燒烤肉制品加工中多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺形成途徑及其防控方法研究進(jìn)展

薛桂中，喬明武,2，黃現(xiàn)青,2*，宋蓮軍,2，王飛，孟少華，馬相杰

1(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州，450002)2(河南省食品加工與流通安全控制工程技術(shù)研究中心 河南 鄭州，450002)3(河南雙匯投資發(fā)展股份有限公司 河南 漯河，462000)

傳統(tǒng)肉制品烹調(diào)方式有很多種，如蒸、煮、煎、炒、燜、煨等，而烤制是最原始的烹飪方法，至今已存在三千余年。傳統(tǒng)燒烤肉制品因其獨(dú)有的色、香、味、形受到消費(fèi)者喜愛。我國傳統(tǒng)的烤肉制品有北京烤鴨、廣東叉燒肉、廣東脆皮乳豬、新疆烤羊肉串等；在國外有土耳其烤肉、塞浦路斯烤腸、科威特烤肉串等。因此，燒烤肉制品在肉類體系中占有相當(dāng)重要的地位，也是世界珍貴歷史文化的重要組成部分。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和消費(fèi)觀念改變，在追尋食品口感與香味的同時，其安全性也極為重要，尤其是近年來社會各界對食品安全問題的高度重視，給食品加工業(yè)發(fā)展帶來很大挑戰(zhàn)。燒烤肉制品因脂肪、蛋白質(zhì)、糖類降解及其產(chǎn)物之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，形成了特有的風(fēng)味，同時也會產(chǎn)生一些強(qiáng)致癌物質(zhì)——多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺。燒烤肉制品加工過程中多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的形成因素諸多，比如原料肉中的蛋白質(zhì)、脂肪等含量，烤制工藝的選擇以及烤制燃料類型等。本文綜述了燒烤肉制品在加工過程中主要產(chǎn)生的害物質(zhì)多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺形成的途徑、影響因素及抑制方法的研究進(jìn)展，由于多環(huán)芳烴和雜環(huán)的形成途徑較多，本文重點(diǎn)闡述燒烤肉制品中多環(huán)芳烴通過HAVA和Diels-alder機(jī)理形成的情況；而雜環(huán)胺則是通過自由基途徑及美拉德反應(yīng)形成，并為此提出相對防控方法：合理控制烤制溫度和烤制時間、合理選擇烤制技術(shù)、減少食用油及醬油用量、適度添加天然香辛料、抗氧化劑等外源抑制劑，顯著抑制燒烤肉制品中多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺等有害物質(zhì)的生成，并應(yīng)用于肉制品加工領(lǐng)域，促進(jìn)肉制品行業(yè)綠色安全發(fā)展。

1 燒烤肉制品中有害物及形成途徑

1.1 多環(huán)芳烴

表1 EU公布的16種優(yōu)先控制的多環(huán)芳烴Table 1 16 priority-controlled polycyclic aromatic hydrocarbons listed by the EU

注:TEF (toxicity equivalency factor)：毒性當(dāng)量因子，表中假設(shè)苯并(a)芘的毒性為1,其他皆以此為參照;1-致癌；2A-很可能致癌；2B-潛在致癌物；3-無法分類

1.2 食品加工過程中多環(huán)芳烴的形成途徑

食品中多環(huán)芳烴的形成是一個十分復(fù)雜過程，通過對國內(nèi)外食品中多環(huán)芳烴的生成機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，分述如下：

