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(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002;2.福建农林大学,福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室,福建福州 350002;3.福建农林大学,中爱国际合作食品物质学与结构设计研究中心,福建福州 350002)
近年来,受全球温室效应和城市热岛效应的影响,全球气候变暖,对人类的生存环境带来负面影响的同时,也威胁着人类的身体健康。由于人类所处的环境温度越来越高,受热浪袭击的次数和严重程度也在不断增加,导致与高温环境相关的发病率和死亡率随之增加,如果人体长时间处于高温环境中还会导致中暑,产生头晕、呕吐、抽搐、体温过高以及热休克等症状,严重还可致死亡。
中暑是指长时间暴露在高温环境下或在炎热环境中进行体力活动引起机体体温调节功能紊乱所致的一组临床症候群,其临床特征主要是高热、中枢神经系统功能障碍和心血管功能不全,表现为中心温度>40 ℃,皮肤干燥、痉挛、昏迷、低血压及休克等[1-2]。对于体温超过40 ℃的严重中暑患者,其致死率高达41.7%,若超过42 ℃,则致死率骤升至81.3%。中暑的危害巨大,特别在炎热的夏季,是中暑的高发季节,我们应做好适当的防暑工作,预防中暑发生。在不同的地区,尽管存在气候条件及地理环境的差异,人们选择的防暑方式也会有所不同,但普遍会倾向于多饮用一些水以补充由于体液的损失而造成的水分流失。可多喝水只是补充流失的水分,并不能补充由于体液的流失而造成的电解质缺失。于是人们根据生活经验逐渐寻找到一些植物性功能饮品,如苦丁茶、仙草冻、菊花茶、鱼腥草等,可以增强机体的热耐受性,防止中暑。但目前相关的科学研究还较少,对防暑饮料的评价方法也还不完善,亟需加强基础研究,开发食用安全、方便和有效的防暑饮料,以适应市场需求,降低高温中暑的危害。为此,本文综述了中暑相关机制、防暑措施及功能评价的研究进展,以期为产品开发提供理论参考。
目前,中暑的发病机制主要有以下两种学说[3-5]:其一是HSP70学说。机体在高温环境下,生物体细胞膜及线粒体等受到损伤,一部分蛋白质的结构发生了变化,导致巨噬细胞功能下降,不能及时清除这些变性的蛋白质。而这些变性的蛋白质则变成抗原,同时释放隐藏的抗原,导致作为自身抗原的HSP70抗体的产生,并同HSP70抗原结合,减少HSP70对机体的保护作用,导致机体的热耐受性降低;其二是内毒素学说。当机体的温度升高到一定程度时,可致肠粘膜上皮细胞的阻力减小及旁路开放增加,肠粘膜通透性增强,造成肠道屏障损害,导致大量内毒素通过肠道进入血液,刺激人的单核巨噬细胞释放肿瘤坏死因子-α等细胞因子,在这些细胞因子与内毒素的共同作用下,机体的体温调节发生障碍,引起中暑。
为降低中暑的发生率,目前主要采用以下两种防暑措施。一种是传统防暑降温方法,包括机械通风、改善饮食、合理安排作息时间。机械通风可以加强皮肤表面的蒸发散热,每蒸发1000 g汗可带走约2430 kJ的热量,从而防止或减轻体内热量的过多蓄积,降低中暑的发生率;多吃瓜果蔬菜,适量饮用盐开水或盐茶水,补充体内流失掉的盐分,或饮用一些具有消暑解渴降温等功效的清凉饮料,如菊花茶、绿豆汤等;合理的劳动与作息,可以最大限度的恢复体能,增强机体的热耐受性。另一种措施为药物防暑,包括山莨菪碱、中暑速效喷雾剂、复方人参制剂。唐文春等[6]研究发现,对热应激大鼠静脉注射山莨菪碱,可以抑制热应激大鼠的血压下降,提高大鼠的生存率,说明山莨菪碱对中暑大鼠有一定的预防作用;王伟等[7]研制出将麝香、牛黄、生姜等成分经过提取、精制工艺后制成防中暑速效喷雾剂,能明显的降低热环境下小鼠的肛温及死亡率,且具有使用方便、用药量小、作用迅速等特点;罗炳德等[8]研制的复方人参制剂能有效延长大鼠高温环境下的存活时间,降低其死亡率,说明复方人参制剂可提高小鼠的热耐受能力。
