食品中3-氯丙醇酯的研究現(xiàn)狀

孫靖雯，胡本倫，秦瑞珂，賈才華,2，榮建華,2，劉 茹,2,

（1.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖北武漢 430070；

2.國家大宗淡水魚加工技術研發(fā)分中心(武漢)，湖北武漢 430070）

氯丙醇酯是一種廣泛存在于食品中的安全危害因子，其中污染水平最高、毒性最大的是3-氯丙醇酯[1]。早在1978年，科學家研究酸水解植物蛋白時就發(fā)現(xiàn)了3-氯丙醇酯[2]，1984年，其在山羊奶中也檢測到[3]，之后，在多種精煉植物油中也發(fā)現(xiàn)了高含量的3-氯丙醇酯[4?5]。2004年，首次在食品加工過程中發(fā)現(xiàn)了3-氯丙醇酯，且3-氯丙醇酯比游離的3-氯丙醇含量高[6]，煙熏火腿、咖啡、黑麥芽、堅果、肉制品、油炸食品甚至是嬰幼兒奶粉中也有檢出[6?13]。SEEFELDER等[14]和ABRAHAM等[15]在研究中表明，食品中的3-氯丙醇酯在腸道脂肪酶和胰腺脂肪酶的作用下，可以被水解為游離的3-氯丙醇。3-氯丙醇的主要毒性靶器官是腎臟、肝臟以及生殖系統(tǒng)[16]，國際癌癥研究機構將3-氯丙醇歸為可能的人類致癌物（第2B類）[17]，糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會在2017年設定了3-氯丙醇的最大容許日攝入量為4 μg/kg·bw，2018 年歐洲食品安全局將 3-氯丙醇的最大容許日攝入量設為 2 μg/kg·bw[1,18?19]，當超過規(guī)定劑量時，3-氯丙醇對腎臟、肝臟以及生殖系統(tǒng)等都有損傷[16]?？梢?，食品中3-氯丙醇酯的含量已成為國際普遍關注的問題。

本文主要綜述了食品中3-氯丙醇酯的產(chǎn)生途徑、影響因素和控制措施，并對食品中3-氯丙醇酯未來的研究方向進行了展望。

1 3-氯丙醇酯的結構、生成和降解途徑

1.1 3-氯丙醇酯的分類和結構

3-氯丙醇酯是3-氯丙醇和脂肪酸經(jīng)過酯化反應形成的一類化合物，也可由三酰基甘油上的?；宦仍尤〈纬?。3-氯丙醇酯包括3-氯丙醇雙酯、3-氯丙醇-1-單酯、3-氯丙醇-2-單酯，結構如圖1所示。同時，由于所結合脂肪酸的種類、數(shù)目不同，使得 3-氯丙醇酯具有多樣性[20?22]。

圖1 幾種3-氯丙醇酯的結構[23]Fig.1 The structure of several 3-chloropropanol esters

1.2 3-氯丙醇酯的生成

3-氯丙醇酯的前體物質是三酰甘油（triglyceride，TAG）、二酰甘油（diacylglycerol，DAG）、單酰甘油（monoacylglycerol，MAG）和含氯化合物[24]，關于 3-氯丙醇酯的生成機制目前有三種觀點：氯離子直接親核進攻途徑、環(huán)酰氧鎓離子中間體途徑和縮水甘油酯中間體途徑、環(huán)氧化物環(huán)自由基途徑[25]。

1.2.1 氯離子直接親核進攻途徑 氯離子直接親核取代發(fā)生在酸性條件下，主要有兩種方式：一種是氯離子直接親核攻擊TAG和DAG 3號位上帶有酯基的甘油碳，分別生成3-氯丙醇雙酯和3-氯丙醇-2-單酯；另一種是氯離子直接親核攻擊DAG 3號位上帶有羥基的甘油碳，生成3-氯丙醇雙酯[6,10,24,26]，如圖2所示。由于水是比脂肪酸更容易離去的基團，因此取代羥基的途徑比取代酯基的途徑更容易發(fā)生[24]。

圖2 氯離子直接親核取代生成3-氯丙醇酯的兩條可能途徑[27]Fig.2 Two possible pathways for direct nucleophilic substitution of chloride ions to 3-chloropropanol esters

1.2.2 環(huán)酰氧鎓離子中間體途徑和縮水甘油酯中間體途徑 在酸性條件下，羰基也會參與形成3-氯丙醇酯的反應，生成一種環(huán)酰氧鎓離子中間體[24,26,28?29]。反應途徑如圖3所示，TAG、DAG、MAG通過去脂肪酸或水形成環(huán)酰氧鎓離子Ⅰ和Ⅱ，隨后氯離子進攻環(huán)酰氧鎓離子Ⅰ和Ⅱ，分別得到3-氯丙醇雙酯和3-氯丙醇單酯。

