半胱氨酸消減丙烯酰胺的機理及消減工藝在薯條中的應用

黃才歡，李 丹，龍成艷，鄭 潔，龔啟宙，歐雋瀅

（1.暨南大學食品科學與工程系，廣東廣州 510632；

2.中山洪力健康食品產業研究院有限公司，廣東中山 528430；

3.暨南大學食品安全與營養研究院，廣東廣州 510632）

丙烯酰胺（acrylamide，AA）是一種公認的神經毒素和潛在的致癌物[1]，并表現出一定的具有生殖毒性[2]和免疫毒性[3]。自2002在薯片中檢測出大量丙烯酰胺以來，咖啡、方便面、餅干和曲奇等食品中均被檢出大量的丙烯酰胺[4]，其平均暴露量為0.4～1.6 μg/kg/d，其中薯片占比最高，達到23%[5]。高溫加工食品的安全性引起人們極大關注。

近年來，人們致力于減少丙烯酰胺形成的研究，發現丙烯酰胺主要形成途徑是天冬酰胺與還原糖（或活潑羰基化合物）發生美拉德反應[6]，適當控制工藝條件、添加食品添加劑和配料兩種措施均可減少制品中的丙烯酰胺。Liyanage等[7]通過浸泡、燙漂、發酵等方式降低原料中游離天冬氨酸和還原糖含量來減少丙烯酰胺的形成；Krishnakuma等[8]綜述了通過控制加工溫度、時間和水分活度等工藝條件抑制丙烯酰胺的形成；另外，氨基酸[9]、酶制劑[10]、多酚類[11]和益生菌[12]等物質均被用于控制丙烯酰胺的形成。氨基酸作為良好的親核試劑，可與丙烯酰胺發生邁克爾加成反應，從而顯著減少丙烯酰胺的含量。半胱氨酸是食品中常見的氨基酸，可用于面包、乳制品、肉制品和面糖制品中。我國GB 2760-2014食品添加劑使用標準中，L-半胱氨酸既可作為天然香料用于改善食品風味，又可作為面粉處理劑改善面團特性[13]。美國、加拿大和日本等國家的食品法律法規允許把L-半胱氨酸用作面包添加劑。L-半胱氨酸分子中同時含有氨基和巰基，具有較強的親核能力和很強的抗氧化性。在高溫條件下，往油中加入少量半胱氨酸能防止油脂氧化的發生[14]。此外，L-半胱氨酸能通過邁克爾加成反應和美拉德反應與羥甲基糠醛（HMF）發生反應，從而降低高溫加工食品中內源性危害物HMF的含量[15]。Yoshioka等[9]研究了罐裝牛奶咖啡中賴氨酸殘基和半胱氨酸殘基可顯著降低制品中丙烯酰胺的含量，且在牛奶蛋白中檢測出含賴氨酸丙烯酸和半胱氨酸丙烯酸的硫化物。過去十多年，大多數研究主要著眼于丙烯酰胺的消減，而對消減產物的報道不多。

