乳制品中糠醛類化合物研究進展

邢倩倩

（1.乳業生物技術國家重點實驗室，上海乳業生物工程技術研究中心，光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海200436；2.食品營養與安全協同創新中心，江蘇 無錫214122）

0 引言

乳制品富含蛋白質、脂肪、乳糖、礦物質以及多種維生素。乳制品是人體鈣的最佳來源。近年來，隨著人民物質生活水平的提高，乳制品作為一種健康食品在消費者的餐桌上越來越普及。作為“國民飲料”，乳制品的質量及安全問題越來越受到消費者的重視[1-2]。

1 糠醛類化合物的產生及危害

原料奶的質量及加工過程所選擇的工藝參數是影響乳制品質量的兩個重要因素[3-5]。牛奶中所涉及到的熱加工處理類型如表1所示。傳統的牛奶巴氏殺菌工藝是指短時高溫殺菌，需要在不低于72℃的條件下加熱15 s。巴氏殺菌奶可殺死牛奶中各種生長型致病菌，滅菌效率可達97.3% ～99.9% ，會殘留部分嗜熱菌、耐熱性菌以及芽孢等。由于巴氏殺菌奶中殘留的微生物，導致巴氏殺菌奶保質期短且需冷藏保存。需要在125～138℃條件下加熱至少2 s的超巴氏殺菌工藝可延長牛奶貨架期至一個月。超高溫滅菌奶工藝需在135～140℃加熱4 s，該技術可在有效地消滅細菌的同時可保存牛奶原有的營養成分，超高溫滅菌牛奶保質期在室溫下可達六個月[6-7]。牛乳粉加工工藝中包括原料預處理、蒸發濃縮、滅菌、噴霧干燥等熱處理步驟：（1）原料預處理包括低溫長時間殺菌和高溫瞬時滅菌，效果以120～140℃，2～4 s最佳，85～87℃/15 s和94℃/24 s也可達到效果；（2）濃縮工藝在40～70℃下減壓沸騰，濃縮原料乳；（3）均質工藝一般控制在60℃；（4）噴霧干燥一般采用50～60℃，加熱10～30 s的條件[8]。

在熱處理過程中，乳制品中的蛋白質、碳水化合物和維生素等物質首先發生化學變化和生物變化，進而導致包括粒徑方面的物理變化[6,9-12]。牛奶熱加工過程發生的化學反應位點主要位于氨基酸側鏈，包括：蛋白質側鏈發生的降解反應，-SH和-S-S基團的重組，乳清蛋白變性，α-酪蛋白和β-乳球蛋白之間的反應，蛋白質與脂類的反應，以及碳水化合物和蛋白質之間的反應，即美拉德反應[13-16]。

美拉德反應又稱“非酶褐變反應”，是在熱（尤其高溫）加工富含還原糖的食物過程中發生的一種反應。美拉德反應在低溫干燥和低溫高濕的食品體系中均進展緩慢。在高于35℃的中等濕度條件，美拉德成為主要的反應，會引起顏色（類黑精）、氣味（醛類和酮類）、功能成分及營養指標的改變（賴氨酸的阻斷和破壞）[17]。在乳制品熱加工過程中，美拉德反應降低了鍵合到乳糖上的賴氨酸的活性，進而導致了營養成分的下降，可通過優化工藝參數來降低美拉德反應所導致的負面結果[18-19]。美拉德反應也可以用于新品開發，在富含糖的牛奶制品中，可通過美拉德反應的褐變制成全新風味的褐色乳制品[20-22]。

表1 乳品工業中熱處理的主要類型

1953年，Hodge等人首次提出了糖類和氨基酸之間的美拉德反應路線，主要分為起始階段、中間階段和最終階段。糠氨酸和糠醛類化合物是在美拉德反應的前兩個階段生成，最終階段主要是褐色產物（類黑精）形成和蛋白質發生交聯反應[23]。糠氨酸作為美拉德反應起始階段的標識性產物，其含量可用于評價封閉的非反應賴氨酸及其前體的含量[24]。糠醛類化合物為美拉德反應中間階段色素形成過程的中間產物。因此，糠氨酸和糠醛類化合物可作為工藝加工過程和貯存過程美拉德反應進展程度的標識物[25]。糠氨酸作為乳制品質量的標識物已有較多研究[26-29]。本文主要針對糠醛類化合物的研究進展展開討論。

牛奶在熱加工或高溫貯存過程中，會有不同的糠醛化合物生成，分別為羥甲基糠醛、糠醛、呋喃甲基酮和甲基糠醛，結構如圖1所示[30]，這4種化合物的含量可用于揭示美拉德反應的進展程度。文獻報道較多的糠醛類化合物為羥甲基糠醛和糠醛，其中以羥甲基糠醛研究信息最為豐富。乳制品中的羥甲基糠醛來源途徑有兩種：一種為乳糖異構化和降解，稱為游離羥甲基糠醛；一種為美拉德反應中乳糖與蛋白質中的氨基酸發生Amadori重排生Amadori產物，通過酸水解Amadori產物而生成羥甲基糠醛，稱為結合羥甲基糠醛[31]。

