食品加工過(guò)程中多環(huán)芳烴生成機(jī)理的研究進(jìn)展

聶 文，屠澤慧，占劍峰，蔡克周,*，姜紹通，陳從貴

（1.合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009；2.黃岡師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一類(lèi)分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔颷1]，最初是在化石燃料和木材等有機(jī)物燃燒煙霧中發(fā)現(xiàn)的[2]，其廣泛分布在自然環(huán)境中[3]。早期細(xì)胞和動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)4～6 環(huán)的稠環(huán)PAHs具有致癌、致畸和致突變毒性，這些稠環(huán)PAHs在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物可以與細(xì)胞中DNA分子共價(jià)結(jié)合，誘發(fā)DNA復(fù)制錯(cuò)誤和增加突變的概率，從而導(dǎo)致癌癥[4-5]。人類(lèi)經(jīng)常通過(guò)皮膚、呼吸、攝入受污染的水和食物接觸到這些PAHs，其中有16 種PAHs已被美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（Environmental Protection Agency，EPA）列為優(yōu)先控制污染物[6]（表1）。

根據(jù)流行病學(xué)研究顯示，食品是人類(lèi)攝入PAHs的主要途徑之一，食品中的PAHs主要來(lái)源于環(huán)境污染和高溫油炸、燒烤和煙熏等劇烈的加工行為[7]。煙熏食品是現(xiàn)有報(bào)道中PAHs含量最多的食品，煙熏食品中的PAHs污染程度與加工過(guò)程和條件密切相關(guān)，如煙熏木材的類(lèi)型、氧氣的供應(yīng)、燃燒溫度、與熱源的距離、煙熏時(shí)間等[8-9]都會(huì)影響煙熏食品中PAHs的含量。煙熏過(guò)程中使用軟木作為煙熏材料會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品中PAHs的含量增多[10]。煙熏產(chǎn)品自身特性如脂肪含量也對(duì)煙熏產(chǎn)品中PAHs的含量有所影響[11]，這主要是由于PAHs具有親脂性，脂肪含量偏高的食品，更容易擴(kuò)散遷移到食品的里層[12]。

表 1 美國(guó)EPA公布的16 種優(yōu)先控制的PAHsTable 1 Sixteen priority-controlled PAHs listed by the USEPA

近30 年來(lái)，國(guó)外對(duì)于環(huán)境和食品中PAHs的分離檢測(cè)、安全評(píng)價(jià)、控制方法及產(chǎn)生機(jī)理等方面做了較為深入的研究，而我國(guó)對(duì)PAHs的研究起步較晚，并且大多集中在環(huán)境、化石燃料及PAHs的檢測(cè)等方面，有關(guān)PAHs生成機(jī)理的研究較少。本文重點(diǎn)對(duì)PAHs形成的化學(xué)機(jī)制及食品加工過(guò)程中PAHs的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行綜述，并對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，以期為肉制品中PAHs控制提供新思路。

1 PAHs生成機(jī)理的研究現(xiàn)狀

1.1 Badger-Howard機(jī)理

早在20世紀(jì)50年代末，澳大利亞學(xué)者Badger等[13]就對(duì)PAHs的生成機(jī)理進(jìn)行了探索，并且對(duì)PAHs的生成機(jī)理做出大膽的假設(shè)：他首先猜想有機(jī)質(zhì)在高溫缺氧的條件會(huì)發(fā)生裂解生成碳?xì)渥杂苫?，這些碳?xì)渥杂苫磻?yīng)生成乙炔，乙炔分子經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)合成乙烯基乙炔或1,3-丁二烯，乙烯基乙炔或1,3-丁二烯再經(jīng)過(guò)環(huán)化作用生成乙基苯，乙基苯進(jìn)一步反應(yīng)生成丁基苯和四氫化萘，丁基苯和四氫化萘結(jié)合反應(yīng)生成中間體，最后由中間體合成苯并芘，具體過(guò)程如圖1所示。

圖 1 Badger提出的苯并芘可能的合成機(jī)理Fig. 1 Possible synthesis mechanism of benzene proposed by Badger

Badger等的猜想是從含兩個(gè)碳原子的化合物開(kāi)始的，但是我國(guó)學(xué)者黃靖芬等[14]在研究煙熏食品中苯并芘的生成機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)苯并芘的合成不一定非要從兩個(gè)碳原子的化合物開(kāi)始，可以從任意中間體開(kāi)始反應(yīng)合成苯并芘。

