基于密度泛函理论的植物甾醇光诱导氧化劣变机理的研究

发布时间：2020-06-04 19:57

【摘要】：植物甾醇(Phytosterols,PS)是一种天然存在于食物中的功能成分,具有降低人体血浆中胆固醇、低密度脂蛋白含量,防治心血管疾病等功效。但PS易受热、光照等因素的影响而被氧化形成植物甾醇氧化物(Phytosterol oxidation products,POPs),失去原有的生理功能,影响食物品质,甚至危害人体健康,消费者面临其带来的食用风险正在不断增加。目前研究报道多集中于PS热氧化,鲜见对PS光氧化劣变机理的相关研究,反应过程尚不清楚。而PS光氧化在食品生产、储藏、销售等各环节中时刻发生,探明PS光氧化形成POPs的机理,对于深入理解和控制PS光氧化具有重要意义。但是,反应过程中间体和过渡态的实验检测困难,直到计算机技术及计算方法的发展,才使得对反应机理进行理论研究成为可能。从原子水平上研究PS光氧化反应的机理,有助于获得精确结构和能量信息,进而详细了解反应过程,并阐明反应的选择性。本研究基于密度泛函理论和过渡态理论,从PS光氧化的微观反应和宏观表现两方面研究了 PS光氧化劣变机理,系统构建PS光氧化反应路径,提出关键反应中间体及过渡态的结构,明确反应选择性发生的内在机制,完善了PS光氧化劣变发生、发展的全过程网络,同时还评估了PS光氧化过程中关键外部影响因素的作用规律.主要研究内容和结果如下:1.利用Gaussian09、Multiwfn、VMD等可视化及分析程序研究PS光氧化反应的活性位点,提出PS光氧化可能的反应机理。结果表明,在 M06-2X/6-311+G**-CPCM(eps=3.202)//B3LYP/6-31G*计算水平上,通过分子表面静电势分析、电荷自然布居分析以及前线轨道分析等方法发现PS活性反应位点为母环上的碳碳双键,易与亲电试剂发生反应,能与单线态氧通过ene反应机理发生光氧化。2.研究PS光氧化过程中与单线态氧的反应机理,优化关键中间体及过渡态的结构,构建PS光氧化的反应路径,讨论反应发生的化学选择性及区域选择性。结果表明,在 M06-2X/6-311+G**-CPCM(eps=3.202)//B3LYP/6-31G*计算水平上,PS的优势反应路径是5位氧化反应路径,其通过自由基耦合机理反应形成主要中间产物5-OOH甾醇,产物具有唯一构象,为α型;次要反应路径是6位氧化反应路径,其通过双自由基机理反应产生少量的6-OOH甾醇,其中β构象为主要产物,α构象为次要产物。3.研究PS光氧化过程中后期氢过氧化物重排、异构化机理,完善PS光氧化劣变反应的路径网络,阐明产物变旋的发生机制。结果表明,5-OOH甾醇不稳定,极易发生重排形成7-OOH甾醇。重排反应的主要机理是5α-OOH甾醇解离形成“烯丙基自由基-氧对”,随后重排成7α-OOH甾醇,其高度的立体选择性由溶剂笼效应进行控制,导致优先将氧加到7α位上。异构化机理则是7α-OOH甾醇通过解离机制形成了游离的烯丙基自由基,引入大气的氧而差向异构化成7β-过氧自由基,随后形成7β-OOH甾醇。4.模拟油脂体系中PS光氧化劣变的发生,验证计算建立得到的光氧化机理。并针对易引起PS光氧化降解的光照强度、光敏剂和油脂基质3种因素,探究其对PS降解和POPs生成的影响,构建PS光氧化降解动力学模型。结果表明,POPs 的含量分布情况为 7β-OH7α-OH5β,6β-epoxy7-keto5α,6α-epoxy6β-OH甾醇。其中7位羟/酮产物是主要产物,生成量占总POPs含量的2/3以上;6位产物是次要产物,生成量仅占5.2%,优势构象为β型。计算结果与实验结论具有良好一致性,表明本文所建立的PS光氧化微观机理可靠。光氧化反应中PS的降解遵循一级反应动力学,光照强度的增强和光照时间的延长均能够加快PS光氧化降解速率,加深氧化程度;油脂基质中光敏剂的存在能够促进PS的光氧化但不饱和基质能够抑制PS的光氧化,抑制效果依次为:亚麻酸甲酯亚油酸甲酯油酸甲酯。本研究建立的PS光氧化机理对理论研究和实际生产均具有指导意义,不仅丰富了油脂光氧化反应机理和内涵,是利用量子高精度计算技术进行食品化学理论研究的一次有力探索和充分实践;还为食品产业生产、销售等过程中控制和预防PS光氧化提供了科学依据和支撑,提出了合理的建议。
【图文】：

