烘焙食品中丙烯酰胺的毒性及其减控技术研究进展

周小理 ，段梦杰，崔琳琳，周一鸣*

1. 上海应用技术大学香料香精技术与工程学院（上海 201418）；2. 上海应用技术大学，美丽中国与生态文明研究院，上海高校智库（上海 201418）；3. 上海商学院酒店管理学院（上海 200235）

随着我国经济不断发展、人们生活水平提高和健康意识的增强，食品安全逐渐成为备受关注的焦点。食品安全不仅是一个全球性的问题，也是中国当前面临的挑战之一[1]。如今作为食品工业重要分支的烘焙食品产业发展迅速（见图1），并且正朝着新鲜、营养、方便、安全、规模化发展，同时引起人们对安全食品的多方位关注（见图1）。

图1 中国烘焙食品现状及消费者关注点

热加工是焙烤食品生产过程中必不可少的一个步骤，不仅可延长食品的保质期，而且赋予食品独特的风味和色泽[2]。然而，热加工过程中所发生的美拉德反应（Maillard reaction，MR）可诱导食品氧化，形成多种对人体健康有潜在危害的副产物[3]。在1994年，国际癌症研究机构（IARC）将AM列入“可能的人类致癌物（2A类）”[4]。后续大量研究表明，AM对人体健康具有一定的毒性作用[5]。在2002年瑞典国家食品管理局（Swedish National Food Administration，SNFA）研究人员首次在油炸食品中发现AM，并证明AM广泛存在于热加工食品中[6]。

因此，探索烘焙食品中AM形成的动力学因素，在保证烘焙食品品质的同时，选择一种持续缓解烘焙食品中AM形成的方法成为新的研究热点。

1 丙烯酰胺的形成机理

丙烯酰胺（acrylamide）一种广泛应用于工业的化学品，在常温下，是一种无特定颜色和气味的小分子乙烯基化合物。经过多年研究人员的探索，2003年Adam等[7]和Zyzak等[8]采用同位素示踪法证实丙烯酰胺的酰胺基上碳原子和氮原子主要来源于天冬酰胺，即天冬酰胺是形成丙烯酰胺的重要前体化合物（如图2所示）。

图2 天冬酰胺和丙烯酰胺结构式

研究表明，在天冬酰胺的存在下，MR是各种食物中形成AM的主要途径。AM的形成过程大致是（如图3所示）：还原糖与天冬酰胺经过脱水和N-糖基化共轭生成希夫碱（schiff碱），由schiff碱形成AM。主要途径有2条：一是schiff碱发生分子内环化形成5-恶唑烷酮中间体，该中间体脱羧后重排形成脱羧Amadori产物，该产物高温下C—N键断裂生产AM；二是schiff碱脱羧生成亚甲胺叶立德（Ⅰ，Ⅱ），经重排后通过3-氨基丙酰胺脱氨基生成AM[3]。

图3 AM形成的过程

2 丙烯酰胺的吸收、代谢及对健康的影响

研究指出，对于一般人群，除了通过化妆品、包装材料及抽烟等途径吸收AM外，大部分经口摄入，且食物的摄取被认为是人体吸收AM最迅速、最完整的途径之一。其中，环境中暴露的AM约25%被皮肤吸收。对于食物中的AM通过血液循环系统广泛分布于体内各个组织，如大脑、心脏、肝脏、肾脏中，并在此过程中对肌体造成损害[9]。

在体内，AM在细胞色素酶催化反应后代谢为致突变性和遗传毒性的环氧型丙酰胺，如图4所示，该代谢可在啮齿类动物和人类中发生。AM和环氧丙酰胺能与血红蛋白、DNA等大分子反应形成加合物。与DNA形成加合物很可能引起毒性，并具有致癌潜力[10]。

图4 AM在人体内的膳食吸收与代谢[10]

大量研究发现，日常进食的薯片、面包等食物因含有较高的淀粉且经过高温油炸、烘烤等加工过程，AM含量较普通食品偏高[11]。AM对人体具有一定的毒理学效应，其对人类的毒理学效应包括神经毒性、遗传毒性、免疫毒性和潜在的致癌性（表1）。

表1 丙烯酰胺的毒性作用

3 丙烯酰胺的限量标准

近年来各国政府和国际组织对丙烯酰胺愈发重视。由于AM在食品中的含量跨度比较大，联合国粮农组织/世界卫生组织（FAO/WHO）、食品添加剂专家委员会（JECFA）等国际组织都未有AM耐受量的相关标准，仅部分规定包装产品标注要求及一些操作规范。如美国加利福尼亚洲65号提案指出对于含有AM的食品，要在包装袋上注明含有AM及2009年食品法典委员会制定的《减低食品中丙烯酰胺的操作规范》[18]。在2017年4月11日，欧盟正式实施关于丙烯酰胺的法案COMMISSION REGULATION（EU）2017/2158。法案规定包装食品中含有AM的基准水平[19]（表2）。2019年9月国家食品安全风险评估中心（CFSA），重新启动AM评估项目，并将AM的风险监测纳入2020年的食品安全风险监测计划之中。我国虽没有明确所有食品AM的限量标准，但有明确的测定标准[20-21]。

