美拉德反應產物的生物學活性和潛在健康風險

歐陽宇，趙擴權，馮瑩娜，張 梁，吳 茜,*

（1.湖北工業大學 發酵工程教育部重點實驗室，湖北省工業微生物重點實驗室，細胞調控與分子藥物學科創新引智基地（“111基地”），湖北 武漢 430068；2.安徽農業大學 茶樹生物與利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036）

美拉德反應（Maillard reaction，MR）也稱羰氨反應，是廣泛存在于食品加工及儲存過程中的非酶促褐變反應。MR是羰基化合物（如還原糖）和氨基化合物（如氨基酸、肽和蛋白質等）在常溫或加熱時發生的一系列氧化、環化、脫水、聚合等反應，能產生多種MR產物（Maillard reaction products，MRPs），并有助于食物外形、風味和顏色的形成[1]。如圖1[2]所示，MR可分為初級、中間和高級3 個階段：初級階段：糖的醛基和氨基酸的氨基發生羰氨縮合（反應A），生成N-取代的糖胺和水。中間階段：通過Amadori重排將糖胺轉化為酮糖胺（反應B）和其他產物。將Amadori產物脫水并水解形成5-羥甲基糠醛（反應C），然后生成醇醛或無氮聚合物（反應F）。由糖類脫水或Amadori產物（反應C）形成的還原酮，會導致醇醛和無氮聚合物（反應F）或Stecker醛（反應E）的生成。Stecker醛則由氨基酸的碎裂形成，氨基酸通過形成的醛進入褐變反應，在醇醛縮合中形成無氮聚合物（反應F）。同時，Amadori產物和N-取代的糖胺也可以是裂變產物（反應D和H）。此外，Amadori重排后的裂變產物會產生活性二羰基化合物，可以作為丙烯酰胺（acrylamide，AA）、雜環胺（heterocyclic amines，HAs）、晚期糖基化終末產物（advanced glycation end products，AGEs）和低分子質量化合物的前體（反應E），Amadori產物和還原糖也可分別通過氧化和非氧化途徑生成AGEs。高級階段：環化、脫水、縮合等多種反應最終導致棕色的含氮聚合物以及共聚物類黑精（melanoidins，MeH）的生成（反應G）。

圖1 MRPs生成路線圖[2]Fig.1 Roadmap of Maillard reaction[2]

MR除了能賦予食品愉悅的風味外，也能夠賦予食物豐富的生物學活性，對機體健康有潛在的調節作用。但是當該反應控制不當時，在食品質量安全方面也存在消極影響，使MR偏向于產生有強烈致癌作用的AA、HAs和引發炎癥反應的AGEs[3-4]，而這些產物的生成會增加氧化應激和活性羰基應激水平，誘導炎癥因子表達水平上調，進而引發疾病，如胰島素抵抗和血管損傷等。

目前，越來越多的研究報道關注到MRPs的生物學活性和對人體健康存在的潛在風險。本文將綜述MRPs所具有的抗氧化、抗菌、抗炎等特性，同時也探討MRPs產生的AGEs和AA等對人體的健康隱患，以期為MR的深入研究提供參考。

1 飲食中的MRPs

MR是一個極其復雜的連續和平行反應，在體系中產物的生成和降解是同時發生[5]，進而從兩方面造成了MRPs的復雜性。一方面是MR本身，MR第一階段形成產物之間的相互作用將會決定其后續階段的反應路徑；另一方面是MR的反應底物和環境因素，根據食物基質組成的不同，例如還原糖類型、氨基酸類型、促MR化合物（自由基和羰基化合物等）和抑制MR化合物的存在與否；反應的理化參數，如溫度、pH值、aw和反應時間等。這些因素綜合作用致使MR產生了數百種不同的化合物，食品中常見的MRPs見表1。這類化合物缺乏明顯的特征結構，但這些化合物賦予了食物良好的物理屬性，如顏色、風味、口感和外形等。更重要的是，這些復雜條件下發生的MR，使食品產生了天然不存在的化合物，它們可能賦予食品新的生物學活性，如抗氧化性、抗菌性和改善腸道菌群等特性，也可能引發潛在安全問題，如致突變性、致癌性、細胞毒性等。