(1)食品中的脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物在高溫下裂解，通過環(huán)化、聚合形成多環(huán)芳烴。CHEN等[6]研究發(fā)現(xiàn)，食品中的脂肪酸氧化形成氫過氧化物，最后通過HACA機(jī)理實(shí)現(xiàn)分子生長形成多環(huán)芳烴。KIM等[7]研究發(fā)現(xiàn)，選取不同脂肪含量的原料肉經(jīng)烤制后多環(huán)芳烴生成量也有所不同。BRITT等[8]研究表明，高溫條件下脯氨酸與葡萄糖會生成Amadori產(chǎn)物，再通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成多環(huán)芳烴。SHARMA等[9]研究表明，天冬氨酸、脯氨酸、色氨酸在高溫下能夠熱解形成多環(huán)芳烴，說明某些氨基酸是生成多環(huán)芳烴的重要前體物質(zhì)。MCGRATH等[10]研究纖維素在高溫下脫水碳化、脫羧、脫氫等發(fā)生一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化及重排形成多環(huán)芳烴。由此可見，食品中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪也是形成多環(huán)芳烴的主要來源。

(2)苯環(huán)形成途徑主要由2種[11]：第一種是1,3-C4H6+C2H2→C6H6；第二種是—C≡≡C—CH3和—C≡≡C—CH3→C6H6，食品中含有這些化合物在高溫條件下分解成相對應(yīng)的取代基，這些取代基會與苯環(huán)上的氫發(fā)生取代反應(yīng)生成相對應(yīng)的化合物，在高溫加熱條件下按HAVA分子生長機(jī)理[12]形成多環(huán)芳烴。由于食品中含有許多結(jié)構(gòu)相同化合物，故此推理出多環(huán)芳烴通過HAVA機(jī)理途徑形成，如圖1所示。

圖1 多環(huán)芳烴的HAVA形成途徑Fig.1 HAVA formation pathway of polycyclic aromatic hydrocarbons

1.3 雜環(huán)胺

雜環(huán)胺是肉制品經(jīng)過高溫加熱后產(chǎn)生的芳香族雜環(huán)化合物，且大多數(shù)具有多環(huán)芳香族結(jié)構(gòu)，因此也被稱之為雜環(huán)芳香胺(heterocyclic aromatic amines，HAAs)[14-15]。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，可分為氨基咪唑氮雜芳烴類極性雜環(huán)胺和氨基咔啉類(amino-carbolines)非極性雜環(huán)胺兩大類，目前已經(jīng)從不同食物成分體系中分離并且鑒定雜環(huán)胺約30種[16]。流行病學(xué)研究表明，幾乎所有的雜環(huán)胺都具有致癌性，IARC將致癌物分為5類、4個級別，包括1級、2A級、2B級、3級和4級。根據(jù)各不相同雜環(huán)胺致癌作用的差異，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)將MeIQ、MeIQx、PhIP、AaC、MeAaC、Trp-P-1和Trp-P-2列為2B類潛在致癌物，把IQ列為2A類可能致癌物[17-18]，具體名稱見表2。

表2 雜環(huán)胺名稱、特性、縮寫、分子質(zhì)量和分子式Table 2 name of HASS,properties,abbreviation,molecular weight and formula

