富含sn-2_DHA脂質對大腦的益處及其酶法合成綜述_金俊(點擊查看詳細PDF原版帶英文)

 

富含 sn-2 DHA 脂質對大腦的益處及其酶法合成綜述

金俊 a,b, 金青哲 b, 王興國 b,*, Casimir C. Akoh a,b,* a Department of Food Science and Technology, The University of Georgia, Athens, GA 30602, USA b International Joint Research Laboratory for Lipid Nutrition and Safety, State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

摘要

大腦中二十二碳六烯酸(DHA, w-3脂肪酸)的含量與中樞神經系統的正常發育和功能維持高度相關。 甘油酯sn-2位上的DHA可以被腸黏膜更好地吸收,從而實現機體對DHA的高效利用。然而,如今 人們在飲食中攝入較多的飽和脂肪或富含w-6脂肪酸的油脂,而攝入較少的DHA,從而導致了部分 個體在行為和神經生理學方面的缺陷。為了全面了解DHA對大腦的有益功能,本文系統介紹了天 然油脂甘油骨架上DHA的位置分布(sn-2和sn-1,3位)特征,并討論了DHA補充和通過腸-腦軸傳 遞信息的潛在功能機制。腸-腦軸包含的多條雙向信息通道為DHA、腸道菌群和大腦健康的相互作 用提供了新的研究思路。為了在日常飲食中攝入更多的sn-2 DHA,我們建議通過更為高效和經濟 的酯交換制造技術生產富含sn-2 DHA脂質,其中需要解決的關鍵技術包括強化酶的特異性和優化 純化工藝。這類飲食可滿足對sn-2 w-3脂質有強烈需求的人群,特別是嬰兒、兒童、孕婦和哺乳期 婦女。 ? 2020 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

 

1. 引言

二十二碳六烯酸(DHA)是一種22:6 w-3脂肪酸 (FA),它擁有獨特的分子結構和多個雙鍵,主要存在 于大腦細胞膜中,對神經和視網膜組織的發育至關重要 [1,2]。胎兒、新生兒和兒童在大腦發育期若缺乏DHA, 可能會造成神經生理學方面的疾?。ㄈ缯J知障礙、焦慮 癥等)和視覺功能的降低[3,4]。對于成年人,DHA在 維持認知功能和情緒表現方面也起著重要的作用[5]。 一般,DHA主要來源于富含α-亞麻酸(α-LNA; 18:3 w-3)的飲食和魚類、藻類等海洋食品。然而,人體內從α-LNA轉化為DHA的效率很低,并不能滿足日 常所需,尤其是對于孕婦、肝病或楓糖尿病患者[3,6,7]。 另一方面,隨著農業改革和食品工業的發展,人們日常 攝入的脂肪已經從海洋油脂或α-LNA類油脂(如亞麻 籽油)轉變為w-6類油脂(如大豆油、棕櫚液油和玉米 油)與飽和脂肪,從而使w-3脂肪酸的攝入降低,進一 步導致了母乳中DHA的含量的減少[8,9]。因此,現代 食品加入了更多的魚油、藻油和富含DHA的結構脂質 (structured lipids, SL), 以 便 人 們 可 以 直 接 攝 取 DHA [10]。研究顯示,攝入外源DHA的孕婦,其母乳 中的DHA含量會比素食主義者母乳的DHA含量高好幾倍 [11]。素食主義者母乳中的DHA主要來源于植物油脂 中w-3 FA在體內的轉化。 根 據 油 脂 來 源 不 同,DHA可分布在甘油三酯 (TAG)分子上不同的位點(sn-1,2或3位)。人體攝入 DHA后,sn-1,3位特異性胰脂酶會水解TAG,從而生成 sn-2單甘酯(MAG)和游離脂肪酸(FFA)[12]。sn-2 MAG可在小腸黏膜上被很好地吸收,進而被用于重 新合成TAG或磷脂(PL,腦細胞膜的重要組成部分) [13,14]。相比較而言,從sn-1和sn-3位水解下來的FFA 則沒有被針對性地吸收[15]。因此,DHA分布在sn-2位 的TAG比DHA隨機分布的TAG更有利于人體的吸收和 利用[16]。類似地,sn-2 DHA MAG相比于DHA甘油二 酯(DAG)和DHA乙酯也更容易被機體吸收[17,18]。 然而,目前關于DHA膳食或保健品的指南基本局限于對 DHA總量的推薦,很少涉及不同DHA位置分布的相關 信息。 基于藥理和營養角度,TAG和PL分子中DHA的位 置分布會影響大腦的發育和功能維持,因此闡明常見油 脂中DHA的分布以及富含sn-2 DHA脂質飲食的特點很 有必要。本文同時介紹了富含sn-2 DHA SL的酶法合成 技術以及相關的檢測分析方法。

