乳制品中糠醛類化合物研究進(jìn)展

邢倩倩

（1.乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海200436；2.食品營養(yǎng)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫214122）

0 引言

乳制品富含蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、礦物質(zhì)以及多種維生素。乳制品是人體鈣的最佳來源。近年來，隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，乳制品作為一種健康食品在消費(fèi)者的餐桌上越來越普及。作為“國民飲料”，乳制品的質(zhì)量及安全問題越來越受到消費(fèi)者的重視[1-2]。

1 糠醛類化合物的產(chǎn)生及危害

原料奶的質(zhì)量及加工過程所選擇的工藝參數(shù)是影響乳制品質(zhì)量的兩個(gè)重要因素[3-5]。牛奶中所涉及到的熱加工處理類型如表1所示。傳統(tǒng)的牛奶巴氏殺菌工藝是指短時(shí)高溫殺菌，需要在不低于72℃的條件下加熱15 s。巴氏殺菌奶可殺死牛奶中各種生長型致病菌，滅菌效率可達(dá)97.3% ～99.9% ，會殘留部分嗜熱菌、耐熱性菌以及芽孢等。由于巴氏殺菌奶中殘留的微生物，導(dǎo)致巴氏殺菌奶保質(zhì)期短且需冷藏保存。需要在125～138℃條件下加熱至少2 s的超巴氏殺菌工藝可延長牛奶貨架期至一個(gè)月。超高溫滅菌奶工藝需在135～140℃加熱4 s，該技術(shù)可在有效地消滅細(xì)菌的同時(shí)可保存牛奶原有的營養(yǎng)成分，超高溫滅菌牛奶保質(zhì)期在室溫下可達(dá)六個(gè)月[6-7]。牛乳粉加工工藝中包括原料預(yù)處理、蒸發(fā)濃縮、滅菌、噴霧干燥等熱處理步驟：（1）原料預(yù)處理包括低溫長時(shí)間殺菌和高溫瞬時(shí)滅菌，效果以120～140℃，2～4 s最佳，85～87℃/15 s和94℃/24 s也可達(dá)到效果；（2）濃縮工藝在40～70℃下減壓沸騰，濃縮原料乳；（3）均質(zhì)工藝一般控制在60℃；（4）噴霧干燥一般采用50～60℃，加熱10～30 s的條件[8]。

在熱處理過程中，乳制品中的蛋白質(zhì)、碳水化合物和維生素等物質(zhì)首先發(fā)生化學(xué)變化和生物變化，進(jìn)而導(dǎo)致包括粒徑方面的物理變化[6,9-12]。牛奶熱加工過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)主要位于氨基酸側(cè)鏈，包括：蛋白質(zhì)側(cè)鏈發(fā)生的降解反應(yīng)，-SH和-S-S基團(tuán)的重組，乳清蛋白變性，α-酪蛋白和β-乳球蛋白之間的反應(yīng)，蛋白質(zhì)與脂類的反應(yīng)，以及碳水化合物和蛋白質(zhì)之間的反應(yīng)，即美拉德反應(yīng)[13-16]。

美拉德反應(yīng)又稱“非酶褐變反應(yīng)”，是在熱（尤其高溫）加工富含還原糖的食物過程中發(fā)生的一種反應(yīng)。美拉德反應(yīng)在低溫干燥和低溫高濕的食品體系中均進(jìn)展緩慢。在高于35℃的中等濕度條件，美拉德成為主要的反應(yīng)，會引起顏色（類黑精）、氣味（醛類和酮類）、功能成分及營養(yǎng)指標(biāo)的改變（賴氨酸的阻斷和破壞）[17]。在乳制品熱加工過程中，美拉德反應(yīng)降低了鍵合到乳糖上的賴氨酸的活性，進(jìn)而導(dǎo)致了營養(yǎng)成分的下降，可通過優(yōu)化工藝參數(shù)來降低美拉德反應(yīng)所導(dǎo)致的負(fù)面結(jié)果[18-19]。美拉德反應(yīng)也可以用于新品開發(fā)，在富含糖的牛奶制品中，可通過美拉德反應(yīng)的褐變制成全新風(fēng)味的褐色乳制品[20-22]。

