（分析化学专业论文）烘煎食品中丙烯酰胺生成和分布规律及其速测方法的研究.pdf

摘要 摘要 丙烯酰胺是具有急性毒性、神经毒性、生殖发育毒性和遗传毒性的潜在致癌 物质。近年来，食品中丙烯酰胺危害人类健康的问题已经日益受到人们的关注。 煎炸是我国居民主要的烹调方式之一，食品中丙烯酰胺的含量与烹调方式有密切 的关系。进行食品中丙烯酰胺的快速检测与控制，研究烘煎食品中丙烯酰胺的生 成分布规律对于指导日常饮食，减少丙烯酰胺对健康的危害，具有重大的意义。 论文工作通过面包、油条等传统食品以及炸鸡翅、薯片等快餐食品为研究对象， 采用固相微萃取( s p m e ) 样品前处理技术，以气相色谱( g c ) 为检测手段，讨 论烘煎食品中丙烯酰胺的生成机理、含量以及分布规律，并提出了利用荧光法进 行丙烯酰胺快速检测的方法。 论文共分四章。 第一章，文献综述，主要介绍烘煎食品中丙烯酰胺研究发展的现状，丙烯酰 胺对人体健康的影响，以及在食品中的形成机理和现有的检测方法。 第二章，以面包、油条等传统食品和炸鸡翅、薯片、薯条等快餐食品为研究 对象，利用s p m e g c 方法检测这些样品中的丙烯酰胺含量。样品经过脱脂，氯 化钠( n a c l ) 水溶液提取和溴化衍生等步骤，净化后的样品用固相微萃取萃取衍 生物，气相色谱进样分析。固相微萃取的实验条件优化如下：用7 5 岬碳分子筛 聚二甲基硅氧烷( c 僻p d m s ) 萃取材料，室温萃取3 0m i n ，在2 2 5 下解吸3 m i n 。线性范围1 0 - - - , 8 0 0 0g g k g ，检测限可达0 1i t g k g ，相对标准偏差为4 0 ( 1 = 5 ) 。利用该方法成功地进行了实际样品检测，实验测得本地品牌薯片中丙烯酰 胺的含量平均为1 3 6 9 l g k g ，而面包中丙烯酰胺的含量平均1 3 5g g k g 。 第三章，以马铃薯、红薯、面粉为原料，实验室模拟食品烹制过程，探讨了 影响食品中丙烯酰胺生成含量的因素：包括水煮、烘、烤、油炸等不同的烹制方 法，以及烹调温度、时间、食品中水的含量和食品的储存时间的影响。研究工作 还比较了样品内外丙烯酰胺含量的差异。实验发现，同等实验条件下，同一样品 以水煮的方法所生成的丙烯酰胺含量最低，以油炸的烹饪方法所生成的丙烯酰胺 含量为最高。温度对丙烯酰胺的生成有至关重要的作用，油炸温度在1 7 0 - 1 9 0 之间最适宜丙烯酰胺的生成。温度高于1 9 0 丙烯酰胺的生成量均有不同程度的 摘要 减少。而在2 0 04 c 时达到最低。这是由于丙烯酰胺不稳定，高温下易发生分解。 烘煎时间也极大的影响着丙烯酰胺的生成，淀粉类食品像土豆，红薯等烘炸5m i n 后，食品中丙烯酰胺含量达到最高点，随着时间的增加，丙烯酰胺含量反而降低， 超过3 0m i n 后，含量才有显著的增加。而面粉中丙烯酰胺的生成量却随着时间 的增加，有显著增加的趋势。l5 - 2 0m i n 生成的丙烯酰胺含量最低。研究表明烘 煎食品中丙烯酰胺的含量随着食品失水率的增加而增大，同时研究还发现绝大多 数食品的储存时间不会影响丙烯酰胺的生成量。 第四章介绍了荧光法快速检测食品中丙烯酰胺含量的研究。利用丙烯酰胺和 次氯酸钠在p h8 6 7 的条件下反应产生带有胺基的化合物，该化合物再与荧光胺 反应生成比较稳定的荧光物质，该荧光物质在3 8 5n r n 处激发，最大发射波长为 4 8 0n n l ，荧光强度和丙烯酰胺浓度之间有良好的线性关系。据此快速定量检测食 品中丙烯酰胺的含量。与第二章介绍的方法相比，对一定浓度的丙烯酰胺测定， 此法具有操作简单、快捷、耗时短等特点，适用于现场快速检测。 关键词：烘煎食品，丙烯酰胺，s p m e g c ，速测方法 i i a b s t t a c t a b s t r a c t a c r y l a m i d e ( a m ) i nf o o dh a sb e e nb e c o m eag l o b a lp r o b l e mt od i s s e r v ef o o d s a f e t yr e c e n t l y l o n g - t e r me x p o s u r et oa mm a yc a u s ed a m a g et ot h en e r v o u ss y s t e m b o t hi nh u m a nb e i n ga n da n i m a l sa tac e r t a i ne x t e n t ，a n da mi sa l s oc o n s i d e r e da sa p o t e n t i a lg e n e t i ca n dr e p r o d u c t i v et o x i nw i t hm u t a g e n i ca n dc a r c i n o g e n i cp r o p e r t i e s i ne x p e r i m e n t a lm a m m a l i a n s i no r d e rt og u i d ed a i l yc o o k i n ga n dr