辐照预处理对天冬酰胺葡萄糖模拟体系中丙烯酰胺生成的影响

石 燕,柳军凯,涂宗财,,*,王 辉,黄小琴,尧思华,陈智韡,张 璆

(1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,南昌大学食品科学与工程系,江西南昌 330047；2.江西师范大学生命科学学院,江西南昌 330022)

石 燕1,柳军凯1,涂宗财1,2,*,王 辉1,黄小琴2,尧思华1,陈智韡1,张 璆1

(1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,南昌大学食品科学与工程系,江西南昌 330047；2.江西师范大学生命科学学院,江西南昌 330022)

采用60Co-γ分别对天冬酰胺、葡萄糖进行辐照处理后,将其混合得到天冬酰胺-葡萄糖模拟体系,分别在不同的油浴温度和时间下使其发生反应,研究辐照剂量对模拟体系中丙烯酰胺的生成量和褐变程度的影响,并建立褐变程度与丙烯酰胺生成量的相关性。结果表明:随辐照剂量的增大,丙烯酰胺的生成量呈现先减小后增大的趋势；60Co-γ不同剂量预处理后的天冬酰胺-葡萄糖的模拟体系在高温油浴中反应后,褐变程度与丙烯酰胺的生成量之间有一定的相关性。

辐照,模拟体系,美拉德反应,丙烯酰胺,褐变

丙烯酰胺(Acrylamide,AA)是天冬酰胺与还原糖之间美拉德反应的产物,通常在120℃以上高温油炸、煎炸或烧烤条件下产生[1],经高温加工的富含碳水化合物食品(如法式炸薯条和土豆片)会产生一定量的AA[2]。研究发现,AA不但有致癌性,还具有神经毒性和潜在的生殖毒性和遗传毒性[3-5]。鉴于AA在食品中的广泛分布及其潜在危害,对人类的食品安全造成了严重的威胁,已经成为食品安全领域关注的热点。AA的产生与食品加工和贮藏方式密切相关,因此,研究食品加工和贮藏方式对AA生成的影响在食品的安全生产方面具有重要的指导意义。

电离辐射是一种非热处理加工技术,被广泛应用于食品加工和贮藏,可灭菌、杀死食品中的昆虫和寄生虫从而延长食品的货架期[6-7]。研究辐照食品中AA的生成及其变化规律对食品的安全加工和控制有重要意义。据报道,1954年Robert B. Mesrobian[8]研究发现γ-射线照射AA固体可使其发生聚合作用,使AA含量减少；Xue Tong Fan[9]用0～1.5kGy的γ-射线照射AA水溶液,AA含量从1000ng/mL降到接近20ng/mL,减少了98%；Xue Tong Fan[9]对葡萄糖-天冬酰胺混合溶液进行辐照处理后,未检测到AA；以上研究表明,单纯辐照食品原料可能不会促进AA的生成,但是辐照预处理后对后期食品加工过程中AA的生成有何影响,目前还没有相关报道。因此,本实验以天冬酰胺、葡萄糖固体样品为研究对象,采用不同辐照剂量对其分别预处理后,将其混合形成天冬酰胺-葡萄糖模拟体系,研究模拟体系在高温油浴中反应生成的AA和褐变程度的变化,并建立其褐变程度与AA生成量的相关性,为经辐照预处理后的食品加工的安全控制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

丙烯酰胺标准品 分析纯,阿拉丁试剂(上海)有限公司；L-天冬酰胺(纯度≥99%) 索莱宝生物科技有限公司；葡萄糖(纯度≥99%) 阿拉丁试剂(上海)有限公司；甲醇 色谱纯,美国天地(TEDIA)试剂公司。

钴60型辐照装置 北京原子高科金辉辐射技术应用有限责任公司；D-2000型高效液相色谱仪 日立(日本)公司；反相C18柱(250mm×4.6mm) 美国菲罗门公司；HH-S型智能型数显恒温油浴槽 金坛市成辉仪器厂；ML104型电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；10mL的耐压玻璃管 北京博美玻璃仪器公司；HF-2000型酶标仪 北京华安麦科生物技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品辐照预处理 将天冬酰胺和葡萄糖分组包装在自封袋中,每组天冬酰胺和葡萄糖各一袋,均各为50g,真空包装。包装好的样品送去辐照中心用60Co-γ在0、2、4、6、8kGy剂量下辐照处理2d；天冬酰胺和葡萄糖固体按摩尔比1∶1混合均匀,按上述操作在60Co-γ中辐照不同剂量,检测其AA含量。

