甘油三酯與氯化鈉模型反應中3-氯-1,2-丙二醇的形成研究

黃明泉，吳繼紅，孫培培，孫寶國

甘油三酯與氯化鈉模型反應中3-氯-1,2-丙二醇的形成研究

黃明泉，吳繼紅，孫培培，孫寶國

（北京工商大學 北京市食品風味化學重點實驗室，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

主要采用氣相色譜-質譜聯用技術，通過對在熱反應條件下的甘油三酯與氯化鈉模型反應產物中的3-氯-1,2-丙二醇（3-chloro-1,2-propanediol，3-MCPD）含量進行分析，探討其形成機理，并對物料類別、物料配比、反應時間、反應溫度等影響因素進行了研究。結果表明：溫度升高可急劇增加3-MCPD的含量；高質量分數NaCl可抑制3-MCPD的生成；油酸甘油酯用量增大會促進3-MCPD的生成；硬脂酸甘油酯用量對3-MCPD含量影響不大，原因可能與水解難易程度相關；反應時間對3-MCPD含量的影響較復雜，油酸甘油酯模型中3-MCPD含量隨時間延長先增大后減小，再增大，而硬脂酸甘油酯則是先減小后增大，再減小；油酸甘油酯模型中3-MCPD的含量整體上高于硬脂酸甘油酯。

3-氯-1,2-丙二醇；甘油三酯；氯化鈉；氣相色譜-質譜聯用

氯丙醇類化合物是國際公認的食品污染物，已被列為食品添加劑聯合專家委員會（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food and Additives，JECFA）優先評價項目[1-2]。該類化合物是丙三醇上的羥基被氯原子取代后所構成一系列同系物同分異構體的總稱，包括3-氯-1,2-丙二醇（3-chloro-1,2-propanediol，3-MCPD）、2-氯-1,3-丙二醇（2-chloro-1,3-propanediol，2-MCPD）、1,3-二氯-2-丙醇（1,3-dichloro-2-propanol，1,3-DCP）和2,3-二氯-1-丙醇（2,3-dichloro-1-propanol，2,3-DCP）4 種。國內外研究表明3-MCPD常見于膨化食品、餅干、面包、肉制品、水解蛋白調味劑和醬油等食品中，已被認為具有生殖毒性、神經毒性、且能引起腎臟腫瘤，是確認的人類致癌物[3-7]。

為了保障食品安全，國內外已對氯丙醇的形成機理[8-11]和檢測方法[12-17]等都做了較多的研究。根據氯丙醇的形成機理文獻報道，食品中氯丙醇的來源主要有兩種途徑：一是外源性污染，如包裝材料的污染、食品原料的引入；二是食品在制造過程中生成，如醬油、蠔油等調味品在加工過程中油脂的水解產物會與氯化物反應生成氯丙醇[8-11]。近年來，國外研究者還對氯丙醇的脂肪酸酯（固態氯丙醇）進行了研究，如在一些動植物油脂及嬰幼兒奶粉中檢測到高濃度的氯丙醇酯，它包括氯丙醇脂肪酸單甘油酯和脂肪酸雙甘油酯，這些固態氯丙醇可通過水解進一步生成氯丙醇[12-13]。

目前對熱反應香精中氯丙醇的形成的機理和影響因素未見其他文獻報道，僅前期本課題組以甘油、油脂和氯化鈉為模型考察了氯丙醇的形成過程[18-19]。

本實驗繼續通過單一脂肪酸甘油酯與氯化鈉組成的模型反應來考察熱反應香精制備過程中的氯丙醇的形成過程與影響因素，如物料配比、反應時間、反應溫度等，為探討熱反應肉味香精中3-MCPD的形成機理和如何控制3-MCPD含量水平提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油酸甘油酯、硬脂酸甘油酯（純度＞99%） 北京百靈威科技有限公司；正己烷、乙醚、無水硫酸鈉、氯化鈉（均為分析純）、硅藻土（化學純） 國藥集團化學試劑有限公司；七氟丁酰基咪唑（分析純）、3-氯-1,2-丙二醇標準品（純度＞98%） 東京化成工業株式會社。

1.2 儀器與設備

精密微量移液槍（P型：P1 0、P20、P100）、氣密針（1 mL） 北京吉爾森科技有限公司；玻璃層析柱（柱長40 cm，柱內徑2 cm） 北京欣維爾玻璃儀器有限公司；KH-500DE 型數控超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司；EYELAN-100 L型旋轉蒸發儀 上海愛朗儀器有限公司；N-EVAP型氮吹儀 上海思伯明儀器設備有限公司；TRACE ULTRA-DSQⅡ型氣相色譜-質譜聯用儀美國Thermo公司。

1.3 方法

模型反應實驗中3-MCPD及反應物含量均按其占反應物總質量來計算，其中3-MCPD含量以μg/kg來計，其他反應物用量以質量分數表示。

1.3.1 NaCl質量分數對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

以反應產物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和一定量的NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應管中，在100 ℃條件下反應2 h后停止，取出，冷卻，樣品經凈化衍生化進行氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析，定量。

