食品水解酶的助消化吸收與輔助治療作用研究進展

杜月紅,張志廣,王穩航,*,李 玉

(1.天津科技大學食品科學與工程學院,天津 300457; 2.真臻(宿遷)生物科技有限公司,江蘇宿遷 223800; 3.天津科技大學生物工程學院,天津 300457)

圖1 人體胃腸道結構[12-15]Fig.1 Structure of human digestive tract[12-15]

隨著社會經濟的發展、人民生活水平提升以及醫療水平的顯著提高,中國的人均壽命不斷延長,人口老齡化成為不可避免的社會問題。預計到2030年,我國65歲及以上的老年人口占比將上升至16.9%,到2050年將達到26.1%,與當前日本老年人口占比相當[1]。龐大的老年群體使養老、醫療和社會服務等方面的壓力越來越大。老年人牙齒脫落,口腔各部分肌肉收縮能力的顯著減弱導致咀嚼和吞咽能力嚴重退化[2-3],唾液的分泌也會減少,以致吞咽困難[4],由于生理功能的衰退,如脾胃虛弱,胃腸功能減退,各種消化液尤其是消化酶的分泌量減少等,嚴重影響了食物的消化吸收[5],成為消化道疾病的高發人群。同時,由于社會生活節奏加快,工作壓力加大,以及存在的飲食健康性問題,很多中青年群體存在富營養化、微營養素缺乏等膳食結構不合理和營養素攝入不平衡引發的胃腸道功能紊亂現象,繼而引起慢性胃腸炎、胃潰瘍甚至癌變[6]。統計顯示,功能性消化不良在全球和國內的發病率分別為19%～41%和18%～45%,且容易反復發作,在很大程度上影響了患者的生活質量[7]。

作為酶制劑中重要一類,水解酶類由于其對食物大分子如蛋白質、多糖和脂肪等,以及一些小分子復合物具有很強的水解作用,目前在食品工業中得到了廣泛應用,為食品加工和產品開發起到了重要的助推作用。同時,通過補充外源水解酶可以有效軟化食物結構、提高大分子物質水解率以提供必需營養物質、促進活性物質的游離度和利用率、抑菌消炎以及維持食糜的流變學特性等,從而可達到補償機體消化功能的下降或缺失,有效改善多種胃腸功能障礙,有利于維護人體營養健康。此外，其對臨床治療有明顯的輔助作用,如利用復方消化酶可有效改善患者的胃腸動力,改善患者的臨床癥狀,輔助治療老年人功能性消化不良,提高治療效果,提高患者的生活質量[8]。

由此,食品水解酶在輔助人體消化吸收和治療相關消化性疾病方面具有巨大潛力。其作為消化助劑和膳食補充劑使用在西方幾十年前就已經相當普遍,但是在國內,這類產品的開發仍處于萌芽期,本文介紹了食品水解酶助消化以及輔助治療作用的研究進展,旨在推動食品水解酶在功能食品領域尤其是提升消化功能類食品中的應用。

1 食物的消化與吸收及相關酶類

食物包括食糜是一種多組成多層次的復雜的結構體,主要由碳水化合物、蛋白質和脂肪組成。每一種營養素都有不同的消化吸收機制和對應的水解酶,其各自分布于消化道的不同部位。人體消化道非常精密和復雜,其結構及重要部位理化條件如圖1所示。一般情況下,人類攝入食物,經過正常的消化吸收,維持體內各種代謝反應,排出代謝產物。然而,很多人由于胃腸功能障礙,會產生腹瀉等癥狀,不僅造成主要營養物質如必需氨基酸、脂肪酸和脂溶性維生素的缺乏,還可能導致免疫功能低下、骨質疏松等各種營養不良相關并發癥。這些癥狀一般無法被完全消除,通過給藥治療可以達到一定效果,但不能完全治愈,所以,使用酶對食品進行預處理,或者通過食品來直接補充水解酶,從而輔助腸道內的消化吸收作用,成為一種潛在的有效途徑。根據GB 2760-2014 食品添加劑使用標準[16],目前共有54支酶制劑可用于食品工業,大部分為水解酶類,其中與營養和消化吸收相關的酶類主要包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和乳糖酶等,其中很多酶都已經得到商業化的應用(表1),對人體的消化吸收表現出了積極的促進作用。

