抗氧化劑的介紹

抗氧化劑在食品工業佔有一重要的地位，主要是因其能阻止脂質 的氧化酸敗，也因此「抗氧化劑」一詞常常被狹義的認定為脂質氧化 的抑制劑，然而就生物體而言，自由基所能攻擊的目標物，除了脂質 外，還包括了蛋白質、醣類、及DNA 等。因此應給予抗氧化劑更廣 泛的定義，即在低濃度下即可產生抗氧化效應的物質稱之。也就是 說，具有保護基質、對抗或延遲氧化傷害(oxidative damage)的化合物 即稱為抗氧化劑⁽¹⁵⁷⁾。而這基質是指任何自由基或活性氧所能攻擊的 目標，包含可發現於食品及生物體組織的分子，如蛋白質、脂質、醣

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類及DNA 等。所以，無論是食品或是生物體，抗氧化劑的存在與否，

對於氧化作用的發展皆有著重要的影響。

(一)抗氧化劑的作用機制：大致可粗分為三大類 1.自由基終止型(free radical terminators)：

這類的抗氧化劑大多都具有苯環(phenolic hydroxyl group)結構，

主要是藉由提供自身的氫給不安定的自由基後，本身會形成穩定的分 子，而終止連鎖反應的進行。例如：生育醇(tocopherols)、BHA、BHT 等^(137,158)。

2.還原劑或氧清除劑(reducing agents or oxygen scavengers)：

此類的抗氧化劑本身同時具有還原力及清除氧的功能，且當與自 由基終止型的抗氧化劑共用時，可提供本身的氫給對方，使自由基終 止型的抗氧化劑還原再利用。例如：抗壞血酸(ascorbic acid)。

3.金屬螯合劑(metal chelators)：

具有金屬螯合劑性質的抗氧化劑，本身不具抗氧化的功能，主要 是藉由螯合促氧化物質(如：鐵、銅等二價的重金屬離子)，而延緩自 由基的形成與氫過氧化物(hydroperoxides)的分解，來達到抗氧化目

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的。例如：EDTA、檸檬酸(citric acid)等。

(二)天然抗氧化物質介紹：

生物體的抗氧化防禦系統可使自由基的形成維持在一種平衡的 狀態，然而，當生物體受到疾病或老化影響，體內抗氧化的防禦能力 也隨之降低，導致氧化還原平衡失調，形成氧化壓力(oxidative stress)

(153)。而許多研究指出，增加氧化成分的攝取可以降低生物體中氧化

傷害的程度，因此由飲食中或天然的中草藥補充適量抗氧化物質以減 少身體的氧化壓力，將是維護身體健康的一項重要工作。

近年來許多研究指出，人工合成的抗氧化劑(如：BHA、BHT 等)，

對於生物體有潛在的危害，可能會導致肝、腎傷害及致癌性，使其在 應用上有一定的侷限性，因此從天然的物源中開發有效的抗氧化物，

已成為一個重要的研究方向，以下就幾類化合物做介紹：

1.類黃酮化合物(Flavonoids)

類黃酮化合物屬於植物多酚化合物之一，其於水果、蔬菜、堅果、

種子、中藥草、茶，甚至植物的各個部位都可能含有。由於類黃酮普 遍地存在於植物界中，平日我們的植物性飲食就有可能攝取到它，而 中草藥多為植物性，更是目前相關學者的研究重點。

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許多研究也指出，類黃酮是一種具有多種生物活性的化合物，像 抗菌、抗病毒、抗致突變、抗癌、抗氧化、鎮痛、抗發炎及抑制酵素 等生理活性，而這些活性都可能源自於其潛在的抗氧化功能。目前許 多的證據皆指出類黃酮(flavonoids)，如：槲皮素(quercetin)、盧丁 (rutin)、兒茶素(catechin)等，皆具有抗氧化作用，能抑制低密度脂蛋 白氧化修飾所造成的動脈粥狀硬化，對於心血管疾病的預防有正面功 效，此外，研究也顯示類黃酮與多酚化合物具有清除自由基及保護紅 血球細胞不受氧化的功能(137,159-161)。

