蛋白質(zhì)氧化影響機(jī)體營養(yǎng)狀況的研究進(jìn)展

李 芳，吳曉娟，吳 偉

（中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室 長沙410004）

蛋白質(zhì)是提供機(jī)體能量、維持機(jī)體生理活動必不可少的營養(yǎng)元素之一。作為食品的重要組成成分，蛋白質(zhì)不僅能提高食品的營養(yǎng)價值，而且對人類的健康也起著重要作用。在食品的加工和貯藏過程中，許多因素都導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生氧化[1]。由于不同種類蛋白質(zhì)所面臨的氧化應(yīng)激環(huán)境不同，因此蛋白質(zhì)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)的誘導(dǎo)因素、作用基團(tuán)和氧化程度并不完全相同[2-4]。近年來，關(guān)于多種不同來源的食品蛋白質(zhì)的氧化研究表明，氧化會改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)，降低其營養(yǎng)品質(zhì)[5-7]。氧化的食品蛋白質(zhì)經(jīng)胃腸道的消化后被機(jī)體吸收，可破壞機(jī)體的氧化-還原平衡，造成氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，甚至可能會加速衰老，影響機(jī)體健康[1]。由此可見，探討食品蛋白質(zhì)氧化影響機(jī)體營養(yǎng)狀況的機(jī)理，對于保持機(jī)體健康具有十分重要的意義。本文分析食品加工和貯藏過程中不同種類食品蛋白質(zhì)可能存在的真實氧化應(yīng)激環(huán)境，闡述蛋白質(zhì)氧化對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和消化性質(zhì)的影響，歸納蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體營養(yǎng)狀況的影響，并重點(diǎn)探討目前發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)氧化引起機(jī)體氧化應(yīng)激的兩種機(jī)制，旨在為進(jìn)一步認(rèn)識食品蛋白質(zhì)氧化影響機(jī)體營養(yǎng)與健康的機(jī)理提供理論參考。

1 食品加工和貯藏過程中不同種類蛋白質(zhì)氧化應(yīng)激環(huán)境

1.1 禽畜蛋白氧化應(yīng)激環(huán)境

豬、牛、雞、鴨等禽畜肉內(nèi)源促氧化因子以及不同的加工和貯藏條件都會導(dǎo)致禽畜蛋白質(zhì)的氧化。在屠宰后的畜禽肉制品中，還原酶的不斷損耗會導(dǎo)致高鐵肌紅蛋白積累，并與內(nèi)源過氧化氫反應(yīng)形成過鐵肌紅蛋白自由基，自由基的轉(zhuǎn)移可誘導(dǎo)其它蛋白質(zhì)發(fā)生氧化。非血紅素鐵離子及其它過渡族金屬離子在內(nèi)源過氧化氫存在時，可通過Fenton 反應(yīng)形成羥基自由基，進(jìn)而誘導(dǎo)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化[8]。畜禽肉制品不同的加工和貯藏方式，如加熱[9-10]、風(fēng)干[11]、腌制[12]、輻照處理[13]，甚至不同的包裝方式[14]等都會通過誘導(dǎo)脂質(zhì)氧化和抗氧化酶失活等方式加速蛋白質(zhì)的氧化，降低其營養(yǎng)品質(zhì)和生理功能。

1.2 水產(chǎn)品蛋白氧化應(yīng)激環(huán)境

水產(chǎn)品在凍藏期間由于冷庫溫度波動以及不同的殺菌工藝均可導(dǎo)致水產(chǎn)品蛋白氧化。冷庫溫度波動使得水產(chǎn)品中部分結(jié)合水形成的冰晶不斷消融和生長，造成蛋白質(zhì)內(nèi)部共價鍵和氫鍵的斷裂，并通過形成新的二硫鍵和疏水相互作用促使蛋白質(zhì)聚集[15-16]。凍藏期間未凍結(jié)的結(jié)合水仍會參與生化反應(yīng)，其中脂質(zhì)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的活性脂質(zhì)氧化產(chǎn)物可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化[15]。水產(chǎn)品加工過程中常常采用的殺菌方法，例如紫外線[17]、微波[18]和臭氧水[19]等也會產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致水產(chǎn)品蛋白質(zhì)氧化。

