關于苯丙酮尿癥特殊醫學用途配方食品研發與應用進展

魯晨輝，何永熙，魏皓東，馮永巍，高 輝，史學麗，張 毅,

（1.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，食品學院分析食品安全研究所，江蘇無錫 214122；2.無錫市食品安全檢驗檢測中心，江蘇無錫 214100；3.國家市場監管技術創新中心（特殊食品），江蘇無錫 214131；4.石家莊市婦幼保健院，河北石家莊 050051）

苯丙酮尿癥（phenylketonuria，PKU）也稱為苯丙氨酸羥化酶缺乏癥，是一種常染色體隱性遺傳的苯丙氨酸（phenylalanine，Phe）代謝缺陷疾病。由于體內缺乏苯丙氨酸羥化酶，患者的Phe 分解代謝途徑遭到破壞，如果對富含苯丙氨酸的食品不加限制地攝入，將導致體內苯丙酮累積從而引起神經認知和神經運動障礙、自閉癥行為、濕疹和癲癇等并發癥。我國新生兒PKU 發病率約為萬分之一，且存在顯著地域差異，海南省約為1.22:100000（2017～2019 年），湖北省黃岡市約為1:16812（2016～2019 年），云南省約為1:24125（2014 年），洛陽市1:7983（2015～2016年），寧夏1:3175（2010～2014 年）[1-5]。

目前，PKU 尚無完全治愈的方法，現行治療方法主要有飲食療法、基因療法、酶療法及輔助因子療法等[6-9]。最新的基因療法盡管解決了之前研究存在的副作用問題，但考慮到脫靶基因變化的可能性，該方法目前仍遠未達到臨床試驗的階段[7]。酶療法目前在美國可以使用，且已經獲得歐洲上市許可，但是會產生顯著的副作用[8]。輔助因子療法目前對病情較輕的患者更有效，對經典型苯丙酮尿癥患者的療效較差[6]。因此，飲食療法被認為是目前最安全、最有效的方法[10-11]。

針對PKU 患者的飲食療法其思路是通過嚴格限制食物來源，控制苯丙氨酸的攝入量在正常生長所需的最低限度，同時補充專門為PKU 患者設計的特殊醫療食品。本文從PKU 特殊醫學配方食品的非蛋白成分和低苯丙氨酸蛋白成分兩方面進行了綜述，重點分析了研究前沿的特殊低蛋白食品、低苯丙氨酸蛋白特殊醫學用途配方食品和糖巨肽的研究進展，指出了目前PKU 特殊醫學用途配方食品研發領域存在的問題，并對未來研究方向進行了展望。

1 低蛋白成分普通食品

1.1 天然的低蛋白食品

由于體內缺乏苯丙氨酸代謝所需苯丙氨酸羥化酶，PKU 患者必須嚴格控制苯丙氨酸含量正常的肉、魚、蛋、奶等天然蛋白產品攝入量，還需嚴格控制分子中含有苯丙氨酸結構單元的食品添加劑例如阿斯巴甜（天門冬酰苯丙胺酸甲酯）的攝入[12]。對于這類患者，建議每100 g 干食品中攝入苯丙氨酸含量在50 mg 以下（相當于每100 g 干食品中蛋白質含量不多于1 g）[12]。

為此，PKU 患者在日常食物來源宜選擇天然的低蛋白食品。大多數水果和蔬菜的蛋白質含量較低，表1 是常見的水果蔬菜中蛋白質的含量。水果蔬菜含蛋白質量極低，并且其提供的維生素和膳食纖維，可抑制PKU 患者體內蛋白質的完全吸收[13]。2020年，英國國家營養師對PKU 患者食物蛋白的攝入做了一致闡明，聲明表示PKU 患者應盡量避免攝食高蛋白質和苯丙氨酸的食物，但是可以不受限制地食用含苯丙氨酸≤75 mg/100 g 的水果和蔬菜（除了土豆和蔬菜薯片），以及大多數蛋白質含量≤0.5 g/100 g 的食品[14]。其中，土豆的苯丙氨酸含量低于75 mg/100 g，但是由于英國飲食中每天巨大的消耗量而不被允許不受限制的攝入。目前，我國還沒有官方的對于PKU 患者攝食食物蛋白的明確建議，因此，更適合我國PKU 患者的營養建議有待研究人員的開發。

