食品污染物丙烯酰胺的研究進展

許 杰，趙 力，王 婧，吳鴻億

（重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，重慶 404120）

AA 是一種分子量為70.08，無色無味并且具有良好水溶性的有機化合物[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，某些食品在高溫油炸或烘烤過程中會產(chǎn)生AA，而土豆、餅干、咖啡和谷物類等是產(chǎn)生AA 的典型食品[3-4]。國際癌癥機構(gòu)于1994 年宣布AA 為可能致癌物[5]，此外，AA 還具有神經(jīng)毒性、遺傳毒性等毒性[6]。美拉德反應(yīng)被認為是生成AA 的主要原因，并且原料中的還原糖和天冬酰胺是美拉德反應(yīng)生成AA 的主要前體物質(zhì)[3，7]。民以食為天，而食品中的AA 無疑是對人體健康產(chǎn)生危害的巨大威脅。因此，對AA 的形成機理、毒性以及控制措施進行了綜述，旨在為減輕或消除AA 對人體的毒害作用，控制食品中AA 的含量并保證食品安全提供科學(xué)依據(jù)和研究思路。

1 AA 的形成機理

研究表明，AA 的形成與食品加工過程中食物中的氨基和羥基發(fā)生縮合反應(yīng)有關(guān)[8]，其可能形成途徑主要包括天冬酰胺途徑和丙烯醛途徑[6]。

天冬酰胺途徑是產(chǎn)生AA 的主要途徑[9]。天冬酰胺途徑是在美拉德反應(yīng)初期，游離天冬酰胺的氨基與還原糖的羰基相互作用生成不穩(wěn)定的Schiff 堿，而后Schiff 堿經(jīng)Amadori 重新排列生成Amadori 產(chǎn)物，該產(chǎn)物的C-N 鍵斷裂生成AA[10]；此外，Schiff 堿可脫羧或水解生成亞甲胺葉立德和3- 氨基丙酰胺（3-APA），3-APA 進一步脫氨或甲胺葉立德直接生成AA[11]。

丙烯醛途徑是形成AA 的次要途徑[12]。富含脂質(zhì)的食品在高溫加熱過程中，油脂分解生成脂肪酸和丙三醇，而后脂肪酸和丙三醇分別氧化和脫水均可生成丙烯醛，丙烯醛則與含胺類化合物在高溫條件下分解產(chǎn)生的氨類物質(zhì)進一步反應(yīng)生成AA[8]。

2 AA 的毒性作用

2.1 生殖毒性

大量研究結(jié)果顯示，AA 對動物具有生殖毒性。Wei Q 等人[13]發(fā)現(xiàn)，雌性小鼠暴露于高劑量AA 可顯著降低體重、臟器重量和黃體酮濃度。Gao J 等人[14]研究發(fā)現(xiàn)，AA 可通過減小雌鼠發(fā)泡卵母細胞的直徑、精子結(jié)合能力、孤雌激活和體外受精率以及破壞卵母細胞的染色質(zhì)構(gòu)型、線粒體分布和膜電位減弱發(fā)泡卵母細胞的發(fā)育潛能。Aras D 等人[15]的研究發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)AA 暴露會使小鼠卵母細胞的成熟明顯受損，并且AA 的代謝產(chǎn)物環(huán)氧丙酰胺體外暴露可直接干擾卵母細胞的成熟分裂，表明AA 對女性生殖細胞的毒性可能是通過其代謝產(chǎn)物環(huán)氧丙酰胺發(fā)生的。

相關(guān)研究表明，AA 能減少雌鼠的卵母細胞數(shù)量，增加活性氧含量，并降低DNA 和組蛋白甲基化水平，從而使其生殖能力下降[16]；Duan X 等人[17]也研究發(fā)現(xiàn)AA 處理雌性小鼠后，卵母細胞的DNA 和組蛋白的甲基化水平降低，并且導(dǎo)致小鼠卵巢重量下降、氧化應(yīng)激和卵母細胞早期凋亡。

