甘氨酸和淀粉膜對面包中丙烯酰胺的協同控制作用

劉 潔，王亞丹，滿 勇，劉亞偉，張勝紅，刁小瓊,*

丙烯酰胺被國際癌癥研究機構列入2A類致癌物，即人類可能致癌物[1]。2002年4月，瑞典國家食品管理局和瑞典斯德哥爾摩大學聯合發布公告，發現很多食品中含有丙烯酰胺，尤其是富含碳水化合物食品經過煎炸烤等高溫加工處理時會產生含量不等的丙烯酰胺[2]。消費者直接接觸的丙烯酰胺主要來自于攝入的熱加工的高碳水化合物食物，如薯片、薯條、焙烤谷物（玉米片、麥片等）和面包[3]。被譽為西方“食品之母”的面包占丙烯酰胺暴露量的20%左右[4]。據報道從1 294 個樣品中檢測的面包中丙烯酰胺平均含量為446 μg/kg，最高為3 436 μg/kg[5]。

2002年Mottram[6]和Stadler[7]等初步解釋了丙烯酰胺的形成機理：食品中的還原糖（葡萄糖和果糖）和氨基酸（天冬酰胺）在高溫加熱過程中發生的美拉德反應是形成丙烯酰胺的主要途徑。其中以Strecker途徑和N-糖苷途徑為主；丙烯酸途徑由于受自由氨的限制，雖然在食品中常見但生成丙烯酰胺的量比較少[8]。根據丙烯酰胺的形成機理，以及影響焙烤食品中丙烯酰胺形成的因素（前體物質、水分、酸堿環境、油脂氧化、陽離子、抗氧化劑和加工工藝）[9]，總結面包中丙烯酰胺的控制措施主要有：通過天冬酰胺酶[10-11,15]或者發酵減少生成丙烯酰胺的前體物質天冬酰胺[12-15]，添加抑制劑干預產生丙烯酰胺的反應途徑[16-18]，優化加工工藝等[19-21]。在這些方法中，發酵是制作面包的過程中必不可少的一步，調整加工工藝往往會降低一些食品原有的感官品質，而添加抑制劑法操作簡單、成本較低。本課題組前期的研究結果表明甘氨酸對丙烯酰胺生成的抑制，是其既與天冬酰胺競爭底物又與丙烯酰胺發生反應的綜合效果[22]。課題組還通過對模擬體系中甘氨酸與丙烯酰胺在高溫下的反應產物的結構鑒定，不僅為甘氨酸與丙烯酰胺發生親核加成反應的假說提供了科學證據，還提出了甘氨酸先經氧化再與丙烯酰胺發生加成反應的新途徑[23]。已有研究表明，無論是將甘氨酸添加到制作面包的配料中，還是將甘氨酸溶液噴灑在面團表面，都能降低面包中的丙烯酰胺含量，但是添加甘氨酸后面包顏色會變深[24]。面包中檢測到的丙烯酰胺主要集中在面包表皮[25]，因而本課題組借鑒商業烘焙產品中經常使用上光劑以提高其風味和外觀的方法，彌補甘氨酸抑制丙烯酰胺生成的同時對面包色澤的不利影響。上光劑經常由全蛋液，或者各種糖醇、食用膠、淀粉類物質組成[26]。已有報道確認了破損淀粉由于導致還原糖含量的增加與丙烯酰胺的生成量呈正相關[27-28]。而課題組實驗發現淀粉膜對于丙烯酰胺的生成與面包配料中的淀粉顆粒及破損淀粉的作用不同，將淀粉膜涂刷在發酵面團表面，能夠對丙烯酰胺的生成起到有效的抑制作用[29]。因此本實驗將制作面包的配料中添加甘氨酸，與面團表面涂刷淀粉膜的方法相結合，研究兩種方法對面包中丙烯酰胺的協同控制作用，既為控制有害物丙烯酰胺提供新技術，又有助于拓展淀粉在食品安全領域的新用途。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新良B80面粉 新鄉市新良糧油加工有限責任公司；酵母 安琪酵母股份有限公司；玉米淀粉、馬鈴薯淀粉河南永樂生物工程有限公司；甘油（食品級） 連云港友進食品添加劑技術開發有限公司；丙烯酰胺（純度＞99.9%） 加拿大Bio Basic公司；D-葡萄糖 北京百靈威公司；L-天冬酰胺和甘氨酸（純度≥99%）美國Amresco公司；異硫氰酸苯酯、甲酸（純度≥98%）美國Sigma-Aldrich公司；乙腈、甲醇（均為色譜純）美國Honeywell公司；3,5-二硝基水楊酸 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

