食品污染物丙烯酰胺的研究进展

许 杰，赵 力，王 婧，吴鸿亿

（重庆三峡学院生物与食品工程学院，重庆 404120）

AA 是一种分子量为70.08，无色无味并且具有良好水溶性的有机化合物[1-2]。研究发现，某些食品在高温油炸或烘烤过程中会产生AA，而土豆、饼干、咖啡和谷物类等是产生AA 的典型食品[3-4]。国际癌症机构于1994 年宣布AA 为可能致癌物[5]，此外，AA 还具有神经毒性、遗传毒性等毒性[6]。美拉德反应被认为是生成AA 的主要原因，并且原料中的还原糖和天冬酰胺是美拉德反应生成AA 的主要前体物质[3，7]。民以食为天，而食品中的AA 无疑是对人体健康产生危害的巨大威胁。因此，对AA 的形成机理、毒性以及控制措施进行了综述，旨在为减轻或消除AA 对人体的毒害作用，控制食品中AA 的含量并保证食品安全提供科学依据和研究思路。

1 AA 的形成机理

研究表明，AA 的形成与食品加工过程中食物中的氨基和羟基发生缩合反应有关[8]，其可能形成途径主要包括天冬酰胺途径和丙烯醛途径[6]。

天冬酰胺途径是产生AA 的主要途径[9]。天冬酰胺途径是在美拉德反应初期，游离天冬酰胺的氨基与还原糖的羰基相互作用生成不稳定的Schiff 碱，而后Schiff 碱经Amadori 重新排列生成Amadori 产物，该产物的C-N 键断裂生成AA[10]；此外，Schiff 碱可脱羧或水解生成亚甲胺叶立德和3- 氨基丙酰胺（3-APA），3-APA 进一步脱氨或甲胺叶立德直接生成AA[11]。

丙烯醛途径是形成AA 的次要途径[12]。富含脂质的食品在高温加热过程中，油脂分解生成脂肪酸和丙三醇，而后脂肪酸和丙三醇分别氧化和脱水均可生成丙烯醛，丙烯醛则与含胺类化合物在高温条件下分解产生的氨类物质进一步反应生成AA[8]。

2 AA 的毒性作用

2.1 生殖毒性

大量研究结果显示，AA 对动物具有生殖毒性。Wei Q 等人[13]发现，雌性小鼠暴露于高剂量AA 可显著降低体重、脏器重量和黄体酮浓度。Gao J 等人[14]研究发现，AA 可通过减小雌鼠发泡卵母细胞的直径、精子结合能力、孤雌激活和体外受精率以及破坏卵母细胞的染色质构型、线粒体分布和膜电位减弱发泡卵母细胞的发育潜能。Aras D 等人[15]的研究发现，体内AA 暴露会使小鼠卵母细胞的成熟明显受损，并且AA 的代谢产物环氧丙酰胺体外暴露可直接干扰卵母细胞的成熟分裂，表明AA 对女性生殖细胞的毒性可能是通过其代谢产物环氧丙酰胺发生的。

相关研究表明，AA 能减少雌鼠的卵母细胞数量，增加活性氧含量，并降低DNA 和组蛋白甲基化水平，从而使其生殖能力下降[16]；Duan X 等人[17]也研究发现AA 处理雌性小鼠后，卵母细胞的DNA 和组蛋白的甲基化水平降低，并且导致小鼠卵巢重量下降、氧化应激和卵母细胞早期凋亡。

Wang H 等人[18]的研究结果表明，高剂量AA 处理对雄性大鼠的生长发育有抑制作用，附睾精子数量减少，生殖细胞数量急剧减少，并且导致睾丸组织病理学病变。Trigg N A 等人[19]发现雄性小鼠的精子sncRNA 对AA 具有急性敏感性，AA 暴露会改变与sncRNA 表达有关的几种转录因子的丰度，从而导致其在早期胚胎发育过程中基因表达失调。Recio L等人[20]研究表明，AA 暴露可影响大鼠睾丸的肌动蛋白丝组织、钙信号通路以及细胞增殖相关基因的表达水平，从而影响Ca2+调节信号通路和活性氧，引起氧化应激，影响精子的形成。田素民等人[21]研究发现，AA 可增加断乳期雄性大鼠精子的畸形率，且畸变率与摄入AA 剂量成正比，表明AA 对断乳期雄性大鼠精子有明显的毒性作用。

