高溫加工的食品中丙烯酰胺的研究進(jìn)展*

汪雯靜，郎雯君，徐瀟穎，朱炳祺

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州 310053）

丙烯酰胺（acry1amide,AA）是一種無色無味的白色晶體物質(zhì)，極易溶于水?？赏ㄟ^皮膚、呼吸道、食道等進(jìn)入人體內(nèi)，其中飲食攝入是最主要的途徑。AA具有毒性，可導(dǎo)致遺傳物質(zhì)損傷和基因突變。大量動物實驗研究表明，AA有神經(jīng)毒性、生殖毒性、免疫毒性、遺傳毒性和致癌性等多種毒性作用[1]。國際癌癥機構(gòu)將其認(rèn)定為2A級致癌物。2002年，相關(guān)研究人員檢測出某些食品中含有AA。大量研究表明，AA廣泛存在于油炸類、烘培類食品中，對人類健康產(chǎn)生極大危險。歐盟、聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會、美國食品及藥品管理局等全球較大的監(jiān)管機構(gòu)都對AA的管理制定了相應(yīng)的法律法規(guī)。我國也出臺相應(yīng)AA檢測與管理等一系列法律條文，要求食品公司制定降低食品中AA含量的措施，并采用一切可行的手段將其產(chǎn)品中的AA降至基準(zhǔn)水平。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，全民健康意識不斷提高，食品行業(yè)對此也高度重視。本文旨在對油炸食品中AA形成機理、毒性、含量分析以及如何控制其含量四個方面進(jìn)行綜述，以期為食品中AA的檢測提供新思路，為食品加工行業(yè)新工藝的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 丙烯酰胺的形成機理

研究表明，AA的形成與美拉德反應(yīng)有關(guān)[2]。Maillard反應(yīng)能產(chǎn)生類黑精色素、還原酮、醛和雜環(huán)化合物，從而賦予食品獨特的風(fēng)味和色澤。美拉德反應(yīng)（Maillard）在食品加工中起著非常重要的作用，是食品研究領(lǐng)域的熱點。但同時也會產(chǎn)生一些有毒有害物質(zhì)，AA就是其副產(chǎn)物之一[3]。

1.1 天冬酰胺途徑

食品化學(xué)家Hodge認(rèn)為Maillard反應(yīng)過程可以分為初期、中期和末期，每一階段又可細(xì)分為若干反應(yīng)，AA主要在初期產(chǎn)生[4]。Maillard反應(yīng)初期在羰氨縮合和分子重排兩種作用下，通過兩步反應(yīng)由前體化合物天冬酰胺和還原糖生產(chǎn)AA。食品不斷加熱，當(dāng)溫度高于100℃時，天冬酰胺和還原糖會縮合成席夫堿（Schiff base）[5]。隨后通過霍夫曼消除反應(yīng)降解中間體引起一系列的反應(yīng)。Schiff堿可通過2種方式轉(zhuǎn)化為AA：①schiff堿發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化形成5-惡唑烷酮中間體，該中間體脫羧后重排形成脫羧Amadori產(chǎn)物，在高溫加熱的作用下變成乙酰丙胺；②schiff堿脫羧生成亞甲胺葉立德（Ⅰ,Ⅱ），經(jīng)重排后通過3-氨基丙酰胺脫氨基生成AA[6]。

1.2 非天冬酰胺途徑

研究表明，AA也可以由非天冬酰胺物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來。氨和丙烯醛或丙烯酸在180℃下加熱可產(chǎn)生AA。Yasuhara等[7]通過研究高油脂食物的加工過程，發(fā)現(xiàn)三油酸甘油酯在高溫處理時，可發(fā)生熱解產(chǎn)生丙烯醛，丙烯醛又可被進(jìn)一步氧化為丙烯酸。反應(yīng)產(chǎn)生的丙烯酸或丙烯醛又可與氨反應(yīng)生成大量AA[8]。還有研究發(fā)現(xiàn)單糖、蛋白質(zhì)和碳水化物在高溫加熱的過程中，會產(chǎn)生大量小分子醛。這些小分子醛可以重新生成丙烯醛，進(jìn)而生成AA。除此之外，甘油三酯脫水、β-丙氨酰-L-組氨酸(肌肽)也可通過脫水脫氨后形成丙烯酸,從而生成AA[7]。