前期研究表明，半胱氨酸與丙烯酰胺在160 ℃反應15 min后，其對丙烯酰胺的消除率可達94.6%，采用液相色譜-質譜聯用儀可檢測到由一分子半胱氨酸與一分子丙烯酰胺形成的物質信號（m/z 193，ESI+）[16]。因半胱氨酸分子中的α-NH2和側鏈上的-SH與丙烯酰胺均可發生加成反應，推測L-半胱氨酸是通過親核反應形成加合物來消減體系中的丙烯酰胺。基于對食品安全的考量，有必要明確新生成的加合物結構，并評價加合物會否產生新的食品安全隱患。本研究優化了半胱氨酸與丙烯酰胺加合物形成的反應條件，結合采用常壓和高壓柱層析法制備出高純度的加合物，綜合運用紫外、質譜與核磁共振等現代波譜技術解析加合物的結構，并采用體外細胞（Caco-2）實驗初步評價其細胞毒性。以液相色譜-質譜聯用的多反應監測模式（MRM）測定了市售和自制薯片（油炸前經不同濃度半胱氨酸溶液浸泡過）中丙烯酰胺、丙烯酰胺-半胱氨酸加合物的含量，探究采用L-半胱氨酸控制高溫加工食品中丙烯酰胺形成的可行性，為有效控制食品中內源性化學危害物提供一種新思考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺（Acrylamide，AA）（99%）、半胱氨酸（Cysteine，Cys）（99%） 北京百靈威科技有限公司；甲醇 色譜純，美國Mallinckrodt Baker公司；重水（D2O） Cambridge Isotope Laboratories；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉 分析純，天津市大茂化學試劑廠；反相硅膠（A-HG） 日本東京YMC有限公司；鮮切薯片（A、B、C 3個不同品牌） 興安超市；0.45 μm聚醚砜微孔濾膜、0.22 μm尼龍微孔濾膜 天津津騰實驗設備有限公司。

Welch 液相色譜柱Ultimate XB-C18（10×250 mm，5 μm） 上海屹立利科學儀器有限公司；Waters液相色譜柱 Atlantis T3（4.6×150 mm，5 μm）、Waters Alliance e2695液相色譜儀（配備2998 PDA檢測器）美國沃特世公司；磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；精密電子天平 廣州市艾安得儀器有限公司；三重四級桿液質聯用儀（LC-MS8045，配備電噴霧離子源） 日本島津制作所；N-1300型旋轉蒸發儀 東京理化器械株式會社；Scientz-10N型真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技有限公司；X500R QTOF型高分辨質譜儀 美國SCIEX公司；600 MHz Avance III型核磁共振儀 瑞士布魯克公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 半胱氨酸對丙烯酰胺的消減反應 配制5.0 mmol/L Cys和0.5 mmol/L AA溶液，各取2.0 mL置于10.0 mL具塞不銹鋼鋼管中，密封，取2.0 mL純水以及2.0 mL 0.5 mmol/L AA溶液作為空白對照組，兩組反應在160 ℃恒溫油浴下加熱20 min，取出試管并在冰水浴中冷卻；反應液經0.45 μm微孔濾膜過濾，置于1.5 mL樣品瓶，備用，每個樣品三次平行。反應液中AA的含量測定方法采用Yu等[16]報道的液相色譜法，制作標準曲線的AA濃度依次為0、0.1、0.2、0.3、0.4和 0.5 mmol/L。根據標準曲線計算出反應液中實驗組（a1）和空白對照組（a2）剩余的AA濃度，并計算反應中AA的消除率。

式中：a1：加入 Cys后 AA濃度平均值；a2：空白對照組AA濃度平均值。

1.2.2 消除反應條件的優化

1.2.2.1 反應體系pH的選擇 分別用pH為6.0、7.0和 8.0磷酸鹽緩沖溶液配制 AA和Cys溶液（25.0 mmol/L）設置了3個不同pH的反應體系，于120 ℃油浴反應3 h，采用液相色譜法測定加合物含量。因加合物的生成量與其在液相譜圖上的峰面積成正比，為此以加合物峰面積大的反應體系進行后續實驗。

1.2.2.2 反應溫度的選擇 把pH7.0的AA和Cys溶液分別置于溫度為90、120、150與180 ℃的油浴中反應3 h，生成物采用液相色譜法測定，以加合物峰面積最大的反應溫度進行后續實驗。

1.2.2.3 反應時間的選擇 把一定量pH7.0的AA和Cys溶液分別在120 ℃油浴反應 1、2、3和 4 h后，生成物采用液相色譜法測定，選擇加合物峰面積最大的反應時間進行后續實驗。

1.2.2.4 物料比 把一定量pH7.0的AA和Cys溶液混合，使其濃度比分別為1:0.5、1:1、1:3和1:5，120 ℃油浴反應3 h，采用液相色譜法測定加合物的含量，比較不同物料比對丙烯酰胺-半胱氨酸加合物生成量的影響，選出最佳物料比制備加合物。

