緩解食品中丙烯酰胺和5羥甲基糠醛形成的研究進(jìn)展

張澤宇,曹雁平,*,朱雨辰

(1.北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院,北京市食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京 100048;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心,北京100083)

2002年瑞典斯德哥爾摩大學(xué)以及瑞典國(guó)家食品管理局(Swedish National Food Administration,SNFA)研究人員首次在油炸食品中發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺(acrylamide,AA),并證明AA廣泛存在于熱加工食品中[1],該現(xiàn)象引起世界性的高度關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),熱加工食品常常發(fā)生焦糖化反應(yīng)和Maillard反應(yīng)等一系列非酶褐變,在形成特有的風(fēng)味和顏色時(shí),產(chǎn)生大量的AA[2]還伴隨著5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)的生成[3]。AA因具有神經(jīng)毒性[4]、生殖毒性[5]、遺傳毒性[6],被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)列為2A類致癌物[7]。HMF在體內(nèi)可經(jīng)過(guò)氯化和硫化作用直接轉(zhuǎn)化為具有較強(qiáng)致癌性和基因毒性的5-亞磺酰甲基糠醛(sulfoxymethylfurfural,SMF)[8-9],因此HMF被稱為是一種具有潛在安全隱患的食品內(nèi)源性污染物[10]。

AA和HMF廣泛存在于面包、餅干、谷物早餐、薯片等常見食物中。薯片樣品中AA的平均含量為0.628 mg/kg,其最大值可達(dá)4.180 mg/kg。2010年歐盟在餅干樣品中檢測(cè)到AA平均濃度高達(dá)1.337 mg/kg,遠(yuǎn)超過(guò)歐盟新法案規(guī)定餅干和曲奇0.350 mg/kg的限定值[11]。西班牙某品牌餅干樣品中HMF含量范圍為3.1～182.5 mg/kg,平均含量為14.4 mg/kg[12],而法國(guó)某品牌商用餅干則為25.97±14.90 mg/kg[13],在干果和焦糖制品中,HMF含量可高達(dá)1000.0 mg/kg[14]。據(jù)初步估計(jì),若中國(guó)人群的平均體重按照50 kg計(jì)算,中國(guó)人群食品中的HMF平均暴露量為6 mg/d[15-16];歐洲食品安全局評(píng)估的人群中每人HMF的食品攝入量上限為1.6 mg/d[10],均遠(yuǎn)高于聯(lián)合食品添加劑專家委員會(huì)(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,JECFA)通過(guò)大量急性和亞急性動(dòng)物毒理實(shí)驗(yàn)所得到的每人每天攝入劑量的上限540 μg[17-18]。

近年來(lái),挪威、美國(guó)、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家以及許多國(guó)際組織和研究機(jī)構(gòu)均對(duì)熱加工食品中AA和HMF的形成機(jī)理、檢測(cè)方法進(jìn)行調(diào)查與研究[19],并探究不同的原料和加工工藝對(duì)兩者的影響。研究結(jié)果顯示,金屬離子、乳酸菌等添加劑對(duì)AA和HMF含量的抑制效果多數(shù)為負(fù)相關(guān)[20-21]。例如,添加Na+可抑制AA的形成,但金屬離子的存在促進(jìn)呋喃果糖基陽(yáng)離子的形成,顯著增加了HMF的含量,使兩者處于此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)[22-25]。乳酸菌發(fā)酵可以降低餅干中AA的含量,但是乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)酸會(huì)使反應(yīng)體系pH降低,促進(jìn)HMF的形成[21]。因AA和HMF反應(yīng)體系pH的差異性,增加了同步抑制的難度系數(shù)。

AA、HMF在熱加工食品中相伴產(chǎn)生,所以實(shí)現(xiàn)共同抑制是亟需解決的食品安全性問題。本文總結(jié)歸納AA、HMF形成的緩解策略和預(yù)防措施,為后期科研者探尋更多的有效抑制方法,或緩解熱加工食品中AA、HMF等多種有害物質(zhì)的形成提供理論依據(jù)。

