食品水解酶的助消化吸收与辅助治疗作用研究进展

杜月红,张志广,王稳航,*,李 玉

(1.天津科技大学食品科学与工程学院,天津 300457; 2.真臻(宿迁)生物科技有限公司,江苏宿迁 223800; 3.天津科技大学生物工程学院,天津 300457)

图1 人体胃肠道结构[12-15]Fig.1 Structure of human digestive tract[12-15]

随着社会经济的发展、人民生活水平提升以及医疗水平的显著提高,中国的人均寿命不断延长,人口老龄化成为不可避免的社会问题。预计到2030年,我国65岁及以上的老年人口占比将上升至16.9%,到2050年将达到26.1%,与当前日本老年人口占比相当[1]。庞大的老年群体使养老、医疗和社会服务等方面的压力越来越大。老年人牙齿脱落,口腔各部分肌肉收缩能力的显著减弱导致咀嚼和吞咽能力严重退化[2-3],唾液的分泌也会减少,以致吞咽困难[4],由于生理功能的衰退,如脾胃虚弱,胃肠功能减退,各种消化液尤其是消化酶的分泌量减少等,严重影响了食物的消化吸收[5],成为消化道疾病的高发人群。同时,由于社会生活节奏加快,工作压力加大,以及存在的饮食健康性问题,很多中青年群体存在富营养化、微营养素缺乏等膳食结构不合理和营养素摄入不平衡引发的胃肠道功能紊乱现象,继而引起慢性胃肠炎、胃溃疡甚至癌变[6]。统计显示,功能性消化不良在全球和国内的发病率分别为19%～41%和18%～45%,且容易反复发作,在很大程度上影响了患者的生活质量[7]。

作为酶制剂中重要一类,水解酶类由于其对食物大分子如蛋白质、多糖和脂肪等,以及一些小分子复合物具有很强的水解作用,目前在食品工业中得到了广泛应用,为食品加工和产品开发起到了重要的助推作用。同时,通过补充外源水解酶可以有效软化食物结构、提高大分子物质水解率以提供必需营养物质、促进活性物质的游离度和利用率、抑菌消炎以及维持食糜的流变学特性等,从而可达到补偿机体消化功能的下降或缺失,有效改善多种胃肠功能障碍,有利于维护人体营养健康。此外，其对临床治疗有明显的辅助作用,如利用复方消化酶可有效改善患者的胃肠动力,改善患者的临床症状,辅助治疗老年人功能性消化不良,提高治疗效果,提高患者的生活质量[8]。

由此,食品水解酶在辅助人体消化吸收和治疗相关消化性疾病方面具有巨大潜力。其作为消化助剂和膳食补充剂使用在西方几十年前就已经相当普遍,但是在国内,这类产品的开发仍处于萌芽期,本文介绍了食品水解酶助消化以及辅助治疗作用的研究进展,旨在推动食品水解酶在功能食品领域尤其是提升消化功能类食品中的应用。

1 食物的消化与吸收及相关酶类

食物包括食糜是一种多组成多层次的复杂的结构体,主要由碳水化合物、蛋白质和脂肪组成。每一种营养素都有不同的消化吸收机制和对应的水解酶,其各自分布于消化道的不同部位。人体消化道非常精密和复杂,其结构及重要部位理化条件如图1所示。一般情况下,人类摄入食物,经过正常的消化吸收,维持体内各种代谢反应,排出代谢产物。然而,很多人由于胃肠功能障碍,会产生腹泻等症状,不仅造成主要营养物质如必需氨基酸、脂肪酸和脂溶性维生素的缺乏,还可能导致免疫功能低下、骨质疏松等各种营养不良相关并发症。这些症状一般无法被完全消除,通过给药治疗可以达到一定效果,但不能完全治愈,所以,使用酶对食品进行预处理,或者通过食品来直接补充水解酶,从而辅助肠道内的消化吸收作用,成为一种潜在的有效途径。根据GB 2760-2014 食品添加剂使用标准[16],目前共有54支酶制剂可用于食品工业,大部分为水解酶类,其中与营养和消化吸收相关的酶类主要包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和乳糖酶等,其中很多酶都已经得到商业化的应用(表1),对人体的消化吸收表现出了积极的促进作用。

