蛋白质氧化影响机体营养状况的研究进展

李 芳，吴晓娟，吴 伟

（中南林业科技大学食品科学与工程学院 稻谷及副产物深加工国家工程实验室 长沙410004）

蛋白质是提供机体能量、维持机体生理活动必不可少的营养元素之一。作为食品的重要组成成分，蛋白质不仅能提高食品的营养价值，而且对人类的健康也起着重要作用。在食品的加工和贮藏过程中，许多因素都导致蛋白质发生氧化[1]。由于不同种类蛋白质所面临的氧化应激环境不同，因此蛋白质发生氧化-还原反应的诱导因素、作用基团和氧化程度并不完全相同[2-4]。近年来，关于多种不同来源的食品蛋白质的氧化研究表明，氧化会改变蛋白质的结构特征，进而影响蛋白质的消化性质，降低其营养品质[5-7]。氧化的食品蛋白质经胃肠道的消化后被机体吸收，可破坏机体的氧化-还原平衡，造成氧化应激和炎症反应，甚至可能会加速衰老，影响机体健康[1]。由此可见，探讨食品蛋白质氧化影响机体营养状况的机理，对于保持机体健康具有十分重要的意义。本文分析食品加工和贮藏过程中不同种类食品蛋白质可能存在的真实氧化应激环境，阐述蛋白质氧化对蛋白质结构和消化性质的影响，归纳蛋白质氧化对机体营养状况的影响，并重点探讨目前发现的蛋白质氧化引起机体氧化应激的两种机制，旨在为进一步认识食品蛋白质氧化影响机体营养与健康的机理提供理论参考。

1 食品加工和贮藏过程中不同种类蛋白质氧化应激环境

1.1 禽畜蛋白氧化应激环境

猪、牛、鸡、鸭等禽畜肉内源促氧化因子以及不同的加工和贮藏条件都会导致禽畜蛋白质的氧化。在屠宰后的畜禽肉制品中，还原酶的不断损耗会导致高铁肌红蛋白积累，并与内源过氧化氢反应形成过铁肌红蛋白自由基，自由基的转移可诱导其它蛋白质发生氧化。非血红素铁离子及其它过渡族金属离子在内源过氧化氢存在时，可通过Fenton 反应形成羟基自由基，进而诱导脂质和蛋白质的氧化[8]。畜禽肉制品不同的加工和贮藏方式，如加热[9-10]、风干[11]、腌制[12]、辐照处理[13]，甚至不同的包装方式[14]等都会通过诱导脂质氧化和抗氧化酶失活等方式加速蛋白质的氧化，降低其营养品质和生理功能。

1.2 水产品蛋白氧化应激环境

水产品在冻藏期间由于冷库温度波动以及不同的杀菌工艺均可导致水产品蛋白氧化。冷库温度波动使得水产品中部分结合水形成的冰晶不断消融和生长，造成蛋白质内部共价键和氢键的断裂，并通过形成新的二硫键和疏水相互作用促使蛋白质聚集[15-16]。冻藏期间未冻结的结合水仍会参与生化反应，其中脂质氧化反应产生的活性脂质氧化产物可诱导蛋白质氧化[15]。水产品加工过程中常常采用的杀菌方法，例如紫外线[17]、微波[18]和臭氧水[19]等也会产生自由基，导致水产品蛋白质氧化。

1.3 乳蛋白氧化应激环境

乳内源过氧化物酶系可催化形成过氧化氢，并进一步形成羟基自由基，导致蛋白质发生氧化[20-21]。此外，乳中的金属离子能与氧反应生成氧自由基，在加快脂肪氧化的同时诱导蛋白质氧化[22-23]。热处理是乳制品加工过程中最关键的操作单元，热处理首先使乳清蛋白去折叠，随后在疏水相互作用和氧化形成二硫键的作用下聚集[24]；同时，热变性的乳清蛋白也能与酪蛋白胶束表面结合发生巯基-二硫键交换反应，形成聚合物[25]，降低乳的品质。

