植物甾醇降胆固醇机制及其改性研究进展

◎ 焦文佳，石剑夫

（1．广东省食品工业研究所有限公司，广东 广州 511442；2．广东省食品质量监督检验站，广东 广州 511442）

植物甾醇是存在于植物体内的具有类胆固醇结构的功能性脂质，是植物体内甾醇类物质的统称[1]。存在于动物体内的甾醇则称为动物固醇，最常见的是胆固醇，是动物组织中其他固醇类化合物，如胆汁醇、性激素、肾上腺皮质激素、维生素D3等的前体，是人体必需的营养素之一[2]。但当体内胆固醇摄入过量时，会引起高胆固醇血症，进而导致动脉粥样硬化、脑中风和冠心病[3]。研究人员根据胆固醇的吸收代谢机理合成的药物对降低胆固醇有良好的效果，但这类药物的吸收对肝脏和肌肉有一定的毒副作用[4]。植物甾醇已被证实具有显著降低胆固醇的效果，可用来降低患动脉粥样硬化和心血管疾病的风险，且对人体无明显副作用。但天然植物甾醇不溶于水、微溶于油，在人体内生物利用度极低，不能直接添加到食品或药品中进行利用，需要通过改性来提高植物甾醇的溶解度和稳定性。本文对植物甾醇的降胆固醇作用机理及其在功能性食品中的研究进展进行了综述。

1 植物甾醇简介

植物甾醇存在于所有植物性食物中，谷物、豆类、蔬菜、水果和坚果中都含有一定量的植物甾醇，但不同植物中含有的甾醇量有显著差异，其中以油料作物中含量最多。目前，商业化植物甾醇的主要来源是植物油精炼下脚料和木浆，特别是菜籽油脱臭馏出物中的植物甾醇含量高达24%[1,5]。自然界中植物甾醇主要以游离型和酯化型两种形式存在，游离型植物甾醇在坚果和豆类中含量较多，以β-谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇为主，其次是菜籽甾醇、麦角甾醇等；酯化型植物甾醇主要存在于谷类食物中，常见的有β-谷甾醇阿魏酸酯、豆甾醇阿魏酸酯等[6]。此外，植物甾醇还有其他衍生物存在，如植物甾烷醇、植物甾醇糖苷和酰化植物甾醇糖苷等[7]。

植物甾醇和胆固醇同属甾醇类，都是以环戊烷全氢菲为骨架的醇类化合物，在结构上极其相似，与胆固醇的不同之处在于其支链上的双键和甲基[8]。植物甾醇在常温下为白色结晶粉末或颗粒，无臭无味，熔点可达130 ～170 ℃，不溶于水、强酸和强碱，可溶于多种有机溶剂，如丙酮、无水乙醇、乙醚、苯、氯仿、石油醚等，常温下溶解度不高，但随着温度的升高，溶解度显著上升[9]。

植物甾醇在光照、水、空气、金属离子等环境中表现出一定的稳定性，但在精炼[10]、漂白或是油炸[11]等极端环境中也会发生氧化。OSADA[12]将甾醇在100 ℃下加热24 h，未检测到甾醇损失，也未发现相关植物甾醇氧化物的生成，但更高温度下甾醇却很容易被氧化，在200 ℃下加热6 h，甾醇几乎被完全氧化。植物甾醇氧化产物已被证实具有细胞毒性及致癌、致突变等潜在危害，所以应从食品加工、包装和储藏等方面抑制植物甾醇氧化物的生成[13]。

2 植物甾醇降胆固醇的作用机理

人体内胆固醇的主要来源是自身合成和小肠的吸收[3]。在正常情况下，体内合成和食物中获得的胆固醇一部分会转化为细胞膜的组成成分，另一部分则会排出体外。但是当人体长期过量摄入胆固醇时，多余的胆固醇不能正常排出体外，会导致血清中胆固醇升高，造成高血脂症，进而引发心脑血管疾病[14]。2022年《中国健康大数据》报道，目前中国高血脂人数有1 亿多，血脂异常（含高血脂）人数更达1.6 亿，仅次于高血压人群（2.7 亿），更有甚者，中国22%的中年人死于心脑血管疾病。而目前，在世界范围内，高血脂、心血管疾病的主要预防目标是减少低密度脂蛋白胆固醇浓度[15]。早在20 世纪50年代，人们就已经知道从膳食中摄入植物甾醇，可以降低人体对胆固醇的吸收率[16]，植物甾醇可降低人体血清总胆固醇（Total Cholesterol，TC）水平和血清中低密度脂蛋白胆固醇（Low Density Lipoprotein Cholesterol，LDL-C）与高密度脂蛋白胆固醇（High Density Lipoprotein Cholesterol，HDL-C）的比值[17]。植物甾醇作为一种功能性食品添加剂的研究一直延续至今，但其降胆固醇机理有多种说法，目前被接受的理论主要有以下几种。