表1 食品中的MRPsTable 1 Types of MRPs produced in thermally processed foods

2 MRPs的生物學活性

2.1 MRPs的抗氧化性

許多研究報道，MRPs在食品中有優良的抗氧化活性[13]。在復雜的MRPs混合物中存在不同的化學成分，因此存在著不同的抗氧化機制。MRPs的抗氧化特性主要是由低分子質量吡咯、呋喃和高分子質量MeH和還原酮等高活性中間體所提供[14]。這些小分子中間產物通過提供電子來陰斷自由基鏈式反應的進程，清除活性氧（reactive oxygen species，ROS），消除過氧化氫（H2O2）和螯合金屬離子，從而使得MRPs擁有良好的抗氧化能力[15-16]，其機理如圖2所示。MRPs作為食品加工和儲藏過程中產生的一類具有較強抗氧化活性的物質，在一定程度上甚至還可以媲美一些食品體系中常用的抗氧化劑，如2,6-二叔丁基對甲酚等[17]。夏琪娜[18]研究發現，酪蛋白酶解物-葡萄糖MRPs和酪蛋白-葡萄糖MRPs的還原力及Fe2+、Cu2+螯合能力優于質量分數0.01%的丁基羥基茴香醚和VC。趙艷娜[19]的研究也表明核糖-乳清蛋白MRPs的部分抗氧化指標高于丁基羥基茴香醚及VC，可代替部分抗氧化劑具體應用在食品中。

圖2 MRPs抗氧化作用的不同機制[15]Fig.2 Various mechanisms for antioxidant effects of MRPs[15]

目前，有關MRPs及其抗氧化活性的研究主要集中在氨基酸-糖模型方面。影響MRPs抗氧化活性的因素包括：糖的種類＞反應時間＞反應溫度＞氨基酸種類[20]。不同的糖底物已被證明具有不同的MR特性和效果。例如，戊醛糖比己醛糖具有更多的反應活性，單糖比二糖或寡糖具有更高的反應活性。與基于低聚果糖的MRPs相比，基于低聚半乳糖的MRPs具有更高的抗氧化能力[21]。除了上述因素，在MR過程中，模型體系的初始pH值也是至關重要的。因為糖的開鏈和氨基的非質子化形式在MR過程中具有最高反應活性，而堿性條件會增強這兩種情況，從而促進羰氨縮合[22]。在抗氧化活性方面，MRPs中的低分子質量化合物和中間體化合物在高pH值條件下繼續形成還原酮，這些化合物能夠給出電子，從而穩定自由基[23]?；谝陨咸匦?，MRPs能夠通過清除過氧化物自由基來防止脂質中氫過氧化物的形成，從而防止二次脂質氧化產物的形成，達到脂類抗氧化的作用，甚至能取代食品中的合成抗氧化劑，如2,6-二叔丁基對甲酚[17,24]。MRPs還可以提高乳清蛋白的抗氧化性[25]，提高乳制品的貯藏穩定性。除了氨基酸模型外，許多研究也表明，MR可以有效地提高蛋白水解物的抗氧化活性。由于肽結構和組成的復雜性，目前只有很少關于寡肽形成MRPs的研究。Yang等[26]通過將魚蛋白水解物與核糖發生MR使魚蛋白水解物的抗氧化特性得到改善，從而保護HepG2細胞免受氧化應激誘導的叔丁基過氧化物的侵害。Chen Xu等[27]通過MR提高了魚鱗肽的體外抗氧化活性，顯著降低了血清天冬氨酸氨基轉移酶和丙氨酸氨基轉移酶活性。肽的MRPs抗氧化性不僅僅與組成的氨基酸有關，還與氨基酸序列有關，如精氨酸-甘氨酸的MRPs抗氧化性強于甘氨酸-精氨酸組成二肽的MRPs的抗氧化性[28]。另外，肽的分子質量也會影響其抗氧化性能，分子質量較小的肽具有較高的反應活性和交聯作用，在MR中更適合與糖結合，從而具有更強的抗氧化能力[29]。研究發現食物提取物中的MRPs也具有抗氧化性。利用從熱加工杏中提取的MeH預處理內皮細胞，可明顯抑制并最終消除過氧化氫誘導的細胞內氧化應激和線粒體去極化，能夠保護人類內皮細胞免受氧化應激的傷害[30]?？Х忍崛∥镏袠O性MRPs成分可作為大鼠血清中的親水性抗氧化劑，具有較強自由基清除能力[31]。另外，食物中的MRPs在整個胃腸道中都能較好地清除自由基，進而保護機體對抗氧化應激作用。

