食品中丙烯酰胺的控制措施研究進(jìn)展

韋錚，黃先智，丁曉雯*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716)2(西南大學(xué)科技處，重慶，400716)

丙烯酰胺(acrylamide，AA)在1994年被國際癌癥研究機構(gòu)(International Agency for Research on Cancer，IARC)歸類為2A類致癌物[1]，2002年瑞典國家食品監(jiān)督局發(fā)現(xiàn)，食品在高溫加熱過程中會產(chǎn)生AA，這引起了全世界的關(guān)注[2]。有研究測得商業(yè)薯條和自制炸薯條中AA含量在218～1 260 μg/kg[3]；LIU等檢測出面包中含AA(219.95±3.28) μg/ kg[4]；美國加州某一星巴克咖啡中檢測出AA[5]；嬰幼兒營養(yǎng)米粉中也檢測到了AA[6]。除了飲食，人們還能夠通過皮膚、呼吸道等其他途徑吸收AA，但是通過消化道的吸收最快[7]。

據(jù)報道，長期接觸AA可能會對人和動物的神經(jīng)系統(tǒng)造成損害,在懷孕期間接觸AA會影響孕激素的分泌和胎兒的生長[8]，相關(guān)研究認(rèn)為，AA是具有誘變和致癌特性的潛在遺傳和生殖毒素。德國聯(lián)邦風(fēng)險評估研究所(Bundesinstitut für Risikobewertung，BFR)估計，在德國AA的每日攝入量約為0.6 μg/kg(bw)·d，而我國為0.319 μg/kg(bw)·d，世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)和美國環(huán)境保護(hù)署(United States Enviromental Protection Agency,USEPA)進(jìn)行的單位風(fēng)險評估顯示，終身暴露于AA下可能會導(dǎo)致10萬人中70～450例癌癥。歐洲毒性、生態(tài)毒性和環(huán)境科學(xué)委員會(CSTEE)對AA風(fēng)險的評估表明，AA具有神經(jīng)毒性、致癌性、生殖毒性及對體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的遺傳毒性[9-10]。經(jīng)小鼠等動物實驗顯示，試驗動物經(jīng)口攝入AA的半數(shù)致死劑量在150 mg/kg(bw)左右，每日攝入量達(dá)40 μg/kg(bw)時會引起神經(jīng)毒性，每日攝入量達(dá)2.6 μg/kg(bw)·d時可能致癌[11-12]。膳食中AA暴露已成為人類健康的潛在風(fēng)險，為保證人類健康，有必要深入探究控制食品中AA含量的方法，為降低食品中AA含量提供有效的參考依據(jù)。

1 食品中丙烯酰胺的來源

AA是一種不飽和酰胺，呈白色晶體狀，可溶于水、乙醇等極性溶劑中，廣泛存在于富含碳水化合物(例如馬鈴薯和谷物)的熱加工食品中，同時也被廣泛用作工業(yè)生產(chǎn)中的原料，例如聚丙烯酰胺的合成，廢水管理，礦石加工，化妝品制造和染料的合成[10,13]。在食品中AA的產(chǎn)生主要有以下2個途徑。

1.1 天冬酰胺途徑

AA主要由天冬酰胺(asparagine,Asn)和羰基化合物之間的美拉德反應(yīng)產(chǎn)生。食品成分中的主要羰基化合物包括還原糖，特別是葡萄糖(glucose,Glc)、羥羰基、二羰基、烷二烯、5-羥甲基糠醛，它們可以在高溫下變成各種活性羰基化合物，并且引發(fā)AA的形成。羰基化合物與天冬酰胺反應(yīng)生成希夫氏堿(schiff base，schiff堿)[14]。由schiff堿產(chǎn)生AA的途徑有2條：(1) schiff堿發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化形成5-惡唑烷酮中間體，通過該中間體脫羧形成甲亞胺葉立德，重排成amadori產(chǎn)物后通過3-氨基丙酰胺途徑轉(zhuǎn)變?yōu)锳A[15]。(2) schiff堿經(jīng)脫水脫氨生成二羰基化合物，天冬酰胺與該羰基化合物經(jīng)strecker降解(α-氨基酸與α-二羰基化合物反應(yīng)時，α-氨基酸氧化脫羧生成比原來氨基酸少一個碳原子的醛，氨基與二羰基化合物結(jié)合并縮合成吡嗪)脫羧脫氨生成AA[16-17]。

