熱加工食品中丙烯酰胺生成量控制措施的研究進(jìn)展

范文奇

(揚(yáng)州大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

19世紀(jì)末，人們以氨和丙烯酰氯為原料合成得到了丙烯酰胺(Acrylamide,ACR)，到20世紀(jì)50年代已經(jīng)被用于石油、化妝品、水處理和紡織行業(yè)中，作為絮凝劑、交聯(lián)劑和食品包裝材料等[1]。ACR是一種不飽和酰胺分子,分子量71.09,化學(xué)分子式CH2CHCONH2,沸點(diǎn)125 ℃,熔點(diǎn)84～85 ℃，ACR單體在室溫下很穩(wěn)定,當(dāng)處于熔點(diǎn)或以上溫度、氧化條件以及在紫外線的作用下很容易發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚丙烯酰胺[2]。以馬鈴薯和谷物為原料進(jìn)行熱加工的焙烤行業(yè)因此被推上風(fēng)口浪尖，如何降低熱加工食物中的ACR含量成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

1 ACR的形成機(jī)理和途徑

食品中的ACR主要是富含碳水化合物的食品在高溫條件(>120 ℃)經(jīng)過(guò)油炸、焙烤等熱處理產(chǎn)生的，其中一種方式是還原糖和天冬氨酸通過(guò)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生ACR，而馬鈴薯和谷物中的主要氨基酸之一是天冬氨酸，故這類熱加工食物生成較多的ACR[3]，這樣的產(chǎn)生機(jī)理稱為天冬氨酸途徑。

1.1 天冬氨酸途徑

美拉德反應(yīng)是由還原性糖和氨基酸或蛋白質(zhì)中的自由氨基在高溫條件下所發(fā)生的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),它是熱加工(油炸、焙烤、烘焙等)食品中風(fēng)味產(chǎn)生的重要途徑之一[4]。

在天冬氨酸途徑中，先經(jīng)歷美拉德反應(yīng)的初始階段，在羰基化合物存在的條件下,天冬酰胺發(fā)生Strecker降解是形成ACR的一個(gè)重要途徑。Strecker降解發(fā)生后,形成3-羰基丙酰胺,通過(guò)β-消去水轉(zhuǎn)化成3-羥基丙酰胺,然后生成ACR，稱之為Strecker途徑[5]。

除此之外，還原糖和天冬酰胺產(chǎn)生的N-糖苷也被認(rèn)為是重要的前體物質(zhì)，天冬酰胺與二價(jià)金屬離子生成Schiff堿，Schiff堿經(jīng)過(guò)分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)生成唑烷酮，進(jìn)而脫羧形成脫羧Amadori產(chǎn)物,在高溫條件下，C-N鍵斷裂形成ACR[6]。

在眾多的氨基酸中，除了天冬酰胺酸外，還有谷氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等能與還原糖反應(yīng)生成ACR，但其機(jī)理尚不清楚[7]。

1.2 丙烯酸途徑

食物中油脂類物質(zhì)也會(huì)反應(yīng)生成ACR，主要原理是甘油三酯等通過(guò)水解、氧化等反應(yīng)生成小分子物質(zhì)丙烯醛，丙烯醛經(jīng)由直接氧化反應(yīng)生成丙烯酸，烯酸再與氨水作用進(jìn)一步生成ACR[8]，這樣的產(chǎn)生機(jī)理稱為丙烯酸途徑。

此外還存在小分子醛重新組合生成丙烯酰胺，以及α-丙胺酸和β-丙胺酸生成丙烯酰胺的途徑，但現(xiàn)今公認(rèn)的和研究最深入的還是天冬氨酸途徑，本文將主要圍繞天冬氨酸途徑。

2 ACR的毒性和攝入途徑

2.1 毒性

對(duì)人類和動(dòng)物而言，ACR是一種神經(jīng)毒素，同時(shí)具有一定的致癌性、致突變性和生殖毒性。

ACR最早在1994年被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer，IARC)定義為2A類物質(zhì)(可能對(duì)人體有致癌作用)[9]；神經(jīng)毒素的作用主要表現(xiàn)為神經(jīng)末梢機(jī)能障礙及退化，阻礙神經(jīng)損傷的恢復(fù)功能[10];致突變性表現(xiàn)在改變DNA基質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，削減DNA的修復(fù)功能等。