1.4 植物蛋白氧化应激环境

植物蛋白在加工和贮藏过程中往往伴随着脂质氧化反应的发生，形成的活性脂质氧化产物可导致植物蛋白氧化。在大豆加工破碎过程中，多不饱和脂肪酸在脂肪氧合酶的催化作用下发生脂质氧化反应，产生大量的自由基和活性氧化产物，造成大豆蛋白氧化[26]。稻谷在贮藏过程中脂肪酶催化脂质水解形成游离脂肪酸，后者在稻谷脂肪氧合酶的作用下发生脂质氧化反应，形成的活性脂质氧化产物氧化修饰米蛋白，改变米蛋白和米淀粉之间的相互作用，导致稻谷陈化，降低稻米的蒸煮食用品质[27]。米糠中含有活性很强的脂肪酶，在米糠稳定化之前的贮运过程中米糠极易酸败，米糠氧化酸败产物可导致米糠蛋白氧化，影响米糠蛋白结构特征和功能性质[28-30]。

2 蛋白质氧化

2.1 氧化对蛋白质结构的影响

在食品加工和贮藏期间食品蛋白质常常处于氧化应激环境中，氧化应激环境形成的ROS 具有极强的反应活性[31]，可通过直接介导和间接介导两种方式导致蛋白质主肽链断裂、氨基酸侧链基团修饰，促使蛋白质发生氧化[32]。蛋白质氧化常常伴随着蛋白质结构的变化，包括羰基衍生物的生成、巯基的损耗、芳香族氨基酸的修饰以及蛋白质共价交联物的形成等[32]。蛋白质氧化形成共价交联的方式主要包括：（1）蛋白质氧化产物之间的相互作用及进一步的聚合作用，导致蛋白质在分子内部或不同分子间形成共价交联[33]；（2）蛋白质中半胱氨酸侧链的巯基发生氧化形成二硫键，形成二硫键共价交联；（3）自由基攻击蛋白质酪氨酸残基，生成酪酰胺自由基，聚合后形成碳-碳键交联的双酪氨酸[34]；（4）氨基酸侧链氧化形成的羰基衍生物与易氧化的氨基酸之间发生相互作用，导致蛋白质共价交联物的产生[35]。在大豆[36]、米糠[37]、猪肉[38]等食品的加工和贮藏过程中，蛋白质都会发生氧化而形成蛋白质共价交联，改变蛋白质的消化性质，继而影响蛋白质的营养和生理功能。

2.2 蛋白质氧化对消化性质的影响

食品蛋白质进入机体后，经过胃肠道蛋白酶的酶解，形成小分子肽和游离氨基酸，进而被小肠绒毛吸收进入血液，发挥抗氧化作用，调节机体的氧化还原平衡。食品蛋白质的消化性质受自身结构的影响，而氧化过程中蛋白质的结构会不可避免地发生变化，造成蛋白质消化性质的改变，因此氧化必然会影响蛋白质的营养品质[39]。不同来源、不同氧化体系以及不同氧化程度的食品蛋白质，其消化性质也不相同，因此氧化对蛋白质消化性质的影响一直备受争议[40]。氧化对食品蛋白质消化性质的影响主要包括改变蛋白质的消化率和消化产物的抗氧化能力。蛋白质的消化率受到蛋白酶识别与结合位点的制约，而蛋白质消化产物的抗氧化能力与其氨基酸组成和排列顺序以及肽分子质量密切相关，肽分子质量越小，消化产物具有的抗氧化能力越强[41]。普遍认为蛋白质因不同程度的氧化使蛋白质分子的空间结构发生不同的变化，进而影响蛋白质的消化性质。轻度氧化使蛋白质的空间结构发生去折叠，继而增加蛋白质的柔性，暴露出更多的蛋白酶识别与结合位点，使蛋白质的消化率增加，产生更多具有抗氧化活性的小分子肽和游离氨基酸，从而提高蛋白质消化产物的抗氧化能力。而蛋白质的过度氧化会导致蛋白质分子产生共价交联和聚集，隐藏蛋白质与酶的识别与结合位点，降低蛋白质的消化率[38，42]，使肽的分子质量增大、高抗氧化活性分子的数量减少，导致蛋白质消化产物的抗氧化能力降低[41]。不同来源的食品蛋白质在不同氧化应激环境中消化性质的变化见表1。由此可见，不同蛋白质分子的柔性差异以及不同氧化的体系，使氧化对蛋白质分子结构的影响不同，导致蛋白质分子酶解位点的数量和性质有所差异，因而使蛋白质具有不同的消化性质。但同时，体外模拟的消化环境与体内真实的消化环境存在差异，因此，仅仅采用消化率和消化产物的抗氧化能力评价氧化蛋白质的消化性质并不全面，食品蛋白质经过胃肠道消化并不是蛋白质发挥生理功能的终点，还需要从氧化蛋白质消化产物影响机体营养和健康状况的角度对氧化食品蛋白质的营养品质进行更全面的评价。