圖3 生成3-氯丙醇酯的環(huán)酰氧鎓離子和縮水甘油酯途徑[24]Fig.3 The acyloxonium ion intermediate and glycidyl ester pathway to 3-chloropropanol ester

此外，DAG還可以直接脫脂肪酸形成縮水甘油酯，或者通過環(huán)酰氧鎓離子Ⅱ形成縮水甘油酯，隨后氯離子進攻縮水甘油酯形成3-氯丙醇單酯。

1.2.3 環(huán)氧化物環(huán)自由基途徑 ZHANG等[29?30]通過研究高溫低水分條件下TAG與氯離子的反應，發(fā)現(xiàn)并完善了環(huán)氧化物環(huán)自由基途徑，如圖4所示。TAG在加熱作用下會生成不穩(wěn)定的自由基Ⅰ，隨后自由基Ⅰ會轉化成環(huán)酰氧鎓離子Ⅱ（CAFR）和環(huán)氧化物環(huán)自由基Ⅲ（ERFR），環(huán)酰氧鎓離子Ⅱ與氯離子反應生成3-氯丙醇雙酯，環(huán)氧化物環(huán)自由基Ⅲ與氯離子反應生成3-氯丙醇-1-單酯，同時環(huán)氧化物環(huán)自由基Ⅲ在酸性條件下還可以生成縮水甘油酯。

圖4 生成3-氯丙醇酯的環(huán)氧化物環(huán)自由基途徑[30]Fig.4 The free radical pathway of epoxide ring to 3-chloropropanol ester

1.3 3-氯丙醇酯的降解

在熱處理過程中，3-氯丙醇酯降解和生成是同時發(fā)生的[31]。ERMACORA等[32]剔除了形成3-氯丙醇酯的前體物質，單獨研究了3-氯丙醇酯的降解反應，發(fā)現(xiàn)水對3-氯丙醇酯的降解有重要影響，與不加水相比，加水量為2%時，3-氯丙醇酯含量降低66%，加水量提高至5%時，3-氯丙醇酯含量則降低了82%[32]。在非極性介質中，3-氯丙醇雙酯的降解途徑如圖5所示，3-氯丙醇雙酯可通過結構異構化轉化成2-氯丙醇雙酯而降低其含量[32]；此外，脫氯或脫酰基反應也會使3-氯丙醇酯含量降低[32]，且脫氯反應比脫?；磻菀装l(fā)生，因此，在降解反應期間，主要形成的降解產(chǎn)物是TAG、DAG和MAG，而反應早期形成的非氯化合物是DAG[32]。SVEJKOVSKá等[31]在三酰甘油與氯化鈉高溫加熱的實驗中發(fā)現(xiàn)，3-氯丙醇雙酯在生成的同時會降解為相應的單酯，而單酯最終降解成游離的3-氯丙醇。

圖5 3-氯丙醇雙酯的降解途徑和主要降解產(chǎn)物[32]Fig.5 Degradation pathways of 3-MCPD diesters and major degradation products

2 食品中存在的3-氯丙醇酯

據(jù)報道，大部分食品中都含有3-氯丙醇酯[33?39]，其中含有油脂的高溫加熱食品中3-氯丙醇酯含量相對較高，具體見表1。有報道稱，人體攝入的3-氯丙醇酯大部分源于含精制植物油的食品[33]，植物油中的3-氯丙醇酯主要形成于脫臭步驟中[4,39]。與菜籽油、大豆油等相比，棕櫚油中3-氯丙醇酯的含量更高（>4000 μg/kg）[40]，最高可達 5770 μg/kg，而其他植物油含量在250~2450 μg/kg[41]。油炸食品在炸制過程中，隨著水分的蒸發(fā)，油滲入食品，3-氯丙醇酯隨油一起滲入油炸食品中，故其3-氯丙醇酯主要來源于精煉植物油[13,42?44]。油炸食品中的3-氯丙醇酯含量與其吸油率密切相關，結合表中數(shù)據(jù)推測，淀粉質類油炸食品中3-氯丙醇酯含量高與其高吸油率有關。食品中脂肪含量對3-氯丙醇酯有很大的影響，由表1可知，脂肪含量越高的食品含有的3-氯丙醇酯也越多。因此，在日常飲食中應盡量減少高溫加熱的高油脂食品的攝入。