由于天冬酰胺是馬鈴薯塊莖中最豐富的游離氨基酸，有時占所有游離氨基酸含量的50%以上，因此加熱的馬鈴薯產(chǎn)品中AA含量相對較高[3]。LEE等也證明了天冬酰胺是馬鈴薯和谷物中的主要氨基酸，是產(chǎn)生AA的重要參與成分[18]，在后續(xù)控制方法研究中，可以選擇控制天冬酰胺含量來控制AA的生成。

1.2 非天冬酰胺途徑

油脂類物質(zhì)在加熱過程中，脂肪會脫水產(chǎn)生大量的丙烯醛，丙烯醛既能與氨在180 ℃下生成AA，也能通過褐變作用進(jìn)而氧化成丙烯酸后進(jìn)一步與氨反應(yīng)生成AA。氨和丙烯醛在熱處理時在富含脂質(zhì)的食品中的AA形成中起著重要作用，但在相同條件下，丙烯酸與氨反應(yīng)能得到更多的AA[19]。不同油脂對AA的控制也有一定的作用。

2 丙烯酰胺的毒性

AA主要表現(xiàn)出神經(jīng)毒性、生殖毒性和致癌性。它可以導(dǎo)致實驗動物和長期暴露于AA的人類出現(xiàn)出血、骨骼肌無力和體重減輕等癥狀[20]。AA引起的神經(jīng)毒性會誘導(dǎo)周圍神經(jīng)病變、感覺功能和力量減弱[21]。大量文獻(xiàn)表明，哺乳動物大腦中的生物鐘系統(tǒng)對認(rèn)知功能、記憶形成和復(fù)雜思維產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，由時差或睡眠剝奪引起的晝夜節(jié)律紊亂可引起認(rèn)知障礙和記憶障礙，而給實驗動物接觸AA則會導(dǎo)致生物鐘紊亂，誘導(dǎo)認(rèn)知功能障礙和記憶喪失[22-23]。此外，AA的生殖毒性和心臟毒性也不容忽視。若女性在懷孕前暴露于AA則會阻礙卵母細(xì)胞成熟，影響女性生育能力[24]。有人曾在人臍帶血和母乳中檢測出AA，并表明孕婦暴露于AA會引起明顯的心血管系統(tǒng)紊亂，心臟萎縮、形態(tài)和功能失常，既對胎兒不利，也對嬰兒早期的心臟發(fā)育有不良影響[25]。在哺乳動物中，肝臟是各種代謝功能的重要器官之一，肝細(xì)胞有第二大量的線粒體，AA會產(chǎn)生肝毒性引發(fā)線粒體功能障礙造成肝損傷[26]。另有研究顯示，長期接觸AA后，人體的腎臟、肺、腸等器官均會受到一定程度的損傷，嚴(yán)重者甚至?xí)掳27]。由此可見，探究有效控制食品中AA含量的技術(shù)方法刻不容緩。

3 食品中丙烯酰胺的控制

3.1 控制食品加工的溫度與時間

食物在高于120 ℃的溫度加工、烹調(diào)會產(chǎn)生AA，140～180℃為其生成的最佳溫度。某些還原性糖類能夠在大于100 ℃的條件下與天冬酰胺生成AA，但是當(dāng)溫度達(dá)到190 ℃以上時，AA的生成量逐漸減少[28]。本實驗室測得當(dāng)油炸麻花的溫度高于120 ℃時，AA開始產(chǎn)生并呈上升趨勢，高于190℃時麻花所含AA開始下降。