在食品领域的防暑措施中,饮料由于其携带方便、易于获取,深受广大消费者的青睐。同时,由于饮料的品种繁多,可以满足人们多样化的需求,如碳酸型饮料可以通过气体的相变带走体内多余的热量,达到降温的目的;运动型饮料可以以最快的速度补充人体随汗液流失的电解质。在我国传统的饮食习惯中,也常常采用一些药食两用的植物性原料制作防暑饮品。
中国南方属亚热带地区,夏季气温较高,常易发生中暑现象,人们在长期的生活实践中积累了一定的防暑降温经验,各地均有采用常见植物性原料,以熬煮的方式制备防暑饮品的习俗。其中最为常见的物品如下:
苦丁茶是冬青科冬青属苦丁茶种常绿乔木,俗称茶丁、富丁茶、皋卢茶,是我国一种传统的纯天然保健饮料。苦丁茶中含有氨基酸、维生素、多酚类、儿茶素、黄酮类、咖啡碱、可溶性多糖、三萜类、熊果酸等多种成分[9]。冲泡后具有先苦后甘的口感,有清热消暑、生津止渴、利尿强心、润喉止咳、降血糖、降血脂、抑癌防癌、抗氧化、活血脉等多种功效[10-15]。郭俊生等[16]研究发现,苦丁茶可以显著延长热暴露果蝇的存活时间;李向辉等[17]发现在苦丁茶中加入某些微量元素和维生素后,可显著提高果蝇的热耐力,小鼠热暴露实验以及高温游泳实验均证实,强化苦丁茶也能提高小鼠耐热能力。
菊花为菊科菊属植物菊的干燥花,既是名贵的观赏花卉也是药食同源植物。菊花味甘、苦、微寒,具有散风清热、平肝明目、清热解毒之功效。菊花中富含的黄酮类、三萜类、有机酸、氨基酸、维生素、多糖等成分,具有抗氧化、抑菌、抗肿瘤、抗炎、保护心血管等[18-21]作用。张温典[22]研究发现,将菊花提取液添加到果蝇培养基中可显著提高果蝇的耐热性;郑艺欣等[23]研究也表明,不同浓度的野菊花水提物可以提高果蝇的热耐受能力,延长其存活时间,浓度过低或过高其作用效果都会减弱。以上研究均表明菊花可提高机体的热耐受能力,具有一定的防暑功能。
鱼腥草为三白草科蕺菜属植物蕺菜的带根全草,始载于《名医别录》,列为下品,是国家卫生部正式确定的“药食两用”的品种之一。鱼腥草性味辛、寒,具有清热解毒、消肿排脓、利尿涌淋的功效[24-25]。在日常生活中,鱼腥草可作为一种食材应用于膳食茶、饮料方面,尤其在我国的南方地区,常将其泡水喝,作为一种防暑饮品。王慧玲等[26]研究发现,鱼腥草注射液对制热大鼠具有良好的解热作用,主要通过抑制下丘脑中cAMP含量的升高,促进腹中隔区AVP的释放而发挥解热作用。
金银花是忍冬属植物的花蕾,是常用的传统中药,具有清热解毒、疏散风热的功效,其含有挥发油、有机酸类、黄酮类、环烯醚萜类、三萜及三萜皂苷类等多种类型化学成分,表现出抗炎、抗病毒、抗菌、抗氧化等多种药理学活性[27-29]。而金银花的防暑作用也家喻户晓,在我国的长江流域及其以南地区,常将其制作成夏季防暑饮料,故有“清热解毒圣药”之称。张玖等[30]研究发现,添加金银花粉末或金银花水提物均能够显著增强果蝇的耐热能力。