1.4 食品加工過程中雜環(huán)胺的形成途徑

1.4.1 氨基咪唑氮雜芳烴類雜環(huán)胺形成途徑

圖3 吡嗪類化合物生成途徑Fig.3 Generation pathway of pyrazine compounds formations

1.4.2 氨基咔啉類雜環(huán)胺形成途徑

氨基咔啉類中大部分物質(zhì)如α-咔啉類(AαC、MeAαC)、γ-咔啉類(Trp-P-1、Trp-P-2)、δ-咔啉類(Glu-P-1、Glu-P-2)形成溫度通常超過300 ℃，由氨基酸直接熱解產(chǎn)生：AαC、MeAαC是通過球蛋白高溫裂解而成；Trp-P-1、Trp-P-2通過色氨酸高溫裂解而成的；Glu-P-1、Glu-P-2通過谷氨酸高溫裂解而成的。因此這類被稱為“熱解型雜環(huán)胺”，又稱非極性雜環(huán)胺。而β-咔啉類主要分為1-甲基-9H-吡啶并[3,4-b]吲哚(harman)和9H-吡啶并[3,4-b]吲哚(norharman)。β-咔啉類雜環(huán)胺可以在低溫下(低于100 ℃)通過氨基酸或小分子肽熱解而成，主要存在烤魚、肉的提取物及熟肉。如GROSS等[21]測定不同加工條件下魚肉中norharman和harman的含量。結(jié)果表明，煎炸方式下魚肉中norharman和harman含量隨加熱時間延長而升高；碳烤方式下魚肉中norharman和harman含量隨加熱時間延長而升高。SKOG等[22]運(yùn)用氣相色譜-質(zhì)譜分析法測定熟肉中的非極性雜環(huán)胺的含量，結(jié)果表明，煎炸方式下豬肉中norharman和harman含量隨加熱時間延長而升高；烤制方式下豬肉中norharman含量隨加熱時間延長而升高，而harman含量隨加熱時間延長不變。目前，對于harman和norharman形成機(jī)制，QUAN 等[23]和BERTRAND等[24]提出了相關(guān)途徑的研究，在美拉德反應(yīng)初期，醛糖和氨基酸反應(yīng)形成醛糖胺，通過Amadori重排生成Amadori化合物(pH>7)，發(fā)生斷裂生成二基化合物(α-二基化合物)，二基化合物(α-二基化合物)與半胱氨酸通過一系列復(fù)雜反應(yīng)生成乙醛；由此推出在美拉德反應(yīng)末期，乙醛與色氨酸會在低溫下(100～130 ℃)形成harman和norharman，具體過程見圖4。

圖4 醛糖和氨基酸反應(yīng)生成harman和norharman化合物途徑Fig.4 Generation of harman and norharman compounds from aldose and amino acid reaction

2 燒烤肉制品中有害物的影響因素及減控措施

2.1 烤制溫度和時間對燒烤肉制品中有害物的影響

烤制溫度、時間會顯著影響燒烤肉制品中有害物的生成，廖倩[25]研究發(fā)現(xiàn)，烤制溫度為170 ℃時，鴨皮中多環(huán)芳烴生成量為0.19 μg/kg，當(dāng)溫度升高為210 ℃時，多環(huán)芳烴含量上升為0.69 μg/kg，增加了近4倍。張?zhí)m等[26]研究發(fā)現(xiàn)，烤制溫度為160 ℃時，牛肉中多環(huán)芳烴生成量為38.63 μg/kg，當(dāng)溫度為200 ℃時，多環(huán)芳烴含量上升為82.9 μg/kg，多環(huán)芳烴含量增加2倍。因此，隨著烤制溫度的升高，肉制品中多環(huán)芳烴含量顯著增加，當(dāng)溫度超過200 ℃時多環(huán)芳烴含量急劇上升。烤制時間也會影響肉制品中多環(huán)芳烴的生成量，姜三群[27]在相同烤制溫度下，分別在時間為1～9 min時，研究羊肉串瘦肉和肥肉中多環(huán)芳烴含量變化，當(dāng)烤制時間在2 min內(nèi)時，羊肉串瘦肉中多環(huán)芳烴總量約為1.3 ng/g，肥肉約為1.9 ng/g，2～7 min內(nèi)羊肉串瘦肉和肥肉中多環(huán)芳烴總量呈上升趨勢，當(dāng)在9 min時，羊肉串瘦肉中多環(huán)芳烴總量為6.333 ng/g，肥肉中為6.299 ng/g，多環(huán)芳烴總量明顯升高。