2. 天然油脂和合成脂質中的 sn-2 DHA

DHA主要來源于海洋魚油和單細胞油脂[19]。sn-2 DHA脂質主要以TAG、DAG、MAG的形式存在于魚油 和藻油中,也有以PL的形式存在于蝦油和蛋黃脂質中 (圖1)。 常見油脂中DHA的含量見表1。單細胞藻油(如 Schizochytrium sp.油和Crypthecodinium cohnii油)的 DHA含量最高,為44.89%~48.20%, 其次為金槍魚油、 沙丁魚油、鳳尾魚油和鮭魚油等(9.76%~26.85%)。然 而,在這些魚油中,sn-2 DHA的含量要高于藻油中的 sn-2 DHA的含量。在魚油的TAG中,44.79%~72.99% 的DHA分布在sn-2位上,而在藻油TAG中,31.66%~ 42.09%的DHA分布在sn-2位上。這可能與如上所述的 sn-2 DHA脂質消化特性有關。魚類以藻類為食,通過 消化吸收藻油中的DHA脂質生成富含sn-2 DHA的MAG 或DAG,進而重新合成TAG,從而提高了sn-2 DHA的 占比[15]。 蛋黃和蝦油中的脂質一般以PL形式存在(圖1), 這與常見的魚油和藻油中的脂質不同。不同的脂質存在 形式會影響大腦對DHA的吸收。含有蝦油的飲食可以

增加大鼠大腦中DHA PL的含量,而PL正是大腦細胞膜 的主要組成部分[32]。 在人乳脂(HMF)中也含有少量DHA,約占總FA 的0.36%~0.70%,其中52.63%~65.15%的DHA分布在 sn-2位上(表1)。然而,DHA的含量從初乳至成熟乳逐 漸減少(0.56%~0.70%→0.36%~0.44%),但在sn-2位上 的相對含量卻從52.63%~55.71%增至61.39%~65.15%。 此外,在分娩雙胞胎或連續分娩的母親的母乳中,DHA 的含量逐漸降低[33,34]。臨床研究顯示,補充了a-LNA 但沒有補充DHA的嬰兒在出生后的前6個月無法維持其 大腦中正常的DHA濃度[35]。在新生兒體內,a-LNA 轉換為DHA的效率同樣很低。相比于HMF,許多市售 嬰幼兒配方奶粉脂肪(IFF)中的DHA和sn-2 DHA(相 對含量為27.56%~48.17%)水平均較低(表1)。在11款 西班牙產的IFF中,只有一款IFF在sn-2位上含有DHA。 一般而言,為維持神經系統的正常發育,嬰兒需從母乳 中日均攝取70~80 mg的DHA [34]。因此,為保護嬰兒 免受神經系統發育的缺陷,產婦的飲食中通常需要補充 外源DHA,尤其是sn-2 DHA脂質[4]。

 

