不同預加工方式對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響

郭曉艷，高晴，董文明，和勁松

（云南農業大學食品科學技術學院，云南 昆明 650201）

丙烯酰胺是一種不飽和酰胺，是有機合成材料的單體，生產醫藥、染料、涂料的中間體。國際癌癥機構將丙烯酰胺列為“人類可能的致癌物”（Group 2A）[1]。近年來發現，丙烯酰胺廣泛存在于面包、餅干、薯片、咖啡等日常食品中[2]。歐洲食品安全局于2012年公布了食品中丙烯酰胺含量監測數據，油炸薯片中丙烯酰胺含量高達4.18 mg/kg，并指出丙烯酰胺膳食主要來源于馬鈴薯類油炸食品，應盡量減少食用[3-4]。但是，各式各樣的馬鈴薯產品（油炸薯片、薯條等）對于消費者來說是必不可少的。研究表明，美拉德反應是丙烯酰胺形成的主要途徑，原料中天冬酰胺和還原糖是美拉德反應中丙烯酰胺形成的主要前體物質[5-9]。雖然目前國內外也研究了許多減少丙烯酰胺生成的方法，如改良加工方式、添加外源抑制劑等，但是改良加工方式后的產品仍存在一些問題，如難維持原有風味；加入外源添加劑需要考慮其安全性[10]。因此，開發安全、可靠的丙烯酰胺抑制技術成為目前研究的熱點和難點問題[11]，有學者研究表明，采用熱燙技術或食品添加劑對食品進行加工，不會對食品的風味和口感造成影響[12-13]。本文就熱燙處理，檸檬酸、甘氨酸、半胱氨酸浸漬處理以及不同添加劑協同熱燙處理等不同前處理方法對油炸馬鈴薯片中丙烯酰胺含量的影響進行研究，以期提供一種更安全、有效抑制油炸馬鈴薯片中丙烯酰胺含量的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮馬鈴薯：云南喜瑪特商業有限公司；大豆油：云南金豐匯油脂股份有限公司；氯化鈉、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、葡萄糖、亞鐵氰化鉀、檸檬酸（分析純）：天津市風船化學試劑科技有限公司；3，5-二硝基水楊酸（分析純）：上海博研生物科技股份公司；甲醇（色譜純）：Merck KGaA公司；正己烷（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；硫酸鋅（分析純）：成都科龍化工試劑廠；丙烯酰胺標準品（99.9%）：Dr.Ehrenstorfer GmbH公司；甘氨酸、半胱氨酸（分析純）：Sigma-Aldrich有限公司；有機系濾膜（0.45 μm）：天津津騰實驗設備有限公司。試驗用水均為超純水。

1.2 儀器與設備

電子天平（AR224CN）：奧豪斯儀器（常州）有限公司；色差儀（3nh）：深圳市三恩馳科技有限公司；水分活度儀（HD-3A）：無錫市華科儀器儀表有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（BGZ-70）：上海滬粵明科學儀器有限公司；超純水器（EU-K1-20TQ）：南京歐鎧環境科技有限公司；數顯恒溫水浴鍋（HH-8）：國華電器有限公司；恒溫油浴鍋（DF-101）：上海秋佐科學儀器有限公司；離心機（SF-TDL-4A）：上海菲恰爾分析儀器有限公司；超聲波清洗器（KQ3200E）：昆山市超聲儀器有限公司；超純水系統（Milli-Q）：美國密理博公司；高效液相色譜儀（UltiMate 3000）：賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油炸馬鈴薯片的制備

分別稱取等質量的馬鈴薯片，按1∶20（g/mL）浸泡于不同濃度（0 ～5 g/L）的檸檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液中。利用恒溫水浴鍋控制溫度，改進文獻[12-13]中的熱燙條件，設定溫度為25℃ ～90℃，時間為0 ～30 min，處理后用吸水紙吸盡薯片表面水分，待油炸處理。