表1 各种食物成分的消化过程和对应的水解酶[18-22]Table 1 Process of digestion of various food components and their corresponding hydrolases[18-22]

然而,在消化酶产品开发中,由于酶分子高级结构对环境十分敏感,各种物理化学和生物等因素均可能引起酶分子活性的丧失,尤其是温度的变化,所以需要利用化学交联和微胶囊等技术将游离酶固定化,由此制成的酶基功能性食品应具有以下特性[17]:水解酶和固定化材料来源明确,无毒无害;能适应胃酸环境,顺利通过胃后进入小肠并保持活性;具有良好的缓释特性,能在小肠中正常发挥作用;在加工和储存中能保持活性;具有良好的感官特性。

2 食品水解酶的助消化吸收作用

为了满足细胞对营养素的大量需求,营养物质生物利用度的高低越来越受到人们的重视,酶解作用可以将大分子降解成小分子(如低分子量糖和肽链),具有条件温和、可控、底物选择性高等许多传统技术无法比拟的优点[23],满足了经济、高效、环保的要求,补充消化酶能克服抗营养因子的不利影响和改善饮食成分消化,已成为一种常用的提高营养物质生物利用度方法。越来越多的研究和应用表明,外源水解酶的补充对食物营养成分的消化吸收方面具有很高的应用价值。

2.1 软化食物

营养物质在植物性食品中经常被不同的结构包裹,如细胞壁将底物与消化酶分隔开来,或者作为细胞内容物的一部分,干扰营养物质的消化吸收,通过加工处理(例如加热、机械处理和酶解)可以改变这些天然屏障[24]。Ravindran等[25]发现生物酶会破坏植物细胞壁的完整性,从而软化植物性食品。目前,细胞壁降解酶(果胶酶、纤维素酶、聚半乳糖醛酸酶等)已经在软化植物组织方面表现出了较好的作用。近年来,通过酶浸渍来控制酶的反应时间和酶的浓度,开发出了适用于各种食品的有效软化技术,例如冻融浸渍方法(freeze-thaw infusion,FI)能增大植物细胞的孔隙率[26]。此外,经FI处理软化的食品已被证明可以保留其营养和风味,因为它们是通过酶的反应而不是加热软化的。莲藕和胡萝卜有许多有益的营养成分,是东亚很受欢迎的块根作物,但是一般在烹饪后质地依然很坚硬,使得有咀嚼和吞咽障碍的人难以食用,用冻融酶浸液处理后再进行烹饪有助于软化植物组织,改善感官性质[27]。

酶制剂对于肉类食物也有软化作用,在食品加工中,蛋白酶广泛用于肉类嫩化,可以改变蛋白质各级结构,促进蛋白质分解成小分子肽和氨基酸[28],改善肉及肉制品的口感,使其更适合老年人等特殊人群食用。目前用来增加肉嫩度的酶都是嗜热或嗜温蛋白酶,如用姜根茎蛋白酶处理过的鸡胸肉剪切力值降低,肌原纤维破碎,嫩度有所改善[29]。Zhao等[30]研究了嗜冷胶原蛋白酶MCP-01对低温保藏的牛肉的嫩化作用,经MCP-01(10 U的酪蛋白水解活性)处理的牛肉的剪切力降低了23%,在4 ℃下,MCP-01对胶原有很强的选择性降解作用,对肌原纤维蛋白有明显的消化模式,表现出了作为低、中温肉嫩化剂的可能性。

