美拉德反應(yīng)產(chǎn)物生物活性及衍生危害物安全控制研究進(jìn)展

時(shí)海波1,2,鄒 燁2,*,楊 恒1,2,張新笑2,王道營(yíng)2,苗 穎

(1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210046;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所,江蘇南京 210014;3.江蘇藥易通電子商務(wù)服務(wù)有限公司,江蘇南京 211100)

圖1 美拉德反應(yīng)路線圖Fig.1 Roadmap of Maillard reaction

美拉德反應(yīng)(Maillard reaction,MR),又稱為糖基化反應(yīng),主要指發(fā)生在氨基化合物(以精氨酸與賴氨酸為主)和羰基化合物(還原糖類)之間的反應(yīng)。其反應(yīng)路徑主要包含三個(gè)階段:初級(jí)階段以羰氨縮合(生成薛夫堿)與分子重排為主,薛夫堿不穩(wěn)定,易發(fā)生不可逆重排,經(jīng)環(huán)化形成N-取代糖基胺,該物質(zhì)在醛糖或酮糖存在時(shí)分別形成Amadori產(chǎn)物(Amadori Product,ARPs)或Heyns產(chǎn)物(Heyn’s Products,HNP),該階段產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)食品的色香品質(zhì)貢獻(xiàn)不大[1]。高級(jí)階段分為3條反應(yīng)路線:①ARPs酸性脫水/水解形成羥甲基糠醛化合物;②ARPs堿性脫氨降解(2,3-烯醇化反應(yīng))生成還原酮類物質(zhì)與二羰基化合物;③氨基酸在α-二羰基化合物存在下,經(jīng)Strecker降解反應(yīng)形成醛類及氨基酮物質(zhì),羰氨類化合物進(jìn)一步縮合生成吡嗪類物質(zhì)[2]。終極階段涉及環(huán)化、脫水、縮合(主要由活性中間體與氨基酸進(jìn)一步反應(yīng))等多種反應(yīng),最后形成棕色的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(Maillard reaction products,MRPs),如含氮聚合物及共聚物類黑精等。MR總路線可歸納如圖1所示。

在日常食品加工及膳食制備中(烹飪、煎炸和烘焙等),物體加熱至一定溫度時(shí)常發(fā)生美拉德反應(yīng),其反應(yīng)產(chǎn)物與食品風(fēng)味、色澤、穩(wěn)定性及貨架期密切相關(guān),同時(shí)還具備抗氧化、抗菌、抗突變、調(diào)節(jié)免疫代謝、腸道菌群等多種生物活性。此外,其也有不可忽視的負(fù)面作用,當(dāng)反應(yīng)控制不當(dāng)時(shí),易產(chǎn)生毒物及致癌物質(zhì),如丙烯酰胺、雜環(huán)胺、晚期糖基化末端終產(chǎn)物等。以晚期糖基化末端終產(chǎn)物為例,其包括一系列復(fù)雜化合物如戊糖素、羧甲基賴氨酸(Nε-(carboxyethyl)lysine,CML)、吡咯素等[3]。研究表明體內(nèi)晚期糖基化終產(chǎn)物的蓄積與糖尿病、阿爾茨海默等疾病的發(fā)生發(fā)展具有密切關(guān)聯(lián)[4]。本文將圍繞MRPs生物活性及衍生危害物的溯源及抑制展開探討。

1 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物生物活性

1.1 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抗氧化、抗突變能力

食品工業(yè)中,丁基羥基茴香醚(Butyl hydroxy anisd,BHA)和二丁基羥基甲苯(Butylated hydroxytoluene,BHT)等合成抗氧化劑常用于褐變防腐,但其本身具有一定的致癌性,而MRPs可視為天然物,且某些成分的抗氧化性能可與常用食品添加劑相媲美,常見的具備抗氧化活性的MRPs有:Nε-果糖賴氨酸(Nε-Fructoselysine,FL)、5-羥甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural,HMF)、類黑精。FL作為MR早期階段產(chǎn)物,其數(shù)值可評(píng)估MR早期階段因熱處理而造成的熱損情況,亦可作為食品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的指示物[3]。研究發(fā)現(xiàn)HMF在蜂蜜抗氧化能力中起著重要的作用[5]。Maillard反應(yīng)過程中可產(chǎn)生多種雜環(huán)類揮發(fā)性物質(zhì),堿性條件下抗氧化能力更強(qiáng),進(jìn)一步GC-MS鑒定出這類物質(zhì)主要為呋喃、噻唑和噻吩等[6]。盡管早中期階段產(chǎn)生的MRPs表現(xiàn)出溫和的抗氧化性能,但終極階段產(chǎn)生的類黑精一直被認(rèn)為是最主要的具備高抗氧化性能的MRPs,抗氧化和自由基清除能力優(yōu)越,其研究多集中于模型系統(tǒng)及一些深色類食品中(醋、醬油、咖啡等)。

