食品中Maillard反应伴生化学危害物的形成机制与控制技术研究_金成

O COOH
H2N
NH2
天冬酰胺
O COOH
O O
O
+ R
O
OH 葡萄糖
-H2O H2N
N Schiff 碱
R OH
-CO2
H2N
N
R
H OH
唑 烷 -5- 酮 中 间 产 物
-CO2 O
O H2N
N +
H2N R
OH
O
亚 甲 胺 叶 立 德 （I）
H2N
N
R
+
OH
亚 甲 胺 叶 立 德 （II ）
172
中国食品学报
2011 年第 9 期
茎大小、机械损伤、贮藏条件及光照等[13]。 糖苷生 物碱除了影响食用和加工品质外， 还与马铃薯的 育种、栽培和储藏有密切关系。
波 兰 布 雷 斯 劳 农 业 大 学 的 Tajner -Czopek 等 [14] 在 2005—2008 年 间 对 马 铃 薯 加 工 过 程 （ 去 皮、预热、切分、热烫、油炸）中糖苷生物碱含量的 变化进行了研究， 结果表明削皮可除去原料中大 于 50%的糖苷生物碱， 经历整个加工过程后薯条 中留有 3%～8%的总糖苷生物碱。 在法式炸薯条的 加工过程中，α-茄碱和 α-卡茄碱的比例也会发生 一些变化，前者的相对损失多，二者的比例变化范 围可达（1∶2）～（1∶4）。 Friedman 报道[15]，薯条油炸后 可有效降低糖苷生物碱的含量， 但在 150 ℃下没 有作用， 到 170 ℃时糖苷生物碱含量开始显著下 降，在 210 ℃，10 min 可降低 40%的糖苷生物碱含 量。 遗憾的是上述研究工作均没有与 AA 相联系， 然 而 其 提 示 马 铃 薯 糖 苷 生 物 碱 （SGA） 在 油 炸 过 程 （170～210 ℃）中含量的显著下降，可能与此过程中 丙烯酰胺的形成密切相关。 作者前期对马铃薯糖 苷生物碱与其制品中高丙烯酰胺含量的关联性进 行了初步研究， 证实了热加工过程中马铃薯糖苷 生物碱对丙烯酰胺形成的促进作用， 具体作用机 制和途径有待进一步的研究。
第 11 卷 第 9 期
食品中 Maillard 反应伴生化学危害物的形成机制与控制技术研究
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认为， 油脂高温氧化产生的丙烯醛也会生成丙烯 酰胺[6-8]。现有的研究对于丙烯酰胺是典型 Maillard 反应条件[高温（120 ℃）、低湿（水分≤5%）]下的伴
生产物给予了良好的数据支撑。 迄今，尚未见从常 温（或低温）加工的液态（或高湿）食品中检出丙烯 酰胺的研究报道。
2 食源性丙烯酰胺对人体的潜在危害及 体内毒性评价
除了吸烟以外， 人类的丙毒暴露主要来自膳 食，即来源于富含淀粉的热加工食品[16]。FAO/WHO 食 品 添 加 剂 联 合 专 家 委 员 会 （JECFA） 组 织 了 全 球 范围的丙烯酰胺来源调查， 证实丙毒危害最大的 领域为油炸薯类制品， 其次为咖啡和谷物早餐食 品。 2007 年 4 月，JECFA 在北京召开了第一次食 品污染物会议， 已将制定 AA 的限量标准列入议 程， 首先限量的将是人类丙毒暴露量最大的油炸 薯类制品和谷物早餐食品[17]。
对世界上 17 个国家丙烯酰胺摄入水平 的 评 估 结 果 显 示 ， 一 般 人 群 平 均 日 摄 入 量 为 0.3～2.0 μg/kg bw，90～97.5 百分位数的高消费人群日摄入 量 为 0.6～3.5 μg/kg bw，99 百 分 位 数 的 高 消 费 人 群日摄入量为 5.1 μg/kg bw。 按体重计，儿童丙烯 酰胺的摄入量为成人的 2～3 倍，且由于儿童的肝、
应是一把双刃剑， 若反应过程控制不当， 极易产 生有毒、有害物质。 在化学成分对食品加工过程产 品安全性影响方面， 研究的焦点一般都集中在典 型的 Maillard 反应上。 该反应是羰基化合物（主要 为还原糖）与氨基化合物（氨基酸、蛋白质等）之间 的复杂反应， 是食品加工过程中一种必然的化学 反应过程，产生了包括类黑精、还原酮、杂环化合 物等复杂产物， 它们既是食品诱人色泽和浓郁芳 香等各种风味的主要来源， 也形成了一些对人体 健康存在危害的化学污染物。