表1 食品蛋白质氧化对蛋白质消化性质的影响Table 1 Effects of food protein oxidation on the digestive properties of protein

3 蛋白质氧化与氧化损伤

3.1 蛋白质氧化与氧化应激

氧化应激是氧化与抗氧化系统之间的一种不平衡状态。正常情况下，机体细胞内产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）可以作为信号传递的信使分子，被超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等组成的抗氧化系统清除以维持机体正常的氧化还原稳态，而未被清除的ROS会继续攻击核酸、蛋白质和脂质等生物大分子，导致组织细胞出现氧化损伤[50]。蛋白质氧化引起的食品蛋白结构改变一方面会减少蛋白质与酶的识别与结合位点，使得细胞产生的酶难以将蛋白质水解，导致氧化蛋白质在体内的积累[48]，进一步诱导机体分泌更多的蛋白酶，促使体内ROS 的水平急剧升高[51]；另一方面氧化降低了蛋白质的消化率，减少具有抗氧化能力的小分子肽和游离氨基酸的生成，降低机体的ROS 清除能力，造成ROS在体内的积累，继而导致机体的氧化还原失衡[52-53]。因此，食品蛋白质氧化会使机体的ROS 水平升高，导致脏器和血液中蛋白质氧化产物的积累和氧化还原状态的失衡，引起组织的氧化应激，进而造成机体的氧化损伤。食品蛋白质氧化对机体营养状况的影响见图1。通常，机体在氧化应激的状态下，通过激活细胞信号通路调控下游保护性蛋白或炎症因子的产生，缓解或加重机体的氧化损伤。

图1 食品蛋白质氧化对机体营养状况的影响Fig.1 Effect of dietary protein oxidation on nutritional status of the body

3.2 食品蛋白质氧化导致机体氧化应激的机制

3.2.1 Keap1-Nrf2/ARE 信号通路 机体摄入氧化食品蛋白质后，蛋白质氧化产物被吸收进入血液，导致血液中蛋白质氧化产物积累[53]；摄入的氧化蛋白质会影响机体的氧化还原平衡，导致机体的氧化应激，诱导更多ROS 的产生[54]，进而促使细胞内源性抗氧化信号通路Keap1-Nrf2/ARE 的开启，调控下游抗氧化酶的生成，以维持机体的氧化还原平衡，从而缓解氧化应激对机体造成的损伤[55]。食品蛋白质氧化调控Keap1-Nrf2/ARE 信号通路开启的机制见图2。为了探究食品蛋白质氧化对机体营养和健康状况的影响，Li 等[56]利用过氧化氢/金属离子体系催化分解产生的羟基自由基氧化酪蛋白，模拟食品加工和贮藏期间酪蛋白的氧化，接着使用氧化的酪蛋白饲喂小鼠，结果发现氧化酪蛋白的摄入激活了小鼠机体细胞内Keap1-Nrf2/ARE 信号通路，显著上调了机体血液和脏器中Keap1、Nrf2 等信号因子的基因表达水平，以及下游抗氧化酶的基因表达水平，但机体内抗氧化酶的活性仍然降低，肝脏和肾脏发生氧化损伤。随后采用酪氨酸氧化产物饲喂大鼠[57]，以探究食品蛋白质氧化对代谢器官的损伤作用及机制，当饲喂周期达到24 周时，虽然通过激活细胞内Keap1-Nrf2/ARE 信号通路调控下游抗氧化酶的大量产生，但机体抗氧化酶的活性仍然降低，大鼠肝脏和肾脏出现氧化损伤。同时，细胞内MAPK/TGF-β/Smads 信号通路也被激活，导致大鼠的肝肾组织出现纤维化病变。由此可见，食品蛋白质氧化会导致机体发生氧化应激，开启体内的抗氧化信号通路，调控下游抗氧化酶的大量产生，缓解机体的氧化应激状态；当机体产生过量的ROS 时，抗氧化酶的消耗量大于产生量，机体的抗氧化能力降低，抗氧化系统被破坏，最终出现氧化损伤。除此之外，也有研究表明，食品蛋白质氧化会导致小鼠细胞内PI3K 基因表达的下调和GSK-3β 基因表达的上调，抑制Nrf2 进入细胞核，阻止下游抗氧化酶的产生，导致机体抗氧化能力下降，最终机体仍然出现氧化损伤[58]。

