食品中的丙烯酰胺及生物解決方案

徐東路，宋賢良

1(諾維信(中國(guó))投資有限公司，北京，100085)2(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州，510642)

食品中的丙烯酰胺及生物解決方案

徐東路1，宋賢良2

1(諾維信(中國(guó))投資有限公司，北京，100085)2(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州，510642)

綜述了食品中丙烯酰胺的含量及關(guān)注丙烯酰胺的重要性，提出了降低食品中丙烯酰胺含量的方法，認(rèn)為生物酶法是降低食品中丙烯酰胺含量的有效方法。通過(guò)在加工過(guò)程中添加天冬酰胺酶，可將天冬酰胺轉(zhuǎn)化為天冬氨酸，能從根源上抑制丙烯酰胺的形成。

食品，丙烯酰胺，生物解決方案，天冬酰胺酶

自2002年4月，瑞典國(guó)家食品管理局(NFA)與Stockholm大學(xué)在多種高溫烹飪的食品中發(fā)現(xiàn)了丙烯酰胺(acrylamide)后，挪威、英國(guó)、瑞士和美國(guó)等國(guó)家也相繼報(bào)道了類(lèi)似結(jié)果。經(jīng)研究證實(shí)，以馬鈴薯和谷類(lèi)等食品原料為主要成分的食品在烹調(diào)過(guò)程中，其中的還原糖和天冬酰胺會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一種可疑的致癌物，即丙烯酰胺。140～180℃為其生成的最佳溫度，當(dāng)加工溫度較低時(shí)生成丙烯酰胺的量相當(dāng)?shù)汀：婵?、油炸食品在最后階段水分減少，表面溫度升高后，其丙烯酰胺形成量更高。那么，食品中存在丙烯酰胺含量有多少，對(duì)人體有何危害，應(yīng)如何控制食品加工過(guò)程中丙烯酰胺的生成是人們普遍關(guān)注的問(wèn)題，本文將從這幾個(gè)方面展開(kāi)論述。

1 食品中丙烯酰胺的含量

食品中丙烯酰胺的形成與加工烹調(diào)方式、溫度、時(shí)間、水分等因素密切相關(guān)。不同食品加工方式和條件不同，其形成丙烯酰胺的量有很大不同，即使不同批次生產(chǎn)出的相同食品，其丙烯酰胺含量也有很大差異。在JECFA 64次會(huì)議上，從瑞典、挪威、英國(guó)、瑞士和美國(guó)等24個(gè)國(guó)家獲得的2002～2004年間不同食品中丙烯酰胺的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1可看出，丙烯酰胺含量較高的3類(lèi)食品是:高溫加工的土豆制品(包括薯片、薯?xiàng)l等)，平均含量為477μg/kg，最高含量為5 312μg/kg;咖啡及其類(lèi)似制品，平均含量為509μg/kg，最高含量為 7 300μg/kg;早餐谷物類(lèi)食品，平均含量為343μg/kg，最高含量為7 834μg/kg;其他種類(lèi)食品的丙烯酰胺含量基本在l00μg/kg以下。

表1 不同食品中丙烯酰胺的含量［1］

和歐美國(guó)家相比，我國(guó)居民對(duì)面包、咖啡或炸薯片、炸薯?xiàng)l的消費(fèi)量相對(duì)較低，但并不能說(shuō)明我國(guó)居民膳食中丙烯酰胺的含量就低。由中國(guó)疾病預(yù)防控制中心營(yíng)養(yǎng)與食品安全研究所提供的資料顯示［2］，在檢測(cè)的100余份樣品中，丙烯酰胺含量為:薯類(lèi)油炸食品平均為 780μg/kg，最高為 3 210μg/kg;谷類(lèi)油炸食品平均為 150μg/kg，最高為 660μg/kg;谷物類(lèi)烘烤食品平均為 130μg/kg，最高為 590μg/kg;其他食品，如速溶咖啡為360μg/kg、大麥茶為510μg/kg 和玉米茶為 270μg/kg。