凉茶是传统中草药植物性饮料的通称,是我国南方沿海地区居民根据当地的气候、水土特征,在长期预防疾病与保健的过程中,以中医养生理论为指导,将药性寒凉和能消解人体内热的中草药煎水做饮料喝的一种汤剂,用以消除夏季人体内的暑气,或治疗冬日干燥引起的喉咙疼痛等病症,具有清热解毒、生津止渴、祛火除湿等功效[31],其中又以广东凉茶为中国传统凉茶文化的代表。胡晨霞等[32]通过观察广东凉茶对热休克大鼠HSP70基因表达的影响,发现热休克加凉茶处理组相比于单纯热休克模型组的大鼠肝组织HSP70基因的表达降低,表明广东凉茶的清热降火作用能够对抗热应激因素所导致的HSP70表达增加,使机体趋于正常状态。
除以上可用于防暑饮料的物品外,在我国其它地区,人们在日常生活中也常将仙草、老荫茶、淡竹叶、绿茶及绿豆汤等作为夏季防暑饮品,只是未见其防暑功能的相关研究报道。如在我国的南方地区,常将仙草制作成仙草冻食用,主要是由于仙草中的香精素成分具有镇静、清凉、解渴、利水之功效[33];在我国的重庆地区,夏天酷暑难耐,人们习惯性的饮用老荫茶,以达到降温、消暑、解渴的目的;而作为普遍饮品的绿茶,由于其富含茶多酚、氨基酸、植物碱、色素、维生素等成分,日常饮用不仅能够达到抗氧化、抗肿瘤、降血脂、降血压、预防心血管疾病和糖尿病的目的[34-36],同时也是夏季清热解暑的好饮品。
对防暑功能的评价实验一般原理是将生物体置于高温环境中进行热暴露,而后测定各项生理和行为指标。采用的生物体主要有果蝇、实验鼠、畜禽,也包括人体实验,不同的实验对象和评价方法各有优缺点,目前有关防暑功能的评价标准,科学界尚未达成共识。现将主要的几种方法介绍如下:
果蝇(Drosophila melanogaster)是一种双翅目(Diptera)昆虫,由于其易饲养、生产周期短、高繁殖、基因组小、遗传工具丰富等优势,已经成为生物与基础医学研究领域中最常用的一种模式生物[37-38]。目前,基于果蝇的热耐受性研究建立的防暑功能评价方法主要是通过将果蝇在基础培养基上(25±1) ℃适应性培养3 d,而后转入各基础、实验培养基(25±1) ℃继续培养3 d,最后将果蝇在(36±1) ℃的培养箱中进行热暴露实验,10 h后每隔2~3 h观察并记录一次果蝇死亡数直至全部死亡,除去非热死亡数,计算果蝇的平均生存时间[39-41],得到喂食不同培养基对果蝇热耐受性的影响,从而确定含有不同成分的培养基的消暑功能。该方法的优势是实验操作简便、快捷,而且由于果蝇的基因组序列较简单,个体间的差异较小,因而其实验结果较为灵敏;但相比于果蝇而言,由于人类的基因组序列较复杂,差异较大,果蝇的实验结果难以应用到人体身上,仅能用于定性或进行作用机制的研究。
小鼠作为一种良好的动物模型,其在热耐受性方面的研究主要通过测定小鼠在热暴露条件下肛温、心率、淋巴细胞形态、肝脏等组织器官中HSP70和HSP70 mRNA表达水平的变化情况来表征高温对小鼠各项身体指标的影响,并通过测定小鼠热暴露实验和高温游泳力竭实验的存活时间,研究不同物质对小鼠热耐受能力的影响,以确定其防暑功效。热暴露实验和高温游泳力竭实验主要是将一定数量的小鼠适应性培养3 d后随机分为实验组和空白组,并对实验组连续灌胃一周的实验样品,末次灌胃30 min后,将其中一半小鼠进行热暴露实验,热暴露温度为(41±1) ℃,观察记录每只小鼠的存活时间;另一半小鼠做高温游泳力竭实验,水温为(41±1) ℃,以小鼠体力耗竭沉入水底停止呼吸为准,观察小鼠游泳持续时间,计算每组小鼠平均游泳时间。李向辉等[17]通过小鼠热暴露实验和高温游泳力竭实验探究强化苦丁茶对小鼠热耐受能力的影响,表明强化苦丁茶可以提高小鼠的热耐受能力;葛宇等[42]通过同样的方法测定,表明海藻糖对提高小鼠热耐受能力具有促进作用。小鼠实验的优势在于实验过程简单,其基因组序列同人类也具有较高的同源性,使得实验结果对人类具有较高的参考价值,但由于热暴露会导致实验动物的痛苦,涉及动物福利等伦理问题容易引发争议,且普通食品的活性成分含量较低,与药物相比作用效果较为温和,用实验鼠来评价其功能可能会出现灵敏度低的问题。