2 丙烯酰胺的毒性

AA是中等毒性物質(zhì)，極易被人體吸收，可通過皮膚、黏膜、呼吸道、胃腸道等進(jìn)入體內(nèi)。經(jīng)口攝入被認(rèn)為人體吸收最迅速、完整及主要的途徑，而經(jīng)消化道吸收最快，會迅速分布全身。

2.1 神經(jīng)毒性

研究表明，AA中毒患者會出現(xiàn)手足蛻皮、紅斑、多汗?jié)窭洹⑺闹槟尽⒕?xì)動作困難、頭暈、疲乏無力及睡眠異常等癥狀,體現(xiàn)在實驗動物身上則表現(xiàn)為后肢外展、體重增長減慢、共濟失調(diào)等[9]。其作用機制可能與加合物的形成、能量代謝異常、脂質(zhì)過氧化、軸漿運輸損傷、神經(jīng)末梢損傷以及細(xì)胞凋亡等有關(guān)[10]。

2.2 生殖發(fā)育毒性

AA會導(dǎo)致實驗動物的生殖行為、生殖細(xì)胞發(fā)育及生殖內(nèi)分泌功能發(fā)生變化，對發(fā)育過程中動物血液循環(huán)系統(tǒng)和骨骼發(fā)育也會產(chǎn)生影響。魯靜等[11]通過將雄鼠連續(xù)四周灌喂AA溶液來建立動物模型，該研究發(fā)現(xiàn)，AA可造成雄鼠精子顯著畸形，雌鼠的卵巢受損嚴(yán)重，大部分卵泡內(nèi)有壞死細(xì)胞，胎鼠的骨骼發(fā)育異常。還有研究者發(fā)現(xiàn)AA通過影響機體內(nèi)各種腺體功能和激素水平而產(chǎn)生發(fā)育毒性[12]。

2.3 免疫毒性

AA對免疫功能具有損傷作用。李百祥等[13]研究發(fā)現(xiàn)，暴露在AA條件下的小鼠，免疫器官發(fā)生退化,致使外周淋巴器官中T細(xì)胞數(shù)量減少，淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率下降顯著，巨噬細(xì)胞吞噬功能受到抑制，從而造成小鼠免疫功能嚴(yán)重受損，進(jìn)一步對其機制進(jìn)行探討，得出AA對免疫應(yīng)答過程的毒性作用的直接作用機制是通過降低IL-2活性。同時，還可以通過產(chǎn)生過多的脂質(zhì)過氧化物和減弱自由基清除劑的活性,間接損害免疫系統(tǒng)。通過損傷胸腺和脾臟免疫器官，使T細(xì)胞亞群中細(xì)胞數(shù)量產(chǎn)生變化，從而抑制細(xì)胞免疫功能及損害免疫細(xì)胞的毒作用[14]。

2.4 遺傳毒性

AA的遺傳毒性表現(xiàn)為基因突變、染色體畸變及數(shù)目異常、DNA損傷等。研究表明，其作用機制存在兩種可能。①AA通過它的代謝物環(huán)氧化物—環(huán)氧丙烯酰胺（GA）發(fā)揮作用；②AA的基因毒性可能是其自身的效應(yīng)。但第一個途徑得到大多數(shù)研究證實，而第二種途徑研究尚不徹底[15]。

2.5 致癌性

研究還發(fā)現(xiàn)，暴露于丙烯酰胺的環(huán)境中具有致癌的風(fēng)險。大量研究表明，丙烯酰胺可致使實驗動物的許多器官出現(xiàn)腫瘤，發(fā)生癌變，例如甲狀腺腫瘤、乳腺腫瘤和陰囊間皮瘤等。對人體同樣產(chǎn)生致癌作用，通過流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人體攝入含有丙烯酰胺的食品，會引發(fā)癌癥的部位包括女性乳腺、子宮內(nèi)膜、卵巢及男性前列腺、食道、胃、結(jié)直腸、胰腺、膀胱、腎臟、口腔、口咽-喉咽、喉、肺、腦及甲狀腺[16]。

