大蒜精油对体内重金属铅的排出机理研究

何韵晗，葛宾倩，张钱丽，李惠玲，*

（1.苏州大学 附属第一医院，江苏 苏州 215006；2.苏州大学 护理学院，江苏 苏州 215006；3.苏州科技大学 化学生物与材料工程学院，江苏 苏州 215009）

重金属对人体健康具有危害已形成共识，其中铅对人体的严重毒害作用是已经被广泛认可的事实，可造成全身所有组织脏器、尤其是神经系统的严重损害。研究表明，血铅超标可严重影响胎/婴幼/少儿的神经系统和智力发育，造成智商明显下降[1－4]。而且，人体对铅的主动代谢排出能力极弱，沉积于骨骼内铅的半衰期为20年[5]，在无外来因素作用下，人体内铅的浓度将随年龄呈逐步增加趋势。现有的国际通行标准（包括我国）视血铅 ＞100 μg·L－1为轻度铅中毒指标，但美国疾病预防控制中心（CDC）、美国国家毒理学项目（NTP，2012 年 6 月）等已明确指出，在血铅浓度 ＜100 μg·L－1、甚至低于 50 μg·L－1的水平，就可能已导致不良健康效应[6]。尹华等曾报道过大蒜粗提取物对人体的排铅作用[7]，Mahdi等通过与排铅药物青霉胺[8]的对比研究，亦提出以大蒜作为促进排铅的功能食品[9]。有研究表明，大蒜精制提取物（大蒜精油）能更有效地起到人体排铅作用[10]。

大蒜既作为食物佐料，也具有众多的保健和治疗作用[11－12]。1858年，法国的路易·巴斯德首先发现了大蒜的抗菌活性[13]，美国的Bordia在1981年报道了大蒜能防止血浆胆固醇升高和降低血脂作用[14]。大蒜还可以预防血栓的形成、降低心脏病发作和中风的风险，并能提高机体免疫力、产生抗癌作用[15]。

大蒜中含有大量的硫化物，如蒜氨酸、大蒜辣素、大蒜素、大蒜新素等。从大蒜中提取的生物活性成分——大蒜精油已被用于食品、保健食品及医药（替代抗生素）等领域[16－17]。大蒜精油是在加工过程中自然分解、转化形成的挥发性成分（包括40多种硫醚类化合物），占大蒜总量的0.1%～0.2%。报道指出，这些含硫分子作为天然硫源与包括铅在内的重金属相互作用，从而起到排铅解毒作用[7，9，10，18]，然而早期的研究均未阐明这种排铅作用的机理。Benavides等详细研究了大蒜精油所含硫醚类化合物的降解机制，指出在谷胱甘肽的作用下，其最终降解产物为H2S[19]；其后，Hou等则详细综述了大蒜中含硫化学成分的转化机理，较为完整地阐述了其最终转化为H2S的化学过程[20]。笔者通过实验研究阐明了大蒜精油排铅的化学机制。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X 光电子能谱（XPS）仪：ESCALAB 250 X－ray Photoelectron Spectroscopy，ThermoFisher Scientific（USA），Al Kα 源（Mono Al Kα ），能量：1 486.6 eV。

恒温震荡仪：杭州奥盛仪器有限公司。

大蒜精油（garlic essential oil，CAS：8000－78－0）：系大蒜经纯物理工艺提取制得的挥发性精油，由昆山市绿渊香料有限公司提供。食品添加剂许可证号为苏XK13－217－00317，质量标准为GB1886.272－2016/美国食品化学法典（第七版：各论/蒜油347），经美国乔治亚大学Center for Applied Isotope Studies进行14C鉴定，此产品为全天然提取物（参考活性为13.8 dpm/gC，全等于目前地球14C背景参考值）。

L－还原型谷胱甘肽（GSH）：纯度＞98%，购自 Sigma－Aldrich 公司。

Pb（NO3）2：GR，购自国药集团化学试剂有限公司。

超纯水：自制。

1.2 实验方法

论文旨在通过体外模拟，验证大蒜精油在谷胱甘肽作用下降解所形成的产物及与Pb2+相互作用的产物，以确认H2S的形成是其排铅作用的化学机制。验证反应以大蒜精油、谷胱甘肽和Pb2+为反应起始物，通过模拟体温条件下反应，验证其反应产物；同时，设立若干个对照组和空白组进行比对，以判定上述反应中谷胱甘肽的决定性作用。具体实验设计组如下：

