丙二醛的毒性作用及检测技术研究进展

翟晓虎，杨海锋，陈慧英，何卫华，杨俊花*

（1江苏农牧科技职业学院，泰州225300；2上海市农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所，上海201403；3江西工业贸易职业技术学院，南昌330038）

丙二醛是生物体脂质过氧化产生的产物，为1，3-双不饱和醛结构，化学性质活泼，具有亲电子性。生物体内，自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化终产物为丙二醛，会引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，且具有细胞毒性。故在科学研究中常将MDA作为机体氧化应激和脂质过氧化的重要生理指标。过量的MDA蓄积，不仅能降低动物体能、损伤神经，还能破坏肠道细胞结构，影响线粒体功能［1-3］。MDA作为饲料油脂氧化酸败重要的有毒有害物质之一，畜禽摄入后极易引起氧化应激，导致组织细胞膜结构受损、流动性下降，肝脏抗氧化能力降低，动物生产性能和肉品质也下降，给畜牧业造成巨大的经济损失［4-5］。此外，过量的MDA极易在动物源性产品中蓄积，最后通过食物链进入人体，损害健康。因此，本文结合国内外文献报道综述了关于MDA的理化性质、来源、代谢途径、毒性作用及检测技术的研究进展，旨在为揭示油脂酸败致MDA蓄积引起的健康危害和畜禽生产性能下降作用机制提供参考。

1 丙二醛的理化性质

MDA是一种挥发性短链小分子化合物，含两个结晶水，呈无色针状晶体，60℃下真空干燥可得无水物。相对分子量为72.06，熔点72—74℃，水溶液呈弱酸性（pKa＝4.46）。MDA纯品在中性条件下稳定，在酸性条件下不稳定，液态或气态下完全烯醇化，形成稳定的烯酸式盐，如MDA的烯醇式钠盐等。

2 丙二醛的来源

工业生产中，MDA主要由乙醛和甲酸乙酯在碱性条件下缩合而成，并在高压真空下进一步升华精制，常用作医药中间体、感光色素的原料。在生物体内，MDA是二十烷基类物质（如：花生四烯酸）酶促降解的副产物，以及多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acid，PUFA）氧化降解的中间产物。在花生四烯酸的氧化降解过程中，首先经脂肪酸环化酶催化形成9，11，15-过氧化氢衍生物-前列腺素G2（Prostaglandin G2，PGG2），再由前列腺素过氧化酶催化生成前列腺环素、前列腺素、血栓烷的活泼中间体-PGH2（Prostaglandin endoperoxide H2），最后在血栓烷合成酶的作用下，约有30%形成MDA［6］。另外，很多学者认为MDA是PUFA在热酸或金属催化下形成的不稳定二级产物，推测含有三个或者多个共轭双键的PUFA在氧化过程中形成含有β、γ共轭双键的过氧化氢自由基或形成易氧化、环基化的含氧桥自由基（含三碳两氧的五元环），而后这种过氧化物发生分子内断裂生成MDA［7］。臭氧、氮氧化物、氧过多和某些外源性物质等环境因素也能促进体内脂质过氧化的发生。此外，高度不饱和酸的累积、维生素E或硒缺乏以及组织损伤等都能诱导金属催化脂质过氧化的发生，导致过量的MDA产生［8］。另外，在电离辐射或氧化应激条件下，蛋白质、核苷酸、糖类等多种非脂类生物分子降解也可产生MDA［9］。

3 丙二醛的代谢转化

在正常饮食或生理状态下，会产生较多的内源性MDA，但哺乳动物有其完善的MDA促降解途径，使机体内MDA的生成和降解基本保持动态平衡。MDA的代谢途径主要包括两部分：（1）首先MDA衍化生成乙醛，其次在醛降解酶的作用下生成CO2和少量乙酰辅酶A或丙酰辅酶A，CO2直接排出体外，乙酰辅酶A或丙酰辅酶A进入其他代谢循环，如脂质合成途径。（2）代谢酶直接将MDA及脂质过氧化产生的其他醛类还原成相应的醇，直接解除醛的毒害作用［7］。其他资料显示，MDA还可通过生成丙二酸盐类被消耗。此外，由于MDA对酸不稳定，其代谢产物中只有极少量以原型分泌到尿液中，大都以N-乙酰-ε（2-丙烯醛基）赖氨酸（简写：ε-PL）的形式出现［8］。给大鼠灌胃14C标记MDA，12 h后MDA分别经CO2、粪便、尿液的排泄量为60%—70%、5%—15%和9%—17%［10］。

