传统食物蛋白质营养评价体系面临的挑战与建议

韩 飞

（国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037）

蛋白质缺乏是世界问题。FAO 2013年的报告指出，全球有10亿人口蛋白质摄入不充分，在非洲中部和南亚有 10%～30%的儿童蛋白质摄入缺乏[1]。而中国的蛋白质缺乏问题主要表现在蛋白饲料资源的缺乏上，我国每年进口约 9 000万 t大豆用以豆粕生产和榨油。蛋白质的科学评价和合理高效利用是缓解蛋白质缺乏的有效途径之一。同时，膳食营养与国民健康息息相关，膳食蛋白质是最重要的宏量营养素之一，蛋白质摄入数量不足或过多，氨基酸摄入不平衡等都会对身体健康造成极大的影响，粮食蛋白和动物蛋白是人们日常膳食中最主要的蛋白质来源，如何正确选择和搭配不同蛋白来源的食物是人们生活中经常遇到的问题，也是关系国民营养与健康水平的重要因素。动物蛋白长期以来一直都被认为是优质蛋白，而植物蛋白，尤其是粮食蛋白，由于氨基酸构成比例与人体或动物体的氨基酸构成比例相去甚远，转化效率较低，一直被认为是低质蛋白。

当前国际上评价食物蛋白质品质的理论体系一直是传统的氨基酸生物利用率方法，不管是以前的氨基酸评分（amino acid score，AAS）、蛋白质功效比值（protein efficiency ratio，PER）、蛋白质消化率校正氨基酸评分（protein digestibilitycorrected amino acid score，PDCAAS），还是近年来的可消化必需氨基酸评分（digestible indispensable amino acid score，DIAAS）都是基于氨基酸，尤其是必需氨基酸的消化吸收量与机体氨基酸的需求量匹配程度为基础的，对于单一氨基酸对健康的效应考虑的非常少。国内对于食品蛋白质的品质评价大多还停留在AAS阶段，仅有Han等[2-4]采用最新的 DIAAS方法评价了我国居民日常膳食中食用的谷物[2,4]和豆类[3-4]的蛋白质品质，但研究范围和程度还远远不够，急需开展更加深入系统的研究工作。

1 食物蛋白质品质评价研究进展

蛋白质、氨基酸和氮代谢共同决定了人体膳食蛋白质的代谢需求，氨基酸代谢除了需要维持组织蛋白在适度水平，还需满足氨基酸衍生代谢和生长、怀孕及泌乳时所需的额外需求。人体重要的功能，如免疫和宿主防御、线性生长和相关智力发育等都会受到蛋白质品质的影响，而蛋白质品质也会受加工和烹饪后蛋白质生物利用度的影响[5-6]。

由于蛋白质对机体生命维持及生长发育的重要影响，国际上对食物蛋白质品质评价的研究工作一直很重视。食物蛋白质品质评价方法包括非生物学和生物学评价法。非生物学方法包括氨基酸评分、必需氨基酸指数及氨基酸比值系数分等；生物学评价法包括蛋白质功效比值（PER）、蛋白质消化率校正氨基酸评分（PDCAAS）和可消化必需氨基酸评分（DIAAS）等。这些评价方法的发展经历了从化学分析到生物学分析、从表观到真实、从简单到复杂的评价过程。非生物学方法主要考察的是食物蛋白质必需氨基酸含量与推荐的参考蛋白必需氨基酸含量的比较，这些方法没有考虑食物蛋白质的消化利用率，不能真实地反映真正被动物消化利用的氨基酸数量[7]；而生物学方法重点考虑的是机体摄食食物蛋白质后直观的体重增长或食物蛋白质（氨基酸）在机体中的消化率，生物学方法不是仅仅考虑食物蛋白质（氨基酸）的化学成分含量，而是考虑动物体对食物的消化利用情况，因此生物学方法比非生物学方法更接近人体对蛋白质（氨基酸）的真实需求，因而更科学。

生物学评价方法主要经历了PER到PDCAAS再到 DIAAS的发展过程。PER最早是由美国AOAC推荐的标准方法，1919年后在国际上被广泛采用[8]。PER的具体方法是：给10只试验断奶大鼠饲喂检测蛋白，另10只大鼠饲喂相同比例参比蛋白（酪蛋白），记录大鼠的采食量及体增重，4周后计算PER。PER的数值越高表明食物蛋白质的品质越好。计算公式为[8]：

PER在使用中存在如下的局限性[9]：（1）与人体试验结果相比，大鼠试验测得的PER值可能高估了一些动物蛋白的营养价值而低估了一些植物蛋白的营养价值；（2）大鼠和人类的必需氨基酸需要模式不同。虽然PER在应用上有其局限性，但由于其简便易测，目前仍是国际上一些国家用来评价食物蛋白质质量的标准方法之一。