1.3.2 甘油酯質量分數對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

以反應產物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取一定量的油酸甘油酯、硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應管中，在100 ℃條件下反應2 h后停止，取出，冷卻，樣品經凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.3 反應溫度對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

以反應產物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應管中，在不同溫度下反應2 h后停止，取出，冷卻，樣品經凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.4 反應時間對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

以反應產物中3-M C P D含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應管中，在100 ℃條件下反應一段時間后停止，取出，冷卻，樣品經凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.5 色譜條件

毛細管色譜柱，Rtx-5ms柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；進樣口溫度230 ℃；傳輸線溫度250 ℃；載氣氦氣，恒壓模式41.4 kPa（6 psi）；不分流進樣，進樣體積1.0 μL；升溫程序，初始50 ℃保持1 min，以2 ℃/min速率升至90 ℃，再以40 ℃/min的速率升至250 ℃，并保持5 min。

1.3.6 質譜條件

EI源，能量為70 eV；離子源溫度為200 ℃；溶劑延遲為12 min；選擇離子掃描（SIM），以m/z 253、275、289、291、453作為3-MCPD定性鑒別離子，并考察各碎片離子與m/z 453離子的強度比，要求4 個離子（m/z 253、275、289、291）中至少2 個離子的強度比不得超過標準溶液的相同離子強度比的±20%；以m/z 253作為3-MCPD定量分析離子。

1.3.7 3-MCPD含量的測定

采用GC-MS測定3-MCPD含量，參照GB/T 5009.191—2006《食品中氯丙醇含量的測定》[17]方法測定。

2 結果與分析

2.1 NaCl質量分數對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

圖1 NaCl質量分數對熱反應產物中3-MCPD含量的影響Fig.1 Effect of NaCl concentration on the generation of 3-MCPD

由圖1可知，油酸甘油酯與NaCl模型反應中，NaCl質量分數在5%～25%范圍內，3-MCPD含量先增加然后減少，在大約7%附近達到最大，當NaCl質量分數大于7%時開始呈下降趨勢。3-MCPD含量隨著NaCl質量分數的增加而增加，可能是因為氯離子質量分數的增大有利于親核反應的發生，所以其生成速率加快，含量急劇增加；隨后3-MCPD含量降低的原因可能是由于氯離子質量分數過高使3-MCPD繼續發生反應形成了1,3-DCP和2,3-DCP[18]，而且二氯代反應速率超過了其生成速率。

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應中，NaCl質量分數在5%～25%范圍內，隨NaCl質量分數的增加，3-MCPD含量逐漸降低。同油酸甘油酯與NaCl模型反應中NaCl因素的影響趨勢類似，推測是3-MCPD繼續反應產生了1,3-DCP和2,3-DCP。

總體上來說，在這兩個脂肪酸甘油酯和氯化鈉反應模型中，NaCl質量分數對3-MCPD含量的影響大體一致，但由于結構上的差異，油酸甘油酯生成3-MCPD的量整體上高于硬脂酸甘油酯。

2.2 脂肪酸甘油酯質量 分數對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

圖2 脂肪酸甘油酯質量分數對熱反應產物中3-MCPD含量的影響Fig.2 Effect of fatty glyceride concentration on the generation of 3-MCPD

由圖2可知，在油酸甘油酯與NaCl模型反應中，油酸甘油酯質量分數在5%～15%范圍內，3-MCPD的含量基本上不變，但當其超過15%時，3-MCPD含量呈快速增長趨勢。這可能與油酸甘油酯的水解過程有關，油酸甘油酯經過2 步反應生成3-MCPD，其中2 步都是親核取代反應，而影響親核取代反應的反應速率的主要因素是親核試劑的濃度、反應溫度等，與反應物的濃度關系不大，所以當親核試劑H2O和NaCl質量分數不變時，反應物油酸甘油酯在0.05～0.30 g之間變化時，3-MCPD的含量基本不變化[20]。但當油酸甘油酯質量分數過大時，水解向平衡向有利于水解的方向進行，從而導致3-MCPD一系列的前體物濃度加大，最后3-MCPD的生成速率加大而含量增加。

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應中，當硬脂酸三甘酯質量分數在5%～30%范圍內，3-MCPD含量有一定程度的緩慢增加，但不顯著。

對比兩種脂肪酸甘油酯的影響趨勢，可以看出當油酸甘油酯用量較大時，可急劇增加3-MCPD的含量，而硬脂酸甘油酯的用量對3-MCPD含量的影響不大。

2.3 反應溫度對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

圖3 反應溫度對熱反應產物中3-MCPD含量的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on the generation of 3-MCPD