2 關(guān)注食品中丙烯酰胺的重要性

20世紀(jì)50年代，人們就意識(shí)到丙烯酰胺具有潛在的毒性作用。因?yàn)楸０肪哂休^強(qiáng)的滲透性，能通過(guò)消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和皮膚以及胎盤(pán)進(jìn)入人體，并立即分布全身。目前的研究表明，丙烯酰胺的毒性作用主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:(1)神經(jīng)毒性。丙烯酰胺對(duì)各類(lèi)動(dòng)物均有不同程度的神經(jīng)毒性，能抑制腦能量代謝［3］，對(duì)心、肝、腎及脾有一定的損傷作用［4］，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物共濟(jì)失調(diào)、骨骼肌萎縮、體重減輕等神經(jīng)性綜合癥，而且還會(huì)阻礙神經(jīng)損傷的恢復(fù)功能［5］。通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)末梢可能是丙烯酰胺的直接作用位點(diǎn)。丙烯酰胺首先引起神經(jīng)末梢退化萎縮，隨后便出現(xiàn)功能紊亂，神經(jīng)退化等癥狀［6－7］。(2)遺傳毒性。一些研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺會(huì)導(dǎo)致哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因變異和染色體異常，從而引起遺傳毒性。Janusz等［8］對(duì)丙烯酰胺基因毒性的分子機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為它對(duì)正常細(xì)胞DNA的影響是多種形式的，包括改變DNA基質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，削減DNA合成時(shí)的修復(fù)功能等;Rochelle等［9］研究報(bào)道丙烯酰胺具有動(dòng)物雄性生殖毒性作用，丙烯酰胺或其代謝產(chǎn)物甘氨酰胺與多巴胺的感受器及子細(xì)胞的精蛋白結(jié)合，改變精子的形態(tài)，抑制驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白的活性，從而干擾細(xì)胞間物質(zhì)的傳輸和精子的遷移，導(dǎo)致雄性動(dòng)物生殖能力降低。(3)致癌性。Bull等［10］研究發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺可誘發(fā)小鼠皮膚腫瘤，促進(jìn)肺腺瘤的發(fā)展。Johnson和Friedman 等［11－12］研究了攝入低劑量丙烯酰胺對(duì)小鼠的致癌性，結(jié)果表明丙烯酰胺可以增加乳腺、甲狀腺良性或惡性腫瘤以及間皮瘤的發(fā)生率。長(zhǎng)期動(dòng)物試驗(yàn)研究表明，丙烯酰胺可致大鼠多種器官腫瘤，包括乳腺、甲狀腺、睪丸、腎上腺、中樞神經(jīng)、口腔、子宮、腦下垂體、肺等。目前已經(jīng)有足夠的證據(jù)證明丙烯酰胺是一種動(dòng)物致癌劑。有關(guān)丙烯酰胺對(duì)人致癌的危險(xiǎn)至今還沒(méi)有確切證據(jù)。斯德哥爾摩Karolimka研究所的研究人員分析認(rèn)為，丙烯胺可增加人體發(fā)生大腸、腎臟和膀胱癌的危險(xiǎn)。但也有研究報(bào)道，瑞典專(zhuān)家收集了l 000名左右的癌癥患者和與其年齡匹配的5OO多名未患癌癥人的詳細(xì)日常飲食記錄，以分析攝入煎、炸馬鈴薯食品和患癌癥危險(xiǎn)性的關(guān)系，結(jié)果表明攝入煎炸馬鈴薯制品與患癌癥的危險(xiǎn)性沒(méi)有重要聯(lián)系［13］。迄今有關(guān)丙烯酰胺對(duì)人體致癌性的影響評(píng)價(jià)是基于少數(shù)幾種食物得到的數(shù)據(jù)，研究規(guī)模太小，因此不能肯定或者推翻丙烯酰胺與人體癌癥的相關(guān)性，人們必須進(jìn)行較大規(guī)模與較長(zhǎng)時(shí)間的研究方可定論。

正是由于丙烯酰胺具有潛在的神經(jīng)毒性、遺傳毒性和致癌性，因此食品中丙烯酰胺的污染問(wèn)題已引起國(guó)際社會(huì)和各國(guó)政府的高度關(guān)注。為此，2002年6月25日世界衛(wèi)生組織(WHO)和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)聯(lián)合緊急召開(kāi)了食品中丙烯酰胺污染專(zhuān)家咨詢(xún)會(huì)議，對(duì)食品中丙烯酰胺的食用安全性進(jìn)行了探討。2005年2月，F(xiàn)AO和WHO又聯(lián)合食品添加劑專(zhuān)家委員會(huì)(JECFA)對(duì)食品中的丙烯酰胺進(jìn)行了系統(tǒng)的危險(xiǎn)性評(píng)估。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將丙烯酰胺歸為可能使人致癌的物質(zhì)。而高溫加熱是食品加工最普遍和廣泛使用的一種加工方法，如高溫殺菌、油炸等。因此關(guān)注高溫加熱食品中丙烯酰胺的產(chǎn)生與預(yù)防對(duì)于食品安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 降低食品中丙烯酰胺的方法

