膳食油脂-蛋白质互作产物与人体健康

王 硕，王娅娅，张恬畅，张 燕，王俊平，董 璐

（1 南开大学医学院 食品科学与健康天津市重点实验室 天津300371 2 天津科技大学食品科学与工程学院 食品营养与安全国家重点实验室 天津300457）

大数据显示，2015—2020年，全世界发生了多起原以为健康、安全的食品而出现质量和营养安全问题的事件[1]。在热加工过程中，食品组分，如蛋白质、碳水化合物和脂肪之间会发生非常复杂的化学变化，产生一些有害化学物质。随着热加工食品的摄入，这些化学物质会给人体健康带来极大的危害。目前关于蛋白质与碳水化合物反应中相关危害物的产生机制及危害评价研究较多，如通过美拉德反应产生的丙烯酰胺、杂环胺、晚期糖基化终产物、α-二羰基化合物、5-羟甲基糠醛和呋喃等。在关于红肉摄入与心血管和全因死亡风险相关性研究中发现，加工红肉的高摄入量使患心血管疾病和全因死亡的风险增加了3%～7%，而油脂含量较低的鱼肉与心血管疾病和过早死亡风险没有相关性[2-3]。最近的一项动物实验发现，摄入煮熟的猪肉后，血清和肝脏中总胆固醇、血清内毒素含量显著增加[4]。这些研究结果再次引发了人们对于热加工食品安全问题的关注。肉类中的主要组分是蛋白质和油脂，加工过程中蛋白质与油脂的互作产物可能是红肉类食品健康风险的一个主要诱因。本文介绍食品中油脂的氧化过程及其氧化产物，分析油脂氧化产物对蛋白质的修饰机理，重点阐述油脂-蛋白质互作产物和人体健康的关系。

1 食品中的油脂氧化

油脂氧化主要发生在富含不饱和脂肪酸的食品中，例如肉类、油炸食品、坚果等。食品中的油脂氧化是导致食品风味、颜色和质地变化的主要化学反应。油脂氧化不仅产生大量的风味物质，还会产生特殊的臭味，导致油脂酸败。在氧化过程中形成类黑素，导致食品颜色变暗。此外，油脂氧化产物与蛋白质交联，与维生素和类黄酮等营养素共氧化会导致食品质地发生变化[5-6]。油脂氧化的程度取决于脂肪酸的不饱和程度，食品中抗氧化剂的含量以及食品加工和贮藏条件。一般来说，高度不饱和脂肪酸最容易被氧化，例如ω3 脂肪酸。对于食品加工而言，热加工是促进油脂氧化的重要因素。这是因为高温会促进甘油三酯水解，双键异构化以及脂肪酸和脂肪酸甘油酯的聚合反应[7]。

油脂氧化过程中，不饱和脂肪酸首先氧化成初级氧化产物——油脂氢过氧化物，氢过氧化物分解形成自由基，继而发生分解与聚合反应，进一步形成次级油脂氧化产物，包括烃、醛、酮、醇、酯和酸[8]。目前已鉴定出数百种挥发性和非挥发性次级油脂氧化产物，其中大多数是醛类物质[9]。主要由饱和醛（戊醛和己醛）、不饱和醛（己烯醛、壬烯醛、丙烯醛和丁烯醛）、二醛（即丙二醛（MDA）、乙二醛）、酮醛（甲基乙二醛）和α，β-不饱和醛【4-羟基-2-壬烯醛（HNE）】组成[10]。这些油脂氧化产物与蛋白质反应形成膳食油脂-蛋白质互作产物，从而引起食品颜色和蛋白质荧光特性改变。此外，这些反应还导致食品风味改变以及潜在有毒物质的形成[11]。

1.1 谷物制品中的油脂氧化

油脂是谷物制品中主要的配料之一，因此谷物制品中也存在油脂氧化。然而，谷物制品的油脂氧化取决于食品基质的分水活度。一般来说，低分水活度的谷物制品不容易被氧化[12]。例如，与高水分活度饼干相比，低水分活度的饼干中的脂质氢过氧化物稳定性更强，它能将己醛的形成推迟20 d[13]。谷物制品中的油脂氧化与加工条件密切相关。高压加工是一种被广泛应用于谷物制品加工中的非热加工技术。研究表明，高压加工制品的油脂氧化程度依赖于压力的变化，其中200～350 MPa 条件下油脂氧化的程度最小[14]。与传统挤压相比，超临界流体挤压能够降低膨化谷物中的油脂氧化[15]。此外，为了减少谷物制品中的油脂氧化，通常使用饱和脂肪酸代替不饱和脂肪酸。

