美拉德反应产物的生物学活性和潜在健康风险

欧阳宇，赵扩权，冯莹娜，张 梁，吴 茜,*

（1.湖北工业大学 发酵工程教育部重点实验室，湖北省工业微生物重点实验室，细胞调控与分子药物学科创新引智基地（“111基地”），湖北 武汉 430068；2.安徽农业大学 茶树生物与利用国家重点实验室，安徽 合肥 230036）

美拉德反应（Maillard reaction，MR）也称羰氨反应，是广泛存在于食品加工及储存过程中的非酶促褐变反应。MR是羰基化合物（如还原糖）和氨基化合物（如氨基酸、肽和蛋白质等）在常温或加热时发生的一系列氧化、环化、脱水、聚合等反应，能产生多种MR产物（Maillard reaction products，MRPs），并有助于食物外形、风味和颜色的形成[1]。如图1[2]所示，MR可分为初级、中间和高级3 个阶段：初级阶段：糖的醛基和氨基酸的氨基发生羰氨缩合（反应A），生成N-取代的糖胺和水。中间阶段：通过Amadori重排将糖胺转化为酮糖胺（反应B）和其他产物。将Amadori产物脱水并水解形成5-羟甲基糠醛（反应C），然后生成醇醛或无氮聚合物（反应F）。由糖类脱水或Amadori产物（反应C）形成的还原酮，会导致醇醛和无氮聚合物（反应F）或Stecker醛（反应E）的生成。Stecker醛则由氨基酸的碎裂形成，氨基酸通过形成的醛进入褐变反应，在醇醛缩合中形成无氮聚合物（反应F）。同时，Amadori产物和N-取代的糖胺也可以是裂变产物（反应D和H）。此外，Amadori重排后的裂变产物会产生活性二羰基化合物，可以作为丙烯酰胺（acrylamide，AA）、杂环胺（heterocyclic amines，HAs）、晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）和低分子质量化合物的前体（反应E），Amadori产物和还原糖也可分别通过氧化和非氧化途径生成AGEs。高级阶段：环化、脱水、缩合等多种反应最终导致棕色的含氮聚合物以及共聚物类黑精（melanoidins，MeH）的生成（反应G）。

图1 MRPs生成路线图[2]Fig.1 Roadmap of Maillard reaction[2]

MR除了能赋予食品愉悦的风味外，也能够赋予食物丰富的生物学活性，对机体健康有潜在的调节作用。但是当该反应控制不当时，在食品质量安全方面也存在消极影响，使MR偏向于产生有强烈致癌作用的AA、HAs和引发炎症反应的AGEs[3-4]，而这些产物的生成会增加氧化应激和活性羰基应激水平，诱导炎症因子表达水平上调，进而引发疾病，如胰岛素抵抗和血管损伤等。

目前，越来越多的研究报道关注到MRPs的生物学活性和对人体健康存在的潜在风险。本文将综述MRPs所具有的抗氧化、抗菌、抗炎等特性，同时也探讨MRPs产生的AGEs和AA等对人体的健康隐患，以期为MR的深入研究提供参考。

1 饮食中的MRPs

MR是一个极其复杂的连续和平行反应，在体系中产物的生成和降解是同时发生[5]，进而从两方面造成了MRPs的复杂性。一方面是MR本身，MR第一阶段形成产物之间的相互作用将会决定其后续阶段的反应路径；另一方面是MR的反应底物和环境因素，根据食物基质组成的不同，例如还原糖类型、氨基酸类型、促MR化合物（自由基和羰基化合物等）和抑制MR化合物的存在与否；反应的理化参数，如温度、pH值、aw和反应时间等。这些因素综合作用致使MR产生了数百种不同的化合物，食品中常见的MRPs见表1。这类化合物缺乏明显的特征结构，但这些化合物赋予了食物良好的物理属性，如颜色、风味、口感和外形等。更重要的是，这些复杂条件下发生的MR，使食品产生了天然不存在的化合物，它们可能赋予食品新的生物学活性，如抗氧化性、抗菌性和改善肠道菌群等特性，也可能引发潜在安全问题，如致突变性、致癌性、细胞毒性等。