H2O
O
H2N
-NH3 NH2
3- 氨 基 丙 酰 胺
+
O
R
N
源自文库
R
H
H
O
脱羧 Amadori 产物
O
H2N 丙烯酰胺
OH
图 1 热加工食品中丙烯酰胺形成的天冬酰胺途径 Fig.1 Pathway of acrylamide formation in heat-processing food
然而， 上述理论难以解释的一个重要现象是 “油炸马铃薯制品的高丙烯酰胺含量”， 即在完全 相同的加工工艺和加工条件下， 以马铃薯为原料 的油炸薯类制品所含的丙烯酰胺远高于其它淀粉 质原料（如甘薯、木薯、芋头等）制品，其含量水平 相差数倍乃至数十倍。 在上述淀粉质原料的鲜品 中，丙烯酰胺的前体物质（天冬酰胺和还原糖）含 量分别以 mg/kg 和 g/kg 级的水平存在。 随着脱水 过程的进行， 达到 Maillard 反应所需的低湿条件 （水分含量≤5%）时，底物的相对含量上升了近 20 倍，达到万分之几和百分之几的数量级，相对于其 产物丙烯酰胺的含量（μg/kg mg/kg）而言，基本不 构成底物限制。 马铃薯以外的其它薯类原料，特别 是 甘 薯 ，其 还 原 糖 含 量 （25.4～83.1 g/kg 鲜 重[9]） 和 天冬酰胺含量（3 200～4 500 mg/kg 鲜重[10]）均 远 远
马 铃 薯 （ 学 名 Solanum tuberosum） 为 茄 科 植 物，其植株和块茎中普遍含有有毒、有异味的糖苷 生物碱 （成熟马铃薯块茎中的糖苷生物碱含量一 般在 30～100 mg/kg）。 糖苷生物碱（Glycoalkaloid） 是一类含氮的类固醇基与糖基通过 3-O-糖苷键 所组成的甾类化合物，属植物次生代谢产物，主要 分布于茄科和百合科中。 糖苷生物碱在马铃薯块 茎中的积累是一个复杂的过程， 其含量与多种因 素有关，如品种、土壤、气候、肥料、采收成熟度、块
丙 烯 酰 胺 （Acrylamide，俗 称 丙 毒 ）是 Maillard 反应伴生的食品中内源性化学污染物的典型案 例。 现有的研究认可的丙烯酰胺形成途径主要有 2 条， 即与美拉德反应相关联的天冬酰胺途径及 与油脂氧化相关联的丙烯醛途径。 有关丙烯酰胺 在 Maillard 反应过程中形成的主要机制是由英国 Leeds 大 学 的 Mottram 和 瑞 士 雀 巢 研 发 中 心 Stadler 等人 提 [2-3] 出的，且主 要 是 从 模 式 反 应 体 系 中得到。 他们认为天冬酰胺和还原糖在高温加热 过程中通过一系列的中间反应生成丙烯酰胺，即 “天冬酰胺途径”（如图 1 所示）， 且丙烯酰胺在温 度高达 120 ℃时才产生，到 170 ℃时达到最高量， 随后下降；温度 185 ℃以上则检测不到丙烯酰胺。 Yaylayan 等[4]报 道 了 天 冬 酰 胺 和 还 原 糖 是 美 拉 德 反应中丙烯酰胺形成的主要前体物质。 Zyzak 等[5] 通过同位素（15N 和 13C）示踪，证明 AA 分子中的氮 原子和碳原子均来源于天冬酰胺。 另一些研究则
关键词 美拉德反应； 化学危害物； 形成机理； 控制技术 文章编号 1009-7848（2011）09-0170-06
食品加工过程中产生的化学危害物， 通常是 食品产业中长期存在的重大安全隐患， 与人类多 种慢性疾病和癌症的发生密切相关， 是全人类需 要解决的共性问题。 由于人们对常规加工过程具 有较高的认同度， 所以很多食品加工过程中产生 的危害物被长期忽视。 随着生活方式的转变，高蛋 白、高油脂食品消费比重越来越大，曾经被忽视的 食品内源性化学污染物彰显其危害效应。 根据美 国疾控中心公布的数据，预计 2011 年在美国食源 性疾病中仅有 20%来自于致病菌等常规食源性危 害物， 而 80%则来自于加工过程或者环境变化产 生的危害物，以及新原料、新工艺、新物种等导致 的危害[1]。 本文重点阐述在食品加工过程中 Maillard 反应伴生危害物的形成机制与控制技术的研 究现状、存在问题和发展方向。
3 Maillard 反应伴生的其它化学污染物