表1 乳品工業(yè)中熱處理的主要類型

1953年，Hodge等人首次提出了糖類和氨基酸之間的美拉德反應(yīng)路線，主要分為起始階段、中間階段和最終階段。糠氨酸和糠醛類化合物是在美拉德反應(yīng)的前兩個(gè)階段生成，最終階段主要是褐色產(chǎn)物（類黑精）形成和蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[23]?？钒彼嶙鳛槊览路磻?yīng)起始階段的標(biāo)識性產(chǎn)物，其含量可用于評價(jià)封閉的非反應(yīng)賴氨酸及其前體的含量[24]?？啡╊惢衔餅槊览路磻?yīng)中間階段色素形成過程的中間產(chǎn)物。因此，糠氨酸和糠醛類化合物可作為工藝加工過程和貯存過程美拉德反應(yīng)進(jìn)展程度的標(biāo)識物[25]。糠氨酸作為乳制品質(zhì)量的標(biāo)識物已有較多研究[26-29]。本文主要針對糠醛類化合物的研究進(jìn)展展開討論。

牛奶在熱加工或高溫貯存過程中，會有不同的糠醛化合物生成，分別為羥甲基糠醛、糠醛、呋喃甲基酮和甲基糠醛，結(jié)構(gòu)如圖1所示[30]，這4種化合物的含量可用于揭示美拉德反應(yīng)的進(jìn)展程度。文獻(xiàn)報(bào)道較多的糠醛類化合物為羥甲基糠醛和糠醛，其中以羥甲基糠醛研究信息最為豐富。乳制品中的羥甲基糠醛來源途徑有兩種：一種為乳糖異構(gòu)化和降解，稱為游離羥甲基糠醛；一種為美拉德反應(yīng)中乳糖與蛋白質(zhì)中的氨基酸發(fā)生Amadori重排生Amadori產(chǎn)物，通過酸水解Amadori產(chǎn)物而生成羥甲基糠醛，稱為結(jié)合羥甲基糠醛[31]。

圖1 4種糠醛結(jié)構(gòu)式

在糠醛類化合物有關(guān)的藥理研究方面，有關(guān)5-羥甲基糠醛的研究較多，其他三種糠醛化合物涉及較少[32-34]。報(bào)道顯示，5-羥甲基糠醛的半數(shù)致死量（規(guī)定時(shí)間內(nèi)，通過制定感染途徑，使一定體重或年齡的某種動物半數(shù)死亡所需最小質(zhì)量，表達(dá)方式通常為有毒物質(zhì)的質(zhì)量和試驗(yàn)生物體重之比）為3.1 g/kg，糠醛的大鼠半數(shù)致死量為65 mg/kg[35]。5-羥甲基糠醛可通過吸入或皮膚接觸被人體吸收，對眼睛、上呼吸道、皮膚和黏膜等有刺激性；對人體橫紋肌及內(nèi)臟有損害，且具有神經(jīng)毒性，能與人體蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生蓄積中毒[33,36]。歐盟食品安全委員會推薦每人每日攝入的5-羥甲基糠醛上限為1.6 mg。

2 糠醛類化合物的分離分析

液相色譜作為分離手段檢測乳制品中糠醛類化合物含量的樣品前處理方面，不經(jīng)過水解直接測定的羥甲基糠醛稱為游離羥甲基糠醛，水解后由糖、Amadori產(chǎn)物生成的所有羥甲基糠醛稱為總羥甲基糠醛，總羥甲基糠醛檢測所需樣品前處理方法主要參考Boekel和Rehman在1987年所提出的方法[37]。首先，加入草酸溶液水浴加熱，然后加入三氯乙酸除去蛋白，所得溶液定容、過膜即可。游離羥甲基糠醛檢測所需樣品前處理方法與總羥甲基糠醛類似，只需除去水浴加熱過程。氣相色譜作為分離手段檢測乳制品中糠醛類化合物含量的樣品前處理方面，主要是頂空進(jìn)樣法和直接進(jìn)樣法[6,41-42]。2019年，Yuying Cui等建立QuEChERS快速前處理方法，該方法可快速完成乳制品中糠醛類化合物的純化制備，所得樣品可直接進(jìn)入氣質(zhì)聯(lián)用儀器分析[38]。