表1 每100 g 果蔬中主要營養成分的含量[18]Table 1 Content of main nutrients per 100 g of fruits and vegetables[18]

許多植物中苯丙氨酸氨裂合酶含量較高，為開發適用于PKU 患者的天然植物膳食補充劑提供可能。Aydas 等[15]發現，矢車菊中的苯丙氨酸氨裂合酶的活性很高，可將苯丙氨酸轉化為無害代謝物。Cliff 等[16]發現，富含花青素的玉米品種其幼苗根中苯丙氨酸裂合酶含量較高，開發了含有此種玉米根部的谷物棒、飲料和果醬狀醬料。Eissa 等[17]研究了香蕉果實中苯丙氨酸裂合酶的活性，并利用提取的苯丙氨酸裂合酶制備了該酶的蛋白和蘑菇粉。

1.2 特殊低蛋白食品

特殊低蛋白食品（special low-protein food，SLPF）是PKU 患者另一食物來源選擇。根據歐洲PKU 患者膳食指南，特殊低蛋白食品是一類由食品淀粉（如小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉）加工制成的低蛋白質食品，每100 g 低蛋白食品的苯丙氨酸含量小于等于50 mg（相當于每100 g 低蛋白食品中蛋白質含量小于等于1 g）[19]。

特殊低蛋白食品包括低蛋白谷物、低蛋白面包、低蛋白米飯、低蛋白蛋糕、低蛋白餅干、低蛋白面粉、低蛋白巧克力、低蛋白能量棒、低蛋白果凍、低蛋白冰淇淋、低蛋白代乳品、低蛋白面食等多種類型[19]。這類食品成本和售價較低，不會為PKU 患者和家庭增加沉重的經濟負擔。PKU 患者所需的特殊低蛋白食品量與疾病的嚴重程度相關，PKU 嚴重患者其特殊低蛋白食品攝入量須占總能量攝入的50%，而具有更高天然蛋白耐受性的患者則可以減少對特殊低蛋白食品的依賴[20]。

為了改善多數特殊低蛋白食品適口性較差的問題，研究人員從味道、可接受性、適口性、外觀、成本等方面著手以提高特殊低蛋白食品的質量。Scortegagna等[21]使用玉米淀粉作為基底，分別添加木薯、馬鈴薯、紅薯、雪蓮果等作為配方，研究其感官特性，并認為添加了馬鈴薯的面包更受歡迎。Alireza 等[22]評估了不同狀態的玉米淀粉對低蛋白餅干質量的影響，并認為最佳感官質地的餅干應該具有30%的預膠化淀粉和70%的交聯淀粉。Parlak 等[23]通過在無麩質的低蛋白曲奇中添加葡萄干、干黑醋栗、干棗、干蘋果和肉桂制備成不同口味的餅干以分析其感官特性，制備口味最佳的低蛋白曲奇。Shruti 等[24]開發了基于明膠和一些低成本原料的多用途面粉，面粉成本低、營養價值高，且易于烘烤，由該面粉烘焙成的餅干功能和感官特性與市售餅干相當，表明其適用于商業化。Woore 等[25]提出可以選擇苯丙氨酸含量足夠低的玉米品種作為PKU患者低蛋白飲食的原料。目前，對特殊低蛋白食品與常規食品營養狀況的對比分析依舊不夠明確。Wood 等[26]研究了英國處方中所有的特殊低蛋白食品的營養成分，并與等效的含蛋白質食物進行比較。發現SLPF 中除了蛋白質比普通食品少外，總脂肪含量也比普通食品少，棕櫚油和氫化植物油是主要的脂肪來源。SLPF 中含有更多的碳水化合物，主要的淀粉來源是玉米，超半數食品含有添加糖。因此，有必要對SLPF 類食品指定更嚴格的營養成分法規，確定符合PKU 患者健康條件的相關常量營養素和苯丙氨酸以及脂肪和碳水化合物來源的最大上限。