e d u c et h ed a m a g e t oh e a l t h ，t h es t u d yo ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa mi nf o o d s ，e s p e c i a l l yf o rt h o s e f r i e df o o d s ，a r eb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n tt op e o p l e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b o t ho fn a t i v e a n do v e r s e a sf o o d sw e r et a k e na ss a m p l e st or e v e a lt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d c o n t e n to fa mi nf o o d su s i n gg a sc h r o m a t o g r a p h y - s o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n ( g c s p m e ) m e t h o d m e a n w h i l e ，ar a p i dd e r m i n a t i o nm e t h o do f a mw a sd e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sf o u rc h a p t e r s ： i nc h a p t e ri ，t h ed e v e l o p m e n t ，m e c h a n i s m s ，t o x i c i t ya n dt h er e s e a r c hp r o g r e s so f a mi n 伍e df o o dw a si n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ed e t e r m i n a t i o nm e t h o d sw e r e p r e s e n t e d i nc h a p t e ri i ，am e t h o df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fa mw a sd e v e l o p e du s i n g s p m e i nt h i sm e t h o d ，s a m p l e sw e r ed e f a a e d 晰廿1n - h e x a n e ，e x t r a c t e dw i t ha q u e o u s s o l u t i o no fs o d i u mc h l o r i d e ( n a c i ) ，d e r i v a t e d 诵t l lp o t a s s i u mb r o m a t e ( k b r 0 3 ) a n d p o t a s s i u mb r o m i d e ( k b 0 ，t h e ne x t r a c t e db ys p m ep r i o rt oag ce q u i p p e d 谢t 1 1a n e l e c t r o nc a p t u r ed e t e c t o r t h eo p t i m i z e ds p m ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e st oe x t r a c t a md e r i v a t i v ei nw a t e rs o l u t i o n sw e r ef o u n dt ob e ：a7 5 nc a r b o x e n p o l y d i m e t h y l - s i l o x a n e ( c a r - p d m s ) c o a t e df i b e r ，e x t r a c t i o nt i m eo f3 0m i na tr o o mt e m p e r a t u r e a n da n a l y t ed e s o r p t i o na t2 2 5 。