(一) 自由基種類
正常的化學物質通常是由原子和分子構成，同時攜帶成對電子來維持 化學狀態的安定。而自由基表示軌域上具有一個或多個不成對電子而獨立 存在的原子、離子或分子或任何包含奇數電子之化學物質 (Halliwell and Gutteridge, 1989)。而不成對電子是相當不穩定，通常自由基為了使結構穩 定下來，會攻擊細胞內正常的原子，搶奪他們的電子造成殺傷力。如此週 而復始的氧化還原電子轉移循環，稱之自由基連鎖反應 (free radical chain reaction)。
在一般正常生理狀態下，生物體本身具有抗氧化防禦系統，產生抗氧 化酶及抗氧化物來移除自由基與活性氧物種 (reative oxygen species; ROS)，
並修護系統修補所引發的傷害，一旦有疾病或是營養不良，體內的抗氧化 物質會減少，平衡系統就會被破壞，自由基與活性氧物種就會增加，而 ROS 為人體代謝產生反應活性較基態氧強的含氧物種，像一些外來物質如藥物、
致癌物及生活壓力等因素也會加速自由基產生，由於自由基與 ROS 反應
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相當快速，當長期暴露在氧化壓力很大的情況下，自由基便會隨意攻擊細 胞【表 1-2】，如：細胞中主要成分中的蛋白質、脂質、酶、醣類、DNA、
RNA 等，因而導致嚴重氧化性傷害，最後可能會導致疾病發生像是糖尿 病、癌症、神經退化、發炎、心血管疾病、中風、降低免疫力等疾病 (Butterfield et al., 2002; Kim et al., 2009; Pryor, 1982; Sheu et al., 2006)。
而常見 ROS 其組成包括以氧為中心的自由基及其他和氧有關的自由 基，其分類如下：
(1) 超氧陰離子 (superoxide anion; O2‧-)
超氧陰離子是一個以氧為中心的自由基，不成對電子位於氧原子 上，最主要來源是經由粒線體內膜上的電子傳遞鏈過程產生，是 連鎖反應的起始因子 (initiator)，但反應有限且半衰期短，主要啟動產 生其他 ROS，如：過氧化氫 (hydrogen peroxide; H2O2)、氫氧自由基 (hydroxyl radical;‧OH)、單態氧 (singlet oxygen) 等，生物體內的氧化 壓力增加造成傷害 (Nordberg and Arner, 2001)。
(2) 過氧化氫 (hydrogen peroxide; H2O2)
過氧化氫在水中或是油脂中可以輕易的擴散，對細胞或組織的傷害很 大，過氧化氫可以通過細胞膜，與體內的 Fe2+ 反應產生傷害性更大的氫 氧自由基；超氧陰離子與過氧化氫在 Fe2+ 的作用下經由 Haber-Weiss 反 應產生氫氧自由基，反應機制如下 (Nordberg and Arner, 2001)：
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH╴ ＋‧OH H2O2 ＋‧O2
- O2 ＋‧OH ＋ OH
表 1-2 活性氧物種攻擊體內細胞所造成的影響
Table1-2 Effects of reactive oxygen species damage to lipids, proteins and DNA.
Oxidative damage to lipids
Occurs via several mechanisms of ROS reacting with fatty acids in the membrance lipid bilayer, leading to membrance leakage and cell death.
In food, lipid peroxidation causes rancidity and development of undesirable odors and flavors.
Oxidative damage to proteins
Site-specific amino acid modifications (specific amino acid differ in their susceptibility to ROS attack)
Fragmentation of the peptide chain
Aggregation of cross-linked reaction products
Altered electrical charge
Increased susceptibility to proteolysis
Oxidation of Fe-S centers by O2
‧
destroys enzymatic function
Oxidation of specific amino acid “marks” proteins for degradation by specific proteases
Oxidation of specific amino acid (e.g., Try) leads to cross-linking Oxidation damage to DNA
DNA deletions, mutations, translocations
Base degradation, single-strand breakage
Cross-linking of DNA to proteins
(Scandalios, 2005)
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會直接攻擊不飽和脂肪酸經氧化作用形成氫過氧化物 (Dziezak, 1986)。
(5) 脂質過氧化氫 (lipid hydroperoxide; LOOH)
脂質過氧化是指存在身體內的多元不飽和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acid; PUFA) 受到氫氧自由基的氧化傷害，不飽和脂肪酸的雙鍵與氫 氧自由基作用後會失去一個氫原子形成脂自由基 (L‧)，當氫氧自由基得 到一個氫原子形成水分子，接著一連串的連鎖反應，脂質自由基獲得氧分 子形成過氧化脂自由基 (LOO‧)，而過氧化脂自由基會結合附近脂質上的 氫原子形成 LOOH，一連串的連鎖反應引起聚合作用，使得脂質最後可能 會形成塊狀，進而破壞細胞膜蛋白質 (Nordberg and Arner, 2001)。