1 AA和HMF的形成機(jī)制

1.1 AA的形成機(jī)制

天冬酰胺途徑是食品中產(chǎn)生AA的重要途徑,其開始階段也是Maillard反應(yīng)的初始階段,天冬酰胺途徑是以天冬酰胺和還原糖為起始原料[2,6],經(jīng)過(guò)Maillard反應(yīng)的起始階段脫水縮合形成極不穩(wěn)定的Schiff堿,再分別以Strecker降解途徑和N-糖苷途徑形成AA[2]。Strecker途徑是由極不穩(wěn)定的Schiff堿在弱酸條件下經(jīng)Amadori重排形成Amadori重排產(chǎn)物,隨后Amadori重排產(chǎn)物進(jìn)一步脫水脫氨裂解成一些重要的二羰基化合物,如丁二酮、丙酮醛等[26],或者葡萄糖單獨(dú)存在時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)逆羥醛反應(yīng)發(fā)生熱降解直接生成二羰基化合物(乙二醛)[27]。最終這些二羰基化合物與天冬酰胺經(jīng)Strecker降解途徑脫羧脫氨直接形成AA[6,28]。N-糖苷途徑是N-糖苷、Schiff堿經(jīng)過(guò)分子內(nèi)環(huán)化形成唑烷酮(oxazolidin-5-one),立即脫羧生成較為穩(wěn)定的偶氮甲堿葉立德翁內(nèi)鹽(azomethine ylide)[29],該物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生不可逆的1,2-質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成脫羧Schiff堿[30],直接生成AA,或者脫羧Amadori產(chǎn)物經(jīng)過(guò)β-消除反應(yīng)生成3-氨基丙酰胺(3-amino-propanamide,3-APA)進(jìn)而脫氨生成AA[26]。N-糖苷途徑相比Strecker降解途徑可產(chǎn)生更多的AA[30]。此外,在酸性高溫的條件下,HMF可以直接與天冬酰胺發(fā)生反應(yīng)生成AA[31]。反應(yīng)途徑見圖1。

圖1 AA和HMF的形成途徑Fig.1 Formation pathway of AA and HMF

經(jīng)研究證實(shí),無(wú)天冬酰胺存在時(shí)仍可以生成AA[1]。食物中單糖加熱后發(fā)生焦糖化反應(yīng)產(chǎn)生大量的小分子醛(如甲醛、乙醛等)[32],進(jìn)而生成丙烯酸,最終形成AA。在該非天冬酰胺途徑中丙烯酸、丙烯酮是AA的關(guān)鍵中間產(chǎn)物[1]。油脂[33-34]可以水解成脂肪酸、丙三醇,油脂氧化后可分別生成丙烯醛和丙烯酸,最終形成AA。也有研究者表示,肌肽水解釋放丙氨酸最終形成AA[26]。反應(yīng)途徑見圖1。

1.2 HMF的形成機(jī)制

HMF是一個(gè)多功能的分子,含有呋喃環(huán)、不飽和羰基和烯丙基羥基。HMF一般都存在于熱加工食品中[35-37],且在新鮮食物或未加工的食品中沒有發(fā)現(xiàn)HMF的存在[38-39]。HMF的形成通過(guò)兩種途徑,一種是在高溫、酸性環(huán)境下,糖和天冬酰胺發(fā)生Maillard反應(yīng),脫羧縮合形成Schiff堿[40-41],隨后通過(guò)Amadori重排形成1-氨基-2-酮糖[28],經(jīng)1,2-烯醇化、脫水形成3-脫氧己糖酮,經(jīng)環(huán)化反應(yīng)形成HMF[42]。另一種是在酸性條件下,糖直接發(fā)生水解,發(fā)生焦糖化反應(yīng)生成HMF[14,43]。當(dāng)反應(yīng)環(huán)境中存在金屬離子時(shí),果糖和葡萄糖的異構(gòu)化不易發(fā)生,蔗糖水解形成的果糖將完全轉(zhuǎn)化為非?；顫姷倪秽腔?yáng)離子[44],該陽(yáng)離子的生成提高了HMF的生成率[3]。反應(yīng)途徑見圖1。

2 影響AA和HMF形成的因素和可能的緩解及預(yù)防策略

AA、HMF的形成,不僅受到反應(yīng)原料的影響,還與原料中前體物質(zhì)的可變性、加熱條件(溫度和時(shí)間)和加工技術(shù)等因素密切相關(guān)。原料的篩選、改變配料中氨基酸和糖類的組成、添加外源添加劑、優(yōu)化加工工藝或應(yīng)用新型加工技術(shù)等策略,可以緩解兩者共同的重要前體物-Schiff堿的形成,或分解、消除成品中已經(jīng)形成的分子,減緩Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率,在最大程度上抑制加熱過(guò)程中AA、HMF的形成。

2.1 減少前體物質(zhì)

2.1.1 原料篩選 高含量的AA、HMF等有害污染物普遍存在于馬鈴薯、紅薯制品等富含碳水化合物的食物中,嚴(yán)重威脅到人類飲食安全[45]。為了緩解富含碳水化合物食物中AA和HMF的形成,應(yīng)精選原料,從源頭控制食品原料的質(zhì)量。

面粉的選擇直接影響了烘焙食品中AA的含量。不同面粉烘焙的餅干中AA含量存在明顯差異,紅薯粉制備的食品體系中AA的濃度為296～2019 μg/kg,馬鈴薯粉烘焙的產(chǎn)品中AA的濃度為1800～7600 μg/kg,黑麥粉烘焙的食品中AA的濃度為59～3166 μg/kg[46-48]。Elmore等[45]研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯粉制備的餅干經(jīng)180 ℃條件下烘焙30 min,產(chǎn)生6800 μg/kg的AA,分別是黑麥粉、小麥粉烘焙的餅干中AA含量的2倍和6倍。