3. sn-2 DHA 對大腦的有益功能

3.1. 吸收 sn-2 DHA 脂質增加大腦中 DHA 的積累 脂質約占腦組織干基重量的60% [34]。盡管DHA是 維持大腦和神經功能正常的關鍵物質,但其被機體吸收 和利用的程度顯著受到其在甘油骨架上的位置分布的影 響。相比于sn-1,2,3位上隨機分布的DHA,分布在sn-2 位上的DHA更容易被腸黏膜所吸收[16]。食用富含sn-2 DHA飲食的新生大鼠,其大腦PL [如磷脂酰絲氨酸和磷 脂酰膽堿(PC)]中的DHA含量顯著高于對照組食用牛 奶飲食大鼠的大腦PL中的DHA水平(表2)[36]。類似 的研究發現,相比于未酯化的DHA,大鼠大腦可以優 先利用sn-2溶血磷脂酰膽堿DHA(表2)[37]。此外,已 有大規模試驗表明,在孕期通過食用較多海洋油脂補充 DHA是安全的[38]。 3.2. DHA 通過腸 - 腦軸增強腦功能 情緒障礙是大腦功能缺陷的癥狀之一,目前認為該 癥狀與腸道菌群的改變關系密切[39]。近年來,人們對

大腦問題(如腦損傷、認知能力下降、精神分裂癥、中 風、焦慮癥、壓力和抑郁癥)和腸道菌群之間的相關性 頗感興趣。人體腸道內生活著1000多種微生物菌群,共 計約100萬億個微生物[40]。不同的菌群會改變大腦的 功能,反之中樞神經系統也可能間接影響腸道微生物的 組成。這一系列綜合性的雙向信號傳導途徑被定義為 腸-腦軸或腦-腸-菌群軸,主要涉及迷走神經和腦脊髓 傳導通路(圖2)[41,42]。 前期研究認為,腸道微生物在開發復雜腦功能障礙 的療法中起著重要作用。一般而言,含有DHA的飲食 干預會通過改變腸道微生物的組成而對行為和神經生理 障礙產生有益的影響[43,44],見表3。 從表3可知,在大鼠試驗中,補充DHA可重新構建 大鼠的腸道菌群并使之正?;?,主要表現為有益微生物 (如乳酸桿菌、雙歧桿菌和擬桿菌)豐度的增加,同時 變形桿菌(微小未裂桿菌)和藍細菌等的豐度減少,從 而有助于緩解早期應激、社交孤立或衰老等大腦功能的 相關障礙。此外,García-Ródenas等[49]認為,攝取富 含DHA的飲食,可以使腸道的通透性正?;?,進而減 輕心理壓力,但該路徑未表明需要重新構建腸道菌群。 這種差異表明,腸-腦軸機制包含多種雙向信息通道, 其中一些通道尚未被完全探明,因此需要更多的研究來 解釋DHA飲食作用于腸道微生物并影響大腦功能的潛 在機制。另外,DHA位置分布差異化的飲食(如富含 sn-2 DHA脂質飲食和DHA隨機分布脂質飲食)對腸-腦 軸的影響也有待進一步研究。 4. 酶法合成富含 sn-2 DHA 的油脂 許多嬰兒、孕婦和哺乳期婦女僅食用DHA前體物 質或含有有限DHA的食物[11]。目前DHA攝入量減少 主要與西式飲食的流行密切相關[50]。因此,開發低污 染和高效的油脂改性技術勢在必行,如以飽和脂肪與

表1中富含DHA的油脂為原料,通過酶法合成富含sn-2 DHA的改性油脂。這些技術主要包括酸解、酯交換、 醇解及其組合反應。 4.1. 酸解反應 許多制備sn-2 DHA SL的方法是將單細胞油脂[如來 自Crypthecodinium cohnii(DHASCO)的DHA單細胞 藻油]和FA(如辛酸)混合,進行一步酸解反應。其中, 所使用的酶主要是sn-1,3位特異性脂肪酶或對DHA具有 高活性的酶。 根據表4所列舉的酸解反應,最優條件的料液比為 1:3~1:18(油:FFA)、反應溫度為30~55 ℃、載酶量為 4%~15%、時間一般為幾十個小時[51–54]。sn-2 DHA的

