血红蛋白介导的日光诱导食用油脂质氧化与降解：对食品系统可持续性的启示

《Food Science & Nutrition》：Sunlight-Induced Lipid Oxidation and Degradation of Edible Oil Mediated by Hemoglobin: Implications for Food System Sustainability

　　

脂质氧化是影响食用油品质、安全性和货架期的主要因素之一。本研究以红细胞来源的血红蛋白（Hb）作为天然生物催化剂，在水相体系中研究了日光诱导的食用油氧化。仅在可见光照射、存在Hb和氧气的条件下观察到显著氧化。过氧化值（PV）迅速升高，在2.5小时内达到9.7 meq O2/kg，随后不饱和脂肪酸发生降解，表明发生了二次氧化反应。质子核磁共振（1H NMR）分析显示，乙烯基质子减少31.2%，双烯丙基质子减少36.9%，同时在δ 9.5 ppm处出现醛基质子信号，证实了丙二醛（MDA）的生成。蒽漂白实验（33%）及叠氮化钠（NaN3）的抑制作用支持了单线态氧（1O2）的生成，而丁基羟基甲苯（BHT）的抑制效果则表明自由基介导的氧化途径同时参与其中。与孟加拉玫瑰红和高锰酸钾（KMnO4）相比，Hb表现出更高的光降解活性，这可能归因于单线态氧生成与高铁基介导的（HbFe(IV)═O）氢抽提作用的协同贡献。本研究不仅加深了对血红蛋白介导光氧化这一尚未充分探索机制的理解，还为探索食品来源的血红蛋白作为天然丰富的光敏剂用于富含脂质废水处理提供了科学依据。

论文解读

一、研究背景与意义

脂质氧化是影响食用油品质、营养价值和货架期的主要因素之一，氧化劣变会导致氢过氧化物、醛类及其他次级氧化产物的形成，进而对食品的风味、安全性和消费者接受度产生不利影响。在各类氧化途径中，脂质光氧化是导致氧化劣变的重要途径之一，深入理解其潜在机制对于制定增强食品稳定性、优化储存条件和改进加工工艺的策略至关重要。

与此同时，食用油加工和食品制造过程会产生富含脂质的废水，对环境和工艺技术构成重大挑战。传统的氧化处理技术，如臭氧氧化和芬顿（Fenton）工艺，虽能有效降解有机污染物，但通常需要苛刻的化学氧化剂和能耗密集的操作条件。因此，开发利用天然生物分子、以光驱动为特征的可持续绿色策略引起了越来越多的关注。

血红蛋白（Hb）是动物组织和屠宰场副产品中含量丰富的含血红素蛋白，传统上以其在肌肉食品中的氧运输功能而闻名。然而，血红素蛋白也被认为是肉类及其他食品基质中脂质氧化的重要介导者。血红素辅基由铁中心卟啉结构组成，可参与促进脂质自由基生成和传播的氧化还原反应。在光照条件下，血红素体系可能进一步生成包括单线态氧（¹O₂）在内的活性氧物种，从而加速氧化过程。已有研究表明，基于卟啉和血红蛋白的体系可在可见光下促进脂肪酸和脂质的有氧光氧化。

本研究旨在阐明以红细胞来源的血红蛋白为天然光敏剂，在水相食用油体系中介导日光诱导脂质氧化的机制。其创新之处在于使用结构完整的红细胞来源血红蛋白作为天然光敏剂，在水-油界面处、日光条件下开展工作，将机制光化学与仿生条件相衔接，并在单一天然体系中整合单线态氧途径和自由基/血红素驱动途径，从而评估它们在脂质降解中的联合作用。该研究不仅增进了对血红蛋白介导光氧化这一尚未充分探索机制的理解，还为探索血液来源蛋白作为低成本、天然丰富的光敏剂用于未来食用油加工富含脂质废水的处理提供了基础。

二、主要技术方法

研究人员采用了多种关键实验技术开展研究。红细胞膜按照Dodge等（1963）的标准方法制备，血红蛋白浓度通过紫外-可见分光光度法在407 nm处基于Soret吸收带进行验证。光降解实验使用配备276个LED灯（1 W，2.3 V；380–780 nm；59,660 lx；8.74 mW cm^?2）的太阳模拟器，在25°C、常压、水/乙腈（9:1，v/v）体系中持续通气照射2.5小时。过氧化值（PV）采用Barthel和Grosch（1974）描述的碘量法测定。产物分析采用¹H NMR波谱法（Bruker AMX 300 MHz）检测脂肪酸组成变化及丙二醛（MDA）生成。单线态氧的生成通过蒽漂白实验（375 nm处吸收变化）直接评价，并通过添加叠氮化钠（NaN₃）和丁基羟基甲苯（BHT）进行淬灭实验验证。所有实验独立重复三次（n = 3），采用SAS软件进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较检验，显著性水平设为p < 0.05。

三、研究结果

3.1 日光下食用油的光催化氧化

研究人员采用红细胞作为含血红蛋白的天然体系，为血红蛋白提供生理相关基质以保持其天然结构和氧化还原性质。经24小时模拟日光照射后，食用油/血红蛋白混合物的浊度和黄色逐渐降低。紫外-可见分析显示血红素体系特征性Soret吸收带强度下降69.8%，表明照射期间血红蛋白发色团发生了显著光化学变化。对照实验表明，在黑暗条件、无血红蛋白条件以及限氧条件下均未观察到明显氧化，证明血红蛋白、氧气和光照三者同时存在是高效光氧化的必要条件。添加强自由基淬灭剂BHT显著降低了食用油氧化，支持了通过氢抽提产生的碳中心自由基的参与；添加单线态氧清除剂NaN₃也显著抑制了脂肪酸氧化，证实了¹O₂对光氧化过程的重要贡献。这些淬灭实验为单线态氧和自由基介导反应双重氧化途径的共存提供了证据。此外，PV在照射前2.5小时内逐渐升高，达到最大值9.7 meq kg^?1，随后略有下降，归因于不稳定的初级氢过氧化物分解为次级氧化产物。