同一物質的抗氧化性用不同的表征方法評價會導致結果存在很大的差異，而且由于MRPs中既含有抗氧化物質又含有促氧化物質[32]，這些活性物質發揮作用的程度也不同。例如，MRPs的抗氧化性與二羰基化合物含量呈負相關[33]，反應過程中會產生不同的二羰基化合物，勢必會造成抗氧化性的變化趨勢更加復雜。因此，需要用不同的方法盡可能全面地去評價抗氧化合物的抗氧化活性以及獲得更加單一的目標成分。盡管如此，MRPs所具有的優良抗氧化活性潛力，可在食品系統中用作功能成分之一。

2.2 MRPs的抗菌性

近年來，很多相關研究把MRPs的抗氧化性和抗菌性聯系起來[34-35]。一方面，科研人員研究了單純的糖-氨基酸模型混合物中MRPs的抗菌作用。這些模型混合物中MRPs對不同菌株的細菌（例如大腸桿菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium））具有不同程度的抗菌活性[35]；另一方面，對于富集MRPs的食物（咖啡或餅干），其提取物也具有類似的抗大腸桿菌活性[36]。Sunds等[37]認為這種抗菌性主要來源于MR后期形成的MeH化合物。MeH的抗菌活性可能與其所帶陰離子電荷螯合某些陽離子（如Cu2+、Fe2+和Zn2+）的能力有關，通過結合細菌中的蛋白質部分使其失活，從而影響病原細菌的生長和存活[38]。例如，MeH可通過螯合Mg2+破壞大腸桿菌外膜[39]。此外，研究表明咖啡中MRPs的抗菌活性是由于其中的H2O2能夠破壞細菌中的細胞壁、蛋白質、脂類和核酸[36]。而氨基還原酮、烯二醇和二羰基化合物則具有產生ROS的特性[40]。其機理如圖3所示。與革蘭氏陰性菌（如大腸桿菌）相比，革蘭氏陽性菌（如金黃色葡萄球菌）的生長存活更易受MeH的抑制。此外，MeH由于能抑制變形鏈球菌（人齲齒的主要病原體）對羥基磷灰石的黏附，從而具有抗齲作用[41]。

圖3 MRPs抗菌作用的機制[36-40]Fig.3 Antibacterial mechanism of MRPs[36-40]

2.3 MRPs的抗炎活性

對于哺乳動物，氧化應激是導致炎癥的主要原因[42]，炎癥可激活單核細胞和巨噬細胞，并促進中性粒細胞浸潤[43]?；罨木奘杉毎麜a生大量促炎細胞因子，從而觸發全身性炎癥反應[44-45]。這些細胞因子會導致細胞分泌多種炎癥介質，形成復雜的相互作用并導致多個炎癥級聯反應的發生[46]。大多數參與免疫和炎癥反應的分子在轉錄水平上會受到轉錄因子的調控。而細胞的氧化還原狀態作為炎癥反應的重要調節因素，可通過特定基因的上調和轉錄因子（例如核因子（nuclear factor，NF）-κB[47]）的激活調控。在正常生理條件下產生的ROS和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）可作為重要的細胞信號傳導分子，調節特定基因的表達，這些基因涉及到氧化應激穩態和抗氧化防御系統[48]。而過量產生的ROS和RNS會引發細胞氧化還原穩態向氧化應激轉變[47]，促進炎癥的發展。因此，可以清除ROS和RNS的抗氧化劑也可以提供潛在的間接抗炎活性。研究表明，MRPs可影響體外培養的Caco-2細胞的抗氧化防御系統，從而影響細胞的氧化還原狀態[49]。核糖-色氨酸的MRPs中經過分離純化后得到兩種吲哚化合物可以顯著降低小鼠巨噬細胞主要炎癥因子的表達，可能通過抑制NF-κB通路及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）通路中的p38、Jun激酶（Jun kinase，JNK）和胞外信號調節激酶（extracellular signalregulated kinase，ERK）通路發揮抗炎作用[50]。Oh等[51]發現截留分子質量為3～10 kDa的MRPs可有效降低經脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的RAW264.7巨噬細胞NO的表達，陰止巨噬細胞跨上皮電陰的下降，減少巨噬細胞的腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α產生和白細胞介素（interleukin，IL）-8、IL-1β mRNA的表達。果糖-酪氨酸的MRPs中也分離出具有抑制環氧化物酶（cyclooxygenase，COX）-2和誘導性一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）表達的化合物[52]，化合物的作用機制可能是抑制NF-κB通路以及信號傳導及轉錄激活因子（signal transducer and activator of transcription，STAT）3的激活[53]。其機理如圖4所示。Kitts等[48]以Caco-2細胞為腸上皮細胞模型，在體外研究了糖(葡萄糖、果糖、核糖)-氨基酸(賴氨酸、甘氨酸)化合物的抗炎活性。氨基酸-核糖MRPs均能很好地抑制小鼠巨噬細胞分泌的NO，可能是由于MRPs中的二羰基化合物可以與細胞中的精氨酸迅速發生反應[50]，而NO的合成需要NO合成酶利用體內L-精氨酸[54]。MRPs組成極其復雜，除包括抗炎的物質外，也包括促炎的物質。乙二醛、甲基乙二醛和AGEs的重要前體物質Amadori產物可以引起系統性炎癥、氧化應激以及胰島素抵抗[6]。Amadori產物對引起炎癥因子的iNOS有顯著促進作用，而對維持體內正常NO濃度的內皮細胞一氧化氮酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）沒有刺激作用[55]。這一事實表明需要更多的工作來確定哪些MRPs成分會產生這些作用，以及MRPs所引導促炎或抗炎的潛在機制是什么。

