食品中丙烯酰胺抑制策略的研究進展

汪騰飛，孫大文，蒲洪彬，韋慶益*

（華南理工大學食品科學與工程學院，現代食品工程研究中心，廣東省冷鏈食品智能感知與過程控制工程技術研究中心，廣東 廣州 510006）

隨著人們生活方式的改變，食品營養和安全問題受到廣泛的關注。在獲得誘人風味和香氣的同時，食品原材料在熱加工過程中所發生的化學反應也會導致一些有毒物質的產生。其中，丙烯酰胺（acrylamide，AM）是熱加工食品中最為常見的危害物之一。早在1994年，AM就被國際癌癥研究機構列入“可能的人類致癌物（2A組）”[1]。后續的研究證明，AM嚴重危害人體的遺傳物質、神經系統、免疫功能等方面，并且還具有潛在的致癌性，因此科研人員對食品中AM的形成、毒性、抑制以及檢測方面都進行了廣泛的探索。研究表明，在超過120 ℃的條件下加熱土豆等富含還原糖和天冬酰胺（asparagine，Asn）的食品時會發生美拉德反應，而AM就是該反應的重要產物之一[2]。鑒于AM對人體的潛在危害，在保證熱加工食品品質的同時，選擇合適的抑制策略來緩解食品中AM的形成也是十分必要的。因此，本文將從食品原材料選擇、預處理到熱加工得到最終產品的整個過程出發，結合具體的反應過程，從機理的角度對食品中AM形成和抑制策略進行系統的歸納。

1 AM在食品中的含量及毒性

1.1 AM在食品中的含量

AM主要通過飲用水、食品以及皮膚接觸進入人體，其中最重要的途徑是通過食品攝入。目前已有學者對不同熱加工食品中的AM含量進行了檢測和統計，結果如表1所示。其中，薯片中所檢測到的AM含量最高，然后依次分別為面包、咖啡和餅干?？紤]到AM在人體中大量累積必然會對生命健康造成有害影響，因此對AM的毒性及其毒性機理的研究顯得尤為重要。

表1 AM在不同食品中的含量Table 1 Contents of AM in different food matrixes

1.2 AM的毒性作用機理

AM的毒性主要體現在對人體免疫功能、遺傳物質、神經系統等方面的損傷以及潛在致癌性，并且上述毒性都已通過動物實驗或者體外細胞實驗所證實。雖然學界對于AM的毒性作用機理尚無統一定論，但仍有眾多的研究結果可供參考。就AM的神經毒性而言，離子作用、與蛋白結合、能量代謝、氧化應激和細胞凋亡與自噬被認為是AM誘發神經毒性的主要途徑。潘校琦等[9]發現，AM可以使PC12細胞中活性氧化物和脂質過氧化物的水平提升，同時使抗氧化物的水平降低，最終由于生物大分子發生過氧化進而損害細胞正常功能。而AM的致癌性則被認為與多種癌癥相關蛋白數量的減少有關。許義[10]發現經過AM處理的HepG2細胞中多種基因表達的蛋白數量減少，這些蛋白涉及的代謝通路與病毒致癌、轉錄失誤調控、肝癌化等息息相關，實驗結果能夠從轉錄組學的角度證明AM的致癌性。此外，AM經人體內代謝時，如果濃度過高，會在細胞色素的作用下生成活性環氧丙酰胺，二者都可以與遺傳物質中的鳥嘌呤結合，從而損傷人體遺傳物質[11]。當人體中的AM積累到一定水平，同樣會對人體的免疫系統造成損傷。劉東敏等[12]報道了AM能夠通過氧化應激途徑對小鼠體內的免疫細胞造成損傷；此外，還發現AM能夠抑制巨噬細胞正常增殖并降低淋巴細胞轉化率，表明AM對非特異性免疫和細胞免疫都有抑制作用。考慮到AM廣泛存在于多種食品中，因此有必要采取相應的措施降低食品中AM的毒性或者含量。

2 食品中AM的形成途徑

由表1可知，對同一原料采用不同的加工方式也會導致食品中的AM含量差異較大。因此，了解AM的形成機理對于減少食品中AM的產生具有重要的意義。食品中的AM有多種生成途徑，其中主要的途徑有3 個（圖1）。

