晚期美拉德反应产物及其对动物健康的影响

何 颖 译自Frontiers in Imunolgy,Vol.9(2018))

李 红 审 潘雪男 复审

1 美拉德反应和受损的日粮蛋白质

日粮中的晚期糖基化终产物(advanced glycation end-products，AGEs)通常以与蛋白质相结合的形态存在，而有些则处于与多肽相结合的游离状态。这些蛋白质-AGEs复合物会通过酶促反应降解成小片段，被动物小肠吸收，或游离在肠腔中，其吸收效率主要与日粮AGEs的消化率有关。饲料加工过程中α-二羰基的丰度及其与AGEs形成的相关性，决定了蛋白质-AGEs复合物的消化率、营养价值和对动物机体健康的影响。

美拉德反应(Maillard reaction，MR)可以在温度接近人类体温的环境中发生。例如，体外试验中血红蛋白的一部分血红素(hemoglobin，HbA0)与葡萄糖反应，生成MR产物HbA1c，其进一步反应的产物包括希夫碱和糖胺化合物。糖尿病患者的体内含有高浓度的HbA1c，这些糖基化血红蛋白的β-链N末端的缬氨酸含有α-氨基-1-脱氧果糖。

对饲料原料进行热加工处理可能会降低原料和日粮中氨基酸(特别是赖氨酸)的含量、营养价值和消化率。与未受热损伤的豆粕型日粮相比，饲喂热损伤的豆粕型日粮会显著降低肉鸡或断奶仔猪的体重和胴体重。如果在日粮中加入晶体氨基酸，热损伤的豆粕型日粮对动物生产性能的负作用能得到部分缓解。热加工处理对原料产生的热损伤也可能会引发维生素的损失，例如当存储温度为70 ℃时，奶粉中的维生素B6和维生素B1(硫胺素)含量下降。

在晚期糖基化终产物的形成过程中，由于共价互作和交互联结作用，蛋白质会发生结构和功能特性的改变，由此产生的耐消化作用会延迟这些蛋白质的周转率，而AGEs在动物机体中的积累可能会阻碍组织的修复。此外，这些AGEs与广泛表达于动物组织细胞上的受体结合，从而刺激动物产生氧化应激，并导致血管收缩、胶原蛋白沉积过度以及炎症反应。动物的组织细胞与AGEs长期结合可能会发展成慢性全身炎症(代谢性炎症)，人和狗的许多癌症病患都出现了全身慢性炎症。因此，狗粮应限制动物体内AGEs积累对全身慢性炎症轴的刺激，进而降低日粮中致癌物的活性。测定食用这种日粮的狗体内AGEs和全身慢性炎症水平，可降低狗患癌症的发病率。

在小鼠模型中，小鼠摄入含低水平美拉德反应产物(Maillard reaction products，MRPs)的日粮后，体重会减轻，空腹时胰岛素浓度下降，血清中高密度脂蛋白水平升高，机体能够抑制高脂日粮引起的抗胰岛素作用。在人糖尿病患者中，当除去膳食中的MRPs时，与糖尿病相关的并发症会得到改善。晚期糖基化终产物与人类年龄相关的疾病的病因学有关，例如动脉粥样硬化、肾病、视网膜病、骨关节炎、神经退行性疾病和糖尿病。与人类相似，狗也会发生与年龄相关的疾病。研究发现，患有糖尿病的高龄犬的组织含有较高浓度的AGEs；同样，患有白内障、骨关节炎、神经退行性老年疾病、血管功能障碍或动脉粥样硬化等疾病的高龄犬也会出现这种现象。在限制热量摄入期间，少量摄入日粮AGEs和减少AGEs的积聚可以解释广泛报道的对衰老及相关并发症的有益影响。

2 美拉德反应对赖氨酸和其他日粮成分生物利用率的副作用

美拉德反应不仅会封阻赖氨酸降低赖氨酸的生物利用率，也会使赖氨酸发生聚集交互联结，进而阻碍消化酶对蛋白质的水解。这一现象已经在动物饲料原料中得到证实，这些原料包括乳制品、用作猪饲料的干谷物、大豆、胡萝卜、豌豆和玉米。在含糖的情况下，加热会降低赖氨酸的生物利用率，降低的程度取决于加工过程中所用的温度和加热的持续时间、水活性、环境的pH。糠氨酸(ε-N-呋喃甲酰甲基-L-赖氨酸，又名呋喃素)与MR早期阶段密切相关，它不仅标志着果糖赖氨酸、乳糖赖氨酸和赖丙氨酸等美拉德产物的形成和存在，还标志着可利用赖氨酸的损失。