1.2 肉制品中的油脂氧化

肉类在热加工过程中也很容易发生脂质氧化，这是因为肉类食品在此过程中会释放与蛋白质结合的金属离子，从而使抗氧化酶失活[16]。肉制品的加工技术包括热处理、腌制、熏制、发酵和干燥等，其中热处理是促进肉制品油脂氧化的重要因素。与红肉和鸡肉相比，鱼肉更容易被氧化，因为鱼肉中含有多不饱和脂肪酸。显然，肉制品中的油脂氧化是不可避免的，然而，通过控制贮藏条件能在一定程度上降低油脂氧化的程度，其中冷冻能够最大程度地减慢油脂氧化速率。屠宰后将牛肉和羊肉冷冻保存，不仅可降低油脂氧化，还可增强其风味。此外，避光储存和抗氧化剂预处理能够增加鱼肉的氧化稳定性[17]。鸡肉中油脂氧化的程度与饲料、加工条件和包装技术等密切相关。含有氧化油脂的饲料会增加鸡肉中的油脂氧化[18]。另外，用高压加工（200～400 MPa）代替热处理能够降低鸡肉和猪肉的油脂氧化，然而，当压力大于400 MPa 时，高压加工会促进油脂氧化[19]。

1.3 油炸食品中的油脂氧化

油炸是西方饮食中重要的烹饪和食品加工技术。通常烹饪煎炸油中含有大量不饱和脂肪酸，因此，高温煎炸食品的摄入可能存在潜在的风险。多不饱和脂肪酸（PUFA）比单不饱和脂肪酸更容易受到热诱导氧化。富含PUFA 的植物油在油炸过程中会形成大量油脂氧化产物，其中大部分具有细胞毒性和基因毒性。而饱和脂肪酸（SFA）对过氧化具有极强的抵抗力[20]。对模拟体系和实际食品体系的研究表明，当使用富含SFA 的油炸介质，如椰子油和动物脂肪（猪油）进行高温煎炸时，食物中具有毒性的油脂氧化产物的生成量会大大降低[21]。

2 油脂氧化产物对蛋白质的修饰

由还原糖衍生的活性羰基化合物（丙酮醛、乙二醛、2，3-丁二酮等）对氨基酸和蛋白质的修饰作用为人们所熟知，而由脂肪氧化产生的活性羰基化合物（MDA、HNE 等）对氨基酸和蛋白质的修饰作用鲜为人知。脂质氧化是食物中羰基化合物的主要来源[22]，已证明这些化合物和碳水化合物衍生产生的反应性羰基化合物都能够以相似的方式修饰氨基酸[23]。MDA 通常是脂质过氧化作用产生的最丰富的活性羰基化合物，它通过与蛋白质中的赖氨酸氨基、半胱氨酸巯基、精氨酸残基和组氨酸咪唑基团反应，引起蛋白质结构和功能性质的变化[24]。在生理条件下，现已证明MDA 可与赖氨酸反应生成N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸，并形成荧光产物，例如二氢吡啶（DHP）型加合物[25]。而HNE修饰蛋白质主要形成2-戊基吡咯和2-羟基-2-戊基-1，2-二氢吡咯-3-酮亚胺[26]。同样，在生理条件下，由MDA 和HNE 等活性羰基化合物修饰蛋白质形成的互作产物被称作高级脂肪氧化终末产物（ALEs）。食品中的油脂氧化产物也能修饰蛋白质形成油脂-蛋白质互作产物，改变蛋白质结构，进而降低食品的营养价值，甚至形成一系列健康危害物。