液相色譜-質譜聯用儀（配有電噴霧離子源及MassLynx數據處理系統） 美國Waters公司；高效液相色譜系統（配有可變波長紫外檢測器和LCsolution色譜工作站）、UV-2700紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司；CR-400色彩色差計 日本Konica Minolta公司；DC-236S凍藏醒發箱 新麥機械有限公司；層爐烤箱高比烘焙設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 涂刷在面團表面的淀粉膜的制備

玉米原淀粉（5 g）和羧甲基纖維素（食品級，0.3 g）用100 mL去離子水調成淀粉乳，用1.25 g甘油塑化，在75 ℃的水浴中糊化30 min，均質1 200 r/min，持續2 min，采用抽真空的方法脫氣，壓力為-0.09 MPa。馬鈴薯淀粉膜的制備同玉米淀粉膜的制備，調整淀粉糊化的水浴溫度為71 ℃。玉米和馬鈴薯的混合淀粉膜的制備同玉米淀粉膜的制備。

1.3.2 面包的制作

面包的加工工藝：面粉及配料稱量（面粉300 g、酵母3 g、鹽3 g、水150 mL）在攪拌機中混合→混合攪打（一檔（91 r/min）攪拌23 min，二檔（200 r/min）攪拌3 min形成面團）→壓片→成型→醒發（38～40 ℃，相對濕度80%～90%，2.5 h）→烘烤（底火210 ℃，面火190 ℃，10 min）→冷卻→成品→包裝。

在面包配料中添加不同質量分數（面粉的0.1%、0.5%、1%、3%）的甘氨酸，研究甘氨酸對面包中丙烯酰胺生成的抑制效果。在面團焙烤前將其表面分別涂刷一層厚約1 mm的玉米淀粉膜，馬鈴薯淀粉膜，混合淀粉膜，并將面團重新放置于醒發箱中吸收1 min后，再放入烤箱中焙烤。研究淀粉膜對面包中丙烯酰胺生成的抑制效果。

在面包配料中添加不同質量分數的甘氨酸與涂刷淀粉膜方法相結合，研究兩種方法對面包中丙烯酰胺生成的協同抑制效果。

參考Ahrné等[20]的方法用手術刀將面包皮剝刮下來，分別對面包皮和面包瓤進行丙烯酰胺含量的測定。

1.3.3 還原糖的測定

還原糖含量以葡萄糖為標準品使用3,5-二硝基水楊酸法進行分析測定[30]。

1.3.4 天冬酰胺和甘氨酸的測定[31-32]

1.3.4.1 樣品前處理

0.5 g樣品溶于15 mL 50 ℃的50%乙醇溶液，50 ℃條件下振蕩提取20 min，在7 200×g條件下離心15 min。準確量取上清液0.2 mL置于1 mL離心管中，加入三乙胺乙腈溶液（14 mL三乙胺加8.6 mL乙腈）0.1 mL，異硫氰酸苯酯-乙腈溶液（異硫氰酸苯酯25 μL加2 mL乙腈）0.1 mL，混勻，室溫放置1 h，然后加入正己烷0.4 mL，振搖后放置10 min，取下層溶液，用0.45 μm濾膜過濾。

1.3.4.2 標準溶液的配制

準確稱取25 mg天冬酰胺和甘氨酸標準品用超純水溶解并定容至100 mL的容量瓶中，配制成0.25 mg/mL的母液，再配制成50、40、25、20、12.5、10、5 μg/mL的系列標準溶液，按上述方法衍生后，使用有機濾膜過濾。

1.3.4.3 色譜條件

色譜柱：Venusil-AA氨基酸分析柱（4.6 mm×250 mm，5 μm），流速1.0 mL/min；流動相A：稱取15.2 g醋酸鈉，加水1 850 mL，溶解后用冰醋酸調pH 6.5，然后加乙腈140 mL，混勻，用0.45 μm濾膜過濾；流動相B：80%乙腈溶液；柱溫40 ℃；進樣量20 μL；紫外檢測器：波長254 nm。按表1進行梯度洗脫。

表1 氨基酸分析洗脫程序Table 1 HPLC gradient elution for analysis of amino acids

1.3.5 丙烯酰胺的測定

面包中丙烯酰胺的提取純化及定量分析參考文獻[33]的方法。將丙烯酰胺在對照面包和添加甘氨酸或/和涂刷淀粉膜的面包中的質量濃度分別表示為Cctr和Cg/＋s，甘氨酸或/和淀粉膜對丙烯酰胺的抑制率rInh，公式如下 ：