由于 PER在使用过程中存在上述局限性，1991年 FAO提出了用蛋白质消化率校正氨基酸评分（PDCAAS）来评价食物蛋白质营养价值[10]。PDCAAS是以待测蛋白质的第一限制性氨基酸乘以待测蛋白质的真粪便消化率，再与参比蛋白质的相同氨基酸含量相比，所得到的比值作为评分数据，数据的上限为 1。PDCAAS数据越大表明蛋白质品质越好。其中，待测食物蛋白的真粪便消化率是以大鼠为模型动物测定的。具体计算公式为[10]：

PDCAAS在使用过程中也存在如下局限性[11]：（1）PDCAAS是基于真粪便氮消化率而不是个体回肠氨基酸消化率，因此不能反映个体氨基酸的消化率和可消化氨基酸含量；（2）由于后消化道微生物对蛋白质的合成作用，会在某种程度上高估蛋白质的真消化率，因此 PDCAAS值会被高估；（3）PDCAAS最大值是1，因此一些高质量的蛋白不能被突显出来；（4）由于大鼠不论是生长和维持对氨基酸的需求模式都与人不同，用大鼠模型测定真粪氮消化率存在弊端。目前PDCAAS仍是国际上被广泛采用的标准方法之一。

基于以上PDCAAS的局限性，2013年FAO提出用可消化必需氨基酸评分（DIAAS）替代PDCAAS评价食物蛋白质品质[5]。DIAAS是利用内源性氨基酸（endogenous amino acid，EAA）损失校正表观回肠氨基酸消化率（apparent ileal amino acid digestibility，AID）至真回肠氨基酸消化率（true ileal amino acid digestibility，TID），得出机体真正从食物中消化获得的可利用必需氨基酸的量，再与人体不同年龄阶段必需氨基酸的需求量比较得出评分数据。DIAAS的计算公式如下[5]：

DIAAS是基于回肠末端氨基酸消化率测定的。消化道和外分泌腺分泌大量氨基酸和其他含氮化合物进入肠腔并且只有部分物质被消化和吸收，回肠食糜中的非日粮成分校正表观消化率系数至真消化率系数，能更准确的描述饮食中的蛋白质消化率。必需氨基酸消化率应来自人体回肠必需氨基酸真消化率，在人体资料不易获得的情况下，可采取以生长期的猪为模型动物获得的回肠必需氨基酸消化率，其次采用生长期大鼠为模型动物。2013年FAO“人类营养中膳食蛋白质质量评估”专家咨询报告中针对不同人群提出的DIAAS的氨基酸评分模式见表1[5]。

表1 不同人群DIAAS的评分模式[5]Table 1 Recommended amino acid acoring patterns for infants, children and older children, adolescents and adults[5]（mg/g蛋白）

DIAAS能更真实地反映机体对氨基酸的消化利用程度以及食物中蛋白质对人体氨基酸和氮代谢的贡献[12]。从2013年FAO提出用DIAAS评价食品蛋白质品质以来，世界上许多国家都开展了一系列针对本国食品蛋白质品质评价的研究，尤其以新西兰、美国、加拿大、荷兰和印度的研究较多。国内仅有Han等[2-4]分别以大鼠和猪作为模型动物，对我国常见的谷物（糙米、精米、小麦粉、燕麦、甜荞、苦荞、小米、糜子、薏苡等 9种谷物）和杂豆（绿豆、小豆、芸豆、豌豆、蚕豆、鹰嘴豆等6种杂豆）煮熟后的DIAAS进行了系列研究。

当前对于食品蛋白质评价的 DIAAS研究发现，动物蛋白的DIAAS值一般均大于90[7,13-16]，谷物蛋白的 DIAAS一般均小于 68[2,4,13-19]，豆类蛋白的 DIAAS范围为 55～94[3,4,18-22]。根据 FAO专家委员会的评价标准[5]，DIAAS大于75为优质蛋白，那么所有的谷物蛋白均为低质蛋白，动物蛋白均为优质蛋白，而一部分豆类蛋白为优质蛋白。