一般認為，Asn-還原糖途徑（即美拉德反應）是最關鍵的一條AM形成途徑[14-16]。具體反應過程如圖1所示，以Asn和還原糖作為反應物，經過脫水和N-糖基化共軛產生席夫堿。一方面不穩定的席夫堿經過分子重排形成糖胺化合物，在脫羧之后發生β-消除反應從而生成AM[17]；另一方面，席夫堿也可通過甜菜堿途徑或者惡唑烷-5-酮途徑脫羧形成甲亞胺鎓內鹽，并發生水解反應生成3-氨基丙酰胺（3-aminopropionamide，3-APA），然后繼續脫氨之后形成AM[18-19]。此外，除了含有α-羥基羰基的還原糖外，其他含有α-二羰基或α、β、γ、δ-二不飽和羰基的還原糖也可以經由這一途徑與Asn反應生成AM[13]。

圖1 AM的形成途徑[13]Fig.1 Formation pathways of AM[13]

第二種途徑是丙烯醛途徑。首先，油脂被降解成甘油后脫水形成丙烯醛和丙烯酸，隨后其與Asn降解釋放出的氨氣反應可直接生成AM。此外，當加熱的溫度較高時，該途徑中產生的丙烯醛可能會直接與Asn反應，為美拉德反應提供羰基從而加速AM的產生[20]。

第三種途徑是Asn分解途徑。雖然該途徑形成的AM較少，但分解過程中產生的反應性羰基可以加速美拉德反應的發生[21]。在此途徑中，Asn經由熱脫羧和脫氨兩步反應直接分解成AM，但是在單獨加熱Asn時，該途徑的主要產物可能由AM轉變為馬來酰亞胺[22]。

除了上述3 種關鍵途徑外，AM的形成還與其他途徑有關：1）在酶催化下Asn發生脫羧基和脫氨基反應合成AM[23-24]；2）D-葡萄糖經過一系列烯醇化和異構化反應生成L-脫氧-2,4-二酮，然后進一步分解為甲醛和乙醛并最終生成丙烯醛[25]；3）通過水解肽產生的丙氨酸可與Strecker降解反應釋放的氨作用生成AM[18]。

在復雜的食品基質中，AM的形成方式多種多樣，因此下面將進一步總結食品中影響AM形成的主要因素。

3 影響AM形成的因素

熱加工食品中AM主要是通過美拉德反應產生的。因此，前體物水平、加工溫度、時間以及美拉德反應產物等均可影響食品中AM的含量。

一般認為，Asn和還原糖是AM合成的重要前體物質[26]。Rommens等[27]研究表明經過基因改性的馬鈴薯在4 ℃下貯藏3 個月后，其葡萄糖含量與對照組相比降低了80%，并且熱處理后的AM含量較對照組也減少了80%左右。此外，加熱時間和溫度同樣影響AM的形成。Morales等[28]證實了加熱過程中溫度的升高和時間的延長會促進AM的形成。然而，上述規律并不適用于所有食品，?enyuva 等[29]發現當烘焙時間較長時，咖啡豆中的部分物質在加熱過程中與AM發生了反應從而使得其含量下降。除了AM之外，在美拉德反應過程中形成的其他產物如呋喃、5-羥甲基-2-呋喃（5-hydroxymethyl-2-furan，HMF）、糠醛等也會影響AM的合成。例如，HMF在加熱條件下與Asn反應生成3-氨基丙酰胺，該物質可以加速AM的形成[30]。Lachenmeier等[31]發現烘焙后咖啡種子中的AM含量與呋喃、糠醇、羥甲基糠醛等其他美拉德反應產物含量呈正相關。雖然美拉德反應會產生AM等有害副產物，但其在提升加工食品色澤、香氣等方面具有重要意義[32]。因此需要對美拉德反應進行有效控制，以期獲得AM濃度更低、品質更好的食品。

