美拉德反應改性蛋白質/肽的研究進展

張強，劉昊，馬玉涵，孫玉軍，王松華

(安徽科技學院 生命與健康科學學院，安徽 鳳陽，233100)

蛋白質和肽是人體重要的營養成分，它們能夠改變食品的外觀、風味和質構，并且具有多樣的生物學活性，常被添加到加工食品當中或作為功能性成分使用。然而，食品加工過程中的一些操作(如加熱、剪切、高壓等)，會導致蛋白質和肽的穩定性降低，并對其功能特性和生物活性造成不同程度的影響，這在一定程度上限制了其在食品工業中的應用[1]。因此，利用改性技術改變蛋白質和肽的結構及理化性質，進而改善其功能特性和生物活性，對于拓寬蛋白質和肽在食品工業中的應用具有重要意義[2]?；瘜W法、物理法以及酶法是經常使用的蛋白質與肽的改性方法。化學法改性由于通常會使用對人體有害的試劑，因此在食品行業的應用受到限制；物理法改性主要借助機械力，改性效果一般都不理想；而酶法改性成本相對較高，且酶解過程可能會產生苦味和澀味[3-4]。因此，開發一種簡單、高效、綠色、安全的蛋白質和肽的改性方法一直是食品科學領域研究的熱點。

美拉德反應(Maillard reaction，MR)也稱糖基化反應，指的是含氨基的化合物(如蛋白質、肽或氨基酸等)與含羰基的化合物(主要是各種還原糖)間發生的復雜化學反應，是食品加工過程中一類常見的非酶褐變反應[2]。MR過程中，蛋白質分子中氨基酸(主要是賴氨酸和精氨酸)殘基上的游離氨基與糖的還原性羰基共價交聯(圖1)，生成具有良好功能性質的美拉德反應產物(Maillard reaction products，MRPs)，進而對食品的色澤、風味和功能活性等方面產生重要影響[5]。MR是在沒有任何化學試劑參與下自發進行的化學反應，而且在操作性和安全性方面具有一定的優勢，屬“綠色”加工工藝，是一種非常理想的改性氨基化合物的方法，符合現代社會人們對天然食品與日俱增的需求，因此，通過MR改善蛋白質和肽類物質功能特性與生物活性的研究越來越受到人們的關注[6]。在Web of Science數據庫中以“Maillard reaction”進行主題檢索，結果顯示，截至2021年10月，國內外學者累計發表了16 000多篇(其中蛋白質/肽改性約3 000篇)MR相關的文章，且文獻數量總體上呈逐年增加的趨勢，表明基于MR的蛋白質或肽的改性是一個非常重要的科學研究領域。

圖1 食品加工過程中美拉德反應產物形成示意圖

本文概述了MR的反應過程與反應方法，總結了有關MR對食品蛋白或肽的功能特性和生物活性影響的最新研究進展。另外，進一步分析和討論了當前利用MR改性蛋白質和肽所面臨的挑戰，指出了未來采用MR改性蛋白質或肽的研究方向，旨在為MR在食品、保健品乃至醫藥領域的深度應用提供參考。

1 MR概述

1.1 MR過程

MR最早由法國化學家L.C.MAILLARD于1912年提出，1953年HODGE等正式將其命名為Maillard反應。MR是一個極其復雜的化學過程，至今MR的反應途徑和反應產物尚未完全明確，根據已有文獻報道，MR大致可分為3個階段，各階段及其對應的主要產物如圖2所示[1,7]：

圖2 美拉德反應的3個階段及各階段的主要產物

(1)初始階段

還原糖羰基與蛋白質或肽分子中的ε-氨基發生脫水縮合反應生成席夫堿，后經環化轉變為N-取代糖基胺，N-取代糖基胺進行分子重排生成Amadori產物。初始階段反應體系的還原力顯著提高，體系中蛋白質/肽的乳化、起泡和凝膠特性以及溶解性等功能性質得到明顯改善，蛋白質營養價值降低(必需氨基酸的損耗)，但產物的顏色、風味或異味、熒光等方面不會發生變化。