3.2 加入丙烯酰胺產(chǎn)生的抑制劑

3.2.1 天然提取物

不同水果提取物對AA的影響不同，蘋果醇提取物能降低AA的產(chǎn)生，而火龍果醇提取物則會加強AA的產(chǎn)生。蘋果醇提取物主要成分為原花青素，加入15 mg/mL該提取物對油炸馬鈴薯片的AA抑制作用能達(dá)約30%[32]。陳媛媛等[33]研究發(fā)現(xiàn)，蓮房原花青素(LSPC)對薯條和油條中AA形成有抑制作用，將薯條浸漬于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) LSPC溶液中90 s，油條浸漬于0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))LSPC溶液中60 s，對AA產(chǎn)生的抑制率分別達(dá)到57.59%和67.38%。李金旺[34]研究大蒜粉對油炸薯條AA的抑制作用及活性成分，研究表明，在油炸前將馬鈴薯浸泡在0.1 g/mL的大蒜粉溶液中，在浸泡120 min左右，AA的產(chǎn)生達(dá)到最大抑制率為37.3%，超過120 min后抑制率趨于平穩(wěn)，并證明大蒜中對AA生成起抑制作用的最主要成分為大蒜素。

3.2.2 香辛料

劉玲玲[35]研究了香辛料對紅燒肉加工過程中AA產(chǎn)生的影響。實驗結(jié)果顯示，在紅燒肉中按比例加入蔥、姜、黃酒，AA的含量呈降低趨勢；當(dāng)加入糖和老抽，由于老抽中含有豐富的氨基酸，AA的生成量顯著增加；八角、草果、香葉能抑制紅燒肉中AA的產(chǎn)生，而花椒、胡椒對其無抑制作用。MOUSA等[36]的研究則表明，紅辣椒、姜黃和芫荽(香菜)中提取的抗氧化劑的混合體，相對于黑胡椒和小茴香中提取的抗氧化劑為最有希望的AA形成抑制劑，在薯條制作中按1∶1∶1將馬鈴薯條浸泡在1.5%的該混合體中60 min后，170 ℃ 用棕櫚油炸3 min可減少AA高達(dá)88%。

3.2.3 天冬酰胺酶

國內(nèi)外大量研究表明，天冬酰胺酶既可有效減少原料中天冬酰胺的含量，從源頭上控制AA的生成，還可以避免影響食品的品質(zhì)。在小麥面包制作過程中，在面粉中加入752.15 U/kg的天冬酰胺酶能減少面包中90%～97%的AA[37]。因此，在面粉中加入天冬酰胺酶也是一種有效的抑制AA生成的方法。

3.2.4 金屬陽離子

將馬鈴薯條浸入1%NaCl溶液在25 ℃維持5 min, 油炸馬鈴薯條中的AA減少約62%[38]。在制作餅干的過程中，往小麥面粉中加入1.4 × 10-2mol/L CaCl2和1.0 × 10-2mol/L MgCl2可有效減少60%的AA形成[39]。焙烤面包過程中，當(dāng)加入配比為檸檬酸0.45%、硫酸鈣0.95%時，面包中AA含量從0.592 μg/g降至0.118 μg/g[40]。金屬陽離子抑制AA產(chǎn)生的機理可能是由于負(fù)責(zé)AA形成的schiff堿受到了金屬離子的抑制，進(jìn)而阻礙了天冬氨酸途徑的AA的形成。

3.3 選擇合適的油和食材

不同油脂也會影響油炸食品中AA的含量[41]。DANIALI等[42]經(jīng)檢測得到，經(jīng)過高溫(160、180、200 ℃)處理后，棕櫚油中AA含量約為大豆油中AA含量的2倍；管玉格[29]分別用大豆油、花生油、菜籽油和棕櫚油在165 ℃條件下油炸饃片3 min至熟，結(jié)果在相同條件下，使用大豆油炸饃片產(chǎn)生的AA含量最低為1.124 μg/g，使用棕櫚油炸饃片產(chǎn)生的AA含量最高，達(dá)到1.655 μg/g。本實驗室也對比了菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棕櫚油對油炸麻花中AA含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用棕櫚油生產(chǎn)的麻花中AA最高，其含量是其他4種油炸制麻花中AA的1.94倍。因此，選擇適宜的油進(jìn)行烹制也能減少AA的形成。

