抗氧化与抗氧化剂课件

杨嘉抗氧化及抗氧化剂氧元素是地球上最重要的元素之一，在地壳中占53.8%，氧气占大气的21%。氧气参与生物的新陈代谢，几乎是一切生命活动的物质基础之一。地球上除厌氧生物外，所有的动植物和需氧生物都离不开氧气。当氧气浓度高于大气正常浓度时会对人及一切需氧生物产生氧损伤。在潜水艇和人造卫星上，用高氧浓度的空气供给作业人员，常常会引起急性神经中毒，发生痉挛。当氧气浓度达到50%时，会慢慢损伤肺，并且无法修复。用高浓度氧气培育早产儿会引起失明。自由基是指任何包含一个未成对电子的原子或原子团。未成对电子，指那些在原子或分子轨道中未与其他电子配对而独占一个轨道的电子。

A：BA+BA：BA++B-均裂异裂··自由基的性质：1、反应性强2、具有顺磁性3、寿命短自由基的性质：1、反应性强

2、具有顺磁性3、寿命短4、加和反应：

R+A-C=C-BA-CR-C-B5、芳环取代：

Ar-H+C6H5Ar-C6H5+

H

Ar-H+C6H5Ar+C6H6······6、链式反应：Cl22Cl链启动Cl+H2HCl+H链增长H+Cl2HCl+ClH+HH2

链终止Cl+ClCl2H+ClHCl

hv···········自由基的性质：

1、反应性强2、具有顺磁性3、寿命短自由基的性质：

1、反应性强2、具有顺磁性3、寿命短氧气在参与生命活动的同时会产生各种氧自由基，引起细胞的损伤并导致疾病发生。氧气是一切氧自由基的来源和引起氧自由基损伤的物质基础。主要的活性氧：激发态氧（单线态氧）、超氧阴离子自由基、过氧化氢、羟基自由基。δ*2pδ2sδ*1sδ1sδ2pπ2pπ*2p基态O2激发态1△gO2激发态1∑gO2超氧阴离子自由基是基态氧接受一个电子形成的第一个氧自由基。δ*2pδ2sδ*1sδ1sδ2pπ2pπ*2pO2·_超氧阴离子超氧阴离子在水中可视为一个碱，它可接受一个H+形成质子化的超氧阴离子自由基HOO。O2和HOO的性质差别很大，前者带有负电荷，是亲水性的，不能穿透细胞膜；而后者不带电荷，是疏水性的，可以穿透细胞膜，并能在膜的疏水区积聚，而且其氧化性远远大于前者。··-·超氧阴离子自由基在水溶液中的存活时间约为1秒，但其质子化产物在脂溶性介质中的存活时间约为1小时。与其他活性氧相比，超氧阴离子自由基不是很活泼，但由于它在脂质中寿命较长，并且可以从生成位置扩散到较远的距离，所以超氧阴离子自由基具有更大的危险性。另外，由于超氧阴离子是生物体中第一个生成的氧自由基，又是所有其他氧自由基的前身，因此更具有重要的意义。超氧阴离子自由基可参与的化学反应：氧化反应、还原反应、歧化反应、电子转移：O2-+ClCl+O2

Harber-Weiss反应：H2O2+O2-O2+

OH+OH-····Fe2+超氧阴离子自由基的产生方法：

1、辐射分解和光化学方法。2、电化学方法。3、KO2在有机溶剂中可以产生超氧阴离子。4、碱性条件下二甲基亚砜可产生超氧阴离子。5、光照核黄素。6、酶促反应（黄嘌呤氧化酶XO）。7、多形核白细胞和巨噬细胞的呼吸爆发。过氧化氢是基态氧的二电子还原产物。

O2+2e+2H+H2O2

它具有较强的氧化性，但在较强的氧化剂存在时也具有一定的还原性。它可以氧化某些有机化合物，如抗坏血酸，并可以直接使少数酶失活。过氧化氢在体内的重要来源是超氧阴离子自由基的歧化反应：2O2-+2H+H2O2+O2