4 丙二醛的毒性作用

MDA不仅是生物体氧化应激的标志物，同时它还具有很强的毒副作用。其毒害机制可能是它易与生物分子中的初级氨发生非特异性反应，导致分子内或分子间发生交联反应［11］。MDA与核苷酸碱基反应形成多种加合物，如M1G、M2G、M1A、M3A、M1C、M3C。这些加合物是由MDA上具有强亲电子性的1，3-双不饱和醛基与亲核物质如赖氨酸、组氨酸等氨基酸残基和蛋白质发生反应，进而诱导DNA和蛋白功能发生改变［12-13］。有研究指出，M1G不仅降低DNA的复制速度，对大肠杆菌也有致突变作用［14］。Chuan等［15］给人类RKO和H1299细胞系添加1 mmol/L的MDA，作用24 h后细胞内M1G含量显著增加，细胞出现不可逆转的周期停滞。Voitkun等［16］观察发现在MDA作用下DNA-组蛋白发生交联反应，不仅阻碍DNA的正常转录和复制，严重时还会导致染色体断裂、缺失，以及突变和细胞死亡。有报道指出，MDA在体内与赖氨酸残基结合形成N-ε-（2-丙烯醛基）赖氨酸或1-氨基-3-亚氨基丙烯和吡啶-二氢吡啶化合键形成的赖氨酸-赖氨酸交联，是导致动脉粥样硬化的基础［17］，同时MDA引起的胶原蛋白分子间的交联反应，可能是心血管硬化的主要原因［18］。此外，机体内过高的MDA还可引发严重的细胞毒性、遗传毒性、神经毒性、致突变或致癌变作用等。

4.1 细胞毒性

MDA与核苷酸、蛋白质等的亲核加成反应，是其对活体细胞产生毒害作用的基础。Yin等［19］研究发现MDA会攻击神经元细胞功能蛋白，改变蛋白活性，进而影响细胞的正常功能。给三周龄SD大鼠侧脑室注射MDA，电镜观察发现不同浓度的MDA处理都会对大鼠海马CA1区神经元细胞内线粒体造成不同程度损伤，如线粒体嵴变模糊或消失等，且MDA浓度越高，线粒体损伤越大［2］。其他研究发现，MDA能引起神经元突触变短、胞体肿胀，抑制质膜Ca2+-ATPase活性，破坏神经元胞质游离Ca2+稳态，诱导细胞凋亡或死亡［20］。还有研究表明，MDA还可抑制NADH和琥珀酸呼吸链、降低电子传递链复合物I、II、V的活性以及脑神经元细胞中线粒体膜电位，促进ROS的产生，降低SOD活性和GSH水平，加剧线粒体蛋白质的羰基化程度［21］。

MDA对肝细胞的代谢也有影响，用不同浓度MDA体外干预大鼠肝线粒体，结果发现MDA对线粒体呼吸链及α-酮戊二酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶均有不同程度的影响，且不同酶对MDA的敏感程度不同［22］。体外人骨髓间充质干细胞研究显示，高体积浓度的（10－3mol/L、10－4mol/L）MDA还能使细胞数减少，群体倍增时间延长，细胞活力降低，凋亡率增加，G2/M期和S期的细胞百分率明显增加［23］。红细胞试验发现MDA可通过羰基应激造成其损伤，并诱导血液粘度增加［24］。可见，MDA主要通过改变蛋白活性、损伤线粒体、抑制膜电位、电子呼吸链功能、阻滞细胞周期等作用来诱导细胞凋亡，产生毒害作用。

