中国传统食品中丙烯酰胺的检测方法及控制措施

苏长顺， 薛 鹏， 张 淼， 武新雨， 袁 媛

（ 吉林大学 食品科学与工程学院， 吉林 长春 130062）

0 引言

丙烯酰胺（Acrylamide， AA） 为无色透明片状晶体， 易溶于水、 乙醇， 微溶于苯、 甲苯， 其毒性主要包括神经毒性、 遗传毒性、 生殖毒性、 免疫毒性及致癌性等[1]。 自2002 年在油炸薯片中发现高水平的AA 开始， 由AA 引起的食品安全问题已引起人们的高度关注。 联合国粮农组织和世界卫生组织联合食品添加剂专家委员会在第64 次、 72 次会议上2 次对AA 的安全问题进行评估并向公众警示， 在保证做熟的情况下尽量避免过度烹饪食品， 同时应注重平衡膳食， 减少油炸和高脂肪食品的摄入， 以确保食品安全[2]。

中国传统膳食由于其结构特点和加工方式， 可能会产生AA 等危害化合物。 因此， 阐明中国传统食品中AA 等的形成机制、 影响因素及控制措施， 对于进一步加强中国传统食品的安全性具有重要意义。

1 不同种类传统食品中AA 的含量

1.1 中国传统膳食结构

中国传统膳食结构以植物性食物为主， 主食为粮谷类食品（ 米、 面、 薯类等） ， 辅以各种新鲜的天然食品（ 水果、 蔬菜、 少量动物性食物等） ， 豆类及豆制品也占有重要位置。 肉类以猪肉和鸡鸭肉为主，牛羊肉食用量较少， 近海地区鱼虾摄入占比较高。烹调方法以蒸、 炒、 炖为主， 在中外饮食文化交流中， 熏、 烤、 煎、 炸等烹调方法逐渐增多[3]， 烹调形式的多样性也决定了中国传统食品中AA 含量的多变性。

1.2 传统食品中AA 含量

传统淀粉类食品中以煎炸方式烹调产生的AA 量高于蒸煮方式； 加工肉制品中AA 的含量范围为83～386 μg/kg， 且不同部位含量差别较大； 水产品中AA 的含量范围为36～148 μg/kg； 炒制蔬菜中AA 的含量范围为＜10～360 μg/kg。

中国传统食品中AA 分布情况[4-15]见表1。

表1 中国传统食品中AA 分布情况/μg·kg-1

在不同传统食品中， AA 含量主要受食物种类、加工或烹调方式的影响。 由表1 可知， 在谷物、 蔬菜和肉类食品中， 谷物食品中AA 含量最高， 肉类次之， 蔬菜最低； 在食物加工过程中， 蒸煮方式不产生或产生少量AA， 烘焙方式产生AA 的量相对偏高， 而煎、 炸、 烤等方式产生量极高， 主要是由于长时间高温状态下美拉德反应过度， 导致AA 的大量产生。

2 中国传统食品中丙烯酰胺的检测方法

2.1 气相色谱- 质谱联用法（GC-MS）

GC-MS 法以同位素稀释技术为基础， 将标有13C3 标记的AA 作为内标添加到样品中， 以进行多反应或选择性离子监测。 GC-MS 作用的被分析物要求具备一定程度的挥发性和热稳定性， 但是AA 很容易被热分解， 因此不可以直接被检测， 通常将其衍生化来增强反应的稳定性。

GC-MS 方法具有较高的灵敏度、 特异性， 但其不足是溴化衍生所需的时间长， 反应条件苛刻， 如AA 不经衍生， 则需要借助高灵敏度的气相色谱检测器， 如串级质谱、 氮磷检测器等， 但是样品回收率较低。

2.2 液相色谱- 质谱联用法（LC-MS/MS）

使用液相色谱方法时， AA 不需要衍生， 在传统的反相色谱中， LC 与UV 检测器或二极管阵列检测器的组合选择性低， 仅适用于高AA 含量的检测。 国标GB/T 5009.204—2014 将13C3 标记的AA 作为内标溶液， 基于稳定同位素稀释技术， 通过水溶剂萃取和纯化后， 利用LC-MS/MS 进行测定[16]， 该方法可直接测定， 过程简便、 快捷、 准确， 在食品中AA 的检测应用上更为广泛。