2.2 水解大分子结构

通过酶解作用将大分子分解成更易于消化吸收的小分子也是一种常用的食品加工手段。利用蛋白酶水解肉及肉制品的结缔组织和胶原蛋白是促进其消化吸收的有效方法,不同的蛋白酶对各种肌肉组织的水解程度不同,Ha等[31]用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、猕猴桃蛋白酶和生姜蛋白酶处理牛肉,发现猕猴桃蛋白酶制剂对牛肉肌原纤维蛋白的水解最有效,而生姜蛋白酶制剂对结缔组织蛋白的水解最有效。淀粉酶等碳水化合物酶能提高糖类消化率,还有助于降低食物黏度从而提高蛋白质和脂质等的营养利用率,Amerah等[32]用饲料酶分解非淀粉多糖,降低了肠道黏度,通过改善肠道性能获得更好的养分消化率。肠道内脂肪酶活性不足会造成脂肪热、脂溶性维生素缺乏、食物在肠道内转运时间不足和消化吸收不良等症状,所以添加脂肪酶能促进肠道对油脂的消化吸收,减少上述症状[33]。

2.3 释放或产生活性物质

生物活性物质是植物合成的代谢物,存在于各种各样的食物中(如水果、蔬菜和谷物),作为人类饮食的一部分,对胃肠道有改善作用,并降低罹患癌症、冠心病等慢性疾病的风险。然而植物中的生物活性物质含量很低,溶剂提取法存在提取率低,时间长,产品质量低等缺点,酶有降解或破坏细胞壁和细胞膜的能力,因此能够更好地释放和更有效地提取生物活性物质[34]。近年来对酶法萃取的研究表明,与非酶法相比,酶法萃取速度快、回收率高、溶剂用量少、能耗低。研究表明,用纤维素酶和果胶酶(分别为70和122.5 U/g)处理番茄废料,得到的总类胡萝卜素和番茄红素的产量分别是非酶处理样品的6倍和10倍[35]。

酶解作用可以提高新型营养食品的产量,即高营养、低卡路里的食品,如用于生产蛋白质水解产物,制作高蛋白、易吸收的新型产品,解决幼儿、老龄人以及特殊人群对蛋白质需求量高的问题,用于生产更易消化的婴儿配方奶粉[36]。此外,使用乳糖酶分解工艺制备的低聚半乳糖热量较低且溶解性好,易吸收,可用于生产低热量的冰淇淋[37]。

2.4 去除抗营养物质

食品过敏患病率的增加和过敏程度的加重已经引起消费者和食品行业的日益关注,酶处理有时可以减轻食品的过安全风险和过敏程度,例如分解有害细菌或不良化合物,如生物胺、凝集素、丙烯酰胺和谷蛋白等[38]。谷物产品中谷蛋白可以通过胰蛋白酶和胃蛋白酶的酶解作用来降解,这种方法会减轻麸质不耐受人群的消化不良症状。牛奶乳清含有许多蛋白质成分,其中一些是人类的抗原,会导致某些人发生过敏反应,酶解是一种有效的改变蛋白质致敏性的方法,红曲霉酸性蛋白酶和胰蛋白酶联合使用可以快速有效地水解两种主要的牛奶过敏原,酪蛋白和α-乳球蛋白[39],这表明,蛋白酶可用于制备低过敏性的牛乳乳清蛋白水解物。植酸酶能将影响机体对矿物质吸收效果的植酸彻底分解为肌醇和无机磷,而人类小肠内植酸酶的活性很低,难以水解谷物类食品中的植酸盐,所以补充植酸酶对消化吸收过程有促进作用[40]。范秋丽等[41]研究了在低钙、磷水平的饲粮中添加高剂量植酸酶对1～2日龄的黄羽肉鸡生长性能和钙磷代谢等的影响,证实了植酸酶在胃肠道中可以促进消化吸收的作用。将酶处理与其他高新技术联合作用能更好地降低某些食品的过敏性,例如高压和超声波下对腰果和开心果进行酶解处理,制成的糊状物的免疫球蛋白(IgE)结合性能显著降低[42]。