4.2 神经毒性

MDA的神经毒性可能是源于对神经元细胞功能以及线粒体损伤作用的不断累积，从而诱导神经元细胞凋亡。Morris水迷宫方法（包括定位航行实验和空间探索实验）研究发现，侧脑室注射MDA不仅显著影响SD大鼠的逃避潜伏期，同时还影响对水下平台所在象限的准确记忆，显著降低大鼠的空间学习、记忆能力［2］。李莉等［1］研究腹腔注射MDA对昆明小鼠体能行为（游泳、爬杆）的影响，结果发现一次性给药或长期给药MDA对小鼠的体能影响均达到了显著水平。可见，MDA不仅导致大脑学习记忆能力的损伤和衰退，还能影响动物的体能，对生物体的运动机能也具有毒害作用。

4.3 遗传毒性

MDA的遗传毒性可能与其和不同核苷酸反应形成加合物有关。Vander等［25］指出MDA能引起基因碱基对置换或移码突变。其他遗传毒性试验表明，MDA不仅能使大鼠皮肤成纤维细胞产生微核，10－4mol/L和10－3mol/LMDA分别处理12 h后可致14%和34%的染色体发生畸变，24 h后畸变率分别达到46%和52%［26］。Heddle等［27］研究发现MDA的微核试验中产生无着丝粒片段，引发染色体断裂。同时，在细胞分裂后期MDA能诱导产生滞后染色体，引起主轴异变，使染色体出现不均等分裂。可见，MDA的遗传毒性主要是引起基因突变、微核产生以及染色体畸变等。

4.4 致突变和致癌毒性

早在1976年，Mukai等［28］就用Ames试验证实了MDA对鼠伤寒沙门氏菌具有致突变作用。随后，有研究表明20 mM MDA可对淋巴瘤细胞株产生细胞毒性，同时诱导大量的突变体细胞出现［29］。给Fischer大鼠灌胃100 mg/kg MDA钠盐两年，可诱导甲状腺滤泡细胞癌、胰岛细胞腺瘤以及垂体前叶腺癌等发生，但对B6C3F1小鼠进行类似试验，却未观察到癌变率增加［30］。目前的国内外动物试验数据都不足以证明MDA对人体有致癌性，但对胃癌、肝癌、糖尿病和心血管疾病等患者血液中MDA的含量检测发现，这些患者体内MDA的水平要远高于正常人群［31］。可见，MDA不仅具有致突变作用，长期饲喂高剂量还可能诱导癌症的发生，但对人体的作用还有待进一步试验研究。

4.5 其他

MDA的其他研究发现，给8周龄雄性ICR Swiss小鼠灌胃90 d，肝细胞核呈现不规则，大小不一，染色过深，有的还形成空泡，并且肝脏的病变呈剂量-效益关系。然而，雌性ICR Swiss小鼠持续一年通过饮水摄入0.1 mg/（kg·bw）、1 mg/（kg·bw）、10 mg/（kg·bw）不同剂量的 MDA，其他组织未观察到任何变化，只有肝脏发生严重损伤、肝脏脏器系数显著降低，病理组织学显示肝细胞出现结节性增生、肝细胞瘤和血管瘤等病变［32］。草鱼研究指出，MDA会引起肝胰脏氧化应激，并可通过影响细胞线粒体内部结构来损伤草鱼肝胰脏，增加其发生脂肪性肝炎的机率［3］。故可推断，肝脏可能是MDA毒性作用的靶器官，因此很有必要对畜禽饲料中油脂的酸败程度特别是MDA含量开展安全评估工作。