cf o r3m i n a na n a l y t i c a lw o r k i n gc u r v ew a s c o n s t r u c t e da n df o u n dt ob el i n e a ro v e r1 0t o8 0 0 0l x g k ga m 、析mal i m i to f d e t e c t i o no f0 1 l x g k g t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o nw a s4 0 2 仍25 ) t h e p r o p o s e dm e t h o dw a ss u c c e s s f u l l yu s e df o r t h ea n a l y s i so ft r a c ea mi nf o o d s t u f f s i nc h a p t e ri i i ，f l i e dp o t a t o e s ，p a c h y r h i z u sa n df l o u rw e r es e l e c t e da st y p i c a l e x a m p l e sf o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ef o r m a t i o na n de l i m i n a t i o n d e g r a d a t i o no fa m i i i a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h ef r i e dt e m p e r a t u r e ，f r i e dt i m e ，c o n t e n to fw a t e r i nt h es a m p l e sa n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fv a r i o u sc o m p o n e n t sw e r es t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a th i g h e rt e m p e r a t u r e ( 2 0 0 0 c ) c o m b i n i n gw i t ha l o n g e rf r i e dt i m er e d u c e dt h eg e n e r a t i o no fa m ，d u et oe l i m i n a t i o n d e g r a d a t i o n p r o c e s s e s t h ec o n t e n to fw a t e ri nt h es a m p l ew a sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t st h e f o r m a t i o no fa m ，s i n c ew a t e ra c c e l e r a t e dt h ef o r m a t i o no fa m ，b u t ，s i m u l t a n e o u s l y ， i tt o o kr o l e sa sar e a c t a n t ，s o l v e n ta n dt r a n s f e r r i n gc a r t i e ro fo t h e rr e a c t a n t si n m a i l l a r dr e a c t i o n t h eo p t i m u mw a t e rc o n t e n tw a s12o at o18 o ft h em a s so f p r i m a lf o o d ac e r t a i nc o n c e n t r a t i o no fa s p a r a g i n e so rm o n o s a c c h a r i d e s ( i np a r t i c u l a r ， f r u c t o s ea n da l s og l u c o s ea n dg l y c e r a l d e h y d e ) w a sf o u n dt oi n c r e a s et h en e tc o n t e n to f a m c o m p o n e n t si nap r o t e i n - r i c hf o o ds t r o n g l yr e d u c e dt h ea mg e n e r a t i o n ，w h i c h w a s p r o b a b l yc a u s e db yt h ec o m p e t i n gr e a c t i o n sa n d o rc o v a l e n t l yb i n d i n gi nt h ea m f o r m a t i o n i nc h a p t e ri v ，ar a p i df l u o r e s c e n c ed e t e r m i n a t i o nm e t h o df o ra mi nf r i e df o o d w a si n t r o d u c e d a mr e a c t e dw i t hh y p o c h l o r i t ea tp h8 6 7t og i v eac o m p l e xw i m