烘焙食品中面粉的種類與HMF的含量密切相關(guān)。普通面粉烘焙的面包中含有23.2 mg/kg的HMF,由燕麥制備的面包中HMF的含量是4.8 mg/kg,黑麥和麥麩面包HMF的含量是23.4 mg/kg[49]。Edoardo等[50]研究發(fā)現(xiàn),與黑麥粉、全麥粉制備的面包相比,小麥粉面包中HMF的含量可達(dá)到較低水平。Mohan等[51]也得到了類似的結(jié)論。

由此看來(lái),若將小麥粉添加到烘焙食品中,有利于緩解烘焙食品中AA和HMF的形成。

2.1.2 氨基酸 氨基酸作為反應(yīng)原料之一,在一定程度上可以干擾模擬體系或食品體系中Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的形成,競(jìng)爭(zhēng)性地消耗AA、HMF的前體,或通過(guò)氨基酸的親核反應(yīng)增強(qiáng)消除AA的能力[52]。

當(dāng)氨基酸-葡萄糖模擬體系的pH在5～8范圍內(nèi),不管加熱多長(zhǎng)時(shí)間,脯氨酸-葡萄糖體系中生成丙酮醛的含量均小于賴氨酸、甘氨酸、精氨酸模擬體系中丙酮醛的含量,有效阻礙反應(yīng)途徑中丙酮醛的形成,降低了AA的含量[53]。若反應(yīng)體系中存在半胱氨酸或谷胱甘肽,或分子中同時(shí)存在-SH和-NH2親核基團(tuán),會(huì)與AA的α,β-不飽和氨基發(fā)生Michael Addition反應(yīng),顯著清除AA[54-55]。Adams等[56]在模擬體系中發(fā)現(xiàn),賴氨酸、絲氨酸和半胱氨酸均可以與AA產(chǎn)生縮合產(chǎn)物,其中,半胱氨酸的抑制效果最佳。半胱氨酸-木糖模擬體系中的半胱氨酸可以顯著清除已形成的AA,消除率可高達(dá)82.1%[57]。研究發(fā)現(xiàn),賴氨酸、脯氨酸與糖類生成的Amadori重排產(chǎn)物通過(guò)2,3-烯醇化反應(yīng),產(chǎn)生1-脫氧葡糖醛酮等各種裂變產(chǎn)物,有效緩解3-脫氧葡糖醛酮的形成,減緩了HMF的生成速率,降低褐變程度[58-59]。李光磊[28]在探究不同氨基酸種類對(duì)HMF形成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),賴氨酸-蔗糖、脯氨酸-蔗糖體系中均未產(chǎn)生HMF,即使溫度達(dá)到160 ℃,模擬體系中HMF的含量也未有顯著性差異。最新研究表明,半胱氨酸與甘氨酸組合添加可以顯著降低AA和HMF[60],與空白對(duì)照相比,餅干中混合添加0.36 g/100 g(w/w)半胱氨酸和0.2 g/100 g(w/w)甘氨酸可分別使AA、HMF的含量降低了97.8%和93.2%[60]。但食品配料中加入了甘氨酸,導(dǎo)致烘焙的食品過(guò)度褐變并產(chǎn)生異味,極大程度地影響了產(chǎn)品的質(zhì)量以及消費(fèi)者的可接受程度[42]。

因此,在不影響食品風(fēng)味的前提下,通過(guò)改變配料中氨基酸的組成,抑制同一食品體系中AA、HMF、呋喃等有害污染物的形成,仍需進(jìn)一步的探索和研究。

2.1.3 糖類 糖類作為反應(yīng)基料,不管是在Maillard反應(yīng)中還是焦糖化反應(yīng)中均是十分重要的限制性因素之一,不僅控制Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率,也影響著AA和HMF的形成。

糖類與AA的含量高度相關(guān)。高糖的馬鈴薯制品經(jīng)過(guò)熱加工后,馬鈴薯制品中AA的含量可高達(dá)1823 ng/g,是低糖馬鈴薯制品中AA含量的36倍[61]。天冬酰胺-果糖、天冬酰胺-葡萄糖模擬體系經(jīng)180 ℃ 10 min的熱處理后產(chǎn)生AA的含量較高,而在同樣條件下,蔗糖、鼠李糖模擬體系中幾乎不產(chǎn)生AA[62]。Graf等[63]研究發(fā)現(xiàn),利用蔗糖溶液代替糖漿可有效減少甜面包中的AA,與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(170 μg/kg)相比,減少了70%以上。在餅干、面包中也有相似的結(jié)論[38,64]。存在唯一缺陷的是,蔗糖制備的產(chǎn)品顏色稍淺[63]。若較亮的顏色不會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品產(chǎn)生負(fù)面影響,那么,利用蔗糖代替其他還原糖添加到產(chǎn)品配方中,是抑制烘焙產(chǎn)品中AA含量的有效方法之一。