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

2 MRPs的生物学活性

2.1 MRPs的抗氧化性

许多研究报道，MRPs在食品中有优良的抗氧化活性[13]。在复杂的MRPs混合物中存在不同的化学成分，因此存在着不同的抗氧化机制。MRPs的抗氧化特性主要是由低分子质量吡咯、呋喃和高分子质量MeH和还原酮等高活性中间体所提供[14]。这些小分子中间产物通过提供电子来阴断自由基链式反应的进程，清除活性氧（reactive oxygen species，ROS），消除过氧化氢（H2O2）和螯合金属离子，从而使得MRPs拥有良好的抗氧化能力[15-16]，其机理如图2所示。MRPs作为食品加工和储藏过程中产生的一类具有较强抗氧化活性的物质，在一定程度上甚至还可以媲美一些食品体系中常用的抗氧化剂，如2,6-二叔丁基对甲酚等[17]。夏琪娜[18]研究发现，酪蛋白酶解物-葡萄糖MRPs和酪蛋白-葡萄糖MRPs的还原力及Fe2+、Cu2+螯合能力优于质量分数0.01%的丁基羟基茴香醚和VC。赵艳娜[19]的研究也表明核糖-乳清蛋白MRPs的部分抗氧化指标高于丁基羟基茴香醚及VC，可代替部分抗氧化剂具体应用在食品中。

图2 MRPs抗氧化作用的不同机制[15]Fig.2 Various mechanisms for antioxidant effects of MRPs[15]

目前，有关MRPs及其抗氧化活性的研究主要集中在氨基酸-糖模型方面。影响MRPs抗氧化活性的因素包括：糖的种类＞反应时间＞反应温度＞氨基酸种类[20]。不同的糖底物已被证明具有不同的MR特性和效果。例如，戊醛糖比己醛糖具有更多的反应活性，单糖比二糖或寡糖具有更高的反应活性。与基于低聚果糖的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过程中，模型体系的初始pH值也是至关重要的。因为糖的开链和氨基的非质子化形式在MR过程中具有最高反应活性，而碱性条件会增强这两种情况，从而促进羰氨缩合[22]。在抗氧化活性方面，MRPs中的低分子质量化合物和中间体化合物在高pH值条件下继续形成还原酮，这些化合物能够给出电子，从而稳定自由基[23]。基于以上特性，MRPs能够通过清除过氧化物自由基来防止脂质中氢过氧化物的形成，从而防止二次脂质氧化产物的形成，达到脂类抗氧化的作用，甚至能取代食品中的合成抗氧化剂，如2,6-二叔丁基对甲酚[17,24]。MRPs还可以提高乳清蛋白的抗氧化性[25]，提高乳制品的贮藏稳定性。除了氨基酸模型外，许多研究也表明，MR可以有效地提高蛋白水解物的抗氧化活性。由于肽结构和组成的复杂性，目前只有很少关于寡肽形成MRPs的研究。Yang等[26]通过将鱼蛋白水解物与核糖发生MR使鱼蛋白水解物的抗氧化特性得到改善，从而保护HepG2细胞免受氧化应激诱导的叔丁基过氧化物的侵害。Chen Xu等[27]通过MR提高了鱼鳞肽的体外抗氧化活性，显著降低了血清天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶活性。肽的MRPs抗氧化性不仅仅与组成的氨基酸有关，还与氨基酸序列有关，如精氨酸-甘氨酸的MRPs抗氧化性强于甘氨酸-精氨酸组成二肽的MRPs的抗氧化性[28]。另外，肽的分子质量也会影响其抗氧化性能，分子质量较小的肽具有较高的反应活性和交联作用，在MR中更适合与糖结合，从而具有更强的抗氧化能力[29]。研究发现食物提取物中的MRPs也具有抗氧化性。利用从热加工杏中提取的MeH预处理内皮细胞，可明显抑制并最终消除过氧化氢诱导的细胞内氧化应激和线粒体去极化，能够保护人类内皮细胞免受氧化应激的伤害[30]。咖啡提取物中极性MRPs成分可作为大鼠血清中的亲水性抗氧化剂，具有较强自由基清除能力[31]。另外，食物中的MRPs在整个胃肠道中都能较好地清除自由基，进而保护机体对抗氧化应激作用。

