酚类抗氧剂BHT的应用和降解路径的研究进展

周军伟，陈建发，万代红，张惠坤，汪蓉

(1．南京大学 化学化工学院，江苏 南京 210023；2．上海航天动力技术研究所，上海 201100)

抗氧剂能够延迟或阻止自氧化过程以及降低自由基造成的损害[1]，根据来源不同可以分为天然抗氧剂和人工合成抗氧剂。天然抗氧剂可以通过饮食摄取，因为它们广泛存在于水果、蔬菜以及香料中[2]。合成酚类抗氧剂(SPA)广泛用于各种工业和商业产品中[1,3-4]，其抗自由基活性来源于酚羟基[5-6]。酚类抗氧剂2,6-二叔丁基对甲酚(Butylated hydroxytoluene，BHT)是一种低分子量的白色结晶固体[1]，具有中和以及捕获自由基的能力，是最常用的抗氧化剂之一[7-8]。BHT可以作为精油和化妆品的添加剂,并且在食品、橡胶、塑料、石油工业以及生物医药等方面广泛应用[1,9-11]。

BHT邻位和对位上的供电基团烷基通过诱导与超共轭效应提高了酚羟基部分的电子密度，降低了酚羟基的键解离能，增强了其对脂质自由基的反应性[12]。邻位取代的叔丁基会引起空间位阻从而阻止形成的自由基中间体参与其他反应[13]，BHT抗氧剂的主要抗氧机理[14-15]见图1，同时BHT产生苯氧基中间体因为离域效应而稳定(见图2)[16-17]。

除了BHT，在环境中还发现了大量的BHT代谢产物[18-19]。一些研究表明BHT及其代谢产物存在于城市和室内灰尘中，同时在污水与污泥、软体动物以及人的指甲与血清中也检测到了BHT[18]。由于BHT在食品中的广泛应用，在进入人体后在肠胃中会被迅速吸收，然后经由肝脏和身体脂肪并通过尿液和粪便代谢[20]。研究表明BHT会对生物的发育及内分泌产生影响，而且其一些代谢产物具有更强的毒性[21]。因此分布广泛的BHT抗氧剂将对全球环境质量、气候以及公共卫生产生巨大影响。本文分别从抗氧化剂BHT的应用、降解与危害对国内外的相关研究进行了综述。

图1 BHT的作用机理[16-17]Fig.1 Mechanism action of BHT[16-17]

图2 苯氧自由基通过芳环周围未成对电子的离域而稳定[16-17]Fig.2 The phenoxy radical is stabilized by delocalization of unpaired electrons around the aromatic ring[16-17]

1 BHT的应用

BHT及其衍生物的应用广泛，已经成为极具吸引力的抗氧化剂或协同抗氧剂[22-23]。BHT本身没有明显异味，可以提高食物的稳定性，在国内外允许添加的抗氧剂品种中性价比较高[24]。作为抗氧剂BHT能够消灭自由基，中断链式反应延缓氧化，在众多领域具有广阔的应用前景。

1.1 在生物医药领域的应用

阿兹海默病是老年痴呆症中最突出的一种，主要观点认为乙酰胆碱的下降导致了认知和记忆缺陷，维持或恢复胆碱功能非常重要，同时自由基诱导的氧化应激会损伤细胞并引发疾病。Cai等[25]设计了一系列新型多奈哌齐-BHT杂化药物，其中BHT部分通过π-π堆积作用于乙酰胆碱酯酶的外围阴离子位点，该药物融合了两种化合物的功能提高了药物的抗氧化能力，这些优异的结果显示多奈哌齐-BHT杂化物用于开发新型药物治疗阿兹海默病具有非常大的潜力。

近年来，研究表明富勒烯衍生物可用作与氧化应激相关的神经退行性疾病的保护性药物。这一观察结果与富勒烯及其有机衍生物的一个分子可以捕获几个自由基的事实直接相关。Enes等[26]研究了C60衍生物的合成和抗氧化活性，这些衍生物包含与BHT结构相关的芳基。他们发现C60的存在不会影响BHT的自由基清除能力，同时C60单元是一种非常有效的烷基捕捉剂，其性能比BHT高近3 000倍。在低氧条件下，C60基团可以有效捕获烷基，使这些酚类C60衍生物成为双峰自由基清除剂，可在药物和聚合物化学中发现有趣的应用，例如作为聚合抑制剂和抗氧化剂。体积庞大的C60单元也可能限制这些衍生物在生物空间中的迁移率或使衍生物优先定位。