糖類與反應(yīng)體系中HMF的含量密切相關(guān)。有研究表明,果糖是形成HMF的重要反應(yīng)物,在果糖存在的反應(yīng)體系中,HMF的形成速率遠(yuǎn)大于葡萄糖、蔗糖;反應(yīng)速率分別是葡萄糖、蔗糖的31.2、18.5倍[65]。而處于高溫條件時(shí)(>250 ℃),蔗糖組中HMF的含量很快就可達(dá)到果糖組、葡萄糖組的5倍。主要原因是,高溫條件(>250 ℃)促使蔗糖快速水解產(chǎn)生更多的果糖和葡萄糖,使果糖高效地轉(zhuǎn)化為3-脫氧己糖酮,產(chǎn)生更高水平的HMF。若將模擬體系中的果糖、葡萄糖或蔗糖替換為木糖,與半胱氨酸進(jìn)行熱處理,可以使模擬體系中3-脫氧葡萄糖醛酮或呋喃果糖基陽(yáng)離子急劇減少,完全抑制HMF[57]。

為了有效緩解食品體系中AA、HMF的形成,應(yīng)盡量選用蔗糖、木糖等非還原糖代替還原糖添加到食品配方中,經(jīng)低溫短時(shí)處理,高效緩解食品體系中AA、HMF的含量,獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品。

2.2 添加外源化合物

2.2.1 天冬酰胺酶 天冬酰胺是影響Millard反應(yīng)形成AA的限制性因素之一。當(dāng)天冬酰胺酶與面團(tuán)混合后,可使面團(tuán)中天冬酰胺轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-天冬氨酸,限制AA的形成[66]。與不經(jīng)預(yù)處理的樣品相比,天冬酰胺酶預(yù)處理的馬鈴薯產(chǎn)品在微波加熱中可減少88%的天冬酰胺和99%的AA[67]。研究者還發(fā)現(xiàn)天冬酰胺酶可有效減少面包樣品中還原糖的含量,直接影響了Millard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率[51]。與不添加天冬酰胺酶樣品相比,50 U/100 g(w/w)天冬酰胺酶可使面團(tuán)中HMF的含量減少了74%,隨著酶濃度增加至300 U/100 g(w/w)時(shí),HMF的減少量可達(dá)到98.4%[51]。也有研究者提出不同的結(jié)論,添加天冬酰胺酶(200 U/100 g(w/w)),對(duì)面包中HMF的含量沒有顯著性降低[50],主要原因是,該面團(tuán)的水分含量?jī)H為1.22%,限制了面包介質(zhì)中糖類的流動(dòng)或轉(zhuǎn)移,促進(jìn)焦糖化反應(yīng)的發(fā)生,顯著增加HMF的形成。

由此可見,含有適量水分的食品經(jīng)過(guò)天冬酰胺酶預(yù)處理后,食品中AA、HMF的形成得到緩解。值得注意的是,應(yīng)避免添加過(guò)量的天冬酰胺酶導(dǎo)致天冬酰胺過(guò)度水解,使產(chǎn)品具有不愉快的氣味。

2.2.2 金屬陽(yáng)離子 金屬陽(yáng)離子可間接影響AA和HMF的形成。AA、HMF的含量因Na+、Ca2+、Mg2+等金屬陽(yáng)離子的價(jià)態(tài)以及存在形式的不同而發(fā)生變化。與空白對(duì)照相比,單價(jià)陽(yáng)離子(Na+)抑制效果不如二價(jià)、三價(jià)陽(yáng)離子[68]。G?kmen等[24,69]研究證明添加10～20 μmol/25 mL K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe3+可以完全抑制AA的關(guān)鍵中間體Schiff堿的轉(zhuǎn)化,對(duì)AA的抑制率為100%;若將Na+的含量從0增加至5 μmol/25 mL時(shí),AA的含量減少了59%,Na+的含量進(jìn)一步增加時(shí)卻沒有帶來(lái)任何改善,反而大幅度的增加了AA的含量。而Ca2+、Mg2+和Fe3+對(duì)HMF的作用效果與AA相反。反應(yīng)體系中增加Ca2+、Mg2+和Fe3+的含量將促進(jìn)呋喃果糖基陽(yáng)離子的形成,顯著增加HMF的含量;Na+、K+和Zn2+效果也十分有限,有且僅當(dāng)Na+的含量小于1 μmol/25 mL,或K+、Zn2+的含量在1～5 μmol/25 mL時(shí)可抑制50% HMF的形成。

改變金屬陽(yáng)離子的存在形態(tài)對(duì)AA、HMF的抑制效果與游離金屬陽(yáng)離子截然不同。Fiore等[70]研究表明,將Na+固定化的NaCl包封技術(shù)可有效緩解餅干樣品中蔗糖的分解,阻礙3-脫氧葡萄糖醛酸、3,4-脫氧肌苷和呋喃果糖陽(yáng)離子的形成,對(duì)HMF的抑制效果顯著,抑制率可高達(dá)61%,而對(duì)AA的作用效果并不顯著。其他金屬離子的固定化技術(shù)仍在探索之中。