同一物质的抗氧化性用不同的表征方法评价会导致结果存在很大的差异，而且由于MRPs中既含有抗氧化物质又含有促氧化物质[32]，这些活性物质发挥作用的程度也不同。例如，MRPs的抗氧化性与二羰基化合物含量呈负相关[33]，反应过程中会产生不同的二羰基化合物，势必会造成抗氧化性的变化趋势更加复杂。因此，需要用不同的方法尽可能全面地去评价抗氧化合物的抗氧化活性以及获得更加单一的目标成分。尽管如此，MRPs所具有的优良抗氧化活性潜力，可在食品系统中用作功能成分之一。

2.2 MRPs的抗菌性

近年来，很多相关研究把MRPs的抗氧化性和抗菌性联系起来[34-35]。一方面，科研人员研究了单纯的糖-氨基酸模型混合物中MRPs的抗菌作用。这些模型混合物中MRPs对不同菌株的细菌（例如大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium））具有不同程度的抗菌活性[35]；另一方面，对于富集MRPs的食物（咖啡或饼干），其提取物也具有类似的抗大肠杆菌活性[36]。Sunds等[37]认为这种抗菌性主要来源于MR后期形成的MeH化合物。MeH的抗菌活性可能与其所带阴离子电荷螯合某些阳离子（如Cu2+、Fe2+和Zn2+）的能力有关，通过结合细菌中的蛋白质部分使其失活，从而影响病原细菌的生长和存活[38]。例如，MeH可通过螯合Mg2+破坏大肠杆菌外膜[39]。此外，研究表明咖啡中MRPs的抗菌活性是由于其中的H2O2能够破坏细菌中的细胞壁、蛋白质、脂类和核酸[36]。而氨基还原酮、烯二醇和二羰基化合物则具有产生ROS的特性[40]。其机理如图3所示。与革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）相比，革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）的生长存活更易受MeH的抑制。此外，MeH由于能抑制变形链球菌（人龋齿的主要病原体）对羟基磷灰石的黏附，从而具有抗龋作用[41]。

图3 MRPs抗菌作用的机制[36-40]Fig.3 Antibacterial mechanism of MRPs[36-40]

2.3 MRPs的抗炎活性

对于哺乳动物，氧化应激是导致炎症的主要原因[42]，炎症可激活单核细胞和巨噬细胞，并促进中性粒细胞浸润[43]。活化的巨噬细胞会产生大量促炎细胞因子，从而触发全身性炎症反应[44-45]。这些细胞因子会导致细胞分泌多种炎症介质，形成复杂的相互作用并导致多个炎症级联反应的发生[46]。大多数参与免疫和炎症反应的分子在转录水平上会受到转录因子的调控。而细胞的氧化还原状态作为炎症反应的重要调节因素，可通过特定基因的上调和转录因子（例如核因子（nuclear factor，NF）-κB[47]）的激活调控。在正常生理条件下产生的ROS和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）可作为重要的细胞信号传导分子，调节特定基因的表达，这些基因涉及到氧化应激稳态和抗氧化防御系统[48]。而过量产生的ROS和RNS会引发细胞氧化还原稳态向氧化应激转变[47]，促进炎症的发展。因此，可以清除ROS和RNS的抗氧化剂也可以提供潜在的间接抗炎活性。研究表明，MRPs可影响体外培养的Caco-2细胞的抗氧化防御系统，从而影响细胞的氧化还原状态[49]。核糖-色氨酸的MRPs中经过分离纯化后得到两种吲哚化合物可以显著降低小鼠巨噬细胞主要炎症因子的表达，可能通过抑制NF-κB通路及丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）通路中的p38、Jun激酶（Jun kinase，JNK）和胞外信号调节激酶（extracellular signalregulated kinase，ERK）通路发挥抗炎作用[50]。Oh等[51]发现截留分子质量为3～10 kDa的MRPs可有效降低经脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的RAW264.7巨噬细胞NO的表达，阴止巨噬细胞跨上皮电阴的下降，减少巨噬细胞的肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α产生和白细胞介素（interleukin，IL）-8、IL-1β mRNA的表达。果糖-酪氨酸的MRPs中也分离出具有抑制环氧化物酶（cyclooxygenase，COX）-2和诱导性一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）表达的化合物[52]，化合物的作用机制可能是抑制NF-κB通路以及信号传导及转录激活因子（signal transducer and activator of transcription，STAT）3的激活[53]。其机理如图4所示。Kitts等[48]以Caco-2细胞为肠上皮细胞模型，在体外研究了糖(葡萄糖、果糖、核糖)-氨基酸(赖氨酸、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细胞分泌的NO，可能是由于MRPs中的二羰基化合物可以与细胞中的精氨酸迅速发生反应[50]，而NO的合成需要NO合成酶利用体内L-精氨酸[54]。MRPs组成极其复杂，除包括抗炎的物质外，也包括促炎的物质。乙二醛、甲基乙二醛和AGEs的重要前体物质Amadori产物可以引起系统性炎症、氧化应激以及胰岛素抵抗[6]。Amadori产物对引起炎症因子的iNOS有显著促进作用，而对维持体内正常NO浓度的内皮细胞一氧化氮酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）没有刺激作用[55]。这一事实表明需要更多的工作来确定哪些MRPs成分会产生这些作用，以及MRPs所引导促炎或抗炎的潜在机制是什么。

