傳統食物蛋白質營養評價體系面臨的挑戰與建議

韓 飛

（國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037）

蛋白質缺乏是世界問題。FAO 2013年的報告指出，全球有10億人口蛋白質攝入不充分，在非洲中部和南亞有 10%～30%的兒童蛋白質攝入缺乏[1]。而中國的蛋白質缺乏問題主要表現在蛋白飼料資源的缺乏上，我國每年進口約 9 000萬 t大豆用以豆粕生產和榨油。蛋白質的科學評價和合理高效利用是緩解蛋白質缺乏的有效途徑之一。同時，膳食營養與國民健康息息相關，膳食蛋白質是最重要的宏量營養素之一，蛋白質攝入數量不足或過多，氨基酸攝入不平衡等都會對身體健康造成極大的影響，糧食蛋白和動物蛋白是人們日常膳食中最主要的蛋白質來源，如何正確選擇和搭配不同蛋白來源的食物是人們生活中經常遇到的問題，也是關系國民營養與健康水平的重要因素。動物蛋白長期以來一直都被認為是優質蛋白，而植物蛋白，尤其是糧食蛋白，由于氨基酸構成比例與人體或動物體的氨基酸構成比例相去甚遠，轉化效率較低，一直被認為是低質蛋白。

當前國際上評價食物蛋白質品質的理論體系一直是傳統的氨基酸生物利用率方法，不管是以前的氨基酸評分（amino acid score，AAS）、蛋白質功效比值（protein efficiency ratio，PER）、蛋白質消化率校正氨基酸評分（protein digestibilitycorrected amino acid score，PDCAAS），還是近年來的可消化必需氨基酸評分（digestible indispensable amino acid score，DIAAS）都是基于氨基酸，尤其是必需氨基酸的消化吸收量與機體氨基酸的需求量匹配程度為基礎的，對于單一氨基酸對健康的效應考慮的非常少。國內對于食品蛋白質的品質評價大多還停留在AAS階段，僅有Han等[2-4]采用最新的 DIAAS方法評價了我國居民日常膳食中食用的谷物[2,4]和豆類[3-4]的蛋白質品質，但研究范圍和程度還遠遠不夠，急需開展更加深入系統的研究工作。

1 食物蛋白質品質評價研究進展

蛋白質、氨基酸和氮代謝共同決定了人體膳食蛋白質的代謝需求，氨基酸代謝除了需要維持組織蛋白在適度水平，還需滿足氨基酸衍生代謝和生長、懷孕及泌乳時所需的額外需求。人體重要的功能，如免疫和宿主防御、線性生長和相關智力發育等都會受到蛋白質品質的影響，而蛋白質品質也會受加工和烹飪后蛋白質生物利用度的影響[5-6]。

由于蛋白質對機體生命維持及生長發育的重要影響，國際上對食物蛋白質品質評價的研究工作一直很重視。食物蛋白質品質評價方法包括非生物學和生物學評價法。非生物學方法包括氨基酸評分、必需氨基酸指數及氨基酸比值系數分等；生物學評價法包括蛋白質功效比值（PER）、蛋白質消化率校正氨基酸評分（PDCAAS）和可消化必需氨基酸評分（DIAAS）等。這些評價方法的發展經歷了從化學分析到生物學分析、從表觀到真實、從簡單到復雜的評價過程。非生物學方法主要考察的是食物蛋白質必需氨基酸含量與推薦的參考蛋白必需氨基酸含量的比較，這些方法沒有考慮食物蛋白質的消化利用率，不能真實地反映真正被動物消化利用的氨基酸數量[7]；而生物學方法重點考慮的是機體攝食食物蛋白質后直觀的體重增長或食物蛋白質（氨基酸）在機體中的消化率，生物學方法不是僅僅考慮食物蛋白質（氨基酸）的化學成分含量，而是考慮動物體對食物的消化利用情況，因此生物學方法比非生物學方法更接近人體對蛋白質（氨基酸）的真實需求，因而更科學。

生物學評價方法主要經歷了PER到PDCAAS再到 DIAAS的發展過程。PER最早是由美國AOAC推薦的標準方法，1919年后在國際上被廣泛采用[8]。PER的具體方法是：給10只試驗斷奶大鼠飼喂檢測蛋白，另10只大鼠飼喂相同比例參比蛋白（酪蛋白），記錄大鼠的采食量及體增重，4周后計算PER。PER的數值越高表明食物蛋白質的品質越好。計算公式為[8]：

PER在使用中存在如下的局限性[9]：（1）與人體試驗結果相比，大鼠試驗測得的PER值可能高估了一些動物蛋白的營養價值而低估了一些植物蛋白的營養價值；（2）大鼠和人類的必需氨基酸需要模式不同。雖然PER在應用上有其局限性，但由于其簡便易測，目前仍是國際上一些國家用來評價食物蛋白質質量的標準方法之一。