4 食品中AM的抑制策略

食品從原材料到最終產品的每個階段都可以采取不同的策略降低AM的最終水平。如圖2所示，緩解薯片生產過程中的AM水平大致上可分為3 個階段：農業生產階段（第一階段），通過選擇植物品種、改良種植方法和改善貯藏環境來減少AM前體物質含量；預處理階段（第二階段），通過漂燙或者添加不同類型物質的溶液進行浸泡等處理手段來減少AM形成；熱處理階段（第三階段），通過將真空油炸、射頻加熱等新技術與傳統加工技術相結合的方式達到預期的產品質量。下面將分別闡述各階段中可利用的AM抑制策略。

圖2 熱加工食品中各個階段可采用的AM抑制策略Fig.2 Strategies available to inhibit AM formation at different production stages of thermally processed foods

4.1 農業生產階段

在農業生產階段，通過將還原糖或Asn控制在一定的水平就能獲得低AM形成潛力的原料。Novy等[33]發現了一種名為‘Payette Russet’的低還原糖和Asn含量的馬鈴薯品種，經過熱加工后該品種的AM含量較一般馬鈴薯降低了81%。除此之外，還可通過基因改造或常規育種等方式培育低還原糖和Asn含量的品種[20]。此外，土壤條件和貯藏環境也會影響還原糖和Asn水平，進而影響AM的合成[20]。de Wilde等[34]的研究表明，減少氮肥的施用會增加馬鈴薯塊莖的糖濃度，而對Asn的影響卻完全相反。原因在于施用氮肥的量減少會促進馬鈴薯還原糖的合成，從而導致Asn合成可利用的碳源不足并最終造成Asn含量減少[28]。Gerendas等[35]發現生長在高氮低鉀土壤中的馬鈴薯AM及其前體的含量最高。此外，馬鈴薯生長的最適溫度是15～20 ℃，當溫度低于8 ℃或高于25 ℃時，可能會造成馬鈴薯中淀粉被分解從而引發還原糖的積累[36]。因此，一般選擇還原糖含量較低的馬鈴薯品種貯藏在8 ℃左右的環境中[37]。

4.2 預處理階段

除了選擇AM形成潛力低的原料外，一些簡單的預處理方法也可以抑制加工食品中AM的合成。其中，漂燙處理和利用含有外源添加劑的溶液浸泡處理是食品生產中最主要的選擇。

4.2.1 漂燙處理

目前，有多種漂燙技術可供選擇，如超聲波、蒸汽和沸水漂燙處理等。Antunes-Rohling等[38]證實了與直接油炸相比，經過高強度超聲波漂燙處理的油炸土豆中AM含量降低90%，與僅浸泡在水中的對照樣品（42 ℃、30 min）相比，AM含量降低50%。原因在于漂燙不僅可以通過較高的溫度使褐變反應所涉及的一系列酶失活，還可以使表面淀粉發生糊化，從而抑制熱加工過程中馬鈴薯對油的吸收[39]。此外，漂燙會稀釋原料表面AM前體的濃度，從而減少AM的形成[40]。

4.2.2 溶液浸泡處理

在熱加工（烘烤或油炸）之前，通常會將食品材料浸泡在含有不同添加劑的溶液中以緩解AM的生成。一般常用的添加劑可分為三大類，即植物源添加劑、微生物源添加劑和金屬離子添加劑。