抗氧化作用也體現(xiàn)在具有螯合金屬離子與消除活性氧/自由基的能力。Gu等[7]發(fā)現(xiàn)酪蛋白與葡萄糖美拉德反應(yīng)中間產(chǎn)物還原酮超濾后具有較高的還原能力和金屬螯合活性,抗氧化能力良好,且Kwak等[8]發(fā)現(xiàn)褐變反應(yīng)因銅、鐵參與而加快,且Fe3+催化能力高于Fe2+?？茖W(xué)研究表明,當(dāng)體內(nèi)存在過量自由基時(shí),衰老、癌癥或其它病癥會(huì)加快顯現(xiàn),Oh等[9]以乳清蛋白濃縮物、酪蛋白鈉和乳糖為原料,在55 ℃磷酸鈉緩沖液中(pH7.4)加熱7 d制備的MRPs,其自由基清除能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大,且堿性蛋白酶水解的MRPs抗氧化活性更明顯。此外,加工方式影響MRPs的抗氧化性能,董樂[10]采用微波加熱脯氨酸、賴氨酸與葡萄糖,發(fā)現(xiàn)在較短時(shí)間和較低功率下制備出的MRPs即可達(dá)到與普通加熱相同的抗氧化效果,Zhang等[11]采用高強(qiáng)度超聲輔助誘發(fā)α-和β-殼聚糖納米粒(CS NPs)美拉德反應(yīng),超聲處理提高了蛋白-還原糖體系的還原能力,使MRPs具有更好的抗氧化性能。合理利用好MRPs的抗氧化作用,并逐漸代替酚類食用抗氧化劑,具有良好的生產(chǎn)應(yīng)用意義。

MRPs亦具有良好的抗突變能力,這與其抗氧化活性和還原能力有良好的相關(guān)性,從MR本質(zhì)著手,研究者常采用不同氨基酸-糖組合對(duì)MRPs進(jìn)行研究,Yen等[12]對(duì)此研究較為系統(tǒng),通過對(duì)常見的3種單糖(果糖、葡萄糖和木糖)和4種氨基酸(色氨酸、精氨酸、甘氨酸和賴氨酸)于100 ℃反應(yīng)10 h制備MRPs,通過對(duì)大鼠微球蛋白進(jìn)行Ames試驗(yàn)(污染物致突變性試驗(yàn)),分析MRPs對(duì)5種誘變因子的抗性能力,發(fā)現(xiàn)木糖-色氨酸強(qiáng)烈地抑制了3種誘變劑的誘變,但黃曲霉毒素B1誘變劑卻在除木糖-色氨酸之外的所有組合種均促進(jìn)其突變?cè)?因而MRPs對(duì)致突變因子可能會(huì)表現(xiàn)出完全相反的生物學(xué)性質(zhì)。此外,體系模型的選擇對(duì)MRPs抗突變性能影響不一,Ko等[13]發(fā)現(xiàn),葡萄糖-甘氨酸酒精溶液模型中產(chǎn)生的MRPs對(duì)誘變體4-硝基喹啉-N-氧化物比水溶液模型具有更強(qiáng)的抑制作用。類黑精于MR后期階段產(chǎn)生,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量較大,研究表明類黑精還原性可能與MRPs的抗突變能力存在一定的關(guān)系,這類大分子物質(zhì)具備清除自由基、鈍化抑制酶活力性能[14-15]。