1.2.2 模拟反应体系的建立 天冬酰胺-葡萄糖模拟体系:将经不同剂量辐照的天冬酰胺和葡萄糖按摩尔比1∶1溶于超纯水中,配制成浓度均为0.1mol/L的溶液100mL,未辐照的天冬酰胺-葡萄糖体系作为对照。然后取1mL样液到耐高压玻璃管中,置于油浴锅中分别在150、160、170℃下加热40、50、60min。反应结束后,迅速将反应体系在冰水浴中冷却终止反应,然后用漩涡混合器混匀,将反应物于2000r/min下离心10min,取上清液冷藏待用。

1.2.3 模拟体系中AA含量的测定 参考Y.Yuan[10]的AA检测方法,采用高效液相色谱-紫外检测法。反应物过0.22μm水系滤膜,用 HPLC系统测定反应体系中的AA含量,流动相为甲醇-水,体积比为2∶98,流速 0.5mL/min,柱温为30℃,进样量10μL；紫外检测器,波长205nm。用超纯水配制成质量浓度分别为3.0、5.0、10.0、20.0、50.0、70.0、100.0μg/mL 的AA标准溶液,按上述色谱条件进行分析。以AA浓度(μg/mL)为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制AA标准曲线,回归方程为Y=226232X+32662,相关系数R2=0.9992。样品分析也按上述色谱条件进行,样品的测定平行三次进行。

1.2.4 模拟体系褐变程度的测定 模拟体系的褐变程度用反应产物在波长450nm下的吸光值(A450)表示[11]。被测溶液分别用超纯水稀释使其吸光度小于2.5,以保证仪器测量的精确度,即分别将经160℃和170℃加热的模拟体系反应液稀释5倍和10倍,150℃模拟体系反应液不稀释。将上述稀释后的溶液分别加入到96孔培养板,每孔150μL,用HF-2000型酶标仪测定各反应产物的A450。平行三次测定反应产物褐变程度。

1.2.5 数据处理 实验数据采用Origin8.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 反应体系中 AA 的含量分析

图1为不同辐照剂量预处理的样品,在不同加热温度、反应时间下天冬酰胺-葡萄糖模拟体系产生AA的量。由图1可知,在同一反应温度和时间下,AA的量均随辐照剂量的增加呈现先减少再增加的趋势,在2kGy或4kGy辐照剂量下达到最小值,8kGy时与未辐照天冬酰胺-葡萄糖模拟体系AA的量基本持平。这说明辐照预处理使样品发生了改变,肉眼观察发现,天冬酰胺固体辐照后颜色明显泛黄,且剂量越大变化越明显,参照叶德太[12]等人的研究结果,这可能是由于低剂量辐照时,天冬酰胺受到辐照发生分解,在表面及内部均匀形成黄色的分解产物,从而造成天冬酰胺的损失,表现为AA量减少,刘华[13]和骆文正[14]等人的研究也表明,辐照可以造成氨基酸的损失；高剂量辐照时,由于在天冬酰胺固体表面能很快形成较多的黄色分解产物,从而使光的吸收和反射发生改变,对内部天冬酰胺起到了保护作用,减少了内部天冬酰胺受辐照分解造成的损失,同时,加热过程中高剂量产生的黄色分解产物有可能参与AA的生成,故8kGy时达到或超过未辐照样品的AA的量；从图A、B、C中可以看出,同一剂量、同一温度下,AA产量均随时间的增加呈现增大的趋势,2kGy处 160℃下加热50～60min,AA的产量变化最大,由8.397μg/mL增大到49.3592μg/mL,增大了约6倍,这可能是2kGy处某种AA前体物质在160℃下加热50min时得到大量积聚,60min加热时快速转化生成了大量AA,而AA的降解速度并未随之加快,故AA的量呈现较大的变化,其它几个剂量也可以做类似的解释；不同剂量辐照过的天冬酰胺和葡萄糖混合固体中并未检测到AA,AA标准品的保留时间为7.93min,这与天冬酰胺和葡萄糖固体混合物的保留时间(5.96min左右)不一致,结合Mesrobian[8]和Xue[9]的实验,进一步证明单纯辐照食品原料不会促进AA的生成。