另外羟基自由基相互反应也可以产生过氧化氢。

·羟基自由基是已知的最强的氧化剂，是氧气的三电子还原产物。

O2+3e+3H+H2O+OH羟基自由基的反应性极强，寿命也极短。它几乎可以和所有细胞成分发生反应，对机体危害极大。·氧气接受4个电子，最后生成水。O2+4e+4H+2H2O

氢过氧基（HO2）、烷氧基（RO）、烷过氧基（ROO）、氢过氧化物（ROOH）······研究发现机体中的一些过渡金属能加剧自由基反应的进行，从而表现出一定的毒性。Fe2+、Cu+参与Fenton反应；Pb2+、Co2+、Hg2+、Ni2+、Mo3+、Cd2+可增加细胞的脂质过氧化，并进一步损伤组织。

另外，其它金属对环境的污染及和自由基的关系也有一些报导。氧气具有氧化性，可以与许多物质发生氧化反应。比如空气中的氧气可以与有机化合物自发反应从而缩短它们的寿命。含有不饱和脂肪酸甘油酯的油脂类很容易与氧分子进行自动氧化反应，即脂质过氧化过程。该过程是一个产生自由基和自由基参与的链式反应。RH+R·O2链启动链扩展链终止LOOR脂质过氧化链的启动可由辐照水溶液产生的羟基自由基的攻击引起。-CH2-+OH-CH-+H2O超氧阴离子自由基带有负电荷，不足以从磷脂上抽氢，也很难进入细胞膜的疏水区，但其可以通过离子通道进入红细胞。质子化的超氧阴离子自由基HOO活性较高，而且不带电荷，有可能从脂肪酸上抽氢；过氧化氢可能也可以穿过细胞膜，但目前无证据表明它可启动脂质过氧化。另外，激发态氧理论上也有抽氢启动脂质过氧化的可能。

···氧自由基对人类的影响自由基与疾病自由基与免疫自由基与衰老自由基与营养自由基与疾病：目前的研究证据表明，氧自由基几乎和人类大部分常见的疾病都有关系。

循环系统疾病（高血压、动脉粥样硬化、心肌缺血-再灌注损伤·

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·）呼吸系统疾病（急性呼吸窘迫、肺缺血-再灌注损伤、吸烟·

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·）消化系统疾病（胃溃疡、急性肠炎、肝硬化、酗酒·

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·）神经系统疾病（阿尔茨海默病、帕金森病·

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·）自由基与其他疾病：癌症：癌变是一个复杂的多步骤反应过程，至少经历两个阶段，即诱发阶段和促进阶段，这两个阶段中均有自由基参与。各种诱癌因素和促癌因素通过不同途径，最终可引起自由基水平的增高。糖尿病；类风湿性关节炎；自由基与衰老：衰老的自由基理论是Harman于1955年提出的。主要内容：衰老是由自由基对细胞成分的有害进攻造成的。之后对此的研究也提供了大量实验事实支持这一理论。衰老的自由基理论也提出了延长寿命的化学方法：增加细胞内还原剂浓度，以此清除体内产生的有害氧自由基，保护细胞成分，减缓和推迟衰老过程。通过实验SOD、胡萝卜素、VE、VC等抗氧化剂与动物寿限的关系，支持了该理论。抗氧化抗氧化：清除氧自由基，抑制或消除以及减缓氧化反应的过程。（抗氧化剂）抗氧化剂种类繁多，性质各异，不同的应用领域有不同的分类方法。这里按照它们的来源将其分为两大类，天然抗氧化剂和人工合成抗氧化剂。

天然抗氧化剂：也称为生物抗氧化剂，主要指在生物体内合成的具有抗氧化作用或诱导抗氧化剂产生的一类物质。天然抗氧化剂按照化学结构可分为类胡萝卜素类抗氧化剂、维生素类抗氧化剂、酶蛋白肽类抗氧化剂、黄酮类化合物、多酚类化合物、多糖类化合物、植酸等。

