糧油制品蛋白氧化對腸道健康影響的研究進展

康卓然 吳曉娟 吳 偉

(中南林業科技大學食品科學與工程學院；稻谷及副產物深加工國家工程實驗室 長沙 410004)

糧油制品是人類膳食重要的組成部分，它不僅能夠提供人體生命活動所需的能量，還能補充機體生長發育必需的營養物質。糧油原料在收割到消費之間會經歷一段貯藏期和加工過程，在此期間糧油原料中的脂質容易在內源脂肪水解酶的催化下發生水解，水解產生的游離脂肪酸會在內源脂肪氧合酶和外界加工條件下發生氧化，影響糧油制品的營養價值和食用品質[1]。不僅如此，活性脂質氧化產物還會誘導糧油制品中的蛋白質發生氧化應激，導致蛋白質共價交聯[2-4]，影響蛋白質的消化性質，使得進入腸道的蛋白質增多，引起腸道微環境失衡，造成腸道屏障功能受損和炎癥反應[5]。因此，從蛋白質氧化應激環境、蛋白質氧化以及蛋白質氧化對腸道健康的影響方面進行綜述與分析，旨在為進一步認識蛋白質氧化與腸道健康的關系提供理論參考，為提升蛋白質的營養品質和綜合利用提供依據。

1 糧油制品蛋白在儲運和加工過程中的氧化應激環境

1.1 谷物類蛋白氧化應激環境

稻谷在儲藏期間會發生陳化現象，在陳化過程中稻谷的物理、化學和生理性質會發生一系列變化，其中脂質在脂肪水解酶的作用下發生水解酸敗，產生的游離脂肪酸極易在脂肪氧合酶的作用下發生脂質過氧化反應，形成的脂質自由基和活性脂質氧化產物會導致大米蛋白氧化，形成蛋白質共價交聯物，影響米粒蒸煮過程中淀粉顆粒的吸水和糊化，進而降低米飯的食用品質[2]。稻谷輾米加工副產物——米糠中存在活性極強的脂肪水解酶，從碾米開始就會迅速催化米糠脂質水解形成游離脂肪酸，這些游離脂肪酸極不穩定，容易在內源脂肪氧合酶的作用下氧化生成脂質自由基和活性脂質氧化產物，進而誘導米糠蛋白氧化，最終導致米糠蛋白結構特征、功能性質和消化性質發生改變[3]。

1.2 油料類蛋白氧化應激環境

大豆中含有活性極高的脂肪氧合酶，在大豆油的制取工藝中的預處理環節，大豆破碎過程中，其細胞結構遭到破壞，大豆所含的多不飽和脂肪酸易在高活性脂肪氧合酶的催化下發生脂質過氧化反應，產生大量自由基和活性脂質氧化產物，從而誘導大豆蛋白氧化，形成氧化聚集體，使得大豆蛋白結構穩定性下降，最終導致大豆蛋白凝膠強度和持水性下降[4, 6]。花生中的脂質含量比大豆更高，達到40%以上，其蛋白氧化應激環境與大豆蛋白比較類似，在制油預處理的破碎階段，花生細胞遭到破壞，使得其中游離脂肪酸與脂肪氧合酶容易結合在一起發生脂質過氧化反應，其氧化產物會誘導花生蛋白發生氧化，形成花生蛋白聚集體，降低其溶解性，影響花生蛋白的營養價值和生物活性[7]。核桃油脂含量高達65%-70%，其中不飽和脂肪酸含量占90%以上，且含有活性較高的脂肪氧合酶[8]。在煉制核桃油和提取核桃蛋白的過程中，核桃中的不飽和脂肪酸會在脂肪氧合酶的催化下氧化酸敗，產生脂質自由基和脂質活性氧化產物，從而誘導核桃蛋白發生氧化，形成蛋白質共價交聯物，使得核桃蛋白的溶解度減小，乳化性和乳化穩定性降低，影響核桃蛋白產品品質[8]。

1.3 其他糧油制品蛋白氧化應激環境

在以豌豆蛋白為原料制作蛋白組織纖維化制品的加工過程中，豌豆蛋白在高溫高剪切力的作用下發生氧化，導致豌豆蛋白中羰基含量上升，巰基含量下降，形成蛋白質聚集體，破壞了食品的營養品質[9]。