（1）植物甾醇具有疏水性，且具有与胆固醇相似的结构，进入小肠后能够竞争性取代小肠内腔微胶束中的胆固醇，导致部分胆固醇不能被消化，随粪便排出体外，进而减少肠道对胆固醇的吸收，降低体内胆固醇的累积和吸收[18]。

（2）植物甾醇的吸收部位主要是在小肠。小肠上皮细胞上ATP 结合蛋白转运盒转运体家族ABCG5/8和ABCA1 蛋白与甾醇的吸收有关，甾醇不仅可增强小肠细胞基因ABCA1 的表达，还可以上调ABCG5/8转运体和基因的表达[19]，使被吸收的胆固醇重新回到小肠内腔，从而降低胆固醇的净吸收含量[18]。同时，在小肠内的胆固醇只有被酰基辅酶A 胆固醇脂酰转移 酶（Acyl Coenzyme A-cholesterol Acyltransferase，ACAT）催化酯化后才能进入血液循环，在吸收过程中，植物甾醇与胆固醇竞争ACAT 的酯化部位，只有一部分胆固醇能进行血液循环，进而影响血液中胆固醇的含量，起到降血脂的功效[20]。

（3）植物甾醇不仅可以通过抑制肝细胞载脂蛋白B 的生成速率和降低极低密度脂蛋白胆固醇和胆固醇酯的含量来影响血液中低密度脂蛋白（Low Density Lipoprotein，LDL）的形成，还可以增加脂蛋白受体的表达量，加快清除LDL-C，从而影响血清中LDL的含量[21]。有临床试验结果表明，植物甾醇能与他汀类药物（辛伐他丁或辛伐他丁/依泽替米贝）发挥协同效应，显著降低受试患者血浆中TC、LDL-C、甘油三酯及肝细胞载脂蛋白B 水平[22]。

（4）胆固醇的合成和代谢过程需要许多酶的参与，植物甾醇可以增强胆固醇合成限速酶的活性，抑制苹果酸酶、乙酰基辅酶A 羧化酶和胆固醇的酯化酶ACAT 的活性。甾醇类化合物可通过调控胆固醇合成及代谢中关键酶的活性，如植物甾醇能增强胆固醇合成限速酶的活性，同时可降低和苹果酸酶的活性，抑制胆固醇的酯化酶ACAT 的活性[23]。胆固醇7α 羟化酶是胆固醇分解为胆酸的限速酶，也是肝脏X 受体α 的靶基因之一，胆固醇7α 羟化酶对于维持胆固醇和胆汁酸的动态平衡起着重要作用[24]。小鼠实验测定结果表明，植物甾烷醇能促进肝脏X 受体α 及胆固醇7α 羟化酶的表达，对胆固醇代谢有一定的促进作用[25]。

虽然对植物甾醇降低胆固醇的作用机理有多种解释，但机体内胆固醇的平衡是一个极其复杂的过程，受多种因子的调控和影响，植物甾醇降低胆固醇的功效也不是简单的单个作用机制产生的效果，可能是多重机制相互作用。

3 植物甾醇功能性食品研究

3.1 植物甾醇应用存在的问题

20 世纪70年代，随着口服降脂药物的出现，结晶型植物甾醇口感差，吸收困难，过量的摄入会导致血清中植物甾醇浓度升高等问题使天然植物甾醇的应用受到了限制[26]。且GRUNDY 等[27]通过同位素标记法给高胆固醇患者服用标记的胆固醇，并追踪其在体内的吸收、合成和代谢情况发现，大量服用植物甾醇后，胆固醇的吸收显著下降，排泄量增加，但体内胆固醇的合成也在增加，所以大量摄入植物甾醇的方式不能达到降低胆固醇的目的。后来，研究人员发现可以通过对植物甾醇进行改性，降低植物甾醇的结晶度，改善植物甾醇的溶解性和吸收问题。目前植物甾醇的改性方法大致可以归纳为物理改性和化学改性两种。

