羟基自由基介导的壳聚糖-酚类接枝共聚物的合成机理、抗氧化作用的构效关系研究

Phenolic phytochemicals can be used as natural antioxidants in food and pharmaceutical industries because they have potent antioxidant potential. However, the applications of phenolic phytochemicals are greatly restricted by their low bioavailability in vivo, due to the low water solubility and poor stability in the gastrointestinal tract. Recently studies have shown that the water solubility and stability of phenolic phytochemicals can be enhanced by grafting them with biomacromolecules such as polysaccharides and proteins. In this project, chitosan grafted copolymer with four kinds of phenolic phytochemicals (protocatechuic acid, caffeic acid, (+)-catechin and quercetin) respectively are synthesized via a hydroxyl radical mediated method induced by ascorbic acid (Vc) and hydrogen peroxide (H2O2) redox pair system. The synthetic conditions, free radical mediated grafting mechanism, structural characterization, physichemical property, bioavailability and structure-antioxidant activity relationship of chitosan grafted phenolic phytochemicals are investigated. The results obtained are of great importance to reveal the free radical synthetic mechanism and antioxidant mechanism of chitosan grafted phenolic phytochemicals. Moreover, they can also provide a theoretical basis for the applications of chitosan grafted phenolic phytochemicals in food and pharmaceutical industries.

植物酚类化合物具有较强的抗氧化活性，可作为天然的抗氧化剂用于食品和医药工业中。然而，由于酚类化合物在胃肠道中的溶解性和稳定性均较差，造成其在体内的生物利用率较低，极大地限制了其应用范围。近年来的研究表明，通过接枝共聚反应将酚类化合物与多糖、蛋白质等生物大分子共价相连，可提高酚类物质的溶解性和稳定性。本项目以壳聚糖和4种酚类化合物(原儿茶酸、咖啡酸、(+)-儿茶素、槲皮素)为底物，以Vc/H2O2氧化还原对作为羟基自由基引发剂，合成相应的壳聚糖-酚类接枝共聚物；主要对接枝共聚物的合成条件、自由基合成机理、结构特征、理化特性、生物利用率及抗氧化作用的构效关系等进行系统研究。研究结果对于揭示壳聚糖-酚类接枝共聚物的自由基合成机理及其抗氧化作用机制具有重要的意义，同时也将为壳聚糖-酚类接枝共聚物在食品和医药工业中的应用提供理论依据。

本项目以壳聚糖和几种代表性酚类化合物为底物，通过过氧化氢(H2O2)/抗坏血酸(AA)氧化还原对诱导的自由基的引发作用，合成壳聚糖-酚类接枝共聚物，主要研究接枝共聚物的合成条件、接枝反应动力学、自由基反应机理、结构特征、理化特性和抗氧化作用的构效关系。研究结果表明，壳聚糖和酚类的底物浓度、H2O2和AA的摩尔比、pH值、反应时间是影响接枝效率的重要因素。采用电子顺磁共振技术研究壳聚糖-酚类接枝共聚物的合成机理，发现H2O2/AA氧化还原对体系中仅能产生抗坏血酸自由基(Asc•−)，而不能产生羟基自由基(•OH)；同时，Asc•−能诱导壳聚糖分子产生以碳为中心的新的自由基，而•OH仅能水解壳聚糖分子中的β-1, 4-糖苷键，并不能使壳聚糖产生新的自由基。进一步对比利用H2O2/AA和H2O2/Fe2+两种氧化还原对体系合成的接枝共聚物的结构特征和理化特性可知，酚类化合物仅能通过Asc•−而不能通过•OH接枝到壳聚糖分子上。研究结果首次证明H2O2/AA氧化还原对体系诱导的壳聚糖-酚类接枝共聚反应是由Asc•−而不是由•OH介导。体外、细胞和体内抗氧化试验的结果表明，相比于壳聚糖分子，壳聚糖-酚类接枝共聚物具有更强的自由基清除活性；能显著缓解H2O2对RAW264.7细胞的氧化损伤程度，降低细胞凋亡率和细胞内活性氧自由基的产生，有效提升细胞膜的完整性和细胞内抗氧化酶的活力；能显著降低四氯化碳诱导的肝损伤小鼠血清中的谷丙转氨酶、谷草转氨酶和碱性磷酸酶活性，增强肝细胞内抗氧化酶活力和非酶类抗氧化物水平，从而发挥护肝作用。此外，接枝共聚物的抗氧化作用与接枝物浓度、接枝率、多酚的种类以及接枝共聚方法等密切相关。本研究将为壳聚糖-酚类接枝共聚物在食品和医药工业中的应用提供基础。