2 特殊醫學用途配方食品

傳統的低苯丙氨酸蛋白特殊醫學用途配方食品分為兩大類：一類是以除苯丙氨酸外的必須氨基酸按照一定比例混合并加入其他營養物質，制成游離氨基酸配方粉；另一類是通過將天然蛋白水解，以吸附、超濾等技術去除水解液中的苯丙氨酸，再加工成低苯丙氨酸多肽（低苯丙肽）食品。這兩類食品雖然對PKU 患者營養支持效果顯著，但由于其適口性較差、可能引起腹瀉等缺點，影響了患者的飲食依從性[27]。

2.1 游離氨基酸配方粉

我國PKU 患者的蛋白供給主要依靠游離氨基酸混合食品即氨基酸配方粉，這些配方粉中通常混合了必需氨基酸、維生素、礦物質及微量元素[12]。但由于有關氨基酸代謝癥適用特殊醫學用途配方食品的現有標準不完備，尤其是相關氨基酸原料標準缺失，我國市場上PKU 氨基酸配方粉依賴進口、貨源單一、價格昂貴（400～500 元/400 g）[28]。2020 年，我國批準注冊的特殊醫學用途配方食品中，適用于PKU 患者的配方粉均為進口產品，分別為：紐貝瑞特殊醫學用途嬰兒苯丙酮尿癥配方粉、紐貝福特殊醫學用途氨基酸代謝障礙配方食品和紐貝臻特殊醫學用途苯丙酮尿癥配方粉，三類產品適用年齡涵蓋PKU 患者的全年齡段。

事實上，我國在PKU 患者適用氨基酸配方粉領域已有較好的研究基礎和足夠的生產能力。楊國民等[29]采用植物油脂肪粉、復合氨基酸、復合維生素、復合礦物質等制備了一款適用于苯丙酮尿癥患者的配方粉，產品不添加苯丙氨酸，能夠保證患者維持機體正常的氨基酸代謝。曾珍等[30]研發的無苯丙氨酸配方粉添加了0.01～1 重量份的復合不飽和脂肪酸，以滿足患兒的大腦發育的需求。

2.2 低苯丙肽食品

低苯丙肽食品（low phenylalanine peptide food，LPP）是苯丙氨酸含量低于0.5%的多肽類食品。與氨基酸混合食品相比，低苯丙肽食品更易吸收，沒有令人難以接受的味道，多肽分子量比氨基酸更大，因此可以避免由于體內滲透壓過高而引起的腹瀉。低苯丙肽的主要制備路徑是先利用酶解法游離完整蛋白中的苯丙氨酸，再通過吸附或超濾脫除苯丙氨酸[10]。由于超濾法難以截留分子質量低于10 kD 的小分子肽、氨基酸等活性物質，因此不適于實際生產[10]。

2.2.1 蛋白原料的篩選 動物蛋白和植物蛋白都可以作為制備低苯丙肽的主要原料。酪蛋白和乳清蛋白是用于制備低苯丙肽的兩種主要動物蛋白。酪蛋白中苯丙氨酸含量約為3.9%。魏晴霞等[31]以酪蛋白為原料，酶解結合柱層析分離制備的低苯丙肽粉中苯丙氨酸含量降至0.6%。周志偉等[27]使用酪蛋白，通過酶解結合柱吸附的方法研制了一種低苯丙肽配方食品，經水解后水解物中苯丙氨酸含量降至0.5%。乳清蛋白營養價值高、含有多種活性成分、易于消化吸收，是公認的優質蛋白補充劑，其蛋白含量高達80%，苯丙氨酸含量約為4%～6%，有“蛋白之王”的美譽。Cabrera 等[32]利用酶膜反應器生產了一種低苯丙氨酸含量的干酪乳清蛋白水解物，可用于PKU 患者的飲食。Villafuerte 等[33]從甜奶粉和豆粉中提取了可用于制備PKU 患者食品的低苯丙氨酸的蛋白質水解物。Ozer 等[34]也通過從乳清中沉淀蛋白質、氨基酸處理以及向分離的乳清蛋白中添加游離氨基酸、維生素和礦物質的方法，生產出一種低苯丙氨酸的蛋白水解物，有望用于開發PKU 患者可食用的食品。Bu 等[35]使用兩步酶解法從乳清蛋白中釋放苯丙氨酸，使用吸附劑制備了低苯丙氨酸的水解物，可以用于PKU 患者的食品。目前，已經有研究從蛋白原料的角度創新，以期為PKU 患者提供更多蛋白來源的低苯丙肽食品。Su 等[36]以蛋清蛋白為原料，通過兩步酶解法和活性炭吸附制備了一種低苯丙氨酸的蛋清蛋白水解物，有望用于制備適用于PKU 患者的食品。