3.2.2 NF-κB 信号通路 有研究表明，持续的氧化应激可引起单核细胞、中性粒细胞的呼吸爆发，产生大量的ROS，并促进细胞因子、炎性介质的合成与释放，引起机体的炎症反应，进一步加重机体的氧化应激[59-60]。NF-κB 通路是典型的炎症信号通路，可以促进炎症因子的释放。食品蛋白质氧化会激活机体内NF-κB 信号通路，调控下游炎症因子的转录，加重机体的氧化应激。食品蛋白质氧化调控NF-κB 信号通路开启的机制见图3。为进一步探究食品蛋白质氧化对机体的影响，Ding 等[61]使用酪氨酸氧化产物饲喂大鼠，结果发现在大鼠血液中，TNF-α、IL-6 等炎症因子的水平显著升高，Keap1-Nrf2/ARE 通路基因（Nrf2、GPx-1、HO-1）和胰岛素合成相关基因（Pdx-1、MafA）的表达水平显著下降，说明酪氨酸氧化产物导致大鼠胰腺的抗氧化能力降低，胰腺发生氧化损伤和炎症反应，影响胰腺合成和分泌胰岛素的功能。林诗曼[58]采用不同温度和压力的加工条件氧化猪肉肌原纤维蛋白，并用氧化的肌原纤维蛋白喂食小鼠，在小鼠体内观察到血液和脏器中Nrf2 基因以及下游抗氧化酶基因NQO1、HO-1 表达的下调，NF-κB基因和炎症因子基因表达的显著上调，以及炎症抑制因子IL-10 基因表达的下调，表明氧化猪肉肌原纤维蛋白导致机体氧化还原状态失衡并出现炎症反应。Nrf2 与NF-κB 通路之间的拮抗作用是导致NF-κB 基因的显著上调，Nrf2 基因表达下调的原因[62]，这也说明机体发生炎症反应会抑制Keap1-Nrf2/ARE 信号通路的激活，进一步加重机体的氧化损伤。

图2 食品蛋白质氧化激活Keap1-Nrf2/ARE 细胞信号通路的机制Fig.2 Mechanism of dietary protein oxidation activating Keap1-Nrf2/ARE cell signaling pathway

图3 食品蛋白质氧化激活NF-κB 细胞信号通路的机制Fig.3 Mechanism of dietary protein oxidation activating NF-κB cellular signaling pathway

4 结论与展望

在食品的加工和贮藏过程中，许多因素都会诱导蛋白质氧化，导致蛋白质的结构特征发生改变，形成蛋白质氧化聚集体，影响蛋白质的消化性质和营养品质。食品蛋白质氧化还会引起机体的氧化应激和炎症反应，对机体的消化器官、肝脏、肾脏甚至大脑等部位造成氧化损伤。但是，目前关于食品蛋白质氧化对机体营养状况影响的研究主要集中在模拟蛋白质氧化应激环境以及单一信号通路下的作用机制，缺乏食品加工和贮藏过程中蛋白质真实氧化应激环境的表征和机体信号通路之间相互作用机制的研究。因此，后续可以从以下几个方面进行更深入的研究：首先，建立更为真实合理的食品蛋白质氧化应激环境以及试验对象的进食方式，以期通过更符合实际条件的试验手段，研究食品蛋白质的氧化程度和氧化食品蛋白质的摄入量对机体营养及健康产生的影响；其次，全面分析食品蛋白质氧化影响机体细胞内信号通路、基因表达的作用机制，进一步了解食品蛋白质氧化如何对机体产生损伤；最后，根据上述研究合理开发蛋白质资源，优化食品加工技术，完善食品配方，改善人体的营养和健康状况。