圖4 MRPs在LPS刺激巨噬細胞中的抗炎作用機制[50-53]Fig.4 Anti-inflammatory mechanism of MRPs in lipopolysaccharidestimulated macrophages[50-53]

2.4 MRPs對腸道菌群的影響

腸道微生物可降解未消化的食物并產生大量代謝物，能夠維持機體正常的免疫功能，保護腸道免受腸道病原菌的侵襲。腸道微生物主要通過兩種代謝途徑降解未消化的食物：糖酵解和蛋白水解。高分子質量的MRPs不能直接在消化系統的前段被吸收，因此大部分會到達結腸被腸道微生物代謝[2]。但是目前對MRPs在腸道中的代謝以及與微生物的相互作用知之甚少。大多數研究集中在MRPs對腸道微生物的影響，已經通過在厭氧發酵罐中培養糞便細菌來進行體外研究。Hellwig等[56]的研究表明人體腸道微生物的體外發酵4 h，能夠降解MRPs中的N-ε-果糖基賴氨酸（N-ε-fructosyllysine，FL）、CML和吡咯啉（pyrraline，PYR）。在低聚半乳糖糖化的乳球蛋白模型中也顯示了微生物利用褐變化合物作為氮和碳源的能力[57]。同時，Jiménez-Zamora等[58]發現咖啡MeH可以被人體腸道菌群代謝，并且這些特定的化合物選擇性地促進了雙歧桿菌的生長。Zhang Zuoyong等[59]發現大豆肽MRPs能提高腸道微生物群的豐富度和多樣性，改善腸道微生物群落結構，有效抑制病原菌，促進有益菌乳桿菌和雙歧桿菌的生長。進入結腸的糖化蛋白導致患有潰瘍性結腸炎的人體微生物群中梭狀芽孢桿菌、硫酸鹽還原菌和擬桿菌（Bacteroides）的數量增加，而真菌和雙歧桿菌的數量減少[60]。低糖化魚蛋白飲食可促進產生丁酸的瘤胃球菌屬（Ruminococcus）和羅斯氏菌（Roseburia）的生長[61]。蛋白質糖基化導致蛋白質消化率下降，使得更多的蛋白質進入結腸供微生物發酵。益生菌一方面可特異性表達低聚糖等益生元的轉運蛋白；另一方面，大多數蛋白質消化產物為益生菌提供必需氨基酸。因此，糖化蛋白可靶向作用于結腸中的益生菌，以增強它們在菌群中的競爭優勢。另外，MR中間產物5-羥甲基糠醛也可以調節腸道菌群，促進乳桿菌、腸桿菌和鏈球菌的生長[62]。與低MRPs飲食相比，在食用富含MRPs后的青少年結腸菌群中也發現了MRPs對乳酸菌生長的抑制作用[63]。然而，體外模型分析結果也表明，用不同糖（半乳糖、乳果糖和低聚半乳糖）糖化的蛋白質可以促進人體腸道菌群中雙歧桿菌的增殖[64]。另外，MRPs能夠在腸道菌群中進行體內發酵，從而改變短鏈脂肪酸的形成方式以及腸道菌群組成[65]。許多MeH有利于雙歧桿菌和糞便桿菌等有益菌屬的生長，腸道中的微生物在發酵MeH時釋放了與MeH主鏈相連的酚類物質，同時也能夠促進酚類物質的吸收。MeH也可以被腸道菌群用作碳源和氮源，促進雙歧桿菌生長，發揮益生元活性并調節細菌結腸的數量。上述的一些變化可能是負面的，這與MRPs組分的存在有關。從積極的方面來看，微生物代謝后產生了大量的丙酸等化合物，同時也表現出促進雙歧桿菌生長的作用。目前MRPs對腸道菌群影響的差異性，可能存在多種影響因素。首先，食物中的MRPs是具有正效應或負效應的混合物，當所有化合物都存在時，某些效應可以被抵消或增強。當化合物按照分子質量分離時，那些具有正/負效應的物質又會分布在不同餾分中。最后，考慮到腸道菌群內部的巨大個體差異性，故現階段研究發現的結構基礎仍不清楚。特別是對結腸中單個MRPs穩定性的研究很少。先前的研究表明，飲食中的MRPs能夠在體內調節人和大鼠腸道菌群的組成，并且特定的作用可能與不同褐變化合物的化學結構和飲食量有關。應該進行進一步的研究，以便通過宏基因組分析和飲食消耗的影響來分析更多的腸道菌群。另一方面，MeH可以被后腸菌群用作碳源和氮源，支持雙歧桿菌生長、發揮益生元活性并調節細菌結腸數量。