(2)中間階段

MR變得更為復雜，Amadori產物在不同pH條件下均可發生降解，可歷經還原酮、還原型葡糖醛酮和糠醛或斯特勒克降解(Strecker)3條不同的反應路線，生成具有抗氧化、抑菌、抗突變以及抗癌等不同活性的MRPs。淡黃色出現，熒光、風味或異味產生以及還原能力的進一步提高是MR中間階段的主要特征，此外，中間階段的MRPs會在近紫外區產生強烈的光吸收，因此，294 nm處的紫外吸收值常用于評估中間階段MRPs的生成量[8]。

(3)末期階段

中間階段形成的眾多MRPs繼續與氨基酸發生氧化、成環、縮合和重排等一系列反應，最終生成褐色的含氮聚合物和共聚物，統稱為類黑精。類黑精能對食品的色澤、風味和質地產生直接影響，并且具有較強的抗氧化、抗微生物、益生元和抗高血壓等生物學活性，每天我們食用的熟食，油炸食品和焙烤食品中都含有大量的類黑精[8]。也有報道顯示，末期階段會產生一些抗營養物質以及有毒物質，并可能造成一些有害影響，包括誘變、致癌和細胞毒性作用等[9]。

1.2 MR方法

促MR發生的方法主要有2種，即干熱法和濕熱法。近年來還出現了借助超聲波、微波、輻照、脈沖電場和超高壓等外場輔助的方法來促進MR的發生。不管采用哪種方法，蛋白質/肽本身的特性、糖的種類、反應溫度和pH、反應物濃度和比例、水分活度(aw)、鹽離子種類/濃度以及反應時間等都可能對MR產生影響(圖3)[4,10]。上述眾多因素中，反應物類型對MR速率的影響占主導作用。一般認為，MR的速率與還原糖分子的大小成反比，富含賴氨酸的反應物更易于發生反應。此外，反應物的類型也會影響MRPs的風味，而其余因素決定著MR的動力學。

百香果汁、胡蘿卜汁、白砂糖、接種菌種、穩定劑黃原膠∶CMC（1∶1） 的添加量分別控制在4.0%，25.0%，10.0%，1.0%，0.1%；然后將滅菌溫度分別控制在85，90，95℃，研究產品的最佳滅菌溫度。

圖3 不同因素對美拉德反應速率影響示意圖[4]

1.2.1 干熱法

首先是將蛋白質或肽與糖按一定比例混合于溶液中，然后將混合物凍干。將凍干粉置于密閉容器中，于特定溫度和濕度條件下反應數小時乃至數周即得MRPs。常用的反應條件是溫度40～80 ℃，相對濕度60%～85%[11]。干熱法MR易受反應物間不均勻接觸的限制，且長時間的反應可能導致體系產生不良顏色和風味，并生成溶解性差的大分子物質，而且干熱法大多采用冷凍干燥，所需周期長，效率低，因而在實際應用中具有一定的局限性[4]。

1.2.2 濕熱法

濕熱法工藝相對簡單。一般是將蛋白質或肽與還原糖按一定的比例混合在特定pH值的溶液中，然后將溶液轉入密閉容器中，于特定溫度下進行加熱，最后通過冰浴冷卻，降低反應溫度，從而終止反應。與干熱法相比，濕熱法具有反應時間短、反應易于控制和產物性能較穩定等優點，越來越受到人們的重視，但是，濕熱法反應物濃度低，回收產品時需要將緩沖溶液或者水分去除，產物的回收率較低。同時，濕熱法反應過程中，蛋白質易于在高溫溶液中變性并隨后發生聚合。為了克服這些不良影響，可以利用大分子擁擠效應，在相對較高的濃度下進行反應，通過限制可用的排除體積來防止蛋白質的展開和隨后的變性[12]。

2 MR改進蛋白質/肽的功能性質

MRPs的功能性質主要指復合物中蛋白質或小肽的功能性質，包括乳化性、起泡性、凝膠性、溶解性以及成膜性等，這些性質直接決定著產品的質量。MR一般以蛋白質或肽的自身特性為基礎，通過引入多羥基的糖進行改性，以實現對蛋白質或肽功能性質的強化與改善。到目前為止，已采用MR成功實現了對多種蛋白質或肽的改性(表1)。