2.1 对肌肉蛋白的修饰

肉类产品中含有更多的蛋白质和脂质。采用间接ELISA 法在牛肉中检测到经HNE、MDA、己烯醛、庚烯醛、辛烯醛和壬烯醛修饰的蛋白质，可能对蛋白质的稳定性和功能产生影响[27]。Piche等[28]将MDA 处理的牛肉蛋白样品经模拟胃肠消化后，鉴定出MDA 主要与牛肉蛋白的赖氨酸残基结合，并在消化过程中以N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸的形式释放出来，这种化合物因具有活性的羰基而具有反应性。模拟体系研究表明，MDA 可与蛋白质结合[29]，并进一步导致肉制品中肌原纤维蛋白的功能特性发生变化[30]。在NaCl 的作用下，MDA 使肌原纤维发生膨胀，同时MDA 可诱导肌球蛋白分子间产生共价键交联，形成MDA-肌球蛋白互作产物[31]。在宰后动物的肌肉组织中，氧合肌红蛋白（OxyMb）被氧化为高铁肌红蛋白，这一问题给肉类行业带来巨大的经济损失，并且脂质氧化过程及其产物会加速OxyMb 氧化[32]。据报道，HNE 可加速金枪鱼[33]、马[34]、牛和猪[32，35]中肌红蛋白的氧化。研究表明，油脂氧化产生的醛类修饰OxyMb，导致加合物的形成与OxyMb 氧化同时发生[34]。目前，肉类产品中油脂氧化产物对蛋白质的修饰作用研究主要集中在模拟肉制品贮藏条件下常见油脂氧化产物MDA 和HNE 对肌原纤维蛋白结构的影响，以及由油脂氧化产物引起的宰后动物肌肉组织中蛋白质的氧化现象。而其它油脂氧化产物对蛋白质的修饰作用以及不同加工条件对油脂蛋白质形成的影响尚未见报道。

2.2 对大豆蛋白的修饰

大豆蛋白是众多高蛋白食品的重要组成成分。大豆分离蛋白（SPI）广泛存在于富含脂质的食品（如肉制品）中。然而，模拟体系研究表明，SPI可以在室温下被MDA 修饰，进而导致羰基含量的增加，游离氨基的损失以及内源荧光性减弱，并最终形成席夫碱加合物[36]。此外，在脂肪氧合酶作用下，亚油酸氧化产物导致大豆蛋白羰基的形成和游离巯基的损失，进而使蛋白质发生分解[37]。液相色谱-串联质谱联用（LC-ESI-MS/MS）分析表明，MDA 能修饰大豆蛋白自由基清除肽的赖氨酸、组氨酸、精氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺残基，形成希夫碱型加合物。HNE 修饰赖氨酸残基形成席夫碱加合物，而修饰组氨酸、精氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺残基主要形成迈克尔加合物[38]。目前富含大豆蛋白的食品中油脂-蛋白质互作产物形成规律的研究主要集中在MDA 和HNE 对大豆蛋白结构的影响。部分研究尝试采用高分辨质谱解析技术阐明基于MDA 和HNE 与大豆蛋白形成的油脂-蛋白质互作产物的结构，目前该领域研究还尚在初步阶段。

2.3 对乳蛋白的修饰

牛乳或配方奶粉在加工过程（例如喷雾干燥、巴氏杀菌、加热）中容易发生脂肪氧化，形成一系列氧化产物。MDA 是牛乳和配方奶粉中主要的次级氧化产物[39]。此外，在人乳脂质过氧化反应中，己醛是主要产生的醛类挥发物[40]。乳蛋白也会暴露于各种脂肪氧化产物中，导致氨基酸侧链发生氧化修饰，最终导致蛋白质聚集、裂解[41-44]。随着功能性脂质（如α-亚麻酸、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸）在乳制品中的应用[45]，乳蛋白与脂质氧化及分解产物共存可能会产生潜在的不利影响[41]。例如，Meynier 等[46]研究表明己醛通过共价结合导致乳清蛋白和酪蛋白酸钠的结构变化。Cucu 等[41]观察到基于乳蛋白的乳液在经受自氧化过程时会发生严重的蛋白质聚集。在光氧化条件下也发现乳清蛋白在乳液中聚集[44]。这些氧化产物还与氨基酸相互作用，导致乳蛋白的营养质量下降。Niu等[47]发现MDA 能够诱导乳清分离蛋白交联和聚集。此外，MDA 能够修饰β-乳球蛋白的胰蛋白酶肽形成席夫碱和二氢吡啶（DHP）加合物[48]。乳蛋白是人类非常重要的营养来源。在过去的几年中，大量研究报道乳制品热加工过程中糖基化对蛋白质的影响以及晚期糖基化终产物的形成规律。然而，牛乳中的脂肪含量远高于糖的含量。在热加工过程中，由乳脂肪氧化产物对乳蛋白的修饰作用还未引起关注。