类胡萝卜素类抗氧化剂类胡萝卜素是指与胡萝卜素和叶黄素具有相类似结构的一大类天然色素，在自然界中广泛存在。目前，已知胡萝卜素的成员大约有600多种，大多数具有强的抗氧化功能。类胡萝卜素是一类由8个类异戊二烯单位组成且含有多个双键的碳氢化合物及它们的氧化衍生物。根据类胡萝卜素的化学结构，可以将其分为胡萝卜素和叶黄素。C40H56许多物理的、化学的、生物的因素，例如光辐射、高温、酸、碱、游离卤素、水分状况等，都会影响到类胡萝卜素的稳定性，氧是影响类胡萝卜素的最主要因素。类胡萝卜素是脂类物质，可溶于其他脂类或非极性溶剂中，而不溶于水。天然类胡萝卜素的主要来源是高等植物，特别是黄绿蔬菜和水果。藻类生物及微生物也是类胡萝卜素的重要来源，有待于进一步研究开发利用。维生素类抗氧化剂维生素是人体不可缺少的一种营养素，已经知道的许多维生素是酶的辅酶或者是辅酶的组成分子。大部分维生素不能在人体内合成，或者合成量不足，不能满足人体的需要，必须从食物中摄取。有些维生素（如维生素C、维生素E、辅酶Q10等）具有很强的抗氧化功能，它们能够清除自由基，广泛地应用于药品、食品、保健品、化妆品等行业。维生素E维生素E又称为生育酚，是一类重要的生理活性物质，也是迄今为止发现的无毒的天然抗氧化剂之一。VE由包括α-生育酚、β-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚及相应生育三烯酚等八种物质组成，为色满酚的衍生物。二氢苯并吡喃-6-醇生育酚母体生育三烯酚母体天然生育酚一般是金黄色或淡黄色的粘稠油状物，具有一种温和、特殊的气味。不溶于水而能与乙醇、丙酮、苯、氯仿、乙醚、油等混溶。对热稳定，但容易受氧气影响。生育酚是油溶性抗氧化剂，其抗氧化性在于苯环上的一个羟基可以提供氢原子，与ROO或（R）形成稳定的化合物，而自身形成较稳定的生育酚自由基。··目前，国内外生产维生素E主要有两种方法，天然维生素E提取和化学合成法生产维生素E。天然维生素E广泛存在于动植物中，油料种子、谷物、坚果和绿叶蔬菜中均有相当数量，尤其在小麦胚芽油、玉米胚油和大豆油中含量最高，在动物蛋、肝及鱼肝油中含量也丰富。目前国内外通常在油品加工的副产物中提取天然维生素E。现代生物技术制备维生素E，试图通过富含维生素E的植物细胞的培养，获得天然维生素E。这种方法不受自然资源的限制，是大规模获取维生素E的一条有效途径。这方面的研究工作刚刚开始，要投入工业化生产还有好多工作要做。维生素C维生素C又称为抗坏血酸，是一种已糖衍生物，包括L-抗坏血酸和L-脱氢抗坏血酸。两种抗坏血酸在一定条件下可以可逆的相互转化。抗坏血酸为无色结晶体，易溶于水，微溶于丙酮，在乙醇中溶解度较低。抗坏血酸的水溶液具有显著的酸性。结晶抗坏血酸在空气中稳定，它的水溶液则易被空气和其他氧化剂氧化。抗坏血酸的氧化受到碱、热、光及微量重金属离子的催化而加速，特别是铜、铁离子的催化。维生素C是一种重要的自由基清除剂，它通过逐级供给电子而转变成脱氢维生素C，以达到清除自由基的目的。维生素C是维持人体健康不可缺少的物质，它能参与身体内多种代谢，具有促进体内多种激素合成的生理作用。维生素C的来源有发酵法生产和提取法生产两种。天然维生素C广泛存在于绿色蔬菜、柑橘属水果中。甘蓝、白菜、菠菜、辣椒、桃中富含维生素C。野生中华猕猴桃中维生素C含量很高，是柑橘中其含量的4-5倍。酶、蛋白质、肽类抗氧化剂具有抗氧化作用的酶主要属于氧化还原酶类。用做抗氧化剂的酶类有过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化酶等，由于这些酶类催化效率高，分布广泛，因而是生物体内最主要的清除氧自由基的物质。具有抗氧化作用的蛋白质包括金属硫蛋白、血浆铜蓝蛋白、保护蛋白、肌球蛋白、血红蛋白及血红蛋白-蛋白质复合物、铁蛋白或铁传递蛋白和胆红素—血清蛋白结合物等。