由于 PER在使用過程中存在上述局限性，1991年 FAO提出了用蛋白質消化率校正氨基酸評分（PDCAAS）來評價食物蛋白質營養價值[10]。PDCAAS是以待測蛋白質的第一限制性氨基酸乘以待測蛋白質的真糞便消化率，再與參比蛋白質的相同氨基酸含量相比，所得到的比值作為評分數據，數據的上限為 1。PDCAAS數據越大表明蛋白質品質越好。其中，待測食物蛋白的真糞便消化率是以大鼠為模型動物測定的。具體計算公式為[10]：

PDCAAS在使用過程中也存在如下局限性[11]：（1）PDCAAS是基于真糞便氮消化率而不是個體回腸氨基酸消化率，因此不能反映個體氨基酸的消化率和可消化氨基酸含量；（2）由于后消化道微生物對蛋白質的合成作用，會在某種程度上高估蛋白質的真消化率，因此 PDCAAS值會被高估；（3）PDCAAS最大值是1，因此一些高質量的蛋白不能被突顯出來；（4）由于大鼠不論是生長和維持對氨基酸的需求模式都與人不同，用大鼠模型測定真糞氮消化率存在弊端。目前PDCAAS仍是國際上被廣泛采用的標準方法之一。

基于以上PDCAAS的局限性，2013年FAO提出用可消化必需氨基酸評分（DIAAS）替代PDCAAS評價食物蛋白質品質[5]。DIAAS是利用內源性氨基酸（endogenous amino acid，EAA）損失校正表觀回腸氨基酸消化率（apparent ileal amino acid digestibility，AID）至真回腸氨基酸消化率（true ileal amino acid digestibility，TID），得出機體真正從食物中消化獲得的可利用必需氨基酸的量，再與人體不同年齡階段必需氨基酸的需求量比較得出評分數據。DIAAS的計算公式如下[5]：

DIAAS是基于回腸末端氨基酸消化率測定的。消化道和外分泌腺分泌大量氨基酸和其他含氮化合物進入腸腔并且只有部分物質被消化和吸收，回腸食糜中的非日糧成分校正表觀消化率系數至真消化率系數，能更準確的描述飲食中的蛋白質消化率。必需氨基酸消化率應來自人體回腸必需氨基酸真消化率，在人體資料不易獲得的情況下，可采取以生長期的豬為模型動物獲得的回腸必需氨基酸消化率，其次采用生長期大鼠為模型動物。2013年FAO“人類營養中膳食蛋白質質量評估”專家咨詢報告中針對不同人群提出的DIAAS的氨基酸評分模式見表1[5]。

表1 不同人群DIAAS的評分模式[5]Table 1 Recommended amino acid acoring patterns for infants, children and older children, adolescents and adults[5]（mg/g蛋白）

DIAAS能更真實地反映機體對氨基酸的消化利用程度以及食物中蛋白質對人體氨基酸和氮代謝的貢獻[12]。從2013年FAO提出用DIAAS評價食品蛋白質品質以來，世界上許多國家都開展了一系列針對本國食品蛋白質品質評價的研究，尤其以新西蘭、美國、加拿大、荷蘭和印度的研究較多。國內僅有Han等[2-4]分別以大鼠和豬作為模型動物，對我國常見的谷物（糙米、精米、小麥粉、燕麥、甜蕎、苦蕎、小米、糜子、薏苡等 9種谷物）和雜豆（綠豆、小豆、蕓豆、豌豆、蠶豆、鷹嘴豆等6種雜豆）煮熟后的DIAAS進行了系列研究。

當前對于食品蛋白質評價的 DIAAS研究發現，動物蛋白的DIAAS值一般均大于90[7,13-16]，谷物蛋白的 DIAAS一般均小于 68[2,4,13-19]，豆類蛋白的 DIAAS范圍為 55～94[3,4,18-22]。根據 FAO專家委員會的評價標準[5]，DIAAS大于75為優質蛋白，那么所有的谷物蛋白均為低質蛋白，動物蛋白均為優質蛋白，而一部分豆類蛋白為優質蛋白。

2 傳統食物蛋白質評價體系面臨的挑戰

目前，常用蛋白質的評價體系是以氨基酸的生物利用率為參考指標。然而，膳食蛋白與營養相關慢性疾病的關系研究，尤其是蛋氨酸限制飲食（methionine-restricted diet，MRD）對健康的有益作用正對這一評價體系提出了嚴峻的挑戰。一系列研究發現，當給嚙齒類動物日糧中蛋氨酸攝入量限制為蛋氨酸需求量的20%時，可以顯著減少機體脂肪的積累，增加能量支出和代謝的靈活性，增強胰島素敏感性，改善脂類代謝，降低炎癥反應，并且可以顯著延長嚙齒類動物的壽命。這些結果表明，僅僅通過評價蛋白質的氨基酸生物利用率，并與人體的氨基酸需要量進行匹配的蛋白質評價體系顯然已不能全面反映蛋白質品質，尤其是蛋白質的健康品質。同時，一些糧食蛋白，如蕎麥蛋白、雜豆類蛋白的第一限制性氨基酸均為蛋氨酸。近年來的研究發現，這類食物有很多有益于健康的功效，相關研究往往將其歸因于富含膳食纖維、植物化學物等，并未充分考慮其作為天然的蛋氨酸限制食物這一因素。

