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D-核糖产品功能与应用浅析


D-核糖(D-Ribose)是一种天然戊糖,存在于所有细胞中,是核苷酸、多种辅酶和基因物质DNA和RNA、细胞第二信使分子cAMP的重要组成成分,也是能量物质三磷酸腺苷(ATP)的结构成分,是细胞合成ATP的起始物质和关键因子,是细胞保持结构和功能完整的必不可少的物质,具有重要生理功能。

D-核糖纯品为白色结晶或结晶性粉末,微有芳香之味,味微甜,极易吸潮,易溶于水,在水中有过饱和倾向,微溶于乙醇,不溶于醚、苯、丙酮及三氯甲烷。
D-核糖是戊碳糖,分子中含有四个不对称碳原子,有五种同分异构体,分别为α-呋喃-D-核糖、β-呋喃-D-核糖、α-吡喃-D-核糖、β-吡喃-D-核糖以及开链型 D-核糖,在生物体内 D-核糖以β-呋喃-D-核糖的形式存在,在水溶液中,这五种异构体能够以很快的速度相互转化,因此,D-核糖具有复杂变旋光的性质。


D-核糖的生理功能
ATP是一切生命活动能量的重要来源,是维持肌肉收缩和细胞功能的基础能量物质。但人体组织细胞中ATP的总量却很少,如肌细胞中ATP贮存量只有2.5~3.5mg/g湿肌、心脏中的贮量也仅有约700mg,只能提供10次心跳的能量。人体生理活动所需的大量能量,依赖于ATP与ADP的快速转换与循环。正常情况下,人体组织细胞中的ATP在低浓度下保持稳定,称为ATP稳态,同时,ATP池中相关的能量物质(含ATP、ADP、AMP以及IMP等 )在低浓度下,按特定的比例保持动态平衡。
在高强度运动、供血不足或应急状态下,ATP合成速率低于分解速率,ATP的降解产物IMP,约40%以上会进一步降解并穿过细胞膜进入血液、随血液被运输到肝脏转变为尿酸,经尿液排出体外而丢失,造成ATP池能量物质的净丢失。研究表明,剧烈运动后,肌肉中ATP减少约18%;局部缺血20分钟,就会导致心肌细胞ATP减少约50%;心脏病患者心肌细胞能量比正常水平低约40%。细胞中能量物质的丢失会使肌肉中钙流失,从而造成肌肉紧张、四肢僵硬、酸痛和疲劳。
细胞丢失的大部分能量物质通过从头合成途径、补救合成途径恢复,骨骼肌和心肌细胞中相关途径限速酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢(6PGDH)活力很低,ATP恢复到正常水平需要3天以上。
D-核糖可形成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)参与核苷酸代谢,PRPP既可用于核苷酸的从头合成途径,又是核苷酸和ATP再生补救途径的重要参与者,是能量合成与补救的限速因子。
补充D-核糖可越过能量恢复途径的限速反应步骤,直接提高PRPP的水平,加速腺嘌呤核苷酸的生物合成,从而加速了受损后心脏和骨骼肌细胞能量库中腺嘌呤核苷酸库的重新补充。研究表明,补充D-核糖能将肌肉组织中能量从头合成速率提高3.4~4.3倍;在应急状态下,补充D-核糖能使肌肉细胞中能量补救合成速率提高3~8倍(P<0.001),合成速率取决于肌纤维类型与D-核糖的服用剂量,从而将细胞中能量维持在一定水平。这便是高强度运动、供血不足或应急状态发生后,机体能量恢复以及疲劳消除的关键。