1.2 在能源燃料领域的应用

生物柴油是一种替代燃料[27]，近年来由于石油储备的缺乏和全球能源需求的增加而受到了相当大的关注。但是生物柴油遭受的风化过程会使其存在不饱和脂肪酸氧化脂，Dionisio等[28]测试了一系列抗氧剂应用于大豆油制得的生物柴油B100，通过烘箱加速实验发现BHT是最有效的抗氧化剂，在30 ℃ 时加入BHT，生物柴油氧化诱导期从不添加的75.7 d增加到202.0 d,根据阿伦尼乌斯方程计算，加入BHT的生物柴油的反应活化能要大于其他抗氧化剂以及不加抗氧化剂。

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)是下一代光伏技术的发展方向，尽管PSCs已经取得了重大的改进，但是钙钛矿薄膜在水和氧气条件下容易降解。为了提高钙钛矿薄膜的抗湿性和稳定性人们提出了三种策略：合成新型钙钛矿结构、提高空穴传输层(HTL)的抗湿性以及保护钙钛矿薄膜。Jin等[29]将含有疏水基团和羟基的抗氧剂BHT加入到甲基碘化铵(MAI)和碘化铅(PbI2)前驱体溶液中制备了钙钛矿薄膜。基于BHT的钙钛矿薄膜更光滑、更疏水同时可以获得更大的晶粒。与不添加BHT的PSCs(14.93%)相比，加入4.2% BHT 的PSCs的最大能量转换效率达到18.28%。此外，BHT的羟基与钙钛矿的碘原子结合形成氢键，大量的疏水基团起到屏障作用，阻止水和氧气的进入。在将PSCs器件置于空气中500 h后，具有4.2% BHT的器件效率保持在16.1%，即初始能量转换效率(power conversion efficiency，PCE)的88.1%。结果表明，添加 BHT 是一种有效提高钙钛矿质量和光电性能的策略。

1．3 在食品领域的应用

在不同种类的橄榄油中，初榨橄榄油(EVOOs)在烹饪、营养、治疗和经济方面具有突出的重要性，食用初榨橄榄油相关的生物活性(抗氧化、抗炎、化学预防和抗癌)扩展了这种油的用途。当脂肪作为功能性食品和饮料的成分被引入时，EVOOs的微胶囊化是一种有趣的替代方法。大多数食用油是不稳定的，容易氧化变质，尤其是当暴露在氧气，光线，水分和高温下时。Calvo等[30]制备了一种橄榄油微胶囊，发现壁组分中加入抗氧化剂以及微胶囊壁的物理屏障对油脂氧化具有协同作用。壁组分中抗氧化剂BHT有助于保护微胶囊包封油的质量与化学成分。

肉类营养价值高，富含蛋白质和脂质等成分，但由于各种物理、化学和微生物变化的影响极易腐烂。其中脂质过氧化是加工、分销和冷藏过程中肉质变差的主要原因。活性包装是一种新技术，通过控制包装材料中活性剂(抗微生物剂和抗氧化剂)的释放来延长包括肉类在内的各种食品的保质期，并且无需直接向食品中添加任何物质。由于合成包装材料对于环境的危害，Nisa等[31]开发了一种含有抗氧化剂BHT的马铃薯淀粉基生物活性包装膜。在生物活性包装膜中加入5%的BHT，显著提高了薄膜的耐水性、拉伸强度以及热性能。通过DPPH与TBARS方法表明含有BHT的生物活性薄膜可以有效地清除脂肪类食物中的自由基，同时减少脂质氧化。

1．4 在材料化学领域的应用

寻找绿色以及对环境破坏少的材料对构建环保型社会具有重要的意义[32]。聚乳酸是一种多用途、可生物降解的可再生的脂肪族聚酯，在包括热塑性塑料、薄膜和纤维在内的应用商品中显示出巨大的前景。聚乳酸可以通过乳酸的直接缩合或丙交酯的开环聚合(ROP)来制备。因为直接缩合途径通常最终分子量较低，因此大部分注意力集中在开环聚合上。Chen等[33]合成了一系列以BHT为配体的锂、钠、镁、钙金属配合物用于丙交酯开环聚合，金属BHT配合物可以保持金属-氧键的构象自由，因此，在空间上更适合于生长中的聚合物链和丙交酯单体的配位。在酚-钠络合物模型中，随着碳-氧-钠键角从线性(180°)变为弯曲(120°)，钠上的静电荷从+0.913 减少到+0.871导致钠的亲电性降低。同时通过DFT计算表明，角度偏差可以调节金属上的静电荷流动，使得在碳-氧-金属键角在线性(路易斯酸性强活化单体)与弯曲(路易斯酸性弱增加不稳定性)交替从而促进催化[33]。

