浙江人学博士学位论文 第一章文献综述山立题依据 1.3食品中丙烯酰胺形成机理研究进展 1.3.1食品中丙烯酰胺的形成机理 2002年，研究人员相继在《Nature》杂志上发表论文，证明了热加n工食品中丙烯 酰胺的产生源自于美拉德反应(Mail训ard reaction),并初步解释了丙烯酰胺的形成机 理(Mottram et al.,2002:Stadler et al.,2002)。美拉德反应是由还原性糖和氨基酸或蛋 白质中的游离氨基在高温条件下所发生的一系列复杂的化学反应，是热加工食品风 味形成的重要途径。美拉德反应主要包含三个阶段，第一阶段是由还原糖的拔基和 氨基酸的氨基缩合形成的具有“C=N”键的SchifF碱，经过重排而生成Amadori或 Heyns产物：第二阶段是Amadori或Heynsj产物通过不同途径降解而形成多种风味化 合物和中间体：最后阶段是美拉德反应棕黄色物质和香味的形成(Martins et al,. 2001).Yaylayan等(2003)报道了天冬酰胺和碳水化合物（主要指还原糖）是美拉 德反应中丙烯酰胺形成的主要前体物质。Zyzak等(2003)通过同位素(1N)示踪 证明了丙烯酰胺分子中的所有碳原子均来源于天冬酰胺。进一步机理研究确定了对 丙烯酰胺形成具有重要作用的关键中间产物，包括SchifT碱(Schiff base、入3氨基丙 酰胺(3-minopropionamid)(Zyzak et al.,2003)、亚甲胺叶立德(azomethine ylide), 脱我Amadori产物(decarboxylated Amadori product)(Yaylayan et al.,2003)、丙烯酸 (acrylic acid)(Becalski et al.,2003;Stadler et al,.2003、丙烯醛(acrolein)(Yasuhara al,2003),并阐释了高温处理过程巾丙烯酰肢形成的机理及途径，主要包括两种， 即美拉德反应的天冬酰胺途径和H油三酯氧化反应的丙烯醛途径(Grtz& Klostermann,2002:Friedman,.2003;林流丹等，2006)。其中，通过天冬酰胺途径形成 丙烯酰胺的机理已经得到了国际社会的普遍认可，其作用过程如图14所示。 从图中可以看出，内烯酰胺的形成源自三条途径：第一，源自亚甲胺叶立德1 (Zyzak et al,.2003):第二，源自脱羧Amadori产物的B-消去反应产物(Yaylayan et al,2003):第三，源自3氨基内酰胺（经亚甲胺叶立德l水解得到）的脱氨反应(Blak 200s,Bagdonaiteera,2006;Granvogl&Schieberle,.2006),该反应在缺少碳水化合物 的水溶液条件下较易进行(Granvogl e1al,2004)。丙烯酰胺的形成途径还应考虑实 15
浙江人学博士学位论文 第一章文献综述与立题依据 1．3食品中丙烯酰胺形成机理研究进展 1．3．1食品中丙烯酰胺的形成机理 2002年，研究人员相继在((Nature))杂志上发表论文，证明了热加工食品中丙烯 酰胺的产生源自于美拉德反应(Maillard reaction)，并初步解释了丙烯酰胺的形成机 理(Mottram etaL，2002；Stadleret a1．，2002)。美拉德反应是由还原性糖和氨基酸或蛋 白质中的游离氨基在高温条件下所发生的一系列复杂的化学反应，是热加工食品风 味形成的重要途径。美拉德反应主要包含三个阶段，第一阶段是由还原糖的羰基和 氨基酸的氨基缩合形成的具有“C=N”键的Schifr碱，经过重排而生成Amadori或 Heyns产物；第二阶段是Amadori或Heyns产物通过不同途径降解而形成多种风味化 合物和中间体；最后阶段是美拉德反应棕黄色物质和香味的形成(Martins et aL， 2001)。Yaylayan等(2003)报道了天冬酰胺和碳水化合物(主要指还原糖)是美拉 德反应中丙烯酰胺形成的主要前体物质。Zyzak等(2003)通过同位素(15N)示踪 证明了丙烯酰胺分子中的所有碳原子均来源于天冬酰胺。进一步机理研究确定了对 丙烯酰胺形成具有重要作用的关键中问产物，包括Schiff碱(Schiffbase)、3．氨基丙 酰胺(3-aminopropionamide)(Zyzak el aL，2003)、亚甲胺叶立德(azomethine ylide)、 脱羧Amadori产物(decarboxylated Amadori product)(Yaylayan et a1．，2003)、丙烯酸 (acrylic acid)(Becalski et a1．，2003；Stadler et a1．，2003)、丙烯醛(acrolein)(Yasuhara et aL，2003)，并阐释了高温处理过程巾丙烯酰胺形成的机理及途径，主要包括两种， 即美拉德反应的天冬酰胺途径和H‘油三酯氧化反应的丙烯醛途径(Gertz& Klostermann，2002；Friedman，2003；林流丹等，2006)。其中，通过天冬酰胺途径形成 丙烯酰胺的机理已经得到了国际社会的普遍认可，其作用过程如图1-4所示。 从图Il。1可以看出，内烯酰胺的形成源自三条途径：第～，源自Nl；：甲胺叶立德l (Zyzak el a1．，2003)；第二，源自脱羧Amadori产物的p一消去反应产物(Yaylayan et a1．，2003)；第三，源自3．氨基内酰胺(经业甲胺叶立德ll水解得到)的脱氨反应(Blank， 2005；Bagdonaite el a1．，2006；Gmnvogl&Schieberle，2006)，该反应在缺少碳水化合物 的水溶液条件下较易进行(Granvogi et a1．，2004)。丙烯酰胺的形成途径还应考虑实 15