a m i n eg r o u p t h ep r o d u c tw a st h e nr e a c t e dw i t hf l u o r e s c a m i n et o g e n e r a t ea f l u o r e s c e n tc o m p o u n d t h ec o m p o u n de x c i t a t e da t3 8 5n n la n dt h em a x i m u m e m i s s i o nw a v e l e n g t hw a sa t4 8 0n n l i tp r e s e n t e dag o o dl i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e n t h ec o n c e n t r a t i o na n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yf o ra m t h i sm e t h o dw a s s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nr a p i dd e t e r m i n a t i o no fa mw i t hs i m p l eo p e r a t i o na n dl e s s t i m e - c o n s u m i n g k e y w o r d s ：f r i e df o o d ，a c r y l a m i d e ，g c - s p m e ，r a p i dd e t e r m i n a t i o n i v 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名： 导师签名： 玉。疗占月占日 溯年只6 日 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研 究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成 果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论 文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：承网徊 2 0 0 8 年f 月占日 第一章前言 第一章前言 丙烯酰胺( a c r y l a m i d e ，a m ) 是一种白色无味的晶状固体，c a s 登记号：7 9 ， 分子量7 1 0 9 ，化学分子式：c h 2 c h c o n h 2 ，沸点1 2 5 ，熔点8 4 8 ，极易溶 于水、乙醇、甲醇、丙酮、二甲醚和三氯甲烷，在酸中稳定，而在碱中易分解， 对光线敏感，暴露于紫外线时较易发生聚合。它是一种用途广泛的重要有机化工 原料，以它为单体合成的产品不下百种，其中以聚丙烯酰胺用途最为广泛。聚丙 烯酰胺可作为絮凝剂加入饮用水中，以吸附除去水中杂质。用于处理饮用水的聚 丙烯酰胺本身无毒，但其中含有极少量未聚合的丙烯酰胺则影响人类健康。已有 资料证明丙烯酰胺会引起神经损伤，有遗传毒性，可能对人体产生致癌作用【l j 。 1 1 食品中的丙烯酰胺的危险性评估 2 0 0 2 年4 月瑞典国家食品管理局( n f a ) 及瑞典斯德哥尔摩大学的研究人 员率先报道，多种食品尤其是含淀粉较高的食品在高温加工过程中产生大量 a m 2 。此后引起了国际社会的高度重视，成为各国科学家研究的热点问题。世 界卫生组织联合国粮食与农业组织( w h o f a o ) 于2 0 0 2 年6 月在瑞士日内瓦 召开了食品中丙烯酰胺的专家会议，提出对a m 进行优先评估。2 0 0 5 年2 月在 罗马召开的食品添加剂联合委员会( j e c a f a ) 第6 4 次会议上，对食品中的a m 进行了第一次评估。通过对2 4 个国家提供的食品中a m 污染数据分析，人的平 均每天摄入量为1 0p g k gb w ，最高摄入量为4 0g g k gb w ；儿童摄入量是成人的 2 - - 3 倍。根据a m 平均摄入暴露边界( m a r g i no fe x p o s u r e ，m o e ) 和高摄入的暴 露边界，j e c f a 发出其可能造成人类健康损害的警告，并提出应当尽快采取适当 的措施以降低食品中a m 的含量【3 1 。 1 1 1 食品中丙烯酰胺的含量和人体的摄入量 自2 0 0 2 年瑞典科学家在膳食中发现丙烯酰胺开始，美国和欧洲许多国家( 例 如挪威、荷兰、德国、英国等) 的研究人员先后对本国可能含有a m 的相关食品 进行了检测。表1 1 中列举了部分食品的a m 的含量。目前这方面的数据各国之 间存在较大的差异。但是一般来说a m 含量较高的三类食品是：高温n i 的淀粉 类食品，早餐谷类食品和咖啡及其类似制品。 对a m 的人均日摄入量，各国的数据差异较大。