食品中α-二羰基化合物產(chǎn)生的危害及控制

蔡智立，陳詩煒，陳媛媛，周夢舟， 馮年捷，吳茜*

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，武漢 430068；2.工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢 430068；3.湖北省食品發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，武漢 430068；4.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，武漢 430068)

α-二羰基化合物是美拉德反應(yīng)(MR)中具有高度反應(yīng)活性的中間產(chǎn)物，也是AGEs形成的前體物質(zhì)。其極易在高溫條件(煎炸、燒烤等)下形成，可以由單糖、低聚糖或多聚糖在焦糖化反應(yīng)中的部分羥醛縮合和自動氧化產(chǎn)生的碎片生成，也可由阿馬多利化合物(Amadori compounds)的裂解產(chǎn)生。因每個分子含有2個羰基結(jié)構(gòu)而具有高度的活性，如3-脫氧葡萄糖醛酮(3-DG)、丙酮醛(MGO)、2，3-丁二酮、乙二醛(GO)，所以能引起蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致營養(yǎng)流失和AGEs的形成，而且其本身具有毒性，同時還有快速生成對人體有危害的AGEs的特性，兩者都參與許多慢性疾病的發(fā)展，故研究α-二羰基化合物的產(chǎn)生來源及控制途徑具有非常重要的意義。

1 產(chǎn)生來源

MR、焦糖化反應(yīng)、脂質(zhì)過氧化和微生物發(fā)酵是α-二羰基化合物產(chǎn)生的主要來源，除此之外，用紫外輻射乙醛、丙烯醛、丙醛和丙酮時，會產(chǎn)生GO和MGO[1]。眾所周知，α-二羰基化合物很容易在MR的前期過程中產(chǎn)生，然后將會以高反應(yīng)活性去攻擊其他大分子物質(zhì)，從而造成一定的危害。焦糖化反應(yīng)也是形成α-二羰基化合物常見的途徑，主要是一些糖類經(jīng)過反羥醛分裂形成的，其中氧氣有著很重要的作用[2]。研究表明，脂質(zhì)或者富脂食品能夠在加熱過程中氧化降解產(chǎn)生大量有毒的α-二羰基化合物，物質(zhì)中飽和脂肪酸和不飽和脂肪含量會有影響，通常來說，不飽和脂肪酸越多，生成的α-二羰基化合物越多；當(dāng)溫度從100 ℃加熱至200 ℃時，黃油和人造奶油產(chǎn)生的α-二羰基化合物總量分別提高了55倍和15倍[3]。在發(fā)酵過程中，微生物代謝會在產(chǎn)品中釋放α-二羰基化合物，F(xiàn)lamini R等[4]為探究蘋果酸和乳酸發(fā)酵對葡萄酒中羰基化合物的影響，采用酒類球菌商業(yè)菌株發(fā)酵的葡萄酒，并與未發(fā)酵葡萄酒進行比較，觀察到GO的顯著增加。在微生物發(fā)酵食品如醋、酒、牛奶、啤酒等中都含有一定量的α-二羰基化合物[5]。可見，α-二羰基化合物在食品中廣泛存在。

眾所周知，調(diào)味品有著改善食品風(fēng)味，賦予食品特殊味感，使食品鮮美可口，增進食欲的作用，在餐飲行業(yè)中扮演著重要的角色。其中α-二羰基化合物是形成香味物質(zhì)的重要前提，它自身可以聚合形成具有肉香和烤肉香的含氧雜環(huán)化合物糠醛、呋喃等，例如3-脫氧鄰?fù)┨敲撍纬煽啡6]。

我們也可以發(fā)現(xiàn)，越來越多的美食如湯、魚丸、肉等大都依賴于能使它們吃起來更加可口的調(diào)味品，隨著生活質(zhì)量的提高，人們對于調(diào)味品也有著更高的追求，為了突出“健康”、“自然”、“綠色”和個性化等元素，調(diào)味品行業(yè)也將朝著更加好的方向發(fā)展。但是在醋、酒中可以檢測到一定含量的α-二羰基化合物，它在人體內(nèi)積累到一定含量時也將對人體造成危害。中國咸味香精近2年在一些共性關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破，其中有脂肪調(diào)控氧化技術(shù)，這項技術(shù)將會使產(chǎn)品的含油率下降[7]，這在一定程度上也可減少因脂肪過氧化而產(chǎn)生的α-二羰基化合物的含量。并且，大多數(shù)調(diào)味品中氨基酸和多肽的含量很高，若調(diào)味品中存在α-二羰基化合物，它們將發(fā)生MR從而生成有毒物質(zhì)AGEs。

2 產(chǎn)生的危害

越來越多臨床和臨床前的研究表明，當(dāng)人體攝入的α-二羰基化合物積累到一定的程度時就會發(fā)揮相應(yīng)的毒性作用，從而危害人類的健康，因此不得不引起大家的廣泛關(guān)注。