2.5 其他活性

除以上生理活性外，MRPs還被證明具有良好的免疫調節和抗腫瘤作用。Yamabe等[66]從人參皂苷-賴氨酸的混合物中提取了具有抗癌活性的MRPs，而且抗癌作用主要來自于MR產生的低極性化合物。蛋白質水解液和葡萄糖制備的MRPs具有降低Caco-2細胞增殖的潛力[67]。體外細胞實驗表明，MRPs通過抑制氧化應激和炎癥來抑制人類結腸癌細胞的生長來體現出抗增生能力[68]。麥芽糖和氨基酸進行MR生成的麥芽酚可以顯著抑制小鼠體內H22腫瘤的生長，增強其免疫功能[69]。糖與色氨酸和酪氨酸的MRPs具有較好的抗增生能力[70]。Lee等[71]從果糖-色氨酸的MRPs中分離出具有抗增生能力的化合物。此外，研究還發現MRPs中的MeH通過調節血管緊張素轉化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的體外活性從而降低血壓，并通過抑制基質金屬蛋白酶的體外活性預防結腸癌[72]。Hwang等[70]篩選20 種氨基酸-葡萄糖/果糖進行MR，結果發現所有組別的MRPs均發揮ACE抑制活性，且果糖-氨基酸MRPs的ACE抑制活性更高，而對于同一種還原糖底物來說，酪氨酸和色氨酸的MRPs又表現出較高的ACE抑制活性。近年來許多研究利用MR作為改性方法來提高產物的抗過敏性和抑制酶活能力。Zhang Ming等[73]建立了不同分子質量還原糖與α-乳白蛋白的MR體系，經研究發現MR可以大幅度降低α-乳白蛋白抗原性，且還原糖分子質量越小，其抗原性降低幅度越大。Arita等[74]用溶菌酶多糖形成的MRPs同未經MR的抗原蛋白相比較，表明在體內體系中能有效降低蛋白的過敏性。Hwang等[75]發現果糖酪氨酸的MRPs具有良好的葡萄糖苷酶抑制活性。

MRPs具有多種生物學活性，但因其不穩定性及組成的復雜性限制了它的應用，而且MRPs在體內的代謝過程也不清楚。Moscovici等[76]發現源自乳鐵蛋白模型系統的MRPs在體外消化中對蛋白水解具有很高的敏感性。但消化后的MRPs的蛋白質組學分析顯示，酶切模式發生了變化，已知生物活性肽的形成沒有明顯變化；另一方面，在胰蛋白酶和消化酶消化后，觀察到由酪蛋白-葡萄糖模型系統制備的MRPs抗氧化活性降低[22]。目前對于MRPs中不同物質的消化吸收和代謝方式是否存在相互作用的研究和結論還較少。