1.3 乳蛋白氧化應(yīng)激環(huán)境

乳內(nèi)源過氧化物酶系可催化形成過氧化氫，并進(jìn)一步形成羥基自由基，導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生氧化[20-21]。此外，乳中的金屬離子能與氧反應(yīng)生成氧自由基，在加快脂肪氧化的同時誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化[22-23]。熱處理是乳制品加工過程中最關(guān)鍵的操作單元，熱處理首先使乳清蛋白去折疊，隨后在疏水相互作用和氧化形成二硫鍵的作用下聚集[24]；同時，熱變性的乳清蛋白也能與酪蛋白膠束表面結(jié)合發(fā)生巰基-二硫鍵交換反應(yīng)，形成聚合物[25]，降低乳的品質(zhì)。

1.4 植物蛋白氧化應(yīng)激環(huán)境

植物蛋白在加工和貯藏過程中往往伴隨著脂質(zhì)氧化反應(yīng)的發(fā)生，形成的活性脂質(zhì)氧化產(chǎn)物可導(dǎo)致植物蛋白氧化。在大豆加工破碎過程中，多不飽和脂肪酸在脂肪氧合酶的催化作用下發(fā)生脂質(zhì)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的自由基和活性氧化產(chǎn)物，造成大豆蛋白氧化[26]。稻谷在貯藏過程中脂肪酶催化脂質(zhì)水解形成游離脂肪酸，后者在稻谷脂肪氧合酶的作用下發(fā)生脂質(zhì)氧化反應(yīng)，形成的活性脂質(zhì)氧化產(chǎn)物氧化修飾米蛋白，改變米蛋白和米淀粉之間的相互作用，導(dǎo)致稻谷陳化，降低稻米的蒸煮食用品質(zhì)[27]。米糠中含有活性很強(qiáng)的脂肪酶，在米糠穩(wěn)定化之前的貯運(yùn)過程中米糠極易酸敗，米糠氧化酸敗產(chǎn)物可導(dǎo)致米糠蛋白氧化，影響米糠蛋白結(jié)構(gòu)特征和功能性質(zhì)[28-30]。

2 蛋白質(zhì)氧化

2.1 氧化對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

在食品加工和貯藏期間食品蛋白質(zhì)常常處于氧化應(yīng)激環(huán)境中，氧化應(yīng)激環(huán)境形成的ROS 具有極強(qiáng)的反應(yīng)活性[31]，可通過直接介導(dǎo)和間接介導(dǎo)兩種方式導(dǎo)致蛋白質(zhì)主肽鏈斷裂、氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)修飾，促使蛋白質(zhì)發(fā)生氧化[32]。蛋白質(zhì)氧化常常伴隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，包括羰基衍生物的生成、巰基的損耗、芳香族氨基酸的修飾以及蛋白質(zhì)共價交聯(lián)物的形成等[32]。蛋白質(zhì)氧化形成共價交聯(lián)的方式主要包括：（1）蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物之間的相互作用及進(jìn)一步的聚合作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在分子內(nèi)部或不同分子間形成共價交聯(lián)[33]；（2）蛋白質(zhì)中半胱氨酸側(cè)鏈的巰基發(fā)生氧化形成二硫鍵，形成二硫鍵共價交聯(lián)；（3）自由基攻擊蛋白質(zhì)酪氨酸殘基，生成酪酰胺自由基，聚合后形成碳-碳鍵交聯(lián)的雙酪氨酸[34]；（4）氨基酸側(cè)鏈氧化形成的羰基衍生物與易氧化的氨基酸之間發(fā)生相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)共價交聯(lián)物的產(chǎn)生[35]。在大豆[36]、米糠[37]、豬肉[38]等食品的加工和貯藏過程中，蛋白質(zhì)都會發(fā)生氧化而形成蛋白質(zhì)共價交聯(lián)，改變蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)，繼而影響蛋白質(zhì)的營養(yǎng)和生理功能。