除了有抗氧化作用的酶和蛋白质外，一些肽类如谷胱甘肽、肌肽等也具有相当强的抗氧化作用。酶类的抗氧化机理：①直接去除氧气，如葡萄糖氧化酶通过氧化葡萄糖而消耗食品等物质中存在的氧气；②直接消除机体内或者来自食物、药品、化妆品等中的过氧化物，如过氧化氢酶直接催化过氧化氢和一些有机氢过氧化物的还原反应，超氧化物歧化酶催化O2-歧化为H2O2和O2；③间接消除过氧化物，谷胱甘肽氧化酶只有在供氢体谷胱甘肽等的存在下，才能催化过氧化氢的分解和有机氢过氧化物的还原反应。·

蛋白质类抗氧化剂的抗氧化作用与蛋白质所含巯基或类似酶的活性有关，如金属硫蛋白就是以所含的大量巯基与自由基反应，使自由基还原，巯基则氧化形成二硫键，但与酶类相比，其抗氧化能力要小得多。

小分子肽类的抗氧化机理包括：给抗氧化酶提供氢，如谷胱甘肽；缓冲生理pH值；螯合金属离子和捕捉自由基等，如肌肽。用做抗氧化剂的酶、蛋白和肽类等，其生产制备过程包括原料的选择、酶、蛋白及肽类的提取以及分离纯化等步骤，关键步骤是分离纯化。酶、蛋白和肽类作为天然产物，由于具有很强的抗氧化作用，受到了一定的重视，也得到了广泛应用。黄酮类化合物黄酮类化合物广泛存在于自然界，是一大类重要的化合物。黄酮类化合物在植物的叶子和果实中少部分以游离形式（苷元）存在，大部分与糖结合成苷类，以黄酮苷的形式存在。仅截止到1974年，国内外已发表的黄酮类化合物共1674个（苷元902个、苷772个），截止1993年，黄酮化合物总数已超过4000个。黄酮类黄酮醇类二氢黄酮类二氢黄酮醇类二氢异黄酮类查耳酮类二氢查耳酮类异黄酮类黄酮类化合物多为结晶状固体，少数（如黄酮苷类）为无定形粉末。黄酮类化合物的结构及其存在状态使溶解度有显著差异。一般游离苷元难溶或不溶于水，易溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯、乙醚等有机溶剂及稀碱液中。多数苷类因以离子形式存在，具有盐的通性，故亲水性较强，偏向于较大的水溶性。显色反应常用做抗氧化剂的黄酮类化合物有黄酮，黄酮醇，黄烷酮，黄烷酮醇，异黄酮等。抗氧化机理：1、螯合金属离子，减少其对氧化作用的催化活性，提高氧化反应的活化能，从而阻碍氧化反应的发生。2、黄酮类化合物多具有酚羟基，易氧化成醌类而提供氢离子，氢离子能与自由基反应，从而中断自由基链式反应。3、对一些酶的抑制作用。最近研究发现，黄酮类化合物构效关系对其抗氧化能力有较大的影响。B环羟基取代模式及位置，羟基成苷或甲基化，C环电子性质···B环的酚羟基抗氧化活性最高，而A环的酚羟基最弱，B环中的邻二羟基对黄酮类化合物的抗氧化活性起主要作用。因为含邻位酚羟基黄酮类化合物与自由基反应形成了较为稳定的共轭半醌式自由基，从而中断游离自由基的链式反应，所以具有较强的抗氧化性。目前国内外主要都是从植物中提取黄酮类化合物，根据黄酮或黄酮苷的不同性质给予不同的提取与分离方法。黄酮类化合物中含有消炎、抑制异常的毛细血管通透性增加及阻力下降、扩张冠状动脉、增加冠脉流量、影响血压、改变体内酶活性、改善微循环、解痉、抑菌、抗肝炎病毒、抗肿瘤等具有重要生物活性的化合物，具有很高的药用价值。多酚类化合物广义的多酚类化合物包括两大类，一类是非聚合物，如各种黄酮类化合物、绿原酸、鞣花酸等；另一类是单体酚类聚合而成的低聚体或多聚体，统称单宁类物质，或狭义的多酚类，包括水解单宁和缩合单宁两类。天然存在的酚类化合物约有8000多种，其中黄酮类化合物约占一半。

