利用微生物及其產(chǎn)生的酶控制食品中丙烯酰胺的形成

王鑫月，李洪軍,2，李少博，甘瀟，賀稚非,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 北碚，400715)2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 北碚，400715)

綜述與專題評論

利用微生物及其產(chǎn)生的酶控制食品中丙烯酰胺的形成

王鑫月1，李洪軍1,2，李少博1，甘瀟1，賀稚非1,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 北碚，400715)2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 北碚，400715)

丙烯酰胺是高溫加工食品中一種常見的對人體有潛在危害的化學(xué)物質(zhì)，其主要通過美拉德反應(yīng)生成，但美拉德反應(yīng)對改善食品色澤、風(fēng)味等起到重要作用，因此如何有效抑制食品中丙烯酰胺的形成成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。利用微生物對原料進(jìn)行預(yù)處理具有抑制食品中丙烯酰胺形成的作用。文章簡要介紹了食品中的丙烯酰胺以及微生物抑制丙烯酰胺形成的主要途徑，重點(diǎn)闡述了微生物預(yù)處理在食品加工過程中抑制丙烯酰胺形成的研究，旨在為今后食品中丙烯酰胺的減控研究提供參考。

丙烯酰胺；微生物預(yù)處理；食品加工；食品安全

1 食品中的丙烯酰胺

1.1丙烯酰胺的簡介

丙烯酰胺(acrylamide, AA)，化學(xué)式C3H5NO，分子質(zhì)量71.08，是一種白色晶體物質(zhì)，室溫下穩(wěn)定，主要用于工業(yè)上生產(chǎn)水溶性聚丙烯酰胺。該類聚丙烯酰胺常用于紡織、造紙、石油開采、水處理等領(lǐng)域。

經(jīng)大量毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，丙烯酰胺可通過皮膚、消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)等多種途徑進(jìn)入體內(nèi)，并可在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)形成具有強(qiáng)遺傳毒性的代謝產(chǎn)物——環(huán)氧丙酰胺(glycidamide, GA)，它可與DNA分子結(jié)合引發(fā)突變，甚至引發(fā)癌癥，此外它也可與蛋白質(zhì)結(jié)合，如血紅蛋白與其結(jié)合形成的加合物可成為人群丙烯酰胺接觸水平的標(biāo)志[1]。通過研究，人們逐漸認(rèn)識到環(huán)氧丙酰胺可能是造成丙烯酰胺具有神經(jīng)毒性、致癌性、突變性、遺傳毒性的主要原因。1994年，丙烯酰胺被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer，IARC)列為對人體具有潛在致癌性的物質(zhì)(ⅡA類)[2]。

丙烯酰胺是一種很容易被排放到環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)，但其在土壤中可被很快降解，因此，以前人們認(rèn)為水中殘留的丙烯酰胺是人體接觸丙烯酰胺最直接的途徑，世界衛(wèi)生組織(WHO)與我國均規(guī)定飲用水中丙烯酰胺殘留量需小于0.5 μg/L[3-4]。2002年4月，瑞典國家食品管理局(Swedish National Food Administration，SNFA)和斯德哥爾摩大學(xué)率先提出丙烯酰胺在熱加工食品中廣泛存在[5]，例如薯片、餅干、咖啡等，隨后美國、英國等其他國家的研究人員也發(fā)表了類似結(jié)果，因此熱加工食品成為人們接觸丙烯酰胺最直接的途徑，從而引起了全球的廣泛關(guān)注。FAO/WHO聯(lián)合食品添加劑專家委員會(JECFA)調(diào)查了24個(gè)國家2002～2004年各類食品中丙烯酰胺的含量，其中含量最高的三類食品分別是：高溫加工土豆制品平均含量為0.477 mg/kg，最高含量為5.323 mg/kg；咖啡及其類似制品平均含量為0.509 mg/kg，最高含量7.3 mg/kg；早餐谷物類食品平均含量為0.313 mg/kg，最高含量為7.384 mg/kg。中國疾病預(yù)防控制中心營養(yǎng)與食品安全研究所檢測了100余份樣品中丙烯酰胺含量，油炸食品中，薯類平均含量為0.78 mg/kg，最高含量為3.21 mg/kg；谷物類平均含量為0.13 mg/kg，最高含量為0.66 mg/kg；焙烤類食品中，谷物類平均含量為0.13 mg/kg，最高含量為0.59 mg/kg。此外，還有其他樣品，如速溶咖啡、大麥茶、玉米茶等丙烯酰胺含量均較低，這與其他國家食品中丙烯酰胺含量相似[6]。

