日粮蛋白质与美拉德反应

何 颖 译自Front iers in Immuno lgy,Vol.9(2018)

李 红 审 潘雪男 复审

动物的免疫系统能够保护机体免受病原微生物的侵袭，同时帮助机体在接触无害抗原时产生耐受性。因此，动物机体免疫功能受损与其易感染性增强息息相关，伴随着疾病严重程度的加剧，甚至需要使用抗生素进行治疗。家畜的生产性能、饲料转化率以及健康状态均取决于其肠道中的微生物菌群、肠上皮细胞屏障功能和黏膜免疫系统的活性，这些部位的功能状态都可通过日粮的组成进行调控。商品饲料大多要经过加工才饲喂宠物和家畜，加工促使饲料中的蛋白质和糖发生的非酶促反应称为美拉德反应(Mai l lard react ion，MR)。美拉德反应产物(Mai l lard reac t ion produc ts，MRPs)和晚期糖基化终产物(advanced glycation end-products，AGEs)决定了许多食品或饲料的味道、气味和颜色，因此MR食品和MRPs会与动物体内不同类型的免疫受体发生互作，这些受体包括晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end products，RAGEs)，而MR能够改变饲料蛋白的免疫调节潜能。有研究表明，MRPs/AGEs有助于提高动物机体中与日粮相关的慢性肠炎的患病率，并抑制动物的健康和生产性能，因此日粮中的美拉德反应备受关注。有关家畜和宠物日粮中MRPs和AGEs免疫调节作用的研究很少，但普遍认为其与人类食品领域中的相关概念和机制相似。

1 动物饲料的蛋白质质量

日粮蛋白质是动物摄入氨基酸的源泉，动物吸收氨基酸并利用它们合成蛋白质的效率取决于该日粮蛋白质的质量和满足动物营养需要的必要剂量。动物将各种氨基酸用于生长、发育、免疫和泌乳等生理活动的效率，不仅取决于日粮中氨基酸的含量及其生物利用率，还取决于它们之间的相对比例。当日粮中的氨基酸组成不平衡甚至缺乏某种氨基酸时，日粮蛋白质的质量和机体合成蛋白质的水平会降低，例如色氨酸是日粮中含量最低的氨基酸，而赖氨酸通常是动物饲料中的限制性必需氨基酸。蛋白质在日粮中是必不可少的，蛋白质不仅决定了日粮的营养价值，而且它们还决定了日粮的结构、动物的感知和免疫调节能力。这些功能的强弱取决于pH、离子强度、温度、压力等物理化学条件，而蛋白质及其氨基酸的单一行为在很大程度上是未知和不可预测的。因此更好地理解食品或饲料生产过程中的这些参数，因为它们会对食品或饲料的质量产生重要的影响。通常酶也是日粮蛋白质的一部分，包括蛋白酶(将大分子蛋白质水解成小肽)和肽酶(将单个氨基酸从蛋白质和多肽末端解离出来)。在加工过程中蛋白酶主要用于提高日粮蛋白质的视觉吸引力、口感、产量、营养价值和物理特性。加工技术会影响食品或日粮中蛋白质的质量，进而影响它们的安全性，因此人们开发了高压加工、脉冲电场、射频和低温等离子体等新型加工技术。

日粮蛋白质中的氨基酸可发生交互联结和糖基化反应，包括美拉德反应或糖基化反应。MR是以法国医生兼化学家路易斯·卡米尔·美拉德的名字命名的，他在1912年首次报道了该反应。1953年，约翰·霍布斯提出了MR的化学机理，并一直沿用至今。MR也被称为非酶促褐变反应，通常由氨基酸(如赖氨酸、精氨酸)和还原性糖(如果糖、葡萄糖)通过一系列化学重组进行，最终产生美拉德反应产物。MRPs包括席夫碱、糖胺(amadori)产物以及作为终产物的晚期糖基化终产物。MR晚期产物可通过糖氧化途径和非氧化途经产生。戊糖素和N-羧甲基赖氨酸[N-(carboxymethyl)lysine，CML]是糖氧化途径的产物(糖基化和氧化)，吡咯素是非氧化途径的产物。在还原物主要是糖的情况下，MR的激烈程度与蛋白质的加热温度和持续时间呈正相关。加热温度过高将增强美拉德反应的激烈程度，而使用较低温度长期热处理也会产生相似的结果。MR的进程与环境中可用糖的种类和含量有关，例如，与富含果糖的产品相比，富含葡萄糖的产品糖基化反应速度较慢。天然存在于日粮蛋白质的20种氨基酸中，含ε-氨基的赖氨酸和含胍基的精氨酸对MR最敏感。而组氨酸、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参与美拉德 反应。