燒烤肉制品中雜環(huán)胺的產(chǎn)生因素與多環(huán)芳烴產(chǎn)生因素類似，高溫是雜環(huán)胺形成的必要因素。高溫下，由于前體物質(zhì)如部分氨基酸、肌酸、肌酸酐、糖類等通過Strecker降解等化學(xué)反應(yīng)形成雜環(huán)胺，低溫烤制可以有效減少雜環(huán)胺的形成。如廖國周[28]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)烤制溫度低于170 ℃時，烤鴨中雜環(huán)胺生成量為3.52 ng/g，當(dāng)溫度為200 ℃時，雜環(huán)胺含量上升為34.01 ng/g，隨著烤制溫度的升高，烤鴨中雜環(huán)胺含量增加，當(dāng)溫度超過200 ℃時雜環(huán)胺含量急劇上升。BALOGH等[29]研究發(fā)現(xiàn)，制作牛肉餅時采用低溫烤制的方法，烤制溫度為175 ℃時，牛肉餅中的雜環(huán)胺總含量為3.0 ng/g，當(dāng)溫度為225 ℃時，雜環(huán)胺含量上升為24.6 ng/g，隨著烤制溫度的升，高牛肉餅中雜環(huán)胺含量增加，當(dāng)溫度超過200 ℃時與空白組相比，雜環(huán)胺含量急劇上升。GIBIS等[30]采用不同溫度、不同時間煎炸培根，探討培根中雜環(huán)胺的形成及感官品質(zhì)的變化。隨著煎炸溫度升高,時間延長，雜環(huán)胺總量逐漸升高。因此，烤制溫度及時間對燒烤肉制品中多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺的生成影響較大，可以通過優(yōu)化不同種類肉制品的烤制工藝，保證燒烤肉制品良好的色澤與口感等品質(zhì)下，最大程度降低有害物質(zhì)生成。

2.2 烤制方式對燒烤肉制品中有害物的影響

燒烤肉制品常見的烤制方式有碳烤、電烤、氣烤等，而不同烤制方式對有害物的生成影響也有所不同。TERZI等[31]研究發(fā)現(xiàn)，氣體方式烤肉時測得多環(huán)芳烴含量為5.7 μg/kg，當(dāng)選用木炭烤制時，多環(huán)芳烴含量升高為24.2 μg/kg，木炭烤制方式下產(chǎn)生的多環(huán)芳烴含量顯著高于氣體烤制方式。CHUNG等[32]采用了木炭烘烤、木炭燒烤、氣體燒烤3種不同烤制方式烤制豬肉，結(jié)果表明，3種方式烤制豬肉中多環(huán)芳烴總量由多到少的順序?yàn)槟咎繜?木炭烘烤>氣體燒烤，其中木炭燒烤中多環(huán)芳烴總量為11.033 μg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種烤制方式。LARSSON等[33]研究發(fā)現(xiàn)，電烤方式烤香腸時測得多環(huán)芳烴含量為24 μg/kg，當(dāng)選用木炭烤制時，多環(huán)芳烴含量升高為51 μg/kg，增加了近2倍，木炭烤制方式下產(chǎn)生的多環(huán)芳烴含量顯著高于電烤方式。OZ等[34]研究表明，采用石頭烤制牛排時測多環(huán)芳烴含量為0.92 ng/g；當(dāng)選用電烤方式時，多環(huán)芳烴含量為0.77 ng/g，生成量減少，電烤優(yōu)于石頭烤制方式。對于雜環(huán)胺而言，JINAP等[35]研究結(jié)果也表明了，碳烤方式下測的牛肉中雜環(huán)胺總含量為81.68 ng/g；當(dāng)選用微波烤制方式時，雜環(huán)胺總含量為65.52 ng/g，生成量減少，微波烤制方式優(yōu)于碳烤方式。?ZSARAC等[36]研究表明，豬肉經(jīng)電烤方式時，雜環(huán)胺含量為0.894 ng/g，當(dāng)選用氣體烤制后測得雜環(huán)胺含量為0.588 ng/g，生成量明顯減少，且氣體烤制優(yōu)于電烤方式。

綜上所述，在燒烤肉制品加工過程中，采用電烤、氣烤及石頭碳烤能夠有效降低燒烤肉制品中多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺的含量，且成量均顯著低于木炭烤制。