3.2 植物甾醇物理改性

物理改性是指用物理手段对植物甾醇进行包埋，达到改善口感和提高水溶性的目的，不改变植物甾醇的结构。这种方法操作简单，无有机试剂的混入，可显著提高植物甾醇的水溶性。

植物甾醇常温下以晶体形式存在，不溶于水，口感粗糙，不宜直接食用。目前，主要通过包合、乳化法、注入法、薄膜分散法、淀粉凝胶包埋法、旋转蒸发法、高压均质法、超声法、超临界CO2法、冷冻干燥法、喷雾干燥法、冷冻熔融法、微胶囊化法和自组装法等物理手段将植物甾醇微米或纳米化，并加入乳化剂抑制晶核的生成，可改善植物甾醇的溶解性。常用乳化剂有棕榈酸正十六酯、硬脂酸甘油酯、吐温和泊洛沙姆系列等合成乳化剂，大豆蛋白、乳清蛋白、玉米醇溶蛋白、卵磷脂和果胶等天然乳化剂。β-环糊精由于其特殊的环状空间结构，也可包埋疏水性物质。其他包埋体系如纳米乳液、纳米粒和微胶囊等均是先以植物甾醇溶于“油相”，再与乳化剂和水等混合，通过高速分散、超声、均质等手段形成均一分散体系，由于植物甾醇在油中的溶解性也较差，上述“油相”通常以无水乙醇等有机溶剂代替。近年来植物甾醇的物理改性研究进展详见表1。

表1 植物甾醇的物理改性研究进展表

运用纳米技术和不同的载体系统对植物甾醇进行包封，可以促进植物甾醇在胃肠道环境的溶解，增强其在靶组织中的吸收，从而提高其口服生物利用度。LI等[28]利用大豆分离蛋白和大豆卵磷脂制备出颗粒分布均匀的植物甾醇纳米粒，其平均粒径为93.35 nm、包埋率达97.3%，生物利用度（70.8%）比游离植物甾醇提高18.2%，水溶性（2.122 mg·mL-1）是游离植物甾醇的155 倍。李青等[33]利用大豆蛋白-甜菊糖苷形成的复合体系作为稳定剂，采用高压微射流均质法制备出平均粒径在193 ～217 nm 的植物甾醇纳米乳液，有效改善了植物甾醇的水溶性，提高了其生物利用度。PAAVER[41]以壳聚糖为稳定剂/载体聚合物，采用静电纺丝法制备了均匀分布、平均直径在150 ～218 nm的β-谷甾醇聚合物纳米纤维。

3.3 植物甾醇化学改性

植物甾醇是一种两亲性分子，结构中既有亲水基团也有疏水基团，但其在油、水中的溶解性均较差，在健康人体内的吸收率通常小于食物中含量的5%，而胆固醇的吸收率却可以达到35%～70%[42]。与胆固醇结构相比，植物甾醇的支链更长，疏水性更强，在人体内的吸收率更低[43]。化学改性是指通过生化手段改变植物甾醇的化学结构，使其烷基化或在其活泼羟基上接入某些基团以改善其功能性质。近年来植物甾醇的化学改性研究进展详见表2。

表2 植物甾醇的化学改性研究进展表

研究发现在植物甾醇的活泼羟基上接入脂肪酸可增加其油溶性，酯化后的植物甾醇在油中的溶解度提高了近10 倍，易溶于含大量油或脂肪的食品中，在水性食品中的应用则需要通过物理包埋来实现。TAKASHI 等[55]发明了一种制备植物甾醇o/w 乳液的方法，所制备油相中植物甾醇酯含量为1.5%～5.0%，而单纯的植物甾醇由于在油中溶解度低，很难制备稳定的乳液。CAO 等[56]表明虽然植物甾醇酯在油中的溶解度提高了，但高油含量的摄入也会伴随着风险。植物甾醇水溶性改性产物的制备弥补了这一缺憾，通常是在植物甾醇酯上再次引入某些亲水基团，提高衍生物的水溶性，且不会改变其降胆固醇功效。

3.4 两种方法优缺点比较

物理改性操作简单，耗时少，无有害物质的混入，但需添加大量乳化剂以改善植物甾醇的溶解性。化学合成乳化剂效果好，但在食品工业中应用受限；天然乳化剂使用更安全，但相对合成乳化剂成本较高，乳化效果较差，所制备的液体产品稳定性差，储藏过程中甾醇易析出，干燥后的产品复溶性差。

化学改性显著提高植物甾醇类产品的水溶性或油溶性，可直接添加在食品体系中，稳定性好。但改性过程比较复杂，耗时长，产物复杂多样，分离纯化困难，且需用到大量有机试剂，新的衍生物还可能存在安全隐患，有待于进一步研究。

4 结语

随着现代人们生活水平的不断提高，高血脂人群基数不断扩大，天然降胆固醇产品受到越来越多人们的青睐。植物甾醇作为一种新兴的食品添加剂已被广泛认可，但其特殊的理化性质限制了其应用和发展。物理改性和化学改性的方法已开发出了各种亲水性和亲油性植物甾醇产品，含植物甾醇的食品如饮料、果酱、糖果、糕点、麦片、奶酪以及保健品、化妆品、药品在国外已被广泛接受；但在国内仅限于应用于一些保健品中，在功能性食品方面的发展应用上仍有待进一步提高。作为一个油料资源大国，我国的植物甾醇资源丰富，综上所述两种改性方法的优缺点，迫切需要开发一种绿色、经济、安全、高效的产品以适应时代发展的需要。