3 丙烯酰胺的檢測方法

3.1 丙烯酰胺的提取與凈化

AA極易溶于水，為極性化合物。許多學(xué)者利用其這一特點對食品中的AA進(jìn)行萃取?，F(xiàn)有研究一般采用水或極強有機溶劑（甲醇、乙腈）進(jìn)行萃取[17]。為了提高丙烯酰胺的萃取含量，研究者嘗試采用有機體系進(jìn)行萃取，例如，水-甲醇、異丙醇-水-乙醇、水-乙腈、水-正已烷等，此方法萃取成分較為復(fù)雜的樣品更為徹底，效果顯著。對于富含蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪和色素等物質(zhì)的樣品，可采用CarrezⅠ、CarrezⅡ等試劑將雜質(zhì)除去，提高萃取率[18]。萃取后，一般采用固相微萃取(SPME)技術(shù)對AA進(jìn)行富集純化。研究人員將前處理過程簡化，建立Qu EChERS前處理方式，使前處理效率和回收率大幅提高[19]。

3.2 丙烯酰胺的測定方法

3.2.1滴定法

滴定法為傳統(tǒng)檢測技術(shù)之一，無需復(fù)雜的儀器設(shè)備，操作簡單。但是其檢測靈敏度和特異性較差。因此普及度低，較少出現(xiàn)在丙烯酰胺的研究中，僅在GB/T 22312—2008標(biāo)準(zhǔn)中作為一種備選方法[18]。

3.2.2氣相色譜法（GC/GC-MS）

氣相色譜法（GC）是一種低成本檢測半揮發(fā)化合物的有效途徑。用水或有機水溶液等極性水溶液萃取，經(jīng)SPE固相萃取柱處理后，氫火焰離子化檢測器(FID)檢測，是氣相色譜法檢測的方法之一。白艷玲等[20]通過采用固相萃取和液-液萃取凈化和利用丙烯酰胺的氮原子直接火焰熱離子檢測器法(FTD)測定相結(jié)合的方法建立了食品中丙烯酰胺的GC法。該方法不涉及衍生化方法，操作簡便，樣品提取簡單。為了提高其檢測的靈敏度需采用衍生化法對樣品進(jìn)行前處理。衍生效率和穩(wěn)定性是衍生氣相色譜法實現(xiàn)低檢出限的關(guān)鍵[21]。在眾多衍生法中，溴化衍生法使用較廣，AA溴化衍生產(chǎn)物主要有2,3-二溴丙酰胺或2-溴AA，測定2,3-二溴丙酰胺應(yīng)用最為廣泛。王激揚等[22]通過加溴生成衍生物2,3-二溴丙酰胺后，再用乙酸乙酯進(jìn)行萃取測定的溴化衍生法進(jìn)行處理。周建科等[23]也同樣采用KBrO3和KBr對樣品進(jìn)行溴化衍生，建立了毛細(xì)管氣相色譜法測定炮制后的中藥材焦麥芽中丙烯酰胺含量。

單一的氣相色譜法無法檢出含量較低的樣品，現(xiàn)多將氣相色譜與質(zhì)譜法聯(lián)用，建立氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）進(jìn)行檢測。AA屬熱不穩(wěn)定性的化合物，遇熱易分解，不滿足GC-MS法對于被分析物需具有一定的熱穩(wěn)定性和揮發(fā)性的要求，因此不能直接用于檢測。在檢測前需將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，和氣相色譜一樣，一般先通過衍生化處理以提高穩(wěn)定性，進(jìn)而提高檢測的準(zhǔn)確度和靈敏度。采用GC-MS檢測AA時一般采用穩(wěn)定性同位素稀釋技術(shù)，將被標(biāo)記的AA作為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行檢測。沈偉健等[24]采用13C3標(biāo)記待測物質(zhì)，檢出其回收率處于80%和110%之間，最低檢測限為5 μg/kg。GC-MS方法具有高靈敏度和專一性，低檢測限的優(yōu)勢，但也存在溴化衍生所需時間較長，反應(yīng)條件較為苛刻，檢測費用昂貴等不足[25]。