2002年瑞典食品管理局和斯德歌爾摩大學(xué)的研究人員證實(shí)在油炸食物中ACR含量較高。2002年英國(guó)科學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室通過(guò)GC-MS法及新建立的LC-MS/MS法分析了各種食品中的ACR含量，結(jié)果表明生的或煮的食品中沒(méi)有ACR，油炸馬鈴薯片證實(shí)為ACR含量較高的食品之一[11]。

2.2 攝入途徑

以谷物和淀粉含量高的食材為原料的熱加工食品中的ACR含量較高，包括油炸薯片、油炸薯?xiàng)l、焙烤面包、油條、裹面糊油炸的食品、烘焙咖啡等[12]。

ACR具有良好的水溶解性，已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明從飲水中攝入ACR也會(huì)引發(fā)致癌作用。

Hui-Tsung Hsu等[13]，在對(duì)油炸薯?xiàng)l中ACR進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在薯?xiàng)l的炸制過(guò)程中，油鍋上方的油和水的混合蒸汽中也含有較高的ACR含量，主要通過(guò)丙烯酸途徑合成ACR，提示人們不僅薯?xiàng)l中的ACR會(huì)對(duì)人的健康造成影響，快餐店中的員工在炸制薯?xiàng)l時(shí)也會(huì)吸入ACR。

3 減少食物中ACR含量的思路

3.1 減少食物原料中的前體物質(zhì)

食物中ACR的產(chǎn)生，較為公認(rèn)的途徑是還原糖和天冬酰胺通過(guò)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生ACR，天冬酰胺是天冬氨酸轉(zhuǎn)氨基形成的，所以食物原料中還原糖和天冬氨酸的含量是影響ACR形成的重要因素。

Fei Xu等[14]提出原料中天冬酰胺或者還原糖的量其中一種處于較高水平，則降低較低水平的一項(xiàng)可更多減少ACR的生成。

Stephen J Elmore等[15]對(duì)在不同貯藏條件下英國(guó)20種馬鈴薯薯片加工中ACR的含量進(jìn)行了測(cè)定和比較，發(fā)現(xiàn)與以往認(rèn)為更長(zhǎng)時(shí)間(6個(gè)月)的貯藏會(huì)形成更多的還原糖進(jìn)而生成更多的ACR的觀點(diǎn)相反，貯藏時(shí)間對(duì)大多數(shù)品種的馬鈴薯加工中ACR的生成并沒(méi)有明顯的影響，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)意義上適合薯片加工的馬鈴薯進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在有超過(guò)歐盟ACR限量的薯片有馬鈴薯品種存在，為薯片生產(chǎn)行業(yè)在原料選擇中提供了科學(xué)指導(dǎo)。

Nira Muttucumaru等[16]更進(jìn)一步對(duì)英國(guó)20種馬鈴薯在不同種植條件、貯藏時(shí)間的游離天冬氨酸、還原糖的量進(jìn)行了比較，包括2個(gè)地區(qū)的2種土壤條件，2個(gè)月和6個(gè)月室溫為8 ℃的貯藏條件之間的兩兩比較，以及蒸煮、薯片和薯?xiàng)l的不同加工方式下葡萄糖、果糖、總還原糖和ACR生成量的比較。最后比較了160 ℃下加熱20 min產(chǎn)生的ACR和馬鈴薯中還原糖、天冬氨酸以及二者濃度比的關(guān)系，揭示了不同天冬氨酸和還原糖對(duì)ACR生成的影響。結(jié)果表明馬鈴薯中天冬氨酸和還原糖影響ACR生成量臨界的比例值為2.257±0.149，不同種馬鈴薯在不同的土壤條件、貯藏時(shí)間下天冬酰胺和還原糖的量都不相同，為以馬鈴薯和谷物為主的烘焙行業(yè)通過(guò)選擇不同的馬鈴薯來(lái)控制ACR生成提供了依據(jù)。

