《Food Research International》：Organ-specific toxicity of Maillard-derived 2-furfural and 5-hydroxymethylfurfural: Quantitative evidence from zebrafish
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该研究通过斑马鱼模型系统评估了美拉德反应产物2-呋喃甲醛和5-羟甲基呋喃醛的免疫、神经及肝毒性，发现两者均导致免疫和肝毒性，而2-呋喃甲醛在最低浓度即引发神经毒性。研究揭示了奶粉储存加剧上述化合物毒性，且复杂基质可能影响毒性表现。
王向新|陈青雪|罗书波|崔东英|穆思楠|李菊芳|谢青刚|李柏良|游洪
中国哈尔滨市东北农业大学食品学院，邮编150030
摘要
美拉德反应能够提升热处理婴儿配方奶粉（IF）的风味，但同时会产生糠醛衍生物，如2-糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF），这引发了安全性担忧。本研究使用野生型和转基因斑马鱼模型评估了这些化合物的毒性，并建立了定量浓度依赖性的毒性关系。与普通婴儿配方奶粉相比，储存后的婴儿配方奶粉中2-糠醛和5-HMF的含量升高，导致暴露于这些化合物的斑马鱼出现免疫、神经和肝脏毒性。这两种化合物在最大非致死浓度下均表现出免疫毒性，在所有测试剂量下均具有肝毒性。值得注意的是，5-HMF的神经毒性和胃肠道（GI）毒性较低，而2-糠醛在最低浓度下就表现出神经毒性，在10%致死浓度（LC10）下表现出胃肠道毒性。此外，婴儿配方奶粉中这些化合物的高含量可引发免疫、肝脏和神经毒性，但不会引起胃肠道毒性，这种差异可能归因于复杂的乳制品基质的影响。据我们所知，这是首次利用斑马鱼模型系统评估2-糠醛和5-HMF的免疫毒性、神经毒性、肝毒性及胃肠道效应，并建立定量、浓度依赖性的器官特异性毒性关系的研究。
引言
美拉德反应是还原糖的羰基与氨基酸的氨基之间发生的一系列非酶促化学反应。该反应会产生多种产物，广泛应用于食品加工（乳制品、肉类和植物性产品）、环境处理（热水解和有机废物预处理）（Geng & Zhou, 2022; Li et al., 2024）以及生物系统（Tessier, 2010）中。这种反应具有双重作用：一方面有助于形成理想的食品风味（Starowicz & Zieliński, 2019），另一方面也会产生潜在有害的化合物，如糠醛衍生物（Abraham et al., 2011）。其中，2-糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF）在加工食品中较为常见，它们是在酸性条件下美拉德反应的中间代谢产物（Li, Shen et al., 2022）。
尽管有许多研究探讨了5-HMF的潜在益处和不良影响，但研究结果仍存在不一致性。5-HMF具有清除2,2′-偶氮双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）和1,1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）自由基的能力，并能在体外抑制癌细胞增殖（Zhao et al., 2013），同时在体内对脂多糖（LPS）引起的肺炎具有保护作用，表现为巨噬细胞对LPS的反应减弱（Zhang et al., 2021）。然而，5-HMF的已知不良影响包括基因毒性、致突变性、免疫毒性以及可能的致癌作用（Abraham et al., 2011）。这些矛盾的结果通常被认为是剂量依赖性的。据估计，人体每天通过饮食摄入的5-HMF最大量为8.57毫克（Arribas-Lorenzo & Morales, 2010）。摄入后，5-HMF可被硫酸转移酶转化为5-磺氧甲基糠醛，后者进一步经过过烯丙基氯化作用生成5-(氯甲基)糠醛（Arribas-Lorenzo & Morales, 2010）——这两种代谢产物都具有潜在毒性。尽管已有大量研究，但5-HMF浓度与健康效应之间的定量关系仍不明确。相比之下，尽管2-糠醛在食品中作为美拉德反应产物非常普遍，其健康影响仍知之甚少（Durmaz & G?kmen, 2010; Giordano et al., 2003）。婴儿配方奶粉的加工过程往往促进美拉德反应的发生（Li, Jia et al., 2022b; Lund et al., 2022），从而增加2-糠醛和5-HMF的生成。然而，其复杂的成分可能掩盖了机体实际接触特定有毒物质的程度。