3.2 脂肪酸氧化途径的产物级NMR证据

¹H NMR分析揭示了光照诱导的食用油脂肪酸组成变化。乙烯基质子信号（δ 5.2–5.4 ppm）减少31.2%，双烯丙基质子信号（δ 2.7–2.8 ppm）减少36.9%。双烯丙基质子更大程度的消耗与自由基介导脂质氧化途径中典型的氢抽提反应一致，可能涉及高价态血红素中间体。在δ 9.5 ppm处出现新的醛基质子共振，证实了丙二醛（MDA）的生成——这是晚期脂质过氧化和氧化链断裂过程的公认标志物。这些光谱特征表明¹O₂介导的烯反应和高铁基驱动的自由基途径可能在该光反应体系中同时运行。

3.3 蒽漂白作为单线态氧探针

在血红蛋白-食用油体系中，研究人员使用蒽作为¹O₂探针直接评价单线态氧生成。蒽在375 nm处的吸收带在可见光照射4小时后发生约33%的光漂白，表明形成了相应的内过氧化物产物。添加NaN₃作为¹O₂淬灭剂显著抑制了漂白过程，证实蒽降解主要由¹O₂相关反应驱动而非替代性自由基途径。这些发现证明血红蛋白可在温和日光条件下作为有效的天然光敏介质生成单线态氧。

3.4 溶剂对光氧化效率的影响

极性有机溶剂的添加显著影响了血红蛋白存在下食用油的光氧化效率。观察到的氧化活性顺序为：乙腈 > 乙醇 > 丙酮 > 甲醇 > 二甲基亚砜（DMSO）。这一趋势与已报道的单线态氧溶剂依赖性寿命一致，¹O₂在乙腈中寿命较长（约65 μs），而在DMSO中较短（约19 μs）。此外，DMSO等强配位溶剂可能抑制活性高铁血红素中间体（HbFe^(IV)═O）的形成并抑制相关的自由基/高铁基介导氧化途径。因此，DMSO中较低的氧化效率可能归因于其对单线态氧和高铁中间体的更强淬灭效应。

3.5 血红蛋白与标准氧化剂的比较

基于PV（meq O₂/kg）的食用油光降解速率顺序为：血红蛋白（9.7）> 孟加拉玫瑰红（6.8）> 高锰酸钾（KMnO₄，2.1）。孟加拉玫瑰红是¹O₂的选择性生成剂，而KMnO₄介导经典电子转移氧化途径。血红蛋白的优越性能表明，¹O₂生成与高铁基介导氧化的协同贡献可能比单一途径氧化剂产生更强的氧化活性。

四、讨论与结论

4.1 讨论部分总结

讨论部分提出，血红蛋白通过两种可能途径促进脂质氧化：¹O₂介导氧化和自由基介导反应。单线态氧的贡献得到多项观察结果支持，包括蒽漂白、NaN₃抑制、与¹O₂寿命差异一致的溶剂依赖性氧化模式，以及伴随乙烯基位点选择性氧化的MDA生成。相比之下，高铁基（HbFe^(IV)═O）型物种的形成未在本研究中直接确认，其可能参与是基于间接证据提出的，包括BHT的抑制效果、¹H NMR观察到的双烯丙基质子信号减少以及DMSO对氧化行为的影响。这些观察与高价态血红素物种相关的氢抽提反应一致。血红蛋白表现出比孟加拉玫瑰红和KMnO₄更高的氧化效率，表明其活性源于单线态氧化学与额外自由基途径的联合作用，而非单一主导机制。

研究人员提出的双重氧化机制为：光照下，¹O₂途径通过乙烯基位置的烯型反应引发氧化，导致氢过氧化物形成和脂质结构弱化；与此同时，高铁血红素相关途径可能通过氢抽提反应在双烯丙基位置促进氧化，推动次级自由基反应和脂肪酸链降解。甘油质子信号的扰动表明甘油三酯骨架中–CH₂–O–CO–酯键发生降解，这是晚期脂质过氧化的特征，其中自由基驱动的β-断裂裂解了连接脂肪酸与甘油的酯键。

在环境意义方面，血红蛋白是肉类加工行业副产物中可生物降解的食品来源蛋白，其丰富性、低成本和可再生性使其成为循环食品系统中动物加工废弃物增值利用的候选材料。作为光响应介质，它可在无需合成氧化剂的情况下实现富含脂质废水的日光驱动氧化，为食品工业废水处理提供了更绿色、更资源高效的方法。

4.2 研究结论翻译

本研究主要提供了对红细胞来源血红蛋白介导的日光诱导脂质氧化机制的深入认识。综合实验证据支持单线态氧介导氧化与可能的自由基相关途径共存，但未获得高铁中间体的直接光谱证据。除增进了对血红蛋白介导光氧化的理解外，研究结果还表明血液来源蛋白可作为低成本、可持续的光敏剂，用于未来富含脂质废水的处理。这些途径的协同作用促进不饱和脂肪酸的广泛氧化，导致氢过氧化物形成、MDA生成和脂质渐进性降解。鉴于血红蛋白的可生物降解性、作为肉类工业副产物的丰富性以及低成本，它代表了循环食品系统中增值利用的有前景候选材料。未来工作应聚焦于蛋白质稳定化、固定化策略和仿生杂化材料，以提高光氧化性能并实现可扩展的太阳能驱动应用，用于食品加工行业富含脂质废水的处理。