3 MRPs的潛在食品安全性

從膳食的整體健康角度考慮，過度熱加工和高脂肪的膳食被認為是飲食風險因素之一。而這些膳食的加工條件為MR提供了豐富的反應底物，進而使反應趨于復雜化。在不同反應條件下，MRPs可作為潛在功能活性成分，但也無法忽視MR中對人體有害的這類化學物質的生成。這些復雜條件下，MR所產生的化合物可能引發潛在安全問題，如致突變、致癌、細胞毒性等。

3.1 晚期糖基化終末產物

AGEs作為一種典型的有害MRPs，在動物實驗和臨床試驗結果中已被證實過多攝入可能會導致糖尿病及其并發癥，如視網膜病變、腎病、神經退行性疾病和癌癥等其他健康危害[77-78]。研究表明，通過口服給藥的方式，只有10%～30%的AGEs被吸收進入體循環。AGEs以游離態或者與蛋白結合形成高分子化合物。游離的CML可通過簡單擴散方式吸收[79]，而PYR的腸道吸收主要是以二肽的形式[80]，通過肽轉運蛋白1（peptide transporter 1，PEPT1）介導轉運被腸道上皮吸收[81]。PEPT1也適用于CML，CEL和丙酮醛修飾精氨酸脫水咪唑啉酮（methylglyoxal derived arginine imidazolinone，MG-H1）連接的二肽的轉運吸收[82]。游離態的AGEs的吸收優于結合態，而高分子化合物需要在被吸收之前進行蛋白水解消化，AGEs的低分子質量更有可能被吸收。目前認為AGEs引起病理的主要機制有兩個：一方面是使蛋白質交聯，引起其結構的不可逆修飾，從而導致相應性質和功能的改變；另一方面，AGEs通過多個受體和非受體介導的機制激活細胞內信號通路，導致ROS的產生及炎癥細胞因子的表達[83]。氧化應激在上述慢性疾病中發揮著病理生理作用，其中高水平的AGEs可促進ROS的產生，從而誘發氧化應激[84]。在AGEs誘發氧化應激的同時，氧化應激也會促進AGEs的形成[83]。晚期糖基化終末產物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）是免疫球蛋白超家族的多配體受體，在AGEs、氧化應激和炎癥途徑聯系中扮演著重要角色，RAGE可識別多種配體，包括高遷移率族蛋白1（high mobility group box 1，HMGB1）、黏附因子Mac-1、s100鈣結合蛋白，同時可修飾低密度脂蛋白、DNA、RNA和淀粉樣蛋白。外源性AGEs被吸收后，可能有助于這些配體的聚集。激活RAGE會導致一系列的信號轉導，包括NF-κB的激活、氧化應激和炎癥。RAGE信號通過磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）、Ki-Ras和MAPKs的激活活化某些促炎癥介質，如人單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）和血管細胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）[6]，其中ERK1和ERK2以協調的方式促進和維持NF-κB從細胞質向細胞核的轉運。RAGE還可以通過降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，NADPH氧化酶觸發ROS激增（圖5）。

圖5 外源性AGEs的作用下RAGE及其配體和主要信號通路[6,83-84]Fig.5 Effects of exogenous AGEs on RAGE and their ligands and major signaling pathways[6,83-84]

3.1.1 糖尿病及其并發癥

糖尿病患者的一個典型特征是體內高水平的循環葡萄糖和氧化應激[85-87]。而AGEs在體內可通過胞內或胞外蛋白的糖化產生，所以在糖尿病病程中高血糖會形成過量的內源性AGEs[84]。在2型糖尿病患者體內可觀察到氧化應激標志物和糖化蛋白水平之間呈正相關[88-89]。然而，其中涉及的分子機制和信號轉導途徑還沒有明確的定義。胰島素抵抗作為糖尿病并發癥也與AGEs有關。研究發現糖化蛋白一方面可以誘導TNF-α的表達，從而抑制胰島素信號傳導[90]；另一方面又可以破壞PI3K途徑并抑制胰島素介導的葡萄糖代謝[91]。在高血糖情況下，胰島素也可以直接糖化，從而降低其降糖能力[92]。此外，AGEs產生的長期氧化應激可能導致蛋白質損傷，最終導致內皮功能障礙[93]。AGEs通過降低內皮細胞eNOS的表達，從而減少NO的合成。而作為血管舒張因子的內源性NO是天然的抗動脈粥樣硬化分子。因此，AGEs介導了血管內皮功能障礙和動脈粥樣硬化的一些基本機制，例如血管收縮或內皮增生等[94]。在糖尿病性腎病中，也有證據表明，AGEs能夠誘導腎系膜細胞凋亡以及VEGF和MCP-1的表達，這有助于增強血管通透性，引發腎組織病變[95]。最后，AGEs還可誘導白細胞黏附于視網膜內皮細胞，并促進ICAM-1的表達和NF-κB的DNA結合，導致糖尿病患者視網膜病變[96]。外源性AGEs作為體內AGEs積累的重要外源性途徑，前者在腸道中被消化和吸收，并部分轉化為內源性AGEs。通過給非肥胖小鼠喂食富含甲基乙二醛修飾蛋白的飲食，發現炎癥、氧化應激和胰島素抵抗表型增加[97]。在非酒精性脂肪性肝病的大鼠模型中，高AGEs飲食加重了肝臟損傷、炎癥和肝纖維化[98]。因此，AGEs的積累與糖尿病及其相關并發癥有密切關系。但由于外源性AGEs的生物利用度不確定和腎臟清除速度較快，其在體內的作用仍有爭議。