表1 食品中的3-氯丙醇酯含量Table 1 3-chloropropanol ester content in food

續(xù)表1

3 工藝條件對食品中3-氯丙醇酯生成的影響

3.1 加熱溫度和時間對食品中3-氯丙醇酯的影響

溫度會影響3-氯丙醇酯生成和降解速率，進而影響3-氯丙醇酯的含量。LI等[47]在模擬植物油熱加工模型中發(fā)現(xiàn)當加熱溫度從130 ℃升高到250 ℃時，3-氯丙醇酯的含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，220 ℃達到最大值，WONG等[48]發(fā)現(xiàn)180 ℃的油炸體系比160 ℃的油炸體系檢測到更多的3-氯丙醇酯。然而在模擬食品熱加工模型中，溫度在100~230 ℃范圍內(nèi)，3-氯丙醇酯含量隨溫度的升高而減少[31,49]，研究認為這種趨勢的原因是該體系中高溫下3-氯丙醇酯的降解速率比低溫下快[31]。不同學者報道的加熱溫度對3-氯丙醇酯含量影響的差異可能來源于體系的研究對象或體系中含有的水分、氯化鈉含量不同。

加熱時間也會影響3-氯丙醇酯生成和降解速率。短時間加熱時，生成速率大于分解速率，隨著3-氯丙醇酯的積累和加熱時間延長，分解速率逐漸超過生成速率，3-氯丙醇酯含量下降[31,47?50]。

3.2 pH對食品中3-氯丙醇酯的影響

在菜籽油+氯化鈉加熱模型體系中，3-氯丙醇酯的含量隨pH（4.0~8.0）升高而降低[51]。向油中加入碳酸鹽或碳酸氫鹽，使反應體系的pH升高至中性或稍堿性，也可以顯著降低3-氯丙醇酯的含量[51?52]。結合3-氯丙醇酯的生成機制推測，在酸性條件下氯離子的電離程度大，有利于氯離子親核取代或與環(huán)酰氧鎓離子反應，進而促進3-氯丙醇酯的生成[49]。

3.3 含水量對食品中3-氯丙醇酯的影響

在熱加工過程中，TAG會發(fā)生水解反應，脫去酯基產(chǎn)生DAG或MAG，DAG比TAG更容易與氯離子反應生成3-氯丙醇酯[31]。因此，TAG水解物的增加會促進3-氯丙醇酯的增加。在加熱過程中，含水量越大，DAG和MAG形成的越多，越有利于3-氯丙醇酯的生成[49,52]，然而，含水量超過20%時，3-氯丙醇酯的含量開始降低[31]。推測適當?shù)暮靠梢源龠M油脂水解形成3-氯丙醇酯的前體物質DAG和MAG，進而使3-氯丙醇酯含量增加，而含水量過高時，3-氯丙醇酯又會發(fā)生脫氯反應，導致3-氯丙醇酯含量降低。

3.4 NaCl對食品中3-氯丙醇酯的影響

含氯化合物是形成3-氯丙醇酯的重要前體物質之一，在很多食品加工過程中，食鹽是常見的調味品和防腐劑，因而會影響3-氯丙醇酯的生成。WONG等[48]發(fā)現(xiàn)高氯化鈉濃度浸泡的馬鈴薯油炸后，油炸油中3-氯丙醇酯明顯比低濃度浸泡或未浸泡的多，推測氯化鈉會進入油中，氯離子與油中的酰基甘油反應生成了3-氯丙醇酯。然而，有學者發(fā)現(xiàn)將氯化鈉直接加入到油基質中，隨氯化鈉濃度增加，3-氯丙醇酯含量沒有顯著變化[49]，而在乳化劑存在的情況下，3-氯丙醇酯生成量則隨氯化鈉的增加而增大[31]，推測可能是因為氯化鈉在油基質中難溶解，而乳化劑可以使氯化鈉更好地溶于油中，有利于3-氯丙醇酯的生成[53]。還有研究認為，當體系中氯化鈉含量過高（>10 g/100 g）時，3-氯丙醇酯不再隨著氯離子濃度增加而增加[49]。張淵博[50]發(fā)現(xiàn)體系中氯化鈉含量達5%時，反而會抑制3-氯丙醇酯的生成，推測過多的氯化鈉使體系中的3-氯丙醇酯進一步受到氯離子的親核攻擊，使得 3-氯丙醇二酯形成 1,3-二氯丙醇酯、2,3-二氯丙醇酯，從而導致3-氯丙醇酯含量降低[50]。