2 传统食物蛋白质评价体系面临的挑战

目前，常用蛋白质的评价体系是以氨基酸的生物利用率为参考指标。然而，膳食蛋白与营养相关慢性疾病的关系研究，尤其是蛋氨酸限制饮食（methionine-restricted diet，MRD）对健康的有益作用正对这一评价体系提出了严峻的挑战。一系列研究发现，当给啮齿类动物日粮中蛋氨酸摄入量限制为蛋氨酸需求量的20%时，可以显著减少机体脂肪的积累，增加能量支出和代谢的灵活性，增强胰岛素敏感性，改善脂类代谢，降低炎症反应，并且可以显著延长啮齿类动物的寿命。这些结果表明，仅仅通过评价蛋白质的氨基酸生物利用率，并与人体的氨基酸需要量进行匹配的蛋白质评价体系显然已不能全面反映蛋白质品质，尤其是蛋白质的健康品质。同时，一些粮食蛋白，如荞麦蛋白、杂豆类蛋白的第一限制性氨基酸均为蛋氨酸。近年来的研究发现，这类食物有很多有益于健康的功效，相关研究往往将其归因于富含膳食纤维、植物化学物等，并未充分考虑其作为天然的蛋氨酸限制食物这一因素。

2.1 蛋氨酸限制饮食（methionine-restricted diet，MRD）

蛋氨酸是一种人和动物的必需氨基酸，它在机体代谢过程中具有非常重要的生理作用，如蛋白质合成、参与一碳代谢、转硫途径等[23]。虽然蛋氨酸在膳食中是必需的，但是过多的蛋氨酸摄入会诱导贫血、氧化应激和多器官损伤（包括心脏、肝脏和肾脏等）、血脂异常和动脉粥样硬化等的发生[24-25]。近年来大量研究表明，MRD能够产生许多有益于机体健康的作用，包括延长酵母[26]、果蝇[27]、线虫[28]和啮齿动物[29-30]的寿命、减少机体脂肪积累[31-32]、降低体重[33-34]、改善胰岛素敏感性[34-36]、减少氧化应激和炎症反应[37]、抑制结直肠肿瘤和软组织肉瘤的生长[38]以及抑制年龄相关疾病的发生等[39]。其中，最突出的代谢益处是能量摄入和支出的协调性增加，其中能量支出的增加更为明显，机体通过增加维持现有组织（例如骨骼肌）所需的总能量的比例来限制持续的脂肪沉积[40-41]。近年来 MRD也有一些人群的临床研究，如用于高胱氨酸血症[42]、神经综合症[43]、转移性实体瘤[44]、甚至新冠肺炎（Covid-19）[45]的辅助治疗等；临床试验还发现，MRD干预可改善超重或肥胖女性的血浆生物标志物、血清成纤维细胞生长因子21（FGF21）以及脂肪组织基因表达等[46]，可增加脂肪氧化，提高胰岛素敏感性，减轻肥胖症[47]，可逆转衰老对体重、胰岛素抵抗和肥胖的负面影响[48]等，这些研究结果提示MRD干预可能是一种可行的治疗成年人因年龄引起的代谢综合征的有效方案。

2.2 蛋氨酸限制饮食的机理

由于大多数真核生物不能利用无机硫，所以含硫氨基酸（SAA）必须从饮食中摄入。SAA包括蛋氨酸（Met）和半胱氨酸（Cys）。由于 Cys可以通过转硫途径（TSP）由 Met从头合成，如果膳食中Met和Cys的摄入量都很低，那么Cys也将成为必需氨基酸。因此，更准确地 MRD应称为SAA限制饮食[49]。Met不仅是蛋白质合成的起始氨基酸，而且它的甲基（X-CH3）也是碳转移反应的来源。除了在蛋白质合成中的重要作用外，Cys还对谷胱甘肽的产生和氧化还原稳态起着关键作用。目前，独立于年龄或性别的SAA的人群推荐量为每日每公斤体重14～20 mg，Met的推荐摄入量为每日每公斤体重10～19 mg。由于缺乏年龄和/或健康相关试验数据，这些推荐摄入量并未得到普遍认同[50]，因此，SAA的适宜推荐摄入量仍需进一步深入研究。已有的文献表明过早的 MRD干预会限制断奶后幼龄鼠的生长、发育及组织沉积[48,51-52]，而 MRD干预成年鼠却能预防和减轻肥胖、提高胰岛素抵抗[51]，增加脂质输出和逆转小鼠肝脏中的脂肪变性[53]，预防肥胖小鼠 2型糖尿病的发作[54]等。因此，MRD极有可能不适合幼龄动物，却适宜肥胖或者代谢综合症的成年动物，以及进入或者正处在衰老状态的中老龄动物。

目前对于MRD机理的研究主要集中于MRD通过调节机体的能量代谢，进而影响机体健康效应。能量代谢减缓是慢性代谢性疾病与衰老的典型特征，而 MRD对机体作用的重要特征就是显著增强机体的能量消耗[55]。研究发现，限制蛋氨酸摄入能显著提高试验动物的采食量、能量支出和脂肪分解，降低血糖和血脂水平，促进机体供能水平[56]。由于蛋白质合成需要蛋氨酸作为底物,且高度耗能，因此推测，蛋氨酸限制后，机体可能通过增加采食量、消耗大量脂肪和碳水化合物的方式来提高机体供能水平，从而提高蛋白质合成效率，维持蛋白代谢的平衡[56]。