在美拉德反应的最终阶段， 初级和中级反应 阶段形成的众多活性中间体， 如葡萄糖酮醛、3DG、3，4-二 DG、HMF、 还原酮类、 不饱和醛亚胺 等，又可继续与氨基酸反应，最终都生成类黑精。 此阶段反应相当复杂， 包括醇醛缩合、醛氨聚合、 环化合反应等， 其反应机制尚不清楚。 除类黑精 外，此阶段还会生成一系列美拉德反应的中间体。 生成的黑色素无特定的结构， 是相对分子质量相 当高的含氮、含氧化合物，有着各种各样的构成单 位 ， 如 C18H27O12N、C19H30O16N3、C17H19O9N 等 。 1984 年，Pongor 首次将这类物质 命 名 为 糖 基 化 终 末 产 物 （AGEs），这 些 产 物 大 多 带 有 棕 黄 色 荧 光 ，具 有
高于马铃薯【注：据文献报道，天冬酰胺在马铃薯 中的含量最高可达 939 mg/kg[11]）；而加工薯片要求 马 铃 薯 块 茎 的 还 原 糖 含 量 低 于 鲜 重 的 0.3%， 加 工薯条要求不超过 0.4%[12]】，然 而 ，在 相 同 的 预 处 理和热加工条件下， 甘薯制品中 AA 的含量却远 低于马铃薯制品（p＜0.001）。
食品中 Maillard 反应伴生化学危害物的形成机制 与控制技术研究
金 成 章 宇 陆柏益 张 英 * （浙江大学生物系统工程与食品科学学院食品科学与营养系 杭州 310058）
摘要 食品加工过程中产生的化学危害物，通常是食品产业中长期存在的重大安全隐患，与人类多种慢性疾病 和癌症的发生密切相关，是全人类需要解决的共性问题。 本文重点阐述在食品加工过程中 Maillard 反应伴生危 害物的形成机制与控制技术的研究现状、存在问题和发展方向。
肾功能尚未发育完全，造成的危害更大。 人群 AA 的主要膳食来源为炸薯条 （16%～30%）、 炸薯片 （6%～46%）、咖 啡 （13%～39%）、饼 干 （10%～20%）、 面包（10%～30%）。 JECFA 根据各国的调查资料， 认 为 人 类 的 平 均 摄 入 量 大 致 为 1 μg/kg bw/d，而 高消费者大致为 4 μg/kg bw/d， 其中包括儿童[18]。 可见， 各类食品中油炸马铃薯制品是丙烯酰胺危 害的高风险领域，且儿童为高风险群体。
1 热加工食品中丙烯酰胺形成的机制研究
Maillard 反应是食品加工过程中重要的反应 之一，在食品烘焙、咖啡加工、肉类加工、香精生 产、制酒和酿造等领域广泛应用。 然而，Maillard 反
收稿日期： 2011-10-23 基金项目： 国家“十一五”支撑计划项目（2009BADB9B07）；
国 家 “973” 计 划 项 目 （2012CB720806）； 浙 江 省 竹 产 业 创 新 团 队 项 目 （2009R50030） 作者简介： 金成，男，1988 年出生，博士生 通信作者： 张英
DOI:10.16429/j.1009-7848.2011.09.009
第 11 卷 第 9 期 2 0 1 1 年 12 月
中国食品学报
Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology
Vol． 11 No． 9 Dec． 2 0 1 1
国 际 癌 症 研 究 机 构 （IARC）将 丙 烯 酰 胺 列 入 2A 组“人类可能的致癌物”，其致癌性并不是直接 体现出来的。 膳食中存在的丙烯酰胺仅是一种准 致癌物，摄入体内后，经肝脏细胞色素 P450 的代 谢发生环氧化，形成强致癌活性的环氧丙酰胺。 动 物试验表明， 丙烯酰胺和环氧丙酰胺在实验大鼠 各组织中均有分布，包括血液、肝脏、肌肉、脑、脾、 睾丸、心脏、肾等。 近期研究发现，丙烯酰胺和环氧 丙酰胺能透过胎盘屏障进入胎儿的血液循环中， 且环氧丙酰胺还有可能结合到胎儿的 DNA 中，严 重威胁人类健康。 丙烯酰胺的体内代谢途径（包括 产毒和脱毒）如图 2 所示。 对食源性丙烯酰胺的体 内毒性进行研究， 是综合评估人类丙毒风险的重 要基础性工作。 然而，丙烯酰胺的体内代谢产物十 分复杂，必须借助高技术手段才能展开研究。 例如 通过建立丙烯酰胺、 环氧丙酰胺及其各生物标志 物和代谢产物的同步定量检测方法， 为食源性丙 烯酰胺体内致癌作用及其综合风险的评估提供基 础性资料。