4.2.2.1 植物源添加劑

植物源添加劑中以天然抗氧化劑及其衍生物在降低AM生成方面應用最為廣泛。由于結構的多樣性及其參與美拉德反應的復雜性使得天然抗氧化劑及其衍生物對AM形成可能產生截然不同的影響。植物多酚對AM的影響可分為兩種——促進型和抑制型（圖3），其涉及美拉德反應的不同階段。Hamzalio?lu等[41]研究發現，在長時間加熱過程中，姜黃素所含的羰基可以與Asn直接反應形成AM，如圖3中第一類反應過程所示。除了姜黃素之外，其他包含活性羰基結構如α、β、γ、δ-二不飽和羰基的天然抗氧化劑也可以與Asn的氨基反應，從而促進AM的形成[41]。此外，某些植物多酚還可以促進美拉德反應中間體轉化成AM。Cai Yun等[42]通過測定不同溫度下的美拉德反應速率發現綠原酸可以降低3-APA向AM轉化的活化能，從而加速AM的合成，具體如圖3中第二類反應過程所示。然而，某些植物多酚也發揮著抑制AM形成的作用，如黃酮類抗氧化劑可以有效地捕獲美拉德反應中間體中的活性羰基和二羰基，具體如圖3中第三類反應過程所示。Cheng等[43]的研究表明柑橘中的黃酮類化合物柚皮苷能夠與AM前體反應生成8-C-(E-丙酰胺)柚皮苷和6-C-(E-丙酰胺)柚皮苷，造成AM含量較對照組減少20%～50%。就富含脂肪的食品而言，長時間加熱會使食品中的脂質發生氧化而產生大量的丙烯醛，該物質可通過一系列反應形成AM。一些植物多酚還可以作為斷鏈抗氧化劑，通過與脂質自由基發生反應從而抑制脂質氧化[44]，具體如圖3中第四類反應過程所示。Toro-Uribe等[45]發現原花青素和可可多酚均可在pH 3.0或pH 5.0時降低過氧化氫、己醛等脂質氧化產物的含量，并且隨著抗氧化劑聚合度的增加，其抑制效果更加明顯。

圖3 不同植物多酚對AM生成的影響[21]Fig.3 Effects of different plant polyphenols on AM formation[21]

除植物多酚外，部分維生素也有利于抑制美拉德反應產生AM。例如，抗壞血酸可以通過與其他添加劑（如過硫酸鉀）的協同作用來減少AM的生成[46]。Kamkar等[47]通過氣相色譜-質譜聯用技術發現添加煙酸和吡哆胺后，薯片中的AM含量分別降低了58%和50%。在此基礎上，Zeng Xiaohui等[48]發現煙酸可以直接捕獲AM而使其含量下降（圖4A）。

圖4 部分添加劑對于AM形成的影響[48-50]Fig.4 Effects of some additives on AM formation[48-50]

4.2.2.2 微生物源添加劑

為了減少AM前體的形成，適當地在食品配方中添加天冬酰胺酶、葡萄糖淀粉酶等酶類也是一種有效手段。其中，天冬酰胺酶抑制AM形成的機制主要有兩種：一種是通過水解反應將Asn轉化為氨和天冬氨酸；另一種是通過乙酰化反應將Asn轉化為N-乙酰-L-Asn[51]。在工業應用中，為了獲得最佳的抑制效果，天冬酰胺酶通常與熱燙工藝相結合。Zuo Shaohua等[52]報道了在80 ℃條件下經過耐熱的L-天冬酰胺酶溶液熱燙處理后，薯條中的AM含量減少了80.5%。除了天冬酰胺酶外，添加葡萄糖淀粉酶、利用乳酸菌和酵母菌進行發酵也被認為是降低AM含量的有效手段。總地來說，葡萄糖淀粉酶更適用于谷類產品，通過減少發酵過程中還原糖的含量來抑制AM的形成[53]。乳酸菌和酵母菌協同發酵的手段則適用于面包食品，研究表明以該種方式發酵的面包中AM含量（6.9～20 μg/kg）相較于僅用酵母發酵的面包（47.6 μg/kg）有明顯的降低[54]。

4.2.2.3 金屬離子添加劑

金屬陽離子不僅可以增加食品中的無機鹽含量，還能抑制AM的合成。其中，NaCl可以促進AM發生聚合反應從而加速其消除，而鉀、鈣、鋅、鋁、鐵等陽離子則通過與Asn發生螯合反應從而抑制AM的合成，并且在這一過程中還會對其他美拉德反應副產物產生影響[37]。以Asn-葡萄糖模型為例，Wen Chao等[55]發現鉀、鈣、鋅、鋁、鐵等陽離子添加劑在最適濃度下對AM的抑制率分別為47%、71%、55%、57%、61%，并且在165 ℃下加熱35 min后發現另一種美拉德反應產物——羥甲基糠醛的含量增加。因此使用金屬離子添加劑還需要根據不同的情況對具體濃度加以研究。