MRD增强能量代谢的可能机制如下：一是改善糖代谢，比如通过上调循环FGF21水平从而改善葡萄糖代谢[48,57]；二是白色脂肪米色化，通过增加脂肪细胞解偶联蛋白 1（Ucp1）的表达和呼吸能力，从而导致能量消耗[58-59]；三是通过调节肾上腺素的分泌从而调节总热量消耗[58]；四是通过改善甲状腺稳态和减轻氧化应激，激活能量代谢，为蛋白质合成提供充足能量，从而在低蛋氨酸水平下满足机体蛋白质代谢基本需求[41,56,60]。

按照目前SAA推荐摄入量标准，当饮食蛋氨酸摄入量限制为蛋氨酸需求量的20%时，机体依然能保持正常生理功能，且并没有过多地降低蛋白质的合成[61]。研究发现，对一些物种，SAA限制和粗蛋白限制存在明显的表型重叠[62]；最近的一些试验还表明，MRD可能与Met在机体代谢过程中产生的硫化氢（H2S）有关[41,63]。同时有研究发现，MRD通过改善不同能量日粮中老龄鼠的甲状腺功能，调节海马依赖的焦虑抑郁和学习记忆功能，增加肠道微生物的多样性和有益菌的丰度，改善中老龄鼠的肠道粘膜功能，从而改善中老龄鼠的健康状况[51,64]。

3 应对挑战的思考和建议

由于 MRD对成年啮齿类动物的健康作用已经非常明确，因此，食品中蛋氨酸的含量对食品蛋白质的品质评价有显著的影响。按照传统蛋白质评价体系认为的劣质蛋白，如荞麦蛋白、豆类蛋白，由于其是天然的蛋氨酸限制食品，从健康角度来说可能是优质蛋白，而且对不同的年龄或生理阶段的目标人群，相同的蛋白食品也有可能被定性为不同的优劣程度。为了客观表征这种优劣程度，最好能引入数字指标，因此，经过深入思考，笔者首次提出用蛋氨酸分数（methionine score，MS）来表征食品的这种蛋白质品质。

蛋氨酸分数（MS）被定义为，食物中可消化的蛋氨酸含量（包括胱氨酸含量）与目标人群蛋氨酸需求量（包括胱氨酸的需求量）的比值。用公式表述如下：

其中，参比蛋白中所含有的蛋氨酸加胱氨酸的数量参考 2007年世界卫生组织/联合国粮农组织/联合国大学（WHO/FAO/UNU）报告中不同年龄段人群每天每公斤体重氨基酸的需求量确定[5]。当然，这个公式的表述是否准确还需要进一步展开研究和讨论。在这里采用可消化蛋氨酸和胱氨酸数量，而不是直接采用蛋白质中的蛋氨酸和胱氨酸的含量，是基于可消化氨基酸的数量能更真实的反映机体真正能利用的氨基酸数量考虑的。蛋氨酸分数并不是越高越好，也不是越低越好，应是一个适宜的范围，这个范围需要开展进一步的深入研究来确定。

MRD可以通过类似不严格的素食来实现。2017年Ables和Johnson整理了不同食物中的蛋氨酸含量[65]。他们指出蛋氨酸在肉类中含量丰富，尤其是红肉；坚果、种子、豆类、谷类和面食含量低；蔬菜和水果几乎不存在[66]。蛋氨酸天然含量低的食物构成MRD，类似于素食饮食[66]。而至今国内外 MRD的实际应用十分少见，作为健康膳食的推广或者相关产品开发都未起步，MS的研究和应用会加速 MRD健康膳食的推广和相关产品的研发。

4 结论

传统的食物蛋白质品质评价体系经历了从PER到PDCAAS再到DIAAS的过程，以猪为模式动物测定食物氨基酸的消化率已经接近准确，进一步的工作是建立食物对模型动物猪的氨基酸回肠消化率和不同年龄段人的消化率的回归方程，进而利用已经比较成熟和广泛的猪的饲料标准回肠消化率数据，扩充人的DIAAS数据库；另一方面是发展和完善食物体外回肠氨基酸消化率测定标准方法，建立食物体外氨基酸消化率和不同年龄段人群的消化率回归方程，进而快速扩充人的DIAAS数据库。但是，这一系列工作都是以食物的氨基酸与人体氨基酸需要量的匹配程度为评价标准的，没有考虑氨基酸的健康效应，因此在进一步发展传统食物蛋白质评价体系的同时，应同时考虑蛋白质的健康品质，建立基于氨基酸健康效应的评分体系，如蛋氨酸分数（MS），用以补充和完善食物的蛋白质品质评价体系。