2.1 糖尿病與α-二羰基化合物的關(guān)系

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)α-二羰基化合物能夠?qū)μ悄虿∠嚓P(guān)組織造成損害，從而增大糖尿病的患病幾率。引起糖尿病的關(guān)鍵環(huán)境因素往往是飲食。飲食中的α-二羰基化合物因有很強的生物反應(yīng)活性而與蛋白質(zhì)形成內(nèi)外交聯(lián)反應(yīng)，從而造成一些生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終造成一定的毒性作用。

一般而言，人體內(nèi)α-二羰基化合物的含量比較低，這是因為正常人體內(nèi)含有多種降解α-二羰基化合物的酶，它們能夠高效、快速地將α-二羰基化合物及時地代謝掉，從而使α-二羰基化合物在體內(nèi)維持較低的水平。但是，高血糖環(huán)境能夠促進糖基化反應(yīng)，從而使α-二羰基化合物生成量增加。

2.2 糖尿病腎病

α-二羰基化合物是形成AGEs的前體物質(zhì)，在合適的條件下就會形成AGEs，從而造成AGEs的積累。當(dāng)糖尿病患者體內(nèi)α-二羰基化合物和有毒物質(zhì)AGEs的含量達到一定的水平時就會對腎臟造成一定的損傷，促使糖尿病腎病的發(fā)生，進而對糖尿病患者的身體健康進一步造成威脅。另外，有許多研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病腎病患者體內(nèi)，血漿中MG的水平顯著升高。

2.3 糖尿病心肌病

已知乙二醛酶-1(GLO1)可減少MGO介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，預(yù)防糖尿病心室功能障礙。Branka Vulesevic等[8]通過建立糖尿病小鼠模型發(fā)現(xiàn)，與非糖尿病對照相比，野生型糖尿病心臟中內(nèi)皮細胞數(shù)量減少，血管內(nèi)皮細胞的神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白生成等在GLO1-糖尿病小鼠心臟中保持不變，與野生型糖尿病組相比心肌細胞死亡較少。在高血糖8周期間，GLO1過度表達延遲并限制了心功能的喪失。在體外，糖尿病中內(nèi)皮細胞損失會因MGO含量的升高而增加，而且MGO還會促進炎癥的發(fā)生，這些都會讓糖尿病心肌病惡化。

2.4 糖尿病動脈粥樣硬化

糖尿病經(jīng)常伴隨著動脈粥樣硬化的發(fā)生，糖尿病人群中動脈粥樣硬化的患病率較正常人高[9]。Chen Y J等[10]采用左旋硝基精氨酸甲酯和高脂飼料喂養(yǎng)法分別喂養(yǎng)20只健康大鼠(NC)和20只糖尿病動脈粥樣硬化大鼠(Model)，在它們的血清中發(fā)現(xiàn)，與NC組相比，Model組中MGO和3-DG含量都較高，表明α-羰基化合物含量升高可能是糖尿病動脈粥樣硬化的發(fā)病原因之一。

2.5 糖尿病炎癥

曾有研究報道，AGEs及其受體之一RAGE參與了糖尿病患者慢性免疫失衡的誘導(dǎo)[11]。這種相互作用將免疫細胞吸引到擴散的糖化組織中，并激活這些細胞以誘導(dǎo)炎性損傷，以擾亂糖尿病傷口的正常免疫節(jié)律。若飲食中的MGO含量增加，那么MGO衍生的AGEs可誘導(dǎo)一些細胞發(fā)生炎癥反應(yīng)。

3 抑制途徑

3.1 反應(yīng)條件的控制

一般而言，溫度、pH、貯藏時間對食品中α-二羰基化合物的含量有很大的影響，找出它們與α-二羰基化合物的關(guān)系就能很好地控制α-二羰基化合物的生成量。

3.1.1 溫度

Goncuoglu T N等[12]建立了榛子烘烤過程中MR和焦糖化反應(yīng)的綜合動力學(xué)模型，結(jié)果顯示，α-二羰基化合物反應(yīng)的溫度依賴性很復(fù)雜，不能用一般的理論方程來解釋。呂夢莎等[13]為了解反應(yīng)溫度對MR中形成的α-二羰基化合物的影響，以鄰苯二胺(OPD)捕獲“核糖/L-半胱氨酸MR模擬體系”中的α-二羰基化合物，結(jié)果顯示溫度為115 ℃時，α-二羰基化合物的含量較高，高溫長時間加熱不利于α-二羰基化合物的形成。馬毛毛[14]實驗顯示，在模擬體系中，將各種糖在各種溫度下加熱20 min可知GO，MGO和2,3-丁二酮這3種物質(zhì)的含量隨著加熱溫度的增加，整體呈增加的趨勢。黃啟瑞等[15]探究了溫度對葡萄糖-甘氨酸模擬美拉德反應(yīng)體系中3種α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影響，結(jié)果表明：在80～140 ℃范圍內(nèi)，溫度的升高會促進體系中MGO和GO的生成，而3-DG在溫度達到110 ℃時達到峰值。