Wang H 等人[18]的研究結(jié)果表明，高劑量AA 處理對雄性大鼠的生長發(fā)育有抑制作用，附睪精子數(shù)量減少，生殖細胞數(shù)量急劇減少，并且導(dǎo)致睪丸組織病理學(xué)病變。Trigg N A 等人[19]發(fā)現(xiàn)雄性小鼠的精子sncRNA 對AA 具有急性敏感性，AA 暴露會改變與sncRNA 表達有關(guān)的幾種轉(zhuǎn)錄因子的豐度，從而導(dǎo)致其在早期胚胎發(fā)育過程中基因表達失調(diào)。Recio L等人[20]研究表明，AA 暴露可影響大鼠睪丸的肌動蛋白絲組織、鈣信號通路以及細胞增殖相關(guān)基因的表達水平，從而影響Ca2+調(diào)節(jié)信號通路和活性氧，引起氧化應(yīng)激，影響精子的形成。田素民等人[21]研究發(fā)現(xiàn)，AA 可增加斷乳期雄性大鼠精子的畸形率，且畸變率與攝入AA 劑量成正比，表明AA 對斷乳期雄性大鼠精子有明顯的毒性作用。

Nixon B J 等人[22]通過彗星試驗證實慢性AA 暴露會使雄性小鼠生殖細胞的DNA 雙鍵斷裂，從而導(dǎo)致生殖細胞中DNA 損傷，并且呈劑量依賴性，曹秀明等人[23]在AA 對斑馬魚生殖腺細胞的毒性作用的研究中也通過彗星實驗得出了相同結(jié)論。Katen A L 等人[24]發(fā)現(xiàn)，雄性小鼠長期接觸AA 可導(dǎo)致精子DNA損傷，并且相較于親代，雄性后代小鼠雖然沒有直接接觸AA，但精子的DNA 損傷水平明顯增加，并且其生殖細胞中CYP2E1（能將AA 轉(zhuǎn)化為有害代謝產(chǎn)物甘酰胺的酶） 的水平也有所增加。

以上動物試驗證明了AA 的生殖毒性，生殖毒性會對生物種群繁衍形成巨大威脅，因此在動物試驗的基礎(chǔ)上進一步驗證AA 對人體是否具有生殖毒性。

2.2 遺傳毒性

AA 對動物的遺傳毒性主要表現(xiàn)為損害體細胞，使生殖細胞發(fā)生突變，從而導(dǎo)致胚胎發(fā)育畸形[9]。研究發(fā)現(xiàn)，AA 可被細胞色素P450 中的氧化酶氧化為毒性更強的環(huán)氧丙酰胺，它能通過直接攻擊DNA 分子誘發(fā)基因突變[25]；AA 還可與DNA 中的硫醇、羥基和氨基結(jié)合形成加合物，從而致使DNA 損傷[26]，以上是AA 產(chǎn)生遺傳毒性的兩條途徑。

Beland F A 等人[27]研究發(fā)現(xiàn)，與對照組小鼠相比，經(jīng)AA 處理后的小鼠胚胎纖維細胞會產(chǎn)生DNA加合物，CⅡ基因突變頻率明顯增加，促進基因突變的發(fā)生。高劑量AA 能誘導(dǎo)人白血病HL-60 和NB4細胞中的黃嘌呤、鳥嘌呤和核苷酸糖基轉(zhuǎn)移酶基因發(fā)生突變[26]。

AA 對遺傳物質(zhì)造成的影響將會導(dǎo)致生物種群發(fā)生改變，可能引發(fā)基因污染，從而造成嚴重的生態(tài)危害。

2.3 神經(jīng)毒性

AA 的神經(jīng)毒性通常是作用于神經(jīng)末梢，影響周圍和中樞神經(jīng)的突觸傳遞進而損害身體健康[28]。古梓婷等人[29]研究發(fā)現(xiàn)，AA 能使大鼠坐骨神經(jīng)中的髓鞘堿性蛋白與髓磷脂相關(guān)糖蛋白表達量下降，從而對髓鞘造成毒性損傷，并最終導(dǎo)致麻木、運動功能不全等神經(jīng)性癥狀。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的氧代謝較活躍，易被AA 誘導(dǎo)引起氧化應(yīng)激[30]，同時氧化應(yīng)激反應(yīng)參與由AA 引起的細胞凋亡與神經(jīng)炎癥[31]，促進神經(jīng)毒性作用。研究表明，高劑量AA 暴露可誘導(dǎo)多種神經(jīng)細胞凋亡，表現(xiàn)為細胞內(nèi)的活性氧、丙二醛水平均顯著增加，谷胱甘肽水平顯著降低[32-33]；此外，Yao X 等人[34]研究表明AA 誘導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡除了表現(xiàn)為腦組織中的丙二醛水平上升，還表現(xiàn)在血腦屏障中血清瘦素的水平降低。