向恒溫油浴鍋中加入1 L植物油，加熱至一定溫度（120℃ ～200℃），待溫度穩定后，將試樣薯片油炸處理0 ～30 min，取出后去除多余油脂。待檢測其丙烯酰胺及品質指標含量。

1.3.2 質量變化的測定

將吸去水分的試樣薯片置于分析天平上（精確到0.001 g），準確稱取30 g進行熱燙、浸漬或油炸處理。油炸處理后，去除多余油脂，再次置于分析天平上稱重，并記錄數據。

1.3.3 色差的測定

采用國際照明委員會（Commission Internationale de l′Eclairage，CIE）推薦的LAB表色系統描述油炸馬鈴薯片的顏色，用 L*、a*、b*值表示，并計算 ΔE*值，其中，L*表示明度、a*和b*表示色度。3個值的正負以標準白板、黑板為基準，L*正值表示偏白，反之則黑；a*正值表示偏紅，負值表示偏綠；b*正值表示偏黃，負值表示偏藍；ΔE*值表示總體色差[14]。

1.3.4 水分活度的測定

按照GB 5009.238—2016《食品安全國家標準食品水分活度的測定》中的水分活度儀擴散法進行測定[15]。

1.3.5 水分含量的測定

按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中的直接干燥法進行測定[16]。

1.3.6 還原糖含量的測定

1.3.6.1 DNS溶液配制

稱取75g酒石酸鉀鈉，緩慢加入100mL1mol/LNaOH溶液中，再向溶液中添加超純水到200 mL。將2.5 g 3，5-二硝基水楊酸慢慢加入溶液至500 mL容量瓶中定容。濾紙過濾，除去溶液中的雜質[17]。

1.3.6.2 標準曲線制作

分別配制濃度為 0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 g/L 的葡萄糖溶液。不同濃度的溶液各取0.5 mL于50 mL玻璃試管中，隨后加入0.5 mL DNS溶液，搖勻，100℃沸水浴5 min后立刻冷卻，加入4 mL超純水，充分混勻。蒸餾水作為空白對照，540 nm處測定吸光度。

1.3.6.3 油炸馬鈴薯片中還原糖的測定

準確稱取5 g試樣馬鈴薯片，加10 mL 85%乙醇于研缽中碾碎后過濾，取0.5 mL樣品加0.5 mL DNS到50 mL玻璃試管，100℃加熱5 min。立刻冷卻試管，加入4 mL超純水混合均勻，于540 nm處比色[18]。

1.3.7 丙烯酰胺含量的測定

1.3.7.1 色譜檢測條件

色譜柱：Syncronis C18色譜柱（250 mm×4.6 mm×5 μm）；流動相：甲醇 ∶水（體積比 0.5 ∶99.5）；流速：0.5 mL/min；柱溫：30℃；檢測波長：210 nm；進樣量：20 μL[19]。

1.3.7.2 標準曲線的制作

用0.5%的甲醇溶液配制1 g/L的丙烯酰胺儲備液。將儲備液稀釋為 2、4、6、8、10 μg/mL 5 個濃度的標準溶液進樣分析。

1.3.7.3 樣品中丙烯酰胺含量的測定

準確稱取1 g在55℃下烘干研碎的樣品于50 mL離心管中，加入2 mL正己烷，于渦旋振蕩儀上振蕩2 min，再置于10 000 r/min的離心機中離心15 min，取出后棄去正己烷層，重復進行兩次。加入10 mL重蒸水，分別加入Carrez試劑I、II各1mL，振搖2 min，于0.22 μm 有機濾膜過濾后，待測[20]。