2.3 毛细管电泳法（CE）

CE 由高压直流场产生的电渗流驱动， 通过石英毛细管的熔融， 利用其内壁形成的分离载体， 由于电泳、 电渗和分子扩散的作用， 流动相与固定相之间的速度差使各组分被分离。 但AA 不带电， 要先被表面活性剂包裹或其他方法使其带电才能采用此方法进行高效分析。 CE 法测定食品中的AA 的主要优点是高效、 迅速、 检测品量小、 无需复杂的设备及预处理且灵敏度很高。

2.4 荧光生物传感法

Hu Qinqin 等人[17]首先发现的新型荧光生物传感法， 利用霍夫曼反应使AA 降解产生的乙烯胺与荧光物质反应， 生成的吡咯啉酮可以在波长480 nm 照射下发出强荧光， 荧光强度与AA 质量浓度呈正比。 从而根据光强测定出AA 质量浓度， LOD 值和线性范围值分别为0.015， 0.05～20 μg/mL。

该方法的优势在于其简单、 快速， 但不足之处在于只能用于可以发出紫外光的样品， 且与传统方法相比， 其灵敏度并不高， 容易受到食品基质干扰。

2.5 酶联免疫法（ELISA）

酶联免疫法利用抗原和抗体结合的高度特异性，结合酶催化产生颜色反应， 进而对样品进行迅速、定量的检测， 主要分为直接竞争法和间接竞争法。由于AA 是小分子， 只具有半抗原的性质， 不具备免疫原性， 所以必须将其与免疫性载体蛋白交联， 制备的耦合物完全抗原使动物机体免疫进而产生抗体[18]。

与传统方法相比， ELISA 法灵敏度高、 成本低、方便快捷， 并且不需要复杂的样品准备， 回收率高，但较难获得稳定性强、 高亲和力又稳定的抗体。

2.6 计算机视觉技术

美拉德反应生成AA 的过程有着明显的颜色变化。 通过计算机视觉技术将样品图像进行颜色分区，并对其进行分析处理， 建立食品中褐变率与AA 质量浓度之间的定量关系。 此法简便、 操作容易， 可实时在线监测食品中AA 的含量， 但其不足在于受物料、加工方式等因素影响， 只适合于AA 的初步筛查[19]。

3 中国传统食品中丙烯酰胺的控制措施

自AA 在食品中被发现以来， 由于其毒性、 致癌性等危害引起了人们的广泛关注， 其形成机理、 形成途径、 影响因素等也被人们广泛研究， 通过研究使人们能够从原理上寻找降低中国传统食品中AA 含量的方法， 从而为控制中国传统食品中AA 的含量提供理论依据。

3.1 AA 的形成机理

目前， 国际上普遍认可的AA 主要形成途径是天冬酰胺途径， 即还原糖与天冬酰胺在高温下发生美拉德反应。 而蛋白质、 碳水化合物和油脂等在高温条件下也能够产生AA[20-22]。

天冬酰胺途径生成AA 见图1。

图1 天冬酰胺途径生成AA

根据AA 的形成机理及形成途径可以推知， 在中国传统食品的加工过程中AA 的产生量会受到反应温度、 反应时间、 生产配方、 pH 值、 预处理方式、 氨基酸和还原糖的摩尔比等因素的影响。

3.2 传统食品中AA 的控制措施

3.2.1 控制加工温度

刘健南等人[23]在葡萄糖/ 赖氨酸模拟体系中研究发现在140～180 ℃条件下， 随着温度的不断增加体系中AA 含量不断增加且增幅超过100%， 在180～220 ℃条件下AA 的含量随着温度升高迅速下降， 其原因可能是随着温度的升高导致了葡萄糖的快速分解， 从而抑制了AA 的产生[24]， 所以可以通过控制加工温度而降低AA 的生成。