表1 各種食物成分的消化過程和對應的水解酶[18-22]Table 1 Process of digestion of various food components and their corresponding hydrolases[18-22]

然而,在消化酶產品開發中,由于酶分子高級結構對環境十分敏感,各種物理化學和生物等因素均可能引起酶分子活性的喪失,尤其是溫度的變化,所以需要利用化學交聯和微膠囊等技術將游離酶固定化,由此制成的酶基功能性食品應具有以下特性[17]:水解酶和固定化材料來源明確,無毒無害;能適應胃酸環境,順利通過胃后進入小腸并保持活性;具有良好的緩釋特性,能在小腸中正常發揮作用;在加工和儲存中能保持活性;具有良好的感官特性。

2 食品水解酶的助消化吸收作用

為了滿足細胞對營養素的大量需求,營養物質生物利用度的高低越來越受到人們的重視,酶解作用可以將大分子降解成小分子(如低分子量糖和肽鏈),具有條件溫和、可控、底物選擇性高等許多傳統技術無法比擬的優點[23],滿足了經濟、高效、環保的要求,補充消化酶能克服抗營養因子的不利影響和改善飲食成分消化,已成為一種常用的提高營養物質生物利用度方法。越來越多的研究和應用表明,外源水解酶的補充對食物營養成分的消化吸收方面具有很高的應用價值。

2.1 軟化食物

營養物質在植物性食品中經常被不同的結構包裹,如細胞壁將底物與消化酶分隔開來,或者作為細胞內容物的一部分,干擾營養物質的消化吸收,通過加工處理(例如加熱、機械處理和酶解)可以改變這些天然屏障[24]。Ravindran等[25]發現生物酶會破壞植物細胞壁的完整性,從而軟化植物性食品。目前,細胞壁降解酶(果膠酶、纖維素酶、聚半乳糖醛酸酶等)已經在軟化植物組織方面表現出了較好的作用。近年來,通過酶浸漬來控制酶的反應時間和酶的濃度,開發出了適用于各種食品的有效軟化技術,例如凍融浸漬方法(freeze-thaw infusion,FI)能增大植物細胞的孔隙率[26]。此外,經FI處理軟化的食品已被證明可以保留其營養和風味,因為它們是通過酶的反應而不是加熱軟化的。蓮藕和胡蘿卜有許多有益的營養成分,是東亞很受歡迎的塊根作物,但是一般在烹飪后質地依然很堅硬,使得有咀嚼和吞咽障礙的人難以食用,用凍融酶浸液處理后再進行烹飪有助于軟化植物組織,改善感官性質[27]。

酶制劑對于肉類食物也有軟化作用,在食品加工中,蛋白酶廣泛用于肉類嫩化,可以改變蛋白質各級結構,促進蛋白質分解成小分子肽和氨基酸[28],改善肉及肉制品的口感,使其更適合老年人等特殊人群食用。目前用來增加肉嫩度的酶都是嗜熱或嗜溫蛋白酶,如用姜根莖蛋白酶處理過的雞胸肉剪切力值降低,肌原纖維破碎,嫩度有所改善[29]。Zhao等[30]研究了嗜冷膠原蛋白酶MCP-01對低溫保藏的牛肉的嫩化作用,經MCP-01(10 U的酪蛋白水解活性)處理的牛肉的剪切力降低了23%,在4 ℃下,MCP-01對膠原有很強的選擇性降解作用,對肌原纖維蛋白有明顯的消化模式,表現出了作為低、中溫肉嫩化劑的可能性。