光譜法和色譜法均可用于糠醛類化合物的分離分析。光譜法簡單易操作，且費(fèi)用低廉，但是該類方法選擇性差且易產(chǎn)生“基質(zhì)效應(yīng)”[39-40]?？啡╊惢衔锬负藶檫秽h(huán)，具有明顯的紫外吸收特征。液相色譜串聯(lián)紫外檢測法常應(yīng)用于食品中的糠醛類化合物檢測，采用反相C18色譜柱，水和乙腈或水和甲醇作為流動相即可完成分離，定量限為羥甲基糠醛0.06μg/mL、糠醛0.02μg/mL、呋喃甲基酮0.03μg/mL和甲基糠醛0.03μg/mL[37]。氣相色譜串聯(lián)氫火焰離子檢測器在糠醛類化合物分離檢測方面也有應(yīng)用，定量限為：糠醛為4.14μg/L,甲基糠醛為27.16μg/L,羥甲基糠醛19.75μg/L;該方法靈敏度比液相色譜串聯(lián)紫外檢測法低2～3個(gè)數(shù)量級；氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測器的定量限可達(dá)到:糠醛為0.3 ng/mL,甲基糠醛為1.2 ng/mL，羥甲基糠醛0.9 ng/mL[41-42]。氣相色譜串聯(lián)三重四級桿定量限為：糠醛為0.002 mg/L,甲基糠醛為0.004 mg/L,羥甲基糠醛0.02 mg/L，呋喃甲基酮為0.002 mg/L[38]。在氣相分離過程中，復(fù)雜樣品容易在氣相色譜柱中發(fā)生吸附作用，破壞柱效，不適合用于多批次樣品的測試。

高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜或熒光檢測器均具有高靈敏度和高專一性的優(yōu)勢，且這兩種分析手段可有效的降低分離分析中常見的“基質(zhì)效應(yīng)”?？啡╊惢衔锝Y(jié)構(gòu)中與呋喃環(huán)相連的醛基或酮基是一類活性較高的基團(tuán)，可與多種衍生試劑發(fā)生反應(yīng)增加其疏水性和光譜響應(yīng)。Donnarumma等選擇丹磺酰肼作為熒光衍生試劑分析人體血漿中的羥甲基糠醛，檢測限可達(dá)到皮摩爾濃度[43]。Sun Yao等選擇一種帶有熒光衍射基團(tuán)的羥胺化合物作為衍生試劑，建立液相色譜串聯(lián)熒光檢測法和液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測法分析葡萄干和奶粉中的羥甲基糠醛、糠醛和甲基糠醛，檢測限可達(dá)到納摩爾濃度[44]。

除此之外，毛細(xì)管電泳法也可用于糠醛類化合物的檢測。Erika等使用未經(jīng)涂覆的石英玻璃毛細(xì)管柱建立毛細(xì)管電泳法對45種食品中的羥甲基糠醛進(jìn)行定量分析，定量限為2.5 mg/kg，且該方法與液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法檢測結(jié)果對比，顯示差異較小[45]。