3.5 金屬離子對食品中3-氯丙醇酯的影響

食用油含有鈣、鐵、鎂、鈉、鋅等多種金屬離子[54]，且很多金屬離子如Fe2+、Fe3+等在某些化學反應中起催化作用。LI等[47]研究了金屬離子 Zn2+、Al3+、Cu2+、Fe2+、Fe3+和 Mg2+對 3-氯丙醇酯含量的影響，結果顯示，這些金屬離子均能促進3-氯丙醇酯的生成，其中Fe3+效果最為顯著，而Mg2+的影響最小。且3-氯丙醇酯的含量隨著Fe3+含量的升高而增大[52]。ZHANG等[30]研究認為在高溫低濕和氯離子存在的條件下，F(xiàn)e3+和Fe2+是通過促進環(huán)酰氧鎓自由基中間體的形成，從而間接促進3-氯丙醇酯的生成。

4 食品中3-氯丙醇酯的控制措施

食品中3-氯丙醇酯來源主要有兩個部分，精煉植物油帶來的和食品加工過程中生成的，因此，減少3-氯丙醇酯含量的方法主要有兩方面：（1）植物油精煉過程，從原油中去除形成3-氯丙醇酯的前體物質如含氯化合物，或控制脫臭溫度、時間等工藝參數(shù)；（2）食品加工過程，控制工藝條件或添加抗氧化劑、吸附劑等物質[55]。

精煉植物油過程中減少3-氯丙醇酯含量有以下三種方法：（1）在油料作物種植時少用或不用含氯的化肥和農(nóng)藥可以減少原油中的含氯化合物[25]；（2）選擇合適的脫臭溫度和時間等工藝參數(shù)，使3-氯丙醇酯的降解速率大于生成速率[47]；（3）在脫臭過程中加入抗氧化劑如叔丁基對苯二酚、丁基羥基茴香醚、α-生育酚、茶多酚等[56]。

食品加工過程中減少3-氯丙醇酯可以加入吸附劑、抗氧化劑等物質或進行涂膜處理。如在炸油中加入煅燒沸石吸附縮水甘油酯可以減少3-氯丙醇酯的生成[57?58]；一些天然抗氧化劑（α-生育酚、茶多酚、迷迭香提取物、鼠尾草提取物等）和合成抗氧化劑（丁基羥基甲苯（2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol，BHT）、丁基羥基茴香醚（butyl hydroxyanisole，BHA）、叔丁基對苯二酚（tert-Butylhydroquinone, TBHQ）、沒食子酸丙酯、抗壞血酸棕櫚酸酯等）均可以在高溫下阻止環(huán)酰氧鎓離子中間體的形成從而抑制3-氯丙醇酯的生成[59]，其中 TBHQ 效果最明顯[60?61]，有學者推測TBHQ是一種雙酚類抗氧化劑，抑制過氧自由基的效率高[59]。食品油炸前涂上一層可食用果膠膜可以阻止油脂滲入，從而減少油炸食品中3-氯丙醇酯的生成[62]。還有學者提出可以通過改變工藝參數(shù)如減少氯化鈉的濃度和降低油炸溫度來減少3-氯丙醇酯的含量[63]。油炸過程中不同的加熱方式也會導致產(chǎn)生的3-氯丙醇酯含量不同，有研究者發(fā)現(xiàn)在模擬食用油熱加工的體系中，相同的加熱時間內(nèi)，間歇式油炸產(chǎn)生的3-氯丙醇酯明顯少于連續(xù)式油炸[48]，但是劉海蘭[64]在煎炸不同食材的過程中發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)煎炸16 h比間歇煎炸15 h油脂中3-氯丙醇酯的含量要低。推測誤差可能源于熱處理食品時，連續(xù)加熱時間長，造成了3-氯丙醇酯的降解或食品體系中含有大量的水，加快了3-氯丙醇酯的降解。

5 展望

3-氯丙醇酯在食品中廣泛存在，由于其較高的危害性引起了人們越來越多的關注。目前對于食品中3-氯丙醇酯的研究多集中在檢測其含量上，研究認為人體攝入的3-氯丙醇酯主要源于精制的植物油，故在3-氯丙醇酯的控制方面重點關注的是如何降低植物油精制過程中3-氯丙醇酯的生成，以及阻止炸制過程中油脂向食品中滲入。然而部分非油炸食品中3-氯丙醇酯含量也很高，但是其產(chǎn)生的原因以及如何控制尚未見報道。從目前研究已知，食品中3-氯丙醇酯含量隨著加熱溫度和時間的變化而變化，其生成和降解是同時發(fā)生的，那么能否通過控制其生成和降解的平衡來達到減少3-氯丙醇酯的目的尚有待探索。