目前,评价人体热耐受能力主要是通过比较对照组和实验组在高温前后血清中的抗氧化指标(如SOD水平、MDA含量及抑制羟自由基能力等)、HSP表达水平、急相反应蛋白(如α-抗胰蛋白、α-酸性糖蛋白、触珠蛋白、转铁蛋白、纤维粘连蛋白、C-反应蛋白、铜蓝蛋白)的表达情况[4,43-44]。牟东[4]研究发现,谷氨酰胺联合大剂量维生素C可提高机体的血清超氧化物歧化酶(SOD)水平、降低血清丙二醛(MDA)及血清内毒素水平、诱导HSP70表达,表明谷氨酰胺联合大剂量维生素C可提高机体的热耐受能力;杨剑虹等[43]研究表明,高温训练后实验组(防暑汤)士兵和对照组士兵外周血淋巴细胞HSP72含量均呈上升趋势,但实验组士兵的HSP72上升幅度远大于对照组,从而促进热耐受的形成,增强抵抗热损伤的能力。虽然基于人体的热耐受能力评价防暑功能是最直观的评价方法,但由于人体实验存在较高的风险,多数研究只能在部队高温训练时进行,研究方法和研究对象均受到限制。
人工养殖的畜禽同样面临高温环境的影响,也需要采取一些防暑降温措施,例如在饲料中添加一些功能性成分。目前多数研究主要是基于测定畜禽血清和肠道的抗氧化性能以及血浆中cAMP的含量变化进行评价。这是由于高温会导致畜禽的小肠细胞产生大量且具有毒性的活性氧自由基,促使畜禽出现过氧化状态,而抗氧化酶活性的下降也降低了机体自身清除自由基的能力,引发脂质过氧化反应,产生氧化应激,造成细胞膜损伤[45-47],大量内毒素通过肠道进入血液,引起机体体温调节发生障碍,进而出现中暑。李文立等[48]研究发现,添加不同比例的谷氨酰胺到鸡饲料中,可提高鸡血清及肠道的抗氧化能力;黄冠庆等[49]研究表明,高温条件下饲粮中添加谷氨酰胺可显著提高黄羽肉鸡血液谷胱甘肽过氧化物酶活性,显著降低血液中丙二醛(MDA)含量,提高机体的抗氧化能力;李悦[50]将维生素C添加到大熊猫基础日粮中,能有效的防止大熊猫中暑现象的发生,缓解大熊猫热应激,增加大熊猫干物质摄入量、平均日增重,降低呼吸率,且与对照组以及添加维生素C前实验组相比,实验组总蛋白质(TP)、Ca、K、血红蛋白(HGB)、血糖(Glu)含量增加,皮质醇含量降低,明显降低热应激对大熊猫的影响。尽管人工养殖的畜禽与人体差异较大,但生物的中暑机理和耐热机制类似,畜禽饲料防暑成分的研究也具有很重要的参考价值。
根据《保健食品功能目录》,可将功能食品依据其不同的保健功能分为23类,如免疫调节、抗疲劳、减肥等,但防暑功能暂未列入该目录。根据《保健食品新功能产品申报与审评指南(征求意见稿)》的要求,国家食品药品监督管理局鼓励以传统养生保健理论为指导的新功能产品的研发和申报,而防暑属于中国传统的养生理念,且在民间已有较好的群众基础和悠久的历史传统。但新功能产品的申报,需要建立防暑功能评价方法和检验方法,制定科学的评价指标,使其功能学评价实验自检报告与国家食品药品监督管理局确定的检验机构出具的功能学验证报告相一致,实验结果相符。这尚需开展更多的基础研究,探索更多简易灵敏的方法,获得学界共识。