5 丙二醛的暴露现状

MDA作为脂质过氧化主要的产物之一，在酸败食品中含量很高。根据美国国家医学图书馆的统计资料显示，MDA在鱼肉、鱼油、腐败的鲑鱼油、腐败的坚果、腐败面粉、橙汁、植物油、脂类、新鲜的冷冻青豆、牛奶、牛奶脂肪、黑面包、生（熟）肉中都有检测到。1983年，美国居民从鱼和肉类中摄入MDA的日均量为0.2μg和0.6μg［33］。目前，关于我国居民食用油脂及油脂饲料中MDA的含量检测报道较少，只有覃勇荣等［34］检测了桂西北65种常见石山植物叶片中MDA的含量范围为0.0052—0.0381μmol/g。其他报道只是将MDA作为评判大米陈化，面粉、腊肉、食用油、饲料以及坚果储存过程中油脂酸败的一个指标，这可能与我国还没有建立食品以及饲料中MDA安全限量的标准有关。随着饮食结构的改变，我国人民生活水平的逐渐提高，MDA的日摄入量可能增加。高油脂食品作为人体MDA摄入的主要途径，故对高油脂食品中MDA进行监测和开展安全限量研究很有必要。

6 丙二醛的检测方法

MDA能与核苷酸、蛋白质等亲核物质反应，发生氧化损伤或其他生理作用。在生物和医药科学中，MDA常作为肝脏和机体等氧化应激的生物标志物。而在不同种食品，特别是高油脂食品MDA常作为判定油脂酸败的标志物。因此，不断提升和改进MDA的检测方法对准确判断机体损伤和油脂酸败具有重要意义。

6.1 比色法

硫代巴比妥酸（TBA）比色法是检测MDA含量的传统分析方法。该法利用过氧化降解产物中的MDA与硫代巴比妥酸（TBA）在高温（80—100℃）和酸性条件下以1∶2的比例缩合，形成的红色的MDA-TBA加合物，于532 nm处有最大吸收峰来进行测定［35］。此方法的优点是仪器简单，易于快速操作、简便、成本低廉，从而被广泛采用。而比色法的缺点是灵敏度低、选择性不强，常出现假阳性。这主要是由于在高温、酸性条件下，不仅MDA会与TBA反应，脂类氧化产生的其他醛类物质也能与TBA发生反应。因此，TBA与MDA的反应不具有特异性。

6.2 高效液相色谱法

高效液相色谱法是定量分析MDA的方法，可实现MDA的定性、定量、确证同时进行。为了取得理想的检测效果，常需综合考虑流动相、色谱柱、柱温和检测器等条件，优化最佳配比。课题组前期工作中已采用高效液相色谱法（HPLC）及荧光检测器建立了饲料中MDA的检测方法，并制定了国家标准GB/T 28717—2012。该方法的检测限为0.015 mg/kg，定量限为0.05 mg/kg［36］。跟比色法相比，该方法特异性高、灵敏度强。然而，该法也存在诸多不足，如检测器灵敏度有限，耗时长，回收率和分子组分会受环境因素影响等。

6.3 其他方法

孔汶汶等［37］开拓性的应用近红外光谱技术实现了除草剂胁迫下大麦叶片中MDA的简便、无损和快速检测。其他研究还开展了MDA的液相色谱-质谱联用仪（Liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、气相色谱-质谱联用仪（Chromatograph-mass spectrometer，GC-MS）、液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）、气相色谱串联质谱法（GC-MS/MS）等。如 Shin等［38］用 GC-MS法检测人体尿液中MDA的检测限为0.04μg/L。Syslová等［39］在用LC-MS/MS分析哈气中的MDA含量，检测限可低至0.032μg/L。这些技术增强了MDA检测的灵敏度和特异性，但由于仪器设备昂贵、样品需要衍生化等要求限制了方法的广泛应用。

7 结论

随着人类对精密仪器和分子生物学的研究，将会进一步揭示MDA毒性作用的机理，并提出更高灵敏度和特异性的检测方法标准。然而目前国内外对MDA的毒理试验研究还较少。随着人类饮食习惯、膳食结构的变化，现代社会人们对油脂类食品的摄入量日益增加，MDA作为脂质过氧化的产物有生物毒性，有对人体健康造成危害的潜在性。因此，对高油脂食品中MDA的毒理试验研究很有必要，这也将给MDA的进一步风险评估提供数据。

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