通过反应动力学研究植物提取物中的抗氧化机制，以抑制油脂的自动氧化

《Applied Food Research》：Mapping Antioxidant Mechanisms in Plant Extracts via Reactivity Kinetics Inhibiting Oil Autoxidation

植物提取物抗氧化活性及动力学机制研究。通过超声波辅助提取3个植物家族（Asteraceae、Lamiaceae、Rosaceae）15种植物的酚酸和黄酮类化合物，利用等温热力学法测定抑制动力学常数（k_inh），发现Lamiaceae植物因富含高活性迷迭香酸表现最佳抗氧化性能（k_inh达2.8×10^4 M?1s?1），且整提物k_inh低于单一活性成分，提示多酚协同与竞争效应。

　　植物提取物中的天然抗氧化剂在食品保存中扮演着重要角色，尤其是在抑制油脂氧化过程中。本研究聚焦于来自三个植物科（菊科、唇形科和蔷薇科）的15种植物提取物，探讨其对向日葵油自氧化的抑制作用。研究采用了超声辅助提取技术来获取提取物，并通过等温热量计在30°C下监测自氧化动力学。结果表明，其中11种提取物表现出显著的抗氧化活性，其抑制速率常数（k_inh）处于10⁴ M^-1s^-1的范围内。特别是Satureja montana和Tagetes erecta表现出最高的k_inh值，显示出这些植物提取物在抗氧化方面的潜力。

为了深入理解抗氧化机制，研究进一步分析了提取物中的植物化学成分，并测试了其中的主要酚类化合物。结果显示，罗勒酸（rosmarinic acid）的k_inh值最高，其次是槲皮素（quercetin）≈咖啡酸（caffeic acid）>儿茶素（catechin）>绿原酸（chlorogenic acid）>没食子酸（ellagic acid）>木犀草素（luteolin）。整体提取物的k_inh值低于单个最活跃化合物的值，这表明提取物中不同反应活性的成分之间存在竞争性相互作用，从而降低了整体抗氧化效果。这一发现强调了在复杂系统中，抗氧化剂的协同或拮抗作用对最终性能的影响。

唇形科植物因其富含罗勒酸而特别有效于清除过氧自由基，展现出作为天然抗氧化剂替代合成抗氧化剂（如BHT）的潜力。通过将植物化学组成与动力学行为相结合，本研究提供了关于抗氧化剂如何在复杂系统中发挥作用的机制性见解。这些发现支持了在食品保存中使用植物源抗氧化剂，并提出了基于动力学的评估方法，用于衡量复杂混合物中的抗氧化性能。

随着消费者对清洁标签产品的需求增加，食品行业正在逐步用植物来源的抗氧化剂替代合成抗氧化剂。植物提取物不仅在抑制油脂氧化方面具有重要价值，还在生物系统中对抗毒素和环境污染物的损害方面发挥作用。它们通过清除自由基和活性氧（ROS）来防止细胞成分的氧化损伤，从而维持细胞功能并减少不良健康影响。研究还表明，植物化学成分的多样性导致了多种抗氧化测定方法的出现，如DPPH、ABTS、FRAP、ORAC和总酚含量（TPC）。这些方法在初步筛选中是有效的，但它们依赖于在极性溶剂中清除人工自由基，仅提供单点数据，因此与真实食品系统中的脂质过氧基自由基的反应特性存在偏差。

为了弥补这一不足，研究采用了更贴近食品体系的抗氧化测定方法，如通过碘量法或比色法测定过氧化物，通过分光光度法测定共轭二烯，以及通过气相色谱-质谱（GC-MS）测定挥发性物质如己醛（hexanal）。这些方法虽然提供了更准确的食品体系模拟，但其操作过程较为繁琐，依赖溶剂，且无法连续监测，因此缺乏动力学数据。此外，这些方法容易受到干扰，且不同实验室的实验条件不一致，导致结果存在差异。

研究强调，抗氧化剂研究不应仅限于识别具有活性的提取物，而应深入理解自由基淬灭的机制、反应速率、特异性以及成分之间的相互作用，以优化其在食品保存和健康应用中的使用。然而，评估复杂植物提取物中的抗氧化活性是一项挑战，因为其成分如酚酸、黄酮类和类胡萝卜素可能通过协同或拮抗作用相互影响，导致矩阵效应，使得标准测定方法无法区分这些影响。这种相互作用掩盖了结构-活性关系，限制了其在真实食品或生物系统中的相关性。因此，对快速反应化合物和整体提取物进行比较反应性分析，有助于揭示影响抗氧化性能的贡献动态。

酚类抗氧化剂通常通过中和过氧基自由基来抑制脂质氧化传播，这被称为链断裂机制。它们的有效性最好通过抑制速率常数（k_inh）来衡量，该常数代表清除过氧基自由基的速率常数，必须大于氧化传播速率常数（k_p）才能有效竞争氧化底物。这确保了即使在低浓度下，抗氧化剂也能与自由基反应，从而阻止氧化过程。因此，动力学参数如k_inh提供了更准确和全面的抗氧化性能评估，特别是在复杂的食品矩阵和植物提取物中，成分之间的相互作用至关重要。

