β-羥基-β-甲基丁酸在食品工業(yè)中的應(yīng)用

譚蒙，張勛力，張迎慶*

1. 湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院（武漢 430068）；2. 北京納百恩食品有限公司（北京 102200）

骨骼肌質(zhì)量的維持取決于蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的動態(tài)平衡，在所有支鏈氨基酸中，亮氨酸具有最顯著的合成特征，可作為啟動蛋白質(zhì)合成的觸發(fā)元素，其代謝中間產(chǎn)物β-羥基-β-甲基丁酸（β-hydroxy-β-methylbutyric acid，HMB）同樣具有顯著的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)作用[1]。另外，Baxter等[2]證明補(bǔ)充HMB-Ca安全有效，無明顯毒副作用。目前，國內(nèi)對于HMB在食品工業(yè)中的開發(fā)利用已有較為詳細(xì)的報(bào)道。研究表明：在食品或日常膳食中補(bǔ)充HMB能提高機(jī)體肌肉質(zhì)量與力量，降低肌肉損傷[3]；而用于醫(yī)用營養(yǎng)品和特殊膳食中，能改善肌肉消耗及促進(jìn)傷口愈合[4]。就HMB的作用機(jī)制和代謝過程進(jìn)行了簡要概述，并著重闡述了HMB的制備方法、用途及其在食品工業(yè)中的最新應(yīng)用。

1 HMB的簡介

1.1 作用機(jī)制

HMB的蛋白質(zhì)調(diào)控作用機(jī)制非常復(fù)雜，但目前可將其歸納為以下幾種：①HMB通過PI-3K-AKT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活mTOR（氨基酸、胰島素、生長因子等的感受器）來促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成；②HMB通過抑制TNF-α的活性來減輕炎癥反應(yīng)或阻礙細(xì)胞凋亡，從而降低蛋白質(zhì)的流失率；③HMB通過增加衛(wèi)星細(xì)胞的活性來促進(jìn)肌肉再生；④HMB通過泛素-蛋白酶體通路促進(jìn)蛋白質(zhì)的生成及抑制半胱天冬酶的活性，減少蛋白質(zhì)的分解。總而言之，HMB發(fā)揮作用是通過促進(jìn)蛋白的合成及抑制蛋白的降解，以此來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)和維護(hù)細(xì)胞膜的完整性[5]。

1.2 代謝過程

HMB的產(chǎn)生首先是在肝外通過可逆的轉(zhuǎn)氨作用將亮氨酸轉(zhuǎn)化成α-酮異己酸（α-KIC），接著被α-KIC轉(zhuǎn)運(yùn)至肝內(nèi)，進(jìn)入兩種代謝途徑，其中一部分通過胞液中的KIC雙加氧酶合成HMB，再經(jīng)過催化、酯化，最終生成膽固醇，用于修復(fù)肌體組織，維持細(xì)胞膜的完整性；另外一部分α-KIC通過肝臟中的支鏈酮酸脫氫酶的作用，合成異戊酰輔酶A，在合成酶的作用下轉(zhuǎn)化成HMG-CoA[6]。通常情況，只有約5%的亮氨酸會被代謝為HMB，而研究表明HMB的補(bǔ)充劑量多為3 g/d，盡管HMB能夠通過亮氨酸代謝產(chǎn)生，但要達(dá)到3 g/d的劑量則有必要額外補(bǔ)充HMB[7]。

2 HMB的制備方法

HMB一般以游離酸與鈣鹽兩種形式存在，但由于其性質(zhì)很活潑，工藝合成過程中常將其轉(zhuǎn)化為鈣鹽進(jìn)行生產(chǎn)。目前，HMB的制備方法主要有鹵化法與酯化法，其中鹵化法純度高、污染??；酯化法成本低、質(zhì)量穩(wěn)定。

2.1 鹵化法

目前，HMB鈣鹽的制備主要采用鹵化法，該法是以二丙酮醇與次氯酸鈉（次溴酸鈉等）為原料進(jìn)行鹵化反應(yīng)，再與含鈣化合物反應(yīng)生成鈣鹽而得到目標(biāo)產(chǎn)物。王小曾等[8]采用該制備法，讓二丙酮醇與次溴酸鈉水溶液進(jìn)行反應(yīng)，然后通過酸化、異丁醇萃取，萃取物中的HMB酸最終與氫氧化鈣成鹽，得到產(chǎn)率為49.6%的HMB鈣鹽。李[9]采用該制備法進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的操作，通過減少反應(yīng)循環(huán)時間最終提高了產(chǎn)率，而且擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模。該制備方法應(yīng)用較多，但仍存在缺陷，比如在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的氯仿（溴仿），這種副產(chǎn)物無法再利用，再者若采用分批模式系統(tǒng)，這樣造成的損失就相當(dāng)大，所以該制備方法雖然純度大、污染小，但收率低、成本高，有待進(jìn)一步改善。