3 乳制品中糠醛類化合物的研究

在乳制品中糠醛類化合物研究方面，由于呋喃甲基酮和甲基糠醛屬于熱加工過度的產(chǎn)物，含量較低，通常羥甲基糠醛和糠醛作為代表性糠醛類化合物開展研究。

針對不同品類乳制品中糠醛類化合物含量分布研究，Albala Hurtado等人在1997年研究了產(chǎn)自西班牙的6種嬰幼兒配方奶粉（37℃，保存6個(gè)月），6種嬰幼兒配方液態(tài)奶（37℃，保存6個(gè)月）和10種普通奶粉中的糠醛類化合物含量變化。結(jié)果顯示：（1）嬰兒配方奶粉和嬰兒配方液態(tài)奶中的總羥甲基糠醛和總糠醛含量區(qū)別不明顯，兩種樣品的總羥甲基糠醛含量范圍為38.3～189.1μg/100 mL，總糠醛含量范圍在11.5～24.5μg/100 mL；（2）普通奶粉的總羥甲基糠醛含量范圍為29.8～75.8μg/100 mL，總糠醛含量范圍為4.3～10.1μg/100 mL，嬰兒配方奶粉和嬰兒配方液態(tài)奶中的總羥甲基糠醛和總糠醛的含量高于普通奶粉；（3）嬰兒配方液態(tài)奶中的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為0～34.5μg/100 mL和0～2.5μg/100 mL，嬰兒配方奶粉中的的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為15.5～129.8μg/100 mL和1.7～10.6μg/100 mL，普通奶粉中的的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為2.5～8.7μg/100 mL和未檢測到，嬰兒配方液態(tài)奶中的游離羥甲基糠醛和游離糠醛均低于嬰兒配方奶粉，普通奶粉中游離羥甲基糠醛和游離糠醛含量最低[37]。Emilia Ferrer等人在2000年研究對比了普通品牌的10種超高溫滅菌全脂牛奶，知名品牌的3種超高溫滅菌全脂牛奶和2種超高溫滅菌半脫脂牛奶（其中1種為低乳糖牛奶）中羥甲基糠醛的含量。知名品牌的總羥甲基糠醛的含量范圍為8.73～12.15μg/100 mL牛奶，該數(shù)值低于普通品牌的總羥甲基糠醛含量范圍（21.65～66.44μg/100 mL牛奶）。半脫脂牛奶和半脫脂低乳糖牛奶的的總羥甲基糠醛含量分別為59.43和317.81μg/100 mL牛奶。知名品牌的游離羥甲基糠醛含量為未檢測到，半脫脂牛奶和半脫脂低乳糖牛奶的的游離羥甲基糠醛含量分別為39.15和65.22μg/100 mL牛奶，普通品牌的游離羥甲基糠醛含量為7.40～50.93μg/100 mL牛奶。文章結(jié)果顯示：（1）知名品牌牛奶中的總羥甲基糠醛和游離羥甲基糠醛的含量均低于普通品牌，表明知名品牌牛奶熱損傷程度低于普通品牌牛奶；（2）知名品牌半脫脂牛奶的總羥甲基糠醛和游離羥甲基糠醛含量均高于全脂牛奶；（3）知名牌低乳糖牛奶中的糠醛含量異常偏高，原因是乳糖酶水解乳糖生成半乳糖和果糖，增加還原糖的含量，可加速美拉德反應(yīng)的進(jìn)程[46]。Cui Yuying等人在2020年研究了奶制品熱處理和發(fā)酵處理過程中糠醛類化合物含量的變化，完成液態(tài)奶、奶粉、復(fù)原乳（發(fā)酵乳和液態(tài)乳）和發(fā)酵乳4個(gè)品類中糠醛類化合物含量分布：液態(tài)奶中未檢測到羥甲基糠醛，糠醛含量范圍為0.015～0.054 mg/kg；奶粉中羥甲基糠醛含量范圍為0.038～0.624 mg/kg，糠醛含量范圍為0.013～0.031 mg/kg；復(fù)原液態(tài)乳和復(fù)原發(fā)酵乳中羥甲基糠醛含量范圍為0.015～3.430 mg/kg，糠醛含量范圍為0.010～0.792 mg/kg；發(fā)酵乳中羥甲基糠醛含量范圍為0.032～1.760 mg/kg，糠醛含量范圍為0.014～2.575 mg/kg[38]。