Smeesters L等[17]通過(guò)對(duì)剝皮馬鈴薯的光譜學(xué)散射特性的觀察，得到了一種不對(duì)馬鈴薯造成破壞，且快速準(zhǔn)確的薯?xiàng)l中ACR生成量的方法。通過(guò)比較使用在4 ℃下不同貯藏時(shí)間(11，15，21，28周)的剝皮馬鈴薯的內(nèi)部散射特性和加工薯?xiàng)l的ACR生成量，同時(shí)進(jìn)行了薯?xiàng)l加工中不同ACR生成濃度(<600 μg/L和>600 μg/L)的馬鈴薯種類和不同波長(zhǎng)下波長(zhǎng)散射特性結(jié)果的比較，得到了1444 nm的最佳觀測(cè)波長(zhǎng)。這種散射特性觀察法僅需對(duì)馬鈴薯進(jìn)行剝皮就可進(jìn)行ACR前體物質(zhì)的測(cè)定，挑選出不適宜加工薯?xiàng)l的馬鈴薯。

對(duì)谷物類原料，其ACR的生成主要和天冬氨酸的含量呈相關(guān)關(guān)系[18]，對(duì)于不同的谷物淀粉其天冬氨酸和還原糖的含量也不相同[19]，主要通過(guò)選擇天冬氨酸含量低的谷物來(lái)進(jìn)行加工。

對(duì)于原料的研究主要在選擇ACR前提物質(zhì)少的思路上，通過(guò)外界條件的改變來(lái)達(dá)到，并且主要針對(duì)特定食物的加工，難以推廣；同時(shí)天冬氨酸并不是油炸類食物的風(fēng)味來(lái)源之一[20]，當(dāng)前缺少應(yīng)用分子生物學(xué)的手段改變?cè)现刑於彼岬暮縼?lái)降低ACR的生成。

3.2 對(duì)加工工藝的進(jìn)行優(yōu)化

3.2.1 改變溫度和pH

ACR是食物高溫烹調(diào)下生成的，高于120 ℃就開(kāi)始生成，140～180 ℃為其生成的最佳溫度。ACR的生成溫度同時(shí)是許多其他風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生溫度，這些風(fēng)味物質(zhì)都是美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物，賦予食物獨(dú)特的風(fēng)味，簡(jiǎn)單的降低溫度，則食物沒(méi)有其應(yīng)當(dāng)有的風(fēng)味，這是應(yīng)當(dāng)避免的。同時(shí)對(duì)于不同類型的食物，溫度也是形成其結(jié)構(gòu)的因素，趙丹霞對(duì)油條中ACR的生成控制研究中發(fā)現(xiàn)，在溫度高于160 ℃的條件下，油條才具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松和色澤金黃的特點(diǎn)。同時(shí)pH也是一個(gè)重要的影響因素，當(dāng)pH為8時(shí)，較為接近天冬酰胺的酸度系數(shù)，此時(shí)ACR的生成量最大。通過(guò)降低pH來(lái)達(dá)到降低ACR生成的方法主要是將原料浸泡在酸性溶液中如檸檬酸，但這樣的方法會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。

3.2.2 加入抑制劑

傳統(tǒng)墨西哥玉米卷經(jīng)過(guò)高溫烘焙而成，但其中的ACR含量極低，主要原因是由于在原料的加工過(guò)程中，為了去除玉米顆粒的表皮，玉米會(huì)經(jīng)過(guò)氫氧化鈣溶液的浸泡，鈣離子這樣的二價(jià)陽(yáng)離子會(huì)抑制席夫堿的進(jìn)一步生成，因此阻礙天冬氨酸途徑的ACR生成[21]。類似的方法還有在薯?xiàng)l加工前浸泡在氯化鈣溶液中，可以降低95%的ACR生成[22]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，薯片在熱燙之前浸泡于1%的食鹽溶液中，可以使ACR的含量降低62%，是其處理過(guò)程和氯化鈉的雙重作用；但也有研究顯示食鹽并不能顯著減少ACR的生成，氯化鈉的抑制作用還需進(jìn)一步研究[23]。