2.2 酯化法

相比于鹵化法，酯化法在操作步驟上較為復(fù)雜，但總體制備工藝較為簡單。周應(yīng)培等[10]采用該方法合成HMB鈣鹽，制備過程同樣使用二丙酮醇作為其原料之一，不過與之進(jìn)行酯化反應(yīng)的是由冰醋酸、硫酸、過氧化氫反應(yīng)后經(jīng)減壓蒸餾而得的過氧乙酸溶液，酯化過程加入乙酸甲酯作為溶劑，待反應(yīng)結(jié)束后開始蒸餾收集70 ℃的餾分，然后將蒸餾剩余物加入水并用氫氧化鈉調(diào)pH至6.0～7.0，再經(jīng)加熱溶解、過濾，向?yàn)V液中加氯化鈣攪拌反應(yīng)，接著調(diào)pH至6.5～7.0使HMB鈣鹽析出，最后經(jīng)過濾、烘干得目標(biāo)產(chǎn)品。酯化法具有污染小、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低、收率高且易于推廣的優(yōu)點(diǎn)，使得該方法同樣適用于HMB鈣鹽的制備。

3 HMB的用途

HMB最初作為飼料添加劑用于畜牧業(yè)，在前期的動物研究基礎(chǔ)上后來被用于食品工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，中華人民共和國衛(wèi)生部于2010年批準(zhǔn)HMB-Ca為新資源食品，自此便被廣泛用于食品添加劑、膳食補(bǔ)充劑及肌肉增強(qiáng)劑[11]，這使得HMB及其鈣鹽在我國食品工業(yè)中得到較好的開發(fā)與利用。

3.1 食品添加劑

HMB作為食品添加劑可添加到飲料類、乳及乳制品等食品中，主要起到增強(qiáng)人體免疫力、減少體脂肪與肌肉蛋白消耗的作用。添加了HMB及其鈣鹽的食品，其營養(yǎng)程度得到了很大的提高。萬正強(qiáng)等[12]研制的健身健美專用奶茶粉，其配方中加入了0.5%～3%的HMB-Ca，該食品集補(bǔ)鈣壯骨與健美修身于一體。陳斌等[13]研制的乳清蛋白HMB-Ca運(yùn)動飲料，其配方中加入了50 g HMB-Ca，乳清蛋白與HMB-Ca的聯(lián)合使用有效地促進(jìn)了運(yùn)動恢復(fù)，起到迅速緩解疲勞、提高運(yùn)動能力的作用。

3.2 膳食補(bǔ)充劑

一個正常人要維持日常生理活動都需補(bǔ)充一定的營養(yǎng)，所以對于一些營養(yǎng)供應(yīng)不足或缺失嚴(yán)重的人來說，日常服用膳食補(bǔ)充劑就顯得異常重要。在膳食補(bǔ)充劑中添加HMB及其鈣鹽，主要起到支持生長、增加瘦體重及維持身體健康的作用。戴維斯等[14]研制的低卡路里嬰兒配方主要針對營養(yǎng)供給不足的早產(chǎn)兒，配方中加入了60 μg/L～6 000 mg/L組合物的HMB，該營養(yǎng)組合物可以以任何合適的口服形式配制，食用方便而且能夠使早產(chǎn)兒滿足日常所需的營養(yǎng)，得以健康成長。沃爾頓等[15]研制的HMB-Ca、酪蛋白磷酸肽和蛋白質(zhì)的營養(yǎng)組合物，其配方中含0.4～4 g的HMB-Ca，三種物質(zhì)組合在一起不僅提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，還促進(jìn)了鈣的吸收，達(dá)到強(qiáng)身健體的目的。