針對不同乳制品中保質(zhì)期內(nèi)糠醛類化合物含量變化，Albala Hurtado等人在1998年研究了嬰兒配方奶粉（15% 折算）和嬰兒配方液態(tài)奶在20、30和37℃三種條件下保存9個(gè)月的糠醛類化合物含量變化。結(jié)果顯示：（1）奶粉中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為10.3～23.5μmol/L和15.0～34.7μmol/L，游離糠醛和總糠醛的含量為1.1～5.3μmol/L和1.8～6.8μmol/L；（2）液態(tài)奶中中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為0.6～1.6μmol/L和9.0～12.2μmol/L，游離糠醛和總糠醛的含量為0.3～0.6μmol/L和1.4～2.3μmol/L；（3）奶粉中的游離型糠醛化合物和總糠醛化合物均高于液態(tài)奶，原因是嬰兒配方奶粉的加熱強(qiáng)度高于液態(tài)奶[47]。Emilia Ferrer等人在2005年研究對比了較大嬰兒和幼兒兩種嬰兒配方奶粉在24個(gè)月內(nèi)兩種儲存溫度（20和37℃）糠醛含量的變化。結(jié)果顯示：奶粉中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為62～1133μg/100 g奶粉和392～2909μg/100 g奶粉范圍內(nèi)，游離糠醛和總糠醛的含量為0～32μg/100 g奶粉和19～133μg/100 g奶粉范圍內(nèi)。通過統(tǒng)計(jì)顯示，（1）20℃儲存溫度下嬰兒奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢小于37℃儲存溫度；（2）嬰兒奶粉中糠醛化合物的生成主要是在儲存期的第二年，建議延長嬰兒奶粉的質(zhì)量控制時(shí)間，適當(dāng)降低其保質(zhì)期以保證營養(yǎng)成分的完善[48]。Jorge L.等人在2005年研究了孕婦奶粉在15個(gè)月內(nèi)兩種儲存溫度（20℃和37℃）糠醛類物質(zhì)含量的變化。結(jié)果顯示：（1）游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量在315.34～1166.77μg/100 g奶粉和902.81～2618.66μg/100 g奶粉，游離糠醛和結(jié)合糠醛的含量在61.34～243.30μg/100 g奶粉和128.40～515.96μg/100 g奶粉范圍內(nèi)；（2）20℃儲存條件下孕婦奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢小于37℃儲存條件。作者建議通過降低賴氨酸的活性來降低奶粉中的糠醛含量[31]。Jorge L.等人在2006年研究了兩種嬰兒配方奶粉在12個(gè)月內(nèi)兩種儲存溫度下（20和37℃）糠醛類物質(zhì)含量的變化。結(jié)果顯示：（1）20℃儲存條件下兩種嬰兒配方奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢均小于37℃儲存條件；（2）含長鏈脂肪酸奶粉中總羥甲基糠醛和總糠醛的含量變化分別在485.88～1616.03μg/100 g奶粉和167.13～198.22μg/100 g奶粉之間，游離羥甲基糠醛和糠醛的含量變化分別在58.23～121.83μg/100 g奶粉和0～17.64μg/100 g奶粉之間，變化趨勢與不含長鏈脂肪酸奶粉相似，表明長鏈脂肪酸的存在對奶粉中的糠醛變化沒有明顯影響[49]。

另外，Jorge L.等人在2015年研究了20種嬰兒奶粉開封后在室溫下保存0,30 d和70 d的總糠醛類物質(zhì)含量的變化。結(jié)果顯示：總羥甲基糠醛和總糠醛的含量變化在462～3121μg/100 g奶粉和88～292μg/100 g奶粉之間，糠醛類物質(zhì)的總含量在567～3278 μg/100 g奶粉之間。文章結(jié)果表明20種奶粉中有13種中的糠醛類物質(zhì)含量在70 d內(nèi)發(fā)生明顯上升趨勢[50]。綜上所述，（1）不同品類乳制品中糠醛類化合物初始含量對比為：褐變復(fù)原酸>褐變酸奶>復(fù)原酸奶>孕婦奶粉>嬰兒奶粉>普通奶粉>原味酸奶>超高溫滅菌奶>巴氏殺菌奶；（2）不同儲存條件和儲存時(shí)間的奶粉，糠醛類化合物含量具有明顯區(qū)別：儲存溫度越高，糠醛類化合物含量升高越明顯；儲存時(shí)間越長，糠醛類化合物含量升高越明顯。

鑒于糠醛類化合物的生理毒性，需控制其在乳制品中的有效含量。Cui Yuying等人采用Toxtree和T.E.S.T.軟件完成糠醛類化合物的攝入風(fēng)險(xiǎn)量預(yù)測，結(jié)合不同乳制品中糠醛類化合物含量完成每日最佳攝入量估值[38]。

4 結(jié)論與展望

作為美拉德反應(yīng)的代表性產(chǎn)物之一，糠醛類化合物越來越受到人們的重視。作為一種熱加工產(chǎn)物，糠醛類化合物的含量能夠體現(xiàn)乳制品儲藏時(shí)間和儲藏溫度，可作為衡量牛奶保質(zhì)期的指標(biāo)。今后該領(lǐng)域的核心問題包括：（1）研究更多品類乳制品中的糠醛類化合物含量，尋找糠醛類化合物含量與加工方式和產(chǎn)品原料組成的量化關(guān)系；（2）通過尋找糠醛類化合物含量與加工溫度和加工時(shí)間的具體變化規(guī)律從而建立乳制品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系；（3）完成以上兩點(diǎn)后，建立乳制品中糠醛類化合物含量限值，對不同人群的食用限量給出準(zhǔn)確估值。