美拉德反应产物对肠道菌群影响的研究进展

张昭 徐珍霞 周鑫 邓乾春 杨陈 黄凤洪

摘 要：美拉德反应对肠道菌群的影响是食品营养学的研究热点之一，研究表明，美拉德反应会降低蛋白质的消化率，增加其被肠道微生物发酵利用的可能性。文章主要综述了美拉德反应产物消化和发酵特性，及其对不同疾病模型动物的肠道菌群的作用，旨在为研究美拉德反应与肠道营养健康的关系提供科学依据。

关键词：美拉德反应;肠道菌群;疾病

美拉德反应是一种非酶褐变，是蛋白质、多肽或氨基酸上的氨基与碳水化合物的羰基之间发生的缩合反应[1-2]。美拉德反应产物广泛存在于各种加工食品中，如牛奶、谷类食品和巧克力等[3]，能够改善蛋白质的功能特性和生物活性，赋予食品独特的色泽和风味。然而美拉德反应降低了蛋白质的消化率，这为美拉德反应产物进入结肠被微生物发酵利用提供了更多的可能性[4-5]。越来越多的证据表明，肠道菌群在维持机体平衡、提供营养能量、参与生理生化代谢等方面发挥着重要作用[6-7]，与人体的健康和疾病的发生发展密切相关。美拉德反应作为食品热加工过程中最常见的副反应之一[8]，其对肠道菌群的影响是食品营养学研究的热点和趋势。目前关于美拉德反应产物与肠道菌群的互作效果不一，互作机制不明。本文综述了美拉德反应产物的体外消化和酵解特性，讨论了其在体内对肠道菌群及其代谢产物的影响，旨在为研究美拉德反应与肠道营养健康的关系提供科学依据。

1 美拉德反应

1.1 美拉德反应过程及产物

美拉德反应条件温和，不需添加任何化学试剂，被认为是最有潜力的蛋白质修饰方法之一[9]。美拉德反应主要经历三个阶段（附图）[10]，包括初始阶段、中间阶段和最终阶段，所有阶段相互关联且可以同时发生[11]。在早期，游离氨基酸如赖氨酸的ε-氨基或末端氨基酸的α-氨基与还原糖发生缩合反应，形成N-取代糖基胺，该化合物经过不可逆的Amadori重排形成Amadori化合物，N-取代糖基胺和Amadori化合物为美拉德反应早期产物[12]。在中间阶段，在水分、pH和温度等因素的控制下，Amadori化合物经过裂解、脱水、Strecker降解等反应形成中期糖基化产物。在最终阶段，中间产物进一步与氨基酸反应，经过氧化、缩合、环化和重排等，生成终产物类黑精[13]。与早期相比，美拉德中期和晚期反应非常复杂，当反应程度不受控制时，可能会观察到有害影响[13]。

1.2 美拉德反应产物的体外消化特性

由于空间位阻等原因，美拉德反应产物在上消化道的消化率较低，其可能的机制是通过位于裂解位点附近的氨基酸糖基化，以保护蛋白质不被相关蛋白酶识别，直接或间接地阻断裂解位点[14-15]，从而限制了蛋白质的可及性，降低了蛋白质与酶的相互作用效率。Zenker等[16]通过体外消化模型研究不同美拉德反应程度的婴儿配方奶粉的消化率，发现美拉德反应会降低蛋白质的整体消化率。Hu等[17]研究表明，花生分离蛋白和D-葡萄糖美拉德反应降低了蛋白质的体外消化率。工业加热可通过变性提高原料乳中蛋白质的消化率，但这可能涉及到改性使消化率降低的抵消作用，然而Wada等[18]的研究则未观察到加热对生乳蛋白质消化率的不利影响。这些结果表明经过热处理后，蛋白质的展开和空间位阻之间的平衡决定了消化率的增加或减少[16]。

2 美拉德反应产物对肠道微生物的影响

哺乳动物的肠道中含有数万亿种微生物，越来越多的证据表明，肠道微生物在肥胖、糖尿病、心血管疾病、慢性肾病等疾病中起着重要的作用[19]。动物和人体实验证明，膳食中仅10%～30%的美拉德反應产物可被宿主吸收，剩余的美拉德反应产物可作为微生物代谢底物[20]。目前美拉德反应产物对肠道菌群和健康的影响存在一定争议，其可能存在有益的影响，如抗氧化、抑菌、抗高血压和益生元特性等，也可能具有有害的健康影响，如致突变性、致癌性、细胞毒性、提高有害菌丰度等[21]。美拉德反应产物对肠道菌群及机体健康的影响不同可能归因于其生成的化合物的异质性，其调控机理仍需要进一步阐明。