1.2食品中丙烯酰胺的減控途徑

食品體系中，天冬酰胺與還原糖是形成丙烯酰胺主要的前體物質(zhì)[7]。熱加工過程中天冬酰胺的氨基與還原糖的羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)(Maillard Reaction)，最終生成丙烯酰胺，這是食品中形成丙烯酰胺最重要的途徑[8]。目前，控制食品中丙烯酰胺形成的途徑主要有3條：(1)對食品原料進(jìn)行預(yù)處理，控制食品原料中丙烯酰胺合成前體的含量，如利用天冬酰胺酶減少原料中天冬酰胺的含量；(2)控制食品熱加工過程中的美拉德反應(yīng)進(jìn)程，如降低熱處理溫度、減少熱處理時(shí)間或使用食品添加劑等；(3)移除食品中已形成的丙烯酰胺。但是，這些方法都可能對食品品質(zhì)產(chǎn)生不良影響或增加產(chǎn)品生產(chǎn)成本，亦或是對技術(shù)要求過高而難以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，因此如何低成本且有效的控制食品中丙烯酰胺的形成，成為了國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 微生物減少丙烯酰胺形成的途徑

微生物在食品工業(yè)中起著重要作用，常利用微生物避免處理過程對食品品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。現(xiàn)已有研究人員從不同環(huán)境中篩選出多種可抑制丙烯酰胺形成或降解丙烯酰胺的微生物，其中大部分為細(xì)菌，也有部分酵母菌、霉菌等(表1)，因此，有研究人員提出也許可以利用微生物降低食品中丙烯酰胺含量。

微生物減少丙烯酰胺主要有以下4條途徑：(1)利用微生物產(chǎn)生的酶，如天冬酰胺酶等；(2)利用微生物發(fā)酵來減少丙烯酰胺合成，如利用乳酸菌產(chǎn)乳酸的特性，降低環(huán)境pH，可達(dá)到抑制丙烯酰胺形成和積累的效果[9]；(3)利用微生物吸附作用，乳酸菌細(xì)胞壁中磷壁質(zhì)酸可與丙烯酰胺相互結(jié)合，從而起到移除丙烯酰胺的目的[10]；(4)利用微生物的生化反應(yīng)，如一些微生物的反硝化作用，在有足夠多電子受體(硝酸鹽)存在的情況下，可以完全消除污水中的丙烯酰胺[11]。