2.1 蛋氨酸限制飲食（methionine-restricted diet，MRD）

蛋氨酸是一種人和動物的必需氨基酸，它在機體代謝過程中具有非常重要的生理作用，如蛋白質合成、參與一碳代謝、轉硫途徑等[23]。雖然蛋氨酸在膳食中是必需的，但是過多的蛋氨酸攝入會誘導貧血、氧化應激和多器官損傷（包括心臟、肝臟和腎臟等）、血脂異常和動脈粥樣硬化等的發生[24-25]。近年來大量研究表明，MRD能夠產生許多有益于機體健康的作用，包括延長酵母[26]、果蠅[27]、線蟲[28]和嚙齒動物[29-30]的壽命、減少機體脂肪積累[31-32]、降低體重[33-34]、改善胰島素敏感性[34-36]、減少氧化應激和炎癥反應[37]、抑制結直腸腫瘤和軟組織肉瘤的生長[38]以及抑制年齡相關疾病的發生等[39]。其中，最突出的代謝益處是能量攝入和支出的協調性增加，其中能量支出的增加更為明顯，機體通過增加維持現有組織（例如骨骼肌）所需的總能量的比例來限制持續的脂肪沉積[40-41]。近年來 MRD也有一些人群的臨床研究，如用于高胱氨酸血癥[42]、神經綜合癥[43]、轉移性實體瘤[44]、甚至新冠肺炎（Covid-19）[45]的輔助治療等；臨床試驗還發現，MRD干預可改善超重或肥胖女性的血漿生物標志物、血清成纖維細胞生長因子21（FGF21）以及脂肪組織基因表達等[46]，可增加脂肪氧化，提高胰島素敏感性，減輕肥胖癥[47]，可逆轉衰老對體重、胰島素抵抗和肥胖的負面影響[48]等，這些研究結果提示MRD干預可能是一種可行的治療成年人因年齡引起的代謝綜合征的有效方案。

2.2 蛋氨酸限制飲食的機理

由于大多數真核生物不能利用無機硫，所以含硫氨基酸（SAA）必須從飲食中攝入。SAA包括蛋氨酸（Met）和半胱氨酸（Cys）。由于 Cys可以通過轉硫途徑（TSP）由 Met從頭合成，如果膳食中Met和Cys的攝入量都很低，那么Cys也將成為必需氨基酸。因此，更準確地 MRD應稱為SAA限制飲食[49]。Met不僅是蛋白質合成的起始氨基酸，而且它的甲基（X-CH3）也是碳轉移反應的來源。除了在蛋白質合成中的重要作用外，Cys還對谷胱甘肽的產生和氧化還原穩態起著關鍵作用。目前，獨立于年齡或性別的SAA的人群推薦量為每日每公斤體重14～20 mg，Met的推薦攝入量為每日每公斤體重10～19 mg。由于缺乏年齡和/或健康相關試驗數據，這些推薦攝入量并未得到普遍認同[50]，因此，SAA的適宜推薦攝入量仍需進一步深入研究。已有的文獻表明過早的 MRD干預會限制斷奶后幼齡鼠的生長、發育及組織沉積[48,51-52]，而 MRD干預成年鼠卻能預防和減輕肥胖、提高胰島素抵抗[51]，增加脂質輸出和逆轉小鼠肝臟中的脂肪變性[53]，預防肥胖小鼠 2型糖尿病的發作[54]等。因此，MRD極有可能不適合幼齡動物，卻適宜肥胖或者代謝綜合癥的成年動物，以及進入或者正處在衰老狀態的中老齡動物。

目前對于MRD機理的研究主要集中于MRD通過調節機體的能量代謝，進而影響機體健康效應。能量代謝減緩是慢性代謝性疾病與衰老的典型特征，而 MRD對機體作用的重要特征就是顯著增強機體的能量消耗[55]。研究發現，限制蛋氨酸攝入能顯著提高試驗動物的采食量、能量支出和脂肪分解，降低血糖和血脂水平，促進機體供能水平[56]。由于蛋白質合成需要蛋氨酸作為底物,且高度耗能，因此推測，蛋氨酸限制后，機體可能通過增加采食量、消耗大量脂肪和碳水化合物的方式來提高機體供能水平，從而提高蛋白質合成效率，維持蛋白代謝的平衡[56]。