基于这一背景，本研究旨在评估来自三个不同科的15种植物提取物在抑制向日葵油自氧化方面的反应动力学。使用超声辅助提取技术获取提取物，并通过高效液相色谱-高分辨率质谱（HPLC-HRMS）分析其酚类成分。随后，将提取物加入去除了天然抗氧化剂的向日葵油（SSO）中，并通过AIBN（2,2′-azobis(isobutyronitrile)）启动氧化反应，以维持稳定的自由基流。氧化动力学通过等温热量计在30°C下监测，并使用之前开发的动力学模型来计算天然提取物的抑制速率常数（k_inh）。此外，还评估了提取物中主要酚类化合物的k_inh值，以更好地理解这些复杂混合物的反应性。这些分析帮助绘制了植物提取物的抗氧化动力学，并通过与单个酚类化合物的比较，提供了关于其抗氧化机制的见解，从而评估其作为天然抗氧化剂替代品的潜力。

在实验方法部分，研究使用的植物样本来自不同科，包括菊科的Artemisia absinthium、Calendula officinalis、Leontopodium alpinum、Marticaria chamomilla和Tagetes erecta；唇形科的Hyssopus officinalis、Mentha piperita、Mentha suaveolens、Thymus vulgaris和Satureja montana；以及蔷薇科的Alchemilla xanthochlora、Alchemilla alpina、Rosa canina、Rosa damascene和Rubus idaeus。这些植物样本由意大利博尔扎诺的公司Kr?uter Schl?ssl提供，种植在海拔800-1200米的地区，并由供应商干燥。干燥的样品被密封在纸袋中，在黑暗中储存，直到研磨和提取。提取前，植物被研磨成均匀的颗粒（< 250 μm），并使用含有钛制探针（直径22 mm）的超声系统，在60%功率下提取30分钟，温度保持在30°C。提取后的样品经过过滤和减压蒸发，并使用实验室冷冻干燥机去除水分。最终提取物以约10 g/L的浓度重新悬浮在甲醇中，并在-80°C下储存。

为了分析植物化学成分，研究使用了HPLC-HRMS技术，将提取物稀释20倍后进行分析，确认了多种酚类化合物的存在，如罗勒酸、绿原酸、没食子酸、槲皮素、儿茶素、木犀草素、咖啡酸等。此外，其他化合物通过与文献数据、PubChem 2025更新、FooDB版本1.0和mzCloud HighChem LLC的比较进行识别。由于研究重点在于链断裂抗氧化活性，因此将占总离子色谱图（TIC）面积低于0.1%的化合物排除在进一步分析之外。这些分析结果揭示了不同科植物提取物中的独特酚类成分，并帮助理解其抗氧化机制。

在抑制自氧化动力学部分，研究使用等温热量计测量氧化速率，并通过之前开发的动力学模型计算抑制速率常数。此外，研究还评估了主要酚类化合物的k_inh值，以比较其在不同提取物中的反应性。结果显示，罗勒酸的k_inh值高于槲皮素和咖啡酸，而木犀草素的反应性最低。这一结果与先前的研究一致，表明酚类化合物的抗氧化活性与其结构特性密切相关，如羟基的数量、位置和可及性，以及分子内的共轭结构。这些因素共同决定了其电子转移和过氧基自由基捕获能力。

研究还发现，不同植物提取物的诱导时间（τ）存在显著差异，其中唇形科植物的τ值最长，而菊科和蔷薇科植物的诱导时间较短。这表明不同植物提取物中的抗氧化成分含量和反应活性存在差异，从而影响其抗氧化效果。此外，研究还指出，不同植物部位的使用可能也对提取物的抗氧化活性产生影响。然而，这些数据仅用于相对比较，因为复杂提取物中的不同分子可能通过协同、加成或拮抗作用相互影响，从而影响诱导时间、整体抗氧化保护和氧化稳定性。

研究还探讨了植物提取物的抑制速率常数（k_inh）与单个抗氧化剂之间的关系。结果显示，尽管某些提取物的k_inh值与单个化合物相似，但整体提取物的k_inh值通常较低，这表明提取物中不同成分之间的竞争性相互作用降低了整体的抗氧化性能。这一发现强调了在复杂系统中，抗氧化剂的反应活性不仅取决于单个成分，还受到其他成分影响。

最后，研究总结指出，这些植物提取物在抑制向日葵油自氧化方面表现出显著的抗氧化活性，其效果与提取物的酚类成分密切相关。其中，唇形科植物因其高含量的罗勒酸而表现出最佳的抗氧化性能，这使得它们成为合成抗氧化剂（如BHT）的潜在替代品。研究还强调了未来研究需要从实验室规模向工业规模扩展，采用绿色提取技术（如超临界CO₂）以降低生产成本和环境影响。同时，还需要探索这些植物提取物在高温条件下的抗氧化效果，并评估其对食品感官特性和长期稳定性的影响，以确保其在实际应用中的有效性。这些研究将有助于满足消费者对清洁标签产品的需求，并推动植物源抗氧化剂在食品保存中的应用。