Bittner等[15]在20世紀(jì)80年代初提出了PAHs生成的另一種可能性：首先苯環(huán)脫氫生成苯基，甲醛進(jìn)行羥醛縮合等一系列反應(yīng)生成乙烯，然后乙烯與苯基發(fā)生取代反應(yīng)生成2-苯基乙烯基，苯乙烯基接著與甲醛反應(yīng)生成苯丁烯基，最后通過(guò)環(huán)化生成萘。該反應(yīng)機(jī)理在反應(yīng)溫度較低的情況下更容易實(shí)現(xiàn)。

1.2 Frenklach機(jī)理

Wang Hai和Frenklach[16]在20世紀(jì)90年代末研究發(fā)現(xiàn)，在溫度較高時(shí)由Bitter-Howard機(jī)理產(chǎn)生的PAHs含量較少，因此他們提出了生成PAHs的第二個(gè)環(huán)的另一條途徑：首先苯環(huán)脫氫形成苯基，苯基與1-丁烯-3-炔反應(yīng)生成1-苯基-1,3-丁二烯基，接著進(jìn)行一系列反應(yīng)生成2-（2-甲基-1,3-丁二烯基）-1-苯基，最后經(jīng)過(guò)環(huán)化作用生成萘。具體過(guò)程如圖2所示。該機(jī)理可以很好地模擬在燃燒等高溫條件下PAHs的生成機(jī)理。

圖 2 生成PAHs第二個(gè)苯環(huán)的機(jī)理Fig. 2 Formation mechanism of the second benzene ring of PAH

1.3 由C2HX分子生長(zhǎng)氧化-HACA形成PAH的機(jī)理

Wang Hai[16]和趙霏陽(yáng)[17-18]等通過(guò)建立模型，較為完善地描述了從C2HX到C6HX的分子生長(zhǎng)過(guò)程和苯環(huán)的形成，他們認(rèn)為苯環(huán)一旦形成，就能根據(jù)分子大小順序，通過(guò)HACA（氫原子脫除-乙炔分子添加）反應(yīng)生成萘、菲和芘。研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)以下基元反應(yīng)生成苯環(huán)：1）—C≡C—CH3和—C≡C—CH3反應(yīng)合成苯環(huán)；2）—CH＝CH—CH＝CH—和CH≡CH反應(yīng)生成苯基；3）—CH＝CH—CH＝CH2和CH≡CH反應(yīng)生成苯環(huán)；4）由—C≡C—CH＝CH—CH＝CH2直接生成苯基；5）IC6H6和氫反應(yīng)生成苯環(huán)。形成苯環(huán)以后，苯環(huán)進(jìn)行脫氫形成苯基，苯基和乙炔進(jìn)行HACA反應(yīng)生成苯乙烯，苯乙烯加氫再脫氫氣形成2-乙炔基-1-苯基自由基，2-乙炔基-1-苯基自由基與乙炔發(fā)生HACA反應(yīng)生成2-萘基，2-萘基和乙炔發(fā)生取代脫氫生成2-乙炔基萘，2-乙炔基萘進(jìn)一步加氫脫氫氣生成2-乙炔基-3-萘基，2-乙炔基-3-萘基重復(fù)與乙炔發(fā)生HACA反應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)芳香烴分子的生長(zhǎng)和PAHs的環(huán)化，最終生成芘，具體反應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

Tao Feng等[19]研究發(fā)現(xiàn)在HACA反應(yīng)中，通過(guò)乙炔分子添加反應(yīng)形成的4 個(gè)以上的苯環(huán)十分穩(wěn)定，例如芘和六苯并芘等。而且HACA反應(yīng)的吉布斯自由能變化較大，說(shuō)明這些反應(yīng)是不可逆的，從而就把反應(yīng)機(jī)理引向了PAHs生成的方向，又因?yàn)镻AHs是一個(gè)熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì)，所以可以通過(guò)HACA機(jī)理實(shí)現(xiàn)PAHs的不斷生長(zhǎng)。

圖 3 苯環(huán)通過(guò)HACA反應(yīng)生成PAHs的過(guò)程Fig. 3 Generation of PAHs by HACA reaction of benzene ring