表1 近年來分離的具有降解丙烯酰胺能力的微生物

3 利用微生物及其產(chǎn)生的酶抑制食品中丙烯酰胺的形成

3.1利用微生物生產(chǎn)的酶法抑制食品中丙烯酰胺的形成

天冬酰胺是合成丙烯酰胺重要的前體物質(zhì)，降低食品體系中天冬酰胺的含量可以有效控制丙烯酰胺的形成。天冬酰胺酶(L-asparagine amidohydrolases EC 3.5.1.1)是一種胞內(nèi)酶，它可水解天冬酰胺側(cè)鏈中的酰胺基團(tuán)，催化天冬酰胺水解為天冬氨酸及氨，從而抑制丙烯酰胺的形成(圖1)[19]?，F(xiàn)在天冬酰胺酶可以從多種微生物中獲得，如大腸桿菌(Escherichiacoli)、黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)等[20-21]。目前關(guān)于利用天冬酰胺酶處理食品來減少丙烯酰胺合成的研究較多。KUKUROV等[22]分別利用100和500 U天冬酰胺酶對面團(tuán)進(jìn)行預(yù)處理，可以使面團(tuán)中天冬酰胺的含量減少96%～97%，進(jìn)而使油炸面團(tuán)中丙烯酰胺的含量降低了90%。KUMAR等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在甜面包中加入枝孢菌(Cladosporiumsp.)產(chǎn)生的天冬酰胺酶可以顯著減少甜面包中丙烯酰胺的含量，并且對甜面包的品質(zhì)特性不產(chǎn)生影響。ANESE等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在面團(tuán)中添加天冬酰胺酶可顯著降低餅干中丙烯酰胺的含量，且對餅干品質(zhì)無顯著影響。王文艷等[25]研究發(fā)現(xiàn)，添加天冬酰胺酶可顯著降低膨化板栗中丙烯酰胺的含量。AMREIN等[26]研究發(fā)現(xiàn)，利用天冬酰胺酶制作的姜餅可以減少55%丙烯酰胺的形成，并且天冬酰胺酶在降低丙烯酰胺含量的同時(shí)對產(chǎn)品的感官特性未產(chǎn)生影響。此外，天冬酰胺酶還可以減少焙烤咖啡豆及薯?xiàng)l中丙烯酰胺的積累[27-28]。天冬酰胺酶活性受食品基質(zhì)的影響。ANESE等[29]研究發(fā)現(xiàn)，天冬酰胺酶對水分含量較高的原料制作的烘焙產(chǎn)品中的丙烯酰胺具有更好的抑制作用，并且原料中的脂肪會抑制天冬酰胺酶的活性，原料中脂肪含量越高越不利于丙烯酰胺含量的降低。目前，已有2種天冬酰胺酶實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，它們分別是產(chǎn)自荷蘭的PreventASeTM以及丹麥的Acrylaway?。PreventASeTM是利用黑曲霉(Aspergillusniger)產(chǎn)生的天冬酰胺酶，其最適pH和最適溫度分別為pH 4～5，50℃。Acrylaway?是利用米曲霉(Aspergillusoryzae)產(chǎn)生的天冬酰胺酶，其最適pH和最適溫度分別為pH 7，37℃[21]，2009年國內(nèi)已批準(zhǔn)諾維信公司Acrylaway?在中國市場中使用[30]。目前，限制天冬酰胺酶在食品中廣泛應(yīng)用的原因主要有：成本較高、天冬酰胺酶的產(chǎn)量和活性均較低，并且其對食品基質(zhì)要求較高。近些年來，有研究人員將天冬酰胺酶基因?qū)氲酱竽c桿菌(Escherichiacoli)或霉菌中進(jìn)行表達(dá)以提高天冬酰胺酶的產(chǎn)量及活力[20, 31]。

圖1 丙烯酰胺的形成及天冬酰胺酶對其形成的抑制[8, 32-33]Fig.1 Formation of acrylamide and its prevention using asparaginase

3.2微生物發(fā)酵法抑制食品中丙烯酰胺的形成

食品加工過程中，微生物發(fā)酵作用不僅可以改善食品的風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)以及貨架期等理化特性，還可以有效減少食品中丙烯酰胺的含量。目前，關(guān)于微生物發(fā)酵作用抑制食品中丙烯酰胺形成的相關(guān)研究主要集中在酵母菌與乳酸菌的利用上。