世界卫生组织( w h o ) 2 0 0 0 第一章前言 年公布的人均每日a m 摄入量为每公斤体重o 3 o 8 嵋，德国( 2 0 0 2 年) 公布 的人均日摄入量为每公斤体重1 1 嵋，瑞士( 2 0 0 2 年) 为每公斤体重0 2 8 昭， 法国( 2 0 0 2 年) 为每公斤体重0 5 嵋，美国f d a2 0 0 4 年公布的2 岁以上人均每 日a m 摄入量为每公斤体重0 4 3p g 【4 j 。在美国，法式炸薯条和其他土豆产品的 消费量很高，占a m 每日摄入量的3 5 ；咖啡和面包的消费量相对较低，占a m 每日摄入量的比例也就相对较小( 咖啡占7 ，面包占1 1 ) 。土豆产品在荷兰 的消费量也很高，k o n i n g s 等人的报告称，荷兰人消费的法式炸薯条和炸薯片中 a m 的含量占a m 总摄入量的5 0 以上。对于大部分欧洲国家来说，咖啡和面 包是摄入a m 的主要膳食来源。 表1 1 不同食品中丙烯酰胺的含量1 4 1 ( i i g ，l g ) t a b l e1 1c o n t e n to f a c r y l a m i d ei nd i f f e r e n tf o o d 和欧美国家相比，我国居民对面包、咖啡或炸薯片、炸薯条的消费量相对较 低，但这并不能说明我国居民膳食a m 的摄入量就低。钟崇泳等人5 1 测定油条中 a m 的含量平均值为3 1 0i _ t g k g 。由中国疾病预防控制中心营养与食品安全研究 所提供的资料显示【6 】，在监测的1 0 0 余份样品中，a m 含量为：薯类油炸食品平 第一章前言 均为7 8 01 t g k g ，最高为3 2 1 01 t g k g ；谷类油炸食品平均为1 5 0i t g k g ，最高为 6 6 0p g k g ；谷物类烘烤食品平均为1 3 0i t g k g ，最高为5 9 0p g k g ；其它食品，如 速溶咖啡为3 6 0 t g k g 、大麦茶为5 1 0 鹏l ( g 和玉米茶为2 7 0l x g k g 。目前我国尚 缺乏足够数量的各类食品( 尤其是传统食品) 中a m 含量的检测数据以及这些食 品的摄入量数据，因此还难以计算我国居民膳食a m 的暴露水平。 1 1 2 人体接触丙烯酰胺的途径 人体可以通过消化道、呼吸道、皮肤粘膜等多种途径接触a m ，饮水是其中一 种重要的接触途径，为此w h o 将水中a m 的含量限定为l “g l 。2 0 0 4 年4 月斯德 哥尔摩大学研究报道，炸薯条中a m 含量较w h o 推荐的饮用水中允许的最大限量 要高出5 0 0 多倍。因此，认为食物为人类a m 的主要来源之一。此外，人体还可能 通过吸烟等途径接触a m 7 1 。 1 1 3 吸收、分布及代谢 a m 可通过多种途径被人体吸收，其中经消化道吸收最快，在体内各组织广泛 分布，包括母乳。经口给予大鼠0 1m g l ( gb w 的a m ，其绝对生物利用率为2 3 至4 8 。进入人体内的a m 约9 0 被代谢，仅少量以原型经尿液排出。a m 进入 人体内后，在细胞色素p 4 5 0 2 e 1 的作用下，生成活性环氧丙酰胺( g l y c i d a m i d e ) 。 该环氧丙酰胺比a m 更容易与d n a 上的鸟嘌呤结合形成加合物，导致遗传物质损 伤和基因突变；此外a m 和环氧丙酰胺还可与血红蛋白形成加合物，因此被认为 是a m 的主要致癌活性代谢产物【引。 1 1 4 丙烯酰胺的毒性嘲 动物试验结果显示，a m 主要引起神经毒性和生殖发育毒性。神经毒性作用主 要为周围经退行性变化和脑中涉及学习、记忆和其他认知功能部位的退行性变； 生殖毒性作用表现为雄性大鼠精子数目和活力下降及形态改变和生育能力下降。 大鼠9 0 天喂养试验，以神经系统形态改变为终点，最大未观察到有害作用的剂量 ( n o a e l ) 为0 2m g k gb w 天。大鼠生殖发育毒性的n o a e l 为2m g l ( gb w 天。 a m 在体内和体外试验均表现有致突变作用，可引起哺乳动物体细胞和生殖细 胞的基因突变和染色体异常，如微核形成、姐妹染色单体交换、多倍体、非整倍 体和其他有丝分裂异常等，显性致死试验阳性。并证明a m 的代谢产物环氧丙酰 胺是其主要致突变活性物质。 第一章前言 同时，动物试验研究发现，a m 可致大鼠多种器官肿瘤，包括乳腺、甲状腺、 睾丸、肾上腺、中枢神经、口腔、子宫、脑下垂体等。国际癌症研究机构( i a r c ) 1 9 9 4 年对其致癌性进行了评价，将a m 列为2 类致癌物( 2 a ) 即人类可能致癌物， 其主要依据为a m 在动物和人体均可代谢转化为其致癌活性代谢产物环氧丙酰 胺。 对接触a m 的职业人群和因事故偶然暴露于a m 的人群的流行病学调查，均表 明a m 具有神经毒性作用，但目前还没有充分的人群流行病学证据表明通过食物 摄入a m 与人类某种肿瘤的发生有明显的相关性。 1 1 5 国内外食品中圳研究进展 2 0 0 2 年1 0 月，英i n r e a d i n g 大学与瑞士雀巢研究中心研究小组首次公开发表有 关食品q h a m 生成机制的论文i l0 1 。