Na+、K+、Ca2+、Zn2+和Fe3+等金屬陽(yáng)離子,與AA、HMF的前體物質(zhì)關(guān)系密切。添加金屬離子的緩解策略對(duì)AA、HMF的共同抑制效果并不理想,需更深層次的探究和發(fā)現(xiàn)。

2.2.3 膨松劑 NH4HCO3、NaHCO3均是常用的膨松劑,對(duì)食品中AA、HMF的含量影響效果不同。單獨(dú)使用NaHCO3可以抑制烘焙食品中AA和HMF的含量[71]。Amrein等[64]研究發(fā)現(xiàn),完全用NaHCO3作為膨松劑時(shí),可以抑制姜餅中33%的AA,若完全用NH4HCO3作為膨松劑時(shí),姜餅中AA的含量隨著NH4HCO3添加量的增加而顯著增加。即使將NH4HCO3和NaHCO3以不同比例混合加入到面團(tuán)中,也不能有效降低AA的含量[63]。Weisshaar[72]在面包中證實(shí)了上述結(jié)論。NaHCO3使食品體系的pH維持在8.0～10.0之間,限制蔗糖分解,直接抑制呋喃果糖陽(yáng)離子和3-脫氧己糖酮的形成,可減少95%的HMF[73]。研究發(fā)現(xiàn),用NaHCO3完全代替NH4HCO3可以顯著降低餅干中HMF的含量,減少率高達(dá)93%[74]。

由此可見,相比NH4HCO3,NaHCO3對(duì)AA、HMF的形成抑制效果十分顯著。但有研究發(fā)現(xiàn),添加NaHCO3會(huì)使產(chǎn)品有明顯的堿味,影響了食品的風(fēng)味[63]。若堿味不影響食品的味道時(shí),應(yīng)盡量選用NaHCO3作為唯一的膨松劑。

2.2.4 抗氧化劑 抗氧化劑由于自身結(jié)構(gòu)的多樣性,會(huì)干預(yù)不同反應(yīng)途徑,對(duì)模擬體系、食品體系中AA、HMF的形成具有不一樣的影響效果。綠原酸是一種含有鄰酚羥基的抗氧化劑,可以被氧化成醌,能夠與天冬酰胺、3-APA反應(yīng),中斷N-糖苷途徑,抑制AA的形成[52],其氧化產(chǎn)物也可以與體系中氨基酸反應(yīng),減少參與HMF生成的反應(yīng)途徑中氨基酸的數(shù)量,減緩了HMF的形成[75]。沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)可顯著降低反應(yīng)體系中的乙二醛、丙酮醛等二羰基化合物和3-脫氧葡萄糖醛酮的含量,有效緩解AA、HMF的形成。向蔗糖-谷氨酸模擬體系中,添加2～10 mg/mL EGCG,可分別減少55.16%、31.93%的AA和HMF[28]。表兒茶素(epicatechin,EC)可以緩解AA的生成,也可以與HMF形成加合物,有效降低AA、HMF的含量[76]。葡萄糖-天冬酰胺模擬體系中添加0.86 μmol/250 μL的EC可以抑制52.6% AA的形成,相比不添加EC,添加EC可有效抑制46.5%的3-脫氧葡萄糖醛酮,對(duì)HMF的抑制效果也十分顯著,抑制率高達(dá)72%[77]。

以上三種抗氧化劑在一定程度上可以緩解AA和HMF的形成。除此以外,阿魏酸、兒茶素和原花青素等抗氧化劑可以有效緩解食品體系中AA的形成,但對(duì)HMF的抑制作用仍在探索中。

2.3 優(yōu)化加工工藝

AA和HMF的形成不僅與原料有關(guān),還與加工方式、溫度、時(shí)間和pH等因素有關(guān)[41,78]。即使同一食品經(jīng)過(guò)不同的加工處理,產(chǎn)物及其含量也有很大的差異。經(jīng)不同熱加工方法處理,體系中AA和HMF的含量隨著溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加,當(dāng)溫度和時(shí)間達(dá)到一定值時(shí),會(huì)使AA發(fā)生聚合反應(yīng),AA的含量出現(xiàn)小幅度的減少,HMF的含量也有所降低[69]。選擇合適的熱加工工藝,有望緩解食品中AA和HMF的形成。

2.3.1 合理選擇前處理工藝 部分食物在進(jìn)行熱加工之前,會(huì)經(jīng)過(guò)切割、浸泡或燙漂等一系列的前處理加工,這些前處理工藝將直接影響食品的品質(zhì)、質(zhì)量等安全性問題。

切割技術(shù)使得食品的形狀更規(guī)則,產(chǎn)品之間的差異性更小。產(chǎn)品的尺寸和切割形狀(表面與體積比)將直接影響食品體系中AA、HMF的分布。有研究表明AA、HMF均容易在面包、餅干的表皮中形成,更小、更薄的切割尺寸將導(dǎo)致食品中AA、HMF含量增加[79]。Mohan等[51]在普通面包中發(fā)現(xiàn)面包表皮中AA的含量(729 μg/kg)是面包芯部AA含量(143 μg/kg)的5倍,HMF(600 μg/kg)也僅在面包表皮中形成。不管在任何溫度下(200、230和250 ℃)烘焙面包,面包芯中AA、HMF均未到達(dá)檢測(cè)限[80]。Surdyk等[79]的研究證實(shí)了上述結(jié)論?？梢?合適的產(chǎn)品尺寸和切割形狀直接影響產(chǎn)品中AA、HMF的含量分布。