1.4 計算

1.4.1 質量損失率

式中：M0為油炸前樣品質量，g；M1為油炸后樣品質量，g。

1.4.2 水分含量

式中：m1為稱量瓶和試樣的質量，g；m2為稱量瓶和試樣干燥后的質量，g；m3為稱量瓶的質量，g。

1.4.3 丙烯酰胺抑制率

式中：C0為未預處理樣品中丙烯酰胺含量，mg/kg；Ct為預處理后樣品中丙烯酰胺含量，mg/kg。

1.5 數據分析

應用SPSS進行顯著性分析，顯著性水平選取P=0.05，結果以平均值±標準差表示。每個樣品3個平行。

2 結果與分析

2.1 油炸時間、油炸溫度對馬鈴薯片品質指標的影響

2.1.1 質量損失率的變化

比較不同油炸溫度（120℃ ～200℃）及不同油炸時間（0 ～30 min）下馬鈴薯片質量損失率的變化，結果見圖3。

圖3 不同油炸溫度和時間下的質量損失率變化Fig.3 Variation of mass loss rate at different frying temperature and time

隨著油炸溫度和時間的升高，質量損失率逐漸變大，當油炸時間大于10 min時，質量損失率逐漸趨于平緩。表明油炸時間越短，溫度越低，質量損失率越小。

2.1.2 色差的變化

圖4為不同油炸時間（0 ～30 min）及不同油炸溫度（120℃ ～200℃）對油炸馬鈴薯片色差影響的結果。

圖4 不同油炸溫度和時間對色差的影響Fig.4 Effect of different frying temperature and time on color difference

由于馬鈴薯中含有大量的淀粉和天冬酰胺，當馬鈴薯片于高溫油炸時，會發生美拉德焦糖化反應，從而生成棕黑色的大分子物質類黑精[21]。因此，馬鈴薯片的色差值隨著油炸時間的延長而增大。當油炸時間相同時，隨著油炸溫度的升高，色差呈先上升后下降再上升的趨勢。

2.1.3 水分活度的變化

水分活度反映了食物中水分的結合程度，許多研究證實，水分活度是美拉德反應中需要考慮的關鍵因素[22-23]。因此本文比較了不同油炸溫度（120℃ ～200℃）及不同油炸時間（0 ～30 min）下，馬鈴薯片中水分活度的變化，結果見圖5。

圖5 不同油炸溫度和時間對水分活度的影響Fig.5 Effects of different frying temperature and time on water activity

如圖5所示，水分活度隨著油炸時間的延長呈下降趨勢；隨著溫度的增大，水分活度呈先下降后上升再下降的趨勢。當油炸條件為160℃、5 min時，水分活度與未進行油炸處理的馬鈴薯片中的水分活度無顯著性差異（P>0.05）。有研究表明，適當降低食品中的水分活度可以延緩食品中酶促褐變和非酶促褐變的進行，從而穩定食品質量[24]。

2.1.4 水分含量的變化

圖6為不同油炸時間（0 ～30 min）及不同油炸溫度（120℃ ～200℃）對油炸馬鈴薯片水分含量的影響。

圖6 不同油炸溫度和時間對水分含量的影響Fig.6 Effect of different fried temperature and time on moisture content

在油炸過程中，會同時發生傳質和傳熱，熱量從油傳遞到薯片，水分從產品內部蒸發，隨著油炸溫度的升高及油炸時間的延長，馬鈴薯片中的水分含量整體呈下降趨勢。該變化趨勢與Parikh A等[25]、馬雯雯[26]的研究結果一致。當油炸時間大于5 min時，各油炸溫度下馬鈴薯片中的水分含量均急速下降。經分析，馬鈴薯片在160℃下油炸5 min時，與未油炸馬鈴薯片中的水分含量差異不顯著（P>0.05），表明馬鈴薯片在160℃油炸5 min時，水分含量保持良好。

2.1.5 還原糖含量的變化

圖7為不同油炸時間（0 ～30 min）及不同油炸溫度（120℃ ～200℃）對油炸馬鈴薯片中還原糖含量影響的結果。

圖7 不同油炸溫度和時間對還原糖含量的影響Fig.7 Effects of different frying temperature and time on reducing sugar content