2.3 燒烤肉制品中有害物的減控措施

2.3.1 合理減控食用油及醬油的使用

人們在烤制肉類時，會添加腌制輔料對肉制品進(jìn)行前處理來改善其風(fēng)味和滋味，研究表明腌制輔料對燒烤肉制品中雜環(huán)胺和多環(huán)芳烴生成也有一定的促進(jìn)作用，這是因腌制輔料中含有的糖類、氨基酸等前體物質(zhì)，在高溫烤制時這些物質(zhì)會導(dǎo)致有害物的含量增加。烏日娜[37]分析了大豆油、花生油、調(diào)和油、葵花籽油、玉米油、芝麻油、橄欖油中種總多環(huán)芳烴(16種)的含量，花生油中種總多環(huán)芳烴(16種)含量最高為45.49 μg/kg，芝麻油含量次之為38.46 μg/kg，說明不同食用油本底中種總多環(huán)芳烴(16種)含量各不相同。因此，食用油的優(yōu)化選擇對烤制肉制品的種總多環(huán)芳烴(16種)含量有較大影響。FARHADIAN等[38]研究了經(jīng)食用油腌制后烤牛肉中多環(huán)芳烴含量，與空白組相比，腌制組的牛肉中多環(huán)芳烴含量為98.9 μg/kg生成量明顯增加。WONGMANEEPRATIP等[39]研究表明，與空白組相比，棕櫚油腌制后測得烤雞中多環(huán)芳烴含量為457.6 μg/kg，葵花籽油腌制后烤雞中多環(huán)芳烴含量為376.6 μg/kg，而用葵花籽油腌制后雞肉多環(huán)芳烴含量低于棕櫚油腌制，且兩者生成量明顯高于未經(jīng)腌制組。ALAM等[40]采用了4種不同類型醬油腌制雞肉，經(jīng)不同腌制時間后進(jìn)行烤制并測定雜環(huán)胺含量，與空白組相比，隨著腌制時間延長，sweet soy sauce腌制組測得雜環(huán)胺含量81.46 mg/g；salty soy sauce腌制組測得雜環(huán)胺含量69.95 mg/g；light soy sauce腌制組測得雜環(huán)胺含量98.44 mg/g；dark soy sauce腌制組測得雜環(huán)胺含量68.76 mg/g；且雜環(huán)胺生成量均比空白組增加。

由此，食用油及醬油是燒烤肉制品中多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺的生成的重要因素[41]，可以通過優(yōu)化不同種類肉制品的輔料添加量及腌制時間，保證燒烤肉制品良好口感等品質(zhì)的同時最大程度上降低有害物質(zhì)生成。

2.3.2 適度添加天然香辛料

在制作燒烤肉制品時，會添加香辛料來改善肉制品的風(fēng)味，同時香辛料對燒烤肉制品雜環(huán)胺和多環(huán)芳烴的生成也有一定的抑制作用。JANOSZKA[42]使用洋蔥和大蒜作為香辛料，研究其對烤肉中多環(huán)芳烴產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)二者均對多環(huán)芳烴形成有抑制作用，洋蔥抑制效果達(dá)到了50%，大蒜素為24.3%。聶文等[43]研究了大蒜素和葛根素對煙熏香腸中多環(huán)芳烴生成影響，發(fā)現(xiàn)葛根素抑制效果達(dá)到了90%，大蒜素為95%。對于雜環(huán)胺而言，秦川[44]在烤牛肉中證實(shí)了加入膳食類黃酮化合物(芹菜苷元、根皮苷、木犀草素、染料木素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯、槲皮素、柚皮素和山奈酚)能夠通過清除苯乙醛來抑制PhIP形成，且表沒食子兒茶素沒食子酸酯、槲皮素和根皮苷抑制效果最佳。于春娣等[45]也證實(shí)在烤制牛肉中加入膳食類黃酮化合物(甘薯葉黃酮類物質(zhì)、蘆丁、葛根素、甘草素、槲皮素)能夠通過清除苯乙醛來抑制PhIP形成，甘薯葉黃酮類物質(zhì)抑制率為67.31%，且效果最佳。NURAY等[46]研究表明，在肉丸中加入洋蔥提取物經(jīng)熟制后測得雜環(huán)胺為0.07 ng/g，與空白組相比，生成量顯著降低。