浸泡和熱燙處理,是常用的前處理工藝,可以間接緩解馬鈴薯制品中AA的形成[81]。清水浸泡過(guò)的馬鈴薯切片,分別在150、170和190 ℃條件下油炸7 min后,馬鈴薯片中AA的含量可分別減少27%、38%和20%[82]。相比清水浸泡,燙漂10 min的馬鈴薯制品中還原糖和天冬酰胺的含量分別減少10%和20%,并使薯?xiàng)l、薯片等產(chǎn)品中含有較低濃度的AA[83]。Mesias等[84]人研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯產(chǎn)品經(jīng)60 ℃的溫水浸泡10 min,經(jīng)熱處理后,產(chǎn)品中AA的減少量(53.8%)與冷水浸泡30 min后的減少量一樣。Shojaee-Aliabadi等[81]和Claeys等[85]研究結(jié)論與上述結(jié)果相似，推測(cè)馬鈴薯切片或馬鈴薯切塊經(jīng)過(guò)清水浸泡或熱燙預(yù)處理可減少馬鈴薯制品中糖的含量,導(dǎo)致產(chǎn)品中HMF的含量有小幅度降低,但未得到證實(shí)。

浸泡或熱燙預(yù)處理食品時(shí),應(yīng)合理選擇浸泡、燙漂條件,避免長(zhǎng)時(shí)間浸泡或過(guò)度燙漂預(yù)處理使食品出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)損失嚴(yán)重,味道變差,顏色不均勻,食品硬度和脆度降低等問題[86]。

AA、HMF的形成途徑存在差異,不管調(diào)節(jié)反應(yīng)體系為酸性或堿性,均會(huì)促進(jìn)AA或HMF的生成。因此,調(diào)節(jié)pH難成為一個(gè)兩全的方法。

2.3.3 調(diào)節(jié)水分活度 水在Maillard反應(yīng)中既作為反應(yīng)物,又充當(dāng)反應(yīng)物的溶劑和遷移載體,是影響Maillard反應(yīng)的重要因素之一,并在一定程度上降低焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率[89-90]。高水分活度的食品中,反應(yīng)物會(huì)分散在高水分活度的介質(zhì)中,不利于Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的進(jìn)行,進(jìn)而減緩AA和HMF的生成[38]。管玉格[91]比較油炸、微波油炸、烘烤和蒸煮四種熱加工方法對(duì)熱加工食品中有害物質(zhì)含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),蒸煮法使食品具有高水分活度,阻礙了食物中熱量的傳導(dǎo)與滲透,影響蔗糖的水解,降低Maillard反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率,對(duì)AA和HMF的抑制效果最佳[22]。但蒸煮法熱處理的食品脆性和硬度較差,不適用于餅干、薯片等脆性食品。Miao等[92]調(diào)節(jié)薯片的水分活度為0.42,經(jīng)170～190 ℃熱油煎炸后發(fā)現(xiàn),薯片中AA和HMF的含量均明顯減少,隨著水分活度的增加,薯片中AA、HMF的含量越低,最高抑制率可分別達(dá)到85%、60%。

適當(dāng)提高食品的水分活度,可以降低Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)的反應(yīng)速率,緩解AA、HMF的形成,值得注意的是,提高基質(zhì)水分活度,容易使食品的硬度、脆性和食品品質(zhì)受到影響。

2.3.4 合理選擇加熱溫度和時(shí)間 熱加工溫度的升高,時(shí)間的延長(zhǎng),將導(dǎo)致反應(yīng)體系具有更高的糖化產(chǎn)率和褐變程度[93]。加熱溫度和反應(yīng)時(shí)間是影響Maillard反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)中糖化程度的兩個(gè)重要限制性因素,合理的選擇加熱溫度和時(shí)間有利于緩解有害物的生成。

溫度和時(shí)間對(duì)油炸食品或烘焙食品中AA的形成具有顯著性影響。張?jiān)茻ǖ萚52]在測(cè)定油炸麻花中AA的含量時(shí)發(fā)現(xiàn),AA的含量隨著油炸溫度的升高和油炸時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著性增加,當(dāng)油炸溫度為180 ℃時(shí),麻花中AA的含量是140 ℃條件下的2.5倍;油炸麻花時(shí)間為200 s時(shí),麻花中AA的含量是煎炸75 s后的2倍。在餅干、薯?xiàng)l等烘焙食品中有相似的報(bào)道[22,94-95]。有研究表明,等摩爾量天冬酰胺-葡萄糖的模擬體系在150 ℃條件加熱20 min以后,體系中AA的含量出現(xiàn)小幅度的降低[69]。研究者猜測(cè)反應(yīng)體系中AA可能是該化合物形成、降解或發(fā)生聚合反應(yīng)的綜合結(jié)果[45,96]。