MRD增強能量代謝的可能機制如下：一是改善糖代謝，比如通過上調循環FGF21水平從而改善葡萄糖代謝[48,57]；二是白色脂肪米色化，通過增加脂肪細胞解偶聯蛋白 1（Ucp1）的表達和呼吸能力，從而導致能量消耗[58-59]；三是通過調節腎上腺素的分泌從而調節總熱量消耗[58]；四是通過改善甲狀腺穩態和減輕氧化應激，激活能量代謝，為蛋白質合成提供充足能量，從而在低蛋氨酸水平下滿足機體蛋白質代謝基本需求[41,56,60]。

按照目前SAA推薦攝入量標準，當飲食蛋氨酸攝入量限制為蛋氨酸需求量的20%時，機體依然能保持正常生理功能，且并沒有過多地降低蛋白質的合成[61]。研究發現，對一些物種，SAA限制和粗蛋白限制存在明顯的表型重疊[62]；最近的一些試驗還表明，MRD可能與Met在機體代謝過程中產生的硫化氫（H2S）有關[41,63]。同時有研究發現，MRD通過改善不同能量日糧中老齡鼠的甲狀腺功能，調節海馬依賴的焦慮抑郁和學習記憶功能，增加腸道微生物的多樣性和有益菌的豐度，改善中老齡鼠的腸道粘膜功能，從而改善中老齡鼠的健康狀況[51,64]。

3 應對挑戰的思考和建議

由于 MRD對成年嚙齒類動物的健康作用已經非常明確，因此，食品中蛋氨酸的含量對食品蛋白質的品質評價有顯著的影響。按照傳統蛋白質評價體系認為的劣質蛋白，如蕎麥蛋白、豆類蛋白，由于其是天然的蛋氨酸限制食品，從健康角度來說可能是優質蛋白，而且對不同的年齡或生理階段的目標人群，相同的蛋白食品也有可能被定性為不同的優劣程度。為了客觀表征這種優劣程度，最好能引入數字指標，因此，經過深入思考，筆者首次提出用蛋氨酸分數（methionine score，MS）來表征食品的這種蛋白質品質。

蛋氨酸分數（MS）被定義為，食物中可消化的蛋氨酸含量（包括胱氨酸含量）與目標人群蛋氨酸需求量（包括胱氨酸的需求量）的比值。用公式表述如下：

其中，參比蛋白中所含有的蛋氨酸加胱氨酸的數量參考 2007年世界衛生組織/聯合國糧農組織/聯合國大學（WHO/FAO/UNU）報告中不同年齡段人群每天每公斤體重氨基酸的需求量確定[5]。當然，這個公式的表述是否準確還需要進一步展開研究和討論。在這里采用可消化蛋氨酸和胱氨酸數量，而不是直接采用蛋白質中的蛋氨酸和胱氨酸的含量，是基于可消化氨基酸的數量能更真實的反映機體真正能利用的氨基酸數量考慮的。蛋氨酸分數并不是越高越好，也不是越低越好，應是一個適宜的范圍，這個范圍需要開展進一步的深入研究來確定。

MRD可以通過類似不嚴格的素食來實現。2017年Ables和Johnson整理了不同食物中的蛋氨酸含量[65]。他們指出蛋氨酸在肉類中含量豐富，尤其是紅肉；堅果、種子、豆類、谷類和面食含量低；蔬菜和水果幾乎不存在[66]。蛋氨酸天然含量低的食物構成MRD，類似于素食飲食[66]。而至今國內外 MRD的實際應用十分少見，作為健康膳食的推廣或者相關產品開發都未起步，MS的研究和應用會加速 MRD健康膳食的推廣和相關產品的研發。

4 結論

傳統的食物蛋白質品質評價體系經歷了從PER到PDCAAS再到DIAAS的過程，以豬為模式動物測定食物氨基酸的消化率已經接近準確，進一步的工作是建立食物對模型動物豬的氨基酸回腸消化率和不同年齡段人的消化率的回歸方程，進而利用已經比較成熟和廣泛的豬的飼料標準回腸消化率數據，擴充人的DIAAS數據庫；另一方面是發展和完善食物體外回腸氨基酸消化率測定標準方法，建立食物體外氨基酸消化率和不同年齡段人群的消化率回歸方程，進而快速擴充人的DIAAS數據庫。但是，這一系列工作都是以食物的氨基酸與人體氨基酸需要量的匹配程度為評價標準的，沒有考慮氨基酸的健康效應，因此在進一步發展傳統食物蛋白質評價體系的同時，應同時考慮蛋白質的健康品質，建立基于氨基酸健康效應的評分體系，如蛋氨酸分數（MS），用以補充和完善食物的蛋白質品質評價體系。