D-核糖的应用现状
D-核糖在食品行业的应用较为有限,除了近来火热的某款功能饮料外,目前已批准的保健食品不足10款,绝大多数是2011年之前没有技术要求时审批的,在其他食品中应用更为罕见,究其原因,合规性是其最主要的限制因素。D-核糖在我国是按照食品添加剂进行管理,GB-2760规定D-核糖仅能作为食品用合成香料。合规性从根本上限制了D-核糖的广泛应用,而保健食品的申报将使企业面临较重的资金和技术压力,因此,D-核糖的应用需要向香料靠拢。某功能饮料正是凭借着香料的适用性而进行添加使用,这也折射出D-核糖的应用短板,缺乏有力的研究支撑。另外,D-核糖在功能饮料中应用的方向是取代牛磺酸,我们目前暂不能对二者的功能进行量化对比,但D-核糖的价格是牛磺酸的好几倍,从原料价格方面就制约了D-核糖的应用。国内对于D-核糖的应用研究起步较晚,2004年左右国外关于核糖的应用已经较为普遍,国内企业也纷纷对核糖的应用展开研究,但受制于标准、规范的限制,国内始终没有发展起来。缺乏品牌引领是其迟迟没有形成规范的原因之一,D-核糖在功能饮料的兴起对于行业是一件幸事,首先是为功能饮料行业注入新的活力,突破传统配方的禁锢。其次,提升食品行业对于D-核糖的关注度,为行业规范的形成起到促进作用,使企业能够合理、合规的使用D-核糖。

D-核糖产品的应用浅析
研究表明,D-核糖可有效提高细胞能量水平,具有增加能量、缓解疲劳、提高无氧阈值、提高运动能力、缓解肌肉僵硬和酸痛、改善心脏功能等功效,已广泛应用于食品饮料、植物肉、运动营养食品、保健食品、化妆品和动物营养产品中。
此外,D-核糖也是多种核苷类药物的重要中间体和起始原料,如卡培他滨、替格瑞洛、瑞德西韦等。

01、D-核糖在临床营养领域的应用
在食品饮料、营养保健领域,D-核糖主要用作能量补充剂、抗疲劳、耐缺氧的功效成分,用于能量饮料、运动营养、功能营养系列产品中。美国于20世纪90年代起,便陆续推出多种以D-核糖为主要功效成分的运动食品、功能食品、能量食品、膳食补充剂等,如D-核糖纯粉、D-核糖胶囊、D-核糖冲剂、能量棒、泡腾粉、泡腾片、运动饮料等等,用于增强运动能力、缓解肌肉紧张和高强度的工作压力而引起的大脑疲劳和精神委靡等症状。2002年诚志生命科技有限公司(简称“诚志生命”)开发了国内款以D-核糖为功效成分,具有抗疲劳、耐缺氧功效的保健食品“力搏士D-核糖冲剂” 【卫食健字(2002)第0597号】,推动了D-核糖在国内营养保健领域的应用。2016年,刘丹、刘静民等先后发表的研究论文结果表明,力搏士D-核糖冲剂在改善运动员无氧运动能力、有氧运动能力方面,均具有有益功效,极具推广价值。
在食品工业上,D-核糖可作为调味香精、用于合成呈味核苷酸和多种调味香精,广泛应用于肉制品、烘焙食品、休闲食品等各种食品中。

在植物肉加工过程中加入D-核糖,可与氨基酸类物质(包括蛋白质、肽、各种氨基酸等)发生美拉德反应,产生独特芳香风味的棕色或焦糖色产物,这些产物和脂肪酸类物质的氧化分解产物共同作用,可形成包含很多种肉味香气成分的肉味香精,产生如真肉一样的口感和风味。

D-核糖早期被列入美国FDA食品添加剂目录,并被批准作为膳食补充剂,2008年通过了GRAS安全性评估,成为新食品原料,2019年3月欧盟发布(EU)2019/506号条例,批准D-核糖作为新型食品投放市场。期间,D-核糖先后被列入欧盟、日本及中国的食品添加剂目录。