2.2 蛋白質(zhì)氧化對消化性質(zhì)的影響

食品蛋白質(zhì)進(jìn)入機(jī)體后，經(jīng)過胃腸道蛋白酶的酶解，形成小分子肽和游離氨基酸，進(jìn)而被小腸絨毛吸收進(jìn)入血液，發(fā)揮抗氧化作用，調(diào)節(jié)機(jī)體的氧化還原平衡。食品蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)受自身結(jié)構(gòu)的影響，而氧化過程中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)會不可避免地發(fā)生變化，造成蛋白質(zhì)消化性質(zhì)的改變，因此氧化必然會影響蛋白質(zhì)的營養(yǎng)品質(zhì)[39]。不同來源、不同氧化體系以及不同氧化程度的食品蛋白質(zhì)，其消化性質(zhì)也不相同，因此氧化對蛋白質(zhì)消化性質(zhì)的影響一直備受爭議[40]。氧化對食品蛋白質(zhì)消化性質(zhì)的影響主要包括改變蛋白質(zhì)的消化率和消化產(chǎn)物的抗氧化能力。蛋白質(zhì)的消化率受到蛋白酶識別與結(jié)合位點(diǎn)的制約，而蛋白質(zhì)消化產(chǎn)物的抗氧化能力與其氨基酸組成和排列順序以及肽分子質(zhì)量密切相關(guān)，肽分子質(zhì)量越小，消化產(chǎn)物具有的抗氧化能力越強(qiáng)[41]。普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)因不同程度的氧化使蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)。輕度氧化使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生去折疊，繼而增加蛋白質(zhì)的柔性，暴露出更多的蛋白酶識別與結(jié)合位點(diǎn)，使蛋白質(zhì)的消化率增加，產(chǎn)生更多具有抗氧化活性的小分子肽和游離氨基酸，從而提高蛋白質(zhì)消化產(chǎn)物的抗氧化能力。而蛋白質(zhì)的過度氧化會導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子產(chǎn)生共價交聯(lián)和聚集，隱藏蛋白質(zhì)與酶的識別與結(jié)合位點(diǎn)，降低蛋白質(zhì)的消化率[38，42]，使肽的分子質(zhì)量增大、高抗氧化活性分子的數(shù)量減少，導(dǎo)致蛋白質(zhì)消化產(chǎn)物的抗氧化能力降低[41]。不同來源的食品蛋白質(zhì)在不同氧化應(yīng)激環(huán)境中消化性質(zhì)的變化見表1。由此可見，不同蛋白質(zhì)分子的柔性差異以及不同氧化的體系，使氧化對蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的影響不同，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子酶解位點(diǎn)的數(shù)量和性質(zhì)有所差異，因而使蛋白質(zhì)具有不同的消化性質(zhì)。但同時，體外模擬的消化環(huán)境與體內(nèi)真實的消化環(huán)境存在差異，因此，僅僅采用消化率和消化產(chǎn)物的抗氧化能力評價氧化蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)并不全面，食品蛋白質(zhì)經(jīng)過胃腸道消化并不是蛋白質(zhì)發(fā)揮生理功能的終點(diǎn)，還需要從氧化蛋白質(zhì)消化產(chǎn)物影響機(jī)體營養(yǎng)和健康狀況的角度對氧化食品蛋白質(zhì)的營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行更全面的評價。

表1 食品蛋白質(zhì)氧化對蛋白質(zhì)消化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of food protein oxidation on the digestive properties of protein

3 蛋白質(zhì)氧化與氧化損傷

3.1 蛋白質(zhì)氧化與氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是氧化與抗氧化系統(tǒng)之間的一種不平衡狀態(tài)。正常情況下，機(jī)體細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）可以作為信號傳遞的信使分子，被超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶等組成的抗氧化系統(tǒng)清除以維持機(jī)體正常的氧化還原穩(wěn)態(tài)，而未被清除的ROS會繼續(xù)攻擊核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物大分子，導(dǎo)致組織細(xì)胞出現(xiàn)氧化損傷[50]。蛋白質(zhì)氧化引起的食品蛋白結(jié)構(gòu)改變一方面會減少蛋白質(zhì)與酶的識別與結(jié)合位點(diǎn)，使得細(xì)胞產(chǎn)生的酶難以將蛋白質(zhì)水解，導(dǎo)致氧化蛋白質(zhì)在體內(nèi)的積累[48]，進(jìn)一步誘導(dǎo)機(jī)體分泌更多的蛋白酶，促使體內(nèi)ROS 的水平急劇升高[51]；另一方面氧化降低了蛋白質(zhì)的消化率，減少具有抗氧化能力的小分子肽和游離氨基酸的生成，降低機(jī)體的ROS 清除能力，造成ROS在體內(nèi)的積累，繼而導(dǎo)致機(jī)體的氧化還原失衡[52-53]。因此，食品蛋白質(zhì)氧化會使機(jī)體的ROS 水平升高，導(dǎo)致臟器和血液中蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物的積累和氧化還原狀態(tài)的失衡，引起組織的氧化應(yīng)激，進(jìn)而造成機(jī)體的氧化損傷。食品蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體營養(yǎng)狀況的影響見圖1。通常，機(jī)體在氧化應(yīng)激的狀態(tài)下，通過激活細(xì)胞信號通路調(diào)控下游保護(hù)性蛋白或炎癥因子的產(chǎn)生，緩解或加重機(jī)體的氧化損傷。