4.2.2.4 其他添加劑

酸性環境對熱加工食品中AM的濃度也有一定的影響，因此可以通過添加不同的物質調節溶液的pH值，如磷酸和檸檬酸緩沖溶液。Jung等[56]通過氣相色譜-質譜聯用測定了煎炸馬鈴薯中的AM含量，發現經過質量分數2%檸檬酸溶液浸泡對馬鈴薯中AM形成的抑制率可達79.7%。一般認為AM形成的最適pH值為8左右，當環境pH值較低時，質子化反應使得自由基團的活性降低，從而緩解了AM合成反應的發生，例如Asn中的—NH2被轉化成不參與反應的—NH3+[57]。同時，將食品材料浸泡在不含Asn的氨基酸溶液（丙氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、賴氨酸和半胱氨酸）中也可以達到同樣的目的，機制在于：一是在合成其他物質的過程中與Asn競爭消耗外源氨基酸；二是氨基酸的親核基團會與AM的碳碳雙鍵發生反應[58-60]。例如，當加熱至160 ℃時，甘氨酸可以與AM形成加合物從而降低其含量[49]（圖4B）。

水溶交涂層和亞硫酸鹽的使用同樣影響AM的合成。作為一種改善含水食品功能特性的食用涂料，一些水交體既可以通過包裹食品從而顯著減弱油炸食品的吸油能力，還可以促進水交體與AM前體的相互作用來抑制AM的形成[61]。以殼聚糖水交體為例，它可以與還原糖發生反應從而陰止AM的積累[50]（圖4C）。此外，Alasmar等[62]證明不同的水交體包覆液對薯條中AM的抑制率分別為果交48%、殼聚糖38%、草豆粉31%。雖然亞硫酸鹽也具有抑制AM形成的作用，但由于其與過敏、硫胺素吸收不足和碳水化合物代謝損傷等疾病密切相關，因此作為食品添加劑的使用仍然受到嚴格的管制[46]。

4.3 熱處理階段

除了必要的預處理之外，加工食品還必須經過一定程度的熱處理，而AM的累積主要發生在此過程中。目前，已經開發了多種新型熱處理技術，例如真空加熱、射頻加熱和輻照消解技術，其與傳統工藝相結合同樣可以降低AM的水平。

真空加熱是在低于常壓的封閉系統中對食品進行加熱的一種技術，在顯著降低加熱溫度的同時也能在一定程度上延緩AM的產生[63]。Mariotti-Celis等[63]研究發現，與常壓油炸相比，真空油炸薯片中呋喃、AM的含量分別下降了81%、58%。在餅干生產中，利用先真空加熱后傳統烘焙的方法得到的餅干中沒有觀察到AM的形成[20]。此外，射頻加熱一般被視作是一種后干燥的技術，它通過將電磁能直接傳遞給食品而產生熱量[64]。這種后處理過程可以在降低水分的同時，避免由于余熱引起的AM含量急劇增加，一般適用于大規模處理餅干和薯片等形狀較薄的食品[65]。Palazo?lu等[66]研究發現，射頻加熱干燥后，曲奇中的AM含量較對照組降低了30%。由此可見，通過對傳統的烘焙條件進行重新設計，并與新型加工工藝相結合，可以實現食品中AM的含量大幅降低。同樣，AM在輻照的作用下會發生聚合反應，生成無毒的AM聚合物，從而降低食品中AM的含量。王倩倩[67]發現在3 kGy輻照消解的條件下，油炸薯條樣品中AM消解率達到53.13%，并且證明了芝麻酚、蘋果酸、碳酸鈉等多種添加劑可以有效提升AM消解效果，其中芝麻酚溶液對AM抑制率可達60.49%。輻照消解處理方式的優點在于對食品的風味基本沒有影響且成本較低，但考慮到目前相當一部分消費者對于“輻射”一詞尚抱有抗拒心理，因此選擇該技術還面臨市場接受度的問題。