2.1 体外发酵特性

利用人源粪便菌群体外酵解模型研究证实美拉德反应产物可以被某些种类的肠道菌群选择性地代谢[22]。Han等[23]研究了草鱼肌原纤维蛋白与葡萄糖美拉德反应产物对肠道菌群体外发酵的影响，发现有较多Amadori产物和较低褐变强度的糖基化蛋白增强了基于种级水平的粪便微生物多样性，可能对肠道健康有潜在的积极影响。美拉德反应产物的糖基化程度影响着发酵过程中丁酸的产生，并与光岗菌属（Mitsuokella）、毛螺菌科UCG-004（Lachnospiraceae_UCG-004）、萨特氏菌（Sutterella）等呈显著正相关，与肠球菌（Enterococcus）、志贺氏菌（Escherichia-Shigella）、考拉杆菌（Phascolarctobacterium）呈负相关。Xu等[24]研究了糖基化酪蛋白的体外发酵，发现美拉德反应显著提高了乳酸杆菌属（Lactobacillus）、巨球菌（Megasphaera）、链型杆菌属（Catenibacterium）和罗斯氏菌（Roseburia）的相对丰度，显著降低了短链脂肪酸（SCFAs）的生成。人肠道菌群对水解酪蛋白巨肽和益生元碳水化合物（乳果糖、低聚半乳糖）产生的糖基化产物的体外发酵显示出良好的双歧效应[25]。

2.2 体内动物模型

2.2.1 健康鼠 Aljahdali等[26]对健康小鼠饲喂不同类黑精含量的大麦麦芽，发现类黑精的增加导致肠道微生物的显著差异，Dorea属、颤杆菌属（Oscillibacter）和另枝菌属（Alisitpes）的相对丰度降低，而乳杆菌属（Lactobacillus）、副萨特氏菌属（Parasutterella）、艾克曼菌属（Akkermansia）、双歧杆菌（Bifidobacterium）和巴恩斯氏菌（Barnesiella）的相对丰度增加。小鼠食用最高类黑精含量的麦芽后，双歧杆菌（Bifidobacterium）和艾克曼菌（Akkermansia）显著增加，表明其具有显著的益生元潜力。Jin等[27]研究了通过美拉德反应制备的低聚半乳糖和鱼肽复合物对大鼠结肠发酵和肠道菌群组成的影响。饲喂美拉德反应产物饲料后，增加了大鼠近端结肠SCFAs总量（44%）、丁酸（55%）、丙酸（1.23倍）和远端结肠丁酸（74%）水平，且增加了厌氧弧菌属（Anaerovibrio）和普氏菌属（Prevotella-9）的相对丰度，降低了拟普雷沃菌属（Alloprevotella）和霍尔德曼氏菌（Holdemanella）的相对丰度，提高了低聚半乳糖的益生元活性。Helou等[28]评估了面包类黑精对大鼠肠道菌群组成的影响，未观察到饮食对厚壁菌（Firmicutes）、拟杆菌（Bacteroidetes）和乳酸菌（Lactic flora）的影响，饲喂面包皮（富含类黑精）和面包屑（低类黑精）后，双歧杆菌（Bifidobacteria）的数量显著增加，此双歧效应最可能与面包中抗性淀粉有关，而不是类黑精或小麦天然膳食纤维。