3.1.2 其他疾病

除了上述疾病外，AGEs還被作為其他相關慢性疾病的一個致病因素。越來越多的證據表明，氧化應激在神經退行性疾病的發病機制中起重要作用。在阿爾茨海默病患者大腦中，AGEs能上調淀粉樣前體蛋白[99]，增加作為老年斑主要成分的β-淀粉樣蛋白水平。而AGEs介導的交聯也會加速β-淀粉樣蛋白的聚集和沉積[100]。作為阿爾茨海默病兩種典型的病理特征之一的Tau蛋白磷酸化形成的神經纖維纏結也被證明與AGEs相關。Tau蛋白的糖基化作用可產生氧化應激[101]，AGEs也通過RAGE介導的GSK-3激活最終聚集并形成神經原纖維纏結，從而促進Tau蛋白的過度磷酸化[102]。除此之外，AGEs被發現可以誘導α-突觸核蛋白的聚集，并且與氧化應激共存，從而促進帕金森病的發病[103]。體外研究表明，AGEs能夠促進前列腺癌和乳腺癌癌細胞的增殖、侵襲和遷移[104-105]。這些效應可能是由于與受體RAGE相互作用，激活其信號通路。研究表明，與健康組織相比，腫瘤中存在高水平的RAGE[106]。而過往研究已證明RAGE在腫瘤增殖、遷移和侵襲中的作用[107]，雖然其分子機制仍然未知，但這些疾病的發病機理與AGEs的關系可以按圖6進行總結[108]。

圖6 AGEs參與的幾種飲食相關疾病和年齡相關疾病的發病機制[108]Fig.6 AGEs are involved in the pathogenesis of several diet-related diseases and aging-related diseases[108]

內源性AGEs在體內的組織和體液中緩慢而連續的生成，并在衰老過程中會不斷在組織中積累[83]。而外源性AGEs也是體內AGEs積累的重要外源性途徑。這些疾病與AGEs之間的關系受到研究者的廣泛關注，由于AGEs-RAGE相互作用而引起的細胞信號傳導是這些病理學中的關鍵環節，并且已經發現通過抑制RAGE表達或增強其他陰斷RAGE-AGEs相互作用來作為減輕羰基應激水平的方法。對于一些疾病的患者（如糖尿病患者），AGEs的防范可能比健康人群更為重要。降低AGEs的形成可以在一定程度上降低糖尿病和其他相關疾病的負面生理影響。

3.2 丙烯酰胺

在MR中，通過游離天冬酰胺與還原糖（特別是果糖和葡萄糖）的反應或其他途徑可形成AA[109]。其中食品中AA的含量主要受外界條件以及食品原料中還原糖和天冬酰胺含量的影響[110]。國際癌癥研究機構已將AA列為人類2A類致癌物，并證實其會隨著生命歷程在體內積累并造成損害。研究表明，在低劑量和高劑量的AA中都可以觀察到相同的毒性作用，區別在于低劑量僅需更長的暴露時間[111]。自從在日常飲食中發現AA以來，許多流行病學研究已經評估了它與癌癥的潛在聯系。