植物蛋白包含多種類型，例如大米蛋白、大豆蛋白、花生蛋白、玉米蛋白、核桃蛋白、小米蛋白等。但并非所有蛋白都適合作為制備低苯丙肽的制備原料。例如大豆蛋白、花生蛋白和小米蛋白中含有過敏原，且大豆蛋白存在部分人難以接受的豆腥味；組成復雜的玉米蛋白口感粗糙，且水溶性較差；小米蛋白不含色氨酸，從營養價值方面處于劣勢；蕎麥蛋白和小麥蛋白消化性較差[10]。大米蛋白的苯丙氨酸含量適中、過敏性較低且易于消化，適合用于開發低苯丙肽食品。盛曉靜[37]等利用大米蛋白濕法制備一種低苯丙肽食品，處理后的大米基料苯丙氨酸含量降至0.13%。Tong 等[38]以大豆蛋白為原料，使用兩步酶水解輔助水提法生產了苦味降低、營養價值更高的大豆蛋白水解物，擴大大豆蛋白在PKU 患者的飲食中的應用。李志剛等[39-40]以山杏仁蛋白為原料，通過酶解和吸附作用制備了一種苯丙氨酸含量約為0.32%的低苯丙肽粉，并通過酶法深度水解花生蛋白，制備了一種苯丙氨酸約占總氨基酸含量的0.09%且不含過敏性蛋白的花生肽混合物，有望成為低苯丙肽食品基料的新選擇。較高含量的蛋白和較低含量的多酚、糖和蛋白抑制劑有助于控制蛋白水解的過程，從而提高蛋白酶水解的效率和水解的產量，但與動物蛋白相比，植物蛋白水解物缺乏某些必須的氨基酸，利用植物蛋白制備的產品必須額外添加一些氨基酸以維持患者的營養需求。

2.2.2 蛋白原料的酶解 低苯丙肽食品中苯丙氨酸殘基的切除主要依賴于蛋白原料的酶解。酶解是采用特異性酶制劑在最佳環境條件下通過特異酶切位點的肽鍵斷裂使目標氨基酸從蛋白結構中解離的過程。蛋白水解酶根據水解機理分為內肽酶和外蛋白酶。用于特殊配方的蛋白質水解物由游離氨基酸、短肽（二肽和三肽）組成，通常不包含長于12 個氨基酸殘基的肽。最初使用內肽酶可促進外肽酶的水解作用，為了獲得這種水解產物，優選內肽酶和外肽酶的順序反應。

酶的種類和酶的作用條件對目標氨基酸的脫除效率產生影響。對于需要脫除苯丙氨酸的蛋白，目前選用的酶制劑有動物蛋白酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶、羧肽酶A 等）、植物蛋白酶（風味蛋白酶、木瓜蛋白酶等）和從枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、米曲霉（A.oryzae）等微生物中提取出的生物蛋白酶[10]。Galvao 等選用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶分別和羧肽酶A（CPA）連續水解干酪中的乳清蛋白，并認為，當只有胰凝乳蛋白酶水解乳清時，CPA 從水解產物中去除Phe 的效果更好[41]。Villafuerte 等[33]使用胃蛋白酶和灰鏈霉菌蛋白酶水解面粉蛋白和乳清蛋白以制備苯丙氨酸含量較低的肽。Tong 等[38]發現在大豆蛋白的水解過程中，地衣芽孢桿菌堿性蛋白酶Protex 6L 水解后產生潛在的苦肽，蛋白酶A25D 則傾向于從苦肽的N 末端切割精氨酸和異亮氨酸殘基，以降解苦肽。Silvestre 等[42]使用了地衣芽孢桿菌蛋白酶作為內肽酶，分別使用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、大豆蛋白酶、嗜熱脂肪芽孢桿菌蛋白酶和枯草芽孢桿菌的兩種酶作為外蛋白酶，篩選結果表明，在每種酶的最適條件下，木瓜蛋白酶的效果最佳，苯丙氨酸脫除率達94.1%。相比于嗜熱脂肪芽孢桿菌蛋白酶、枯草芽孢桿菌蛋白酶等新型的生物蛋白酶，目標特異性較強的木瓜蛋白酶酶解效率更高。但是，目前的蛋白酶仍然存在成本高、難以達到我國國標要求（我國國標要求針對PKU 的配方食品中應限制苯丙氨酸含量≤1.5 mg/g 蛋白質等同物[43]）等問題，對于苯丙氨酸的脫除過程中酶的選用依舊有待進一步研究。