表1 美拉德反應對蛋白/肽功能特性的影響

2.1 乳化性

乳化對食品的質構和感官特性有重要影響，在食品體系中起著非常重要的作用。MRPs能夠對乳狀液的穩定性起到關鍵作用。在乳化期間，一些蛋白質或小肽在乳化過程中能夠吸附在水-油界面形成一層黏彈性的膜，而糖分子可以通過在水相的增稠和膠凝行為賦予體系穩定性。影響MRPs乳化性的因素包括糖的含量、糖的分子質量、糖的結構、賴氨酸的含量以及反應時間等[9]。BU等[13]研究發現，通過干法MR制備的大豆分離蛋白與麥芽糖共價復合物的乳化性較原大豆蛋白顯著提高；NOOSHKAM等[14]將乳清蛋白/乳清蛋白肽與乳糖在微波輔助下進行濕法MR，得到了具有比原乳清蛋白/乳清蛋白肽更好乳化特性的MRPs；張曉燕等[15]用干熱法對牛血清白蛋白進行糖基化改性，所得MRPs的乳化性較改性前顯著提高；WEN等[16]研究證實，利用超聲輔助的濕法MR對大豆分離蛋白進行糖化修飾，不僅能顯著改善大豆分離蛋白的乳化能力，還能提高其溶解性、發泡性和熱穩定性。

2.2 起泡性

泡沫特性是決定牛奶、冰淇淋、冷凍甜點以及蛋黃醬等許多食品質量的重要因素。泡沫的形成和穩定性直接影響這些食品的質構進而決定產品的感官品質[9]。高水溶性是蛋白質/肽作為良好泡沫穩定劑的先決條件，另外，蛋白質/肽的分子結構和柔韌性也是影響其起泡特性的重要因素。CORZO-MARTNEZ等[17]研究證實，半乳糖修飾的β-乳球蛋白在pH 5.0的條件下具有比原蛋白更好的發泡特性，適合作果汁和運動飲料等酸性食品的發泡劑；趙玉濱[18]研究發現，通過溫熱法使用木糖對英國紅蕓豆抗氧化肽進行糖基化改性能使其起泡性提高51.7%，起泡穩定性提高25.4%；CHEN等[11]的研究表明，基于MR的膠原蛋白肽的糖化改性不僅增強了膠原蛋白肽的乳化特性，還改善了其發泡性能。

2.3 凝膠性

凝膠具有三維網狀結構，可以捕獲水和其他小分子，并保留液體連續相，對食品的質地起著十分重要的作用。SPOTTI等[12]研究發現，通過干法MR制備乳清分離蛋白-葡聚糖共聚物，能顯著改善乳清分離蛋白的凝膠特性；WU等[19]研究證實，乳糖糖化的乳清蛋白比原乳清蛋白具有更好的相對黏彈性和更高的機械強度，即乳糖對乳清蛋白的糖化作用提高了乳清蛋白的凝膠性質；段汝清等[20]在干熱條件下用瓜爾豆膠酶解物對蛋清蛋白進行糖基化改性，發現糖基化改性后的蛋白凝膠結構更加致密，凝膠性能得到有效改善。

2.4 溶解性

溶解性直接影響發泡、乳化、膠凝以及黏度等其他食品功能性質，因此，溶解性是新型食品及其配方開發的關鍵功能特性。ZHA等[21]采用干法MR制備豌豆蛋白與阿拉伯樹膠的共聚物，發現加熱3 d所得MRPs的溶解性比原豌豆蛋白顯著改善，同時乳化性和穩定性也顯著提高，豆腥味明顯下降；CHENG等[22]在微波輔助下利用濕法MR對大米蛋白進行葡聚糖共聚修飾，發現所得MRPs的溶解性顯著提高；左穎昕等[23]研究發現，干熱條件下用葡萄糖對大豆分離蛋白進行糖基化改性能使其溶解性提高56.18%。