降低食品中的丙烯酰胺含量，需要堅(jiān)持幾個(gè)原則:(1)食品中使用的化學(xué)品或改良劑必須符合國(guó)家食品添加劑的要求，保證食品的衛(wèi)生和安全。(2)必須保證食品在微生物方面的規(guī)定和要求。(3)不能影響了原有食品的營(yíng)養(yǎng)。(4)盡可能對(duì)食品的產(chǎn)品特性沒(méi)有影響或影響很小。如組織結(jié)構(gòu)，口味風(fēng)味等。

對(duì)于丙烯酰胺形成機(jī)制的研究指出:還原糖數(shù)量、游離氨基酸數(shù)量和加熱條件是生成丙烯酰胺的3大主要因素，所以考慮降低丙烯酰胺含量可從原材料，產(chǎn)品配方和生產(chǎn)工藝3個(gè)方面進(jìn)行。

(1)原材料的選擇。不同種類(lèi)的食物或作物，來(lái)自不同地區(qū)的同種食物或作物，因種植方法、生長(zhǎng)條件和收獲后的貯存方法不同，其中的化學(xué)成分(天冬酰胺和還原糖)含量不同，致使加工后食品中丙烯酰胺的含量差異性很大。但谷物中糖的成分并非是丙烯酰胺決定性因素，所以理論上可以根據(jù)食品中天冬酰胺濃度進(jìn)行選擇，但是改變基本的原材料對(duì)產(chǎn)品特性影響很大;對(duì)同一原料，不同批次進(jìn)行選擇，也有很多現(xiàn)實(shí)困難。

(2)調(diào)整生產(chǎn)工藝。熱加工溫度和時(shí)間對(duì)丙烯酰胺的生成有重要影響。大量研究表明，熱加工溫度越高，產(chǎn)品中生成丙烯酰胺的含量越高。因此，降低溫度可有效控制食品中丙烯酰胺的含量，一般降低加熱溫度 10～15℃，可減少丙烯酰胺 10% ～30%［14－15］。熱加工時(shí)間是影響丙烯酰胺含量的另一重要因素。當(dāng)在200℃的烤箱中處理馬鈴薯薯?xiàng)l時(shí)，隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，丙烯酰胺含量呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)加工時(shí)間增長(zhǎng)到一定值后，丙烯酰胺含量開(kāi)始下降［16］，說(shuō)明丙烯酰胺在食品體系中是生成和消解共同發(fā)生的過(guò)程，當(dāng)生成速率在全過(guò)程中占優(yōu)勢(shì)時(shí)，丙烯酰胺的含量不斷增加，但隨著反應(yīng)過(guò)程的逐漸延長(zhǎng)，丙烯酰胺的消解速率會(huì)明顯增加并逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因而丙烯酰胺的濃度出現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。因此，在不影響食品品質(zhì)的情況下，降低熱加工溫度以及縮短加工時(shí)間有利于減少食品中丙烯酰胺的形成。

(3)配方的調(diào)整。通過(guò)添加合適的添加劑，調(diào)整產(chǎn)品配方，也能有效降低食品中丙烯酰胺的生成。產(chǎn)品配方調(diào)整方案見(jiàn)表2。

表2 熱加工食品產(chǎn)品配方調(diào)整

4 降低食品中丙烯酰胺的生物解決方案

天冬酰胺是合成丙烯酰胺最重要的前體物質(zhì)之一，降低原料中的天冬酰胺對(duì)抑制丙烯酰胺具有非常重要的意義。采用生物技術(shù)法去除原料中的天冬酰胺是目前用于控制高熱加工食品中丙烯酰胺含量最有效的方法，其原理如圖1所示。天冬酰胺在天冬酰胺酶的作用下可生成天冬氨酸和氨氣，而天冬氨酸在美拉德反應(yīng)中僅生成極微量的丙烯酰胺，因此可以達(dá)到抑制丙烯酰胺生成的目的。