2.2.2 高脂鼠 肠道菌群可参与调节宿主的能量吸收和脂质代谢[29]，与肥胖等疾病密切相关，建立高脂诱导的疾病模型是研究肠道菌群与肥胖等相关疾病关系的有效方法[30]。Mao等[31]研究了葡萄糖和鱼蛋白的糖基化产物对高脂饮食诱发的高脂血症大鼠肠道菌群的影响，发现与饲喂鱼蛋白（FP）相比，糖基化鱼蛋白（GP）膳食显著改变了蛋白质发酵方式，降低了炎症标志物和血脂，但增加了美拉德反应晚期产物在血浆中的积累及粪便排泄。此外，添加GP显著降低了瘤胃梭菌属_6（Ruminiclostridium_6）和脱硫弧菌属（Desulfovibrio）的丰度，低水平GP饲料（含6% GP+14% FP）对产丁酸瘤胃球菌属_1（Ruminococcus_1）和罗斯氏菌（Roseburia）的增加作用更显著，高水平GP饲料（含12% GP+8% FP）显著降低了螺杆菌属（Helicobacter）和毛螺菌科NK4A136（Lachnospiraceae_NK4A136_group）的丰度。总的来说，摄取低水平的GP可能为肠道健康提供更多的益处。Zheng等[32]研究了乳酸链球菌肽与壳寡糖的糖基化复合物对高脂饮食所致小鼠肥胖的影响，及对肠道菌群的调节作用，结果表明，美拉德反应产物对肥胖有明显的改善作用，并显著促进了双歧杆菌（Bifidobacterium）和乳酸菌肠球菌属（Lactobacillus-Enterococcus）的生长，同时对拟杆菌（Bacteroides）、普氏杆菌（Prevotella）和梭状芽孢杆菌（Clostridium）有抑制作用，表明美拉德反应产物可能具有减肥效果，可作为一种功能性食品开发应用。

2.2.3 衰老鼠 衰老与氧化应激反应和自由基的形成密切相关，同时衰老过程通常伴随着肠道微生物失调，导致营养不良、便秘和结直肠癌等疾病的发生[33]。D-半乳糖诱导的衰老小鼠具有与自然衰老相似的症状，被广泛用于抗衰老药理学研究中[34]。美拉德反应产物可通过形成的抗氧化成分来抑制衰老进程。He等[35]研究了1 k～3 kDa大豆肽美拉德反应产物（MRPF3）对ICR小鼠衰老的影响，与衰老对照组相比，饲喂MRPF3后食物摄入量、体重、器官指数均恢复正常，粪便颜色和尿液荧光强度增加。肝脏丙二醛含量随MRPF3摄入量的增加而显著降低，SOD、GSH-Px活性及血清总抗氧化能力显著增强。MRPF3组拟杆菌（Bacteroidetes）和厚壁菌（Firmicutes）的丰度显著降低，且乳酸菌（Lactobacillus）的丰度显著增加，而紫单胞菌科（Porphyromonadaceae）等潜在致病菌的丰度降低。结果表明，MRPF3可能具有延缓衰老的作用。Zhang等[36]的研究也表明，大豆肽、L-半胱氨酸和D-木糖的美拉德反应产物能够减轻衰老小鼠的氧化应激、系统性炎症和脑认知损伤，促进了益生菌乳酸菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）的生长，可能具有潜在的益生元活性来延缓衰老。

2.2.4 其他模型 結肠炎、前列腺炎等疾病模型也被用来研究美拉德反应与肠道菌群之间的关系。Aljahdali等[37]使小鼠连续3周口服高级阶段的糖基化产物羧甲基赖氨酸（CML），在最后一周用葡聚糖硫酸钠（DSS）或三硝基苯磺酸（TNBS）诱导小鼠结肠炎，分析了CML对结肠炎小鼠肠道菌群组成的影响。结果表明，口服CML不引起也不能防止肠道炎症，对肠道菌群的影响有限[拟杆菌科（Bacteroidaceae）增加，毛螺菌科（Lachnospiraceae）减少]。但CML缓解了DSS诱导结肠炎小鼠的失重，并维持其肠道菌群的健康。Chen等[38]探究了葡萄糖-乳清分离蛋白美拉德反应产物对老年小鼠自身免疫性前列腺炎的影响，表明了其作为食疗产品的应用潜力。小鼠口服早期糖基化产物6个月后，与对照组相比，存活率提高，前叶巨噬细胞浸润和前列腺炎症减轻。肠道菌群的丰度改变，拟杆菌属（Bacteroides）和普氏菌属（Prevotella）等增加，阿德勒克罗伊茨菌属（Adlercreutzia）和罗斯氏菌属（Roseburia）减少，菌群的改变与免疫功能的变化有关。