3.2.2 控制加工时间

柴晓玲等人[25]研究发现， 在天冬酰胺和葡萄糖反应的模拟体系中， 以固定温度不断加热， 在低于200 ℃反应条件下AA 的含量随着时间升高有明显的上升趋势， 当温度高于200 ℃时AA 的含量有明显的先上升后下降的趋势。 韩小存[26]在研究烧饼加工条件对AA 含量的影响过程中发现， 在190 ℃加工条件下随着烘烤时间的增加， 烧饼中AA 含量迅速上升， 与加工10 min 相比加工30 min 时烧饼内AA 含量上升了292.7%。 因此， 在实际生产操作中在确保不影响食品品质的前提下， 可以通过降低反应时间或在不超过200 ℃的条件下适当增加反应时间， 从而达到降低AA 生成的目的。

3.2.3 调整生产配方

研究显示， 在一些面食[27]的生产配方中通过减少蔗糖、 添加食盐发现， 2 种条件下均可以降低其中AA 的含量。 这是由于蔗糖分解为单糖会促进美拉德反应， 从而导致产品中AA 含量升高； 食盐则会抑制淀粉酶活性， 减少淀粉的分解， 降低还原糖的含量，从而降低AA 的产生， 但若添加过多的食盐反而会抑制酵母的作用， 从而促进AA 的生成。

3.2.4 调节pH 值

结果表明， 中性条件下最有利于AA 的生成， 而酸性条件下对AA 抑制效果最明显， 有学者通过将一些酸性物质添加至模拟反应体系中降低体系的pH值， 发现其对美拉德反应中的Schiff 碱的形成起抑制作用， 并对AA 的产生表现出明显抑制作用[28]， 所以可以用酸性溶液浸泡耐酸性原料来降低其pH值， 进而降低AA 的含量， 并且在一定程度上起到改善产品风味的作用。

3.2.5 控制AA 生成前体物质氨基酸和还原糖的含量

AA 主要是由天冬酰胺和还原糖反应产生， 所以这2 种物质含量的关系对AA 的生成有着很大的影响。 当反应物中2 种物质含量比例适当时， 产品中AA 的含量才会达到最大值； 当一种物质含量远低于另一种时， AA 的生成量就会大大降低。

与西方国家肉制品为主的饮食模式不同， 中国以粮谷类作为主食， 对于谷物类原料， AA 的生成量主要是与其中天冬酰胺的含量呈正比[29]， 不同种类的谷物淀粉中还原糖和天冬酰胺的含量不同， 所以可以选用天冬酰胺含量低的谷物来进行加工， 从而从生产原料降低AA 的生成。

3.2.6 控制食品中的水含量

在美拉德反应过程中， 含水量为12%～18%的条件下美拉德反应最为迅速， 结果表明， 含水量为10%的小麦粉在相同反应条件下所产生的AA 量是干燥小麦粉的10 倍左右[30]， 而当水分含量过高时则会稀释反应物， 进而降低美拉德反应速率， 从而减少了反应过程中AA 的生成。

3.2.7 加入AA 抑制剂

向食品中添加一些AA 抑制剂， 如金属离子、 维生素、 大蒜素、 胶体、 天然抗氧化剂（ 黄酮类） 、 氨基磷脂和卵磷脂、 硫磺酸类等[31]均能在不同程度上抑制AA 的产生。

（1） 金属离子。 温超[32]通过研究K+、 Ca2+、 Zn2+、Fe3+、 Al3+5 种金属离子对AA 的抑制作用过程中发现5 种金属离子均在不同程度上对AA 的生成起一定的抑制作用， 且抑制作用均随着金属离子浓度的增加呈现先升高后降低趋势， 其中Ca2+的抑制效果最好，其最高抑制率为71.3%， 但随着金属离子的浓度升高对AA 的抑制率明显下降， 并且在高浓度下不能显著降低AA 的生成量， 但其结果还有待进一步研究。

（2） 亲水胶体。 研究结果显示， 当果胶、 褐藻酸和黄原胶等亲水胶体的质量分数达到5%时， 会对一些油炸小吃中的AA 产生约30%的抑制率[33]。 此外， AA 的生成还受到原料在亲水胶体中浸泡时间长短的影响。