实验组：取洁净试管，加大蒜精油 100 μL、10 mmol·L－1Pb（NO3）2溶液 900 μL，混匀，加入谷胱甘肽20 mg（E管）。试管口置湿润的硝酸铅试纸，密塞。于37℃恒温震荡反应过夜，观察反应现象。

对照组：（1）大蒜精油 100 μL+谷胱甘肽 20 mg+水900 μL（A 管），（2）谷胱甘肽 20 mg+10 mmol·L－1Pb（NO3）2溶液 900 μL+水 100 μL（F 管），（3）大蒜精油 100 μL+10 mmol·L－1Pb（NO3）2溶液 900 μL（G 管）。分别置洁净试管中，混匀后，试管口各置湿润的硝酸铅试纸，密塞。分别于37℃恒温震荡反应过夜，观察反应现象。

空白组：（1）大蒜精油 100 μL+水 900 μL（B 管），（2）谷胱甘肽 20 mg+水 1 mL（C 管），（3）大蒜精油 1 mL（D 管），（4）10 mmol·L－1Pb （NO3）2溶液 1 mL （H 管），（5）水 1 mL（I管）。操作同“对照组”。

1.3 产物验证

上述反应组中，将分别可能有气体或沉淀生成，通过定性试纸对气体进行鉴定。将实验所得反应沉淀产物经离心分离、水充分洗涤并烘干后，利用X光电子能谱（XPS）技术进行定性检测，判断该沉淀化学组成。

2 结果和讨论

2.1 结果

各组的反应现象如图1、图2所示。由图1可见，“大蒜精油+GSH”组的硝酸铅试纸变黑，其他各组的硝酸铅试纸均变色不明显，说明大蒜精油在谷胱甘肽的催化作用下，产生了H2S气体。

图1 谷胱甘肽（GSH）催化大蒜精油分解产生H2S试验图

图2试验组E管（大蒜精油+Pb（NO3）2+GSH）不但硝酸铅试纸变黑，而且产生黑色沉淀。F管（Pb（NO3）2+GSH）产生少量絮状物质，硝酸铅试纸未变色。其他各组的硝酸铅试纸均未变色。

图2 大蒜精油体外排铅实验验证图

由XPS鉴定图谱（图3）可知，E管黑色沉淀（大蒜精油/Pb2+/谷胱甘肽反应产物）主要成分为Pb和S，即为PbS。F管中的少量白色絮状沉淀可认为是Pb2+和GSH之间通过巯基作用形成的低溶解度的配合物[21]。

图3 大蒜精油/Pb/谷胱甘肽反应产物XPS鉴定结果

2.2 讨论

2.2.1 铅中毒的毒理机制

铅的毒性机理主要表现在对含有巯基的一些酶的抑制作用[22]。铅会抑制血红素合成酶（亚铁螯合酶，ferrochelatase， 琥珀酰辅酶 A，succinyl coenzyme A，CoA），阻碍原卟啉与二价铁结合成血红素[23]并进而影响细胞色素C的合成，导致脑内细胞色素C浓度降低，影响氧化磷酸化过程，干扰神经细胞的代谢。与此同时，铅亦抑制δ－氨基－γ－酮戊酸脱水酶（ALAD）的活性，使δ－氨基－γ－酮戊酸（ALA）合成胆色素原（prophobilinogen，BPG）[24]的过程受阻，导致血液中的ALA升高并透过血脑屏障进入脑组织，竞争性地结合与其化学结构相似的γ－氨基丁酸（GABA）的受体，影响GABA的功能，引起神经行为学改变。

2.2.2 大蒜精油的排铅功能

有文献报道了大蒜及粗提取物对小鼠和人体排出铅、降低铅中毒危害的作用[7，18，25]，而最新研究表明，大蒜精油对人体的排铅功能更为显著[10]，32例志愿者每天口服大蒜精油10 mg共4周后，排铅率＞50%的达68.7%，50%～25%的为21.9%，＜25%的为9.4%。