1.2 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抑菌能力

抑菌防腐是食品加工保藏中不可或缺的環(huán)節(jié),工業(yè)生產(chǎn)中常加入防腐劑,由于目前食品工業(yè)常用合成抑菌劑的安全性受到質(zhì)疑,因而需要開發(fā)出安全高效的天然抑菌劑,而MRPs中的一些產(chǎn)物被證明具有良好的抑菌能力,并且對(duì)天然防腐劑功能性質(zhì)的改善效果顯著,具有實(shí)際應(yīng)用意義。Trang等[16]研究表明MRPs中的吲哚、呋喃及咪唑等衍生物中具有抑菌活性的物質(zhì)。Rufian等[17]發(fā)現(xiàn)咖啡類黑精含量很高,對(duì)硬脂茶樹革桿菌胼胝體具有更高的抗菌活性;此外,水溶性類黑精體內(nèi)體外研究證實(shí)通過破壞細(xì)胞膜對(duì)致病性大腸桿菌具有抗菌特性[18];Sun等[19]在對(duì)凡納濱對(duì)蝦的研究中發(fā)現(xiàn)葡萄糖與殼寡糖制備的MRPs具有較高的抗菌活性和保鮮效果,Li等[20]還發(fā)現(xiàn)單糖(葡萄糖)進(jìn)行MR制得的殼聚糖衍生物具有更好的抑菌性能;李婷[21]利用MR提高黃鯽蛋白抗菌肽的抑菌活性。對(duì)于MRPs抑菌活性的研究,局限于本身具有一定抗菌活性的蛋白肽、外源糖或蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物(如ε-聚賴氨酸與葡聚糖復(fù)合物)作為反應(yīng)前體物質(zhì),利用MR修飾使其抑菌活性增強(qiáng)[22]。此外,近期研究發(fā)現(xiàn)MRPs的抗菌活性有一部分可歸因于α-二羰基化合物(如乙二醛、丙酮醛),其抑菌機(jī)理的探索成為當(dāng)前研究熱門[23]。

1.3 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抗增殖能力

類黑精在加熱的土豆纖維、味精、醬油和咖啡中已被報(bào)道具有顯著的抗增殖作用,Ewa等[24]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯經(jīng)加熱后產(chǎn)生的類黑精對(duì)LS180大腸癌細(xì)胞表現(xiàn)出抗增殖活性。但類黑精與結(jié)腸微生物中的纖維行為類似,所以也常被認(rèn)為其抗增殖、抗癌特性主要來源于微生物發(fā)酵代謝物[25]。不同的羰基-氨基模型體系的抗增殖活性不一,Hwang等[26]對(duì)糖(果糖和葡萄糖)和20個(gè)氨基酸模型體系中MRPs的各種生物活性進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)葡萄糖MRPs顯示出比果糖MRPs具有更強(qiáng)的抗增殖活性,且在果糖-酪氨酸MRPs的乙酸乙酯組分中分離鑒定出一種抗增殖成分2,4-雙(對(duì)羥基苯基)-2-丁烯醛(HPB242),該成分對(duì)六種癌細(xì)胞的增殖均有良好的抑制效果[27]。加工方式也同樣影響細(xì)胞增殖抑制效果,周小理等[28]通過對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞建立體外模型,比較紅燒、烤制兩種烹飪香型下同種肉味MRPs及同種香型下不同種肉味(牛、豬、雞)MRPs對(duì)該細(xì)胞增殖抑制的影響,結(jié)果表明MRPs確有抑制作用,且烤香型MRPs的抑制效果較好。

1.4 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抗過敏能力

過敏反應(yīng),尤其是當(dāng)免疫系統(tǒng)攻擊人體正常身體組織與器官,會(huì)對(duì)人體健康造成一定的傷害。食品中的氨基-羰基組分在合適條件下產(chǎn)生的MRPs能夠削弱食品的抗原性[29],并可能對(duì)引起過敏反應(yīng)的關(guān)鍵位點(diǎn)進(jìn)行修飾,因此,不同模型體系的MR可改性部分強(qiáng)致敏性食物成分,降低或消除致敏性。Yang等[30]響應(yīng)面法優(yōu)化核糖MR增強(qiáng)魚蛋白水解物的抗過敏作用,發(fā)現(xiàn)在核糖濃度28.36%、在pH8.26下反應(yīng)38.09 min的魚蛋白水解物MRPs對(duì)β-己糖胺酶和組胺均有明顯的抗過敏作用;Enomoto等[31]將麥芽五糖與α-乳白蛋白結(jié)合,降低了α-乳白蛋白的抗原性。即蛋白經(jīng)MR生成糖基化產(chǎn)物,其抗原活性部位改變,這種化學(xué)改性方法常用于削弱蛋白抗原性,從而避免蛋白水解形成肽而表現(xiàn)苦味以及直接加熱破壞蛋白結(jié)構(gòu)而形成的蒸煮味。