3.1.2 pH

黃啟瑞等探究了pH對葡萄糖-甘氨酸模擬MR體系中3種α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影響，結(jié)果顯示：pH在5～9范圍內(nèi)對3種物質(zhì)的影響趨勢和溫度類似，MGO和GO的生成隨pH的升高而不斷增加，而3-DG在pH為6時含量達到最高，隨后急劇降低。

3.1.3 反應(yīng)時間

呂夢莎等以鄰苯二胺(OPD)捕獲“核糖/L-半胱氨酸MR模擬體系”中的α-二羰基化合物,實驗結(jié)果顯示：在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)時間的增加，α-二羰基化合物的生成量總體上呈增加的趨勢。

3.2 底物種類

在相同的反應(yīng)條件下，對不同類糖而言，α-二羰基化合物的生成速率的排序：單糖>二糖>寡聚糖>多糖；同類糖：還原性強的糖>還原性弱的糖。所以，為了減少α-二羰基化合物的生成，在生產(chǎn)過程中盡量選擇還原性較小的原料，比如糖類選擇淀粉為原料，選擇原料的順序應(yīng)與α-二羰基化合物生成速率的順序相反。

馬毛毛實驗研究顯示: 當(dāng)加熱溫度為120 ℃時，這7種糖與賴氨酸發(fā)生美拉德反應(yīng)產(chǎn)生α-二羰基化合物含量的大小順序為果糖>葡萄糖>核糖>麥芽糖>蔗糖>P-環(huán)糊精>淀粉。

3.3 外源物的添加

3.3.1 天然產(chǎn)物的添加

這些天然產(chǎn)物主要是一些黃酮類的物質(zhì)，它們一般來自于水果、蔬菜、茶、葡萄酒、種子或是植物根。

3.3.1.1 槲皮素與葛根素

槲皮素與葛根素是2種常見的黃酮類物質(zhì)，它們具有良好的抗氧化作用。孫濤等[16]試驗研究表明，槲皮素能促進MR早期產(chǎn)物果糖胺和5-HMF的生成，對反應(yīng)中期的二羰基化合物和末端熒光性產(chǎn)物(AGEs)具有較強的抑制作用，而且槲皮素以及葛根素對MR中二羰基化合物的生成皆有抑制作用，在反應(yīng)時間為9 h，樣品濃度為5.0 mmol/L時，槲皮素與葛根素對二羰基化合物的抑制率分別為23.1%和29.0%；同濃度氨基胍組有更好的抑制效果，但是氨基胍是有機合成類物質(zhì)，有毒性。

3.3.1.2 兒茶素

兒茶素作為一種還原性多元酚類物質(zhì)，它具有清除自由基和抗氧化的功能，它廣泛存在于植物中，尤其是茶葉中。表兒茶素(EC)和表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)等都是兒茶素的典型代表物質(zhì)，它們都具有酚類結(jié)構(gòu)，從而有相似的性質(zhì)和功能。兒茶素能夠很好地捕獲α-二羰基化合物，從而能夠預(yù)防和治療由α-二羰基化合物引起的相關(guān)疾病。楊立軍[17]實驗以小牛胸腺組蛋白H1和牛血清白蛋白為研究對象，探討天然產(chǎn)物兒茶素能否抑制MGO和甘油醛誘導(dǎo)的蛋白非酶糖基化和羧甲基賴氨酸(CML)的形成，結(jié)果顯示，兒茶素可有效保護組蛋白H1不被MGO糖基化，低濃度兒茶素(12.5～100 μmol/L)可抑制組蛋白H1CML的形成，當(dāng)摩爾分子比為2∶1時幾乎完全保護，其機制可能與捕獲MGO有關(guān)。EC通過其環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以捕獲Maillard體系中的MGO，形成EC-MGO共價化合物。EGCG也可通過其分子上的3個環(huán)狀結(jié)構(gòu)捕獲GO或MGO形成共價化合物。同樣，鞣花酸作為一種廣泛存在于各種軟果、堅果等植物組織中的天然多酚，它是沒食子酸的二聚衍生物，其可有效通過自身黃酮類物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)捕獲α-二羰基化合物形成共價化合物[18]。