圖1 天冬酰胺酶解過(guò)程

目前，國(guó)外有少數(shù)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了利用天冬酰胺酶來(lái)控制高熱加工食品中丙烯酰胺形成的研究。Amrein等［17］研究了天冬酰胺酶對(duì)姜汁面包中丙烯酰胺形成的影響，結(jié)果表明，在面團(tuán)中添加天冬酰胺酶可使丙烯酰胺的含量減少55%，天冬酰胺酸降解了75%，該方法對(duì)姜汁面包的口味和色澤沒(méi)有不利影響。Vass等［18］人研究也表明天冬酰胺酶可以降低馬鈴薯薄脆餅干50%～80%的丙烯酰胺含量。Ciesarova等［19］研究了天冬酰胺酶對(duì)以馬鈴薯為主要原料的高熱加工食品中丙烯酰胺含量的影響，發(fā)現(xiàn)在馬鈴薯干粉中加入天冬酰胺酶，可使丙烯酰胺的含量減少約90%～97%。Franco等［20］采用熱燙和天冬酰胺酶浸泡的方式處理馬鈴薯?xiàng)l，發(fā)現(xiàn)油炸后的馬鈴薯?xiàng)l中丙烯酰胺含量比對(duì)照樣降低了60%。在國(guó)內(nèi)于2009年已批準(zhǔn)諾維信公司的天冬酰胺酶(Acrylaway)在中國(guó)市場(chǎng)使用，通過(guò)在面團(tuán)攪拌時(shí)添加Acrylaway，使天冬酰胺轉(zhuǎn)化為天冬氨酸，從根源上抑制丙烯酰胺的形成，而其它的氨基酸和糖則保持原有的活性，仍然參與美拉德反應(yīng)。試驗(yàn)表明(見(jiàn)圖2)，增加Acrylaway的用量和延長(zhǎng)作用時(shí)間，能使低糖餅干中丙烯酰胺的含量明顯減少。當(dāng)酶用量為300 mg/kg，作用時(shí)間為15分鐘時(shí)，丙烯酰胺含量減少85%;延長(zhǎng)作用時(shí)間為30分鐘時(shí)，低糖餅干中丙烯酰胺含量減少高達(dá)93%。而Acrylaway的使用不會(huì)影響面團(tuán)特性、烘焙過(guò)程及成品的外觀和口感。通過(guò)采用頂空氣相色譜法對(duì)產(chǎn)品揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行分析，對(duì)照樣和添加Acrylaway的樣本所含香氣成分的濃度相同，表明該酶對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味沒(méi)有改變。

圖2 Acrylaway用量對(duì)低糖餅干中丙烯酰胺含量的影響

5 展望

丙烯酰胺是高溫加工食品中產(chǎn)生的一種有害物質(zhì)，對(duì)人的健康會(huì)產(chǎn)生潛在危害，歐美等國(guó)已立法限制食品中丙烯酰胺最高含量。高溫煎炸、油炸和焙烤等加工工藝在我國(guó)傳統(tǒng)及現(xiàn)代加工食品中普遍使用，但這些加工工藝同時(shí)又是丙烯酰胺形成的有利條件。因此如何抑制高溫加工食品中丙烯酰胺的形成是擺在食品科學(xué)工作者面前的一項(xiàng)重要課題。

要減少高溫加工食品中的丙烯酰胺含量首先要選擇還原糖(如葡萄糖、果糖)和天冬酰胺含量低的原料，控制好原料的儲(chǔ)藏溫度。其次是高溫加工過(guò)程中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)應(yīng)盡量使用較低的溫度和較短的時(shí)間。但是這些方法在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施起來(lái)具有一定的難度，而且對(duì)控制丙烯酰胺的生成量有限。諾維信公司的Acrylaway在實(shí)際使用過(guò)程中證明，生物酶法可以從根源上抑制丙烯酰胺的生成，而且操作簡(jiǎn)單易行，丙烯酰胺降低幅度大，對(duì)生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品外觀，風(fēng)味口味以及營(yíng)養(yǎng)等方面沒(méi)有改變。因此是一種值得推廣的用于控制食品中丙烯酰胺含量的有效方法。

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Acrylamide Content in Food and Enzymatic Solution

Xu Dong-lu1，Song Xian-liang2
1(Novozymes China，Beijing 100085，China)2(College of Food Science，South China Agriculture University，Guangzhou 510642，China)

Acrylamide is formed naturally in foods as a by－product during frying or baking.It might be a cancer risk factor and attract more concern recent years，mainly the discussion of the importance of Acrylamide to food safety and the method of reducing its content.This paper describes the procedure by adding asparaginase during the dough blending as an enzymatic solution，converting asparagine into aspartic acid，and reducing the level of acrylamide without changing the taste and appearance of the end product.

food，acrylamide，enzymatic solution，asparaginase

工程師(宋賢良教授為通訊作者)。

2010－07－18