在发生美拉德反应时，赖氨酸是反应性最激烈的氨基酸，可变性产生赖氨酸衍生物，包括席夫碱——一种可逆但不稳定的化合物。随后，席夫碱经重排形成糖胺化合物(ε-N-脱氧酮糖赖氨酸)，该反应不可逆且可进一步生成晚期美拉德反应产物，最终形成类黑素，导致饲料被加工成褐色。氨基参与美拉德反应的多个步骤，因而将会显著降低氨基酸的利用率。来自于MR的糖胺产物和AGEs可能会被动物的胃肠道微生物吸收，并代谢形成其他物质，或直接通过粪便排出体外。被动物机体吸收的AGEs可能会在被代谢成其他物质后贮存在体内，或直接通过尿液将未发生改变的AGEs排出体外。只有部分类黑素能被动物的肠道消化吸收，贮存于肾脏中。与高分子量的类黑素相比，未被吸收的小分子量类黑素在动物肠道中被降解。

2 食品加工

食品加工已经成为提高食物口感、安全性、品质、储存时间和营养物质生物利用率的常规程序。长期以来，人类使用不同的方法加工膳食，如腌制、发酵、熏制、加热等，以保存膳食并获得期望的产品特性。在上述提及的加工方法中，热处理是现代最常使用的方法。自人类发现火种以来，对生食材的烹饪提高了膳食的口感和消化率。食品工业广泛使用高温对原材料进行加工，其中一些加工的温度高达250 ℃，以改变膳食的外观和结构。在食品加工过程中，由于结构和物理化学性质物不同，可能会产生成分相似但生理效应截然不同的产品。一般而言，食品加工对膳食的营养成分有重大影响，会改变分子的生物学特性，从而在消费者摄入膳食后对身体产生不同的影响。其中一些变性分子能立即对消费者产生直接作用，例如提升味觉、嗅觉以及膳食养分的消化率(如淀粉、氨基酸)。在常年食用加工的食品之后，另一些变性分子也可能会表现出对人类机体的影响。后者主要指变性分子在人体内积累，并随着时间的推移逐渐影响机体的细胞和组织。AGEs修饰态蛋白与糖尿病、类风湿关节炎和阿尔茨海默病等多种慢性炎症性疾病的发病机理有关。本综述重点阐述家畜和宠物日粮中MRPs和AGEs的免疫调控作用，因为这方面的研究远不如对它们在人类领域所起作用的了解，所以使用了来自人类食品研究领域的相关知识。饲料中MRPs和AGEs的免疫调节活性是基于人类和动物同样相关的概念和机制。

3 晚期糖基化终产物

美拉德反应产生的糖基化产物通常被称为晚期糖基化终产物。研究表明，人类和动物摄入过多的AGEs，会诱发机体出现病理变化，因此AGEs日益成为食品和饲料安全研究的主题。AGEs既是人类或动物体内氧化应激和衰老等生理反应产生的内源性产物，又是膳食和日粮在加工过程中发生美拉德反应后产生的外源性产物。糖基化会改变蛋白质的结构，这可能会导致受影响蛋白质的结构变形并失去生物活性。内源性糖基化和错误折叠的小分子蛋白质在动物细胞内被泛素-蛋白酶复合体(ubiquitin-proteasome-system，UPS)中的20S蛋白酶降解。然而，当进一步发生氧化和交互联结反应时，这类小分子蛋白质可能会形成结构更大的复合物。大分子结构的糖基化蛋白质会阻断蛋白酶的活性，具有抗降解能力，从而导致它们在动物体细胞和组织中积累。另一种清除AGEs修饰态蛋白的机制是利用溶酶体系统。细胞受体识别这些修饰态蛋白(尤其是外源性蛋白质)，并将它们内化进入内涵体。含有AGEs的内涵体会被融合到细胞的溶酶体中，溶酶体蛋白酶会作用并裂解这些修饰态蛋白，将其降解成多肽后并通过泌尿系统排出体外，但这一机制目前尚不十分清楚。

原 题 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