2 蛋白質氧化

2.1 蛋白質氧化對蛋白質結構的影響

氧化應激環境中形成的活性氧(reactive oxygen species，ROS)具有極強的反應活性，蛋白質氧化是蛋白質分子在ROS直接作用或間接作用下發生共價結構修飾的現象[4]。ROS的攻擊會導致蛋白質肽鏈斷裂、氨基酸側鏈基團修飾[10]。蛋白質氧化通常會導致蛋白質共價交聯物的形成，氧化導致蛋白質形成共價交聯物存在以下幾個途徑：1)蛋白質分子間或分子內兩個半胱氨酸側鏈的巰基發生氧化形成二硫鍵，形成二硫鍵共價交聯[11]；2)L-酪氨酸分子氧化失去一個電子變為酪氨酰自由基，2個酪氨酰自由基相互作用聚合形成C-C共價鍵交聯的雙酪氨酸[12]；3)氨基酸側鏈氧化形成的羰基衍生物與易氧化的氨基酸之間發生相互作用，形成蛋白質共價交聯物[13]；4)蛋白質的組氨酸、賴氨酸或半胱氨酸殘基與不飽和醛發生邁克爾加成反應，形成醛加合物，該醛加合物進一步與其他蛋白質的賴氨酸殘基反應，生成西佛堿交聯衍生物[14]；5)脂質氧化產物丙二醛分子中的兩個羰基與不同肽鏈的蛋白質分子中的伯胺發生加成反應，形成烯胺加合物[6]。

2.2 蛋白質氧化對蛋白消化性質的影響

蛋白質消化性質與其結構特征相關，蛋白質氧化可導致蛋白質結構特征發生改變，因此蛋白質氧化必然對其消化性質有一定影響。不同來源、不同氧化體系以及不同氧化程度的食品蛋白質，其消化性質也不相同。但普遍認為蛋白質氧化程度較高時，蛋白質會發生共價交聯，蛋白質聚集程度增大，從而屏蔽胃腸道蛋白酶部分識別與催化位點，使得蛋白質難以被胃腸道蛋白酶消化降解，導致蛋白質消化速率和消化程度下降[15]，從而使得更多未被消化吸收的蛋白質和氨基酸通過回盲連接進入大腸，被大腸中的微生物進一步利用。

3 蛋白質氧化對腸道健康的影響

腸道健康與腸道微生物及其代謝產物共同構成的腸道微環境有著密切的聯系。如圖1所示，在攝入氧化蛋白質后，腸道中蛋白含量上升，導致腸道菌群失衡，產生更多有害代謝產物。在ROS和腸道微生物直接刺激以及微生物代謝物間接誘導下，腸道屏障功能會受到損害，導致腸道通透性增加[16]。此外，部分腸道微生物代謝產物可通過受損的腸道上皮細胞進入血液，進而引起促炎因子水平升高，抗炎因子水平下降，導致產生一系列腸道病癥，使機體健康受損[17]。

圖1 攝食氧化蛋白質對腸道的影響

3.1 蛋白質氧化對腸道微環境的影響

3.1.1 蛋白質氧化對腸道微生物組成結構的影響

近年來有少量文獻初步研究了攝入氧化蛋白對機體腸道造成的影響。方偉等[18]用不同方式氧化酪蛋白和大豆蛋白后配制飼料對小鼠進行飼喂，發現飼喂氧化蛋白飼料后，小鼠結腸內容物中乳桿菌數量下降，而大腸桿菌、腸球菌數量則出現上升。林詩曼[5]以不同氧化程度的豬肉作為主要蛋白質來源配制飼料飼喂小鼠，發現飼喂高氧化豬肉飼料的小鼠與飼喂低氧化豬肉飼料的小鼠相比，腸道微生物組成結構發生顯著變化，小鼠盲腸中Akkermansia屬和乳桿菌屬細菌的豐度明顯下降，而大腸桿菌豐度則出現上升。乳桿菌對炎癥有抑制效果[19]，乳桿菌豐度的降低說明了氧化蛋白引起了腸道的炎癥反應。Akkermansia屬細菌是一類降解黏蛋白的微生物，有保護腸道粘液、維持腸道完整性的功能[20]，其豐度的減少可能導致腸道屏障功能的減弱。而大腸桿菌、腸球菌屬細菌則與腸道炎癥等腸道疾病相關[21, 22]。說明攝食氧化蛋白會引起腸道微生物組成結構發生變化，可能引起腸道炎癥等腸道疾病。