圖1 食品蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體營養(yǎng)狀況的影響Fig.1 Effect of dietary protein oxidation on nutritional status of the body

3.2 食品蛋白質(zhì)氧化導(dǎo)致機(jī)體氧化應(yīng)激的機(jī)制

3.2.1 Keap1-Nrf2/ARE 信號通路 機(jī)體攝入氧化食品蛋白質(zhì)后，蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物被吸收進(jìn)入血液，導(dǎo)致血液中蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物積累[53]；攝入的氧化蛋白質(zhì)會影響機(jī)體的氧化還原平衡，導(dǎo)致機(jī)體的氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)更多ROS 的產(chǎn)生[54]，進(jìn)而促使細(xì)胞內(nèi)源性抗氧化信號通路Keap1-Nrf2/ARE 的開啟，調(diào)控下游抗氧化酶的生成，以維持機(jī)體的氧化還原平衡，從而緩解氧化應(yīng)激對機(jī)體造成的損傷[55]。食品蛋白質(zhì)氧化調(diào)控Keap1-Nrf2/ARE 信號通路開啟的機(jī)制見圖2。為了探究食品蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體營養(yǎng)和健康狀況的影響，Li 等[56]利用過氧化氫/金屬離子體系催化分解產(chǎn)生的羥基自由基氧化酪蛋白，模擬食品加工和貯藏期間酪蛋白的氧化，接著使用氧化的酪蛋白飼喂小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化酪蛋白的攝入激活了小鼠機(jī)體細(xì)胞內(nèi)Keap1-Nrf2/ARE 信號通路，顯著上調(diào)了機(jī)體血液和臟器中Keap1、Nrf2 等信號因子的基因表達(dá)水平，以及下游抗氧化酶的基因表達(dá)水平，但機(jī)體內(nèi)抗氧化酶的活性仍然降低，肝臟和腎臟發(fā)生氧化損傷。隨后采用酪氨酸氧化產(chǎn)物飼喂大鼠[57]，以探究食品蛋白質(zhì)氧化對代謝器官的損傷作用及機(jī)制，當(dāng)飼喂周期達(dá)到24 周時，雖然通過激活細(xì)胞內(nèi)Keap1-Nrf2/ARE 信號通路調(diào)控下游抗氧化酶的大量產(chǎn)生，但機(jī)體抗氧化酶的活性仍然降低，大鼠肝臟和腎臟出現(xiàn)氧化損傷。同時，細(xì)胞內(nèi)MAPK/TGF-β/Smads 信號通路也被激活，導(dǎo)致大鼠的肝腎組織出現(xiàn)纖維化病變。由此可見，食品蛋白質(zhì)氧化會導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激，開啟體內(nèi)的抗氧化信號通路，調(diào)控下游抗氧化酶的大量產(chǎn)生，緩解機(jī)體的氧化應(yīng)激狀態(tài)；當(dāng)機(jī)體產(chǎn)生過量的ROS 時，抗氧化酶的消耗量大于產(chǎn)生量，機(jī)體的抗氧化能力降低，抗氧化系統(tǒng)被破壞，最終出現(xiàn)氧化損傷。除此之外，也有研究表明，食品蛋白質(zhì)氧化會導(dǎo)致小鼠細(xì)胞內(nèi)PI3K 基因表達(dá)的下調(diào)和GSK-3β 基因表達(dá)的上調(diào)，抑制Nrf2 進(jìn)入細(xì)胞核，阻止下游抗氧化酶的產(chǎn)生，導(dǎo)致機(jī)體抗氧化能力下降，最終機(jī)體仍然出現(xiàn)氧化損傷[58]。