研究表明，食品中的a m 主要是由于马铃薯和 谷类等食品原料中的主要氨基酸之一天冬酰胺( a s p a r a g i n e ) ，通过美拉德反应在 经过高温( 1 2 1 ) 烹调后生成a m 。对于a m 形成机制的研究结果表明：还原 糖数量、游离氨基酸数量和加热条件是生成a m 的三大主要因素。食品产业可望 从这些结论中寻找到控制食品中a m 的办法。袁媛等【】利用葡萄糖和天冬酰胺模 拟体系证实了其形成机制。结果表明，不同的加热温度和加热时间对a m 的产生 量影响显著，且随着反应温度的升高和反应时间的延长，整个反应体系的颜色逐 渐加深，a m 的产生量也逐渐增多。虽然a m 对人体的毒理作用仍在研究之中， 但是它在食品中，特别是在油炸和烘烤食品中的含量1 刍2 0 0 2 年以来才引起关注。 英国食品标准局与公众利益科学中心( c s p i ) 、美国食品与药物管理局( f d a ) 、 日本国立医药食品卫生研究所等的监测数据表明，以马铃薯为原料的油炸土豆片 等食品中a m 浓度较高。但使用马铃薯的其它快餐食品的a m 浓度也有在 1 0 0r t g k g 以下的情况。有时即使是同一产品，生产批次不同差异也较明显。以日 本为代表的多数亚洲快餐食品、油炸食物中a m 浓度大多在1 0 0 g k g 以下，最高 也未超过5 0 0p g k g 。另外多数快餐面a m 浓度在1 0 0g g k g 以下，平常油炸食物一 般难以检测出a m ，偶尔检出的浓度最高也为1 0 0g g k g 左右。中国卫生部食品污 染物监测网监测结果也显示，高温加工的淀粉类食品( 如油炸薯片和油炸薯条等) 中a m 含量较高，其中薯类油炸食品中a m 平均含量高出谷类油炸食品4 倍。我国 居民食用油炸食品多，暴露量较大，长期低剂量接触，存在对健康的潜在危害【1 2 1 。 第一章前言 1 2 食品中丙烯酰胺的生成机理以及影响因素 1 2 1 食品中丙烯酰胺的生成机理 目前还没有足够的实验数据能确定富含碳水化合物的食物在高温烹制过程中 产生a m 的机理。但根据已有的研究结果，般认为其形成的机制有两种可能， 如图1 1 所示。这两种假设机理都是包括了离子型反应和自由基反应等复杂的多 级反应过程【乃】。 兰臣：j h ( h ：v o 、。h )= 二- - l 二：卜一z 吣一，县、h 呻z v 、o h ) 未r 醑v - 一丙s j 矾 h 王嚣虬n z + 黼糖 醐触 n 2 h 天门冬酰胺 f i g 1 1h y p o t h e s i so fa c r y l a m i d ef o r m a t i o nm e c h a n i s m 假设机理1 ：a m 是由丙烯醛或丙烯酸与氨反应而来。氨主要来自于含氮化合 物的高温分解。而a m 的前体化合物丙烯醛和丙烯酸则有以下几个来源：首先丙 烯醛可能来自于食物中的单糖在加热过程中的非酶降解；其次有可能来自油脂在 高温过程中释放的三酸甘油酯和丙三醇，油脂加热到冒烟后，分解成丙三醇和脂 肪酸，丙三醇的进一步脱水或脂肪酸的进一步氧化均可产生丙烯醛；再次是食物 中蛋白质和氨基酸如a m 和天门冬氨酸的降解；最后是来自氨基酸或蛋白质与糖 之间发生的美拉德反应，蛋氨酸、丙氨酸等多种氨基酸均可通过此反应产生丙烯 醛。 假设机理2 ：a m 可通过食物中含氮化合物自身的反应，如水解、分子重排等 作用形成，而不经过丙烯醛过程。一些小分子的有机酸如苹果酸、乳酸、柠檬酸 等经过脱水或去羰基的作用可形成a m 。另外也可以直接由氨基酸形成，氨基酸 的分子重排也是美拉德反应的常见过程。天门冬酰胺脱掉一个二氧化碳分子和一 第一章前言 个氨分子就可以转化为a m ，此反应由热力学定律预测而得，而且土豆、小麦、 燕麦、玉米等作物中均富含天门冬酰胺。吴少雄等1 4 1 采用热裂解气相色谱质谱 联用技术，以天门冬酰胺和葡萄糖为m a i l l a r d 模式化反应系统对氨基酸和还原糖 在形成a m 中的作用进行研究，同时对a m 形成过程中关键的反应中间体进行了 确认，最终确立了食品中a m 形成的化学机理。 表1 2m a i l l a r d 模式化反应体系中a m 的形成1 4 j t a b l e1 2f o r m a t i o no fa c r y l a m i d eo fm a i l l a r dr e a c t i o n 模式化系统 a m 生成量p g k g 天门冬酰胺 天门冬酰胺+ 葡萄糖 天门冬酰胺+ 2 脱氧葡萄糖 天门冬酰胺+ 丁二酮 天门冬酰胺+ 丙酮醛 天门冬酰胺+ 乙二醛 表1 2 为天门冬酰胺分别与葡萄糖、2 脱氧葡萄糖、丁二酮、丙酮醛等含羰基 化合物进行热裂解反应形成a m 的实验结果。图1 2 为样品和标准品的总离子流量 图l l5 。结果表明，单独对天门冬酰胺进行热裂解反应未发现a m 的形成，但天门 冬酰胺与葡萄糖的热裂解反应中检测到明显的a m ，这也证实了a m 是天门冬酰 胺与还原糖通过m a i l l a r d 反应形成的机理。美拉德反应是由还原性糖和氨基酸在 高温条件下所发生的一系列复杂的化学反应，它是热加工( 油炸、焙烤、烘焙等) 食品中风味和色泽产生的重要途径之一。