Nixon B J 等人[22]通过彗星试验证实慢性AA 暴露会使雄性小鼠生殖细胞的DNA 双键断裂，从而导致生殖细胞中DNA 损伤，并且呈剂量依赖性，曹秀明等人[23]在AA 对斑马鱼生殖腺细胞的毒性作用的研究中也通过彗星实验得出了相同结论。Katen A L 等人[24]发现，雄性小鼠长期接触AA 可导致精子DNA损伤，并且相较于亲代，雄性后代小鼠虽然没有直接接触AA，但精子的DNA 损伤水平明显增加，并且其生殖细胞中CYP2E1（能将AA 转化为有害代谢产物甘酰胺的酶） 的水平也有所增加。

以上动物试验证明了AA 的生殖毒性，生殖毒性会对生物种群繁衍形成巨大威胁，因此在动物试验的基础上进一步验证AA 对人体是否具有生殖毒性。

2.2 遗传毒性

AA 对动物的遗传毒性主要表现为损害体细胞，使生殖细胞发生突变，从而导致胚胎发育畸形[9]。研究发现，AA 可被细胞色素P450 中的氧化酶氧化为毒性更强的环氧丙酰胺，它能通过直接攻击DNA 分子诱发基因突变[25]；AA 还可与DNA 中的硫醇、羟基和氨基结合形成加合物，从而致使DNA 损伤[26]，以上是AA 产生遗传毒性的两条途径。

Beland F A 等人[27]研究发现，与对照组小鼠相比，经AA 处理后的小鼠胚胎纤维细胞会产生DNA加合物，CⅡ基因突变频率明显增加，促进基因突变的发生。高剂量AA 能诱导人白血病HL-60 和NB4细胞中的黄嘌呤、鸟嘌呤和核苷酸糖基转移酶基因发生突变[26]。

AA 对遗传物质造成的影响将会导致生物种群发生改变，可能引发基因污染，从而造成严重的生态危害。

2.3 神经毒性

AA 的神经毒性通常是作用于神经末梢，影响周围和中枢神经的突触传递进而损害身体健康[28]。古梓婷等人[29]研究发现，AA 能使大鼠坐骨神经中的髓鞘碱性蛋白与髓磷脂相关糖蛋白表达量下降，从而对髓鞘造成毒性损伤，并最终导致麻木、运动功能不全等神经性症状。

中枢神经系统的氧代谢较活跃，易被AA 诱导引起氧化应激[30]，同时氧化应激反应参与由AA 引起的细胞凋亡与神经炎症[31]，促进神经毒性作用。研究表明，高剂量AA 暴露可诱导多种神经细胞凋亡，表现为细胞内的活性氧、丙二醛水平均显著增加，谷胱甘肽水平显著降低[32-33]；此外，Yao X 等人[34]研究表明AA 诱导神经细胞凋亡除了表现为脑组织中的丙二醛水平上升，还表现在血脑屏障中血清瘦素的水平降低。

Wang Y 等人[35]发现慢性AA 暴露会使大鼠小脑内神经元内自噬小体聚集、内质网扩张、线粒体肿胀，同时对大鼠的步态、平衡能力、后肢肌张力和运动协调能力造成损伤；张斌等人[36]研究发现，长期高剂量AA 暴露会使大鼠体重下降，步态异常，并且大脑皮层和小脑内的兴奋性神经递质谷氨酸含量显著降低，导致神经传递障碍。

张春梅等人[37]的研究结果表明，母源性AA 暴露会使新生大鼠海马颗粒层神经元排列疏松，从而造成海马神经元的损伤；慢性AA 暴露会使大鼠的学习记忆受损、认知能力减弱，导致认知障碍[38]；AA 还会造成脑部神经突触功能蛋白下调、细胞凋亡蛋白上调，从而对大鼠认知和记忆功能产生严重不良影响。

AA 还可通过显著增加鼠小脑组织中NLRP3 炎性小体复合物及其下游炎性因子（pro-IL-1β/IL-1β/IL-18） 蛋白表达[39]，以及神经细胞乳酸脱氢酶的释放和下游细胞炎症因子（TNF-α/IL-1β/IL-18） 的分泌水平，从而对神经造成炎性损伤。

以上研究结果表明，AA 可通过多种方式对生物的神经系统造成损伤，进而引发神经毒性。

2.4 潜在致癌性

相关流行病学研究表明，AA 可能与罹患癌症的风险有关。研究表明，AA 能显著提高小鼠大脑和中枢神经系统、子宫、卵巢、乳腺、甲状腺、皮肤和肠道等的致癌率[26]，但只是确认了AA 对动物有致癌性，AA 对人类的致癌性仍需要进一步研究证明。