隨著油炸溫度的升高及油炸時間的延長，馬鈴薯片中的還原糖含量整體呈下降趨勢。對不同油炸溫度、油炸時間下的還原糖含量變化及2個因素的交互作用進行統計分析，結果表明：各因素及其交互作用的影響均顯著（P<0.05）。

2.1.6 丙烯酰胺含量的變化

在Strecker途徑的研究中發現，丙烯酰胺形成的臨界溫度是120℃，在一定的溫度范圍內（<180℃），丙烯酰胺的生成隨溫度升高而升高，如果溫度太高丙烯酰胺的生成反而會降低[27-28]。圖8為不同油炸時間（0 ～30 min）及不同油炸溫度（120℃ ～200℃）對油炸馬鈴薯片中丙烯酰胺含量影響的結果。

圖8 不同油炸溫度和時間對丙烯酰胺含量的影響Fig.8 Effect of different frying temperature and time on the content of melamine

隨著油炸溫度的升高及油炸時間的延長，馬鈴薯片中的丙烯酰胺含量整體呈先上升后下降趨勢。當油炸溫度為180℃，油炸時間為5 min時，薯片中丙烯酰胺含量達到最大值（16.46±0.17）mg/kg。結果表明，丙烯酰胺的含量既會隨著時間的延長而降低，也會隨著溫度的升高而降低。

因此，綜合考慮不同油炸溫度、油炸時間對馬鈴薯片品質指標和丙烯酰胺含量的影響，及試驗所需的成本和時間，確定最佳油炸溫度為160℃，油炸時間為5 min。

2.2 不同預處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響

分析丙烯酰胺形成機理可知，影響美拉德反應的因素也會影響丙烯酰胺的形成，如反應溫度、時間、原料成分、pH值等[29-30]。研究表明，天冬酰胺和還原糖反應是丙烯酰胺生成的主要途徑，馬川蘭等[31]曾報道，通過漂燙和浸泡可使馬鈴薯片中的還原糖和游離氨基酸溶出，從而降低丙烯酰胺的含量。因此，加入合適添加劑和熱燙等技術都能有效抑制薯片中丙烯酰胺的產生。

2.2.1 不同熱燙溫度、時間對丙烯酰胺的影響

為探討油炸前，熱燙溫度對油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影響，將試樣薯片放入等量不同溫度（25℃ ～90℃）的超純水中浸泡10 min。在160℃下，油炸5 min后，測定其丙烯酰胺含量，并計算抑制率，結果見圖9。

圖9 不同熱燙溫度對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響Fig.9 Effect of different hot stamping temperature on acrylamide in potato chips

如圖9所示，當溫度達到90℃時，抑制率達到（75.76±0.50）%（P<0.05）。而當熱燙溫度低于90℃時，各因素之間不存在顯著性差異（P>0.05）。以上結果表明，油炸前于90℃下進行熱燙處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的生成具有顯著抑制效果（P<0.05）。為探討油炸前，熱燙時間對油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影響，將試樣薯片分別放入等量的90℃超純水中浸泡5 min ～30 min。在160℃下，油炸5 min后，測定其丙烯酰胺含量，并計算抑制率，結果見圖10。

圖10 不同熱燙時間對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響Fig.10 Effect of different hot-scalding time on the tlutinamide in the potato

如圖10所示，當浸泡時間達到30 min時，抑制率達到（86.46±0.06）%（P<0.05）。而當浸泡時間低于 30min時，各因素之間不存在顯著性差異（P>0.05）。以上結果表明，油炸前于90℃下進行30 min熱燙處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的生成具有顯著抑制效果（P<0.05）。

2.2.2 不同添加劑對丙烯酰胺的影響

為探討油炸前，不同添加劑濃度對油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影響，將試樣薯片分別放入等體積的濃度為0 ～5 g/L的檸檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液中浸泡10 min。在160℃下，油炸5 min后，測定其丙烯酰胺含量，并計算抑制率，結果如圖11所示。