3.2.3液相色譜法

相較于氣相色譜法，液相色譜法無需采用衍生技術(shù)，可進(jìn)行大批量樣品操作，是痕量分析的常用方法，一般采用紫外可見檢測器，二極管陣列檢測器等。該方法可直接檢測樣品，多用于建立快捷，易行的檢測方法。王小博等[26]以餅干為檢測對象，采用液液萃取和高效液相色譜法，建立了一種簡易、高效的焙烤食品中丙烯酰胺的液相色譜檢測分析方法。陳煜等[27]采用高效液相色譜-紫外檢測法（HPLC-UV）檢測油炸食品中提取出丙烯酰胺，檢出限為5μg/kg，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.5%范圍內(nèi)，樣品的加標(biāo)回收率在88.5%～90.6%之間，能有效、快速測定油炸食品中丙烯酰胺的含量。

液相色譜法雖然回收率高，但檢出限較高、靈敏度較低。液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS）改進(jìn)了液相色譜靈敏度低的不足，具有高選擇性，同時其具有液相色譜簡便、高效、回收率高的特點，因此成為檢測丙烯酰胺的常用方法。于曉瑾等[28]建立了嬰幼兒乳粉中的丙烯酰胺的高效液相色譜-串聯(lián)四極桿質(zhì)譜聯(lián)用測定方法，檢出限為5 μg/kg,定量限為10 μg/kg,加標(biāo)回收率介于86.7%～106.8%之間。曹杰等[29]采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜檢測高溫烘烤食品中的丙烯酰胺，檢出限為0.5 μg/kg，該方法靈敏、準(zhǔn)確且穩(wěn)定。王書舟等[30]將樣品經(jīng)正己烷除脂和SCX固相萃取柱凈化后，快速固相萃取-超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定。在優(yōu)化后的色譜質(zhì)譜條件下，該方法檢出限可達(dá)到2.0 μg/kg，加標(biāo)回收率在97.6%~105.7%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.2%~3.9%。

3.2.4其它方法

隨著科技不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的檢測方法，例如：毛細(xì)管電泳法（CE)、熒光生物傳感法、酶聯(lián)免疫法（ELISA)、計算機視覺技術(shù)等。這些技術(shù)操作簡便，特異性強，儀器配置簡單，便于維護(hù)，人員要求不高。但是其靈敏度不足，無法準(zhǔn)確測定丙烯酰胺含量低的食品[31]。

4 丙烯酰胺的抑制

4.1 降低丙烯酰胺前體物質(zhì)

丙烯酰胺的前體物質(zhì)主要是天冬酰胺及還原糖。研究發(fā)現(xiàn)，降低天冬酰胺及還原糖的含量可以有效控制食品中丙烯酰胺的含量。對原料進(jìn)行漂燙預(yù)處理可以增加前體物的溶出。Zhang等[32]的研究表明原材料經(jīng)過焯水后可以減少其中葡萄糖、天冬氨酸含量，從而減少丙烯酰胺的形成。GAI等[33]將加工前的土豆進(jìn)行漂洗，發(fā)現(xiàn)土豆中的天冬酰胺和還原糖含量降低。加入天冬酰胺酶可以分解天冬酰胺，達(dá)到降低天冬酰胺含量的目的。Aiswarya等[34]采用游離和殼聚糖固定化天冬酰胺酶溶液，研究了浸泡時間和溫度對木香炸片丙烯酰胺緩釋效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)殼聚糖固定化天冬酰胺酶預(yù)處理可有效降低油炸食品中丙烯酰胺的含量。