在生物金属复合物中，各种镁醇盐由于其高产率以及易于获得而引起了广泛关注，使用镁基ROP催化剂的主要问题是镁醇盐易于聚集形成低聚物和聚合结构,通常应用各种类型的螯合配体或大体积苯酚作为镁原子配体防止聚集。Nifant’ev等[34]使用醇处理(BHT)MgBu(THF)2合成了许多BHT-镁有机金属配合物应用于聚乳酸和聚已内酯的开环聚合,使用大体积苯酚(BHT)作为镁原子的配体可以防止镁醇盐的聚集。

酰胺键不仅是蛋白质和多肽的结构骨架，而且在天然产品中也很常见。常用的酰胺形成方法是胺与酰化剂如酰氯或在偶联剂存在下与羧酸的偶联反应，但是这些方法会产生大量的副产品和化学废物。Wang等[35]报道了一种BODIPY催化芳香醛和胺在可见光下的氧化酰胺化反应，该方法显示出更高的反应活性。当以二恶烷为溶剂时往反应体系中加入2等量的BHT时酰胺的产量从72%提高到了92%，这是因为氧气与处于激发态的催化剂经过能量转移路径后变为单重态，随后单重态氧气与BHT反应生成BHT-OOH化合物。由于BHT-OOH化合物较高的氧化性促进了氧化酰胺化反应的进行。

2 BHT的降解以及危害

在环境中BHT是检测到的最普遍的合成酚类抗氧剂，因为其化学稳定、成本低而且容易获得[36]，同时检测到的还有它的降解产物。最近人们发现这些人工酚类抗氧剂可能会导致营养物质的损失，甚至产生毒副作用[37]。BHT的一些降解产物的毒性比其本身更大，在人类血清、尿液、母乳以及手指甲中也检测到。

由于BHT在食品防腐剂方面的广泛应用，对其生物化学特性进行了深入的研究。然而，它们的过量添加或者不正确使用会危害人类的健康[38]，研究表明它们具有毒性和致癌作用，由于潜在的风险[39]，这些合成抗氧化剂的安全性受到了质疑。

2．1 BHT的主要降解产物

在自然环境中羟基是BHT降解的主要氧化剂[40]，BHT主要通过两种途径转化，一是烷基取代基(叔丁基和对甲基)的氧化，二是芳环π电子的氧化[18]。BHT在环境中以及生物体代谢的主要产物有BHT-OH、BHT-CH2OH、BHT-CHO、BHT-COOH、BHT-Q、BHT-tert-BuOH、BHT-quinol、BHT-quinone methide、BHTOH-QM、BHT-OOH、BHT-QM等[17-18,20,41-43]。

2．1．1 BHT的主要危害 酚类化合物最普遍的副作用就是结合和沉淀蛋白质[44]。近些年来科学家在酚类抗氧剂的毒性，环境中的含量以及人体对于酚类抗氧剂的暴露等方面做了大量的研究[3]。大剂量的BHT会导致小叶中心坏死，血清转氨酶活性升高和肝脏出血。同时BHT还被发现可以促进大鼠和猫肝细胞的减数分裂活性，可能会促进肝癌的发生[1]以及凝血功能障碍[45]。Sarmah等[46]发现BHT会使斑马鱼胚胎的外形和心率发生改变，导致斑马鱼的畸形。

BHT单日最大摄入量为每千克体重0.25 mg，通常在人体中代谢为BHT-COOH并通过尿液排出[43,47]，排出量最高为吸收剂量的5%。Murawski等[48]通过研究发现在排泄率低于吸收剂量的3%时，BHT的摄入量就会超过最高摄入量。同时BHT在幼儿体内含量最高，随着青春期向成年期的过渡尿液中的代谢产物BHT-COOH浓度会进一步降低并趋于稳定。

在海洋环流中发现了大约0.1%～1.25%的塑料[49]，这意味着丢失的塑料大约99%可能沉入了海底。红外光谱分析表明，聚乙烯是主要的塑料碎片，并且塑料碎片中检测到存在BHT，其中值浓度为12 000 ng/g。由于添加剂BHT与聚合物的结合很弱非常容易从塑料中浸出并危及环境，此外添加剂会降解成为较小并且有毒性的分子富集在生物体内。