除了降低赖氨酸的生物利用率，MRPs还具有很强的矿物质螯合能力，会影响动物对钙、铁和磷等矿物元素的利用率。

Rérat等利用猪的体内模型进行了蛋白质原料的饲喂试验，研究高水平MR诱导封阻赖氨酸对氨基酸和矿物质等营养物质的消化、吸收和排泄的动力学影响。以饲喂未经过加工的牛奶(无MR作用)的猪为对照组，饲喂加工过的脱脂奶粉(约含50%的赖氨酸因早期美拉德反应被封阻)的猪为试验组。结果是，试验组猪对乳糖中葡萄糖和乳糖的吸收量减少了。这在一定程度上是由于乳源性乳糖损失造成的，因为它们被转化为ε-脱氧-果糖-半乳糖-赖氨酸(lactuloselysine)和乳果糖。此外，由于吸收受阻，赖氨酸、半胱氨酸和丙氨酸的可吸收总量降低了，且乳果糖赖氨酸出现在试验组猪的门静脉血液中，表明其不具有生物可利用性。试验组猪的粪便含有较高水平的氨基酸，再次证实通过热加工产生美拉德反应将损害蛋白质的消化率。热加工牛奶造成酪蛋白受损，导致赖氨酸的生物利用率降低，这种赖氨酸封阻现象体现在饲喂经过热处理的酪蛋白的小猫生长速度减慢上。含高水平MRPs的日粮会导致动物对蛋白质的消化率降低，雄性动物生长期摄入后，所排粪便的氮排放量会增加47%，氮的吸收率降低12%且可消化率下降6%。富含MRP的日粮同样会影响动物对磷的吸收，导致机体的磷平衡下降。体内和体外试验表明，一些MRPs能够直接抑制大鼠的刷状缘酶活性，例如葡萄糖-赖氨酸反应复合物[2-甲基-5(羟甲基)吡咯-1-正亮氨酸]。

此外，猪采食脱脂奶粉后，其门静脉血液和尿液中的果糖赖氨酸——一种葡萄糖和赖氨酸的糖胺化合物——含量为摄入总量的18.6%。这表明乳糖赖氨酸的半乳糖残基通过酶的作用释放进入肠腔或者肠上皮刷状缘中，随后通过肠道屏障被转运。大鼠摄入富含MRPs的日粮后，可以在其血液中检测到早期和晚期糖基化终产物。日粮中的戊糖素和N-羧甲基赖氨酸[N-(carboxymethyl) lysine，CML]被摄入动物体内后，约26%～29%的CML会通过尿液排出，15%～22%的通过粪便排出。在人类的身体中，结合蛋白质的果糖赖氨酸从尿液中排出体外的数量占总摄入量的1.4%～3.5%。与之相比，大约有10%的日粮AGEs被健康人吸收，其中三分之二滞留在体内，三分之一在3 d内通过尿液排出。小分子量AGEs是水溶性的，并不属于肝脏脱毒酶底物，因此排泄迅速。摄入大分子量的戊糖素会导致动物只能排出2%的AGEs，造成AGEs积累、内皮细胞紊乱和血管疾病。

3 蛋白质交互联结免疫原性的影响

在食品的热加工过程中，美拉德反应以及单独的热处理都会导致蛋白质发生交互联结。丙酮醛是动物体内和体外MR的一种常见中间产物，已经被证实参与了赖氨酸、精氨酸或半胱氨酸形成的交互联结聚集体。正常生理浓度的丙酮醛足以诱发这些反应，产生不同的荧光产物——类似于衰老和糖尿病发展的蛋白质特征。此外，脱氢丙氨酸可能会与赖氨酸和半胱氨酸残基反应，形成交互联结产物，例如赖丙氨酸(lysinoalanine，LAL)和硫化双丙氨酸。给大鼠饲喂经过热处理的酪蛋白后，可在其尿液、血清、肝脏和肾脏中检测到。然而，Hellwig等证明，LAL在消化过程中会被分解为大分子肽。在热处理过程中，除了形成LAL之外，MR或者热处理引发的蛋白质变性可能会启动蛋白质之间的疏水作用，并形成新的二硫键聚集体。蛋白质的这种交互联结不仅会降低它们的消化率，而且会影响自身的免疫原性和过敏原性。Roth-Walter等证实动物的肠上皮细胞影响凝聚的β-乳球蛋白和α-乳球蛋白吸收。在小鼠模型中，蛋白质的凝聚被证实可以增加肠黏膜下淋巴集结(Peyer’s patches)对其的摄入量。与非凝聚蛋白质相比，这种吸收会显著增强与黏膜T辅助细胞2(T helper 2，Th2)相关的抗体应答，明显提高细胞因子的产生量。同样，小鼠摄入交互联结的β-乳球蛋白后会出现更强烈的过敏反应，这可能是由于小鼠对胃肠道蛋白质水解的抵抗力增强,逆行蛋白运输到回肠淋巴集结，以及抗原递呈细胞的摄入和处理发生了改变。Liu等发现乳清蛋白在热处理过程中发生凝聚反应与水活度降低和MR进度呈正相关。此外，凝聚物的形成不仅与细胞结合的配体有关,而且也与可溶性晚期糖基化终产物受体(soluble receptor for advanced glycation end products,sRAGEs)的形成有关，这说明增强了MR修饰的凝聚物的免疫原性。

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