由圖3可知，在兩種脂肪酸甘油酯和NaCl反應體系中，反應溫度對3-MCPD含量的影響較為顯著：在低溫范圍內，隨著溫度升高，3-MCPD含量變化不大，但在高溫范圍內（油酸甘油酯超過120 ℃時、硬脂酸甘油酯超過140 ℃時），隨著溫度升高，3-MCPD含量顯著增加。

這種變化規律原因有兩方面：一方面是反應溫度升高，使生成3-MCPD反應所需的活化能易于被達到，使得反應速率增加[21]；另一方面高溫可以極大地促進甘油三酯及其衍生物的水解速率增大，從而使得生成3-MCPD前體物濃度增大，相應的生成3-MCPD的速率也增加。

對比這兩種脂肪酸甘油酯模型溫度的影響可以看出：溫度對3-MCPD生成量的影響趨勢基本一致，這與Calta等[22]的研究報道基本一致。

2.4 反應時間對模型熱反應產物中3-MCPD含量的影響

由圖4可知，在油酸甘油酯與NaCl模型反應中，反應時間對3-MCPD含量的影響較為復雜：在1～2 h內呈上升趨勢，在2～6 h內呈下降趨勢，6～8 h內又呈上升趨勢。反應開始時可能受反應速率的影響，3-MCPD生成較慢，隨著反應進行，生成的3-MCPD逐漸增多。而繼續增加反應時間，脂肪氧化降解產生的中間產物增多，這些中間產物如醛酮類、胺類可以與3-MCPD發生反應從而降低3-MCPD含量。另外3-MCPD在一定條件下也可能降解成甘油和縮水甘油，使其含量下降。3-MCPD含量在6 h以后又增加的原因有待進一步研究。

圖4 反應時間對熱反應產物中3-MCPD含量的影響Fig.4 Effect of reaction time on the generation of 3-MCPD

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應中，在1～4 h內，反應生成的3-MCPD變化不大，4 h以后3-MCPD含量明顯增加，在6 h左右達到最大值，之后隨著反應時間的延長，3-MCPD含量急劇減少。反應開始受反應速率影響，3-MCPD含量變化不大，隨著時間的延長，硬脂酸甘油酯的水解程度增大，從而使3-MCPD生成速率增加、含量上升，而6 h以后隨著剩余硬脂酸甘油酯含量的降低，生成的3-MCPD逐漸減少，且此時也有一定程度的3-MCPD降解，使其含量呈現下降趨勢。

對比這兩種脂肪酸甘油酯模型可以看出，反應時間對3-MCPD含量的影響比較復雜，不同脂肪酸甘油酯影響趨勢不同。

3 結 論

通過對油酸甘油酯和硬脂酸甘油酯分別與NaCl組成的兩種模型反應中的3-MCPD含量進行研究，發現總體上溫度升高可急劇增加3-MCPD含量；高質量分數NaCl可抑制3-MCPD的生成；油酸甘油酯質量分數增大會促進3-MCPD的生成，硬脂酸甘油酯質量分數對3-MCPD含量影響不大，原因可能與水解難易程度相關；反應時間對3-MCPD含量的的影響較復雜，油酸甘油酯模型中3-MCPD含量隨反應時間延長先增大后減小再增大，而硬脂酸甘油酯則是先減小后增大再減小；油酸甘油酯模型中3-MCPD含量整體上高于硬脂酸甘油酯。

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Formation of 3-Chloro-1,2-propanediol in a Model Reaction of Triglyceride and Sodium Chloride

HUANG Ming-quan, WU Ji-hong, SUN Pei-pei, SUN Bao-guo
(Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

3-Chloro-1,2-propanediol (3-MCPD) is a kind of food contaminant that is recognized as carcinogenic for humans. In this study, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to analyze the amount of 3-MCPD generated from the reaction between triglyceride and sodium chloride under thermal conditions. Meanwhile, the mechanism of 3-MCPD generation was explored. Results showed that 3-MCPD was rapidly generated with increasing triolein amount and reaction temperature. High levels of NaCl inhibited the formation of 3-MCPD, which, on the contrary, was favored by higher levels of triolein. Despite this, the amount of stearin had no obvious impact on the generation of 3-MCPD, which may be associated with the difficulty in hydrolysis. However, the reaction time exhibited a relatively complicated impact on the generatio n of 3-MCPD. With increasing reaction time, the production of 3-MCPD from the reaction between triolein and NaCl showed an initial increase, followed by a decrease and then an increase again, but exhibited an opposite trend when olein was replaced by stearin. Therefore, the formation of 3-MCPD in the triolein model was higher than in the stearin model.

3-chloro-1,2-propanediol; triglyceride; sodium chloride; gas chromatography-mass spectrometry

TS207.3

A

1002-6630（2014）17-0008-04

10.7506/spkx1002-6630-201417002

2013-10-15

國家自然科學基金青年科學基金項目（31101350）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK17B11-4）；北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目（CIT&TCD201404034）

黃明泉（1977—），男，副教授，博士，研究方向為香料香精。E-mail：hmqsir@163.com