迄今为止,已有的防暑功能的物质基础及其作用机制主要集中在抗氧化成分的抗氧化机制上,一般认为防暑功能成分可以通过降低机体内的自由基含量,以减少其对生物膜的破坏作用,从而达到防暑目的,研究尚不深入。对于防暑功能的确切成分的研究还较为粗浅,主要明确为茶多酚、黄酮类、三萜类、有机酸,维生素和微量元素,对于各成分的其他作用机制研究较少。另外,防暑功能成分是否能提高生物体的热适应能力,是否会影响人体的代谢产热和散热,是否能通过调控人体内的基因表达和人体下丘脑体温调节中枢,进而影响与人体体温调节密切相关的内分泌系统、骨骼肌、皮肤血管以及汗腺等组织器官的活动,仍有待进一步研究。
饮料中的成分一般较为复杂,除植物性原料的萃取成分外,还可添加矿物质盐类、维生素、氨基酸、小分子糖类及其他食品添加剂,有关这些成分之间的交互作用,目前研究还较少。已有研究表明,茶多酚与VE的联合使用能提高高温下肉仔鸡的抗氧化性能,改善其生产能力[51];而谷氨酰胺联合VC可减轻热应激对小鼠肠粘膜的损伤,保护肠粘膜屏障功能,有效降低肠源性内毒素血症的发生,预防高热中暑[52]。因此,有必要研究各配料成分的相互作用,通过配方设计来提高产品的防暑效能,是今后的重要方向。
由于许多防暑饮料的原料本身是药食两用物品,并非日常食用之物,故其安全性研究也是一个重要的环节。例如:凉茶饮用适当可起到消暑解渴、降火的目的,但如果过量或不正确服用则会导致脾胃损伤、腹痛嗳气、腹胀腹泻、食欲减退、精神疲乏以及水钠潴留的浮肿等副作用[53-54]。因此,除了基本的原料安全性检测外,一方面仍需对防暑饮料配方中各成分的合理性进行评价,包括主辅料所具有的功效以及可能潜在的毒副作用;另一方面由于防暑饮料的配方中大部分属于中药范畴,故并非适合所有人群,应对防暑饮料的适饮人群进行界定,为该行业的健康可持续发展提供保障。
由于我国幅员辽阔,存在着明显的地域及气候差异,导致人们的生活及饮食习惯有所不同,而饮食习惯的不同也造成了人体体质的差异。此外,除了饮食习惯对人体质有影响,生活环境对体质的影响也不可小觑,不同的生活区域,由于山水、气候及植被的差异,人的适应性也会不同,故在防暑饮料的开发方面,也应有所差异。对于不同地域的人群,如生活在重庆地区的居民,由于火锅文化盛行,在炎热的夏季时常饮用老荫茶,其不仅有消暑降温的作用,还能够有效缓解重庆火锅的麻辣感,去除油腻;而菊花茶因具有清热解毒、清肝明目、缓解眼睛干涩疲劳,加入蜂蜜或枸杞更有抗疲劳的功效,适合城市中电脑办公人群;对于不同体质的人群,如免疫力低下者、高血脂、高血糖患者,则适合饮用绿茶,绿茶中的茶氨酸可使人体抵御感染的能力增强5倍[55],而富含的茶多酚则可有效的降低血脂和血糖的含量。因此,可依据不同地域、不同人群、不同体质开发相应的防暑饮料。
防暑饮料作为一种新型的功能性饮料,其研究与开发有利于应对因全球气候变暖和城市热岛效应引发的中暑现象,降低中暑人群的发生率及死亡率;而且作为有防暑观念的国人而言,防暑饮料的研发必将有广阔的市场空间,在满足消费者需求的同时,也填补了市场空缺,完善饮料行业的架构,并实现饮料产品由合成向天然、由低营养向高营养、由解渴向保健的转型。防暑饮料行业的快速发展,也为具有防暑功效的新功能产品的研发与申报提供借鉴,夯实防暑功能的理论基础,为争取早日将防暑列入保健功能目录添砖加瓦。
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