Wang Y 等人[35]發(fā)現(xiàn)慢性AA 暴露會使大鼠小腦內(nèi)神經(jīng)元內(nèi)自噬小體聚集、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張、線粒體腫脹，同時對大鼠的步態(tài)、平衡能力、后肢肌張力和運動協(xié)調(diào)能力造成損傷；張斌等人[36]研究發(fā)現(xiàn)，長期高劑量AA 暴露會使大鼠體重下降，步態(tài)異常，并且大腦皮層和小腦內(nèi)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸含量顯著降低，導(dǎo)致神經(jīng)傳遞障礙。

張春梅等人[37]的研究結(jié)果表明，母源性AA 暴露會使新生大鼠海馬顆粒層神經(jīng)元排列疏松，從而造成海馬神經(jīng)元的損傷；慢性AA 暴露會使大鼠的學(xué)習(xí)記憶受損、認知能力減弱，導(dǎo)致認知障礙[38]；AA 還會造成腦部神經(jīng)突觸功能蛋白下調(diào)、細胞凋亡蛋白上調(diào)，從而對大鼠認知和記憶功能產(chǎn)生嚴重不良影響。

AA 還可通過顯著增加鼠小腦組織中NLRP3 炎性小體復(fù)合物及其下游炎性因子（pro-IL-1β/IL-1β/IL-18） 蛋白表達[39]，以及神經(jīng)細胞乳酸脫氫酶的釋放和下游細胞炎癥因子（TNF-α/IL-1β/IL-18） 的分泌水平，從而對神經(jīng)造成炎性損傷。

以上研究結(jié)果表明，AA 可通過多種方式對生物的神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷，進而引發(fā)神經(jīng)毒性。

2.4 潛在致癌性

相關(guān)流行病學(xué)研究表明，AA 可能與罹患癌癥的風(fēng)險有關(guān)。研究表明，AA 能顯著提高小鼠大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)、子宮、卵巢、乳腺、甲狀腺、皮膚和腸道等的致癌率[26]，但只是確認了AA 對動物有致癌性，AA 對人類的致癌性仍需要進一步研究證明。

2.5 其他毒性

AA 對斑馬魚的鰓、肝臟、腦組織和和心臟等器官具有氧化損傷作用[23]；在小鼠試驗中，AA 會對肝、腎、腦、肺、膀胱和消化道等器官造成氧化損傷，其中以肝臟受損最明顯[40]。動物器官受到氧化損傷主要是由于AA 會明顯降低各器官中抗氧化物酶的活力，增加丙二醛含量和過氧化物酶的活力，從而受到氧化損傷作用。

Fang J 等人[41]研究發(fā)現(xiàn)，AA 能使雌性小鼠體重、脾臟、胸腺質(zhì)量以及淋巴細胞數(shù)量下降，并且淋巴結(jié)、胸腺和脾臟均出現(xiàn)病理改變；Guo J 等人[42]發(fā)現(xiàn)在美國普通人群中，AA 和環(huán)丙酰胺的水平與濕疹和瘙癢性皮疹等過敏癥狀的可能性顯著相關(guān)，表明可能與AA 的免疫毒性有關(guān)。

王小博等人[43]的研究結(jié)果表明，AA 可致使小鼠體內(nèi)的血清指標發(fā)生變化以及紅細胞系統(tǒng)、白細胞系統(tǒng)和血小板系統(tǒng)損傷，且隨暴露劑量增加逐漸明顯，最終導(dǎo)致貧血和骨髓造血功能下降等癥狀。Wang A 等人[44]通過測定血清生化指標，探討AA 暴露對大鼠的心血管毒性，結(jié)果表明AA 暴露會干擾能量代謝和氨基酸代謝，進而引起心血管毒性。此外，AA 會破壞大鼠的腸黏膜屏障功能，引起腸道菌群失調(diào)，最終造成腸道損傷，并損程度傷隨AA 暴露劑量增加而嚴重。