2.4 对其它蛋白质的修饰

脂肪氧化产生的活性羰基化合物对过敏原的修饰可能导致过敏原结构改变，从而影响其致敏性。MDA 修饰卵清蛋白（OVA）的Lys 残基为：Lys55，Lys92，Lys122，Lys189，Lys277 和Lys279。胰蛋白酶消化后，在OVA 中检测到两种类型的MDA 加合物，分别为席夫碱和DHP 型加合物[49]。HNE 修饰了虾原肌球蛋白（TM）中丙氨酸、亮氨酸、赖氨酸和组氨酸的侧链基团，导致其结构改变，IgE 结合能力降低。这意味着HNE 诱导TM 的构象变化，从而导致其过敏性发生变化，并且这些变化是由特定氨基酸残基被修饰引起的[50]。

目前为止，仅对油脂氧化产物与食品中蛋白质形成的加合物进行粗略表征，不能准确分析形成加合物的结构，定量技术不成熟。此外，食品中油脂氧化产物对蛋白质的修饰作用大多在室温条件进行。在热加工条件下油脂氧化产物剧增，油脂-蛋白质互作产物的种类和结构会更加复杂，油脂氧化产物对蛋白质的修饰作用以及生成的伴随物应引起关注。

3 膳食油脂-蛋白质互作产物和人体健康

膳食油脂-蛋白质互作产物对人体健康的影响与它们的消化性、吸收率和反应性有关。蛋白质的营养取决于蛋白质的消化。蛋白质修饰导致的结构变化（例如交联和聚集）会影响其对消化酶的敏感性以及生物利用度[51]。蛋白质经胃肠消化后，一部分被小肠吸收进入人体循环，不能被小肠吸收的部分由粪便排出。

3.1 膳食油脂-蛋白质互作产物在胃肠道中的消化吸收

消化率是衡量膳食油脂-蛋白质互作产物在胃肠道中消化吸收的重要指标。一般来说，油脂氧化产物对蛋白质的修饰越多，蛋白质在胃肠道中降解的速度越慢。例如，油脂氧化产物与蛋白质中的赖氨酸和精氨酸残基反应，限制它们被胰蛋白酶消化的程度。然而，油脂氧化产物对蛋白质修饰引起的蛋白质聚合也可能增加蛋白质溶解性，从而促进酶消化。Zhao 等[37]研究表明，亚油酸氧化产物对MP 消化性的影响取决于蛋白质结构的变化。MDA 可以诱导SPI 的共价聚合，导致SPI 不能被胃蛋白酶和胰酶消化，最终导致SPI 的营养价值降低[36]。

膳食油脂-蛋白质互作产物经胃肠道消化后，一部分经肠道吸收直接进入血液循环中。Girón-Calle 等[52]将放射性标记的N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸通过胃插管和腹腔注射的形式注入大鼠体内，研究其吸收利用情况，结果表明该化合物可在肠道中吸收并进入许多器官中。与N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸不同的是，二氢吡啶-赖氨酸不能被肠道吸收，96%的二氢吡啶-赖氨酸随粪便被排出[53]。食品中油脂-蛋白质互作产物种类繁多，且大部分是以结合形式存在。非极性化合物可能会通过类似于药物传递途径被吸收，而大多数由氨基酸和氧化脂质形成的ALE 可能是极性化合物。目前对修饰的极性氨基酸的吸收途径鲜有报道。

3.2 膳食油脂-蛋白质互作产物对健康的影响

某些膳食油脂-蛋白质互作产物可能是一种有害化学物质，其经肠道被吸收进入血液循环系统并激活炎症反应，对循环系统、肝脏、肾脏、肺脏和肠道都会造成不利影响[54]。Williams 等[55]研究表明摄入高温加热的富含蛋白质和脂肪食品会引起餐后内皮功能下降，而未经过加热的此类食物不会有这种作用。此外，摄入加热的高脂肪含量的膳食可将血流介导内皮依赖性的扩张减少7 倍，而在油炸相同量的新鲜食物后不会产生这种作用。当给大鼠饲喂经过加热的多不饱和食用油时，脂肪氧化产物可以进入全身循环并与谷胱甘肽发生反应[56]，而谷胱甘肽降低可能会增加氧化应激并损害内皮功能[57]。Kanner 等[6]提到食用含有ALEs的脂肪粉会导致血管功能受损，促炎细胞因子和可溶性黏附分子浓度的增加。大量文献表明晚期糖基化终末产物（AGEs）会导致人体血管和肾脏损伤[58-59]，而低AGEs 饮食能改善胰岛素抵抗和糖尿病并发症等疾病。对1 200 种常见食品中AGEs含量的研究发现，脂肪和蛋白质含量高的动物产品中AGEs 含量也相对较高，其中ALEs 占很大比例[60]。