4.2 控制加工條件及中間產(chǎn)物

Michalak等[35]研究發(fā)現(xiàn)食品褐變程度與食品中丙烯酰胺的含量有關(guān)。食品的褐變程度主要與加工工藝有關(guān)。食品加工的影響因素包括溫度、時間、水分活度、pH值及氣壓等。Ghasemian等[36]設(shè)置不同的加熱溫度對牛肉漢堡進(jìn)行加工，以檢驗溫度與丙烯酰胺的形成是否相關(guān)，結(jié)果表明加熱溫度會顯著影響丙烯酰胺的生成，低溫加熱將有利于抑制食品中丙烯酰胺的含量。Chan等[37]研究發(fā)現(xiàn)，食品加工的時間和溫度可影響食物中的水分，而食品中的水分可影響丙烯酰胺的含量,水分含量和丙烯酰胺的產(chǎn)生呈反比。Per等[38]研究發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺含量對pH的依賴性在pH 8左右達(dá)到最大值，且較低的pH可以促進(jìn)丙烯酰胺的消除和減緩丙烯酰胺的形成。研究發(fā)現(xiàn)，植物油的種類也與丙烯酰胺的形成有關(guān)。Ahmad等使用4種不同類型植物油油炸牛肉，研究發(fā)現(xiàn)油的類型顯著影響了牛肉塊中丙烯酰胺濃度。

抗氧化劑也能減少丙烯酰胺生成。Alafeef等[39]以經(jīng)硒預(yù)處理的青咖啡豆為研究對象，探究高溫加工后青咖啡豆中丙烯酰胺含量，硒元素具有顯著抗氧化活性，使得丙烯酰胺含量顯著減少。Zhang等[40]在油炸雞翅熱加工過程中添加竹葉抗氧化劑，檢測發(fā)現(xiàn)竹葉中的抗氧化劑可以顯著減少炸雞翅中丙烯酰胺的形成，但仍能保持炸雞翅原有的風(fēng)味和氣味，維生素也可以起到抑制丙烯酰胺的作用。Zeng等[41]研究了15種維生素減少丙烯酰胺形成的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)某些維生素在合理的濃度下可以抑制丙烯酰胺的形成。

4.3 直接去除丙烯酰胺

氨基酸、光輻射、微生物發(fā)酵法、真空加熱法等都是去除丙烯酰胺的方法。目前研究較多的是氨基酸法和微生物發(fā)酵法。Erland等[42]研究添加氨基酸對薯片、薯條、扁面包和面包皮中丙烯酰胺含量的影響，他們在薯條加熱過程中添加甘氨酸或谷氨酰胺，發(fā)現(xiàn)油炸后薯條中的丙烯酰胺含量減少了約30%。Mestdagh等[43]在焯水中添加不同濃度的游離甘氨酸和L-賴氨酸，研究了薯片中丙烯酰胺降低效果，結(jié)果表明L-賴氨酸能更有效地減少丙烯酰胺形成。

Dastmalchi等[44]研究了四種乳酸菌與酵母的工業(yè)化發(fā)酵過程對面包中丙烯酰胺還原的影響。結(jié)果表明，面粉規(guī)格和發(fā)酵過程中的微生物種類是影響面包中丙烯酰胺形成的重要因素，其中乳酸菌和酵母發(fā)酵抑制了丙烯酰胺的形成。Akillioglu等[45]也得出相同的結(jié)論，他們在速溶咖啡中加入酵母，結(jié)果表明酵母發(fā)酵有望減少速溶咖啡中HMF和丙烯酰胺的含量。

5 結(jié)語

高溫加熱是食品制作中較為普遍的一項技術(shù)，可以賦予食品誘人的香味、獨特的色澤。然而高溫加熱會同時使食品產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，例如AA。AA被認(rèn)定為2A級致癌物。食用AA含量高的食品有可能會對人體造成不可逆損傷。隨著生活水平的提高，人們對于健康的追求越來越強烈。然而丙烯酰胺的檢測技術(shù)尚不能完全滿足人們對于檢測丙烯酰胺的要求。本文從丙烯酰胺的形成機理、丙烯酰胺的毒性、丙烯酰胺的檢測方法、抑制丙烯酰胺的措施四個方面進(jìn)行綜述，以期提高食品加工行業(yè)對丙烯酰胺的重視程度，為新加工技術(shù)的研發(fā)提供新思路，同時也為消費者的生命健康提供保障。