反应主要途径是醛糖( 还原糖) 和氨基 化合物( 氨基酸) 缩合形成希夫碱，经环化、重排形成a m a d o r i 化合物；a m a d o r i 化合物按不同途径的分解形成裂解产物( 主要是一些c t - - - 羰基化合物) ，这些裂解 产物进一步反应形成风味物或与氨基化合物聚合形成类黑精【l5 1 。 6 o 6 5 0 o 9 盘 2 j j l l 0 o o 第- 一章前言 4 0 06 棚 簟0 0 i o g 01 2 1 4 伪 1 6 0 0t 掌，2 0 0 0 时围， 标鹿品 ，一，丙薅蕊酸 4 0 06 0 00 。1 0 m1 2 1 4 d 01 6 j 0 01 8 0 0 时问，- i ；栉岛 图1 2 天门冬酰胺和葡萄糖热裂解样品与标准品的总离子流量图 f i g 1 2t o t a li o nf l o wc h r o m a t o g r a m so f s c i s s i o np r o d u c tf r o ma s p a r a g i n ew i t h d e x t r o s ea n da c r y l a m i d es t a n d a r d 同时在实验中，他们还在天门冬酰胺与2 脱氧葡萄糖，天门冬酰胺与静二羰 基化合物( 丁二酮、丙酮醛、乙二醛) 的m a i l l a r d 模式化反应体系中发现a m 的形 成。2 脱氧葡萄糖与天门冬酰胺形成希夫碱后，由于其羰基邻位无羟基存在，无 法重排形成a m a d o r i 化合物，说明a m 的形成可不经 过_ a m a d o r i 化合物分解成q 一二 羰基化合物再与天门冬酰胺反应而形成的途径，而是由希夫碱直接分解成a m ， 这是a m 形成的途径之一( 图1 3 ) 。丁二酮、丙酮醛是a m a d o f i 化合物分解后的 两个最主要的q 二羰基化合物，乙二醛是葡萄糖通过r e t o - a l d o l 反应形成的，以上 这些q 二羰基化合物在食品热加- l ( 饼干、面包) 过程中起关键作用。也是a m 形成过程中最主要的中间体，他们将通过s 仃e c k e r 降解机制生成a m 1 6 j 。这是a m 通过m a i l l a r d 反应形成的另外一条途径( 图1 4 、图1 5 、图1 6 ) 。 1 h ：f | 1 1 2 + h 工卜c c c 丑卜- c 0 0 h 天门冬酰胺 席夫碱 1 i i z c i i c = 0 n h ， 丙烯酰胺 图1 3 热加工食品中a m 形成的化学机理 f i g 1 3f o r m a t i o no fa c r y l a m i d ei nh e a t e df o o d 革 _ h h h h 旧 l _ l _ ! _ 焉_ i 卜卜舻p 卜 ob m ， + h ：卜址 2 ；0 c h 些生 0 ， 图1 4m a i l l a r d 反应中a m a d o r i 化合物形成的化学途径( 脱羧希夫碱途径) f i g 1 4c h e m i c a lf o r m a t i o no fa m a d o r ic o m p o u n df r o mm a i l l a r dr e a c t i o n ( d e - c a r b o x y l a t e ds c h i f fr e a c t i o n ) l 毋 图1 5m a i l l a r d 反应中a m a d o r i 产物分解为a - - - - - 羰基化合物的化学途径 f i g 1 5c h e m i c a lm e c h a n i s mo fa m a d o r ip r o d u c t sd e c o m p o s i n gt oa - d i c a r b o n y l c o m p o u n d si nm a i l l a r dr e a c t i o n h h h h矿基 蕾 卜；l 卜= 第一章前言 r 巾i - - 些c - - c - - r 合2 + 妻o h 。一”c - - c - - - - h o n - - 融c - - c - - c 帆 幸h 2 ，一 t h 2 盯一 n - 巾二羰基化合物亡= o 一1 h 1 一s t r e c k e rr 。_ 0 1 k r 咎k ：一- + r l 一亡2 亡怍铲c 二e m i z + r 。_ l k 磐警k _ r 。一耻l 每翟 葚一： r l c c = n c c c 悃2 l l l 。舀l l l 几n 2 兰r 。一k 汕c 一葚堋： 丙烯酰胺 图1 6 热加工食品中a m 形成的化学机形理( s t r e c k e r 降解机制) f i g 1 6f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa c r y l a m i d ei nh e a t e df o o d ( s t r e c k e rd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m ) 通过对a m 形成过程中关键的反应中间体确认，最终确立食品中a m 形成的化 学机理有以下2 条途径： ( 1 ) 醛糖( 以葡萄糖为例) 和天门冬酰胺缩合形成希夫碱，在高温下，脱羧形 成脱羧希夫碱，进而直接断裂生成a m ( 见图1 3 ) 。 ( 2 ) 第二条途径包括2 个阶段：第一阶段是醛糖( 以葡萄糖1 为例) 和天门冬酰 胺2 缩合形成希夫碱3 ，经环化、重排形成a m a d o r i 化合物4 ( 图1 4 ) ；a m a d o d 化 合物按3 条不同的途径进行分解：酸性条件下通过1 ，2 烯醇化生成3 脱氧酮醛 糖8 ，进而裂解成二羟基丙酮1l 和甘油醛1 2 ，甘油醛在天门冬酰胺催化作用下形 成丙酮醛( 途径a ) ；中性条件下进行的2 ，3 烯醇化反应，产生1 脱氧酮醛糖 7 ，加热条件下继续进行裂解反应形成含i f , 二羰基化合物( 丁二酮1 4 、丙酮醛1 5 ) ( 途径b ) ；a m a d o r i 化合物直接通过在c 3 和c 4 间的r e t r o a l d o l 反应裂解成 1 天门冬酰胺1 脱氧甘油醛1 0 和甘油醛9 ，甘油醛又能同游离的天门冬酰胺反应 形成1 天门冬酰胺1 脱氧甘油醛；最终1 天门冬酰胺1 脱氧甘油醛通过p 消除反 应生成丙酮醛；另外甘油醛也能在天门冬酰胺催化作用下形成丙酮醛( 途径c ) 1 7 - 1 8 1 ( 图1 5 ) 。此外，醛糖( 以葡萄糖为例) ) 能直接通过r e d o a l d o l 反应裂解 成z , - - 醛1 6 1 1 9 】( 图1 4 ) 。第二阶段是天门冬酰胺在这些含有c c 二羰基的分子存 在下可以通过s t r e c k e r 降解机制在脱羧脱氨后生成a m ( 见图1 6 ) 【2 0 】。 由于a m 化学性质活泼，常温下就可在动物体内形成血红蛋白加合物，因此还 第一章前言 可以预测它在生成后还会与食品中或烹制过程中产生的其它化合物发生反应，如 硫醇、胺类和醛类化合物等。b i e d e r m a n n 2 1 】等人利用同位素标记的d 3 丙烯酰胺 标准品加入到碳水化合物食品中进行研究，证明a m 在食品烹制中同时存在着生 成和消除两个过程，那么对食品进行检测得到的a m 浓度就是其生成过程和发生 进一步反应( 即消除过程) 之间达到平衡的结果。可以推测，蛋白质食品中非常 低浓度的a m 可能是由于它与蛋白质迅速形成加合物的结果，因为a m 在蛋白质 中的消除速率是在土豆中的2 0 倍。当然a m 的低浓度也可能是由于蛋白质食品中 缺乏反应的原始底物造成的。 1 2 2 影响m 生成和消除的因素 研究发现一些外部因素对a m 的生成和消除过程具有重要影响。首先是温度的 影响，所有研究都表明只有当烹制温度高于1 0 0 时a m 才会生成。因为在1 7 0 时多数食物会很快变黑变焦，所以通常的研究范围在1 0 0 - 1 8 0 之间。在此范围 内，随着温度的升高，a m 的生成和消除速率同时增加。当生成速率在全过程中 都占有优势时，煎、烤、烘制的土豆和面制食物中a m 的量就会不断增加，浓度 可达至u 1 0 0 时的几到几十倍，但对某些样品，由于a m 的消除速率不断增加并逐 渐占有优势，致使a m 的浓度出现先增加后降低的现象。结合上述两种形成机制 所涉及的m a i l l a r d 反应也可以解释温度的影响：淀粉等糖类物质在加热到1 0 0 以 上时，可以很容易的发生水解反应并持续释放出还原性的单糖，而醛类化合物的 产生也需要较高的温度【2 2 1 。其次对a m 生成的影响是食物中的水分含量，在 m a i l l a r d 反应中，水分的存在既促进也抑制a m 的生成。水在m a i l l a r d 反应中既是 反应物，又充当着反应物的溶剂及其迁移的载体，过于干燥和过于潮湿均不利于 反应的进行，最适宜的水分含量实在1 2 1 8 之剐2 引。实际的测定结果也表 明用水煮制的食品不易生成a m ，含有一定水分( 1 0 ) 的面粉在1 6 0 加热3 0m i n 生成的a m 是干燥面粉生成的1 0 倍，而含有1 0 水分的土豆在高温烘制时，生成 的a m 也略高于干燥样本。在通常的煎炸、烘烤过程中，食物中的水分会很快丢 失，因此a m 的生成多发生在食物的表面。 食用油并非a m 生成的必备条件，但使用食用油种类对a m 的生成具有一定的 影响。人们经常使用的各种食用油加热后开始沸腾的温度有所不同，所以使用不 同的油进行烹制，煎炸的温度不同，达到食品可以食用的时间也不同，导致生成 第一章前言 的a m 浓度不同。刘稷燕等【2 4 1 在实验室模拟烹制土豆的研究中发现，超过1 0 0 。c 时，a m 的浓度随加热时间的延长而增加，并在一段时间后趋于平缓，此时生成 和消除的速率均有下降的趋势，这可能是由于食品中的反应底物耗尽所致。在短 时间的烹制中，食品中a m 的量还与食物样本的形态有关，例如薯条中a m 的含 量就低于薯片。这是因为质量相同时，薄薄的薯片能在很短的时间内迅速失水干 燥，并具有较大的表面积受热，从而生成更多的a m 。但加热的时间较长，足够 生成反应达到完全时，生成a m 的量