1.5 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的降血壓能力

心血管疾病因嚴(yán)重威脅身體健康而廣受關(guān)注,以血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(Angiotensin Converting Enzyme,ACE)為例,其廣泛存在于人體組織,是一種血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合酶,通過靶向ACE抑制其活性,可有效治療高血壓、心力衰竭等疾病[32]。Mesías等[33]發(fā)現(xiàn)美拉德反應(yīng)產(chǎn)物類黑精可有效抑制ACE活性,從而降低血壓。Rufián等[34]還發(fā)現(xiàn)葡萄糖-氨基酸水溶液體系(100 ℃、24 h、pH7)經(jīng)美拉德反應(yīng)提取的純類黑精化合物,其體外ACE抑制活性與類黑精的結(jié)構(gòu)有關(guān)?？吕罹У萚35]以精氨酸和葡萄糖為美拉德反應(yīng)物,于95 ℃反應(yīng)50 min后經(jīng)噴霧瞬時(shí)干燥制備的MRPs對(duì)ACE抑制活性高達(dá)62.35%,通過對(duì)小鼠股動(dòng)脈壓影響測(cè)定發(fā)現(xiàn)該MRPs具有明顯的降血壓效果。這為開發(fā)預(yù)防心血管疾病的MRPs的相關(guān)保健食品提供了理論基礎(chǔ)。

1.6 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)免疫代謝、腸道菌群的調(diào)節(jié)能力

圖2 部分具有危害性質(zhì)的MRPsFig.2 Partial MRPs possessing damaged properties

大量研究表明,MRPs與免疫系統(tǒng)有關(guān),MRPs的構(gòu)象表位被人體免疫細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors,PRRs)識(shí)別,將信號(hào)傳遞給細(xì)胞核,激活核因子kB(nuclear factor kappa-B,NF-kB;免疫系統(tǒng)中參與細(xì)胞對(duì)外界刺激的響應(yīng))并作出胞外回應(yīng)[36]。被腸道吸收及到達(dá)粘膜組織的MRP和AGEs會(huì)遇到局部免疫系統(tǒng),這種暴露導(dǎo)致免疫激活,從而在腸道中產(chǎn)生局部影響,包括誘導(dǎo)組織損傷和炎癥、免疫應(yīng)答(T細(xì)胞活化與IgA抗體產(chǎn)生)。AGEs對(duì)免疫系統(tǒng)的影響分為三個(gè)層次:信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的改變(發(fā)生在AGEs與受體相互作用之后);通過改變信號(hào)通路,AGEs會(huì)誘導(dǎo)或抑制某些細(xì)胞因子、激素和自由基的產(chǎn)生;由于AGEs效應(yīng)及促氧化活性的提高,目標(biāo)組織中的蛋白質(zhì)修飾從而導(dǎo)致功能異常[37]。

腸道健康與人體健康的關(guān)系十分密切,果糖基賴氨酸(Nε-Fructoselysine,FL)作為Amadori產(chǎn)物,具有抗消化性,Hellwig等[38]將FL用于人體腸道微生物的體外發(fā)酵,4 h后FL被完全分解,表明人體腸道微生物可能將FL作為其生長(zhǎng)代謝的碳源或氮源。Sergio等[39]發(fā)現(xiàn)類黑精不易消化,因而可由腸道微生物區(qū)系發(fā)酵,在面包、煮熟的鷹嘴豆中產(chǎn)生了更健康的腸道微生物群落,如雙歧桿菌、瘤胃球菌屬等。進(jìn)一步擴(kuò)大了MRPs在保健食品中的應(yīng)用范圍。

2 美拉德反應(yīng)中危害物的產(chǎn)生與控制

MRPs中被報(bào)道具有危害性質(zhì)的成分主要為5-羥甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural,HMF)、丙烯酰胺(acrylamide,AA)、雜環(huán)胺(heterocyclic amines,HCAs)及晚期糖基化末端終產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)。