图4 MRPs在LPS刺激巨噬细胞中的抗炎作用机制[50-53]Fig.4 Anti-inflammatory mechanism of MRPs in lipopolysaccharidestimulated macrophages[50-53]

2.4 MRPs对肠道菌群的影响

肠道微生物可降解未消化的食物并产生大量代谢物，能够维持机体正常的免疫功能，保护肠道免受肠道病原菌的侵袭。肠道微生物主要通过两种代谢途径降解未消化的食物：糖酵解和蛋白水解。高分子质量的MRPs不能直接在消化系统的前段被吸收，因此大部分会到达结肠被肠道微生物代谢[2]。但是目前对MRPs在肠道中的代谢以及与微生物的相互作用知之甚少。大多数研究集中在MRPs对肠道微生物的影响，已经通过在厌氧发酵罐中培养粪便细菌来进行体外研究。Hellwig等[56]的研究表明人体肠道微生物的体外发酵4 h，能够降解MRPs中的N-ε-果糖基赖氨酸（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显示了微生物利用褐变化合物作为氮和碳源的能力[57]。同时，Jiménez-Zamora等[58]发现咖啡MeH可以被人体肠道菌群代谢，并且这些特定的化合物选择性地促进了双歧杆菌的生长。Zhang Zuoyong等[59]发现大豆肽MRPs能提高肠道微生物群的丰富度和多样性，改善肠道微生物群落结构，有效抑制病原菌，促进有益菌乳杆菌和双歧杆菌的生长。进入结肠的糖化蛋白导致患有溃疡性结肠炎的人体微生物群中梭状芽孢杆菌、硫酸盐还原菌和拟杆菌（Bacteroides）的数量增加，而真菌和双歧杆菌的数量减少[60]。低糖化鱼蛋白饮食可促进产生丁酸的瘤胃球菌属（Ruminococcus）和罗斯氏菌（Roseburia）的生长[61]。蛋白质糖基化导致蛋白质消化率下降，使得更多的蛋白质进入结肠供微生物发酵。益生菌一方面可特异性表达低聚糖等益生元的转运蛋白；另一方面，大多数蛋白质消化产物为益生菌提供必需氨基酸。因此，糖化蛋白可靶向作用于结肠中的益生菌，以增强它们在菌群中的竞争优势。另外，MR中间产物5-羟甲基糠醛也可以调节肠道菌群，促进乳杆菌、肠杆菌和链球菌的生长[62]。与低MRPs饮食相比，在食用富含MRPs后的青少年结肠菌群中也发现了MRPs对乳酸菌生长的抑制作用[63]。然而，体外模型分析结果也表明，用不同糖（半乳糖、乳果糖和低聚半乳糖）糖化的蛋白质可以促进人体肠道菌群中双歧杆菌的增殖[64]。另外，MRPs能够在肠道菌群中进行体内发酵，从而改变短链脂肪酸的形成方式以及肠道菌群组成[65]。许多MeH有利于双歧杆菌和粪便杆菌等有益菌属的生长，肠道中的微生物在发酵MeH时释放了与MeH主链相连的酚类物质，同时也能够促进酚类物质的吸收。MeH也可以被肠道菌群用作碳源和氮源，促进双歧杆菌生长，发挥益生元活性并调节细菌结肠的数量。上述的一些变化可能是负面的，这与MRPs组分的存在有关。从积极的方面来看，微生物代谢后产生了大量的丙酸等化合物，同时也表现出促进双歧杆菌生长的作用。目前MRPs对肠道菌群影响的差异性，可能存在多种影响因素。首先，食物中的MRPs是具有正效应或负效应的混合物，当所有化合物都存在时，某些效应可以被抵消或增强。当化合物按照分子质量分离时，那些具有正/负效应的物质又会分布在不同馏分中。最后，考虑到肠道菌群内部的巨大个体差异性，故现阶段研究发现的结构基础仍不清楚。特别是对结肠中单个MRPs稳定性的研究很少。先前的研究表明，饮食中的MRPs能够在体内调节人和大鼠肠道菌群的组成，并且特定的作用可能与不同褐变化合物的化学结构和饮食量有关。应该进行进一步的研究，以便通过宏基因组分析和饮食消耗的影响来分析更多的肠道菌群。另一方面，MeH可以被后肠菌群用作碳源和氮源，支持双歧杆菌生长、发挥益生元活性并调节细菌结肠数量。