3.2.1 酵母菌發(fā)酵抑制食品中丙烯酰胺的形成

酵母菌發(fā)酵可消耗原料中天冬酰胺與還原糖，從而降低產(chǎn)品中丙烯酰胺的生成。ZHOU等[34]利用酵母菌發(fā)酵作用消耗土豆條中的還原糖，可以使薯?xiàng)l中丙烯酰胺降低70%。WANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)酵母菌發(fā)酵可利用面團(tuán)中40%～60%的天冬酰胺，以達(dá)到有效降低面包中丙烯酰胺含量的目的。HUANG等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在油條中添加0.8%的酵母并發(fā)酵1h可以使油條中的丙烯酰胺減少66.7%。 FREDRIKSSON等[37]研究發(fā)現(xiàn)，利用酵母菌可以消耗面團(tuán)中游離的天冬酰胺，相比15～30 min短時(shí)間發(fā)酵，3～6 h長時(shí)間發(fā)酵可以引起全麥面包和黑麥面包中丙烯酰胺更高程度的減少，減少量分別達(dá)到87%和77%。此外，KAMKAR等[38]將土豆片浸泡在含有釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)自溶物的溶液中，結(jié)果表明，薯片中丙烯酰胺的含量顯著降低，且薯片的品質(zhì)并未受到影響。

3.2.2 乳酸菌發(fā)酵抑制食品中丙烯酰胺的形成

乳酸菌發(fā)酵可以產(chǎn)生大量有機(jī)酸，降低生面團(tuán)環(huán)境pH，從而抑制食品中丙烯酰胺的合成，或通過消耗丙烯酰胺前體物質(zhì)(天冬酰胺和還原糖)來抑制丙烯酰胺的形成，但其具體反應(yīng)機(jī)理還需要進(jìn)一步驗(yàn)證[39]。制備油炸土豆餅使用的生面團(tuán)時(shí)，加入嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)可以有效降低油炸土豆餅中丙烯酰胺的含量[40]。MONICA等[41]研究發(fā)現(xiàn)利用乳酸菌和甘氨酸制成的溶液浸漬土豆條，可以使油炸土豆條中的丙烯酰胺減少70%，且不影響產(chǎn)品的色澤、口感及風(fēng)味。DASTMALCHI等[42]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei-casei)、羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)發(fā)酵生面團(tuán)，生產(chǎn)得到的伊朗桑嘎克面包和面包卷中丙烯酰胺含量均較低。BARTKIENE等[43]研究發(fā)現(xiàn)在黑麥面包中利用干酪乳酸菌(Lactobacilluscasei)可使面包中丙烯酰胺的含量顯著減少。鄭宗平等[9]研究發(fā)現(xiàn)利用6種不同的乳酸菌生產(chǎn)餅干，并采用GC-MS法測定這些餅干中產(chǎn)生的丙烯酰胺含量的差異。結(jié)果表明，經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后可以顯著降低餅干中丙烯酰胺含量，其中利用植物乳桿菌(LactobacillusplantarumCCFM382)制作的餅干中丙烯酰胺含量最低，僅為100.63μg/kg。2010年，挪威Zeracry AS公司申請了一項(xiàng)專利，即利用食品級乳酸菌溶液處理食品原料10～15 min，相比對照組，可降低土豆和咖啡制品中90%的丙烯酰胺，其原理是利用乳酸菌消耗原料表面的還原糖，從而減少食品中丙烯酰胺的形成，并證明這種方法在食品工業(yè)生產(chǎn)中是可操作的[44-45]。

利用乳酸菌發(fā)酵的同時(shí)還可以通過改變原料的組成成分，如減少原料中天冬酰胺的含量，從而達(dá)到降低丙烯酰胺含量的目的。研究發(fā)現(xiàn)制作面包時(shí)添加羽扇豆，同時(shí)利用沙克乳桿菌(Lactobacillussakei)以及戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)，可以顯著降低面包中丙烯酰胺的形成，還可以增加面包中高質(zhì)量蛋白質(zhì)的含量[46]。也有研究發(fā)現(xiàn)利用沙克乳桿菌(Lactobacillussakei)深層發(fā)酵加有羽扇豆的餅干可以有效降低餅干中丙烯酰胺的含量[47]。BARTKIENE等[48]研究發(fā)現(xiàn)添加洋姜莖塊，利用沙克乳桿菌(LactobacillussakeiKTU05-6)，乳酸片球菌(PediococcusacidilacticiKTU05-7)及戊糖片球菌(PediococcuspentosaceusKTU05-9)進(jìn)行深層發(fā)酵可以有效降低餅干中丙烯酰胺的含量。BARTKIENE等[49]還研究發(fā)現(xiàn)，相比自然發(fā)酵，添加乳酸菌和洋姜莖塊的小麥面包有較低的丙烯酰胺含量且對其品質(zhì)無顯著影響。