3 展望

肠道菌群的稳态与宿主的健康密切相关，膳食结构是调控肠道菌群结构的主要因素之一，而美拉德反应在食品加工和贮藏过程中广泛存在，其过程及产物非常复杂，与肠道菌群的相互作用对人体健康至关重要。美拉德反应产物对肠道微生物表达功能特性的影响，以及微生物对美拉德反应产物代谢和生物降解的影响，是食品科学、医学等学科研究的热点之一。目前关于美拉德反应产物在体内对肠道菌群和机体健康的研究较少且存在一定争议，需要进一步研究美拉德反应产物与肠道菌群互作的量效、构效及组效关系，以更好地评估美拉德反应产物对不同健康状况和疾病的影响，为其作为功能性食品成分的开发和应用提供科学依据。

参考文献

[1]Lund M N，Ray C A.Control of Maillard reactions in foods：strategies and chemical mechanisms[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry，2007，65（23）：4537.

[2]Horvat ，Rocˇic′ M.Glycosylation of lysine-containing pentapeptides by glucuronic acid：new insights into the Maillard reaction[J]. Carbohydrate Research，2010，345（3）：377-384.

[3]Kellow N J，Coughlan M T.Effect of diet-derived advanced glycation end products on inflammation[J]. Nutrition Reviews，2015，73（11）：737-759.

[4]Han K，Jin W Y，Mao Z J，et al.Microbiome and butyrate production are altered in the gut of rats fed a glycated fish protein diet[J]. Journal of Functional Foods，2018（47）：423-433.

[5]韓凯宁，董士远，姚烨，等.美拉德反应产物对肠道微生物影响的研究进展[J]. 食品科学，2017（9）：272-277.

[6]Nicholson J K，Holmes E，Kinross J，et al.Host-gut microbiota metabolic interactions[J]. Science，2012，336（6086）：1262-1267.

[7]Flint H J.The impact of nutrition on the human microbiome[J]. Nutrition Reviews，2012，70（suppl 1）：S10-S13.

[8]Nooshkam M，Varidi M，Kumar Verma D.Functional and biological properties of Maillard conjugates and their potential application in medical and food：a review[J].Food Research International，2020（131）：109003.

[9]Yang Y，Wu H H，Dong S Y，et al.Glycation of fish protein impacts its fermentation metabolites and gut microbiota during in vitro human colonic fermentation[J]. Food Research International，2018（113）：189-196.

[10]Fu Y，Zhang Y H，Soladoye O P，et al.Maillard reaction products derived from food protein-derived peptides：insights into flavor and bioactivity[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2019.https：//doi.org/10：1080/10408398.2019.1691500.

[11]Jose M.Silván，Assar S H，Srey C，et al.Control of the Maillard reaction by ferulic acid[J]. Food Chemistry，2011，128（1）：208-213.

[12]Doost A S，Nasrabadi M N，Wu J F，et al.Maillard conjugation as an approach to improve whey proteins functionality：A review of conventional and novel preparation techniques[J].Trends in Food Science & Technology，2019（91）：1-11.

[13]de Oliveira，F.C，Coimbra，J.S.d.R，de Oliveira，E.B，et al.Food protein-polysaccharide conjugates obtained via the Maillard reaction：a review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2016，56（7）：1108-1125.

[14]Corzo-Martínez M，Marta á，Moreno F J，et al.Effect of milk protein glycation and gastrointestinal digestion on the growth of bifidobacteria and lactic acid bacteria[J]. International Journal of Food Microbiology，2012，153（3）：420-427.

[15]Deng Y，Wierenga P A，Schols H A，et al.Effect of Maillard induced glycation on protein hydrolysis by lysine/arginine and non-lysine/arginine specific proteases[J]. Food Hydrocolloids，2017（69）：210-219.

[16]Zenker H E，Lieshout G A A V，Gool M P V，et al.Lysine blockage of milk proteins in infant formula impairs overall protein digestibility and peptide release[J]. Food & Function，2020，11（1）：358-369.

[17]Hu Y，Sun D X，Liu L，et al.Modification of peanut protein isolate in glucose-containing solutions during simulated industrial thermal processes and gastric-duodenal sequential digestion[J].Food Chemistry，2019（295）：120-128.

[18]Wada Y，Lonnerdal B.Effects of different industrial heating processes of milk on site-specific protein modifications and their relationship to in vitro and in vivo digestibility[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014，62（18）：4175-4185.

[19]Rooks M G，Garrett W S.Gut microbiota，metabolites and host immunity[J]. Nature Reviews Immunology，2016，16（6）：341-352.