2.5 其他活性

除以上生理活性外，MRPs还被证明具有良好的免疫调节和抗肿瘤作用。Yamabe等[66]从人参皂苷-赖氨酸的混合物中提取了具有抗癌活性的MRPs，而且抗癌作用主要来自于MR产生的低极性化合物。蛋白质水解液和葡萄糖制备的MRPs具有降低Caco-2细胞增殖的潜力[67]。体外细胞实验表明，MRPs通过抑制氧化应激和炎症来抑制人类结肠癌细胞的生长来体现出抗增生能力[68]。麦芽糖和氨基酸进行MR生成的麦芽酚可以显著抑制小鼠体内H22肿瘤的生长，增强其免疫功能[69]。糖与色氨酸和酪氨酸的MRPs具有较好的抗增生能力[70]。Lee等[71]从果糖-色氨酸的MRPs中分离出具有抗增生能力的化合物。此外，研究还发现MRPs中的MeH通过调节血管紧张素转化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）的体外活性从而降低血压，并通过抑制基质金属蛋白酶的体外活性预防结肠癌[72]。Hwang等[70]筛选20 种氨基酸-葡萄糖/果糖进行MR，结果发现所有组别的MRPs均发挥ACE抑制活性，且果糖-氨基酸MRPs的ACE抑制活性更高，而对于同一种还原糖底物来说，酪氨酸和色氨酸的MRPs又表现出较高的ACE抑制活性。近年来许多研究利用MR作为改性方法来提高产物的抗过敏性和抑制酶活能力。Zhang Ming等[73]建立了不同分子质量还原糖与α-乳白蛋白的MR体系，经研究发现MR可以大幅度降低α-乳白蛋白抗原性，且还原糖分子质量越小，其抗原性降低幅度越大。Arita等[74]用溶菌酶多糖形成的MRPs同未经MR的抗原蛋白相比较，表明在体内体系中能有效降低蛋白的过敏性。Hwang等[75]发现果糖酪氨酸的MRPs具有良好的葡萄糖苷酶抑制活性。

MRPs具有多种生物学活性，但因其不稳定性及组成的复杂性限制了它的应用，而且MRPs在体内的代谢过程也不清楚。Moscovici等[76]发现源自乳铁蛋白模型系统的MRPs在体外消化中对蛋白水解具有很高的敏感性。但消化后的MRPs的蛋白质组学分析显示，酶切模式发生了变化，已知生物活性肽的形成没有明显变化；另一方面，在胰蛋白酶和消化酶消化后，观察到由酪蛋白-葡萄糖模型系统制备的MRPs抗氧化活性降低[22]。目前对于MRPs中不同物质的消化吸收和代谢方式是否存在相互作用的研究和结论还较少。

3 MRPs的潜在食品安全性

从膳食的整体健康角度考虑，过度热加工和高脂肪的膳食被认为是饮食风险因素之一。而这些膳食的加工条件为MR提供了丰富的反应底物，进而使反应趋于复杂化。在不同反应条件下，MRPs可作为潜在功能活性成分，但也无法忽视MR中对人体有害的这类化学物质的生成。这些复杂条件下，MR所产生的化合物可能引发潜在安全问题，如致突变、致癌、细胞毒性等。

