-4细胞中的表达，这可能为人类HIV和与免疫缺陷有关疾病的攻克提供了新的线索。Shamsuddin［34］等利用细胞系K-562，通过观察植酸对红白血病细胞的治疗发现，植酸可使非正常细胞数目减少19%～36%，也促进了细胞分化向正常细胞的转型。

4 促进发酵作用

丁筑红［35］等研究发现植酸在适当浓度范围对一些微生物的生长起促进作用，在植酸浓度为0.01%～0.1%时对汉逊酵母促进作用随着植酸浓度的增加而增加，且浓度达0.1%时植酸促进酵母生长的效果最佳;植酸浓度在0.01%～0.05%范围内，根霉、总状毛霉菌体细胞的生长代谢活动也处于最佳水平。Tamang等［36］研究表明，微生物在发酵过程中，植酸的含量减少，有研究认为微生物是利用一定浓度植酸分解代谢产物来促进自身繁殖，但具体的代谢机理还有待进一步探索。

普遍认为植酸促进发酵原理是打破细胞内酶合成的“反馈平行”，改善细胞膜通透性，增加膜内外物质交换，能量转化，代谢调节等［37］。植酸是磷元素的丰富来源，而磷是核酸和磷脂的成分，组成多磷化合物及许多酶的活性物质，微生物对磷的需要量也很高，一般为0.005～0.01mol/L。磷进入细胞后即迅速同化为有机磷化合物，同时形成ATP、ADP等，用于调节微生物细胞生长及发酵过程的能量代谢。同时，植酸还是一种非离子型表面活性剂，积累在细胞膜的表面，可以改善氧的通透性及物质传递性，从而加快菌体繁殖速度，进而加快营养物质的消耗及产物的生成和分泌。El-Batal［38］等分别报道，植酸作为发酵促进剂能促进某些酶、抗生素等的生物合成，如植酸盐对蜡状芽孢杆菌蕈状变种的α-1，6-葡萄糖苷酶和β-淀粉酶，隐球菌属某些种的磷酸酶，枯草芽孢杆菌、绿脓假单胞菌和灰色链霉菌等的蛋白酶，桔青霉的核糖核苷酶的产生都具有明显的促进作用，并能使小单胞菌属的某些种如庆大霉素产量提高7倍。

5 展望

一直以来，植酸作为一种精细化工产品，在日用化工、医药、食品工业、电镀业、航天航空、石油化工等行业中发挥着重要的作用。早期有关植酸的生理活性功能的研究多争议它是否影响机体对某些营养元素(如矿物质和蛋白质)的吸收，但随着相关研究的深入，植酸显著的抗氧化、抗肿瘤、预防心血管疾病等功能远远超出了人们之前的疑虑，植酸也因此受到人们的普遍关注，其生理活性价值将被进一步大力开发和研究。随着人们对食品品质、健康生活的要求不断提高，植酸作为一种天然、安全的多功能绿色食品成份或食品添加剂，一定具有非常广阔的应用前景。

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