2.5 成膜性

近年來，人們對可生物降解包裝的興趣日益濃厚。蛋白質作為天然生物聚合物，可開發成可生物降解的薄膜。但是，與合成膜相比，基于蛋白質的薄膜的拉伸強度、伸長率和耐水性一般都比較差。MR是一種改善蛋白膜性能的安全有效的方法。LIU等[24]利用木糖對花生蛋白膜進行MR修飾，使膜的抗張強度提高了77%，伸長率提高了67%，溶解度從96.6%降至43.4%，膜的機械性能和耐水性明顯提高；李萍等[25]的研究表明，葡萄糖改性的玉米醇溶蛋白膜的抗拉強度、吸水性、抗氧化性以及阻油性等膜特性均得到顯著改善；張曦等[26]研究發現，木糖修飾的乳清蛋白膜與修飾之前相比，刺穿強度提高了1倍，水蒸氣透過率降低24%，抗拉強度提高1.5倍，且顯著延緩了核桃仁酸價的上升。

MR對蛋白質/肽乳化性、起泡性、凝膠性、溶解性及成膜性等功能性質有顯著影響，這可歸因于蛋白質/肽空間結構穩定性的提高以及結構變化引起的糖和蛋白質分子靈活性的增加。此外，改進的電荷效應和/或空間位阻效應也可能對蛋白質/肽功能性質的改善發揮著至關重要的作用[7]。

3 MR提高蛋白質/肽的生理活性

MRPs不但擁有許多優良的功能特性，能夠在食品的顏色、質構和風味等方面發揮重要作用，同時也具有抑菌、抗氧化和抗過等敏多種多樣的生理活性，在保健食品和功能性食品領域展現出很大的開發潛力(圖4)。

圖4 美拉德反應產物的潛在應用

3.1 抑菌作用

近年來，抑菌劑在食品和日用品行業得到了廣泛應用。關于MRPs抑菌作用的報道有很多。SHENG等[27]研究發現，溶菌酶-支鏈淀粉的MRPs具有比天然溶菌酶更寬范圍的抑菌活性；楊珮瑜等[28]研究證實，葡萄糖改性的黃鯽蛋白水解物對蝦、蟹的腐敗菌有很強抑制作用，且作用效果顯著高于改性前的黃鯽蛋白水解物；EINARSSON[29]研究表明，MRPs的抑菌活性取決于MRPs的類型和濃度，也與MRPs的分子質量有關，通常分子質量高于1 000 Da的產品比低分子質量的產品具有更好的抑菌效果；JI等[30]研究表明，魷魚皮酶解物與葡萄糖、果糖或乳糖反應生成的MRPs對大腸桿菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和哈維弧菌均具有較強抑制作用，其中對大腸桿菌的抑菌效果最佳。RUFIN-HENARES等推測[31]，MR最后階段形成的黑色素通過螯合細胞膜中金屬離子和引起不可逆細胞膜損傷而發揮抑菌作用；HAUSER等[32]認為，MR過程中會產生過氧化氫，它是MRPs中的一種重要抗菌成分，能夠破壞細菌的細胞壁，并對菌體中的蛋白質、脂類和核酸等大分子物質造成損傷；WüHR等[33]證實，MRPs中的烯二醇、氨基還原酮和二羰基化合物可通過產生活性氧而發揮抑菌作用。盡管MRPs的抑菌效果及機理已有很多報道，但其確切作用機制仍有待深入研究。

3.2 抗氧化作用

抗氧化劑是一種重要的功能性成分，可以清除活性氧，進而避免自由基鏈式反應的發生。許多研究表明，與單獨的蛋白質或肽相比，MRPs具有顯著改善的抗氧化活性。KCHAOU等[34]通過測定總抗氧化能力、DPPH自由基清除活性和還原力研究了MR修飾的魚明膠膜的體外抗氧化活性，發現修飾后的魚明膠薄膜具有更強的抗氧化作用，有望用作可食用包裝材料；JIANG等[35]研究發現，蟹殼肽-果糖的MRPs具有比原蟹殼肽更強的總抗氧化活性和還原力，同時也具有比原蟹殼肽更強的清除羥自由基和DPPH自由基的活性；杜玲玲等[36]研究表明，乳清分離蛋白及其水解物與半乳糖反應生成的MRPs的抗氧化活性(還原力、對DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的清除活性)較原乳清分離蛋白及其水解物顯著提高；YANG等[37]研究證實，魚蛋白水解物-核糖的MRPs顯示出比原水解物更強的抗氧化活性，可通過增強谷胱甘肽合成來保護HepG2細胞免受叔丁基過氧化氫(t-BHP)誘導的氧化應激，也能通過促進Nrf2核轉位和ERK的磷酸化來誘導HO-1和γ-GCL等抗氧化相關酶的表達。MRPs優良的抗氧化活性已得到廣泛認可，但是，由于MR體系復雜，涉及到的反應種類繁多，迄今MRPs的抗氧化機理尚未完全明了?，F有的研究結果表明，還原酮、類黑精和揮發性雜環化合物是MRPs主要的抗氧化活性成分，它們主要通過消除活性氧、螯合金屬離子、還原能力和作為供氫體終止自由基鏈式反應的能力來發揮抗氧化作用[38]。