2011年Hong Zekai等[20]以C10H22、C8H18為例較為詳細(xì)地描述了PAHs的生成機(jī)理。以C10H22為例：首先C10H22脫氫生成C10H21，接著裂解產(chǎn)生C10H20、C2H5和C2H4，然后反應(yīng)被分成兩條路徑：1）C10H20→C2H5+C3H6，C2H5→C2H4，C3H6→C3H5→C3H4→C3H3，期間C3H6→C2H3，C3H5、C3H4可以反應(yīng)生成C2H2；2）C2H4經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)脫氫生成C2H2，最終生成C3H3與上一條路徑匯合。C3H3進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，這時(shí)反應(yīng)過(guò)程又被分成了5 條途徑：1）C3H3→C5H5→Nap→Phe→Pyr；2）C3H3→Al→Nap→Phe→Pyr；3）C3H3→Al→Nap→Pyr；4）C3H3→A l→C9H8→C9H7→P h e→P y r；5）C3H3→Al→C9H8→C9H7→Pyr。由此可見(jiàn)，HACA是PAHs形成的重要步驟，C2H2和C3H3是形成PAHs的重要前體物。Chen等[21]研究發(fā)現(xiàn)苯類(lèi)化合物可能也是PAHs合成的重要前體物之一。

2 食物中主要成分轉(zhuǎn)化為PAHs的機(jī)理研究

2.1 食品加工過(guò)程中PAHs的生成途徑

食品中PAHs的形成是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，煙熏食品中PAHs的來(lái)源主要有以下幾個(gè)途徑：1）煙熏燃料和食品在煙熏加工過(guò)程中發(fā)生高溫?zé)峤?，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)活潑的碳?xì)渥杂苫鸵恍┓肿淤|(zhì)量較小的低環(huán)類(lèi)化合物，這是煙熏食品中PAHs生成的主要前體物，這些前體物在高溫條件下可能按Badger-Howard機(jī)理發(fā)生環(huán)化聚合反應(yīng)生成PAHs。2）食品本身含有的一些分子質(zhì)量較低的不飽和烴類(lèi)化合物，這些不飽和前體物可能按C2HX分子氧化機(jī)理發(fā)生芳構(gòu)化形成苯環(huán)，然后在高溫條件下按HACA分子生長(zhǎng)機(jī)理經(jīng)過(guò)一系列的縮合聚合形成PAHs。3）食品中存在一些單環(huán)化合物，在煙熏過(guò)程中苯環(huán)上的碳鍵斷裂，然后可能按Frenklach機(jī)理經(jīng)過(guò)一系列的縮合聚合形成PAHs。

2.2 由脂肪生成PAHs的機(jī)理

Chen[21]和Lomanno[22]等研究發(fā)現(xiàn)PAHs的形成與脂肪有著很大的關(guān)系并且做出了大膽的假設(shè)：脂肪酸在被氧化的過(guò)程中可以生成氫過(guò)氧化物，氫過(guò)氧化物通過(guò)分子內(nèi)環(huán)化生成環(huán)己烯等環(huán)狀化合物，最終生成苯環(huán)，再通過(guò)HACA機(jī)理實(shí)現(xiàn)分子生長(zhǎng)形成PAHs。

Uriarte[23]和Heinonen[24]等在研究油炸作用下PAHs的生成時(shí)發(fā)現(xiàn)，亞油酸和亞麻酸等多不飽和脂肪酸可以通過(guò)聚合反應(yīng)生成環(huán)狀單體，最終形成含有苯環(huán)的PAHs前體物。并且亞麻酸、亞油酸能夠降解，分別產(chǎn)生甲苯和丁基苯。Cheng Weiwei等[25]在研究芝麻油加工過(guò)程中PAHs的形成時(shí)，發(fā)現(xiàn)在熱壓條件下芝麻油中PAHs的含量顯著高于冷壓條件下的，這說(shuō)明溫度是影響脂肪酸向PAHs轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要因素。Perelló等[26]也得出了同樣的結(jié)論。

Cheng Weiwei等[25]研究發(fā)現(xiàn)在80～280 ℃條件下，通過(guò)添加芝麻子蛋白，PAHs數(shù)量急劇增加，這表明PAHs主要來(lái)自芝麻蛋白和甘油三酯的熱解反應(yīng)，并推測(cè)氨基酸可能是PAHs形成的重要前體物之一。Luo Yan等[27]的研究結(jié)果表明甘油三酯裂解過(guò)程中Diels-Alder反應(yīng)和分子間及分子內(nèi)烷基、烷烯基的自由基反應(yīng)都會(huì)生成環(huán)狀的烷烴化合物，所以Diels-Alder反應(yīng)是PAHs生成過(guò)程中的重要反應(yīng)，并且該反應(yīng)對(duì)溫度要求不高，符合肉制品在煙熏時(shí)的條件。