圖11 不同添加劑濃度對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響Fig.11 Effects of different additive concentrations on acrylamide in potato chips

如圖11所示，當添加劑的濃度為0時，浸泡處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的抑制率達到了（70.09±1.20）%。當檸檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液濃度分別為1、5、5 g/L 時，抑制率分別為（76.49±0.09）%、（80.50±0.46）%、（84.45±1.96）%。以上結果表明，油炸前進行檸檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液浸泡處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的生成具有顯著抑制效果（P<0.05）。

為探討油炸前不同添加劑處理時間對油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影響，將試樣薯片分別放入等體積的濃度為1 g/L的檸檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中浸泡處理5 min ～20 min。在160℃下，油炸5 min后，測定其丙烯酰胺含量，并計算抑制率，結果見圖12。

圖12 不同添加劑處理時間對馬鈴薯片中丙烯酰胺的影響Fig.12 Effects of different additive treatment time on acrylamide in potato chips

如圖12所示，當馬鈴薯片于1 g/L檸檬酸溶液中浸泡5 min、5 g/L甘氨酸溶液中浸泡10 min、5 g/L半胱氨酸溶液中浸泡10 min時，抑制率分別為（83.10±0.51）%、（77.11±0.34）%、（84.90±1.62）%。以上結果表明，檸檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液浸泡處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的生成具有顯著抑制效果（P<0.05）。

2.2.3 不同添加劑協同熱燙處理對丙烯酰胺的影響

為探討油炸前不同添加劑處理協同熱燙處理對油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影響，將試樣薯片放入等體積的溫度為90℃的1 g/L檸檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中分別協同處理5、10、10 min。在160℃下，油炸5 min后，測定其丙烯酰胺含量，并計算抑制率，結果見圖13。

圖13 不同處理組對馬鈴薯片中丙烯酰胺的協同抑制效果Fig.13 Synergistic inhibitory effect of different treatment groups on acrylamide in potato chips

如圖13所示，分別在90℃的1 g/L檸檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中對馬鈴薯片進行5、10、10min浸泡處理后，抑制率分別為（85.63±0.12）%、（83.60±0.0）%、（99.99±0.01）%。以上結果表明，利用半胱氨酸溶液浸泡協同熱燙處理對馬鈴薯片中丙烯酰胺的生成具有顯著抑制效果（P<0.05）。

綜上所述，油炸前對馬鈴薯片進行熱燙和添加劑浸泡處理，都能有效抑制薯片中丙烯酰胺的生成。Kyoko等[32]、Noda K等[33-34]曾報道，半胱氨酸與葡萄糖發生美拉德反應會生成一種抗氧化劑——吡咯噻唑鹽。Hyun-Hee Lim等[35]在建立測定薯條和咖啡中丙烯酰胺含量的方法時，采用的原理是半胱氨酸會與丙烯酰胺發生加成反應。因此，本文用半胱氨酸浸泡協同熱燙處理馬鈴薯片時，對丙烯酰胺的抑制率達到100%，可能是熱燙會促進還原糖和天冬酰胺溶出的傳質作用，同時半胱氨酸分別與葡萄糖和丙烯酰胺發生了美拉德反應和加成反應，從而降低薯片中丙烯酰胺的含量。具體抑制機理有待進一步研究。

3 結論

本研究通過對馬鈴薯片進行不同的預處理發現，熱燙預處理和添加劑浸泡預處理都對馬鈴薯片中的丙烯酰胺有抑制作用。當油炸前用5 g/L半胱氨酸浸泡協同90℃熱燙處理10 min馬鈴薯片時，對丙烯酰胺的抑制率可達到100%。以上結果表明，半胱氨酸浸泡協同熱燙處理可對美拉德反應途徑中的物質產生極大的影響，從而有效抑制馬鈴薯片在油炸過程中丙烯酰胺的生成。本研究為更有效地抑制薯類烘焙、油炸食品中丙烯酰胺的生成提供了方法。