除了利用酵母菌與乳酸菌發(fā)酵，也有研究人員研究了24株真菌對烤制綠茶飲料中丙烯酰胺含量的影響，研究發(fā)現(xiàn)利用米曲霉(AspergillusoryzaeKBN1010)在30℃條件下發(fā)酵3d可以最有效的抑制丙烯酰胺的生成，即烤制綠茶飲料中丙烯酰胺含量從11.4μg/mL降至1.2μg/mL[50]。

4 結(jié)語與展望

高溫加工食品(如油炸、焙烤等)中由美拉德反應(yīng)形成的丙烯酰胺是一種潛在的對人體有害的物質(zhì)，抑制食品中丙烯酰胺的形成具有重要的意義。使用傳統(tǒng)方法抑制食品中丙烯酰胺的形成大都會對食品品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，而微生物可以在不引起食品品質(zhì)劣變的基礎(chǔ)上有效控制食品中丙烯酰胺形成。微生物產(chǎn)生的天冬酰胺酶及微生物發(fā)酵作用可從根源上有效降低食品中丙烯酰胺含量。但目前我國食品加工中使用的天冬酰胺酶還依賴于進(jìn)口或外資企業(yè)，成本較高，并且天冬酰胺酶對食品基質(zhì)要求較高而難以在食品中廣泛使用，因此篩選我國本土適應(yīng)性良好的高產(chǎn)菌株、優(yōu)化發(fā)酵及提取工藝是今后天冬酰胺酶研究的重要方向之一。利用微生物發(fā)酵法抑制食品中丙烯酰胺的生成效果好且成本低，但其研究目前還處于起步階段，其反應(yīng)機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究，并且在食品熱加工過程中，一些微生物發(fā)酵的代謝產(chǎn)物對丙烯酰胺形成也起到了關(guān)鍵作用，如乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物如乳酸、氨氣等也可通過其他途徑反應(yīng)產(chǎn)生丙烯酰胺。此外現(xiàn)有的研究中，微生物在控制食品中丙烯酰胺形成的同時(shí)是否有其他有害物質(zhì)產(chǎn)生的研究還未見報(bào)道，因此今后可對其食用安全性做進(jìn)一步的研究。

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Controllingofacrylamideformationinfoodsbymicroorganismsandtheirenzymes

WANG Xin-yue1,LI Hong-jun1,2,LI Shao-bo1,GAN Xiao1,HE Zhi-fei1,2*

1(College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China) 2 (Chongqing Engineering Research Center of Regional Food,Chongqing 400715,China)

Acrylamide is a potentially harmful chemical to human health which often formed during high-temperature Maillard reaction. However, Maillard reaction has an important role on food color and flavor. The inhibition of acrylamide in foods got many attentions in domestic and abroad. Microorganism which is widely used in the food industry was found to be able to inhibit the acrylamide formation in foods. The acrylamides in foods and the pathways of inhibiting formation of acrylamide are introduced. The paper is mainly focused on the inhibition formation of acrylamide in food processing by microorganism pretreatment and hope the study can provide a reference for further study on reducing acrylamides in foods.

acrylamide; microbial pretreatment; food processing; food safety

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013466

碩士研究生(賀稚非教授為通訊作者，E-mail：2628576386 @qq.com)。

十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“中式傳統(tǒng)臘肉制品綠色制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)及示范(2016YFD0401503)”；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目(cstc2014pt-gc8001)

2016-11-22，改回日期：2017-01-04