1.2.3 液相色譜法檢測加合物 參考Jiang等[17]的方法鑒定反應產物。色譜條件：色譜柱為Waters Atlantis T3，4.6 mm×150 mm，5 μm。HPLC 分析程序：流動相A為色譜級甲醇，B為0.1%乙酸水溶液；分析條件：流動相VA:VB=2:98，流速0.4 mL/min，進樣體積0.5 μL，柱溫40 ℃，檢測波長205 nm，根據加合物的保留時間進行定性；并采用面積歸一化計算加合物純度。

1.2.4 加合物的制備與分離

1.2.4.1 半胱氨酸與丙烯酰胺加合物的制備 根據優化的結果選擇合適的反應條件制備加合物，采用減壓濃縮法把反應液濃縮至約為3.0 mL，加入到20.0 mL甲醇，抽濾；再用10.0 mL甲醇洗滌固體樣品，抽濾，把2次得到的濾液合并，減壓濃縮，得濃縮液和固體，備用。以液相色譜法分別測定濃縮液和固體中加合物的量。

1.2.4.2 反相硅膠柱層析法分離加合物 參照鄒照佳等[18]的方法，采用常壓柱層析法分離加合物，固定相為A-HG反相硅膠。樣品用3.0 mL 5.0%的甲醇水溶液溶解后濕法上樣，分別以5.0%、10.0%、20.0%、40.0%和60.0%的甲醇水溶液進行梯度洗脫，收集各洗脫組分，用液相色譜法監測各組分中加合物的含量。

1.2.4.3 高效液相色譜法純化加合物 采用半制備色譜柱 Ultimate XB-C18柱（10 mm×250 mm，5 μm）在Waters e2695進一步純化反相硅膠柱層析收集到的加合物。色譜條件：流動相V甲醇:V水=2:98；流速：1.0 mL/min；柱溫：25 ℃；檢測波長：210 nm；進樣量：50.0 μL。按不同的保留時間收集到4個組分：組分A（11.8～13.0 min）、組分 B（13.4～14.7 min）、組分C（14.8～16 min）和組分 D（16.5～18.4 min），并以液質聯用法（LC-MS）測定這4個組分的分子量。

1.2.5 加合物的結構表征

1.2.5.1 分子量的確定 將1.0 mg純化后的加合物溶于純水中，用液相色譜儀測定樣品的純度，并得到加合物的紫外光譜圖；LC-MS法測其一級、二級質譜圖；高分辨質譜法（HRMS）測得其相對分子質量。LC-MS條件：色譜柱為Atlantis T3，4.6 mm×150 mm，5 μm；流動相A為色譜級甲醇，B為0.1%乙酸水溶液；分析條件：流動相VA:VB=2:98，流速0.4 mL/min，進樣體積0.5 μL，柱溫40 ℃，檢測波長205 nm；離子源為電噴霧離子源（ESI），正離子模式，掃描范圍為m/z 50～500；源溫度為300 ℃，去溶劑化溫度為250 ℃，毛細管電壓為4000 V，掃描速率為1000 Da/sec，碰撞能量為15 eV。

1.2.5.21H和13C核磁共振譜檢測 取15.0 mg化合物溶于0.55 mL氘代甲醇中，用核磁共振儀分別測定化合物的氫譜（1H，600M）、碳譜（13C，200M）和Dept-135譜圖。