3 食品中AA 的控制

3.1 控制原料中AA 前體物質(zhì)的量

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，薯條中AA 的含量與還原糖濃度和天冬酰胺濃度呈正相關(guān)，并且高糖馬鈴薯經(jīng)高溫加熱處理后，產(chǎn)品中AA 含量高達1 823 ng/g，是低糖馬鈴薯制成產(chǎn)品的36 倍[45]。此外，Muttucumaru N 等人[46]發(fā)現(xiàn)，不同品種馬鈴薯中的還原糖含量和天冬酰胺含量均有差異，且兩者含量高的馬鈴薯經(jīng)160 ℃，20 min 處理后形成較高含量的AA。以上研究結(jié)果表明，選擇低還原糖和天冬酰胺含量的原料能減少產(chǎn)品中AA 的形成，因此通過研究比較獲得AA 前體物質(zhì)濃度低的原料品種后，可推廣栽培，用以生產(chǎn)低AA 產(chǎn)品。

3.2 改善加工工藝

郭曉艷等人[47]發(fā)現(xiàn)，油炸前采用90 ℃熱燙處理聯(lián)合5 g/L 半胱氨酸溶液浸泡處理10 min 可對馬鈴薯片中AA 的抑制率達到100%。周媛等人[48]發(fā)現(xiàn)，將薯條/片冷凍后用大豆豆?jié){包裹油炸可以在確保感官品質(zhì)的前提下，使產(chǎn)品中AA 的含量降低78.2%。Genovese J 等人[49]研究表明，脈沖電場處理相較于傳統(tǒng)漂燙處理抑制AA 形成的效果更好。

Bertuzzi T 等人[50]研究發(fā)現(xiàn)，咖啡在焙烤過程中，溫度隨（0~20 min） 時間延長逐漸升高，AA 含量則呈先升后降的趨勢，并在175 ℃，10 min 時達到最大值。因此，需合理控制焙烤溫度和時間減少咖啡中的AA 含量，并保證咖啡的優(yōu)良感官品質(zhì)。UdomKun P 等人[51]發(fā)現(xiàn)，在不控制溫度的條件下，香蕉片在油炸后離心階段采用真空壓力21.3 kPa，5 min 樣品感官品質(zhì)較好且AA 含量較低。Schouten M A 等人[52]研究表明，經(jīng)175 ℃，20 或22 min 強制空氣對流處理的餅干品質(zhì)特性比相同條件下傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)的好，但餅干中AA 水平更高，因此應(yīng)作進一步研究確定既能保持餅干品質(zhì)特性，又能減少AA 含量的最佳加工條件。

Lim P 等人[53]研究發(fā)現(xiàn)，用低不飽和度油（大豆油） 油炸甘薯片，其中的AA 含量低于使用高飽和度油油炸的薯片；Zhang H 等人[54]研究發(fā)現(xiàn)，AA 的形成與煎炸油的傳熱系數(shù)呈正相關(guān)，與煎炸油循環(huán)使用次數(shù)無關(guān)，傳熱系數(shù)低的油（米糠油） 適合炸制薯片，AA 含量最少。因此，使用合適的煎炸油有利于減少食品中AA 的產(chǎn)量。

3.3 使用抑制劑

吳本陽等人[55]研究發(fā)現(xiàn)，添加低濃度模式美拉德反應(yīng)產(chǎn)物或同時添加適宜濃度的葡萄糖和精氨酸能有效抑制面包中AA 的形成。Richarme G 等人[56]研究表明，美拉德脫糖酶可以通過降解食品中天冬酰胺/乙二醛美拉德加合物來阻止AA 的形成。Huang Y 等人[57]研究發(fā)現(xiàn)，酸能抑制薯條中AA 的形成，隨著pH 下降A(chǔ)A 的水平也在下降，但隨著酸自由基離子濃度的增加，AA 的含量在增加；并且酸度調(diào)節(jié)劑可能通過作用于甲基乙二醛和乙二醛的生成影響AA 的形成。

此外，天然活性成分也對AA 具有抑制作用，劉健南等人[58]研究表明，在185 ℃，12 min 的加工條件下，添加黑枸杞花青素0.32 g/kg 可使曲奇餅干中AA 的抑制率達到69.34%。在天冬酰胺/葡萄糖模擬體系中，九頭獅子草提取物對高溫加熱食品中的AA有良好的的抑制作用，其中以95%乙醇洗脫物抑制效果最好。程璐等人[59]研究發(fā)現(xiàn)，水溶性和脂溶性茶多酚均對曲奇餅中AA 的形成有顯著抑制作用。經(jīng)研究表明，葡萄糖-天冬酰胺美拉德反應(yīng)體系中，添加槲皮素（1×10-6mol/L，160 ℃，10 min） 對AA形成的抑制效果最好，抑制率達到了46.13%。