因此，在烤制時加入天然香辛料如大蒜、洋蔥等能夠顯著降低多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的生成，同時葛根素、膳食類黃酮化合物等天然提取物也能夠顯著抑制燒烤肉制品中多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的生成，這可能是香辛料具有的自由基清除能力，可以顯著抑制肉制品經(jīng)高溫烤制產(chǎn)生的自由基反應(yīng)，從而減少或降低多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的生成[47]。

2.3.3 適度添加天然抗氧化劑

MIN等[48]烤肉時分別加入α-生育酚、表沒食子兒茶素沒食子酸酯、芝麻酚和丁基羥基茴香醚、2，6-二叔丁基對甲酚測定多環(huán)芳烴含量并設(shè)空白組對比，結(jié)果表明，天然及人工合成的抗氧化劑均對多環(huán)芳烴形成有抑制作用，α-生育酚抑制效果為40%，表沒食子兒茶素沒食子酸酯抑制效果為39%，芝麻酚抑制效果為42%，丁基羥基茴香醚抑制效果為38%，2，6-二叔丁基對甲酚抑制效果為39%，且天然抗氧化劑抑制效果優(yōu)于人工合成抗氧化劑。WANG等[49]研究在烤制雞肉前將其經(jīng)過綠茶、白茶或茶中提取的茶多酚處理后，抑制率分別為53%和17%，且多環(huán)芳烴含量顯著降低。另外，在烤制時添加竹葉提取物[50]、花椒葉提取物[51]等天然抗氧化劑均能有效降低雜環(huán)胺生成量。

人工合成的抗氧化劑包括丁基羥基茴香醚、二丁基羥基甲苯、沒食子酸丙酯和叔丁基對苯二酚等，對于多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺生成的抑制效果取決于抗氧化劑種類、添加量等，但這些人工合成的抗氧化劑因具有一定的毒性[52]而被限制添加量從而降低抑制效果，因此可添加天然抗氧化劑抑制多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的形成。

3 結(jié)語

本文綜述了燒烤肉制品加工過程中雜環(huán)胺、多環(huán)芳烴的生成機(jī)理；烤制溫度、烤制時間、烤制方式、食物原料、脂肪含量以及食品腌制輔料等影響有害物的生成因素；通過添加外源抑制劑、合理控制烤制溫度和烤制時間、減少腌制輔料的用量等方法來控制有害物的生成量。所得主要結(jié)論概述如下：

燒烤肉制品加工過程中多環(huán)芳烴和雜環(huán)胺的形成因素諸多，其中最主要的形成途徑是原料肉中的組分在加工過程中發(fā)生的化學(xué)變化。原料肉中蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪會在高溫下會發(fā)生裂解，再通過一系列環(huán)化、聚合反應(yīng)形成多環(huán)芳烴；而雜環(huán)胺的形成途徑主要是通過美拉德反應(yīng)，還原糖(葡萄糖)首先降解形成二基化合物，再與氨基酸發(fā)生Strecker降解反應(yīng)形成2-甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、3-戊基-2,5二甲基吡嗪、2-乙基-3,5二甲基吡嗪等吡嗪類物質(zhì)，與肌酸酐形成咪唑喹啉、咪唑喹喔啉和咪唑吡啶類化合物。

燒烤肉制品加工中有害物防控方法主要為：(1)合理控制烤制溫度和烤制時間。降低烤制溫度和減少烤制時間均能減少燒烤肉制品加工中有害物生成量；(2)合理選擇烤制技術(shù)。微波烤制、氣體燒烤、電烤、石頭燒烤等新型的烤制方式與傳統(tǒng)木炭烤制和木炭烘烤對比，經(jīng)烤制后燒烤肉制品中有害物含量均低于木炭烤制和木炭烘烤；(3)添加外源物質(zhì)。在原料肉的腌制過程中，加入大蒜素、葛根素、洋蔥提取物后，有害物的含量顯著降低；此外，黃酮類物質(zhì)、抗氧化劑都能夠有效降低或減少有害物生成量。