3 外源酶在各类病症中的作用

酶控制着人类系统的所有代谢过程,在某些疾病中,酶可以用于维持生物功能。酶辅助疗法在治疗胃肠道疾病方面表现出很好的效果,在各种消化系统疾病的治疗中起着不可或缺的作用,特别是在外分泌性胰腺功能不全和乳糖不耐受等方面。

3.1 胰功能障碍

外分泌胰腺功能不全包括慢性胰腺炎、囊性纤维化和胰腺癌等。慢性胰腺炎是一种胰功能障碍疾病,会导致胰腺外分泌功能不全,降低胰腺产生适当消化营养素(特别是脂肪)所必需的酶的能力,导致脂肪、蛋白质和淀粉消化不良,产生腹部不适、体重减轻和营养不良症状[43]。胰腺酶替代疗法(Pancreatic enzyme replacement therapy,PERT)被广泛应用于慢性胰腺炎患者的治疗,改善了这些患者的脂肪和蛋白质吸收以及血清营养参数[44]。

囊性纤维化是基因缺陷引起的,会导致胰功能失调,外分泌腺功能障碍,分泌物黏稠,肝脏、胆管堵塞[45],阻止酶进入胃肠道以消化食物,不能简单地通过补充这种蛋白质来治愈。自20世纪30年代以来,临床上一直用胰腺酶替代疗法治疗囊性纤维化[46],辅助消化食物,使脂肪和蛋白质能被适当吸收,改善患者营养状况。

3.2 肝功能不全

目前,酶替代疗法在改善戈谢病患者的健康状况上得到了有效应用。戈谢病是由于β-葡糖脑苷脂酶的活性降低引起的常染色体隐性遗传疾病,患者体内脂肪物质会发生积聚,出现肝脾肿大,全血细胞减少,骨骼病变等症状[47]。一项调查研究发现,经酶替代疗法治疗后的患者血红蛋白水平、血小板计数和酸性磷酸酶值均有明显改善,肝脾体积明显缩小,骨结构改善,在相对高剂量时,可逆转几乎所有3型戈谢病患者的全身症状,且大多数接受治疗的病人不会出现神经方面的恶化[48]。

3.3 乳糖不耐症

外源酶的另一个应用是治疗乳糖不耐症。研究表明,世界各国人口都存在不同程度的乳糖酶缺乏,进而引起乳糖不耐受。乳糖不耐症的典型症状是腹泻和腹胀,此外,患者对钙等矿物质的吸收降低,易导致小儿佝偻病和成年人骨质疏松等[49]。乳糖不耐症限制了人们对乳制品的食用,阻碍了我国乳品工业的发展,也不利于国民健康水平提高。利用乳糖酶生产低乳糖或者无乳糖牛乳,或直接服用乳糖酶制剂辅助乳糖的消化吸收是目前解决乳糖不耐症的主要方法。Michael等[50]用不同的乳糖酶制剂和冻干酸奶培养物联合治疗乳糖不耐症,发现乳糖不耐症状(尤其是肠胃气胀和腹痛)得到了有效的缓解。

3.4 过敏症

蛋白水解酶如木瓜蛋白酶可用于治疗某些谷蛋白不耐受的疾病。乳糜泻是一种消化吸收障碍,与含有谷蛋白的食物(如小麦和大麦)过敏反应有关,患者必须严格控制麸质摄入[51],然而许多患者仍然会有小肠炎症出现,小肠黏膜也遭到损伤。谷蛋白酶是一种内肽酶,其作用是破坏饮食中的脯氨酸和谷氨酰胺残基,从而降低谷蛋白的免疫原性。研究表明[52],ALV003(两种谷蛋白酶的混合物)具有保护乳糜泻患者免受麦胶蛋白引起的黏膜损伤的能力。然而,Janssen等[53]研究了五种市售的消化酶补充剂的组成,并测试了它们降解谷蛋白及其免疫原性片段的能力,结果表明,商用酶制剂在降解α-和γ-醇溶蛋白的免疫原性谷蛋白片段方面无效。所以,补充酶制剂辅助乳糜泻患者消化吸收的真实效果仍需进一步讨论。