酶解過程受溫度、時間、pH 等多種因素的影響，適宜的酶解條件對于蛋白酶作用發揮與生產成本控制之間的平衡至關重要。盛曉靜等[37]在研究大米蛋白中苯丙氨酸的脫除技術時分別研發了快速酶解和充分酶解兩種工藝。快速酶解工藝：采用中性蛋白酶和鏈霉蛋白酶復合酶解，兩種酶作用溫度分別為50 和37 ℃，酶解時間4 h，且苯丙氨酸脫除率可達到80%。充分酶解工藝：中性蛋白酶、糜蛋白酶和鏈霉蛋白酶復合酶解，酶解溫度分別為50、55、37 ℃，酶解時間11 h，苯丙氨酸脫除率達92.25%。如果在苯丙氨酸游離的過程中采用過高的pH 環境（9～12），則后續過程需要脫鹽處理，使工藝更為復雜。因此，從簡化工藝角度建議選取最適酶解pH 為中性的蛋白酶。

2.2.3 后水解過程（Post Hydrolysis Procedure）蛋白質在經過酶解后大部分苯丙氨酸殘基已成為游離氨基酸，只有將苯丙氨酸從水解物中徹底脫除，低苯丙肽才能制備完成，這樣的過程稱為后水解過程（Post Hydrolysis Procedure）。

多種后水解過程已經成功用于生產低苯丙肽。目前，Sephadex-25、Sephadex G-15 等葡萄糖凝膠、疏水性樹脂、離子交換樹脂等已被用于吸附水解產物中的芳香族氨基酸，且聚苯乙烯樹脂針對蛋白質水解物中的苯丙氨酸去除率高達99%[44]。但是，由于上述吸附劑成本較高，目前已經被活性炭替代。Lopes等[45]在2005 年就報道了使用活性炭成功去除了96%～99%的苯丙氨酸。Su 等[36]使用了9 種活性炭用來吸附蛋清蛋白水解物中的苯丙氨酸，結果表明，粒徑較小的活性炭去除苯丙氨酸更高效，苯丙氨酸的去除率從91.71%到97.78%不等。Su 等[46]展開對活性炭選擇性吸附機制的研究，并認為活性炭會優先吸附芳香族氨基酸和分子量較高的組分，吸附的主要驅動力是疏水相互作用，其次是氫鍵和靜電相互作用。對活性炭吸附機制的研究將有利于以活性炭作為低苯丙肽食品制備的吸附劑的充分使用。但是使用活性炭作為吸附劑的文獻中沒有提到對于吸附后的廢活性炭的后續處理工作，這可能會對環境帶來污染，阻礙活性炭作為吸附劑在低苯丙肽食品制備中的應用。

超濾是另一種去除苯丙氨酸的后水解工藝。Cabrera-Padilla 等[32]提出了酶膜反應器的概念，利用胰凝乳蛋白酶和羧肽酶A 對乳清蛋白進行水解，分批反應后進行超濾，滲余物再循環到反應器中，這種方法提高了反應速率和苯丙氨酸的脫除率。但其成本較高，很難在工業生產中廣泛使用。