2.5 其他毒性

AA 对斑马鱼的鳃、肝脏、脑组织和和心脏等器官具有氧化损伤作用[23]；在小鼠试验中，AA 会对肝、肾、脑、肺、膀胱和消化道等器官造成氧化损伤，其中以肝脏受损最明显[40]。动物器官受到氧化损伤主要是由于AA 会明显降低各器官中抗氧化物酶的活力，增加丙二醛含量和过氧化物酶的活力，从而受到氧化损伤作用。

Fang J 等人[41]研究发现，AA 能使雌性小鼠体重、脾脏、胸腺质量以及淋巴细胞数量下降，并且淋巴结、胸腺和脾脏均出现病理改变；Guo J 等人[42]发现在美国普通人群中，AA 和环丙酰胺的水平与湿疹和瘙痒性皮疹等过敏症状的可能性显著相关，表明可能与AA 的免疫毒性有关。

王小博等人[43]的研究结果表明，AA 可致使小鼠体内的血清指标发生变化以及红细胞系统、白细胞系统和血小板系统损伤，且随暴露剂量增加逐渐明显，最终导致贫血和骨髓造血功能下降等症状。Wang A 等人[44]通过测定血清生化指标，探讨AA 暴露对大鼠的心血管毒性，结果表明AA 暴露会干扰能量代谢和氨基酸代谢，进而引起心血管毒性。此外，AA 会破坏大鼠的肠黏膜屏障功能，引起肠道菌群失调，最终造成肠道损伤，并损程度伤随AA 暴露剂量增加而严重。

3 食品中AA 的控制

3.1 控制原料中AA 前体物质的量

经研究发现，薯条中AA 的含量与还原糖浓度和天冬酰胺浓度呈正相关，并且高糖马铃薯经高温加热处理后，产品中AA 含量高达1 823 ng/g，是低糖马铃薯制成产品的36 倍[45]。此外，Muttucumaru N 等人[46]发现，不同品种马铃薯中的还原糖含量和天冬酰胺含量均有差异，且两者含量高的马铃薯经160 ℃，20 min 处理后形成较高含量的AA。以上研究结果表明，选择低还原糖和天冬酰胺含量的原料能减少产品中AA 的形成，因此通过研究比较获得AA 前体物质浓度低的原料品种后，可推广栽培，用以生产低AA 产品。

3.2 改善加工工艺

郭晓艳等人[47]发现，油炸前采用90 ℃热烫处理联合5 g/L 半胱氨酸溶液浸泡处理10 min 可对马铃薯片中AA 的抑制率达到100%。周媛等人[48]发现，将薯条/片冷冻后用大豆豆浆包裹油炸可以在确保感官品质的前提下，使产品中AA 的含量降低78.2%。Genovese J 等人[49]研究表明，脉冲电场处理相较于传统漂烫处理抑制AA 形成的效果更好。

Bertuzzi T 等人[50]研究发现，咖啡在焙烤过程中，温度随（0~20 min） 时间延长逐渐升高，AA 含量则呈先升后降的趋势，并在175 ℃，10 min 时达到最大值。因此，需合理控制焙烤温度和时间减少咖啡中的AA 含量，并保证咖啡的优良感官品质。UdomKun P 等人[51]发现，在不控制温度的条件下，香蕉片在油炸后离心阶段采用真空压力21.3 kPa，5 min 样品感官品质较好且AA 含量较低。Schouten M A 等人[52]研究表明，经175 ℃，20 或22 min 强制空气对流处理的饼干品质特性比相同条件下传统热传导的好，但饼干中AA 水平更高，因此应作进一步研究确定既能保持饼干品质特性，又能减少AA 含量的最佳加工条件。

Lim P 等人[53]研究发现，用低不饱和度油（大豆油） 油炸甘薯片，其中的AA 含量低于使用高饱和度油油炸的薯片；Zhang H 等人[54]研究发现，AA 的形成与煎炸油的传热系数呈正相关，与煎炸油循环使用次数无关，传热系数低的油（米糠油） 适合炸制薯片，AA 含量最少。因此，使用合适的煎炸油有利于减少食品中AA 的产量。

3.3 使用抑制剂

吴本阳等人[55]研究发现，添加低浓度模式美拉德反应产物或同时添加适宜浓度的葡萄糖和精氨酸能有效抑制面包中AA 的形成。Richarme G 等人[56]研究表明，美拉德脱糖酶可以通过降解食品中天冬酰胺/乙二醛美拉德加合物来阻止AA 的形成。Huang Y 等人[57]研究发现，酸能抑制薯条中AA 的形成，随着pH 下降AA 的水平也在下降，但随着酸自由基离子浓度的增加，AA 的含量在增加；并且酸度调节剂可能通过作用于甲基乙二醛和乙二醛的生成影响AA 的形成。