3.3 抗過敏作用

MRPs的抗過敏作用在一些強致敏食品的加工中顯示出潛在的應用前景。MR可以對食物中引起過敏反應的組分上的關鍵位點進行修飾，并能調節食物過敏原與IgG和/或IgE的親和力和可及性，減少食品的抗原性，從而發揮抗過敏作用[5]。ZHANG等[39]研究發現，基于MR的糖基化修飾能有效降低α-乳白蛋白的抗原性；BLANC等[40]研究表明，MR修飾的花生過敏原Ara h 1在IgE結合試驗中的變應原性降低；ZHAO等[41]用葡萄糖對魚類主要過敏原(小白蛋白)進行MR修飾，發現修飾后的過敏原IgG/IgE結合特性明顯減弱。毛積華等[42]研究證實，通過MR以半乳糖和葡萄糖修飾的卵清蛋白構象發生了明顯變化，致使其對IgG/IgE結合力顯著下降，致敏性降低；MRPs也能夠直接發揮抗過敏作用。例如，YANG等[43]研究證實，比目魚蛋白水解物-核糖的MRPs能夠通過減少CO的合成以及抑制β-己糖胺酶和組胺的釋放來發揮抗過敏作用。MR對食品蛋白過敏原潛在致敏性的影響與過敏原的熱穩定性、過敏原中賴氨酸/精氨酸殘基的數量、還原糖的類型和濃度、食物基質的組成以及作用條件(如溫度、pH、持續時間和濕度等)等密切相關[5]。

3.4 抗炎作用用

對于哺乳動物而言，氧化應激是引起機體炎癥的重要原因。氧化應激會導致機體產生過量的自由基(如活性氧和活性氮)，進而促進炎癥性疾病的發展。MRPs具有抗氧化作用，可以清除活性氧和活性氮，因此，具有潛在的間接抗炎活性。NISHIZWA等[44]利用MR通過藻酸鹽低聚糖對鮭魚肌原纖維蛋白進行糖基化修飾，顯著提高了其抗炎活性，反應生成的MRPs不僅能抑制脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)誘導的RAW264.7細胞一氧化氮合酶、腫瘤壞死因子-α、白介素-6和環氧合酶2的基因表達，還能抑制角叉菜膠誘發的小鼠炎癥性足水腫；CHOE等[45]報道，比目魚蛋白水解物-核糖MRPs能顯著抑制白介素-6、白介素-1β、腫瘤壞死因子-α以及單核細胞趨化因子蛋白等促炎細胞因子的生成，其抗炎機制可能與其對NF-κB和MAPKs信號通路的抑制作用有關；CHEN等[46]報道，源自乳清蛋白分離物-葡萄糖的MRPs可通過增加抗炎免疫反應和減少對自身抗原的免疫反應性來保護非肥胖型糖尿病小鼠免受Ⅰ型糖尿病的侵害。

3.5 其他生理活性

SUMMA等[47]研究發現MRPs具有抗突變的作用。HONG等[48]研究揭示，酪蛋白水解物-木糖的MRPs具有比原酪蛋白水解物更強的血管緊張素I轉換酶抑制活性。BORRELLI等[49]證實，MR的終產物蛋白黑素能夠選擇性地促進雙歧桿菌的生長，有成為益生元成分的潛力。LIU等[50]報道，金槍魚蛋白水解物及其MRPs對黃嘌呤氧化酶具有良好抑制作用，并能有效降低奧曲西林鉀誘導的高尿酸血癥大鼠血清中的尿酸水平，表明MRPs具有抗高尿酸血癥活性。TRAN等[51]研究發現，殼聚糖-葡萄糖的MRPs對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均具有一定抑制作用，提示MRPs具有降血糖活性。CHEN等[52]研究證實，魚鱗肽-木糖的MRPs能夠降低肝損傷小鼠血清中的谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶的活性，抑制各種抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶)活性的下降，具有良好的保肝作用。