2.2 水解大分子結構

通過酶解作用將大分子分解成更易于消化吸收的小分子也是一種常用的食品加工手段。利用蛋白酶水解肉及肉制品的結締組織和膠原蛋白是促進其消化吸收的有效方法,不同的蛋白酶對各種肌肉組織的水解程度不同,Ha等[31]用木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、獼猴桃蛋白酶和生姜蛋白酶處理牛肉,發現獼猴桃蛋白酶制劑對牛肉肌原纖維蛋白的水解最有效,而生姜蛋白酶制劑對結締組織蛋白的水解最有效。淀粉酶等碳水化合物酶能提高糖類消化率,還有助于降低食物黏度從而提高蛋白質和脂質等的營養利用率,Amerah等[32]用飼料酶分解非淀粉多糖,降低了腸道黏度,通過改善腸道性能獲得更好的養分消化率。腸道內脂肪酶活性不足會造成脂肪熱、脂溶性維生素缺乏、食物在腸道內轉運時間不足和消化吸收不良等癥狀,所以添加脂肪酶能促進腸道對油脂的消化吸收,減少上述癥狀[33]。

2.3 釋放或產生活性物質

生物活性物質是植物合成的代謝物,存在于各種各樣的食物中(如水果、蔬菜和谷物),作為人類飲食的一部分,對胃腸道有改善作用,并降低罹患癌癥、冠心病等慢性疾病的風險。然而植物中的生物活性物質含量很低,溶劑提取法存在提取率低,時間長,產品質量低等缺點,酶有降解或破壞細胞壁和細胞膜的能力,因此能夠更好地釋放和更有效地提取生物活性物質[34]。近年來對酶法萃取的研究表明,與非酶法相比,酶法萃取速度快、回收率高、溶劑用量少、能耗低。研究表明,用纖維素酶和果膠酶(分別為70和122.5 U/g)處理番茄廢料,得到的總類胡蘿卜素和番茄紅素的產量分別是非酶處理樣品的6倍和10倍[35]。

酶解作用可以提高新型營養食品的產量,即高營養、低卡路里的食品,如用于生產蛋白質水解產物,制作高蛋白、易吸收的新型產品,解決幼兒、老齡人以及特殊人群對蛋白質需求量高的問題,用于生產更易消化的嬰兒配方奶粉[36]。此外,使用乳糖酶分解工藝制備的低聚半乳糖熱量較低且溶解性好,易吸收,可用于生產低熱量的冰淇淋[37]。

2.4 去除抗營養物質

食品過敏患病率的增加和過敏程度的加重已經引起消費者和食品行業的日益關注,酶處理有時可以減輕食品的過安全風險和過敏程度,例如分解有害細菌或不良化合物,如生物胺、凝集素、丙烯酰胺和谷蛋白等[38]。谷物產品中谷蛋白可以通過胰蛋白酶和胃蛋白酶的酶解作用來降解,這種方法會減輕麩質不耐受人群的消化不良癥狀。牛奶乳清含有許多蛋白質成分,其中一些是人類的抗原,會導致某些人發生過敏反應,酶解是一種有效的改變蛋白質致敏性的方法,紅曲霉酸性蛋白酶和胰蛋白酶聯合使用可以快速有效地水解兩種主要的牛奶過敏原,酪蛋白和α-乳球蛋白[39],這表明,蛋白酶可用于制備低過敏性的牛乳乳清蛋白水解物。植酸酶能將影響機體對礦物質吸收效果的植酸徹底分解為肌醇和無機磷,而人類小腸內植酸酶的活性很低,難以水解谷物類食品中的植酸鹽,所以補充植酸酶對消化吸收過程有促進作用[40]。范秋麗等[41]研究了在低鈣、磷水平的飼糧中添加高劑量植酸酶對1～2日齡的黃羽肉雞生長性能和鈣磷代謝等的影響,證實了植酸酶在胃腸道中可以促進消化吸收的作用。將酶處理與其他高新技術聯合作用能更好地降低某些食品的過敏性,例如高壓和超聲波下對腰果和開心果進行酶解處理,制成的糊狀物的免疫球蛋白(IgE)結合性能顯著降低[42]。