3.1 晚期糖基化终末产物

AGEs作为一种典型的有害MRPs，在动物实验和临床试验结果中已被证实过多摄入可能会导致糖尿病及其并发症，如视网膜病变、肾病、神经退行性疾病和癌症等其他健康危害[77-78]。研究表明，通过口服给药的方式，只有10%～30%的AGEs被吸收进入体循环。AGEs以游离态或者与蛋白结合形成高分子化合物。游离的CML可通过简单扩散方式吸收[79]，而PYR的肠道吸收主要是以二肽的形式[80]，通过肽转运蛋白1（peptide transporter 1，PEPT1）介导转运被肠道上皮吸收[81]。PEPT1也适用于CML，CEL和丙酮醛修饰精氨酸脱水咪唑啉酮（methylglyoxal derived arginine imidazolinone，MG-H1）连接的二肽的转运吸收[82]。游离态的AGEs的吸收优于结合态，而高分子化合物需要在被吸收之前进行蛋白水解消化，AGEs的低分子质量更有可能被吸收。目前认为AGEs引起病理的主要机制有两个：一方面是使蛋白质交联，引起其结构的不可逆修饰，从而导致相应性质和功能的改变；另一方面，AGEs通过多个受体和非受体介导的机制激活细胞内信号通路，导致ROS的产生及炎症细胞因子的表达[83]。氧化应激在上述慢性疾病中发挥着病理生理作用，其中高水平的AGEs可促进ROS的产生，从而诱发氧化应激[84]。在AGEs诱发氧化应激的同时，氧化应激也会促进AGEs的形成[83]。晚期糖基化终末产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）是免疫球蛋白超家族的多配体受体，在AGEs、氧化应激和炎症途径联系中扮演着重要角色，RAGE可识别多种配体，包括高迁移率族蛋白1（high mobility group box 1，HMGB1）、黏附因子Mac-1、s100钙结合蛋白，同时可修饰低密度脂蛋白、DNA、RNA和淀粉样蛋白。外源性AGEs被吸收后，可能有助于这些配体的聚集。激活RAGE会导致一系列的信号转导，包括NF-κB的激活、氧化应激和炎症。RAGE信号通过磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）、Ki-Ras和MAPKs的激活活化某些促炎症介质，如人单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）和血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）[6]，其中ERK1和ERK2以协调的方式促进和维持NF-κB从细胞质向细胞核的转运。RAGE还可以通过降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，NADPH氧化酶触发ROS激增（图5）。

图5 外源性AGEs的作用下RAGE及其配体和主要信号通路[6,83-84]Fig.5 Effects of exogenous AGEs on RAGE and their ligands and major signaling pathways[6,83-84]

3.1.1 糖尿病及其并发症

糖尿病患者的一个典型特征是体内高水平的循环葡萄糖和氧化应激[85-87]。而AGEs在体内可通过胞内或胞外蛋白的糖化产生，所以在糖尿病病程中高血糖会形成过量的内源性AGEs[84]。在2型糖尿病患者体内可观察到氧化应激标志物和糖化蛋白水平之间呈正相关[88-89]。然而，其中涉及的分子机制和信号转导途径还没有明确的定义。胰岛素抵抗作为糖尿病并发症也与AGEs有关。研究发现糖化蛋白一方面可以诱导TNF-α的表达，从而抑制胰岛素信号传导[90]；另一方面又可以破坏PI3K途径并抑制胰岛素介导的葡萄糖代谢[91]。在高血糖情况下，胰岛素也可以直接糖化，从而降低其降糖能力[92]。此外，AGEs产生的长期氧化应激可能导致蛋白质损伤，最终导致内皮功能障碍[93]。AGEs通过降低内皮细胞eNOS的表达，从而减少NO的合成。而作为血管舒张因子的内源性NO是天然的抗动脉粥样硬化分子。因此，AGEs介导了血管内皮功能障碍和动脉粥样硬化的一些基本机制，例如血管收缩或内皮增生等[94]。在糖尿病性肾病中，也有证据表明，AGEs能够诱导肾系膜细胞凋亡以及VEGF和MCP-1的表达，这有助于增强血管通透性，引发肾组织病变[95]。最后，AGEs还可诱导白细胞黏附于视网膜内皮细胞，并促进ICAM-1的表达和NF-κB的DNA结合，导致糖尿病患者视网膜病变[96]。外源性AGEs作为体内AGEs积累的重要外源性途径，前者在肠道中被消化和吸收，并部分转化为内源性AGEs。通过给非肥胖小鼠喂食富含甲基乙二醛修饰蛋白的饮食，发现炎症、氧化应激和胰岛素抵抗表型增加[97]。在非酒精性脂肪性肝病的大鼠模型中，高AGEs饮食加重了肝脏损伤、炎症和肝纤维化[98]。因此，AGEs的积累与糖尿病及其相关并发症有密切关系。但由于外源性AGEs的生物利用度不确定和肾脏清除速度较快，其在体内的作用仍有争议。