2.2.4 低苯丙肽食品的開發 1999 年，周志偉等[27]結合國外低苯丙肽食品配方和國內嬰幼兒配方食品規定，初步建立了我國低苯丙肽食品的配方。隨著低苯丙肽制備工藝的優化，低苯丙肽食品越發豐富。Goldar等[47]利用超濾乳汁和非乳制奶精制備了一種低苯丙氨酸的酸奶類似物，苯丙氨酸含量低至274 mg/kg。表2 為目前已知的部分低苯丙肽食品的簡要介紹。

表2 低苯丙肽食品制備的簡要概述Table 2 Brief overview of preparation of low-phenylpropeptide foods

濕法制備和干法制備是目前食品生產中主要的兩種制備方式。濕法制備是指將物料制備成液態進行混合后干燥而成成品的制備方式。干法制備是指在干燥狀態下或干燥后在設備中進行梯度混勻并分散的過程。盛曉靜等[37]嘗試分別用干法制備和濕法制備兩種方式生產基于大米蛋白的低苯丙氨酸營養粉。干法制備操作簡單方便，產品的營養物質能夠有效保留，但得到的產品質地不均，且感官體驗較差，不適于進行大規模生產。經過濕法制備出的產品質地均一，沖調性好，感官體驗良好，易于人群接受，因此濕法制備更適宜作為低苯丙肽營養粉型食品制備的主要方法。

2.3 糖巨肽

糖巨肽（glycomacropeptide，GMP）是一種在干酪制造過程中通過凝乳酶的作用從κ酪蛋白中釋放出來的由64 個氨基酸組成的磷酸化糖肽，現在已經被用作PKU 治療中的蛋白質替代物[54]。純的GMP氨基酸序列中不包含苯丙氨酸，但在GMP 產品中可能因凈化不完全而殘留少量的苯丙氨酸。目前，GMP 已被用于生產各種可口的低苯丙氨酸高蛋白醫療食品[55]。

一般情況下，混合游離氨基酸醫療食品（amino acid medical foods，AA-MF）中的合成氨基酸可以滿足人體80%的蛋白需求，剩下的20%則從水果蔬菜中的完整蛋白質攝取[19]。與其不同的是，糖巨肽以完整蛋白質滿足蛋白需求的70%，能顯著增加PKU 患者的飽腹感，改善骨骼脆性，提高腸道抗炎活性[56-57]，糖巨肽自身的益生元功效可以減少患者腸細菌，增強有益短鏈脂肪酸的合成并提高患者體內肉堿的生物利用率[12]。有研究表明，含有糖巨肽的飲食減少了患者腎臟的酸負荷，并且減輕了患者新陳代謝的壓力[56,58]。

純的糖巨肽不含苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸這類芳香族氨基酸，而大中性氨基酸如蘇氨酸和異亮氨酸的含量則是其他氨基酸補充劑的2～3 倍。Lim 等[55]已經嘗試利用糖巨肽制備草莓布丁、草莓果片、巧克力飲料、小餅干和橙味運動型飲料等多種新型糖巨肽。進一步提高糖巨肽內色氨酸、精氨酸、亮氨酸、組氨酸和酪氨酸的含量，并補充適量的維生素和礦物質，糖巨肽將有望代替氨基酸混合食品，成為適口性更強、接受度更高的新型蛋白質替代品造福PKU 患者。

3 結語

綜上所述，目前針對PKU 患者飲食需求已經開發了多種類型的低苯丙氨酸蛋白成分與非蛋白成分的膳食，但仍需要改善其感官性能和豐富品種以增加PKU 膳食多樣性。氨基酸混合食品在我國仍然存在貨源單一、適口性較差且價格昂貴的問題，這一直是影響PKU 患者飲食依從性的一大阻礙。低苯丙肽食品可以從蛋白原料、酶的選擇、酶解條件和吸附條件等途徑加以創新，以提高蛋白水解物中苯丙氨酸的脫除率。此外，與傳統氨基酸混合食品相比，糖巨肽具有明顯優勢，是一種新型天然醫療食品，有大規模開發的潛力，有望為PKU 患者提供更加豐富、美味且價格低廉的營養食品。