5 抑制策略的比較

降低AM形成的策略多種多樣，但并不是所有的選擇都能滿足工業應用的期望。目前所報道的方法各有優缺點，表2列出了抑制AM形成的多種策略，其各有不同的特點。

將AM前體物質含量較低的品種在初期作為優先選擇的品種，并貯存于適當的環境中可獲得理想的原料。雖然前期的品種改良可以使炸薯條中的AM抑制率達到81%[33]，但在農業種植階段仍然存在由于季節和氣候變化造成的原料差異[37]。在預處理過程中，用含有關鍵添加劑的溶液熱燙或者浸泡是抑制AM形成的另一種有效方法，但同時也要盡量避免食品原材料如土豆出現完整性、苦味等感官品質缺陷[73]。對于植物源添加劑，一些天然提取物和維生素可能有利于食品顏色和亮度的提升，但同時也會影響氣味、質地等感官指標[68-69]。相反，微生物源的天冬酰胺酶不會影響食品的感官品質，且容易處理，但存在產量低和成本高的缺點，并且這一方法對于天冬酰胺酶的用量有嚴格的要求，用量過多可能會導致Asn在水解過程中產生過量的氨并形成異味，從而影響食品品質[74]。乳酸菌也被廣泛用于減少面包中AM的合成，但乳酸菌在長時間的發酵過程中可能會生成3-氯丙二醇副產物[75]。金屬離子作為一種營養補充劑能夠在很大程度上抑制AM的形成，尤其是NaCl和CaCl2，但過度的添加也可能導致其他有害物質的形成，如羥甲基糠醛和糠醛[76]。此外，Ca2+濃度過高時還會產生異味，過量添加氨基酸也會造成同樣的結果。例如，由于含硫基團的存在，半胱氨酸和還原型谷胱甘肽會產生帶有異味的物質[77]。另外，通過降低pH值來減少AM在食品中的含量也是一種可行的方法。但是，當檸檬酸等有機酸的濃度超過一定限度時，會造成食品發酸、質地較硬的品質問題[62]。在熱處理階段，通過結合真空油炸、射頻干燥和輻照消解等新技術可以抑制食品中50%以上的AM產生（表2）。真空油炸對最終產品感官沒有顯著的影響，而射頻干燥則會導致輕微的褐變[54]。

表2 不同可減少AM形成的抑制策略Table 2 Different inhibition strategies on reducing AM formation

如何平衡AM抑制策略及其副作用之間的關系是加工食品中亟待解決的問題。因此，為了在降低AM生成量的同時避免可能產生的有毒副產物和感官品質缺陷，需要對抑制策略進一步優化，并研究不同抑制策略的聯合使用。

6 結 語

本文主要綜述了在食品加工的3 個階段中可用于減少AM生成的多種策略，具體可以概括為：1）在農業生產階段選擇AM生成潛力較低的原料，并對種植條件進行相應改進；2）在預處理階段對原料進行燙漂或使用外源添加劑進行處理；3）在熱處理階段，通過結合新的加工工藝減少AM的合成。此外，對AM抑制策略中可能涉及的具體反應過程也進行了系統的歸納，但從目前的研究成果來看，由于食品基質復雜，食品中AM合成可能涉及多種途徑，同時添加劑的抑制機理還未完全闡明；因此在許多文獻中也只是簡單加入相應的添加劑來研究其抑制AM合成的結果，而很少提及可能涉及的具體反應過程。此外，在高溫加熱至一定程度后，食品中可能會合成一些未知的化合物，特別是在加入添加劑后。因此，大多數抑制策略仍處于實驗室研究階段，尚不能適應于工業中的大規模應用。將來，隨著新技術（比如表面增強拉曼光譜以及針尖增強拉曼光譜技術）的出現，可以使用簡單的Asn-還原糖模型來模擬美拉德反應，并且可以在控制溫度、濕度、pH值等基礎上進一步探索合成反應和抑制策略的機理。當采用上述方法抑制AM形成時，利用超快拉曼光譜可以實現對整個反應過程的動力學監測。同時，時間分辨拉曼光譜可以用來識別反應過程中的各種中間產物（電子激發態），特別是在加入外源抑制劑前后。此外，電化學針尖增強拉曼光譜可以從分子尺度上研究AM抑制過程的具體反應機制。隨著對食品中AM合成及抑制機理的進一步探索，將獲得更有效的抑制方法，且不造成有毒副產物的產生和感官品質缺陷。