4 食品水解酶的发展现状与开发策略

目前,许多西方国家(如美国和加拿大等)已经有许多消化酶膳食补充剂以单种酶或复合酶形式上市,消化酶还可以与益生菌和酵素等进行结合形成混合膳食补充剂,这些酶用于支持体内的生物化学反应,分解食物,以优化消化和养分吸收。而国内还没有像欧洲的Mucos,美国的Specialty Enzyme这样的以水解酶保健品研制、生产和销售为一体的专业公司。我国将酶制剂应用于保健品领域的产业才刚刚起步,消化酶产品目前仍未在出现在中国的功能食品市场,产业规模与市场效仍未形成。但是研发成果已有所累积,一些生产酶制剂原料的公司,主要生产各类蛋白酶等[54],他们为消化酶生产与应用积累了初步的相关基础。

目前,各种水解酶的固定化技术已得到广泛研究,如以壳聚糖为原料,纳米Fe3O4为磁性材料,SiO2为致孔剂,IDA为螯合配体,与过渡金属离子(Cu2+)结合,制备的新型的磁性金属螯合载体,用于木瓜蛋白酶的固定化,固定化木瓜蛋白酶的活性提高,酶学性能优越,操作稳定性更好[55]。然而其确切的功能性还没有得到充分证明,相关研究也只是局限在体外消化和动物实验阶段。Tran等[56]利用动态胃模拟模型(DGSM)评价和酶制剂辅助消化吸收的效果,主要研究结果表明,添加辅助酶和混合酶可以增强消化系统对食物的消化能力。Liu等[57]设计了一种新型的纳米人工金属酶用于治疗因消化酶缺乏而导致的高尿酸血症,体内研究表明,该人工金属酶对高尿酸血症小鼠有显著的治疗作用,且无明显副作用,这些结果为开发高效友好的消化酶补充剂提供了新的见解。

5 展望

消化酶对人体的吸收和食物及其营养物质的利用至关重要,针对胃肠消化功能障碍以及引起的多种胃肠慢性病,补充食品水解酶在补偿机体消化功能的缺失、下降或丧失等助消化吸收和辅助治疗方面能够产生积极的影响,表现出了特异性强、所需剂量少、疗效显著等优点,具有药物不可替代的作用,引起了营养学界和食品领域的不断关注[51],所以,发展食品消化酶功能产品意义重大。一方面,补充消化酶具有很强的助消化吸收作用,在缓解消化不良症状方面具有很大优势。另一方面,消化酶的辅助治疗作用在一些酶缺乏相关疾病方面显示着具有巨大的应用潜力。目前,动物源性酶已被公认作为酶代替疗法的主要酶源,而低廉且有效的微生物源性酶和植物源性酶的研究更为消化酶的发展提供了广阔的前景[58]。食品水解酶助消化和辅助治疗作用在国内的研究仍属于空白,研究不同水解酶对食品成分消化吸收的促进作用以及阐明其在人与动物之间的差异性,具有重要的科学研究意义。此外,将多种酶和其他有益成分,如益生菌、酵素和膳食纤维等,按比例制成复合制剂,利用协同作用提高胃肠功能效果也值得深入研究。目前,我国将酶制剂应用于保健食品领域的产业还在萌芽之中,如何引导消费者的可接受性,以及开发大众化的、有较高附加值的酶保健品仍需深入探讨。食品消化酶作为一个新兴的功能食品门类,无疑将会从基础研究、技术创新、产品开发和市场消费等各个领域掀起新的革新浪潮,其凭借着巨大的市场潜力,必将极大地丰富与拓展功能食品市场,为功能食品产业的繁荣与发展起到重要的助推作用。