3.2.2 NF-κB 信號通路 有研究表明，持續(xù)的氧化應(yīng)激可引起單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞的呼吸爆發(fā)，產(chǎn)生大量的ROS，并促進(jìn)細(xì)胞因子、炎性介質(zhì)的合成與釋放，引起機(jī)體的炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步加重機(jī)體的氧化應(yīng)激[59-60]。NF-κB 通路是典型的炎癥信號通路，可以促進(jìn)炎癥因子的釋放。食品蛋白質(zhì)氧化會激活機(jī)體內(nèi)NF-κB 信號通路，調(diào)控下游炎癥因子的轉(zhuǎn)錄，加重機(jī)體的氧化應(yīng)激。食品蛋白質(zhì)氧化調(diào)控NF-κB 信號通路開啟的機(jī)制見圖3。為進(jìn)一步探究食品蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體的影響，Ding 等[61]使用酪氨酸氧化產(chǎn)物飼喂大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大鼠血液中，TNF-α、IL-6 等炎癥因子的水平顯著升高，Keap1-Nrf2/ARE 通路基因（Nrf2、GPx-1、HO-1）和胰島素合成相關(guān)基因（Pdx-1、MafA）的表達(dá)水平顯著下降，說明酪氨酸氧化產(chǎn)物導(dǎo)致大鼠胰腺的抗氧化能力降低，胰腺發(fā)生氧化損傷和炎癥反應(yīng)，影響胰腺合成和分泌胰島素的功能。林詩曼[58]采用不同溫度和壓力的加工條件氧化豬肉肌原纖維蛋白，并用氧化的肌原纖維蛋白喂食小鼠，在小鼠體內(nèi)觀察到血液和臟器中Nrf2 基因以及下游抗氧化酶基因NQO1、HO-1 表達(dá)的下調(diào)，NF-κB基因和炎癥因子基因表達(dá)的顯著上調(diào)，以及炎癥抑制因子IL-10 基因表達(dá)的下調(diào)，表明氧化豬肉肌原纖維蛋白導(dǎo)致機(jī)體氧化還原狀態(tài)失衡并出現(xiàn)炎癥反應(yīng)。Nrf2 與NF-κB 通路之間的拮抗作用是導(dǎo)致NF-κB 基因的顯著上調(diào)，Nrf2 基因表達(dá)下調(diào)的原因[62]，這也說明機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng)會抑制Keap1-Nrf2/ARE 信號通路的激活，進(jìn)一步加重機(jī)體的氧化損傷。

圖2 食品蛋白質(zhì)氧化激活Keap1-Nrf2/ARE 細(xì)胞信號通路的機(jī)制Fig.2 Mechanism of dietary protein oxidation activating Keap1-Nrf2/ARE cell signaling pathway

圖3 食品蛋白質(zhì)氧化激活NF-κB 細(xì)胞信號通路的機(jī)制Fig.3 Mechanism of dietary protein oxidation activating NF-κB cellular signaling pathway

4 結(jié)論與展望

在食品的加工和貯藏過程中，許多因素都會誘導(dǎo)蛋白質(zhì)氧化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變，形成蛋白質(zhì)氧化聚集體，影響蛋白質(zhì)的消化性質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。食品蛋白質(zhì)氧化還會引起機(jī)體的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，對機(jī)體的消化器官、肝臟、腎臟甚至大腦等部位造成氧化損傷。但是，目前關(guān)于食品蛋白質(zhì)氧化對機(jī)體營養(yǎng)狀況影響的研究主要集中在模擬蛋白質(zhì)氧化應(yīng)激環(huán)境以及單一信號通路下的作用機(jī)制，缺乏食品加工和貯藏過程中蛋白質(zhì)真實氧化應(yīng)激環(huán)境的表征和機(jī)體信號通路之間相互作用機(jī)制的研究。因此，后續(xù)可以從以下幾個方面進(jìn)行更深入的研究：首先，建立更為真實合理的食品蛋白質(zhì)氧化應(yīng)激環(huán)境以及試驗對象的進(jìn)食方式，以期通過更符合實際條件的試驗手段，研究食品蛋白質(zhì)的氧化程度和氧化食品蛋白質(zhì)的攝入量對機(jī)體營養(yǎng)及健康產(chǎn)生的影響；其次，全面分析食品蛋白質(zhì)氧化影響機(jī)體細(xì)胞內(nèi)信號通路、基因表達(dá)的作用機(jī)制，進(jìn)一步了解食品蛋白質(zhì)氧化如何對機(jī)體產(chǎn)生損傷；最后，根據(jù)上述研究合理開發(fā)蛋白質(zhì)資源，優(yōu)化食品加工技術(shù)，完善食品配方，改善人體的營養(yǎng)和健康狀況。