表2 欧盟实施的包装食品中丙烯酰胺基准水平

4 丙烯酰胺的减控措施

影响烘焙食品中AM的因素包括面粉的质量、前体物质浓度、热加工方法等。焙烤食品从原材料到最终产品的每个阶段都可以采取不同的手段降低AM的最终水平。

4.1 原料的预处理

天冬酰胺和还原糖是烘焙食品中AM生成的重要前体物质，减少原材料中形成AM的前体物质可以降低AM水平。研究农作物种植因素对天冬酰胺含量的影响，可以从源头上控制AM前体物质的含量[3]。部分研究用小麦粉为原料，白藜麦粉代替部分小麦粉为原料来制备饼干，结果显示，白藜麦粉饼干AM含量相对较低[22]。

同时，研究指出酵母菌发酵消耗AM前体物质天冬酰胺可以使面包AM含量减少40%～60%[23]。

4.2 加工条件的控制

在烘烤过程中，控制烘烤的温度和时间也是调控AM形成的有力措施，但这会影响热传导效率。研究表明通过对传统烘焙条件进行优化并与现代加工工艺相结合，可以在保证热传导效率的同时降低AM[24]。Baskar等[25]选用真空组合烘焙饼干，未观察到AM形成。Gözde等[26]研究发现，射频加热处理，在较短时间内，曲奇中的AM含量较对照组降低30%。

4.3 微生物发酵处理

有研究报道乳酸菌（LAB）等益生菌类微生物，能够有效降低面包中的AM含量。Albedwawi[27]利用含有植物乳杆菌、短乳杆菌等菌株的酸面团制备面包，可减少高达84.7%的AM形成。同时，Nachi等[28]评估了实验室菌株对小麦酸面包中AM含量的抑制作用，与对照组相比，副干酪乳杆菌发酵的面包中的AM含量降低45%，且得到的面包更受品尝者的喜爱。因此，添加益生菌可能是降低烘焙食品中AM水平的一种很有前景的方法。

4.4 生物酶法处理

在食品配方中添加天冬酰胺酶、葡萄糖淀粉酶等酶类也是一种减少AM形成的有效手段。其中，天冬酰胺酶抑制AM形成的机制主要有2种：一是通过水解反应将天冬酰胺转化为氨和天冬氨酸；二是通过乙酰化反应将天冬酰胺转化为N-乙酰-L-天冬酰胺，从而减少AM的生成[29]。如在烹饪或者加工之前，在原料中添加天冬酰胺酶，在不影响产品色泽和风味感官特性的情况下，将AM含量降低90% 以上[30]。

葡萄糖淀粉酶主要通过减少发酵过程中还原糖的含量抑制AM的形成，适用于谷类产品[31]。

4.5 添加剂处理

4.5.1 阳离子添加剂预处理

研究表明，使用不同的一价和二价离子会减少AM的形成。这可能是因为天冬酰胺或相关中间体上的荷电基团与小麦面粉中添加的离子之间存在离子关联。将钙和镁以氯化物形式添加到玉米面包中，在产品中，AM分别降低74%和52%[32]。Gökmen等[33]报导了类似结果，在天冬酰胺-葡萄糖模型系统中，AM随着0.5～5 μmol/L NaCl浓度的增加而减少。

4.5.2 氨基酸添加剂预处理

研究发现，将甘氨酸添加到小麦粉中，会显著降低AM的生成量[34]。这是因为在发酵面团中加入甘氨酸可能导致酵母发酵，使得面包中AM含量显著降低。另外有研究选用模拟反应体系研究7种氨基酸（甘氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、天冬氨酸、谷氨酸）对AM形成效果，发现半胱氨酸的作用效果最为突出，降低率达到70.6%[35]。

4.5.3 抗氧化剂类物质

天然植物提取物作为绿色天然的化合物，关于其抑制AM形成的研究多有报道。如利用石榴花提取物（0.07%）与维生素B3（1.97%）抑制甜甜圈中AM含量，结果显示AM含量降低85%[36]。降低AM还可以添加抗氧化剂，如在热处理前将多酚、类黄酮等添加到面团中，有助于抑制AM的形成[37]。

5 结语

研究人员试图寻找一种不仅可以保证焙烤食品品质，而且可以最大限度地减少AM生成的科学方式来减少对人体的危害。因此，探索AM形成机理、AM毒性及AM相关的限量标准，并对减控AM含量的可能途径进行探讨，为可持续减控焙烤食品中AM的研究提供一定借鉴。对优化我国烘焙工业、保障我国食品安全，以及食品安全标准的建立具有重要指导意义。