由于氧化蛋白質對腸道微生物影響的報道并不多，但在氧化蛋白質消化性質的研究中發現蛋白質氧化導致進入腸道中蛋白質的含量發生變化[18]，這與日糧中蛋白質水平變化導致進入腸道中蛋白質含量變化的現象類似[23-26]，因此可參考日糧中蛋白質水平變化對腸道微生物的影響得到一些結論。表1是改變日糧中蛋白質水平后，不同動物腸道微生物豐度的變化情況。在提升日糧中蛋白水平后，不同的腸道部位出現的變化并不一致，但可以看到益生菌雙歧桿菌屬、Akkermansia屬、F.prausnitzii屬細菌在高蛋白攝食后出現不同程度的減少，而乳桿菌屬和一些潛在致病菌大腸桿菌、腸球菌、鏈球桿菌屬細菌等則出現一定增加。雙歧桿菌有助于產生更多包括乙酸和乳酸在內的微生物代謝物，使腸道pH值降低，抑制致病菌的繁殖，減少有毒代謝產物的生成[27]。F.prausnitzii屬細菌可以產生丁酸為腸道供能，還對腸道炎癥具有良好的抑制效果[28]。富含蛋白質和氨基酸的食糜是微生物特別是致病菌的繁殖的良好環境，益生菌的減少以及致病菌的增殖會使腸道中的有益代謝產物減少、有害代謝產物增多，使腸道正常功能受損，出現炎癥等疾病風險增加，對腸道健康更為不利。

3.1.2 蛋白質氧化對微生物代謝產物的影響

蛋白質在微生物作用下會發生脫羧脫氨等反應，產生短鏈脂肪酸、氨氮、多胺、硫化氫以及酚類和吲哚類化合物等代謝產物[34]。其中一部分代謝產物會被吸收到腸上皮細胞中，對上皮細胞的生理功能造成影響；另一部分代謝產物則被轉運到靜脈血液中，對肝臟和外周組織器官發揮生理作用。

表1 日糧中蛋白質水平變化導致的微生物豐度變化

表2 日糧中蛋白質水平變化導致的微生物代謝物變化

氧化蛋白質攝入會導致腸道微生物組成結構發生改變，必然會對腸道微生物代謝產物含量產生影響。目前暫無文獻報道機體攝入氧化蛋白質對腸道微生物代謝物的影響，但通過總結日糧中蛋白質水平變化對腸道微生物代謝產物的影響我們可以得到一些結論。表2是改變日糧中蛋白質水平后，腸道微生物代謝產物含量的變化情況。

蛋白質脫氨產生的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)主要由乙酸、丙酸和丁酸組成[40]，另外還包括一些支鏈脂肪酸(branched-chain fatty acids，BCFA)。SCFA主要作用是為腸上皮細胞提供能量，降低pH值來維持微生態環境穩態[41]，還能調控腸上皮細胞緊密連接蛋白表達，使腸道通透性降低，增強腸道屏障功能[42]。氨氮則會干擾腸道中SCFA的代謝，從而導致腸上皮細胞供能不足，屏障功能減弱[43]。表2可見，隨著日糧中蛋白質水平的增加，大部分SCFA以及氨氮的含量會上升，而丁酸的含量則有下降的趨勢。短鏈脂肪酸和氨氮含量上升的原因主要是腸道中蛋白質含量的增加為腸道微生物代謝提供了更多氮源營養。而丁酸含量的下降與一些產丁酸的微生物，如Roseburia、F.prausnitzii等豐度的降低有關，腸道中丁酸減少會造成腸道細胞供能不足，屏障功能受損[44]。此外，腸道中的微生物可以將一些蛋白質脫羧形成多種多胺，比如腐胺、胍丁胺、尸胺、酪胺和組胺[45]。硫化氫則是腸道微生物對含硫蛋白質發酵產生的代謝產物[46]。多胺和硫化氫的形成會損害腸道完整性，并影響其腸道屏障功能與免疫防御能力[47]。腸道中尸胺、精胺和硫化物的濃度增加，可能與腸球菌、鏈球菌和大腸桿菌豐度增加有關[39]。可以預見，在攝食氧化蛋白質后，腸道中有害微生物代謝產物會增多，這將影響腸道上皮細胞的正常生理功能，對腸道健康有著不利影響。