1.2.6 加合物的細胞毒性實驗 采用MTT法[19]分別測定Cys、AA及加合物對人腸道細胞Caco-2的細胞毒性。用含有10%胎牛血清的RPMI-1640培養基培養 Caco-2細胞，把細胞密度調節到5.0×105個/mL置于培養瓶中，往96孔細胞培養板上加入100.0 μL細胞懸液，細胞懸液共分3組，分別以不同濃度的半胱氨酸、丙烯酰胺、加合物孵育細胞及空白對照組，每個濃度設置3個復孔；并設一組空白對照組（設三個復孔）。加樣后，參照Zou等[20]方法培養細胞，置于培養箱分別培養24和48 h，用適量的PBS溶液沖去化合物并移除PBS溶液，每孔加入含有 5.0 mg/mL MTT 的培養基 200.0 μL，37 ℃ 再培養4 h。終止培養后，移除培養液，加入150.0 μL DMSO溶液，振蕩10 min，在酶標儀上測定570 nm處光密度值（OD值）。

式中：A1為加藥組OD值平均值；A2為對照組OD值平均值。

1.2.7 消減工藝在薯片加工中的應用 為了比較Cys對薯片中AA的消減作用，分別測定市售薯片及經不同濃度Cys溶液預處理的自制薯片中加合物和AA的含量。

1.2.7.1 薯片的制備 自制薯片參照郭鴻陽等[21]的方法進行前處理，將清洗干凈的馬鈴薯去皮，用刨刀切成0.25 cm厚的均勻薄片，稱取4份樣品，每份150.0 g，先用去離子水清洗薄片表面的淀粉，再用含Cys的水溶液浸泡馬鈴薯片 60 min（浸泡液中Cys的濃度分別為0、1.0、3.0和5.0 g/L，對應編號為自制1、2、3、4（自制1為空白對照，即油炸前只用純水浸泡的），瀝干水分后，用165 ℃的花生油炸5.0 min，瀝去表面的油，備用。

1.2.7.2 薯片中丙烯酰胺和加合物的提取和含量測定 分別稱取4.0 g薯片，研碎，索氏抽提法除油，再分別用20.0、10.0和10.0 mL 10.0%甲醇水溶液在常溫振蕩提取3次，合并提取液，8000 r/min離心，收集上清液，用0.22 μm微孔濾膜過濾，參考劉剛等[22]的方法用島津HPLC-MS儀器測定，采用具有靈敏、準確和特異性強的MRM模式對其進行定量分析，平行三次。

HPLC色譜條件：色譜柱（Waters Atlantis T3，4.6×150 mm，5 μm）；流動相 A：色譜級甲醇，流動相B：0.1%乙酸水溶液；初始比例VA:VB=2:98，流速：0.5 mL/min，進樣體積為 10.0 μL，洗脫程序：0～2 min，2.0% B～100.0% B；2～8 min，100.0% B～100.0% B；8～10 min，100.0% B～2.0% B；10～18 min，2% B。質譜條件：ESI+，采用多反應監測（MRM）模式；源溫度300 ℃，去溶劑化溫度250 ℃，毛細管電壓4000 V，掃描速率1000 Da/sec，碰撞能量為7.0～23.0 eV，Dwell time均為100.0 ms。丙烯酰胺和加合物的定量離子對和定性離子對如表1所示。AA標準曲線的濃度依次為：0、10.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100.0 μg/L；目標加合物標準曲線的濃度為：0、10.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100.0、120.0 μg/L。

表1 丙烯酰胺和加合物的定性定量離子對Table 1 Qualitative ion pair, quantitative ion pair of AA and target adduct

1.3 數據處理

數據采用Microsoft Excel處理，用平均數±標準差（mean±SD）表示，方差分析和Duncan's顯著性差異分析采用SPSS22.0軟件處理，每組實驗重復三次。

2 結果與分析

2.1 半胱氨酸對丙烯酰胺的消減及加合物的發現

Cys與AA在160 ℃下反應20 min后，由HPLC測量結果可知，樣品中AA含量明顯降低，其消減率為61.87%±4.3%，AA定量標準曲線為y=82.947x-1.8369，R2=0.9998。

另外，在生成物的液相色譜圖中發現除了Cys和AA的峰外，還出現了1個新的峰，其保留時間為 13.5～14.2 min（圖1）；通過 HPLC-MS（ESI+）檢測可知，新出現的峰含有m/z 193的組分；由文獻報道可知[23-24]，當Cys與AA發生邁克爾加成反應，可形成分子量為192的物質。

