β-羥基-β-甲基丁酸在食品工業中的應用

譚蒙，張勛力，張迎慶*

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

骨骼肌質量的維持取決于蛋白質周轉的動態平衡，在所有支鏈氨基酸中，亮氨酸具有最顯著的合成特征，可作為啟動蛋白質合成的觸發元素，其代謝中間產物β-羥基-β-甲基丁酸（β-hydroxy-β-methylbutyric acid，HMB）同樣具有顯著的蛋白質調節作用[1]。另外，Baxter等[2]證明補充HMB-Ca安全有效，無明顯毒副作用。目前，國內對于HMB在食品工業中的開發利用已有較為詳細的報道。研究表明：在食品或日常膳食中補充HMB能提高機體肌肉質量與力量，降低肌肉損傷[3]；而用于醫用營養品和特殊膳食中，能改善肌肉消耗及促進傷口愈合[4]。就HMB的作用機制和代謝過程進行了簡要概述，并著重闡述了HMB的制備方法、用途及其在食品工業中的最新應用。

1 HMB的簡介

1.1 作用機制

HMB的蛋白質調控作用機制非常復雜，但目前可將其歸納為以下幾種：①HMB通過PI-3K-AKT信號轉導通路激活mTOR（氨基酸、胰島素、生長因子等的感受器）來促進蛋白質的合成；②HMB通過抑制TNF-α的活性來減輕炎癥反應或阻礙細胞凋亡，從而降低蛋白質的流失率；③HMB通過增加衛星細胞的活性來促進肌肉再生；④HMB通過泛素-蛋白酶體通路促進蛋白質的生成及抑制半胱天冬酶的活性，減少蛋白質的分解。總而言之，HMB發揮作用是通過促進蛋白的合成及抑制蛋白的降解，以此來調節蛋白質的周轉和維護細胞膜的完整性[5]。

1.2 代謝過程

HMB的產生首先是在肝外通過可逆的轉氨作用將亮氨酸轉化成α-酮異己酸（α-KIC），接著被α-KIC轉運至肝內，進入兩種代謝途徑，其中一部分通過胞液中的KIC雙加氧酶合成HMB，再經過催化、酯化，最終生成膽固醇，用于修復肌體組織，維持細胞膜的完整性；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的補充劑量多為3 g/d，盡管HMB能夠通過亮氨酸代謝產生，但要達到3 g/d的劑量則有必要額外補充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，但由于其性質很活潑，工藝合成過程中常將其轉化為鈣鹽進行生產。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、污染小；酯化法成本低、質量穩定。

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）為原料進行鹵化反應，再與含鈣化合物反應生成鈣鹽而得到目標產物。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行反應，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，得到產率為49.6%的HMB鈣鹽。李[9]采用該制備法進行連續、系統的操作，通過減少反應循環時間最終提高了產率，而且擴大了生產規模。該制備方法應用較多，但仍存在缺陷，比如在反應過程中會產生大量的氯仿（溴仿），這種副產物無法再利用，再者若采用分批模式系統，這樣造成的損失就相當大，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雜，但總體制備工藝較為簡單。周應培等[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，不過與之進行酯化反應的是由冰醋酸、硫酸、過氧化氫反應后經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，待反應結束后開始蒸餾收集70 ℃的餾分，然后將蒸餾剩余物加入水并用氫氧化鈉調pH至6.0～7.0，再經加熱溶解、過濾，向濾液中加氯化鈣攪拌反應，接著調pH至6.5～7.0使HMB鈣鹽析出，最后經過濾、烘干得目標產品。酯化法具有污染小、質量穩定、成本低、收率高且易于推廣的優點，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，在前期的動物研究基礎上后來被用于食品工業領域。根據相關規定，中華人民共和國衛生部于2010年批準HMB-Ca為新資源食品，自此便被廣泛用于食品添加劑、膳食補充劑及肌肉增強劑[11]，這使得HMB及其鈣鹽在我國食品工業中得到較好的開發與利用。

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，其營養程度得到了很大的提高。萬正強等[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運動飲料，其配方中加入了50 g HMB-Ca，乳清蛋白與HMB-Ca的聯合使用有效地促進了運動恢復，起到迅速緩解疲勞、提高運動能力的作用。

3.2 膳食補充劑

一個正常人要維持日常生理活動都需補充一定的營養，所以對于一些營養供應不足或缺失嚴重的人來說，日常服用膳食補充劑就顯得異常重要。在膳食補充劑中添加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供給不足的早產兒，配方中加入了60 μg/L～6 000 mg/L組合物的HMB，該營養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兒滿足日常所需的營養，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的營養組合物，其配方中含0.4～4 g的HMB-Ca，三種物質組合在一起不僅提高了產品的穩定性，還促進了鈣的吸收，達到強身健體的目的。

3.3 肌肉增強劑

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

4 HMB的最新應用

4.1 在食品方面的應用

食品加工中常會適當地添加一些營養強化劑，HMB應用于食品領域就是起到提高食品營養價值的作用。考慮到HMB的代謝情況、作用機制及市場需求，國內外多家營養制劑公司著力于研發補充HMB的一系列全營養配方食品，用于預防和治療老年人肌少癥以及健身、運動員等群體的肌肉增強和修復。就老年人而言，肌少癥使其生活質量下降，嚴重時會出現生活無法自理的情況；就健身人員或運動員而言，這一類人群日常蛋白質消耗量極大，且對維持肌肉質量和力量的要求較高，加上平時劇烈和超負荷的運動經常會造成肌肉組織損傷及肌肉力量的流失，因此對補充HMB有較大的需求。補充HMB對實驗對象的身體組成及運動表現的相關研究如表1所示。

4.2 在醫藥方面的應用

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

表1 補充HMB對實驗對象的身體組成及運動表現的相關研究

表2 補充HMB對臨床患者的影響的相關研究

5 結語

縱觀HMB在食品工業領域的開發利用，發現關于補充HMB在醫藥方面的應用研究并不多，多數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，但其深入機理研究及廣泛的臨床應用尚有待加強。此外，HMB作為膳食補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不同的結果，導致實驗與預期結果并不完全一致，甚至有研究證明補充HMB時無效[32]。因此，希望今后更多的研究集中于HMB在醫藥方面的應用上，充分提高食品的營養價值以更好地改善人們的生活品質。