2.1 美拉德反應(yīng)過程中5-羥甲基糠醛(HMF)的生成與抑制

HMF易在富含碳水化合物的食品中熱致形成,由糠醛薛夫堿酸化脫水生成,在干果和焦糖中濃度較高,但焙烤類飲食與咖啡是HMF攝入的主要來源[40]。實(shí)驗(yàn)表明,HMF具有損害DNA、腎細(xì)胞毒性及肝臟致突變性,HMF可經(jīng)代謝形成5-硫代甲氧基糠醛,研究證實(shí)后者具有損傷細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因及誘發(fā)突變的效應(yīng),通過與DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)相互作用,造成結(jié)構(gòu)性損害,從而表現(xiàn)出致毒性和致突變性[41]。此外HMF還可降低人體中谷胱甘肽(一種重要的抗氧化劑,可防止活性氧簇物攻擊細(xì)胞成分)的含量而造成細(xì)胞損傷[42]。

研究表明,HMF含量與產(chǎn)品褐變顏色呈正相關(guān),故通過縮短加熱過程可降低HMF濃度[43]。Liu等[44]通過果糖組氨酸模型體系中MR發(fā)現(xiàn)HMF濃度隨組氨酸濃度和初始pH的增加而降低。Gokmen等[45]發(fā)現(xiàn),提高pH能減少烘烤食品中HMF含量,此外,糖類型對(duì)HMF分子生成量也很重要,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)焙烤食品中己糖生成HMF是戊糖的4～5倍。近年來,許多研究者圍繞新型加熱方式對(duì)HMF含量進(jìn)行控制,包括微波加熱、射頻加熱、超高壓均質(zhì)等方式降低了HMF的形成,且有利于提高產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及減少微生物含量。此外,對(duì)于HMF的抑制需要考慮到是否衍生出其它有害物,如有研究表明HMF是生成AA的可能前體物,以金屬離子抑制劑為例,Fiore等[46]發(fā)現(xiàn)雖然NaCl能夠有效地抑制AA,但同樣也能顯著促進(jìn)HMF的生成(當(dāng)NaCl高達(dá)0.65%時(shí),其促進(jìn)率達(dá)75%)。

2.2 美拉德反應(yīng)過程中丙烯酰胺(AA)的生成及抑制

圖3 煙酸捕獲丙烯酰胺機(jī)制Fig.3 Trapping of acrylamide by niacin

AA作為MR中間產(chǎn)物,自2002年被提出廣泛存在于熱加工食品后,其安全問題受到廣泛關(guān)注。研究表明,AA主要來源于富含淀粉和蛋白質(zhì)的食品(小麥、咖啡豆、土豆等)經(jīng)過煎炸、焙烤或烘焙加工。在嚙齒動(dòng)物的研究中,不同數(shù)量的丙烯酰胺導(dǎo)致肺癌、甲狀腺癌、皮膚癌和胰腺癌的風(fēng)險(xiǎn)增加[47]。過往研究表明AA的代謝會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為N-乙?；?S-(3-氨基-3-氧丙基)-半胱氨酸(AAMA),并將AAMA氧化為AAMA-亞砜引起腎和膀胱毒性[48]。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(The International Agency for Research on Cancer,IARC)于1994年將其列為2A類即很可能致癌物,更多的試驗(yàn)研究表明,AA具有細(xì)菌毒性、基因毒性、神經(jīng)毒性及致瘤活性,它在肝微粒體細(xì)胞色素P4502E1作用下氧化成環(huán)氧型AA(具有烷基化作用),后者通過與DNA或其他大分子物質(zhì)結(jié)合,體現(xiàn)致突變作用[49]。AA形成主要來源于含有高含量還原糖(果糖、葡萄糖等)與蛋白質(zhì)(尤其是天冬酰胺)、氨基酸的美拉德反應(yīng)(>120 ℃),除天冬酰胺途徑外,油脂類物質(zhì)在高溫下通過水解、氧化生成丙烯酸,再與氨基化合物作用亦可形成AA。

表1 部分HCAs(氨基咪唑氮芳香烴)及其IARC、AIAs分類Table 1 Partial HCAs and their classification of IARC and AIAs