当食品中含有大量的油脂-蛋白质互作产物，如N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸等化合物时，可能会损伤黏膜和肠道细胞的第1 道防线，从而导致更多的互作产物和其它有毒化合物经胃肠道吸收到淋巴或直接进入血液循环中。此外，进入血液循环的ALEs 可能与内皮[61]、肾[62]和结肠[63]细胞表面表达的受体相互作用，例如晚期糖基化终末产物受体（RAGE）。RAGE 被认为主要参与诱导AGEs 引发的组织损伤[64]，包括动脉粥样硬化[65]和糖尿病等[66]。然而，最近的研究表明，由HNE，MDA 和丙烯醛修饰牛血清蛋白形成的ALEs 能与RAGE 特异性结合，其结合特性取决于ALEs 的种类和修饰位点。RAGE 的激活诱导了活性氧的产生，并激活了活性氧-促分裂原激活的蛋白激酶（ROSMAPK）途径，从而激活并转移核因子NF-kB[67]。该反应过程最终导致氧化应激和炎症的产生，这可能是动脉粥样硬化的第1 个诱发因素。同样，氧化应激也是糖尿病等慢性代谢疾病的诱发因素。首先，由RAGE 诱导的因子NF-kB 和蛋白激酶（ROS-MAPK）途径被证明与糖尿病的发生和发展有密切关系[68]。氧化应激是非酒精性脂肪肝的重要发病机制。有研究表明，阻断RAGE 可以改善急性肝损伤和胆汁淤积性肝损伤[69-71]。在慢性肝损伤中，肝中RAGE 的表达显著增加[72]，推测ALEs 在非酒精性脂肪肝发病机理中起主要作用，ALEs 可能充当“第2 次打击”作用，有助于从良性脂肪病变发展成非酒精性脂肪肝和肝纤维化。此外，由于N-ζ-（2-丙烯醛）赖氨酸是一种不饱和醛，Kanner等[6]认为其残留的醛基可与血浆蛋白、载脂蛋白B-48、载脂蛋白B-100 等反应，并修饰这些蛋白质以产生乳糜微粒。现有大量证据表明，载有载脂蛋白B-48 的脂蛋白本身可能引起动脉粥样硬化，特别是当它们被油脂氧化产物修饰时[6]。事实上，目前缺乏关于膳食ALEs 与人体健康关系的研究证据，因此，上述观点是依据相关研究推测得到的。总之，目前关于膳食油脂-蛋白质互作产物与人体健康关系的研究结果大部分来自于高度加热的高脂肪食物与健康的关系。而这类食品中不仅包含油脂-蛋白质互作产物，还包含其它热加工危害物。未来的研究应致力于通过合理的评价体系探究膳食油脂-蛋白质互作产物与人体健康的关系。

4 结语

人们普遍认为食品热加工过程中由美拉德反应介导蛋白质糖基化会导致蛋白质结构改变，降低蛋白质的营养价值，甚至产生一些健康危害物。然而，热加工过程中油脂氧化产生的醛类也能修饰蛋白质形成膳食油脂-蛋白质互作产物，该过程与美拉德反应介导的糖基化相似。机体内由活性羰基化合物修饰蛋白质形成的ALEs，与炎症、糖尿病视网膜病变、动脉粥样硬化等密切相关。由此，膳食加工及贮藏过程中产生的膳食油脂-蛋白质互作产物与人体健康的关系也受到关注。目前，膳食油脂氧化产物对蛋白质修饰作用的研究主要集中在贮藏条件下修饰产物的形成规律，而对于热加工过程中油脂氧化产物对蛋白质的修饰作用研究较少。此外，油脂氧化产物种类繁多，不同加工条件下形成的互作产物结构复杂，目前尚无法准确定量膳食油脂-蛋白质互作产物。在膳食油脂-蛋白质互作产物与机体健康方面，一些文献提出膳食ALEs 是人体健康的危险因素，然而，目前缺少与膳食ALEs 危害人体健康相关的动物实验和人体研究证据。油脂和蛋白质广泛存在于肉制品、油炸食品等食品中，因此，后续应关注热加工中膳食油脂-蛋白质互作产物的形成机理及对蛋白质消化吸收的影响，建立膳食油脂-蛋白质互作产物的定量方法及其与人体健康的科学评价体系，明确膳食油脂-蛋白质互作产物对机体健康的影响，为建立热加工过程中膳食油脂-蛋白质互作形成的危害物控制技术提供理论依据。