Chen等[21]研究加熱模型血脂和食用油脂煙氣中PAHs的形成時(shí)，發(fā)現(xiàn)脂肪酸降解產(chǎn)物中亞麻酸甲酯生成PAHs的含量最高，其次是亞油酸甲酯、油酸甲酯和甲基硬脂酸，造成這一結(jié)果可能是受不飽和程度的影響。Stumpe-Viksna等[28]在研究不同木材對(duì)煙熏肉中PAHs的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)軟木作為煙熏材料時(shí)生成PAHs量高于硬木，可能是因?yàn)檐浤局泻休^多的樹(shù)脂，間接說(shuō)明了脂肪類(lèi)化合物是生成PAHs的重要前體物。Viegas等[29]在研究不同類(lèi)型木炭烤肉中PAHs的形成時(shí)，發(fā)現(xiàn)雞肉和豬肉中PAHs的含量較牛肉中多，這可能與原料肉中脂肪含量有關(guān)，脂肪滴在木炭上形成攜帶PAHs的煙霧并附著在肉制品的表面，導(dǎo)致烤肉中PAHs含量增多。Naccari[30]和Londo?o[31]等通過(guò)研究奶制品經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗驪AHs含量的變化，發(fā)現(xiàn)牛奶樣品中PAHs的含量順序?yàn)椋涸夏蹋及褪蠚⒕蹋汲邷匕朊撝蹋汲邷厝?，全脂奶和半脫脂奶在?jīng)過(guò)超高溫處理后，PAHs的含量有所差異，這可能與牛奶中脂肪含量和甘油三酯的脂溶性活動(dòng)有關(guān)。以上研究都說(shuō)明了脂肪是食品中生成PAHs的主要成分。Luzardo[32]、Olatunji[33]和Kao[34]等也得出過(guò)一致的結(jié)論。

2.3 由蛋白質(zhì)生成PAHs的機(jī)理

1992年Chiavari等[35]提出了氨基酸分解的4 種主要途徑，如圖4所示。

圖 4 氨基酸分解的4 種主要途徑Fig. 4 Four major pathways of amino acid decomposition

Phillip等[36]在研究葡萄糖和脯氨酸對(duì)PAHs生成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)高溫分解產(chǎn)生游離的氨基酸可以與還原糖（如葡萄糖）發(fā)生美拉德反應(yīng)生成Amadori化合物，Amadori化合物經(jīng)過(guò)高溫分解產(chǎn)生PAHs。具體過(guò)程如圖5所示。

圖 5 葡萄糖和氨基酸生成Amadori化合物的過(guò)程Fig. 5 Generation of Amadori compounds from glucose and amino acids

Sharma等[37]在探究氨基酸熱解形成低分子質(zhì)量的雜環(huán)和PAHs的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，天冬氨酸和脯氨酸在高溫下可降解產(chǎn)生菲等PAHs，同時(shí)高溫處理色氨酸發(fā)現(xiàn)其不能降解產(chǎn)生PAHs。這說(shuō)明某些氨基酸是生成PAHs的前體物。齊穎[38]在探究油炸肉制品加工過(guò)程中PAHs的形成時(shí)，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性油炸導(dǎo)致蛋白質(zhì)、氨基酸等化學(xué)組分熱降解和環(huán)化縮合形成菲等PAHs。但Saito等[39]在研究熱烹調(diào)對(duì)食物中PAHs形成影響時(shí)，分別對(duì)蝦、玉米、鱒魚(yú)、牛肉和豬肉進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米（主要成分是碳水化合物）中PAHs的含量為0.015 μg/m3；蝦（主要成分是蛋白質(zhì)）中PAHs的含量為0.003 9 μg/m3，這個(gè)水平低于或類(lèi)似于大氣中PAHs含量（0.004 4 μg/m3）的背景水平，所以食物中碳水化合物和蛋白質(zhì)并不是生成PAHs的主要物質(zhì)。鱒魚(yú)、牛肉、豬肉中PAHs的含量分別為2.1、1.5 μg/m3和78 μg/m3。結(jié)果表明豬肉中PAHs的含量遠(yuǎn)高于蝦、牛肉和鱒魚(yú)，所以推測(cè)在食品熱加工過(guò)程中脂肪才是產(chǎn)生PAHs的主要來(lái)源。Tanaka等[40-41]也得出過(guò)一致的結(jié)論。