圖1 4種糠醛結構式

在糠醛類化合物有關的藥理研究方面，有關5-羥甲基糠醛的研究較多，其他三種糠醛化合物涉及較少[32-34]。報道顯示，5-羥甲基糠醛的半數致死量（規定時間內，通過制定感染途徑，使一定體重或年齡的某種動物半數死亡所需最小質量，表達方式通常為有毒物質的質量和試驗生物體重之比）為3.1 g/kg，糠醛的大鼠半數致死量為65 mg/kg[35]。5-羥甲基糠醛可通過吸入或皮膚接觸被人體吸收，對眼睛、上呼吸道、皮膚和黏膜等有刺激性；對人體橫紋肌及內臟有損害，且具有神經毒性，能與人體蛋白質結合產生蓄積中毒[33,36]。歐盟食品安全委員會推薦每人每日攝入的5-羥甲基糠醛上限為1.6 mg。

2 糠醛類化合物的分離分析

液相色譜作為分離手段檢測乳制品中糠醛類化合物含量的樣品前處理方面，不經過水解直接測定的羥甲基糠醛稱為游離羥甲基糠醛，水解后由糖、Amadori產物生成的所有羥甲基糠醛稱為總羥甲基糠醛，總羥甲基糠醛檢測所需樣品前處理方法主要參考Boekel和Rehman在1987年所提出的方法[37]。首先，加入草酸溶液水浴加熱，然后加入三氯乙酸除去蛋白，所得溶液定容、過膜即可。游離羥甲基糠醛檢測所需樣品前處理方法與總羥甲基糠醛類似，只需除去水浴加熱過程。氣相色譜作為分離手段檢測乳制品中糠醛類化合物含量的樣品前處理方面，主要是頂空進樣法和直接進樣法[6,41-42]。2019年，Yuying Cui等建立QuEChERS快速前處理方法，該方法可快速完成乳制品中糠醛類化合物的純化制備，所得樣品可直接進入氣質聯用儀器分析[38]。

光譜法和色譜法均可用于糠醛類化合物的分離分析。光譜法簡單易操作，且費用低廉，但是該類方法選擇性差且易產生“基質效應”[39-40]。糠醛類化合物母核為呋喃環，具有明顯的紫外吸收特征。液相色譜串聯紫外檢測法常應用于食品中的糠醛類化合物檢測，采用反相C18色譜柱，水和乙腈或水和甲醇作為流動相即可完成分離，定量限為羥甲基糠醛0.06μg/mL、糠醛0.02μg/mL、呋喃甲基酮0.03μg/mL和甲基糠醛0.03μg/mL[37]。氣相色譜串聯氫火焰離子檢測器在糠醛類化合物分離檢測方面也有應用，定量限為：糠醛為4.14μg/L,甲基糠醛為27.16μg/L,羥甲基糠醛19.75μg/L;該方法靈敏度比液相色譜串聯紫外檢測法低2～3個數量級；氣相色譜串聯質譜檢測器的定量限可達到:糠醛為0.3 ng/mL,甲基糠醛為1.2 ng/mL，羥甲基糠醛0.9 ng/mL[41-42]。氣相色譜串聯三重四級桿定量限為：糠醛為0.002 mg/L,甲基糠醛為0.004 mg/L,羥甲基糠醛0.02 mg/L，呋喃甲基酮為0.002 mg/L[38]。在氣相分離過程中，復雜樣品容易在氣相色譜柱中發生吸附作用，破壞柱效，不適合用于多批次樣品的測試。

高效液相色譜串聯質譜或熒光檢測器均具有高靈敏度和高專一性的優勢，且這兩種分析手段可有效的降低分離分析中常見的“基質效應”。糠醛類化合物結構中與呋喃環相連的醛基或酮基是一類活性較高的基團，可與多種衍生試劑發生反應增加其疏水性和光譜響應。Donnarumma等選擇丹磺酰肼作為熒光衍生試劑分析人體血漿中的羥甲基糠醛，檢測限可達到皮摩爾濃度[43]。Sun Yao等選擇一種帶有熒光衍射基團的羥胺化合物作為衍生試劑，建立液相色譜串聯熒光檢測法和液相色譜串聯質譜檢測法分析葡萄干和奶粉中的羥甲基糠醛、糠醛和甲基糠醛，檢測限可達到納摩爾濃度[44]。