3.1.2 其他疾病

除了上述疾病外，AGEs还被作为其他相关慢性疾病的一个致病因素。越来越多的证据表明，氧化应激在神经退行性疾病的发病机制中起重要作用。在阿尔茨海默病患者大脑中，AGEs能上调淀粉样前体蛋白[99]，增加作为老年斑主要成分的β-淀粉样蛋白水平。而AGEs介导的交联也会加速β-淀粉样蛋白的聚集和沉积[100]。作为阿尔茨海默病两种典型的病理特征之一的Tau蛋白磷酸化形成的神经纤维缠结也被证明与AGEs相关。Tau蛋白的糖基化作用可产生氧化应激[101]，AGEs也通过RAGE介导的GSK-3激活最终聚集并形成神经原纤维缠结，从而促进Tau蛋白的过度磷酸化[102]。除此之外，AGEs被发现可以诱导α-突触核蛋白的聚集，并且与氧化应激共存，从而促进帕金森病的发病[103]。体外研究表明，AGEs能够促进前列腺癌和乳腺癌癌细胞的增殖、侵袭和迁移[104-105]。这些效应可能是由于与受体RAGE相互作用，激活其信号通路。研究表明，与健康组织相比，肿瘤中存在高水平的RAGE[106]。而过往研究已证明RAGE在肿瘤增殖、迁移和侵袭中的作用[107]，虽然其分子机制仍然未知，但这些疾病的发病机理与AGEs的关系可以按图6进行总结[108]。

图6 AGEs参与的几种饮食相关疾病和年龄相关疾病的发病机制[108]Fig.6 AGEs are involved in the pathogenesis of several diet-related diseases and aging-related diseases[108]

内源性AGEs在体内的组织和体液中缓慢而连续的生成，并在衰老过程中会不断在组织中积累[83]。而外源性AGEs也是体内AGEs积累的重要外源性途径。这些疾病与AGEs之间的关系受到研究者的广泛关注，由于AGEs-RAGE相互作用而引起的细胞信号传导是这些病理学中的关键环节，并且已经发现通过抑制RAGE表达或增强其他阴断RAGE-AGEs相互作用来作为减轻羰基应激水平的方法。对于一些疾病的患者（如糖尿病患者），AGEs的防范可能比健康人群更为重要。降低AGEs的形成可以在一定程度上降低糖尿病和其他相关疾病的负面生理影响。

3.2 丙烯酰胺

在MR中，通过游离天冬酰胺与还原糖（特别是果糖和葡萄糖）的反应或其他途径可形成AA[109]。其中食品中AA的含量主要受外界条件以及食品原料中还原糖和天冬酰胺含量的影响[110]。国际癌症研究机构已将AA列为人类2A类致癌物，并证实其会随着生命历程在体内积累并造成损害。研究表明，在低剂量和高剂量的AA中都可以观察到相同的毒性作用，区别在于低剂量仅需更长的暴露时间[111]。自从在日常饮食中发现AA以来，许多流行病学研究已经评估了它与癌症的潜在联系。