LH ＋‧OH L‧＋ H2O L‧＋ O2 LOO‧
LOO‧＋ H+ LOOH LOOH ＋L'H ＋ O2 L'OO‧
(二) 抗氧化劑作用之原理與機制
隨著時代的進步，快步調的生活使國人更易受到外在因子 (工作壓力、
環境污染、紫外線傷害)，內在因子 (遺傳、感染) 以及生活習慣 (熬夜、
飲食不良、喝酒、抽菸和過度藥物使用) 等危險因子影響，增加與自由基 接觸的機會，而產生過量的自由基，可能導致疾病發生(Je et al.,2004)。抗 氧 化 劑 ， 顧 名 思 義 為 在 低 濃 度 下 可 以 明 顯 抑 制 或 延 緩 氧 化 的 發 生 (Ranathunga et al., 2006)，而不同的抗氧化劑可在氧化系統中扮演不同程度 的作用。儘管動物體內具有抗氧化防禦系統可產生抗氧化物來降低體內自 由基對於組織器官的傷害，但往往無法達到完全防禦的效果，因此需藉由 額外的營養補充以減輕體內的氧化壓力。
常見抗氧化劑有過氧化氫酶 (catalase)、穀胱肽過氧化酶 (glutathione peroxidase; GSHPx)、維生 素C (vit C)、 維生素E (vit E)、 β-胡 蘿蔔素 (β-carotene) 、 butylated hydroxyanisole (BHA) 、 butylated hydroxytoluene
(BHT)、allopurinol 等，可見 【表1-3】。以下是依具不同作用區分為 4 大 類：
(1) 自由基終止型 (free radical terminator)
為是所謂的一級抗氧化劑，此類抗氧化劑大多為酚類，具苯酚環(phenolic hydroxyl group) 結構，可釋放出氫原子與自由基反應，以終止連鎖反應的進 行 其 作 用 機 制 主 要 是 干 擾 起 始 期 自 由 基 的 形 成 或 延 遲 連 鎖 增 殖 (propagation) 期作用，如：食品常用之 BHT、BHA、tertiary butylhydroquinone (TBHQ) 及 vit E 皆是此類 (Giese, 1996; Shahidi and Wanasundara, 1992)。
(2) 還原劑或氧清除劑 (reducing agent or oxygen scavengers)
主要藉由抗氧化劑本身氧化還原能力來抑制氧化。作用機制再於轉移 氫原子及捕捉氧原子，將已被氧化的過氧化物還原，來減緩氧化作用進行，
提 供 一 個 傾 向 還 原 狀 態的 環 境 。 此 類 抗氧 化 劑 可 有 效 清 除 或 不活 化 O2‧、‧OH、peroxyl radicals (ROO．) 等含氧自由基或是非自由基之 H2O2， 使 ROS 喪失起始及加速氧化反應進行能力 (Namiki and Osawa, 1986)。
(3) 金屬螯合劑 (chelating agent)
主要作用可與金屬產生螯合作用而間接延緩自由基氧化作用的進行。
當食品中含有金屬離子，即使含量少依然具有脂質氧化的作用。此類抗氧 化劑本身無抗氧化效果，卻可螯合 Cu 2+ 或 Fe2+ 等促進氧化能力強之離 子，達到抗氧化的效果如：檸檬酸 (citric acid)、磷酸 (phosphoric acid) 及 ethylenediaminet- etraacetic acid (EDTA) 等 (Dziezak, 1986)。
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表 1-3 常見抗氧化劑
Table1-3 The commons of antioxidants.
**Non-enzymatic antioxidant molecules**
Antioxidant molecules Subcellular location
Ascorbate (vitmin C) Plastid; apoplast; cytosol; vacuole
β-Carotene Plastid
Glutathione, reduce (GSH) Plastid; mitochondrion; cytcsol
Polyamines (e.g., putrescine, spermine) Nucleus; plastid; mitochondrion; cytcsol α-Tocopherol (vit E) Cell and plastid membranes
Zeaxanthin Chloroplast
**Antioxidant enzymes**
Enzyme EC number Subcellular location
Ascorbate peroxidase 1.11.1.11 Plastid stroma and membranes Peroxidases (non-specific) 1.11.1.7 Cytosol; cell-bound
Catalase 1.11.1.6 Glyoxysome; peroxisome; cytosol;
mitochondria
Superoxide dismutase (SOD) 1.15.1.1 Cytosol (Cu/ZnSOD); plastid
(Cu/ZnSOD; FeSOD); mitochondrion (MnSOD); peroxisome
Dehydroascorbate reductase 1.8.5.1 Cytosol; plastid
Glutathione reductase 1.6.4.2 Mitochondrion; cytosol; plastid Monodehyoascorbate
reductase
1.6.5.4 Plastid stroma Glutathione S-transferases 2.5.1.18 Cytosol; microsomal
(Scandalios, 2005)