一般來(lái)說(shuō),食品中HMF的含量隨著產(chǎn)品儲(chǔ)藏、加工溫度的升高以及熱處理時(shí)間的增加而增加。高溫和長(zhǎng)時(shí)有利于產(chǎn)品產(chǎn)生獨(dú)特的風(fēng)味和顏色,促進(jìn)了HMF的產(chǎn)生[97]。在180 ℃下,烘烤25 min,面包表皮中的HMF的含量可高達(dá)47.02 mg/kg,在160 ℃下烘烤時(shí)34 min,HMF的含量達(dá)到14.63 mg/kg,均遠(yuǎn)大于未烤制的面包切片中HMF的含量[22]。在烘焙餅干、面包和咖啡等食品中有相似的研究結(jié)論[98-99]。但有學(xué)者發(fā)現(xiàn),在低溫短時(shí)時(shí),HMF的形成是一個(gè)累加的過(guò)程,當(dāng)溫度過(guò)高或者時(shí)間過(guò)長(zhǎng),HMF會(huì)發(fā)生聚合或分解反應(yīng),HMF的含量有小幅度的降低[100]。

因此,在煎炸食品時(shí),應(yīng)盡量選擇低溫短時(shí)處理,也盡可能選擇一次性油炸,避免多次油炸增加食品的油炸時(shí)間使油炸食品含有更高含量的AA、HMF等其他有害污染物。

2.3.5 合理選擇煎炸用油的種類 煎炸油使用后,油中的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)經(jīng)過(guò)高溫發(fā)生氧化反應(yīng),隨后氧化產(chǎn)物進(jìn)一步形成丙烯酸,促進(jìn)了AA的形成,增加食品體系中AA的含量[33,101]。PUFA的氧化產(chǎn)物并不直接影響HMF的形成,所以相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。

有文章表明,油脂的過(guò)氧化值與食品中AA的含量幾乎呈正比例關(guān)系[47]。大豆油中PUFA含有58.7%,遠(yuǎn)大于菜籽油(27.4%)和棕櫚油(10.6%),研究者分別用大豆油和棕櫚油煎炸薯片,研究發(fā)現(xiàn),含PUFA最高的大豆油油炸薯片中AA的含量(2019 μg/kg)是菜籽油油炸薯片中AA含量(1711 μg/kg)的1.18倍,是棕櫚油油炸薯片中AA含量(1443 μg/kg)的1.40倍[47]。Gertz等[34]和Thurer等[102]的研究結(jié)果均證實(shí)了上述結(jié)論。相比植物油,動(dòng)物油中PUFA的含量極少,只有水產(chǎn)動(dòng)物的油脂中含有少量的不飽和脂肪酸。Danlali等[103]研究發(fā)現(xiàn),黃油、豬油熱處理過(guò)程中產(chǎn)生AA的含量分別為211、366 ng/g,遠(yuǎn)小于豆油(2447 ng/g),棕櫚油(1442 ng/g)中AA的含量。Negoita等[104]的研究中有相似的結(jié)論,即食品經(jīng)動(dòng)物油脂熱處理后,食品體系中產(chǎn)生AA的含量遠(yuǎn)小于植物油。

煎炸油對(duì)油炸食品的品質(zhì)十分重要。選擇含有PUFA含量較少的煎炸油進(jìn)行煎炸,盡可能減少食品中AA的形成。關(guān)于不同種類的煎炸用油對(duì)煎炸食品中HMF含量的影響報(bào)道較少,在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)行深層次的研究和探討。

2.4 新型食品加工技術(shù)的應(yīng)用

新型食品加工技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展并取得突破性進(jìn)展的一項(xiàng)食品熱處理手段。相比傳統(tǒng)熱加工處理(例如油炸,烘焙和烘烤),新型食品加工技術(shù)可有效緩解食品中AA、HMF的形成[105]。新型食品加工技術(shù)主要分為電介質(zhì)加熱(微波、輻射和射頻)和真空加熱。

2.4.1 電介質(zhì)加熱 電介質(zhì)加熱是利用某些固體或液體把電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤环N加熱方式。電介質(zhì)加熱方法有微波加熱,輻射和射頻。

微波加熱是利用電磁波使食物中的分子迅速振動(dòng),產(chǎn)生摩擦和熱量來(lái)烹飪食物。Akkarachaneeyakorn等[106]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)微波功率為2.5 W/g,微波溫度為200 ℃時(shí),可以抑制黑麥芽中40% AA和95% HMF,與常規(guī)油炸工藝相比,微波與熱空氣同時(shí)作用于麥芽,可使烤爐溫度快速達(dá)到預(yù)定值,減少烘烤時(shí)間,減少AA、HMF、糠醛、呋喃等有害污染物的形成。