（3） 维生素。 Zeng Xiaohui 等人[34]在食品及Glu-Asn 模拟体系中研究发现维生素对AA 的生成有良好的抑制效果， 且水溶性维生素比脂溶性维生素对AA有更好的抑制作用， 其中维B 的抑制效果最为明显。

（ 4） 抗氧化剂。 馒头是典型的中国传统食品，Rikke Vingborg Hedegaard 等人[35]通过将1%迷迭香油、 迷迭香水提取物或干燥迷迭香叶子到小麦面团中， 结果发现馒头中的AA 含量分别降低67%，62%， 57%。 虽然3 种典型的抗氧化剂不能直接对AA 的合成起破坏或抑制作用， 但其氧化产物会直接破坏AA 或其前体物质天冬酰胺， 从而起到抑制作用。

（5） 硫醇。 Hidalgo F J 等人[36]研究表明在无氧条件下, 硫醇易与AA 发生反应并生成稳定的聚合物，从而降低AA 的含量。 在有氧条件下， 硫醇会转化成相对应的硫醇自由基， 可以诱导AA 聚合， 从而抑制AA 的生成。

（6） 加入天冬酰胺酶。 天冬酰胺酶会使食品原料中的天冬酰胺发生分解， 从而阻断AA 的生成， 但其存在并不会影响其他的氨基酸和还原糖发生美拉德反应， 因而不会影响食品的色泽和风味等感官性状。结果表明[37]， 在45 ℃条件下向面粉中添加10 U/g 的天冬酰胺酶能使其面制品的AA 含量降低90%以上。但由于使用酶对温度的要求较高， 所以在实际应用时应尽量控制其温度在酶的适宜活性范围内。

（7） 天然黄酮类。 天然黄酮类具有多种生物活性， 如抗肿瘤、 抗氧化、 抑制炎症等。 黄酮类化合物的分布极其广泛， 其主要存在于蔬菜、 水果、 香料和药用植物中。 此外， 天然黄酮类化合物还可以有效抑制AA 的合成。 ①黄酮醇： 张英等人[38]通过Glu-Asn 模拟体系试验研究发现， 黄酮醇对AA 的抑制率可达48.9%～69.3%， 且其酚羟基数量越多， 对AA 形成的抑制作用越强。 此外， 高瑜悦等人[39]通过研究黄酮类物质对AA 毒性的抑制作用过程中发现，黄酮醇还可以显著降低AA 的毒性。 ②黄酮苷： 黄酮苷是自然界中多种植物的次级代谢产物， 具有多种生物活性， 程璐等人[40]研究发现黄酮苷能够抑制甚至阻断AA 的形成过程， 并且在大多数情况下， 只需用黄酮苷浸泡、 喷洒或于配料过程添加， 就能使AA 大幅度减少， 同时对成品的感官特性不造成显著影响。③异黄酮： 异黄酮主要存在于豆科植物中， 而葛根素是从豆科植物野葛中提取得到的一种有代表性的异黄酮。 苗雨田等人[41]的研究表明当葛根素浓度在10-6～10-3mmol/mL 时， 葛根素浓度对AA 形成的抑制率呈正相关； 而在10-3～10 mmol/mL 浓度区间内， 葛根素浓度越高， AA 形成量越多； 其对AA 的抑制率为51.7%～84.7%。 ④类黄酮： 类黄酮是植物重要的一类次生代谢产物， 其中槲皮素是一种非常有代表性的类黄酮。 刘黄友[42]在研究天然黄酮对AA 的抑制作用过程中发现在Fru-Asn 模拟体系中槲皮素对AA的最佳抑制浓度为10-4mmol/L， 与其对应的最佳抑制率为69.30%， 显著抑制了AA 的生成。4 结论

中国传统食品中普遍含有不同量的AA， 整体上谷薯类食品的AA 含量大于肉类和蔬菜， 煎、 烤、熏、 炸等加工方式产生量多于蒸、 煮。 如今， 国际上已开发了包括GC-MS、 HPLC-MS/MS、 CE 等多种传统和新兴的检测方法， 通过大量的试验研究得到多种影响传统食品中AA 含量的因素， 并总结出相应的控制措施， 用于指导实际生产， 降低AA 的含量，减少中国传统食品中AA 危害， 最终保障消费者的身体健康。