1.3.6 面包表皮的顏色分析

焙烤結束時立即將面包從烤箱中取出，冷卻之后用CR-400色彩色差計測定其顏色的L*、a*、b*值。

1.4 數據處理

丙烯酰胺含量及其前體物質含量之間的顯著性差異使用SPSS 16.0軟件中的方差分析和Duncan’s新復極差法在0.05水平進行分析比較。

2 結果與分析

2.1 甘氨酸和淀粉膜對面包中丙烯酰胺生成量的影響2.1.1 添加甘氨酸對丙烯酰胺生成量的影響

甘氨酸同配料與面粉混合，經過面團調制、整型、發酵、焙烤之后，與之前的文獻報道一致，丙烯酰胺只在表皮中檢測到，在面包瓤中未檢出（＜1 μg/kg）[25]。面包皮中丙烯酰胺的含量變化如表2所示。甘氨酸的抑制效果非常顯著，當甘氨酸的添加量為面粉的0.1%時，即面粉中甘氨酸添加量為1.33 mmol/100 g時，丙烯酰胺的抑制率達到80.5%。與之前報道的結果相近，Br?then等[34]在酵母發酵面包時，面粉中甘氨酸添加量為81 mmol/kg能降低面包皮中73%～96%的丙烯酰胺。當甘氨酸的添加量再增大，面包皮中的丙烯酰胺含量在檢測限以下（＜1 μg/kg）。因此抑制劑甘氨酸的選擇既不需要高的添加量，又能達到很好的抑制效果。

表2 不同甘氨酸添加量、不同淀粉膜包裹的面包中丙烯酰胺的生成量Table 2 Acrylamide contents in bread crust with different amounts of added glycine or starch coating prior to baking

2.1.2 淀粉膜對丙烯酰胺生成量的影響

在發酵面團表面涂刷淀粉膜之后再焙烤，測得面包表皮中的丙烯酰胺含量都能顯著降低（表2，P＜0.05）。混合淀粉膜包裹的面包表皮中的丙烯酰胺含量最低，但仍在100 μg/kg以上，淀粉膜對丙烯酰胺的抑制效果沒有在面粉中添加甘氨酸的抑制效果顯著。甘氨酸雖然對丙烯酰胺的抑制效果顯著，但是甘氨酸對于面包表皮顏色的影響不受消費者喜歡；淀粉膜剛好作用在面包中丙烯酰胺集中的面包皮上，而且只在生成丙烯酰胺的加工環節焙烤過程起作用，同時還能緩解甘氨酸對美拉德反應顏色的影響；因而將添加甘氨酸與面團表面涂刷淀粉膜結合，將協同控制面包中丙烯酰胺的生成，并充分發揮兩個方法的優點。

2.1.3 添加甘氨酸和涂刷淀粉膜協同對丙烯酰胺生成量的影響

無論是哪種淀粉膜，同種淀粉膜包裹的面包表皮中丙烯酰胺的含量與甘氨酸質量濃度呈正相關，與沒有淀粉膜包裹的情況不同。即隨著甘氨酸添加量的增加，丙烯酰胺含量增加，但都能在甘氨酸添加量為3%的時候將丙烯酰胺的含量降低到檢測限以下（表3）。Fink[24]、Br?then[34]等將甘氨酸添加到面團中，面包皮中產生的丙烯酰胺根據甘氨酸添加量的不同有增加也有減少。實際能夠檢測到的丙烯酰胺含量是其生成量與消除量的綜合體現。由于淀粉膜的持水作用改變了面團表面在焙烤過程中生成丙烯酰胺的關鍵反應條件，比如降低面團表面溫度[29]，丙烯酰胺的生成延遲，削弱了甘氨酸對丙烯酰胺的消除作用[23]。因而當面團表面涂刷有淀粉膜時，甘氨酸對丙烯酰胺的抑制作用與無淀粉膜的情況不同。當甘氨酸添加量增加到3%時，增加了甘氨酸與丙烯酰胺反應的優勢，進而凸顯出甘氨酸對丙烯酰胺的抑制作用。

表3 添加甘氨酸與涂刷淀粉膜協同作用的面包中丙烯酰胺的生成量Table 3 Acrylamide contents in bread crust with glycine addition and starch coating

在甘氨酸的添加量為0.1%和0.5%時，相同的甘氨酸添加水平，馬鈴薯淀粉膜與混合淀粉膜包裹的面包表皮中的丙烯酰胺含量差異不顯著（P＞0.05）。在甘氨酸添加量為0.1%時結合淀粉膜，對丙烯酰胺的抑制率均在75%以上，玉米淀粉膜包裹的面包表皮中丙烯酰胺含量最低，這可能是由于玉米淀粉膜中天冬酰胺的含量最低導致（表4）。當抑制劑甘氨酸的添加量分別為面粉的0.5%、1%時結合淀粉膜，對丙烯酰胺的抑制率分別均在50%、20%以上。在甘氨酸添加量為0.5%和1%時，均為玉米淀粉膜包裹的面包表皮中丙烯酰胺含量最高。這可能是因為馬鈴薯淀粉膜和混合淀粉膜中的天冬酰胺和甘氨酸含量顯著高于玉米淀粉膜（P＜0.05），而甘氨酸對丙烯酰胺的抑制作用通常在天冬酰胺含量較高的情況下才會明顯表現出來[24,35]，因此表現為甘氨酸對丙烯酰胺的消除作用，大于天冬酰胺含量增加導致的丙烯酰胺含量的增加。