含量受脂肪酶種類的顯著影響[62]。在一些研究中,脂 肪酶,如Pseudomonas sp. KWI-56對甘油的三個結合位 點無特異性,但對DHA和二十二碳五烯酸卻具有較高 活性,因此該脂肪酶可以解離sn-2位上的DHA,從而 在一定程度上導致?;D移[52]。這種副反應在辛酸和 不同脂肪酶存在時尤其容易發生[63]。開發更好的脂肪 酶是盡可能減少?;D移發生最好的方法。此外,從反 應產物中提純目標SL一直以來都較為復雜。對于小規 模反應,反應產物中的FFA可以通過堿液中和被去除, TAG則可通過正己烷萃取獲得,然后通過進一步蒸發溶 劑就可以獲得最終產物SL。 另外一條典型的制備sn-2 DHA SL的技術路徑是, 首先水解單細胞油脂或海洋魚油,以獲得DHA,然后 再將DHA酯化成TAG(表4)。在這條技術路徑中,首 先在添加有抗氧化劑(如丁基化羥基甲苯)的體系中, 通過氫氧化鉀皂化和鹽酸酸化海洋油脂獲得DHA,隨 后DHA與其他油脂酯化成目標SL,具體反應條件是料 液比為1:5~1:18(油:DHA)、載酶量為10%、反應溫度 為60~65 ℃、反應時間為24 h [25,31,55]。對于大規模試 驗或工業生產,多余的FFA可通過短程蒸餾法除去。 4.2. 酯交換反應 將富含DHA的油脂或DHA乙酯與FA乙酯進行酯交換是制備SL的另一條技術路徑(表4)。由于這類反應 涉及反應位置的特異性和DHA的空間位阻,因此對酶 的種類的篩選比較嚴格[52]。例如,在兩步法反應中, 將DHA乙酯和三辛酸甘油三酯以Alcaligenes sp.脂肪酶 作為催化劑進行非選擇性反應(50 ℃,90 h)來制取 DHA隨機分布的油脂,隨后利用Novozym 435脂肪酶作 為催化劑進行sn-1,3位特異性酯交換(40 ℃,40 h),制 得sn-1,3-二辛酸-2-DHA甘油三酯[56]。該反應在充氮體 系中進行,多余的乙酯和三辛酸甘油三酯則通過分子蒸 餾法去除。 4.3. 從 sn-2 DHA MAG 到 sn-2 DHA 甘油三酯 另一條典型的制備富含sn-2 DHA油脂的技術路徑 是,首先從海洋油脂中制取sn-2 DHA MAG,隨后在 MAG的sn-1,3位上接上FA(圖3和表4)。 由于DHA易氧化以及酶法催化過程中的?;D移 和成本等問題,從油脂中制備sn-2 DHA MAG是該技 術路徑的關鍵環節[64]。傳統方法是在乙醇體系中采用 Novozym 435脂肪酶進行反應,這種酶在乙醇中顯示出 sn-1,3位特異性[59,60]。最近有研究報道了一種高效的 制備富含sn-2 w-3多不飽和脂肪酸(PUFA)MAG的方 法,這種方法以Candida antarctica脂肪酶A作為催化劑, 是一種較為經濟的方法[65]。在一項同以Candida antarctica脂肪酶A為催化劑的研究中,sn-2 DHA含量為 20.88%的鳀魚油在低溫(35 ℃)下反應12 h時可被轉 換為sn-2 DHA含量為65.69%的MAG;與之類似,sn-2 DHA含量為3.24%的藻油在低溫(35 ℃)下反應12 h時 可被轉換為sn-2 DHA含量為22.20%的MAG [66]。這項 研究表明,Candida antarctica脂肪酶A在乙醇體系中表 現出無位置特異性且對w-3 PUFA無偏好,因此該脂肪 酶可較多地裂解非目標FA,從而將w-3 PUFA(如DHA 等)保留在甘油骨架上形成富含DHA的MAG [21,65,66]。 在純化時,含有DHA的副產物,如FFA和乙酯等, 可通過短程蒸餾法和分子蒸餾法回收,以備后續的重復 利用[67]。這條技術路徑的特點是具備較高的靈活性, 并利用sn-2 DHA MAG作為中間體制造不同類型的油 脂,如起酥油、人造黃油、涂抹脂、IFF、烘焙油脂和 糖果油脂等。 5. sn-2 DHA 的分析技術 TAG分子中FA的立體異構性分析主要是通過安裝 有火焰離子檢測器的氣相色譜技術開展。該方法首先利 用sn-1,3位特異性脂肪酶將TAG水解為MAG,然后通過 薄層層析法將sn-2 MAG分離出來,并將其甲酯化后進 行檢測器檢測[68]。其中,常用的sn-1,3位特異性脂肪 酶是胰脂酶。然而,有研究認為胰脂酶并不能充分水解 TAG分子上所有的FA,尤其是海洋魚油中的PUFA [57]。 胰脂酶水解的程度取決于FA的種類和雙鍵的位置[69]。 相比較而言,