注:2A,對(duì)人很可能致癌;2B,對(duì)人可能致癌。

AA的抑制方法大致可以分為3類:①與HMF類似,AA的形成依賴于糖的類型和濃度、氨基酸、溫度與時(shí)間、pH,故調(diào)整加工方式可減少AA的生成。②添加外源物質(zhì)抑制AA的生成:添加植物提取物,植物中的多酚類、黃酮類物質(zhì)對(duì)AA的形成具有潛在的抑制作用。Qi等[50]發(fā)現(xiàn)在表兒茶素(EC)存在下,HMF-天冬酰胺模型對(duì)AA生成抑制率約為70%,高于葡萄糖天冬酰胺模型(50%),進(jìn)一步證實(shí)發(fā)現(xiàn)EC與HMF的縮合是抑制AA形成的關(guān)鍵步驟之一;添加含硫化合物,加熱條件下,含巰基基團(tuán)的氨基酸和硫醇直接與AA反應(yīng)形成復(fù)合物或者消除巰基官能團(tuán)形成脫氫丙氨酸后再與AA發(fā)生加成反應(yīng)[51],達(dá)到抑制AA生成的效果,但產(chǎn)品風(fēng)味因添加含硫化合物而不受歡迎,故不宜大量使用;添加能夠在MR中與天冬酰胺存在競(jìng)爭(zhēng)作用或與AA共價(jià)結(jié)合的氨基酸,如甘氨酸、?；撬岬饶軌蚺cAA發(fā)生反應(yīng)抑制其生成[52];添加維生素:研究發(fā)現(xiàn)煙酸(VB3)、吡哆醛(VB6)等能夠降低天冬酰胺-葡萄糖模型體系[53]中的AA水平,在油炸土豆中[54]也被煙酸發(fā)現(xiàn)具有抑制AA積累的作用,通過環(huán)氮向丙烯酰胺中烯酮基序進(jìn)行親核攻擊而產(chǎn)生丙烯酰胺-煙酸共軛加成產(chǎn)物,其機(jī)理如圖3所示。③減少AA前體物的形成:在食品原料中添加天冬酰胺酶將AA的前體物天冬酰胺水解成天冬氨酸以抑制AA的形成,需要注意的是由于AA 可經(jīng)高油體系的丙烯醛途徑形成,即脂肪的存在會(huì)降低天冬酰胺酶的活性。此外還可通過微生物發(fā)酵途徑抑制AA的生成,微生物能夠發(fā)酵并降解食品中天冬酰胺和碳水化合物,研究發(fā)現(xiàn)酵母菌發(fā)酵能夠顯著降低油條中AA的含量[55]。

2.3 美拉德反應(yīng)過程中雜環(huán)胺(HCAs)的生成與控制

在人們食用的肉制品中,目前已發(fā)現(xiàn)的HCAs有30多種,根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)特征分為兩類:氨基咔啉和氨基咪唑氮芳香烴(aminoimidazo azaarens,AIAs),前者主要由氨基酸和蛋白質(zhì)裂解產(chǎn)生(>300 ℃),后者是一類在150～300 ℃之間的涉及肌酸(肌酸酐)、氨基酸、和還原糖的非酶(MR)反應(yīng)[56],作為MR中間產(chǎn)物,Amadori產(chǎn)物破裂形成多種能夠與氨基酸和肌酸反應(yīng)的二羰基化合物,從而形成HCAs,其具備致癌、致突變作用。HCAs主要存在于牛肉、豬肉、雞肉和魚等肉類制品中,食品中研究最為常見的HCAs如表1所示[57-58]。

圖4 AGEs生成途徑Fig.4 Pathways of advanced glycation end products(AGEs)

烹調(diào)的肉品中HCAs的水平取決于肉的類型和肉制備方法,全熟牛肉較半熟牛肉、炸肉制品較焙烤肉制品具有更高濃度的HCAs[59]。Linghu等[60]研究了不同氨基酸對(duì)PhIP的抑制作用,發(fā)現(xiàn)不同氨基酸對(duì)苯乙醛(phenylacetaldehyde,PheAce)清除效果不一,以色氨酸、賴氨酸效果最好,此外隨著氨基酸濃度增加,其含量逐漸降低,這表明,氨基酸可能通過清除有效PheAce來抑制PhIP的形成。Dennis等[61]建立了含蘇氨酸(0.6 mmol)、肌酐(0.6 mmol)、葡萄糖(1.2 mmol)與15%水的MR化學(xué)模型,達(dá)到了較好去除MR中HCAs的效果。