示意图,氧化机理,示意图,酶促氧化

根据ＣＯＰｓ的形成机理［３９，４Ｇ］，类似的，可将ＰＳ的氧化主要分为酶促氧化及逡逑非酶促氧化两条途径。其中，酶促氧化是指在相关酶的作用下，形成相关代谢产逡逑物活性中间体的过程。非酶促氧化（如图１．２所示），也指自动氧化，包括链式逡逑反应机制驱动的自由基途径和化学计量驱动的非自由基途径［４１］，Ｃ５和Ｃ６位置逡逑之间不饱和双键的存在使得反应容易进行。前者由超氧化物／氢过氧化物／羟基等逡逑活性自由基引发，后者则涉及非自由基活性氧物质，如单线态氧ＣｈＧＡｇ）、ＨＯＣ１逡逑和臭氧（0３）。逡逑通过自由基氧化的优选位点是Ｃ７原子，碳－氢键相对较弱，该键的解离能为逡逑８８千卡／摩尔［４２］。其主要反应机理如下：ＰＳ失去１个Ｈ原子形成的碳自由基［４３］逡逑与３0２反应生成过氧自由基，过氧自由基再夺氢进而形成７ｏ／ｐ－氧过氧化（７ｏ／ｐ－ＯＯＨ）逡逑甾醇。７＜ｘ／ｐ－ＯＯＨ甾醇不稳定，在加热条件下会分解形成更加稳定的７ａ／ｐ－经基逡逑（７ａ／ｐ－ＯＨ）甾醇，也可进一步反应形成７－酮基（７－ｋｅｔｏ）甾醇。同时，ＰＳ和其自由逡逑基之间的相互作用会产生另一种重要的氧化产物——５，６－环氧甾醇（包括５ａ，６ａ逡逑和５ｐ

第一激发态,基态,激发态

１．２．１．１单线态氧结构逡逑与许多分子不同，氧气具有独特的电子结构，其基态３0２（３２ｇ－）是自旋三重态逡逑（Ｔｒｉｐｌｅｔ邋ｏｘｙｇｅｎ），见图１．３邋（ａ）。按照分子轨道理论，氧气的电子排布为逡逑［ＫＫ＾＾ｄ＾Ｃ＾ｐｚ＾ＯＣｐｘ＾ｉ＾ｐｊ＾Ｔ＾ｐｘＶＯｔ＾ｐｙ）１］＃］。氧分子具有顺磁性，其最外层逡逑两个自旋平行的电子分别占据两个不同轨道，其他分子轨道都被双重占据。因此，逡逑它在化学反应中经常表现出类似自由基的行为。当受到能量激发后，基态氧的两逡逑个未成对电子由自旋平行变为自旋相反，可以同时占据一个２Ｐ７！４轨道，成为第一逡逑激发态氧，，即单线态氧（Ｓｉｎｇｌｅｔｏｘｙｇｅｎ），表示为Ｍｇ，见图１．３（ｂ），与基态氧的逡逑能量差值为２２．６ｋｃａｌ／ｍｏｌ；也可分别占据两个２Ｐ７Ｉ＂＂执道，成为能量更高的第二激逡逑发态氧，表示为见图１．３（ｃ），与基态氧的能量差值为３７．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ。第二逡逑激发态氧能量很高
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS201.2

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