除此之外，毛細管電泳法也可用于糠醛類化合物的檢測。Erika等使用未經涂覆的石英玻璃毛細管柱建立毛細管電泳法對45種食品中的羥甲基糠醛進行定量分析，定量限為2.5 mg/kg，且該方法與液相色譜串聯質譜法檢測結果對比，顯示差異較小[45]。

3 乳制品中糠醛類化合物的研究

在乳制品中糠醛類化合物研究方面，由于呋喃甲基酮和甲基糠醛屬于熱加工過度的產物，含量較低，通常羥甲基糠醛和糠醛作為代表性糠醛類化合物開展研究。

針對不同品類乳制品中糠醛類化合物含量分布研究，Albala Hurtado等人在1997年研究了產自西班牙的6種嬰幼兒配方奶粉（37℃，保存6個月），6種嬰幼兒配方液態奶（37℃，保存6個月）和10種普通奶粉中的糠醛類化合物含量變化。結果顯示：（1）嬰兒配方奶粉和嬰兒配方液態奶中的總羥甲基糠醛和總糠醛含量區別不明顯，兩種樣品的總羥甲基糠醛含量范圍為38.3～189.1μg/100 mL，總糠醛含量范圍在11.5～24.5μg/100 mL；（2）普通奶粉的總羥甲基糠醛含量范圍為29.8～75.8μg/100 mL，總糠醛含量范圍為4.3～10.1μg/100 mL，嬰兒配方奶粉和嬰兒配方液態奶中的總羥甲基糠醛和總糠醛的含量高于普通奶粉；（3）嬰兒配方液態奶中的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為0～34.5μg/100 mL和0～2.5μg/100 mL，嬰兒配方奶粉中的的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為15.5～129.8μg/100 mL和1.7～10.6μg/100 mL，普通奶粉中的的游離羥甲基糠醛和游離糠醛分別為2.5～8.7μg/100 mL和未檢測到，嬰兒配方液態奶中的游離羥甲基糠醛和游離糠醛均低于嬰兒配方奶粉，普通奶粉中游離羥甲基糠醛和游離糠醛含量最低[37]。Emilia Ferrer等人在2000年研究對比了普通品牌的10種超高溫滅菌全脂牛奶，知名品牌的3種超高溫滅菌全脂牛奶和2種超高溫滅菌半脫脂牛奶（其中1種為低乳糖牛奶）中羥甲基糠醛的含量。知名品牌的總羥甲基糠醛的含量范圍為8.73～12.15μg/100 mL牛奶，該數值低于普通品牌的總羥甲基糠醛含量范圍（21.65～66.44μg/100 mL牛奶）。半脫脂牛奶和半脫脂低乳糖牛奶的的總羥甲基糠醛含量分別為59.43和317.81μg/100 mL牛奶。知名品牌的游離羥甲基糠醛含量為未檢測到，半脫脂牛奶和半脫脂低乳糖牛奶的的游離羥甲基糠醛含量分別為39.15和65.22μg/100 mL牛奶，普通品牌的游離羥甲基糠醛含量為7.40～50.93μg/100 mL牛奶。文章結果顯示：（1）知名品牌牛奶中的總羥甲基糠醛和游離羥甲基糠醛的含量均低于普通品牌，表明知名品牌牛奶熱損傷程度低于普通品牌牛奶；（2）知名品牌半脫脂牛奶的總羥甲基糠醛和游離羥甲基糠醛含量均高于全脂牛奶；（3）知名牌低乳糖牛奶中的糠醛含量異常偏高，原因是乳糖酶水解乳糖生成半乳糖和果糖，增加還原糖的含量，可加速美拉德反應的進程[46]。Cui Yuying等人在2020年研究了奶制品熱處理和發酵處理過程中糠醛類化合物含量的變化，完成液態奶、奶粉、復原乳（發酵乳和液態乳）和發酵乳4個品類中糠醛類化合物含量分布：液態奶中未檢測到羥甲基糠醛，糠醛含量范圍為0.015～0.054 mg/kg；奶粉中羥甲基糠醛含量范圍為0.038～0.624 mg/kg，糠醛含量范圍為0.013～0.031 mg/kg；復原液態乳和復原發酵乳中羥甲基糠醛含量范圍為0.015～3.430 mg/kg，糠醛含量范圍為0.010～0.792 mg/kg；發酵乳中羥甲基糠醛含量范圍為0.032～1.760 mg/kg，糠醛含量范圍為0.014～2.575 mg/kg[38]。