02、D-核糖在临床营养领域的应用
D-核糖在预防心脏功能衰退及治疗心律失常、心肌能量及功能恢复、心衰患者心脏功能保护以及心脏冬眠区域的识别等方面具有良好功效。在临床营养方面,用作心脏手术前后的营养支持。
诚志生命全资子公司诚志(美国)生物能量生命科技公司(Bioenergy Life Science简称BLS)开发了以D-核糖为主要功效成分的一系列临床营养品,如CORvalenTM 、RiboCORTM 和RiboCORⅠ.Ⅳ. TM,用于充血性心力衰竭、冠心病、心绞痛以及其他伴有心血管疾病症状的病人在手术治疗前后的营养支持。产品先后在Christina Medical Center (Newark, Delaware)、Florida Hospital (Orlanda, Florida)、Aurora Hospitals in Milwaukee, Wisconsin等医院应用,临床应用结果表明,D-核糖有助于预防心脏手术后功能衰退、缓解心律失常症状、显著增强局部缺血后心肌能量及功能的恢复、改善稳定型冠心病患者的心肌功能、促进全心肌缺血动物心肌ATP合成,进而改善心肌舒张功能、提升心衰患者的运动能力及肺通气量,进而保护其心脏功能、明显改善严重充血性心衰患者的运动能力及肺通气量、显著改善心力衰竭患者的心脏功能。


03、D-核糖在抗衰老领域的应用
NAD是人体中数百个酶蛋白,包括长寿酶蛋白 Sirtuins不可或缺的辅酶成分,参与人体内上千种氧化还原的酶反应,对人体健康发挥着根本性的影响。研究表明,随着年龄的增长,NAD在人体内的含量逐渐降低,线粒体和细胞核之间的交流受损,NAD的减少也损害了细胞产生能量的能力,这可能是人类变老和疾病的原因。
美国 ChromaDex公司开发的烟酰胺核糖(NR)产品、美国 Herbalmax开发的NMN产品(商品名瑞维拓)、香港基因港开发的NMN产品(商品名艾沐因),据称可提高体内的NAD水平,在抗衰老领域,引起国内外广泛关注。诚志(美国)BLS开发的新产品RiaGev(PCT/US2019/031889),亦可有效提高体内的NAD水平。
D-核糖作为NMN/NR的前体物质和重要原料,D-核糖作为RiaGev的重要功效成分,在抗衰老领域应用前景可期。

04、D-核糖在化妆品中的应用
D-核糖还具有增强免疫、抵抗自由基增加、抗皱、延缓皮肤衰老等功效,在化妆品领域的应用潜力巨大。

05、D-核糖在动物营养领域的应用
D-核糖在饲料领域的研究刚刚兴起。ST. CYR等发明的 “喂养家禽的组合物和方法” 专利(US8741854、CN102870989B)公开了一种喂养家禽的方法,饲料中添加D-核糖,能有效改善家禽心肌病的抵抗力、降低家禽如肉仔鸡的腹水和/或猝死综合征的发生率, D-核糖的剂量是50至500mg/kg体重/天。
史秀李等公开了“一种家禽饲料”(CN110959770A)、李光煜公开了“一种用于家禽幼的饲料及其制备方法”(CN109329579A)、张毓霞等公开了“强化鸡蛋营养成分的饲料添加剂及其制备方法”(CN107048054A)、高曙光等公开了“一种含D-核糖饲料添加剂的罗曼蛋鸡饲料”(CN104206919B)。
另外,D-核糖还可以改善肉质、降低动物在运输过程中应激反应引起的死亡率、提高赛马等竞技性动物的运动能力等功能。

06、D-核糖在医药领域的应用
在医药领域,一方面D-核糖可用于治疗心肌局部缺血、提高心脏耐受局部缺血能力、并提高心脏总体功能,治疗运动引起的肌肉酸痛、腺苷酸磷酸脱氨酶缺陷造成的僵硬、缺乏磷酸化酶造成的肌肉疼痛、慢性疲劳综合症和纤维肌痛等,阿丽玛等通过观察 D-核糖对高脂喂饲的 C57小鼠血糖、血脂及胰岛素等的影响发现,D-核糖可以改善高脂饲料喂饲小鼠的糖耐量异常和胰岛素抵抗,说明D-核糖在糖尿病的治疗上具有潜在价值。另一方面, D-核糖还是多种核苷类药物的重要中间体原料和起始原料,在制药工业领域应用广泛,比如卡培他滨、替卡格雷和瑞德西韦。

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