圖1 加合物的液相分離色譜圖Fig.1 Liquid separation chromatogram of adducts

2.2 加合物制備條件的優化

在液相色譜圖中以新生成物的峰面積為指標，比較不同反應體系、反應溫度、反應時間和物料比對加合物形成的影響。結果顯示（圖2），在3個體系中，pH7.0體系中可檢測到加合物的峰面積最大，其次是pH6.0的弱酸性體系，可見中性條件下更有利于加合物的生成；隨著反應時間從1 h增加至3 h，AA逐漸減少，加合物的峰面積也明顯增大，但4 h時，加合物的峰面積卻略少于3 h時；比較反應溫度對加合物峰面積的影響，當反應溫度為120 ℃時，加合物的峰面積最大，150和180 ℃反應后，其加合物的量均略低于120 ℃下的反應；當AA與Cys的物料比為1:3時，目標加合物的峰面積最大（見圖2D）。綜合考慮以上情況，后續制備條件確定為pH7.0、120 ℃、反應3 h、物料比為1:3。

圖2 反應條件對加合物形成的影響Fig.2 Effects of reaction conditions on adduct formation

2.3 加合物的純化與結構表征

2.3.1 高效液相色譜法純化目標加合物 經HPLC檢測可知，在用10%甲醇洗脫反相硅膠柱時，收集的組分中加合物純度可達60%，采用半制備色譜法進一步純化后，收集到的4個組分中，組分B中目標加合物的純度可達95%以上；另外，在組分D中也檢測到另一質荷比為193的組分，但其含量不高，未能分離得到足夠的量進行結構鑒定。

2.3.2 目標加合物的結構表征 采用冷凍干燥法得到的目標加合物是白色固體，其紫外光譜的最大吸收波長為196 nm，可知其含有羰基；其高分辨質譜（圖3）的分子離子峰為193.0645 [M]+，擬合得到的分子量為193.0641，分子式為C6H9NO3S，其不飽和度為2。

圖3 目標加合物的高分辨質譜圖（ESI+模式）Fig.3 High resolution mass spectrometry of the target adduct(ESI+ mode)

加合物的1H NMR中（圖4A和表2）：在高場區有 3 個亞甲基信號（δH=2.62，2.86，3.06 和 3.18 ppm），1個次甲基信號（δH=3.95 ppm）；因H-4和H-5相互偶合裂分，均為td峰；H-2與H-3發生偶合裂分，形成dd峰，由于其與酰胺基相連，位于低場。13C NMR和DEPT譜（圖4B～圖4C和表2）數據也證實了化合物中有 2 個羰基碳（δC=177.23，172.81 ppm），3 個亞甲基（δC=32.08，27.02 和34.66 ppm），1 個次甲基（δC=53.54 ppm）；其中亞甲基δC=34.66 ppm和次甲基δC=53.54 ppm是原半胱氨酸部分的基團，δC=177.23 ppm的羰基碳則是歸屬于酰胺基上；結合二級質譜中碎片離子的分析結果（圖5，表2）和文獻報道[25-26]，該目標化合物的結構確定為：2-氨基-3-（3-氨基-3-氧代-丙基）硫烷基-丙酸。

圖5 加合物高分辨二級質譜圖（ESI+模式）Fig.5 Adduct high resolution secondary mass spectrometry (ESI+ Mode)

表2 加合物的核磁共振信息及其碎片結構Table 2 NMR information and fragment structure of adduct

圖4 目標加合物的核磁譜圖（氘代甲醇）Fig.4 NMR spectra of the target adduct (deuterium methanol)

Zamora等[27]研究了氨基酸與丙烯酰胺反應的機制，表明可通過邁克爾加成將氨基化合物添加到丙烯酰胺中，從而產生相應的3-（烷基氨基）丙酰胺。由此推測出其反應機理（圖6）：半胱氨酸的巰基具有強親核性，在一定條件下可與含α，β-不飽和羰基化合物（丙烯酰胺）發生加成反應。