至今，類黃酮的抗氧化機制尚未完全清楚，但可能來自於下列幾 點：(1)清除自由基及活性氧分子；(2)終止自由基連鎖反應；(3)金屬 螯合劑和還原劑⁽¹⁶²⁾。

類黃酮是由A、B、C 三個環狀結構以 C6-C3-C6的型式所組成的 化合物，其基本結構如圖30。

圖 30 類黃酮之基本結構⁽¹³⁷⁾

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類黃酮依照其環狀結構上不同的氫氧化修飾，形成了幾種不同的 種類，主要可分為：兒茶素(catechins)、花青素(anthocyanidin)、黃酮 類(flavones)、黃酮醇類(flavonols)、黃烷酮類(flavanones)、黃烷酮醇 類(flavanonols)、查酮類(chalcone)、異黃酮(isoflavones)、二氫異黃酮 (dihydroisoflavones)，不同結構的類黃酮會造成不同的抗氧化活性，

其基本結構及其抗氧化性分別如圖31 及表 3。

目前已有許多具有抗氧化活性的類黃酮從蔬果或中草藥中被分 析出來，荷蘭學者在分析蔬果中的類黃酮組成時，利用水解方式去除 醣的部分再利用 HPLC 作測定⁽¹⁶³⁾。發現在所作的蔬果分析中，

quercetin 是主要的類黃酮成分，如：洋蔥、新鮮菜豆、柳橙、葡萄柚 和檸檬均有測出 quercetin。紅球椒則有 luteolin 的存在，新鮮芥藍、

韭菜、蘿蔔及草莓中有kaempferol，而柑橘屬(Citrus)水果則含有獨特 的黃烷酮(flavanone) ^(164,165)。

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圖 31 類黃酮之化學結構⁽¹⁶²⁾

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表 3 類黃酮之抗氧化性⁽¹³⁷⁾

107 2.維生素 E(α-tocopherol)(圖 32)

維生素E 是一種脂溶性的抗氧化維生素，廣存於蔬菜、種子中。

早期研究指出老鼠缺乏維生素 E 會影響其生育能力⁽¹⁶⁶⁾，因此維生素 E 又稱生育醇(tocopherol)。在自然界中，維生素 E 是以α、β、γ及 δ四種異構物形式存在，異構物間的差異在於苯環上所銜接甲基的數 目與位置不同，其維生素活性為α＞γ＞δ⁽¹⁶⁷⁾，而抗氧化活性則為 δ＞γ＞β＞α。許多文獻皆指出維生素E 可以清除脂質過氧化自由 基而終止自由基連鎖反應，以保護細胞膜和脂蛋白的完整性，減少多 元不飽和脂肪酸受自由基攻擊產生過氧化反應⁽¹⁶⁸⁾。維生素 E 的抗氧 化機制主要是利用其環狀結構提供一個氫原子給予自由基結合，而本 身 則 形 成 一 產 生 共 振 現 象 的 相 對 穩 定 之 維 生 素 E 自 由 基 ( α -tocopherol radical) ⁽¹⁶⁹⁾。此外，有研究指出從膳食中補充維生素E 可 以增加細胞膜和脂蛋白上的維生素E 含量^(170,171)。

圖 32 α-tocopherol 之基本結構⁽¹³⁷⁾

108 3.維生素 C

維生素 C 是一個五角環的六碳醣結構(圖 33)，有四個立體異構 物(stereoisomers)，分別是 L-抗壞血酸(L-ascorbic acid)、D-ascorbic acid 、 D- 阿 拉 伯 抗 壞 血 酸 (D-araboascorbic acid) 及 L-araboascorbic acid。存在自然界之維生素 C 的立體結構屬於 L 型，其中只有 L-ascorbic acid 具有生理活性⁽¹⁷²⁾。