3.4 適宜的發(fā)酵菌種

面包制作過程中需要添加酵母菌對面團(tuán)進(jìn)行發(fā)酵，研究顯示選擇合適的菌種能降低面包中AA含量。戊糖片球菌、腸膜名串珠菌和彎曲乳桿菌、植物乳桿菌等已被證明適用于面包的生產(chǎn)，選用8.9 lg10 CFU/mL用戊糖片球菌和腸膜名串珠菌發(fā)酵，面包中AA含量降低了29.5%;選用等量的戊糖片球菌和彎曲乳桿菌發(fā)酵，AA降低67.2%[43]。此外，酵母出芽短梗菌能產(chǎn)生天冬酰胺酶，在馬鈴薯片油炸前用酵母出芽短梗菌(Aureobasidiumpullulans)最終能將游離天冬酰胺的含量降低16%，油炸馬鈴薯片中AA降低83%，暫未有實驗等顯示酵母出芽短梗菌對人體有害。抑制作用的機理可能是因為該菌株能消耗新鮮馬鈴薯中游離天冬酰胺，從而減少了AA的生成，同時此方法也能減少馬鈴薯褐變[44]。

3.5 其他消減食品中AA的方法

由于控制食品中AA方法的原理不同，采用復(fù)合法可能達(dá)到更好的抑制效果。例如，將法式薯條在75 ℃漂燙10 min后，在天冬酰胺酶溶液中40 ℃浸泡20 min，可使油炸薯條中的AA消減約60%[45]。將馬鈴薯片用超聲波清洗機在功率為200 W，超聲溫度40 ℃的條件下預(yù)處理30 min，馬鈴薯中還原糖含量降低31%；與僅在水中浸泡30 min比，AA降低了50%；而與直接油炸相比，AA降低率高達(dá)90%，說明采用超聲波作為煎炸預(yù)處理能通過降低馬鈴薯中還原糖含量有效降低油炸馬鈴薯中AA含量[46]。

4 展望

此外，有研究表明，將馬鈴薯片分別浸泡在不同濃度(0.1%，0.5%和1%)的VB3、VB6中，結(jié)果當(dāng)各維生素的濃度為1%時，馬鈴薯片中AA的形成分別減少了58%、50%，且不會影響薯片的原始風(fēng)味和脆度[47]。賴氨酸和甘氨酸也能通過抑制schiff堿的形成而有效地抑制AA的生成。將馬鈴薯片浸泡在0.5% 甘氨酸中1 min，薯片中AA減少了57%；浸泡在1%賴氨酸中1 min，AA的減少量達(dá)58%[48]，該抑制作用的機理可能是賴氨酸和甘氨酸促進(jìn)了競爭反應(yīng)，減弱了天冬氨酸途徑產(chǎn)生AA。在《GB 14880—2012 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品營養(yǎng)強化劑使用標(biāo)準(zhǔn)》[49]中顯示，L-賴氨酸、VB6、VB3均可作為食品營養(yǎng)強化劑，小麥粉及其制品中L-賴氨酸的允許使用量為1～2 g/kg， 餅干中VB6的允許使用量為2～5 mg/kg，其他烘焙食品為3～15 mg/kg，餅干中VB3的允許使用量為30～60 mg/kg，面包為40～50 mg/kg。因此，L-賴氨酸、VB6、VB3既能夠作為營養(yǎng)強化劑加入到食品中彌補人群對相應(yīng)氨基酸和維生素攝入的不足，同時也能有效緩解AA的產(chǎn)生，這為AA的控制方法提供了有利的指導(dǎo)。

在日常生活中，人們可以通過不同的途徑攝入AA，而AA對人類的神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)均會產(chǎn)生不良反應(yīng)，其致毒作用機制可能與氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，誘發(fā)癌癥以及AA在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物環(huán)氧丙酰胺(glycidamide，GA)攻擊DNA等有關(guān)。目前，減少油炸食物中AA的產(chǎn)生已引起了世界各國的廣泛關(guān)注，同時也成為了食品加工工藝研究的熱點，盡管在國內(nèi)外研究中已取得很大的進(jìn)展，但仍存在例如AA致癌性缺乏流行病學(xué)的證據(jù)；除油炸食品外，烘焙食品、飲用水以及煙草中也可能含有AA等問題，這些問題均有待于解決，尋找控制AA產(chǎn)生的有效方法，不僅對食品安全和人體健康起到有益作用，對食品加工工藝的完善也有指導(dǎo)性意義。