斑马鱼被认为是毒理学研究的理想脊椎动物模型，大约71.4%的人类基因在斑马鱼中有对应基因（Choi et al., 2021）。神经发生、轴突生成和神经元亚型分化等关键过程在斑马鱼和哺乳动物之间高度保守（Hou et al., 2023; Nishimura et al., 2015）。因此，近年来斑马鱼被广泛用于评估食品中的化学危害的毒性并阐明新的毒性机制（Bailone et al., 2019; Hou et al., 2023）。在本研究中，我们使用了多种斑马鱼模型，包括野生型AB品系以及表达荧光标记物的转基因品系（中性粒细胞为绿色、T细胞为红色、巨噬细胞为绿色、运动神经元也为绿色）。此外，我们还测定了市售婴儿配方奶粉及其加速储存后的2-糠醛和5-HMF含量，并评估了这两种配方奶粉的毒性。
虽然美拉德反应产生的糠醛衍生物在热处理食品中普遍存在，但系统的毒理学数据仍然匮乏。以往的研究主要集中在2-糠醛和5-HMF的抗氧化和毒理学性质上，而它们在婴儿配方奶粉中的潜在影响尚未得到充分探索。本研究利用斑马鱼模型系统评估了2-糠醛和5-HMF的毒性，并建立了定量、浓度依赖性和器官特异性的毒性关系，为婴儿配方奶粉的安全评估和加工控制提供了重要见解。
化学品和试剂
主要使用的化学品是标准纯度的5-HMF（CAS 67-47-0）和2-糠醛（CAS 98-01-1）。其他主要化学品及其供应商包括甲基纤维素（批次C2004046；上海阿拉丁生化科技有限公司，中国）、二甲基亚砜（DMSO；批次BCCD8942；Sigma-Aldrich，瑞士）、吖啶橙（AO；批次C12894919；上海麦克莱恩生化科技有限公司，中国）。此外，还使用了4%的甲醛组织固定剂（批次20,230,401；北京索莱博公司）
不同处理方式下的奶粉对斑马鱼的毒性和不良影响
本研究评估了储存后的婴儿配方奶粉的毒性，并通过斑马鱼实验验证了其中的毒性化合物。（图1A）普通婴儿配方奶粉和储存后的婴儿配方奶粉均被用于评估免疫相关指标（血液中性粒细胞计数和胸腺T细胞计数）对中枢神经系统细胞以及肝脏形态和面积变化的影响。结果显示，在三种测试浓度下，普通婴儿配方奶粉均未检测到异常。然而，储存后的婴儿配方奶粉在21.0毫克/毫升的浓度下……
讨论
虽然美拉德反应对风味形成至关重要，但它也会产生具有潜在健康风险的化合物，包括糠醛类化合物，这些化合物已被报道具有致癌性、细胞毒性和与代谢疾病的相关性（Nesreen & Carbonero, 2019）。其中，2-糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF）是在酸性条件下形成的美拉德反应中间产物（Li, Shen et al., 2022）。然而，它们的全身毒性……
结论
总之，本研究全面了解了美拉德反应产生的糠醛化合物的毒理学效应，证实2-糠醛和5-HMF在斑马鱼模型中均能诱导免疫毒性和肝毒性，而2-糠醛仅在暴露后还会引起神经毒性和胃肠道毒性。这些化合物诱导免疫毒性的浓度因免疫细胞类型而异，但在最低致死浓度（MNLC）下均能引发显著效应。
CRediT作者贡献声明
王向新：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学设计、数据分析、概念构思。陈青雪：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。罗书波：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。崔东英：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。穆思楠：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。李菊芳：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。谢青刚：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。李柏良：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