[20]Erbersdobler H F，Faist V.Metabolic transit of Amadori products[J]. Food，2001，45（3）：177-181.

[21]Aljahdali N，Carbonero F.Impact of Maillard reaction products on nutrition and health：current knowledge and need to understand their fate in the human digestive system[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2019，59（3）：474-487.

[22]Snelson M，Coughlan M T.Dietary advanced glycation end products：digestion，metabolism and modulation of gut microbial ecology[J]. Nutrients，2019，11（2）：215.

[23]Han K，Yao Y，Dong S，et al.Chemical characterization of the glycated myofibrillar proteins from grass carp （Ctenopharyngodon idella）and their impacts on the human gut microbiota in vitro fermentation[J]. Food & Function，2017，8（3）：1184-1194.

[24]Xu D，Li L，Zhang X，et al.Degradation of peptide-bound maillard reaction products in gastrointestinal digests of glyoxal-glycated casein by human colonic microbiota[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry，2019，67（43）：12094-12104.

[25]Hernandez-Hernandez O，Sanz M L，Kolida S，et al.In vitro fermentation by human gut bacteria of proteolytically digested caseinomacropeptide nonenzymatically glycosylated with prebiotic carbohydrates[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59（22）：11949-11955.

[26]Aljahdali N，Gadonna-Widehem P，Anton P M，et al.Gut microbiota modulation by dietary barley malt melanoidins[J]. Nutrients，2020，12（1）：241.

[27]Jin W，Han K，Dong S，et al.Modifications in gut microbiota and fermentation metabolites in the hindgut of rats after the consumption of galactooligosaccharide glycated with a fish peptide[J]. Food & Function，2018，9（5）：2853-2864.

[28]Helou C，Anton P M，C.Niquet-Léridon，et al.Fecal excretion of Maillard reaction products and the gut microbiota composition of rats fed with bread crust or bread crumb[J]. Food & Function，2017，8（8）：2722-2730.

[29]李爽.基于高通量測序研究陈皮提取物对高脂饮食小鼠肠道菌群的影响[D].哈尔滨：东北农业大学，2017.

[30]卞恒娟.利用伪无菌小鼠研究肠道菌群在茶多酚减肥中的作用[D].广州：华南农业大学，2016.

[31]Mao Z J，Ren Y M，Zhang Q，et al.Glycated fish protein supplementation modulated gut microbiota composition and reduced inflammation but increased accumulation of advanced glycation end products in high-fat diet fed rats[J]. Food & Function，2019，10（6）：3439-3451.

[32]Zheng X J，Zhang X，Xiong C H.Effects of chitosan oligosaccharide-nisin conjugates formed by Maillard reaction on the intestinal microbiota of high-fat diet-induced obesity mice model[J]. Food Quality and Safety，2019，3（3）：169-178.

[33]Anand K V，Mohamed Jaabir M S，Thomas P A，et al.Protective role of chrysin against oxidative stress in d-galactose-induced aging in an experimental rat model[J]. Geriatrics & Gerontology International，2012，12（4）：741-750.

[34]Haider S，Liaquat L，Shahzad S，et al.A high dose of short term exogenous D-galactose administration in young male rats produces symptoms simulating the natural aging process[J]. Life Sciences，2015（124）：110-119.

[35]He S，Yu M，Sun H J，et al.Potential effects of dietary Maillard reaction products derived from 1 to 3 kDa soybean peptides on the aging ICR mice[J]. Food & Chemical Toxicology，2019（125）：62-70.

[36]Zhang Z Y，He S D，Cao X D，et al.Potential prebiotic activities of soybean peptides Maillard reaction products on modulating gut microbiota to alleviate aging-related disorders in D-galactose-induced ICR mice[J]. Journal of Functional Foods，2020（65）：103729.

[37]Aljahdali N，Gadonna-Widehem P，Delayre-Orthez C，et al.Repeated oral exposure to Nε-carboxymethyllysine，a Maillard reaction product，alleviates gut microbiota dysbiosis in colitic mice[J]. Digestive Diseases & Sciences，2017，62（12）：3370-3384.

[38]Chen Y J，Guo K M，Nagy T，et al.Chronic oral exposure to glycated whey proteins increases survival of aged male NOD mice with autoimmune prostatitis by regulating the gut microbiome and anti-inflammatory responses[J]. Food & Function，2020，11（1）：153-162.