3.2.1 丙烯酰胺的生殖、神經毒性

在動物模型中，AA已被證明具有生殖毒性。AA對男性的生殖毒性是生殖細胞中甘氨酰胺-DNA加合物的增加和DNA片段化[112]。研究表明，在生命早期暴露于AA的雄性大鼠會導致體內氧化-抗氧化系統的失衡，從而引發不育與性激素水平降低現象[113]。對于女性而言，AA通過影響類固醇激素釋放，增加細胞凋亡和自噬相關基因的mRNA水平來誘導卵巢功能障礙[114]。除此之外，AA還能夠發揮神經毒性作用。目前有3 個機制解釋AA的神經毒性[115-117]：抑制基于驅動蛋白的快速軸突運輸、改變神經遞質水平和直接抑制神經傳遞（圖7）。

圖7 AA神經毒性的機制[115-117]Fig.7 Mechanism for the neurotoxicity of acrylamide[115-117]

3.2.2 丙烯酰胺的遺傳毒性、細胞毒性和致癌作用

飲食中的AA對于確定體內循環的AA及其代謝物的量至關重要。人體口服后，部分AA通過尿液代謝消除，據報道其半衰期為3.1～3.5 h[118]。谷胱甘肽的結合途徑在幫助人體排泄AA中起重要作用[119]（圖8）。AA可以通過細胞色素p450（cytochrome p450，CYP）2E1進行環氧化后形成具有遺傳毒性的代謝產物縮水甘油酰胺（glycidamide，GA）[120]。許多研究證實AA除了對人類具有遺傳毒性外，也具有細胞毒性和致癌作用[119,121-122]。由于AA不會在細菌細胞中發揮誘變作用[123]，因此得出其致癌活性與人體代謝產生的GA有關。GA的誘變和遺傳毒性作用已在各種體外和體內研究中得到證實，表明該AA代謝產物可誘導DNA加合物的形成，從而導致和誘發癌癥的產生[124]。

圖8 AA的代謝途徑[119-120]Fig.8 Metabolism pathway of acrylamide[119-120]

GA作為AA在人體內發揮毒性的關鍵成分，受到CYP2E1的調控。在體內，CYP2E1的多態性可能導致該酶具有不同的催化速率，從而導致GA在人體內含量的變化。此外，烯丙基和二烯丙基硫醚等化合物可抑制CYP2E1活性從而減少人體內GA的形成[119]。但某些微生物具有使用AA作為其生長的碳和氮源的能力，并且酰胺酶是導致AA降解的主要因素[125]。在酰胺酶催化的AA脫氨反應過程中，會形成丙烯酸和氨。然后，可以通過涉及輔酶A的途徑將丙烯酸還原為丙酸酯或轉化為β-羥基丙酸酯、乳酸或CO2[109]。但某些細菌，例如大腸桿菌、克勞氏芽孢桿菌、糞腸球菌和幽門螺桿菌雖然也能產生酰胺酶，但尚未證實其酰胺酶的底物特異性和與AA反應的潛力。無論哪種方式，微生物群都有可能直接在人體腸道中降解AA。而某些食物成分也可減少AA在腸中的吸收，從而導致未代謝的AA到達結腸被微生物所代謝。例如，人類飲食中高蛋白的攝入可能會減少對AA的攝取[126]?；贏A的負面影響，其中的一些相關性仍需要進一步探討，人們也在積極尋求更好的解決方法。

4 結 語

MR是食品加工過程中不需額外添加化學試劑就可以發生的化學反應，而MRPs在食品中具有很多的理想屬性，為天然抗氧化劑、抑菌劑和增味劑的開發和使用提供了新的思路和方向。但由于MR體系的多樣性、反應過程的復雜性以及對MRPs的具體組成的不確定性，使MRPs作為天然產物的利用還有待進一步的研究。同時，MRPs也存在對健康不利的影響，其參與上述多種疾病的發病機制的分子基礎還尚不清楚。在評估飲食中AGEs和AA與癌癥之間關系的流行病學研究中，也需要通過改進評估方法來解釋兩者的相關性。盡管如此，該領域仍然需要開發有效的技術，以控制MRPs的范圍并賦予所需的最終產品特性，使MR變成一種有益的化學修飾。目前有研究天然抗氧化劑作為AGEs的有效抑制劑，而MRPs也被視為天然抗氧化劑，兩者的關系會如何影響對MRPs的發展，目前在這一領域存在的很多問題還需要去驗證。隨著現在檢測技術的進步，能更進一步地分離、純化及鑒定MRPs，有望在這一領域帶來新的研究成果，而通過平衡MRPs在這種健康意義上的正/負效應對保證食品質量與安全具有重要的現實意義。