日糧蛋白質與美拉德反應

何 穎 譯自Front iers in Immuno lgy,Vol.9(2018)

李 紅 審 潘雪男 復審

動物的免疫系統能夠保護機體免受病原微生物的侵襲，同時幫助機體在接觸無害抗原時產生耐受性。因此，動物機體免疫功能受損與其易感染性增強息息相關，伴隨著疾病嚴重程度的加劇，甚至需要使用抗生素進行治療。家畜的生產性能、飼料轉化率以及健康狀態均取決于其腸道中的微生物菌群、腸上皮細胞屏障功能和黏膜免疫系統的活性，這些部位的功能狀態都可通過日糧的組成進行調控。商品飼料大多要經過加工才飼喂寵物和家畜，加工促使飼料中的蛋白質和糖發生的非酶促反應稱為美拉德反應(Mai l lard react ion，MR)。美拉德反應產物(Mai l lard reac t ion produc ts，MRPs)和晚期糖基化終產物(advanced glycation end-products，AGEs)決定了許多食品或飼料的味道、氣味和顏色，因此MR食品和MRPs會與動物體內不同類型的免疫受體發生互作，這些受體包括晚期糖基化終產物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGEs)，而MR能夠改變飼料蛋白的免疫調節潛能。有研究表明，MRPs/AGEs有助于提高動物機體中與日糧相關的慢性腸炎的患病率，并抑制動物的健康和生產性能，因此日糧中的美拉德反應備受關注。有關家畜和寵物日糧中MRPs和AGEs免疫調節作用的研究很少，但普遍認為其與人類食品領域中的相關概念和機制相似。

1 動物飼料的蛋白質質量

日糧蛋白質是動物攝入氨基酸的源泉，動物吸收氨基酸并利用它們合成蛋白質的效率取決于該日糧蛋白質的質量和滿足動物營養需要的必要劑量。動物將各種氨基酸用于生長、發育、免疫和泌乳等生理活動的效率，不僅取決于日糧中氨基酸的含量及其生物利用率，還取決于它們之間的相對比例。當日糧中的氨基酸組成不平衡甚至缺乏某種氨基酸時，日糧蛋白質的質量和機體合成蛋白質的水平會降低，例如色氨酸是日糧中含量最低的氨基酸，而賴氨酸通常是動物飼料中的限制性必需氨基酸。蛋白質在日糧中是必不可少的，蛋白質不僅決定了日糧的營養價值，而且它們還決定了日糧的結構、動物的感知和免疫調節能力。這些功能的強弱取決于pH、離子強度、溫度、壓力等物理化學條件，而蛋白質及其氨基酸的單一行為在很大程度上是未知和不可預測的。因此更好地理解食品或飼料生產過程中的這些參數，因為它們會對食品或飼料的質量產生重要的影響。通常酶也是日糧蛋白質的一部分，包括蛋白酶(將大分子蛋白質水解成小肽)和肽酶(將單個氨基酸從蛋白質和多肽末端解離出來)。在加工過程中蛋白酶主要用于提高日糧蛋白質的視覺吸引力、口感、產量、營養價值和物理特性。加工技術會影響食品或日糧中蛋白質的質量，進而影響它們的安全性，因此人們開發了高壓加工、脈沖電場、射頻和低溫等離子體等新型加工技術。

日糧蛋白質中的氨基酸可發生交互聯結和糖基化反應，包括美拉德反應或糖基化反應。MR是以法國醫生兼化學家路易斯·卡米爾·美拉德的名字命名的，他在1912年首次報道了該反應。1953年，約翰·霍布斯提出了MR的化學機理，并一直沿用至今。MR也被稱為非酶促褐變反應，通常由氨基酸(如賴氨酸、精氨酸)和還原性糖(如果糖、葡萄糖)通過一系列化學重組進行，最終產生美拉德反應產物。MRPs包括席夫堿、糖胺(amadori)產物以及作為終產物的晚期糖基化終產物。MR晚期產物可通過糖氧化途徑和非氧化途經產生。戊糖素和N-羧甲基賴氨酸[N-(carboxymethyl)lysine，CML]是糖氧化途徑的產物(糖基化和氧化)，吡咯素是非氧化途徑的產物。在還原物主要是糖的情況下，MR的激烈程度與蛋白質的加熱溫度和持續時間呈正相關。加熱溫度過高將增強美拉德反應的激烈程度，而使用較低溫度長期熱處理也會產生相似的結果。MR的進程與環境中可用糖的種類和含量有關，例如，與富含果糖的產品相比，富含葡萄糖的產品糖基化反應速度較慢。天然存在于日糧蛋白質的20種氨基酸中，含ε-氨基的賴氨酸和含胍基的精氨酸對MR最敏感。而組氨酸、色氨酸以及所有包含α-氨基或N-末端氨基的氨基酸或者多肽都可參與美拉德 反應。