針對不同乳制品中保質期內糠醛類化合物含量變化，Albala Hurtado等人在1998年研究了嬰兒配方奶粉（15% 折算）和嬰兒配方液態奶在20、30和37℃三種條件下保存9個月的糠醛類化合物含量變化。結果顯示：（1）奶粉中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為10.3～23.5μmol/L和15.0～34.7μmol/L，游離糠醛和總糠醛的含量為1.1～5.3μmol/L和1.8～6.8μmol/L；（2）液態奶中中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為0.6～1.6μmol/L和9.0～12.2μmol/L，游離糠醛和總糠醛的含量為0.3～0.6μmol/L和1.4～2.3μmol/L；（3）奶粉中的游離型糠醛化合物和總糠醛化合物均高于液態奶，原因是嬰兒配方奶粉的加熱強度高于液態奶[47]。Emilia Ferrer等人在2005年研究對比了較大嬰兒和幼兒兩種嬰兒配方奶粉在24個月內兩種儲存溫度（20和37℃）糠醛含量的變化。結果顯示：奶粉中游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量為62～1133μg/100 g奶粉和392～2909μg/100 g奶粉范圍內，游離糠醛和總糠醛的含量為0～32μg/100 g奶粉和19～133μg/100 g奶粉范圍內。通過統計顯示，（1）20℃儲存溫度下嬰兒奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢小于37℃儲存溫度；（2）嬰兒奶粉中糠醛化合物的生成主要是在儲存期的第二年，建議延長嬰兒奶粉的質量控制時間，適當降低其保質期以保證營養成分的完善[48]。Jorge L.等人在2005年研究了孕婦奶粉在15個月內兩種儲存溫度（20℃和37℃）糠醛類物質含量的變化。結果顯示：（1）游離羥甲基糠醛和總羥甲基糠醛的含量在315.34～1166.77μg/100 g奶粉和902.81～2618.66μg/100 g奶粉，游離糠醛和結合糠醛的含量在61.34～243.30μg/100 g奶粉和128.40～515.96μg/100 g奶粉范圍內；（2）20℃儲存條件下孕婦奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢小于37℃儲存條件。作者建議通過降低賴氨酸的活性來降低奶粉中的糠醛含量[31]。Jorge L.等人在2006年研究了兩種嬰兒配方奶粉在12個月內兩種儲存溫度下（20和37℃）糠醛類物質含量的變化。結果顯示：（1）20℃儲存條件下兩種嬰兒配方奶粉中的糠醛類化合物增長趨勢均小于37℃儲存條件；（2）含長鏈脂肪酸奶粉中總羥甲基糠醛和總糠醛的含量變化分別在485.88～1616.03μg/100 g奶粉和167.13～198.22μg/100 g奶粉之間，游離羥甲基糠醛和糠醛的含量變化分別在58.23～121.83μg/100 g奶粉和0～17.64μg/100 g奶粉之間，變化趨勢與不含長鏈脂肪酸奶粉相似，表明長鏈脂肪酸的存在對奶粉中的糠醛變化沒有明顯影響[49]。

另外，Jorge L.等人在2015年研究了20種嬰兒奶粉開封后在室溫下保存0,30 d和70 d的總糠醛類物質含量的變化。結果顯示：總羥甲基糠醛和總糠醛的含量變化在462～3121μg/100 g奶粉和88～292μg/100 g奶粉之間，糠醛類物質的總含量在567～3278 μg/100 g奶粉之間。文章結果表明20種奶粉中有13種中的糠醛類物質含量在70 d內發生明顯上升趨勢[50]。綜上所述，（1）不同品類乳制品中糠醛類化合物初始含量對比為：褐變復原酸>褐變酸奶>復原酸奶>孕婦奶粉>嬰兒奶粉>普通奶粉>原味酸奶>超高溫滅菌奶>巴氏殺菌奶；（2）不同儲存條件和儲存時間的奶粉，糠醛類化合物含量具有明顯區別：儲存溫度越高，糠醛類化合物含量升高越明顯；儲存時間越長，糠醛類化合物含量升高越明顯。

鑒于糠醛類化合物的生理毒性，需控制其在乳制品中的有效含量。Cui Yuying等人采用Toxtree和T.E.S.T.軟件完成糠醛類化合物的攝入風險量預測，結合不同乳制品中糠醛類化合物含量完成每日最佳攝入量估值[38]。

4 結論與展望

作為美拉德反應的代表性產物之一，糠醛類化合物越來越受到人們的重視。作為一種熱加工產物，糠醛類化合物的含量能夠體現乳制品儲藏時間和儲藏溫度，可作為衡量牛奶保質期的指標。今后該領域的核心問題包括：（1）研究更多品類乳制品中的糠醛類化合物含量，尋找糠醛類化合物含量與加工方式和產品原料組成的量化關系；（2）通過尋找糠醛類化合物含量與加工溫度和加工時間的具體變化規律從而建立乳制品的質量標準體系；（3）完成以上兩點后，建立乳制品中糠醛類化合物含量限值，對不同人群的食用限量給出準確估值。