图1 不同温度加热,反应时间、辐照剂量 与丙烯酰胺生成量的关系Fig.1 Effect of irradiation dose and heating time on acrylamide generation at different reaction temperatures注:A,150℃,B,160℃,C,170℃,图2同。

2.2 褐变程度的变化

图2为不同辐照剂量预处理的样品在不同加热温度、反应时间下天冬酰胺-葡萄糖模拟体系的褐变程度(A450)结果,吸光值按1.2.4的稀释程度扩大相应倍数。褐变程度可以反映体系美拉德反应的程度,从图中可知,在150℃和160℃下反应时,在同一反应温度和时间下,模拟体系的褐变程度随辐照剂量的增加呈现先减少再增加的趋势,2kGy或4kGy处出现最小吸光值,褐变程度最小；但随温度的升高达到170℃时,模拟体系的褐变程度呈现不同的趋势,在同一反应温度和时间下,模拟体系的褐变程度随辐照剂量的增加呈现先增加后减小再增大的趋势,在2kGy处出现最大吸光值,6kGy处出现最小吸光值；在同一辐照剂量下,褐变程度均随温度和时间的增加呈增大趋势。由此可知,辐照和后续加热温度对天冬酰胺-葡萄糖模拟体系褐变程度有较大影响且表现为一定的交互作用,温度较低时,低剂量辐照抑制褐变,高剂量促进褐变；温度较高(≥170℃)时,辐照对褐变有促进作用,相对高剂量,低剂量辐照的促进作用更大。

图2 不同温度加热,反应时间、 辐照剂量作用下反应产物的褐变程度Fig.2 Effect of irradiation dose and heating time on the degree of browning at different reaction temperatures

2.3 褐变吸光值与丙烯酰胺生成量的相关性

图3为辐照预处理后的天冬酰胺-葡萄糖模拟体系在150、160、170℃下加热AA生成量与褐变程度的相关性,其对应的相关系数R2=0.89063,这一结果与Arda Serpen[15]等通过色差值a*研究油炸土豆片颜色与AA含量相关性的结果相一致,这说明辐照预处理后的天冬酰胺-葡萄糖模拟体系的褐变程度与AA的形成具有一定的相关性,美拉德反应程度的加剧会促进AA的产生。

图3 模拟体系丙烯酰胺量同褐变程度的相关性Fig.3 Correlation between amounts of acrylamide and the degree of browning in the model system

3 结论

60Co-γ辐照预处理天冬酰胺和葡萄糖后对其混合模拟体系在高温油浴中反应后AA的产生具有较大影响,随辐照剂量的增大,AA的量呈现先减小再增加的趋势,即低剂量下辐照对AA的生成有抑制效果,随剂量增大抑制效果降低,这可能是不同辐照剂量使天冬酰胺发生分解且不同分解产物对AA生成的作用不同造成的；辐照对天冬酰胺-葡萄糖模拟体系褐变程度有较大影响,整体呈现抑制效果,但升高温度(≥170℃)或增大辐照剂量(≥6kGy),褐变程度可能会随之增大；60Co-γ不同剂量处理的天冬酰胺和葡萄糖的模拟体系经高温油浴,产生的褐变与AA的生成之间有较好的相关性。

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Effect of irradiation pretreatment on the formation of acrylamidein the model system of glucose and asparagine

SHI Yan1,LIU Jun-kai1,TU Zong-cai1,2,*,WANG Hui1,HUANG Xiao-qin2,YAO Si-hua1,CHEN Zhi-wei1,ZHANG Qiu1

(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology and Department of Food Science andEngineering,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2. College of Life Science,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

In this work,asparagine-glucose model system was reacted under different temperature and time in the oil bath after asparagine and glucose pretreated by60Co-γ irradiation,respectively. The effect of irradiation dose on the formation of acrylamide,the browning and the correlation between browning and acrylamide of the model system during reaction were studied. The results indicated that the acrylamide amount was decreased firstly and then increased with the irradiation dose increasing. There was a good linear correlation between acrylamide content and the browning degree in the glucose-asparagine model system during reaction after Gamma-Ray(60Co)pretreatment.

irradiation；model system；maillard reaction；acrylamide；browning

2014-03-17

石燕(1964-)，女，博士，教授，研究方向：微胶囊技术在食品中的应用。

*通讯作者:涂宗财(1965-)，男，博士，教授，研究方向:食物资源的开发与高效利用。

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB126314);江西省重大科技创新研究项目(20124ACB00600)。

TS201.1

A

1002-0306(2015)03-0070-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.005