3.3.1.3 蘆丁

蘆丁屬維生素類藥，廣泛存在于蕓香葉、煙葉、棗、杏、橙皮、番茄、蕎麥花等中，它具有抗自由基作用，而且能夠有效抑制分別由活性二羰基化合物和還原糖引發(fā)的蛋白糖基化反應(yīng)。李曉明等[19]發(fā)現(xiàn)了蘆丁抑制α-二羰基化合物的反應(yīng)發(fā)生在24 h之內(nèi)，在濃度為0.25 mmol/L，24 h時蘆丁抑制MGO發(fā)生蛋白糖基化形成AGEs的抑制率為79.42%，蘆丁對蛋白糖基化的抑制作用不受糖種類的影響，且在反應(yīng)初期就達到較好的抑制率，當(dāng)濃度為0.25 mmol/L時，24 h抑制率達60%以上。國外文獻報道，部分黃酮類化合物抑制活性二羰基化合物引發(fā)蛋白糖基化的作用機理為通過捕獲MGO和GO二羰基化合物形成加合物，從而抑制AGEs的形成。推測蘆丁也是通過捕獲糖分解產(chǎn)生的活性二羰基化合物，從而在一定程度上抑制蛋白糖體系中AGEs的形成，但其作用機制以及具體作用過程有待進一步實驗驗證。

3.3.1.4 低聚糖阿魏酸酯

低聚糖阿魏酸酯廣泛存在于玉米麩皮、燕麥、小麥粉和小麥麩皮中，它由低聚糖中的糖羥基與阿魏酸羧基通過酯化反應(yīng)而形成。低聚糖具有抗氧化功能，阿魏酸是自然界中普遍存在的一種酚酸，它也具有很好的自由基清除能力和抗氧化活性。所以，兩者結(jié)合形成的低聚糖阿魏酸酯表現(xiàn)出2種物質(zhì)的抗氧化功能經(jīng)協(xié)同作用后增強的抗氧化活性。它的抗氧化性能夠清除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的自由基，從而抑制α-二羰基化合物的形成。姚勝文[20]實驗表明，在不同的MR模擬體系中，只要加入3%的低聚糖阿魏酸酯就能夠極大地抑制α-二羰基化合物的產(chǎn)生。

3.3.2 合成類藥物

3.3.2.1 氨基胍

氨基胍，是目前為止比較公認的一種AGEs抑制劑，AGEs能夠通過和α-二羰基化合物反應(yīng)形成沒有反應(yīng)活性的穩(wěn)定的化合物，從而阻斷其進一步反應(yīng)，可以很大程度地減小對人體的損害。研究證實氨基胍在體內(nèi)可顯著減少糖基化蛋白交聯(lián)，但是氨基胍的毒副作用較大，限制了其的臨床應(yīng)用。

3.3.2.2 吡哆胺

吡哆胺是維生素B6的3種天然形式之一，吡哆胺還被證實可以通過捕獲代謝生成的活性羰基從而抑制AGEs的生成。生理條件下，吡哆胺與活性二羰基化合物MGO或GO反應(yīng)生成Schiff bases，經(jīng)分子內(nèi)環(huán)化形成半縮醛胺，兩分子的半縮醛胺經(jīng)親核加成最終形成穩(wěn)定的五元環(huán)加合物。吡哆胺可抑制Amadori產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成AGEs。在動脈粥樣硬化兔模型中，吡哆胺能與α-二羰基化合物反應(yīng)，可減緩實驗性高脂飲食兔的動脈粥樣硬化的形成[21]。與氨基胍相比，吡哆胺占據(jù)顯著的優(yōu)勢，因為它是維生素B6的衍生物，可抵消氨基胍導(dǎo)致的維生素B缺乏的不良反應(yīng)，并且吡哆胺本身的毒性很低，易于應(yīng)用到臨床實踐中。因此，吡哆胺有望成為一種有效抵抗AGEs的新型藥物。

4 總結(jié)

α-二羰基化合物，對食品中的色、香、味起著很重要的作用，在調(diào)味品中，它們也有著增香的功效，如MGO、GO、3-DG等，但是這些都是在體內(nèi)和體外能產(chǎn)生化學(xué)和生物活性的物質(zhì)。其形成主要有4種途徑，分別是MR、焦糖化反應(yīng)、脂肪過氧化、微生物發(fā)酵。它們的積累對人類健康有害并已經(jīng)得到社會的關(guān)注；它們可能導(dǎo)致營養(yǎng)缺失，并可以與氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和磷脂反應(yīng)，生成AGEs；它們可能會導(dǎo)致一些糖尿病的并發(fā)癥，特別是血管病。所以需要對它們進行有效的控制，才不會導(dǎo)致潛在的風(fēng)險，可以在加工過程中盡量降低溫度，食品貯藏期間在合適的低pH值下保存，也可以通過外加一些抑制劑，這些抑制劑通過捕獲α-二羰基化合物從而形成穩(wěn)定的化合物的方式來阻止它們對人體進一步產(chǎn)生危害。