圖 33 維生素 C 之基本結構⁽¹³⁷⁾

維生素C 為存在細胞液及體腔內重要的水溶性抗氧化維生素，在 抗氧化機制上維生素C 主要是扮演活性氧的清除者，可以阻斷自由基 及活性氧對細胞的破壞，保持細胞膜的完整性，並且在α-生育醇循 環 過 程 中 擔 任 再 生 者 的 角 色 ， 即 將 tocopheroxyl radical 還 原 成 tocopherol^(173-175) (圖 34)。

在過渡金屬離子存在下，維生素C 會產生促氧化的現象，催化金 屬離子還原而啟動Fenton reaction 產生自由基⁽¹⁷⁶⁾，但在正常的生理狀

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態下，因游離的金屬離子量少而且許多皆被蛋白質所結合，所以維生 素C 仍以抗氧化作用為主。

圖 34 維生素 C 還原氧化態的生育醇⁽¹³⁷⁾

4.β-胡蘿蔔素(β-carotene)

β-胡蘿蔔素是維生素 A 的前趨物質，為一種脂溶性抗氧化劑，

可減少脂質氧化所形成的大量降解產物⁽¹⁷⁶⁾，在自然界中以完全反式 (all-trans form)存在。其結構主要由 8 個異戊二烯單元(isoprenoid units) 組成，兩端環化，以 C15 及 C15 為分子中心而成兩側對稱，具有許 多共軛雙鍵(conjugated double bonds)之結構⁽¹⁷⁷⁾ (圖 35)。

β-胡蘿蔔素可以利用其共軛雙鍵所產生共振結構的特性清除自 由基，達到抗氧化的功用，而雙鍵數的多寡決定了其抗氧化能力。β -胡蘿蔔素亦可與引起連鎖反應之脂質過氧基(LOO．)作用，而減少油

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脂氧化，即其可保護脂肪膜不受自由基破壞。β-胡蘿蔔素之活性與 氧濃度有關，在低氧時其抗氧化活性較高，但在高氧化下，因為β-胡蘿蔔素的自氧化速率比抗氧化速率來的快，造成β-胡蘿蔔素大量 流失而失去抗氧化活性，甚至可能造成促氧化作用。由於酵素及其他 抗氧化物大都是在正常氧濃度下最有效，而許多組織中之微血管是接 近低氧分壓，故β-胡蘿蔔素在體內仍是一種有效的抗氧化物，且可 輔助其他抗氧化物(如：維生素 C 及 E)之作用⁽¹⁷⁸⁾。

圖 35 β-胡蘿蔔素之基本結構⁽¹³⁷⁾

(三)生物體內的抗氧化防禦系統：

近年來，自由基(free radical)所產生的氧化性損壞及其在人體疾 病所扮演的角色，日益受到重視。自由基是一種具有高度活性的粒 子，能氧化人體內的蛋白質、脂肪、去氧核糖核酸(DNA)等，而這些 重要生物分子的大量被氧化，已被發現與各類疾病有關。

自由基在生物體內經由氧化代謝不斷的產生，也不斷的被清除，

111 大類：(1)酵素型：包括超氧化歧化酶(superoxide dismutase；SOD)、

觸酶(catalase)、麩胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase：GSH-Px)、

glutathione transferase、glutathione reductase……等，可由人體內自行 合成，但隨著年齡增長，合成能力亦會逐漸減低。(2)非酵素型：包括

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酵素和(2)抗氧化物來清除自由基並防止自由基的形成；並利用(3)修 復系統來修補自由基所引發的傷害等三方面⁽¹³⁷⁾。

1.抗氧化酵素(圖 36)

(1)超氧化歧化酶(superoxide dismutase；SOD)：^(179,180)