3.2 蛋白質氧化對腸道屏障功能的影響

腸道黏膜屏障主要由腸上皮細胞與連接上皮細胞的緊密連接組成，腸道屏障功能是指在正常腸道中腸道黏膜屏障將腸腔與機體內環境分割開來，防止致病性抗原侵入的功能。攝入氧化蛋白質會使進入腸道的ROS增多，同時由于致病菌的增加，由腸道微生物誘導腸上皮細胞產生的ROS也會增多[48]，這些ROS會直接攻擊腸上皮細胞，導致上皮細胞細胞膜中的磷脂層發生脂質過氧化，從而破壞上皮細胞的細胞膜結構，使得屏障功能受損。此外，緊密連接蛋白在ROS的攻擊下，會發生蛋白質氧化，從而導致腸上皮細胞通透性增強[49]。腸上皮細胞緊密連接由閉鎖蛋白(occludin)、閉合蛋白(claudin)、帶狀閉合蛋白(zonula occludens，ZO)和連接黏附分子(junctional adhesion molecule，JAM)等組成[50]。小鼠在飼喂高氧化豬肉后回腸occludin和ZO-1的表達顯著降低[5]，說明小鼠腸道上皮緊密連接受損，腸壁通透性降低，這可能會導致有害物質通過上皮細胞進入機體，引起炎癥。同時，益生菌在保護腸道屏障上有著很顯著的表現，它不僅可以改善腸上皮黏膜的完整性，還可通過抑制各種信號通路來抑制炎癥，并減少NF-κB的總體活化和促炎細胞因子的產生[51]。例如雙歧桿菌可以緩解慢性應激造成的小鼠腸道通透性增高的屏障損傷[52]。故因攝食氧化蛋白質導致腸道中雙歧桿菌等益生菌的減少將會導致腸道屏障功能受損，發生炎癥等腸道疾病的可能性增加。關于攝食氧化蛋白質對腸道屏障功能產生的具體影響鮮見明確定論，氧化蛋白質對腸道屏障功能的具體影響及深度作用機制值得后續更多的實驗進行研究。

3.3 蛋白質氧化對腸道炎癥的影響

目前，關于氧化蛋白質對腸道炎癥的研究主要集中在NF-κB炎癥通路上，大致有兩種途徑對其進行激活。首先，由于氧化蛋白質的攝入導致腸道粘膜屏障遭到破壞，使得腸道中ROS含量進一步增加，這些ROS將直接誘導NF-κB的活化，釋放炎癥因子，加重腸道炎癥[53]。另外，由于腸道屏障功能遭到破壞，使得上皮細胞通透性增強，一些致病菌和代謝毒素會因此進入機體血液和組織器官，導致促炎因子的釋放，引起炎癥反應以及相關疾病。如腸道微生物中革蘭氏陰性菌產生的毒害物質細菌脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)，當腸道屏障功能遭到破壞時，LPS將進入血液與脂多糖結合蛋白(lipopolysaccharide binding protein，LBP)結合，并在傳導過程中與CD14結合形成LPS-LBP-CD14復合物，它們一同將炎癥信號傳導至機體各組織細胞[54]。LPS-LBP-CD14復合物通過與巨噬細胞表面的Toll樣受體結合(Toll-like receptor，TLR-4)，激活下游信號分子，誘導NF-κB活化，釋放IL-6、IL-1β和TNF-α等炎癥因子[54, 55]。飼喂氧化豬肉后，小鼠血漿中LPS和LBP水平升高，腸道中CD14和TLR-4表達水平上調，促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β水平升高且伴隨抑炎因子IL-10水平的降低，小鼠回腸和結腸都出現炎癥反應[5]。說明攝食氧化蛋白質的小鼠可能通過LPS和LBP進行信號轉導，激活NF-κB，從而釋放促炎因子，引起回腸和結腸的炎癥反應。在高蛋白日糧攝入后，豬結腸中促炎因子IL-1β表達上升[37]，說明腸道中蛋白質的增加加重了機體炎癥反應。由于氧化蛋白和腸道炎癥的相關報道較少，影響腸道炎癥的其他作用機制需要更多的實驗進行探索。

4 結論

目前國內外針對氧化蛋白質結構特征和功能性質的研究已較為成熟，但氧化對于蛋白質消化性質及其對機體健康的影響尚處于起步階段，對腸道健康的影響還處于摸索期。本文首先總結了幾類糧油制品的氧化應激環境，簡單介紹了蛋白質氧化及蛋白質氧化對其消化性質的影響，最后結合日糧中蛋白質水平變化對腸道健康的影響進行總結：攝食氧化蛋白質將會引起腸道微環境的變化，其中最為顯著的就是腸道微生物潛在致病菌數量的上升，益生菌數量的下降；其代謝產物發生改變進而破壞腸道屏障功能，使有害物質更易進入血液循環，引起腸道炎癥反應。但由氧化蛋白質引起腸道炎癥反應的作用機制尚不全面，腸道微生物在其中起到的具體作用也不清楚。因此，研究糧油制品蛋白質氧化對機體腸道屏障功能的影響以及引起腸道炎癥的作用機制將對糧油制品蛋白的合理有效利用有很重要的意義，氧化蛋白質與腸道微生物變化的關系以及微生物代謝產物影響腸道健康的機理將是今后研究的方向。