4 MR改性蛋白質/肽面臨的挑戰

MRPs不僅能對食品質構和風味產生積極影響，而且具有多種優良的功能特性和豐富的生物學活性，越來越受到人們關注。但MR在食品和醫療保健領域大范圍推廣應用之前仍面臨一系列的挑戰。第一，MR引起的褐變通常是不可避免的，但并非總是需要的。非酶褐變不僅影響食品的感官質量和消費者的可接受性，也是縮短食品貨架期的一個限制性因素[53]。第二，MR會導致食品的營養價值降低。首先，MR會造成甲硫氨酸、賴氨酸和色氨酸等一些必需氨基酸的消耗；其次由于結構發生了改變，MRPs對胃腸道消化酶表現出很高的抵抗力，蛋白質效率會明顯降低；再者，MRPs的存在也會影響微量元素(例如鐵、鎂等)的生物利用度[54-55]；最后，MRP可以破壞某些維生素(例如維生素B1和B6)，并會對磷吸收產生負面影響[56]。第三，MR過程中可能會產生一些有毒性和致癌性的MRPs(例如5-羥甲基糠醛、雜環胺、丙烯酰胺和高級糖化終產物)[57]，這些物質與糖尿病、衰老、心血管疾病、動脈粥樣硬化和阿爾茨海默氏病等幾種疾病的患病率增加有關[8,56]。此外，高級糖化終產物可能會引發過敏反應，其高攝入量也可能導致組織和細胞發生異常乃至功能障礙(如蛋白質結構修飾、干擾脂類代謝以及血管發炎和血栓形成)[58]。第四，MRPs組成復雜，對MRPs的檢測和準確定量仍是一個較大難題。第五，MR反應機理尚未完全明了，反應條件與特定產物生成之間關系尚不明確，MRPs的具體組成、確切結構、構效關系、代謝過程與途徑以及與腸道微生物菌群的相互作用等也尚未完全清楚，這些都在一定程度上限制了它的實際應用。

5 展望

MR已被證實是一種非常有前途的蛋白肽和肽的改性方法，鑒于當前MR面臨的一系列挑戰，未來研究應從以下幾方面考慮：(1)強化微波、超聲波、超高壓、脈沖電場、離子液體等技術手段在MR中的應用，提高反應效率，降低反應成本，減少不期望的副反應的發生，使MR向利大于弊方向轉變。(2)深化MR反應動力學研究，協調好各方面因素對MR的影響，通過添加天然抗氧化劑類功能性成分或使用酶干預的方法來控制和調整MR進程，實現MRPs的定向可控制備，最大限度減輕MR帶來的負面效應。(3)加快化學法、光譜法、色譜法以及質譜法等現代高新分析、檢測與鑒定技術的研發，以便實時監測MR的進展，并實現目標MRPs的快速分離、分析和表征。(4)深入探索MR的反應機制以及MRPs的構效關系，為目標MRPs生產技術方案的“量身定制”提供參考。(5)將MRPs功能特性和生物活性的研究由簡單模型系統向復雜食品基質系統轉變，由體外實驗向體內實驗轉變，以充分認識MRPs全部潛力以及局限性，為拓展其在醫學、材料等領域的應用奠定基礎。(6)加強MRPs的代謝以及生理學和毒理學作用方面的研究，解析MRPs在體內的代謝過程與具體的代謝途徑，明確MRPs與腸道微生物菌群的相互作用，探究MRPs發揮各種生理作用的機制，揭示MRPs中有毒組分的致病和致癌機制，以獲取其在體內發揮實際作用的更多信息。未來，隨著科學技術的不斷發展以及相關理論研究的進一步深入，MR必將在食品和醫療保健領域得到更加廣泛的應用。