4 AA 的毒性干預(yù)

阿膠能夠通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活力和氧化應(yīng)激損傷相關(guān)基因的表達，抑制AA 誘導(dǎo)的斑馬魚胚胎氧化應(yīng)激損傷[60]。大蒜素能夠作為良好的活性氧清除劑，增強抗氧化能力，提高大鼠的肝細胞活力并改善由AA 引起的氧化應(yīng)激損傷[61]。黑靈芝多糖能夠通過增強大鼠體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)活力，下調(diào)促炎因子的表達，提高抗炎因子的水平，以緩解機體炎癥反應(yīng)、肝功能損傷和DNA 損傷等AA 誘導(dǎo)的氧化損傷[62]。王靜等人[63]研究發(fā)現(xiàn)，山藥多糖能夠通過提高抗氧化能力，抑制大鼠吞噬細胞的氧化應(yīng)激和生物大分子氧化損傷，維持細胞的正常生長和吞噬活力，進而有效控制AA 誘導(dǎo)的巨噬細胞毒性作用。此外，補充肉桂提取物也能夠能抑制AA 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷和炎癥反應(yīng)。

曾立愛等人[64]研究表明褪黑素在一定程度上能夠抑制AA 對大鼠小腦和大腦的神經(jīng)毒性作用。陳宵等人[65]研究發(fā)現(xiàn)，外源性腦原性神經(jīng)營養(yǎng)因子可通過與特異性受體結(jié)合，干預(yù)AA 引起的神經(jīng)突觸的損傷。蓮房原花青素能顯著改善大鼠的神經(jīng)細胞形態(tài)，提高細胞的存活率；并且能夠上調(diào)神經(jīng)細胞突觸功能相關(guān)蛋白的表達量，保護神經(jīng)突觸功能，進而實現(xiàn)對AA 致神經(jīng)細胞損傷的預(yù)防作用。在小鼠原代神經(jīng)膠質(zhì)細胞模型中，50~250 mg/kg·BW/d 藍莓花色苷提取物能夠通過降低AA 染毒小鼠肝臟線粒體中活性氧水平，減小細胞氧化損傷，從而抑制AA 介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。

李天嬌等人[66]研究表明，干酪乳桿菌能夠增加大鼠體內(nèi)D -乳酸和二胺氧化酶濃度、腸道有益菌群數(shù)量，抑制有害菌數(shù)量，進而有效調(diào)節(jié)腸黏膜屏障功能，改善腸道菌群，緩解AA 導(dǎo)致的腸道損傷。

綜上所述，可在不同模型中比較研究以上物質(zhì)通過單一或拮抗作用對AA 誘導(dǎo)的毒性作用的抑制效果，篩選出抑制效果最好的方案，并將其應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)療醫(yī)藥行業(yè)、開發(fā)保健品等領(lǐng)域。

5 結(jié)語

高溫煎炸一直是廣受人們喜愛的食品烹調(diào)方式，而AA 又廣泛存在于各類經(jīng)高溫加熱的食品中。為保證食品安全和身體健康，需要明確各類食品中AA 的形成機理和控制措施，有效控制食品中AA 的形成，以降低食品中AA 含量。此外，抑制劑的研究近年來取得了較為顯著的發(fā)展，因此應(yīng)進一步研究使用抑制劑后對食品的安全性、風(fēng)味、口感以及品相等各方面的影響，以開發(fā)出合法合規(guī)的AA 抑制劑。AA的毒性作用已經(jīng)得到驗證，但目前對干預(yù)AA 毒性的研究大多還處于體外研究試驗階段，對人體內(nèi)干預(yù)AA 的毒性是否能有效抑制尚不明確，在后續(xù)研究中可利用模式生物斑馬魚、小鼠、秀麗線蟲等探討干預(yù)AA 毒性措施是否有效，驗證相同的干預(yù)AA 毒性的方法是否對人類同樣有效，從而實現(xiàn)將良好的毒性干預(yù)方法投入生活中的目的。

綜上所述，AA 作為威脅人類身體健康的食品污染物，尋找能有效抑制或消除其對人體產(chǎn)生的毒性作用的方法，將食品中AA 含量控制在安全范圍內(nèi)，以保證食品的安全性是今后研究的重要趨勢。