3 外源酶在各類病癥中的作用

酶控制著人類系統的所有代謝過程,在某些疾病中,酶可以用于維持生物功能。酶輔助療法在治療胃腸道疾病方面表現出很好的效果,在各種消化系統疾病的治療中起著不可或缺的作用,特別是在外分泌性胰腺功能不全和乳糖不耐受等方面。

3.1 胰功能障礙

外分泌胰腺功能不全包括慢性胰腺炎、囊性纖維化和胰腺癌等。慢性胰腺炎是一種胰功能障礙疾病,會導致胰腺外分泌功能不全,降低胰腺產生適當消化營養素(特別是脂肪)所必需的酶的能力,導致脂肪、蛋白質和淀粉消化不良,產生腹部不適、體重減輕和營養不良癥狀[43]。胰腺酶替代療法(Pancreatic enzyme replacement therapy,PERT)被廣泛應用于慢性胰腺炎患者的治療,改善了這些患者的脂肪和蛋白質吸收以及血清營養參數[44]。

囊性纖維化是基因缺陷引起的,會導致胰功能失調,外分泌腺功能障礙,分泌物黏稠,肝臟、膽管堵塞[45],阻止酶進入胃腸道以消化食物,不能簡單地通過補充這種蛋白質來治愈。自20世紀30年代以來,臨床上一直用胰腺酶替代療法治療囊性纖維化[46],輔助消化食物,使脂肪和蛋白質能被適當吸收,改善患者營養狀況。

3.2 肝功能不全

目前,酶替代療法在改善戈謝病患者的健康狀況上得到了有效應用。戈謝病是由于β-葡糖腦苷脂酶的活性降低引起的常染色體隱性遺傳疾病,患者體內脂肪物質會發生積聚,出現肝脾腫大,全血細胞減少,骨骼病變等癥狀[47]。一項調查研究發現,經酶替代療法治療后的患者血紅蛋白水平、血小板計數和酸性磷酸酶值均有明顯改善,肝脾體積明顯縮小,骨結構改善,在相對高劑量時,可逆轉幾乎所有3型戈謝病患者的全身癥狀,且大多數接受治療的病人不會出現神經方面的惡化[48]。

3.3 乳糖不耐癥

外源酶的另一個應用是治療乳糖不耐癥。研究表明,世界各國人口都存在不同程度的乳糖酶缺乏,進而引起乳糖不耐受。乳糖不耐癥的典型癥狀是腹瀉和腹脹,此外,患者對鈣等礦物質的吸收降低,易導致小兒佝僂病和成年人骨質疏松等[49]。乳糖不耐癥限制了人們對乳制品的食用,阻礙了我國乳品工業的發展,也不利于國民健康水平提高。利用乳糖酶生產低乳糖或者無乳糖牛乳,或直接服用乳糖酶制劑輔助乳糖的消化吸收是目前解決乳糖不耐癥的主要方法。Michael等[50]用不同的乳糖酶制劑和凍干酸奶培養物聯合治療乳糖不耐癥,發現乳糖不耐癥狀(尤其是腸胃氣脹和腹痛)得到了有效的緩解。

3.4 過敏癥

蛋白水解酶如木瓜蛋白酶可用于治療某些谷蛋白不耐受的疾病。乳糜瀉是一種消化吸收障礙,與含有谷蛋白的食物(如小麥和大麥)過敏反應有關,患者必須嚴格控制麩質攝入[51],然而許多患者仍然會有小腸炎癥出現,小腸黏膜也遭到損傷。谷蛋白酶是一種內肽酶,其作用是破壞飲食中的脯氨酸和谷氨酰胺殘基,從而降低谷蛋白的免疫原性。研究表明[52],ALV003(兩種谷蛋白酶的混合物)具有保護乳糜瀉患者免受麥膠蛋白引起的黏膜損傷的能力。然而,Janssen等[53]研究了五種市售的消化酶補充劑的組成,并測試了它們降解谷蛋白及其免疫原性片段的能力,結果表明,商用酶制劑在降解α-和γ-醇溶蛋白的免疫原性谷蛋白片段方面無效。所以,補充酶制劑輔助乳糜瀉患者消化吸收的真實效果仍需進一步討論。