通過添加天然抗氧化物如大蒜、迷迭香、綠茶提取物等可以有效控制肉制品中雜環(huán)胺的形成,這是基于天然抗氧化物質(zhì)有效抑制MR過程中中間產(chǎn)物的自由基活性,此外,相比于添加外源成分,通過調(diào)整加工方式如微波前處理與真空低溫煮制更易降低雜環(huán)胺含量,Jianp等[62]研究報(bào)道了通過快速油炸和微波預(yù)熱可以應(yīng)用于減少沙爹雞肉和牛肉中的雜環(huán)胺,Oz[63]研究發(fā)現(xiàn)了低溫真空加熱顯著降低了牛排中總雜環(huán)胺的含量。

2.4 美拉德反應(yīng)過程中晚期糖基化末端終產(chǎn)物(AGEs)的生成及抑制

AGEs的生成途徑見圖4。Amadori產(chǎn)物脫水和重排后生成高反應(yīng)活性的二羰基化合物,如3-脫氧葡萄糖醛酮(3-deoxyglucosone,3-DG)、乙二醛(glyoxal,GO)和甲基乙二醛(methylglyoxal,MGO)。這些化合物再與氨基酸(精氨酸或賴氨酸)的功能性基團(tuán)反應(yīng)生成各種AGEs[64]。此外,薛夫堿氧化裂解(Namiki pathway)、還原糖自動(dòng)氧化(Wolff pathway)和脂質(zhì)過氧化(Acetol pathway)亦可產(chǎn)生上述二羰基化合物,進(jìn)而生成AGEs[65-66]。AGEs化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,膳食攝入后于體內(nèi)積累,與很多慢性病的發(fā)生和發(fā)展關(guān)系密切。

AGEs作為MRPs中研究相對(duì)清楚的一類化合物,其安全隱患被廣泛關(guān)注。雖在正常的代謝中存在部分AGEs形成,但當(dāng)環(huán)境或組織中的AGEs含量處于較高水平,將直接導(dǎo)致一些疾病的發(fā)生。在AGEs形成過程中,由于共價(jià)相互作用和蛋白質(zhì)交聯(lián)作用,蛋白結(jié)構(gòu)和特性被修飾,空間結(jié)構(gòu)增大,因而具備耐消化、延緩蛋白周轉(zhuǎn)速率等性能,并阻礙蛋白酶體活性,降解不易,導(dǎo)致這些分子在細(xì)胞和組織內(nèi)積累[67]。

AGEs與氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)增加均有關(guān)系[68],AGEs與其受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)結(jié)合,從而激活NF-kB轉(zhuǎn)錄,內(nèi)皮細(xì)胞與單核細(xì)胞分泌促炎因子產(chǎn)量增加,自由基和氧化應(yīng)激的增加會(huì)加重炎癥反應(yīng),最終影響長(zhǎng)壽類蛋白(如膠原蛋白與彈性蛋白)[69]。生物體中的離子濃度變化與細(xì)胞代謝活動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)息息相關(guān)(如Ca2+),Aronson等[70]發(fā)現(xiàn)AGEs結(jié)合心肌細(xì)胞后阻礙了Ca2+的運(yùn)輸,且該阻礙作用與RAGE的表達(dá)增強(qiáng)呈正相關(guān)。RAGE與不同多配體結(jié)合誘導(dǎo)多種生理和病理反應(yīng),與神經(jīng)再生、炎癥反應(yīng)、糖尿病并發(fā)癥等病理過程有關(guān),RAGE是識(shí)別和結(jié)合膳食AGEs最多的受體,AGE-RAGE結(jié)合是促氧化和促炎癥的關(guān)鍵因素[71],不過有研究發(fā)現(xiàn),可溶性RAGE(Soluble RAGE,sRAGE)由RAGE的mRNA選擇性剪切或RAGE胞外部分脫落生成,與其他配體競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RAGE表位,抑制RAGE的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能[72],因而sRAGE可作為各種AGE相關(guān)疾病的有效手段。過多的AGEs 及炎癥條件的增加會(huì)上調(diào)RAGE表達(dá)與激活,活性氧(ROS)的產(chǎn)生與炎癥反應(yīng)如果持續(xù)進(jìn)行,可能會(huì)導(dǎo)致慢性疾病。因而AGEs常被用于一些疾病(炎癥、心血管、代謝、老齡化)的身體生物標(biāo)志記,AGEs與人體動(dòng)脈粥樣硬化、視網(wǎng)膜病變、神經(jīng)衰退性疾病及糖尿病等老化伴隨病密切相關(guān)[73]。