輻射是一種非熱加工技術(shù),主要是通過(guò)離子化的粒子或者射線直接作用于食物中蛋白質(zhì)和DNA,或者產(chǎn)生一些水合電子、氫原子等自由基,間接地誘導(dǎo)和降解AA和呋喃類化合物[107-108]。有研究表明,紅外線、紫外線、X-射線、γ-射線等光輻射和電離輻射中的電磁能量可以使AA發(fā)生聚合反應(yīng),在一定程度上減少HMF的含量[109]。Fan等[108]研究發(fā)現(xiàn),低劑量(≤3.5 kGy)輻射可以很容易破壞水溶液體系中呋喃和AA的形成,僅當(dāng)1.0 kGy的輻射強(qiáng)度便可抑制水溶液體系中70%、78%的AA和HMF,然而輻射技術(shù)對(duì)真正的固體食物中AA和HMF的形成抑制效果較差,當(dāng)輻射量高達(dá)10 kGy時(shí),高水平AA的產(chǎn)品(薯片)中AA的含量沒有明顯的變化,HMF的含量?jī)H降低37%。輻射對(duì)水溶液體系中AA和呋喃類化合物的抑制效果顯著,但對(duì)食品體系的抑制效果十分有限,即使提高輻射強(qiáng)度也只能部分降低兩者的含量。

2.4.2 真空加熱 真空加熱技術(shù)主要是通過(guò)真空處理去除成品中已經(jīng)形成的AA和呋喃類化合物,是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的新型食品加工技術(shù)[113]。有研究表明真空聯(lián)合烘焙的曲奇中AA的濃度(約300 ng/g),比常規(guī)烘焙樣品(445 ng/g)低約30%[114]。相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)真空加熱處理可以降低淀粉食品中AA的含量[115]。Mogol等[116]研究發(fā)現(xiàn)在160、180和200 ℃溫度下,真空烘焙餅干樣品中AA的濃度水平顯著性低于常規(guī)烘焙,并且無(wú)HMF形成,且經(jīng)真空處理后會(huì)加速餅干的干燥速度,隨著餅干中水分的流失,AA和HMF的減少量逐漸減少。Quarta等[117]研究發(fā)現(xiàn),真空處理對(duì)干燥咖啡粉中HMF和糠醛的形成沒有任何抑制作用,當(dāng)咖啡粉進(jìn)行水合處理,制成水合咖啡粉后,經(jīng)過(guò)24 h的真空加熱處理,便可以抑制咖啡粉中20% HMF。

由此可見,真空處理對(duì)咖啡粉、餅干等干燥食品中AA、呋喃類化合物的清除作用極弱,但適當(dāng)提高食品的水分活度后,對(duì)食品中AA、呋喃類化合物的清除作用十分顯著[118]。為了有效去除干燥食品體系中有害化合物的含量,應(yīng)在真空處理之前對(duì)食品進(jìn)行水合作用。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了AA、HMF形成的緩解策略和預(yù)防措施,以及各種抑制手段的利弊。研究發(fā)現(xiàn),賴氨酸、甘氨酸等氨基酸代替天冬氨酸、木糖等糖類代替還原糖添加到模擬體系或食品體系中,減少了AA、HMF前體物質(zhì)的含量,間接緩解AA、HMF的形成。添加外源物可以在一定程度上影響AA、HMF的形成,除了天冬酰胺酶,EC也是一種有效的共同抑制劑。食品熱加工處理時(shí),合理選擇前處理和各種熱加工工藝是十分重要的,例如,低溫短時(shí)的熱處理可以緩解有害物質(zhì)的形成;適當(dāng)提高水分活度可以減緩兩反應(yīng)途徑的反應(yīng)速率,有效降低AA、HMF的含量,但過(guò)度提高水活度會(huì)影響食品的質(zhì)地。開發(fā)新型加工技術(shù)似乎是十分有前景的發(fā)展方向,例如真空油炸、射頻輔助烘焙工藝等新型食品加工技術(shù)可以同時(shí)抑制食品中AA和HMF,但遺憾的是,新型食品加工技術(shù)的使用范圍較小。

食品的組成豐富多樣,食品的熱加工處理繁瑣復(fù)雜,單獨(dú)改變某一種影響因素,或單獨(dú)使用某一種緩解策略時(shí),對(duì)AA、HMF的抑制效果不佳。AA、HMF含量的增加伴隨著顏色的形成和味道的產(chǎn)生,很難在不影響食物形態(tài)和色澤的情況下,完全預(yù)防或完全去除AA、HMF。實(shí)現(xiàn)AA、HMF的共同抑制雖然十分艱難,但實(shí)現(xiàn)同一食品體系中AA、HMF含量的最小化,還是有希望的。因此,在未來(lái),希望學(xué)者們可以在國(guó)內(nèi)外的研究基礎(chǔ)之上,將有效的緩解策略或抑制方法組合使用,從機(jī)理上尋找共同抑制途徑,實(shí)現(xiàn)同一食品體系中有害化合物的含量最大程度的降低！