2.2.3 大蒜精油排铅机理分析

大蒜精油中烯丙基硫醚类化合物的含量占50%～80%，最主要的组分是二烯丙基硫醚、二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚、甲基烯丙基硫醚、烯丙基甲基二硫醚等，占大蒜精油含量的60%以上。研究表明[19－20]，大蒜精油中的烯丙基多硫醚在被人体吸收后经谷胱甘肽的作用可分解出H2S，由此可预期具有排铅的作用。

体外验证实验显示，在37℃条件下，将大蒜精油与GSH混合，可使置于瓶口的硝酸铅试纸变色（图1－A管），提示反应产物中有H2S气体生成。在相同反应条件下，大蒜精油或GSH单独存在时，硝酸铅试纸几不变色。以上事实证明大蒜精油在GSH作用下确实降解生成H2S气体，且反应条件相对温和。

使用Pb（NO3）2溶液作为检验试液，以大蒜精油和GSH为反应物，进行体外反应模拟试验。实验结果显示：在大蒜精油或GSH单独存在的条件下，与Pb（NO3）2反应无黑色沉淀生成；GSH与硝酸铅反应仅有少量絮状物，且硝酸铅试纸不变色（F管）；大蒜精油及GSH同时存在的情况下，可与Pb（NO3）2溶液反应生成黑色沉淀，且瓶口硝酸铅试纸变黑，指示有H2S气体生成（E管）。Pb（NO3）2溶液和纯水作为对照（H管和I管），试纸均无颜色变化。图2中E管中生成的黑色沉淀经XPS检测，主要成分为Pb和S，由此可以证实大蒜精油在谷胱甘肽的催化作用下可产生H2S，并与铅反应生成PbS。

H2S是继NO、CO之后被发现的第三种气体递质（gasotransmitter）分子[26]，具有包括平滑肌和血管舒张等重要的生理功能[27－30]，近年有论文持续报道硫化氢作为信号分子在生命过程中的意义和机理，指出其对心血管系统的有利影响[31－33]，笔者结论与其能相互印证，证明了大蒜及其制品大蒜精油的健康效应可能主要源于H2S的生成。

研究表明体内铅与含硫蛋白质之间形成三级结构相对松散、热力学不够稳定的Cys－S－Pb－S－Cys配合物，其稳定常数为lgK稳＝6.06[34]。临床药物依地酸钙（CaEDTA）的配位稳定常数为lgK稳＝18.3；D－青霉胺（DPenicillamine，β，β－二甲基半胱氨酸）配位稳定常数为lgK稳＝12.26[35]，两者均可从Pb－蛋白质结合物中置换出铅，从而产生排铅作用。而H2S能与铅生成更稳定的沉淀（Ksp＝1.0×10－28），远远大于铅与蛋白质的结合常数，也大于上述两个常用排铅药物，因而大蒜精油被人体吸收代谢后生成的H2S可产生强烈的排铅作用，排铅更彻底。由于大蒜精油在被人体吸收后是在代谢过程中逐步分解生成H2S的，因此，其与铅的结合是一个均相沉淀过程，可生成极小的胶体质粒，完全可以经由肾脏排出（肾脏透过的临界分子量是6.8 KD左右），即使生成稍大的沉淀颗粒，也可随胆汁经由肝肠循环随粪便排出[36]。由于通过口服摄入转化为H2S的量是有限的，因此，经常服用大蒜精油不会导致人体有益微量元素的损失。对于人体直接食用的大蒜，进入体内缓慢分解释放出来的硫醚化合物十分有限，导致血液中无法产生足够浓度的H2S，由此也解释了直接食用大蒜对人体排铅作用不明显的原因。

3 结语

天然大蒜精油是人们日常生活中常用的食品添加剂，经长期研究证实其具有多项对人体有益的保健功能，如提高免疫力、杀菌、降血脂/胆固醇、软化血管/防血栓、防癌等。现有研究结果表明，大蒜精油进入人体后，与GSH反应生成H2S而实现优异的排铅效果，其作用并不亚于目前市场上流通的排铅药物。由于其作用机制不同于目前市场上流通的排铅药物，常规摄入量下无毒副效应，因此，天然大蒜精油是大自然赐予人类的一种安全、高效的天然排铅保健食品，对改善我国较为严重的铅污染现状以及降低由此引起的潜在国民智力素质下降的危险性、特别是对儿童青少年和适婚适育年龄人群降低铅中毒风险具有重大意义。