哺乳动物的胚胎成功植入子宫内膜需要子宫内膜基质细胞的蜕膜化，蜕膜化的建立是保证胚胎着床和妊娠的重要因素。Sun等[50]研究了BHT对小鼠子宫内膜蜕膜化的影响，研究发现BHT破坏了胚胎在小鼠子宫的均匀分布，导致胚胎的拥挤。同时BHT在妊娠早期会使母体体重显著降低，通过对雌激素和孕激素的影响抑制了小鼠子宫内膜蜕膜化的发展。

2．1．2 BHT降解产物的主要危害 BHT的主要危害主要表现在促肿瘤、DNA损伤、细胞凋亡等方面[43]，BHT对人体的不良影响并不局限于BHT本身，其代谢产物对人体也是有害的，例如BHT-CHO和BHT-Q可以诱导过氧化物的产生、损伤DNA、诱导细胞凋亡或癌变。BHT-QM和BHTOH-QM对蛋白质、肝细胞、肺细胞和DNA具有破坏作用。BHT-tert-BuOH可能与BHT对小鼠的肺部毒性有关，且BHT-tert-BuOH的毒性远大于BHT。BHT-Q通过一系列反应生成H2O2，然后H2O2和BHT-OOH进入DNA，在Cu(I)或Fe(II)的作用下引起DNA损伤。BHT诱导细胞凋亡和促进肿瘤发生的作用主要与BHT-QM和BHTOH-QM的产生有关，BHT-QM和BHTOH-QM增加活性氧水平,诱导氧化应激,破坏细胞内的稳态环境,并创造有利于肿瘤生长的环境。

Liu等[42]对生活中印刷纸类、杂志类产品以及纸板类食品包装材料中BHT及其降解产物进行了研究。主要研究了之前在环境报告的5种BHT降解产物，BHT-CH2OH、BHT-CHO、BHT-COOH、BHT-quinol和BHT-Q，其中总的降解产物含量要比BHT高。在降解产物中BHT-quinol含量最高，其次是BHT-Q和BHT-CHO，BHT-COOH和BHT-CH2OH的浓度较低。BHT在释放到环境之前可能发生降解，其中食品包装材料中的BHT降解产物总量要远大于杂志封面和内页的。初步计算表明，与食物和灰尘摄入相比，通过皮肤接触这些打印纸产品而接触到BHT是一个较小的接触途径，但是当食品包装材料和杂志被带到室内时会成为BHT抗氧剂污染来源。

Wang等[18]采用ECOSAR程序研究了BHT及其降解产物对鱼类、水蚤和绿藻的急性和慢性毒性。计算结果表明BHT对水生动植物具有明显毒性，会破坏水环境中的生态平衡，因此应该更加重视环境中BHT的检测和控制。反应过程的综合比较和热力学分析表明对甲基的氧化可能是BHT在水生环境中的主要降解途径。大部分降解产物毒性低于BHT，整个降解过程基本向减毒方向进行，其中BHT-CH2OH、BHT-COOH、BHT-OH的毒性低于BHT，而BHT-Q比BHT毒性更高危害更大应该给予更多关注。

3 结语及展望

抗氧剂种类繁多，BHT作为应用最广泛的抗氧剂之一应用于多种领域，包括食品、动物饲料、化妆品、包装材料、药品、汽油、矿物油、聚合物、油漆和墨水等。相当多的理论工作致力于研究抗氧化剂的构效关系和设计基于BHT分子的新型抗氧化剂。本文综述了今年来BHT抗氧剂应用领域的最新研究进展，同时由于BHT普遍存在于日常生活中，讨论了BHT及其降解产物对生物和环境的危害及具体作用机制。

展望未来，进一步研究BHT及其降解产物的毒性机理具有重要意义，可以揭示其在不同物种中的代谢差异和作用机制，为以后BHT的应用以及改性提供理论依据。由于BHT及其降解产物的潜在毒性，未来BHT在食品领域可能被更环保的天然抗氧剂取代。但是天然抗氧剂热稳定性差，无法完全取代BHT在工业领域的应用，可以通过将BHT与其他抗氧剂复配使用，发挥各种抗氧剂的优点。研究以BHT为基体的新型抗氧剂，提高其分子量与抗氧效率，降低迁移率与毒性是受阻酚类抗氧剂未来的发展趋势。