3.3 肌肉增強(qiáng)劑

HMB具有較強(qiáng)的蛋白周轉(zhuǎn)作用，通過促進(jìn)肌肉蛋白的合成及抑制肌肉蛋白的降解來維持人體內(nèi)蛋白質(zhì)調(diào)控的動態(tài)平衡。HMB被用于肌肉增強(qiáng)劑中主要是起到增強(qiáng)肌肉力量、促進(jìn)肌肉恢復(fù)及預(yù)防肌肉萎縮的作用，這類食品尤其適用于老年人或運(yùn)動員。劉巖[16]研發(fā)了一種具有增肌功能的組合物及其運(yùn)動飲料，組合物中含5～20份HMB鹽，該研發(fā)產(chǎn)品能有效地增加肌肉力量、提高運(yùn)動能力。佩雷拉等[17]提出了一種使用HMB鹽促進(jìn)廢用一段時期后肌肉恢復(fù)的方法，方法包括在使用期間個體給予包含有效量的HMB鹽組合物，該發(fā)明對于促進(jìn)肌肉恢復(fù)及增強(qiáng)肌肉功能、力量具有重要意義。

4 HMB的最新應(yīng)用

4.1 在食品方面的應(yīng)用

食品加工中常會適當(dāng)?shù)靥砑右恍I養(yǎng)強(qiáng)化劑，HMB應(yīng)用于食品領(lǐng)域就是起到提高食品營養(yǎng)價值的作用?？紤]到HMB的代謝情況、作用機(jī)制及市場需求，國內(nèi)外多家營養(yǎng)制劑公司著力于研發(fā)補(bǔ)充HMB的一系列全營養(yǎng)配方食品，用于預(yù)防和治療老年人肌少癥以及健身、運(yùn)動員等群體的肌肉增強(qiáng)和修復(fù)。就老年人而言，肌少癥使其生活質(zhì)量下降，嚴(yán)重時會出現(xiàn)生活無法自理的情況；就健身人員或運(yùn)動員而言，這一類人群日常蛋白質(zhì)消耗量極大，且對維持肌肉質(zhì)量和力量的要求較高，加上平時劇烈和超負(fù)荷的運(yùn)動經(jīng)常會造成肌肉組織損傷及肌肉力量的流失，因此對補(bǔ)充HMB有較大的需求。補(bǔ)充HMB對實(shí)驗(yàn)對象的身體組成及運(yùn)動表現(xiàn)的相關(guān)研究如表1所示。

4.2 在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

肌肉萎縮能引發(fā)許多疾病，例如癌癥惡病質(zhì)、艾滋病、敗血癥、膿毒癥，若是患肌無力癥，嚴(yán)重時會導(dǎo)致癱瘓，對人體產(chǎn)生極大的危害[24]。正常情況下，肌肉質(zhì)量是靠蛋白質(zhì)合成與分解之間的平衡來維持的，一旦平衡被打破，蛋白質(zhì)分解相對增加便會產(chǎn)生肌肉萎縮的現(xiàn)象，繼而引發(fā)疾病，而且要是在恢復(fù)期間不讓蛋白質(zhì)的合成相對增加，便會延遲疾病修復(fù)或是傷口愈合。HMB能夠防止術(shù)后肌肉質(zhì)量的急劇下降，用于患者維持體重，還能對傷口愈合產(chǎn)生積極效應(yīng)。值得注意的是，HMB和其他氨基酸或營養(yǎng)補(bǔ)充劑組合配方，具有協(xié)同作用，可明顯改善療效，能更好地發(fā)揮其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的作用。補(bǔ)充HMB對臨床患者的影響的相關(guān)研究如表2所示。

表1 補(bǔ)充HMB對實(shí)驗(yàn)對象的身體組成及運(yùn)動表現(xiàn)的相關(guān)研究

表2 補(bǔ)充HMB對臨床患者的影響的相關(guān)研究

5 結(jié)語

縱觀HMB在食品工業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)利用，發(fā)現(xiàn)關(guān)于補(bǔ)充HMB在醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究并不多，多數(shù)疾病的治療效果還只是在臨床前研究的動物模型中得到證明[30-31]。加上，目前雖然在膳食中使用HMB已被證明可以減輕老年人和臨床人群中的肌肉損失，但其深入機(jī)理研究及廣泛的臨床應(yīng)用尚有待加強(qiáng)。此外，HMB作為膳食補(bǔ)充劑被用于臨床患者食療常會因研究對象的個體差異而呈現(xiàn)不同的結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與預(yù)期結(jié)果并不完全一致，甚至有研究證明補(bǔ)充HMB時無效[32]。因此，希望今后更多的研究集中于HMB在醫(yī)藥方面的應(yīng)用上，充分提高食品的營養(yǎng)價值以更好地改善人們的生活品質(zhì)。