水解单宁：分子内具有酯键，通常是以一个多元醇为核心，通过酯键与多个酚羧酸相连接而成。水解单宁在酸、碱、酶的作用下不稳定，易于水解。根据水解后产生多元酚羧酸的不同，水解单宁可分为倍单宁（水解后产生没食子酸）、鞣花单宁（水解后产生鞣花酸等）或其它。没食子酸鞣花酸作为多酚分子核心的多元醇种类很多，比如果糖、木糖、其中最常见的为D-葡萄糖，特别是对于鞣花单宁，其核心基本上全为D-葡萄糖。五倍子单宁缩合单宁：黄烷醇的聚合物，分子中的芳香环均以C—C键相连，不易水解，在强酸性条件下缩合成不溶于水的物质。黄烷醇原花青定B-120世纪80年代后，新的植物多酚化合物成批被发现。发现了一类同时含有水解类多酚和缩合类多酚两种类型结构单元的酚类，称为复杂单宁。狭叶栎单宁茶多酚：我国是茶叶生产大国，茶叶资源十分丰富，茶叶有解渴、提神功效。我国在中低档茶叶加工过程中会产生大量的茶末、修剪叶，这些是工业生产茶多酚的主要原料。茶多酚是一种天然的抗氧化剂，其抗氧化能力要比常用的抗氧化剂如维生素C、维生素E、BHA、BHT、TBHQ等要强，同时茶多酚还具有抗癌、抗衰老、降血脂等功效，广泛应用于食品、医药、日用化工等领域。茶叶中的多酚类物质由约30种以上的物质组成，通称为茶多酚，其中以儿茶素类含量最多，至今人们在茶多酚中发现了十多种儿茶素，约占茶多酚总量的60%—80%以上。儿茶素结构通式茶多酚含有两个以上互为邻位的羟基多元酚，故有酚类化合物的通性。茶多酚具有亲水性，溶于水、甲醇、乙醇、乙酸乙醇、丙酮、冰醋酸等溶剂，不溶于氯仿、苯、石油醚。其水溶液具有收敛性，味苦涩。这些多酚类物质具有较强的供氢能力，如儿茶素B环与C环上的酚性羟基具有供氢能力，在氧化过程中生成邻醌类及联苯酚醌，因此是一种理想的抗氧化剂。葡萄中含有大量的多酚类化合物，葡萄籽含有大量原花青素低聚物（OPC），后者是迄今发现的植物来源的最高效的抗氧化物质。多糖类化合物