氨基胍作為一種早期發(fā)現(xiàn)的MRPs,雖然可有效抑制AGEs的形成,但對(duì)人體副作用較大,可引起胃腸道功能紊亂[74]。抑制AGEs的MRPs的研究一直在不斷地探索中,對(duì)AGEs的控制手段包括:羰基阻滯劑或抗氧化劑抑制AGEs的形成;減少AGEs的破壞或使用交聯(lián)斷裂劑;促進(jìn)細(xì)胞攝取和降解,通過抗氧化劑中和抗體或抑制受體后信號(hào)傳導(dǎo),從而抑制AGEs受體RAGE。其中,最近以α-二羰基化合物捕獲機(jī)制研究較為熱門,α-二羰基化合物如乙二醛(GO)、甲基乙二醛(MGO)作為加速M(fèi)R的高反應(yīng)性中間產(chǎn)物,相關(guān)的藥物或食物成分捕獲GO、MGO已被大量研究[75-77],包括肌酸、羥基酪醇、吡哆胺、低分子量硫醇類化合物(如半胱氨酸、同型半胱氨酸、谷光氨肽)及酚類化合物(黃酮類和苯丙素類),α-二羰基化合物的捕獲也被認(rèn)為是這些化合物抑制美拉德反應(yīng)產(chǎn)物積累的最主要的機(jī)理。

3 結(jié)語(yǔ)

從文中可以看出MRPs的生物活性主要集中在體外模擬,常與體內(nèi)效應(yīng)出入。隨著分離鑒定技術(shù)的不斷進(jìn)步,MRPs的生理活性成分及危害衍生物會(huì)不斷被發(fā)現(xiàn),且不應(yīng)局限于單一模式體系。以天然防腐劑的Maillard改性為例,相比化學(xué)和酶法,具有很好的安全性,但局限于傳統(tǒng)干熱(如蛋白質(zhì)類)和濕熱(如殼聚糖)反應(yīng),應(yīng)探索其它輔助手段(微波、超聲)以達(dá)到縮短時(shí)間和改善功能特性的目的。

關(guān)于對(duì)MR的控制包括:功能性化合物添加,其機(jī)理大抵通過靶向美拉德反應(yīng)位點(diǎn)(還原糖、氨基酸修飾)、靶向美拉德中間產(chǎn)物(α-二羰基化合物捕獲、多酚消除美拉德衍生自由基)及靶向MRPs(AA捕獲、Strecker醛捕獲);酶抑制(如果糖胺氧化酶、碳水化合物氧化酶)及新型熱處理加工(脈沖電場(chǎng)、真空低溫煮制)。當(dāng)前對(duì)于美拉德反應(yīng)衍生危害物的抑制方法研究眾多,但主要圍繞抗氧化機(jī)理,有些具備抗氧化效果的因子甚至?xí)龠M(jìn)危害衍生物的生成,因而開發(fā)出可同時(shí)抑制多種危害衍生物的方法需要科研工作者的進(jìn)一步探索,如NaCl微膠囊可同時(shí)抑制HMF與AA,當(dāng)前美拉德反應(yīng)研究多采用模擬體系,不利于全面反應(yīng)各種成分機(jī)制。此外,體內(nèi)MRPs與很多疾病的發(fā)生息息相關(guān),深入挖掘體內(nèi)美拉德反應(yīng)機(jī)制與疾病之間的聯(lián)系,有利于揭示疾病機(jī)理及提供正確的藥物選擇,研究熱點(diǎn)針對(duì)體內(nèi)蛋白修飾與氧化損傷,尤其是對(duì)AGEs的研究,正逐漸引起科研工作者關(guān)注。