ACR的生成量還和食物體系中的抗氧化活性有直接關(guān)系。江秀霞[24]在對(duì)油炸薯?xiàng)l的ACR生成量控制的研究中發(fā)現(xiàn)，薯?xiàng)l中總的抗氧化劑的含量為13～68 mmol，ACR的生成量會(huì)隨著抗氧化活性的增長(zhǎng)而降低，同時(shí)ACR的含量隨著油炸溫度和油炸時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。通過(guò)對(duì)6種天然抗氧化劑的ACR抑制率的比較，選擇4種抑制率較高的抗氧化劑進(jìn)行復(fù)配，對(duì)薯?xiàng)l進(jìn)行90 ℃，30 min的浸泡處理，ACR的抑制率為60.2%，同時(shí)不影響薯?xiàng)l成品的理化性質(zhì)和感官要求。

3.2.3 加入天冬酰胺酶

天冬酰胺酶作用于食物原料中的天冬酰胺，抑制ACR的生成，并且不影響其他的氨基酸和還原糖參與美拉德反應(yīng)，被認(rèn)為不會(huì)影響產(chǎn)品的色澤和風(fēng)味[25]，近年來(lái)已成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)前已有兩種天冬酰胺酶被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織下的食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA)認(rèn)為是安全可添加的酶制劑，分別是PreventASeTM和Acrylaway○R，2種酶制劑均從曲霉菌屬的細(xì)菌中提取，PreventASeTM的適宜作用條件為pH 4～5，溫度50 ℃；Acrylaway○R的適宜作用條件為pH 7，溫度37 ℃。

Monica Anese等[26]研究了餅干面團(tuán)中添加天冬酰胺酶的加工工藝，天冬酰胺酶具備低催化溫度和催化時(shí)間的特點(diǎn)，并且不會(huì)對(duì)餅干成品的顏色造成影響。

Hendriksen H V等[27]在馬鈴薯薯片制作工藝中，采用先進(jìn)行熱燙處理糊化淀粉，再用天冬酰胺酶溶液浸泡冷卻處理相結(jié)合的方法，使得薯片中ACR生成量降低了48%～61%。

王文艷等對(duì)市售的14種膨化食品進(jìn)行了檢測(cè)，ACR含量在0～8.21 mg/kg差異變化顯著，不同廠家生產(chǎn)的同種類型產(chǎn)品ACR的含量也不相同。并對(duì)微波板栗片和膨化板栗片在不同天冬酰胺酶濃度下ACR生成量進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)天冬酰胺酶可以有效降低油炸板栗片的ACR生成量，在油炸板栗片中添加500 mg/L的天冬酰胺酶可以降低65.2%的ACR。

4 總結(jié)

ACR存在于人們?nèi)粘Ｊ秤玫氖澄镏?，作為人們?nèi)粘＝佑|較為頻繁的致癌物質(zhì)，應(yīng)得到廣泛的重視，包括個(gè)人選擇食物的習(xí)慣[28]，生產(chǎn)加工行業(yè)的加工工藝改善如應(yīng)用真空油炸技術(shù)[29]，監(jiān)督管理部門的限量標(biāo)準(zhǔn)制定等。在ACR作用機(jī)理的研究上，其前體物質(zhì)和作用途徑還需更多的研究。在研究方向上，直接降低原料中的ACR前體物質(zhì)主要關(guān)注天冬氨酸途經(jīng)產(chǎn)生的ACR，應(yīng)用分子生物學(xué)的方法降低ACR前體物質(zhì)也是一種可能的方法。對(duì)于加工工藝的改變主要圍繞如何在不降低產(chǎn)品理化性質(zhì)和風(fēng)味的條件下降低ACR的生成，對(duì)馬鈴薯類產(chǎn)品進(jìn)行了較為豐富的研究，但對(duì)其他谷物淀粉、烘焙咖啡等存在ACR產(chǎn)品的系統(tǒng)的研究還較少，并且國(guó)內(nèi)對(duì)于ACR的控制措施研究也較少，對(duì)于國(guó)內(nèi)豐富多樣的烘焙產(chǎn)品缺少安全評(píng)估。天冬酰胺酶作為較為先進(jìn)的抑制ACR的方法，其酶制劑已得到安全認(rèn)可，但國(guó)內(nèi)研究較少，其潛在的對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的副作用仍需進(jìn)一步研究，對(duì)于不同類型的產(chǎn)品，其抑制ACR生成的工藝改良方法也需進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)已經(jīng)生成ACR的食物，如何降低其含量也可作為一個(gè)研究思路進(jìn)行研究。