多糖一般是指由10个或10个以上单糖聚合而成的一类生物大分子。在以往的研究中多糖常当成无效成分被除去，随着20世纪70年代后期对多糖研究的开展，发现部分多糖也具广泛的生物活性，其中有一些多糖对多种活性氧具有清除作用。到目前为止发现的具有抗氧化作用的多糖主要是植物多糖、真菌多糖和藻类多糖。目前对多糖抗氧化作用机理的研究才刚刚起步，很多作用机理还停留在猜测阶段。抗氧化多糖可能的作用机理1、作用于抗氧化酶，通过提高体内原有抗氧化酶的活性，发挥抗氧化作用。2、螯合产生活性氧所必需的金属离子。3、提供氢原子与自由基结合，自身分解成对机体无害的产物。在研究抗氧化多糖的过程中，不少研究显示，多糖的抗氧化性可能是多糖抗肿瘤、抗衰老、抗感染、抗辐射等其他活性的作用机理之一。对已有的抗氧化多糖进行硫酸化、硒化等结构修饰，所得的硫酸化多糖和硒化多糖比修饰前的抗氧化活性也有较大改善。目前抗氧化多糖的应用还很少，其作用机理还有待进一步研究。植酸

植酸化学名称为肌醇六磷酸酯，即环已六醇六磷酸酯，它是肌醇磷酸酯的混合物。肌醇六磷酸酯植酸的构型植酸分子中具有能同金属配合的24个氧原子、12个羟基和6个磷酸基，是一种少见的金属多齿螯合剂。植酸可与Fe2+形成螯合物，从而减少Fe2+媒介氧，阻碍了羟基自由基的形成。另外，植酸可抑制使果蔬变褐腐烂的多酚氧化酶。植酸由于其抗氧化和防腐等功能广泛应用于食品、医药、日用化工等行业。化学合成抗氧化剂通过化学合成的方法得到，称为化学合成抗氧化剂。虽然化学合成的抗氧化剂的安全性一直都是敏感的话题，但是由于化学合或抗氧化剂生产成本低，抗氧化效果好，使用、贮存方便，化学合成的抗氧化剂的生产与应用仍受到重视和关注。

我国目前允许使用的化学合成抗氧化剂有丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、硫代二丙酸、硫代二丙酸二月桂酯(DLTP)、4-己基间苯二酚(4-HR)和乙氧基喹啉等。丁基羟基茴香醚(BHA)我国也称为抗氧剂264。作为抗氧化剂广泛应用于食品行业和石油产品加工、橡胶等领域，是目前国际上广泛应用的抗氧化剂之一，也是我国最常用的抗氧化剂。3-BHA2-BHABHA的抗氧化作用是通过它放出氢原子阻断油脂自动氧化而实现的。3-BHA的抗氧化效果比2-BHA强1.5-2倍，而BHA两者的混合物多少有一定的协同作用。BHA的抗氧化效果是BHT的5倍，同时还有较强的抗菌能力。将其与维生素C、BHT等合用可增强抗氧化效果。成本较高，带有特异的酚类的臭气和有刺激性的气味！二丁基羟基甲苯(BHT)BHT与其他抗氧化剂相比，稳定性较高，抗氧化效果较好，也没有BHA的特异臭，而且价格低廉，仅为BHA的1/5—1/8，是我国生产量最大的抗氧化剂之一，也是目前国际上特别是在水产品加工方面广泛应用的廉价抗氧化剂。

BHTBHT的抗氧化效果较好，与柠檬酸、维生素C或BHA复配使用，能显著提高抗氧化效果。本品也具有一定的抗菌作用，但较BHA弱。叔丁基对苯二酚(TBHQ)TBHQ于1972年被批准用于食品，两个对位的羟基被认为是具有抗氧化活性的部位。TBHQ除具有抗氧化活性外还有一定的抗菌作用并且在铁离子存在下不变色！4-己基间苯二酚(4-HR)没食子酸丙酯(PG)硫代二丙酸二月桂酯(DLTP)抗氧化剂主要作用机制（单个或联合）①减少氧化底物中的局部氧浓度；②消除启动脂质过氧化的引发剂；③结合金属离子，使其不能启动脂质过氧化的羟基自由基或使其不能分解脂质过氧化产生的脂过氧化氢；④将脂质过氧化物分解为非自由基产物；⑤阻断脂质过氧化的反应链，即脂质过氧化的中间自由基，如脂自由基、脂氧自由