此外，天然活性成分也对AA 具有抑制作用，刘健南等人[58]研究表明，在185 ℃，12 min 的加工条件下，添加黑枸杞花青素0.32 g/kg 可使曲奇饼干中AA 的抑制率达到69.34%。在天冬酰胺/葡萄糖模拟体系中，九头狮子草提取物对高温加热食品中的AA有良好的的抑制作用，其中以95%乙醇洗脱物抑制效果最好。程璐等人[59]研究发现，水溶性和脂溶性茶多酚均对曲奇饼中AA 的形成有显著抑制作用。经研究表明，葡萄糖-天冬酰胺美拉德反应体系中，添加槲皮素（1×10-6mol/L，160 ℃，10 min） 对AA形成的抑制效果最好，抑制率达到了46.13%。

4 AA 的毒性干预

阿胶能够通过调节抗氧化酶活力和氧化应激损伤相关基因的表达，抑制AA 诱导的斑马鱼胚胎氧化应激损伤[60]。大蒜素能够作为良好的活性氧清除剂，增强抗氧化能力，提高大鼠的肝细胞活力并改善由AA 引起的氧化应激损伤[61]。黑灵芝多糖能够通过增强大鼠体内抗氧化酶系统活力，下调促炎因子的表达，提高抗炎因子的水平，以缓解机体炎症反应、肝功能损伤和DNA 损伤等AA 诱导的氧化损伤[62]。王静等人[63]研究发现，山药多糖能够通过提高抗氧化能力，抑制大鼠吞噬细胞的氧化应激和生物大分子氧化损伤，维持细胞的正常生长和吞噬活力，进而有效控制AA 诱导的巨噬细胞毒性作用。此外，补充肉桂提取物也能够能抑制AA 诱导的氧化应激损伤和炎症反应。

曾立爱等人[64]研究表明褪黑素在一定程度上能够抑制AA 对大鼠小脑和大脑的神经毒性作用。陈宵等人[65]研究发现，外源性脑原性神经营养因子可通过与特异性受体结合，干预AA 引起的神经突触的损伤。莲房原花青素能显著改善大鼠的神经细胞形态，提高细胞的存活率；并且能够上调神经细胞突触功能相关蛋白的表达量，保护神经突触功能，进而实现对AA 致神经细胞损伤的预防作用。在小鼠原代神经胶质细胞模型中，50~250 mg/kg·BW/d 蓝莓花色苷提取物能够通过降低AA 染毒小鼠肝脏线粒体中活性氧水平，减小细胞氧化损伤，从而抑制AA 介导的神经毒性。

李天娇等人[66]研究表明，干酪乳杆菌能够增加大鼠体内D -乳酸和二胺氧化酶浓度、肠道有益菌群数量，抑制有害菌数量，进而有效调节肠黏膜屏障功能，改善肠道菌群，缓解AA 导致的肠道损伤。

综上所述，可在不同模型中比较研究以上物质通过单一或拮抗作用对AA 诱导的毒性作用的抑制效果，筛选出抑制效果最好的方案，并将其应用于食品工业、医疗医药行业、开发保健品等领域。

5 结语

高温煎炸一直是广受人们喜爱的食品烹调方式，而AA 又广泛存在于各类经高温加热的食品中。为保证食品安全和身体健康，需要明确各类食品中AA 的形成机理和控制措施，有效控制食品中AA 的形成，以降低食品中AA 含量。此外，抑制剂的研究近年来取得了较为显著的发展，因此应进一步研究使用抑制剂后对食品的安全性、风味、口感以及品相等各方面的影响，以开发出合法合规的AA 抑制剂。AA的毒性作用已经得到验证，但目前对干预AA 毒性的研究大多还处于体外研究试验阶段，对人体内干预AA 的毒性是否能有效抑制尚不明确，在后续研究中可利用模式生物斑马鱼、小鼠、秀丽线虫等探讨干预AA 毒性措施是否有效，验证相同的干预AA 毒性的方法是否对人类同样有效，从而实现将良好的毒性干预方法投入生活中的目的。

综上所述，AA 作为威胁人类身体健康的食品污染物，寻找能有效抑制或消除其对人体产生的毒性作用的方法，将食品中AA 含量控制在安全范围内，以保证食品的安全性是今后研究的重要趋势。