當甘氨酸添加量小于1%時，其對丙烯酰胺的抑制作用會受到淀粉膜的影響；當甘氨酸添加量達到3%時，抑制劑甘氨酸的作用占主導地位，明顯強于淀粉膜的作用。

2.2 甘氨酸和淀粉膜對發酵后面團中前體物質的影響

不同量的甘氨酸添加到面粉之后形成面團并經過調制、整型和發酵之后，發酵面團中的甘氨酸含量幾乎仍然維持在添加量的水平，Mustafa等[35]也證實了發酵過程中不消耗甘氨酸。由于甘氨酸對丙烯酰胺的抑制作用是甘氨酸與天冬酰胺競爭底物還原糖，甘氨酸又與丙烯酰胺發生反應的綜合效果[22-23]。與對照面團相比，從天冬酰胺和還原糖的含量變化（表4）可以推測，在發酵過程中甘氨酸的存在會影響天冬酰胺和葡萄糖的利用率。但是甘氨酸添加量不同，天冬酰胺和葡萄糖的含量都無顯著變化（P＞0.05）。

天冬酰胺在面團中的含量為0.19～0.33 mmol/100 g（表4），與Surdyk[25]、Fredriksson[36]等在發酵之后的面團中檢測到的天冬酰胺含量相當[25,36]。淀粉膜中天冬酰胺的含量為0.65～2.31 μmol/100 g（表4）。添加甘氨酸的面團中天冬酰胺含量是淀粉膜中天冬酰胺含量的125～442 倍，對照面團中天冬酰胺含量是淀粉膜中天冬酰胺含量的83～292 倍。淀粉膜中的還原糖含量與面團中還原糖含量相當。谷物類食品中生成丙烯酰胺的限制性前體物質是天冬酰胺[37]，而面包中的丙烯酰胺主要存在于表皮，將淀粉膜涂刷在面團表面，相對于面團而言表皮中天冬酰胺含量顯著降低，因此導致面包皮中丙烯酰胺的生成量降低。

表4 不同甘氨酸添加量的面團及不同淀粉膜中天冬酰胺、甘氨酸、葡萄糖含量Table 4 Contents of asparagine, glycine and reducing sugar in dough with different amounts of glycine addition and in starch coating forming solutions

2.3 添加甘氨酸和涂刷淀粉膜對面包顏色的影響

馬鈴薯淀粉膜包裹的面包表皮與對照面包相比偏橙色，雖然馬鈴薯淀粉膜能明顯提升面包表皮的亮度（L*），但是玉米淀粉和馬鈴薯淀粉混合之后的淀粉膜明顯降低了面包表皮的亮度。在不涂刷淀粉膜的情況下，隨著甘氨酸添加量的增加，雖然面包色差與對照面包相近，但是面包表皮的亮度逐漸降低，面包皮的顏色由黃色逐漸變為紅褐色甚至顏色較暗的褐色。紅綠值（a*值）隨著甘氨酸的添加量增加逐漸增大，但當甘氨酸添加量為達到3%時，a*值又下降。L*值與b*值的變化趨勢一樣。由計算色差的公式ΔE*=[（ΔL*）2＋（Δa*）2＋（Δb*）2]1/2可判斷，面包皮中ΔE*值的變化趨勢與L*值的變化趨勢相近。玉米淀粉膜對面包皮顏色的a*值的影響與其他淀粉膜的變化趨勢差別較大。

表5 面包表皮的顏色參數Table 5 Color parameters of bread crusts

3 結 論

本實驗研究了甘氨酸和淀粉膜協同對面包中丙烯酰胺的抑制效果，當甘氨酸的添加量小于1%時，其對丙烯酰胺的抑制作用會受到淀粉膜的影響；當甘氨酸的添加量達到3%時，抑制劑甘氨酸的作用占主導地位，明顯強于淀粉膜的作用。在對面團進行焙烤前，將面團表面涂刷不同的淀粉膜，能夠抑制面包皮中的丙烯酰胺20%以上。添加甘氨酸能提高淀粉膜對丙烯酰胺的抑制率，在甘氨酸添加量為面粉的0.1%（1.33 mmol/100 g）時，玉米淀粉膜的抑制率增加到85.1%。將面包皮的顏色變化作為感官評價的一個方面，添加甘氨酸協同表皮包裹淀粉膜，既能有效抑制丙烯酰胺的生成，又能較好地保持面包的外觀顏色。因此其可以作為簡單、方便、快捷、安全的抑制丙烯酰胺的方法應用到生產中，降低丙烯酰胺的暴露量，保障消費者的飲食健康。