3.2.1 丙烯酰胺的生殖、神经毒性

在动物模型中，AA已被证明具有生殖毒性。AA对男性的生殖毒性是生殖细胞中甘氨酰胺-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的雄性大鼠会导致体内氧化-抗氧化系统的失衡，从而引发不育与性激素水平降低现象[113]。对于女性而言，AA通过影响类固醇激素释放，增加细胞凋亡和自噬相关基因的mRNA水平来诱导卵巢功能障碍[114]。除此之外，AA还能够发挥神经毒性作用。目前有3 个机制解释AA的神经毒性[115-117]：抑制基于驱动蛋白的快速轴突运输、改变神经递质水平和直接抑制神经传递（图7）。

图7 AA神经毒性的机制[115-117]Fig.7 Mechanism for the neurotoxicity of acrylamide[115-117]

3.2.2 丙烯酰胺的遗传毒性、细胞毒性和致癌作用

饮食中的AA对于确定体内循环的AA及其代谢物的量至关重要。人体口服后，部分AA通过尿液代谢消除，据报道其半衰期为3.1～3.5 h[118]。谷胱甘肽的结合途径在帮助人体排泄AA中起重要作用[119]（图8）。AA可以通过细胞色素p450（cytochrome p450，CYP）2E1进行环氧化后形成具有遗传毒性的代谢产物缩水甘油酰胺（glycidamide，GA）[120]。许多研究证实AA除了对人类具有遗传毒性外，也具有细胞毒性和致癌作用[119,121-122]。由于AA不会在细菌细胞中发挥诱变作用[123]，因此得出其致癌活性与人体代谢产生的GA有关。GA的诱变和遗传毒性作用已在各种体外和体内研究中得到证实，表明该AA代谢产物可诱导DNA加合物的形成，从而导致和诱发癌症的产生[124]。

图8 AA的代谢途径[119-120]Fig.8 Metabolism pathway of acrylamide[119-120]

GA作为AA在人体内发挥毒性的关键成分，受到CYP2E1的调控。在体内，CYP2E1的多态性可能导致该酶具有不同的催化速率，从而导致GA在人体内含量的变化。此外，烯丙基和二烯丙基硫醚等化合物可抑制CYP2E1活性从而减少人体内GA的形成[119]。但某些微生物具有使用AA作为其生长的碳和氮源的能力，并且酰胺酶是导致AA降解的主要因素[125]。在酰胺酶催化的AA脱氨反应过程中，会形成丙烯酸和氨。然后，可以通过涉及辅酶A的途径将丙烯酸还原为丙酸酯或转化为β-羟基丙酸酯、乳酸或CO2[109]。但某些细菌，例如大肠杆菌、克劳氏芽孢杆菌、粪肠球菌和幽门螺杆菌虽然也能产生酰胺酶，但尚未证实其酰胺酶的底物特异性和与AA反应的潜力。无论哪种方式，微生物群都有可能直接在人体肠道中降解AA。而某些食物成分也可减少AA在肠中的吸收，从而导致未代谢的AA到达结肠被微生物所代谢。例如，人类饮食中高蛋白的摄入可能会减少对AA的摄取[126]。基于AA的负面影响，其中的一些相关性仍需要进一步探讨，人们也在积极寻求更好的解决方法。

4 结 语

MR是食品加工过程中不需额外添加化学试剂就可以发生的化学反应，而MRPs在食品中具有很多的理想属性，为天然抗氧化剂、抑菌剂和增味剂的开发和使用提供了新的思路和方向。但由于MR体系的多样性、反应过程的复杂性以及对MRPs的具体组成的不确定性，使MRPs作为天然产物的利用还有待进一步的研究。同时，MRPs也存在对健康不利的影响，其参与上述多种疾病的发病机制的分子基础还尚不清楚。在评估饮食中AGEs和AA与癌症之间关系的流行病学研究中，也需要通过改进评估方法来解释两者的相关性。尽管如此，该领域仍然需要开发有效的技术，以控制MRPs的范围并赋予所需的最终产品特性，使MR变成一种有益的化学修饰。目前有研究天然抗氧化剂作为AGEs的有效抑制剂，而MRPs也被视为天然抗氧化剂，两者的关系会如何影响对MRPs的发展，目前在这一领域存在的很多问题还需要去验证。随着现在检测技术的进步，能更进一步地分离、纯化及鉴定MRPs，有望在这一领域带来新的研究成果，而通过平衡MRPs在这种健康意义上的正/负效应对保证食品质量与安全具有重要的现实意义。