2.4 由碳水化合物生成PAHs的機(jī)理

McGrath等[42]在研究纖維素低溫?zé)峤庑纬蒔AHs的機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)纖維素在高溫下脫水碳化、脫羰、脫羧、脫氫和交聯(lián)等一系列的化學(xué)轉(zhuǎn)化和重排最終形成PAHs。該研究還發(fā)現(xiàn)D-葡萄糖和蔗糖熱解時(shí)生成PAHs的產(chǎn)量絲毫不遜色于纖維素。Horne[43]和Williams[44]等研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)在高溫?zé)峤鈼l件下發(fā)生繼發(fā)反應(yīng)生成PAHs的機(jī)制至少有兩種：1）Diels-Alder反應(yīng)；2）含氧芳香族化合物的脫氧作用。Stefanidis等[45]研究發(fā)現(xiàn)木聚糖和纖維素在混合熱解過(guò)程中相互作用，可使PAHs的前體物——酚的產(chǎn)量增加。而Zhou Hui等[46]研究也證實(shí)了快速熱解木聚糖和纖維素混合物生成PAHs的產(chǎn)量均比單個(gè)組分熱解時(shí)高。以上兩個(gè)報(bào)道都說(shuō)明在生物質(zhì)熱解生成PAHs的過(guò)程中，物質(zhì)成分之間的相互作用發(fā)揮了很大的作用。Wang Shurong等[47]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維素含量保持不變時(shí)，隨著半纖維素含量增加，2,5-羥甲基糠醛濃度增加。此外，纖維素的存在促進(jìn)了半纖維素生成乙酸和2-羥甲基糠醛。目前從生物質(zhì)單組分熱解的PAHs形成機(jī)制尚不清楚。Hosoya等[48]研究發(fā)現(xiàn)纖維素和木質(zhì)素相互作用產(chǎn)生苯酚衍生物，一些化合物（如兒茶酚類(lèi)化合物）生成量相比單組分熱解預(yù)期結(jié)果是增加的，而另一些化合物（如鄰甲酚）生成量與單組分預(yù)期結(jié)果相比卻是降低的。Asmadi等[49-50]發(fā)現(xiàn)從木質(zhì)素中熱解產(chǎn)生的兒茶酚類(lèi)化合物和酚可以形成PAHs，同時(shí)結(jié)果表明：木聚糖和纖維素?zé)峤猱a(chǎn)生的苯系物或酚是形成PAHs的重要前體物。明確生物成分的相互影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于生物質(zhì)各個(gè)組分相互作用對(duì)形成PAHs的影響和機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，煙熏等劇烈的食品熱加工方式都會(huì)導(dǎo)致食品中PAHs的形成。用煙熏處理食品時(shí)，食品中的PAHs主要來(lái)自于煙熏燃料中纖維素的高溫裂解，纖維素在高溫下脫水碳化、脫羰、脫羧、脫氫和交聯(lián)等一系列的化學(xué)轉(zhuǎn)化和重排最終形成PAHs。通過(guò)對(duì)比不同食物在進(jìn)行其他的熱加工時(shí)PAHs的含量，可以推測(cè)PAHs形成主要是通過(guò)食品中脂肪的高溫裂解和蛋白質(zhì)的高溫分解。脂肪裂解產(chǎn)物中亞麻酸甲酯、亞油酸甲酯、油酸甲酯和甲基硬脂酸和蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物中某些芳香族氨基酸是生成PAHs的重要前體物質(zhì)。并且在PAHs的生成機(jī)制中，溫度和氧氣是兩個(gè)重要的影響因素。目前從食品單個(gè)組分熱解生成PAHs的機(jī)制尚不清楚，食品中PAHs的形成是各個(gè)組分相互作用的結(jié)果，是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。筆者認(rèn)為，首先需要從食品三大主要營(yíng)養(yǎng)素（脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物）中逐一篩選出可以生成PAHs的單體成分，并分析其熱解產(chǎn)生機(jī)制，然后進(jìn)一步探索不同營(yíng)養(yǎng)素之間是否存在相互作用以及如何作用導(dǎo)致最終PAHs的生成。

研究報(bào)道的PAHs生成機(jī)理大都集中在化石燃料和環(huán)境領(lǐng)域，對(duì)于食品中的PAHs生成機(jī)制的研究還處于初級(jí)階段，所以對(duì)食品中PAHs的形成機(jī)制進(jìn)行分子水平的深度探索是很有必要的，這對(duì)于更好地控制和減少食品中PAHs的生成有指導(dǎo)意義。