SOD 是一種需要結合金屬離子為反應中心的酵素，根據其活性 位置結合的金屬輔因子(cofactor)的不同，可區分成三類：(a)銅鋅型 (copper-zine SOD)；(b)錳型(manganese SOD)；(c)鐵型(non-heme Fe³⁺

SOD)。在人體細胞的粒腺體中含有以錳為還原中心的 SOD 即 Mn-SOD，大多為由兩個次蛋白單元(subunit)組成的二聚體(dimmer)，

但亦有發現四聚體或三聚體的存在，每個次蛋白單元含有一個錳離 子 。 在 紅 血 球 及 細 胞 質 中 的 SOD 則 以 銅 和 鋅 為 反 應 中 心 Cu/Zn/SOD，大多數 Cu/Zn/SOD 為二聚體，每個次單元之間以疏水鍵 相互作用結合而成，每個次單元都具有一個活性中心，含有一個銅離 子與鋅離子。鐵型超氧化歧化酶(Fe-SOD)則分佈於原核細菌細胞質，

藻類、某些高等植物及其葉綠體中，但在動物組織則從未發現過。

在 正 常 情 形 下 ， 細 胞 常 因 非 偶 合 性 電 子 傳 遞 系 統(uncoupled electron transport)而產生超氧陰離子，而 SOD 的作用在於將超氧陰離 子還原為H2O2以避免在細胞內累積。SOD 清除超氧陰離子的反應可

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稱為歧化反應(dismutation reaction)，其反應式如下：

2 O2.- ＋ 2H⁺ → H2O2 ＋ O2

經SOD 作用形成的 H2O2，可進一步的經由觸酶(catalase)及麩胱甘肽 過氧化酶(glutathione peroxidase；GSH-Px)將之代謝成不具毒性 H2O。

圖 36 哺乳動物細胞中的抗氧化酵素反應⁽¹⁸¹⁾

(2)麩胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase；GSH-Px)：

麩胱甘肽過氧化酶(glutathion peroxidase；GSH-Px)有兩型：第一 型是 Se-GSH-Px，其酵素活性是需要依賴硒(Se)的 GSH-Px；第二型 是Non-Se-GSH-Px，其酵素活性是不需要依賴硒(Se)，稱為麩胱甘肽 硫 轉 移 酶(glutathione S-transferase ； GST) 。 這 兩 型 不 同 處 在 於

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Se-GSH-Px 可以還原 H2O2及氫過氧化物，而GST 只可還原氫過氧化 物 。 麩 胱 甘 肽 過 氧 化 酶(glutathione peroxidase ； GSH-Px) 的 受 質 Glutathione(GSH)，主要是由 glycine、glutamate 及 cysteine 三種胺基 酸所構成的水溶性抗氧化分子，即γ-Glu-Cys-Gly，因其結構所含 cysteine 含有硫氫基，故屬於硫醇化合物(thiol compound)，在人體內 GSH 主要在肝臟合成⁽¹⁸²⁾。Glutathione 有還原態及氧化態二種，還原 態只含一個硫氫基，簡寫為GSH，氧化態則含有雙硫鍵，即 GSSG。

Se-GSH-Px 可以還原 H2O2及氫過氧化物，而GST 只可還原氫過氧化 物 。 麩 胱 甘 肽 過 氧 化 酶(glutathione peroxidase ； GSH-Px) 的 受 質 Glutathione(GSH)，主要是由 glycine、glutamate 及 cysteine 三種胺基 酸所構成的水溶性抗氧化分子，即γ-Glu-Cys-Gly，因其結構所含 cysteine 含有硫氫基，故屬於硫醇化合物(thiol compound)，在人體內 GSH 主要在肝臟合成⁽¹⁸²⁾。Glutathione 有還原態及氧化態二種，還原 態只含一個硫氫基，簡寫為GSH，氧化態則含有雙硫鍵，即 GSSG。