烘焙食品中丙烯酰胺的毒性及其減控技術研究進展

周小理 ，段夢杰，崔琳琳，周一鳴*

1. 上海應用技術大學香料香精技術與工程學院（上海 201418）；2. 上海應用技術大學，美麗中國與生態文明研究院，上海高校智庫（上海 201418）；3. 上海商學院酒店管理學院（上海 200235）

隨著我國經濟不斷發展、人們生活水平提高和健康意識的增強，食品安全逐漸成為備受關注的焦點。食品安全不僅是一個全球性的問題，也是中國當前面臨的挑戰之一[1]。如今作為食品工業重要分支的烘焙食品產業發展迅速（見圖1），并且正朝著新鮮、營養、方便、安全、規模化發展，同時引起人們對安全食品的多方位關注（見圖1）。

圖1 中國烘焙食品現狀及消費者關注點

熱加工是焙烤食品生產過程中必不可少的一個步驟，不僅可延長食品的保質期，而且賦予食品獨特的風味和色澤[2]。然而，熱加工過程中所發生的美拉德反應（Maillard reaction，MR）可誘導食品氧化，形成多種對人體健康有潛在危害的副產物[3]。在1994年，國際癌癥研究機構（IARC）將AM列入“可能的人類致癌物（2A類）”[4]。后續大量研究表明，AM對人體健康具有一定的毒性作用[5]。在2002年瑞典國家食品管理局（Swedish National Food Administration，SNFA）研究人員首次在油炸食品中發現AM，并證明AM廣泛存在于熱加工食品中[6]。

因此，探索烘焙食品中AM形成的動力學因素，在保證烘焙食品品質的同時，選擇一種持續緩解烘焙食品中AM形成的方法成為新的研究熱點。

1 丙烯酰胺的形成機理

丙烯酰胺（acrylamide）一種廣泛應用于工業的化學品，在常溫下，是一種無特定顏色和氣味的小分子乙烯基化合物。經過多年研究人員的探索，2003年Adam等[7]和Zyzak等[8]采用同位素示蹤法證實丙烯酰胺的酰胺基上碳原子和氮原子主要來源于天冬酰胺，即天冬酰胺是形成丙烯酰胺的重要前體化合物（如圖2所示）。

圖2 天冬酰胺和丙烯酰胺結構式

研究表明，在天冬酰胺的存在下，MR是各種食物中形成AM的主要途徑。AM的形成過程大致是（如圖3所示）：還原糖與天冬酰胺經過脫水和N-糖基化共軛生成希夫堿（schiff堿），由schiff堿形成AM。主要途徑有2條：一是schiff堿發生分子內環化形成5-惡唑烷酮中間體，該中間體脫羧后重排形成脫羧Amadori產物，該產物高溫下C—N鍵斷裂生產AM；二是schiff堿脫羧生成亞甲胺葉立德（Ⅰ，Ⅱ），經重排后通過3-氨基丙酰胺脫氨基生成AM[3]。

圖3 AM形成的過程

2 丙烯酰胺的吸收、代謝及對健康的影響

研究指出，對于一般人群，除了通過化妝品、包裝材料及抽煙等途徑吸收AM外，大部分經口攝入，且食物的攝取被認為是人體吸收AM最迅速、最完整的途徑之一。其中，環境中暴露的AM約25%被皮膚吸收。對于食物中的AM通過血液循環系統廣泛分布于體內各個組織，如大腦、心臟、肝臟、腎臟中，并在此過程中對肌體造成損害[9]。

在體內，AM在細胞色素酶催化反應后代謝為致突變性和遺傳毒性的環氧型丙酰胺，如圖4所示，該代謝可在嚙齒類動物和人類中發生。AM和環氧丙酰胺能與血紅蛋白、DNA等大分子反應形成加合物。與DNA形成加合物很可能引起毒性，并具有致癌潛力[10]。

圖4 AM在人體內的膳食吸收與代謝[10]

大量研究發現，日常進食的薯片、面包等食物因含有較高的淀粉且經過高溫油炸、烘烤等加工過程，AM含量較普通食品偏高[11]。AM對人體具有一定的毒理學效應，其對人類的毒理學效應包括神經毒性、遺傳毒性、免疫毒性和潛在的致癌性（表1）。

表1 丙烯酰胺的毒性作用

3 丙烯酰胺的限量標準

近年來各國政府和國際組織對丙烯酰胺愈發重視。由于AM在食品中的含量跨度比較大，聯合國糧農組織/世界衛生組織（FAO/WHO）、食品添加劑專家委員會（JECFA）等國際組織都未有AM耐受量的相關標準，僅部分規定包裝產品標注要求及一些操作規范。如美國加利福尼亞洲65號提案指出對于含有AM的食品，要在包裝袋上注明含有AM及2009年食品法典委員會制定的《減低食品中丙烯酰胺的操作規范》[18]。在2017年4月11日，歐盟正式實施關于丙烯酰胺的法案COMMISSION REGULATION（EU）2017/2158。法案規定包裝食品中含有AM的基準水平[19]（表2）。2019年9月國家食品安全風險評估中心（CFSA），重新啟動AM評估項目，并將AM的風險監測納入2020年的食品安全風險監測計劃之中。我國雖沒有明確所有食品AM的限量標準，但有明確的測定標準[20-21]。