Candida antarctica脂肪酶B(Novozym 435或Lipozyme 435)則可以較好地水解PUFA [70,71]。 盡管在很多情況下Lipozyme 435是一種非特異性脂肪 酶,但在過量的乙醇體系中,它會表現出sn-1,3位特異 性[70]。有研究分別利用Novozym 435和胰脂酶兩種方法測定了魚油中PUFA的組成,見表5。Novozym 435水 解魚油中PUFA的效率根據碳鏈長度與飽和度的不同而 不同。例如,用胰脂酶法測得的二十碳五烯酸(EPA) 含 量(7.5%~10.8%)高于用Novozym 435法測得的 EPA含量(6.8%~9.0%),而DHA的檢測結果正好相反 [71]。這說明Novozym 435相比于胰脂酶可以更好地水 解DHA。 總體上,Novozym 435法需要嚴格的水解條件才能完 全釋放TAG的sn-1,3位上的FA,如醇油比、反應時間和溫 度等,否則,會因水解反應不充分而導致檢測值低于C-13 核磁共振(13C NMR)的檢測值或預測值。在一項魚肝油 試驗中,由Novozym 435法得到的sn-2 DHA含量為69.4%, 該值低于由13C NMR法測得的sn-2 DHA含量(72.5%); 而當研究對象為金槍魚油時,兩者的sn-2 DHA含量的檢 測結果接近,其中Novozym 435法測得的值為53.1%,13C NMR法測得的值為52.0% [72]。 6. 結論 海洋魚油和藻油是典型的DHA來源油脂,其中約 一半的DHA FA結合在sn-2位上。相比于分布在sn-1,3位 上的DHA油脂,sn-2 DHA脂質這種獨特的結構可促使 DHA更易被腸黏膜所吸收,并被用于體內TAG或PL的 重新合成。因此,sn-2 DHA脂質在大腦功能發育和緩 解焦慮、壓力、認知能力下降、精神分裂癥和中風等腦 部疾病方面起到積極的作用。研究腸-腦軸是了解DHA 飲食對大腦功能有益影響的最有效策略。該機制認為, 通過DHA飲食的干預可以重新構建或正?;c道菌群, 從而解決與大腦功能相關的問題。然而,腸-腦軸包含 的諸多雙向信息通道尚未被完全研究清楚。今后我們還 需要進一步研究sn-2 DHA脂質補充對腸道微生物和大

腦功能的影響。 人類在兩歲以前,大腦中的DHA含量積累迅速。 雖然HMF中DHA的含量在嬰兒出生15天后已降至較低 水平,但sn-2 DHA含量卻呈增長趨勢,這也說明sn-2 DHA在嬰幼兒和兒童大腦發育中的重要性。因此,我 們建議在日常飲食中攝入富含sn-2 DHA的SL。這類SL 的制備可首先通過將富含DHA的油脂水解為sn-2 DHA MAG,再在sn-1,3位上結合所需的FA。在未來的研究 中,我們應開發高sn-1,3位活性或對ω-3 PUFA沒有偏好 的脂肪酶,從而在溫和的反應條件和純化技術下提高合 成的效率和經濟性。

致謝

本文得到了國家留學基金管理委員會資助項目 (201706790068)和江南大學食品科學與技術國家重點 實驗室自由探索資助課題(SKLF-ZZA-201705)的支持。 美國喬治亞大學食品科學與技術系也對該工作提供了部 分支持。

午夜夜伦鲁鲁片免费无码 - 视频 - 在线观看 - 电影影院 - 品赏网