圖6 目標加合物的形成機理Fig.6 Formation mechanism of target adduct

2.4 加合物的細胞毒性

AA的潛在危害已為人們所熟知，前期研究表明，Cys可有效抑制或消除高溫加工食品中的AA[28-29]；由上述研究可知其消除機理是Cys與AA形成加合物，但所形成加合物的安全性未知。

本研究采用Caco-2細胞對Cys、AA和加合物的安全性進行探索（圖7）。孵育 24 h后，AA的IC50為3.55 mmol/L；48 h后，其IC50為2.65 mmol/L；半胱氨酸-丙烯酰胺加合物濃度在8.0 mmol/L時，經24和48 h后孵育后，細胞存活率均在80%以上，其毒性明顯低于AA。由此可見，加合物的形成可明顯降低AA的細胞毒性。

圖7 半胱氨酸、丙烯酰胺和加合物孵育Caco-2細胞24 h（A）、48 h（B）對細胞存活率的影響Fig.7 Effects of cysteine, acrylamide and adduct on cell viability of Caco-2 cells incubated for 24 h (A) and 48 h (B)

2.5 消減工藝在薯片加工中的應用

Cys是食品中的半限制氨基酸，基于其對AA的高效消減作用，且消減后可與AA生成加合物，本研究以純化后的半胱氨酸-丙烯酰胺加合物為標準品，采用MRM模式建立AA和加合物標準曲線，分別測定了3種品牌的鮮切薯片和4種由Cys預處理的自制薯片中AA和加合物的含量。

AA的標準曲線是 Y=405467X+5042.57（R2=0.996），加合物的標準曲線是Y=3e-09X+0.001（R2=0.997），薯片中AA和加合物的含量如表3所示。自制薯片1的AA含量是0.617 mg/kg，未檢出加合物；自制薯片2中AA和加合物含量分別為0.204和0.036 mg/kg，其AA含量較薯片1降低了67%；當浸泡液中Cys濃度增加至0.3%時，自制薯片3中未檢出AA，加合物含量0.043 mg/kg，是自制薯片中含量最高的。推測當浸泡液中的Cys為0.5%時，有效地抑制了美拉德反應，使AA形成量降低，進而減少了加合物的形成。市售的3個不同品牌薯片中AA含量在0.472～0.523 mg/kg，加合物未檢出，這可能是因為Cys在馬鈴薯中的含量極少，致使薯片中未能檢測出加合物。綜上，Cys預處理的薯片中AA含量明顯低于未經預處理的，且可測到一定量的加合物，可見Cys可有效降低薯片中AA的含量，消減的AA部分以丙烯酰胺-半胱氨酸加合物的形式存在。

表3 不同預處理的薯片中丙烯酰胺和半胱氨酸-丙烯酰胺加合物的含量Table 3 Contents of acrylamide and cysteine-acrylamide adducts in different potato chips

3 結論

Cys可有效消減AA的含量，并形成加合物。通過優化制備條件，得到純度高達95%的半胱氨酸-丙烯酰胺加合物，該加合物是由1分子Cys巰基與1分子AA烯基通過加成反應形成。加合物在Caco-2細胞上的細胞毒性明顯低于AA。在油炸前用0.3% Cys溶液浸泡的馬鈴薯片，其AA含量明顯降低，且可檢出一定量的半胱氨酸-丙烯酰胺加合物。可見，在薯片加工中Cys可通過與AA發生加成反應形成加合物，從而實現消減丙烯酰胺的目的。雖然薯片中半胱氨酸-丙烯酰胺加合物的檢出量明顯低于AA的消減量，AA的其它消減途徑有待更深入的探討，但本研究的方法為高溫加工食品中內源性污染物的風險控制提供了一個新的視角。