表2 歐盟實施的包裝食品中丙烯酰胺基準水平

4 丙烯酰胺的減控措施

影響烘焙食品中AM的因素包括面粉的質量、前體物質濃度、熱加工方法等。焙烤食品從原材料到最終產品的每個階段都可以采取不同的手段降低AM的最終水平。

4.1 原料的預處理

天冬酰胺和還原糖是烘焙食品中AM生成的重要前體物質，減少原材料中形成AM的前體物質可以降低AM水平。研究農作物種植因素對天冬酰胺含量的影響，可以從源頭上控制AM前體物質的含量[3]。部分研究用小麥粉為原料，白藜麥粉代替部分小麥粉為原料來制備餅干，結果顯示，白藜麥粉餅干AM含量相對較低[22]。

同時，研究指出酵母菌發酵消耗AM前體物質天冬酰胺可以使面包AM含量減少40%～60%[23]。

4.2 加工條件的控制

在烘烤過程中，控制烘烤的溫度和時間也是調控AM形成的有力措施，但這會影響熱傳導效率。研究表明通過對傳統烘焙條件進行優化并與現代加工工藝相結合，可以在保證熱傳導效率的同時降低AM[24]。Baskar等[25]選用真空組合烘焙餅干，未觀察到AM形成。G?zde等[26]研究發現，射頻加熱處理，在較短時間內，曲奇中的AM含量較對照組降低30%。

4.3 微生物發酵處理

有研究報道乳酸菌（LAB）等益生菌類微生物，能夠有效降低面包中的AM含量。Albedwawi[27]利用含有植物乳桿菌、短乳桿菌等菌株的酸面團制備面包，可減少高達84.7%的AM形成。同時，Nachi等[28]評估了實驗室菌株對小麥酸面包中AM含量的抑制作用，與對照組相比，副干酪乳桿菌發酵的面包中的AM含量降低45%，且得到的面包更受品嘗者的喜愛。因此，添加益生菌可能是降低烘焙食品中AM水平的一種很有前景的方法。

4.4 生物酶法處理

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減少AM形成的有效手段。其中，天冬酰胺酶抑制AM形成的機制主要有2種：一是通過水解反應將天冬酰胺轉化為氨和天冬氨酸；二是通過乙酰化反應將天冬酰胺轉化為N-乙酰-L-天冬酰胺，從而減少AM的生成[29]。如在烹飪或者加工之前，在原料中添加天冬酰胺酶，在不影響產品色澤和風味感官特性的情況下，將AM含量降低90% 以上[30]。

葡萄糖淀粉酶主要通過減少發酵過程中還原糖的含量抑制AM的形成，適用于谷類產品[31]。

4.5 添加劑處理

4.5.1 陽離子添加劑預處理

研究表明，使用不同的一價和二價離子會減少AM的形成。這可能是因為天冬酰胺或相關中間體上的荷電基團與小麥面粉中添加的離子之間存在離子關聯。將鈣和鎂以氯化物形式添加到玉米面包中，在產品中，AM分別降低74%和52%[32]。G?kmen等[33]報導了類似結果，在天冬酰胺-葡萄糖模型系統中，AM隨著0.5～5 μmol/L NaCl濃度的增加而減少。

4.5.2 氨基酸添加劑預處理

研究發現，將甘氨酸添加到小麥粉中，會顯著降低AM的生成量[34]。這是因為在發酵面團中加入甘氨酸可能導致酵母發酵，使得面包中AM含量顯著降低。另外有研究選用模擬反應體系研究7種氨基酸（甘氨酸、賴氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天冬氨酸、谷氨酸）對AM形成效果，發現半胱氨酸的作用效果最為突出，降低率達到70.6%[35]。

4.5.3 抗氧化劑類物質

天然植物提取物作為綠色天然的化合物，關于其抑制AM形成的研究多有報道。如利用石榴花提取物（0.07%）與維生素B3（1.97%）抑制甜甜圈中AM含量，結果顯示AM含量降低85%[36]。降低AM還可以添加抗氧化劑，如在熱處理前將多酚、類黃酮等添加到面團中，有助于抑制AM的形成[37]。

5 結語

研究人員試圖尋找一種不僅可以保證焙烤食品品質，而且可以最大限度地減少AM生成的科學方式來減少對人體的危害。因此，探索AM形成機理、AM毒性及AM相關的限量標準，并對減控AM含量的可能途徑進行探討，為可持續減控焙烤食品中AM的研究提供一定借鑒。對優化我國烘焙工業、保障我國食品安全，以及食品安全標準的建立具有重要指導意義。