4 食品水解酶的發展現狀與開發策略

目前,許多西方國家(如美國和加拿大等)已經有許多消化酶膳食補充劑以單種酶或復合酶形式上市,消化酶還可以與益生菌和酵素等進行結合形成混合膳食補充劑,這些酶用于支持體內的生物化學反應,分解食物,以優化消化和養分吸收。而國內還沒有像歐洲的Mucos,美國的Specialty Enzyme這樣的以水解酶保健品研制、生產和銷售為一體的專業公司。我國將酶制劑應用于保健品領域的產業才剛剛起步,消化酶產品目前仍未在出現在中國的功能食品市場,產業規模與市場效仍未形成。但是研發成果已有所累積,一些生產酶制劑原料的公司,主要生產各類蛋白酶等[54],他們為消化酶生產與應用積累了初步的相關基礎。

目前,各種水解酶的固定化技術已得到廣泛研究,如以殼聚糖為原料,納米Fe3O4為磁性材料,SiO2為致孔劑,IDA為螯合配體,與過渡金屬離子(Cu2+)結合,制備的新型的磁性金屬螯合載體,用于木瓜蛋白酶的固定化,固定化木瓜蛋白酶的活性提高,酶學性能優越,操作穩定性更好[55]。然而其確切的功能性還沒有得到充分證明,相關研究也只是局限在體外消化和動物實驗階段。Tran等[56]利用動態胃模擬模型(DGSM)評價和酶制劑輔助消化吸收的效果,主要研究結果表明,添加輔助酶和混合酶可以增強消化系統對食物的消化能力。Liu等[57]設計了一種新型的納米人工金屬酶用于治療因消化酶缺乏而導致的高尿酸血癥,體內研究表明,該人工金屬酶對高尿酸血癥小鼠有顯著的治療作用,且無明顯副作用,這些結果為開發高效友好的消化酶補充劑提供了新的見解。

5 展望

消化酶對人體的吸收和食物及其營養物質的利用至關重要,針對胃腸消化功能障礙以及引起的多種胃腸慢性病,補充食品水解酶在補償機體消化功能的缺失、下降或喪失等助消化吸收和輔助治療方面能夠產生積極的影響,表現出了特異性強、所需劑量少、療效顯著等優點,具有藥物不可替代的作用,引起了營養學界和食品領域的不斷關注[51],所以,發展食品消化酶功能產品意義重大。一方面,補充消化酶具有很強的助消化吸收作用,在緩解消化不良癥狀方面具有很大優勢。另一方面,消化酶的輔助治療作用在一些酶缺乏相關疾病方面顯示著具有巨大的應用潛力。目前,動物源性酶已被公認作為酶代替療法的主要酶源,而低廉且有效的微生物源性酶和植物源性酶的研究更為消化酶的發展提供了廣闊的前景[58]。食品水解酶助消化和輔助治療作用在國內的研究仍屬于空白,研究不同水解酶對食品成分消化吸收的促進作用以及闡明其在人與動物之間的差異性,具有重要的科學研究意義。此外,將多種酶和其他有益成分,如益生菌、酵素和膳食纖維等,按比例制成復合制劑,利用協同作用提高胃腸功能效果也值得深入研究。目前,我國將酶制劑應用于保健食品領域的產業還在萌芽之中,如何引導消費者的可接受性,以及開發大眾化的、有較高附加值的酶保健品仍需深入探討。食品消化酶作為一個新興的功能食品門類,無疑將會從基礎研究、技術創新、產品開發和市場消費等各個領域掀起新的革新浪潮,其憑借著巨大的市場潛力,必將極大地豐富與拓展功能食品市場,為功能食品產業的繁榮與發展起到重要的助推作用。