在發生美拉德反應時，賴氨酸是反應性最激烈的氨基酸，可變性產生賴氨酸衍生物，包括席夫堿——一種可逆但不穩定的化合物。隨后，席夫堿經重排形成糖胺化合物(ε-N-脫氧酮糖賴氨酸)，該反應不可逆且可進一步生成晚期美拉德反應產物，最終形成類黑素，導致飼料被加工成褐色。氨基參與美拉德反應的多個步驟，因而將會顯著降低氨基酸的利用率。來自于MR的糖胺產物和AGEs可能會被動物的胃腸道微生物吸收，并代謝形成其他物質，或直接通過糞便排出體外。被動物機體吸收的AGEs可能會在被代謝成其他物質后貯存在體內，或直接通過尿液將未發生改變的AGEs排出體外。只有部分類黑素能被動物的腸道消化吸收，貯存于腎臟中。與高分子量的類黑素相比，未被吸收的小分子量類黑素在動物腸道中被降解。

2 食品加工

食品加工已經成為提高食物口感、安全性、品質、儲存時間和營養物質生物利用率的常規程序。長期以來，人類使用不同的方法加工膳食，如腌制、發酵、熏制、加熱等，以保存膳食并獲得期望的產品特性。在上述提及的加工方法中，熱處理是現代最常使用的方法。自人類發現火種以來，對生食材的烹飪提高了膳食的口感和消化率。食品工業廣泛使用高溫對原材料進行加工，其中一些加工的溫度高達250 ℃，以改變膳食的外觀和結構。在食品加工過程中，由于結構和物理化學性質物不同，可能會產生成分相似但生理效應截然不同的產品。一般而言，食品加工對膳食的營養成分有重大影響，會改變分子的生物學特性，從而在消費者攝入膳食后對身體產生不同的影響。其中一些變性分子能立即對消費者產生直接作用，例如提升味覺、嗅覺以及膳食養分的消化率(如淀粉、氨基酸)。在常年食用加工的食品之后，另一些變性分子也可能會表現出對人類機體的影響。后者主要指變性分子在人體內積累，并隨著時間的推移逐漸影響機體的細胞和組織。AGEs修飾態蛋白與糖尿病、類風濕關節炎和阿爾茨海默病等多種慢性炎癥性疾病的發病機理有關。本綜述重點闡述家畜和寵物日糧中MRPs和AGEs的免疫調控作用，因為這方面的研究遠不如對它們在人類領域所起作用的了解，所以使用了來自人類食品研究領域的相關知識。飼料中MRPs和AGEs的免疫調節活性是基于人類和動物同樣相關的概念和機制。

3 晚期糖基化終產物

美拉德反應產生的糖基化產物通常被稱為晚期糖基化終產物。研究表明，人類和動物攝入過多的AGEs，會誘發機體出現病理變化，因此AGEs日益成為食品和飼料安全研究的主題。AGEs既是人類或動物體內氧化應激和衰老等生理反應產生的內源性產物，又是膳食和日糧在加工過程中發生美拉德反應后產生的外源性產物。糖基化會改變蛋白質的結構，這可能會導致受影響蛋白質的結構變形并失去生物活性。內源性糖基化和錯誤折疊的小分子蛋白質在動物細胞內被泛素-蛋白酶復合體(ubiquitin-proteasome-system，UPS)中的20S蛋白酶降解。然而，當進一步發生氧化和交互聯結反應時，這類小分子蛋白質可能會形成結構更大的復合物。大分子結構的糖基化蛋白質會阻斷蛋白酶的活性，具有抗降解能力，從而導致它們在動物體細胞和組織中積累。另一種清除AGEs修飾態蛋白的機制是利用溶酶體系統。細胞受體識別這些修飾態蛋白(尤其是外源性蛋白質)，并將它們內化進入內涵體。含有AGEs的內涵體會被融合到細胞的溶酶體中，溶酶體蛋白酶會作用并裂解這些修飾態蛋白，將其降解成多肽后并通過泌尿系統排出體外，但這一機制目前尚不十分清楚。

原 題 名：Immunomodulation by processed animal feed: the role of Maillard reaction products and advanced glycation end-products (AGEs)(英文)

原 作 者：Malgorzata Teodorowicz、Wouter H Hendriks、Harry J Wichers和Huub F J Savelkoul