浙江大学博士学位论文 第一章文献综述与立题依据 际食品体系的影响，包括所使用的食用油以及富含碳水化合物或者蛋白质的食品基 质(Claeys et al,2005a)。在研究丙烯酰胺的形成机理时，可通过-一些色谱和光谱方 法在线监测前体反应物、中问产物、丙烯酰胺及其它终产物的消长变化，比如质子 传递反应质谱(PTR-MS)、裂解气相色谱-质谱联用(Py-GC-MS)和傅立叶变换红 外光谱(FTR)分析(Pollien et al,.2003 Yaylayan et al,.2003)。 COOH H NH 天冬酰胺 I30 丙烯酰胺 3氢基丙酰胺 R 图1-4天冬酰胺途径下内烯酰肢的形成机理 Figure 1-4 The formation mechanism of acrylamide via the asparagine pathway
浙江大学博士学位论文 第一章文献综述与屯题依据 际食吉占体系的影响，包括所使瑚的食用油以及富含碳水化合物或者蛋白质的食品基 质(Claeys et a1．，2005a)。在研究丙烯酰胺的形成机理时，可通过一些色谱和光谱方 法在线监测前体反应物、中问产物、丙烯酰胺及其它终产物的消长变化，比如质子 传递反应质谱(PTR．MS)、裂解气相色谱．质谱联期(Py—GC．MS)和傅立叶变换红 外光谱(FT-IR)分析(Pollien et aL，2003；Yaylayan et a1．，2003)。 H：N从NH： 天冬酰胺 十—==? 阶R1 0H 葡萄糖 l-C02 削人人吖R H2N 删人仝～R 亚甲胺叶立德(11) 删J＼／＼NH： 3．氨基丙酰胺 ． + 甜Rl oH O H OH 唑烷-5-酮中间产物 -NH3 H l l-C02 l 铸1RO 脱羧Amadori产物 图1-4天冬酰胺途径下内烯酰胺的形成机理 Figure 1-4 The formation mechanism of acrylamide via the asparagine pathway 16 R
浙江火学博士学位论文 第一章文献综述与立题依据 1.3.2丙烯酰胺的形成规律与影响因素 早期研究对食品中丙烯酰胺的形成规律进行了初探。在天冬酰胺和葡萄糖等摩尔 反应体系中，以180℃的温度加热15mn,可使体系中丙烯酰胺的产生量达到最大 值(Stadler et al,2002):温度依赖关系研究表明，在模式体系中当加热温度在120-170 ℃范围内逐渐上升时，丙烯酰胺的含量不断增加，而当温度超过170℃后，其含量 逐渐减少(Mottram et al.,2002)。丙烯酰胺在薯类油炸食品中的含量最高：油炸、徽 波和焙烤等加热方式有利于丙烯酰胺的形成，而未经加热处理或水煮烹饪方式产生 的丙烯酰胺含量很低(Tareke et al.,2002)。 前体物质天冬酰胺的影响 作为产生丙烯酰肢的主要前体物质，天冬酰肢的含量对热加工食品中丙烯酰胺的 形成具有重要的影响。如果采用其它氨基酸（如：丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、半 胱氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和缬氨酸)作为前体物质时，产生的丙烯酰胺 含量很少(Ezejie1al,2003)。调查研究表明，天冬酰胺在土豆中的含量最高可达939 mgkg(Martin&Ames,2001),在小扁豆种子中的含量可达18000-62000mgkg(Rozan eal,2001),在芦笋中的含量更是高达11000-94000mgkg(Hurst et al,1998)。通过 施肥控制、作物栽培和品种改良等方式改变食品原料中天冬酰肢的含量，或者在待 加工食品原料中添加酶或其它氨基酸，可以有效地抑制热加工食品中丙烯酰胺的形 成。 前体物质糖的影响 研究表明，当天冬酰胺存在时，还原糖（葡萄糖、果糖、半乳糖、山梨醇、甘油 醛和乳糖)和非还原糖（蓝糖)均能与其反应产生内烯毓胺(Yaylayane1al,2003), 且普遍认为果糖与天冬酰胺反应产生丙烯酰胺的效率高于葡萄糖(Biedermann etal., 2002b;Pollien et al,.2003)。另外，蔗糖也能与天冬酰胺反应产生内烯酰胺，但需更 高的反应温度，因为燕精作为非还原糖本身不参与反应，须经高温水解成为葡萄糖 和果糖后再参与，因此燕糖与天冬酰胺的反应摩尔数比例为1：2(Taeymans et al,. 2004)。与天冬酰胺类似，通过降低食品原料或反应体系中糖的含童也可有效控制热
浙江入学博士学位论文 第一章文献综述与立题依据 1．3．2丙烯酰胺的形成规律与影响因素 早期研究对食品中丙烯酰胺的形成规律进行了初探。在天冬酰胺和葡萄糖等摩尔 反应体系中，以180 oC的温度加热15 min，可使体系中丙烯酰胺的产生量达到最大 值(Stadleretal．，2002)；温度依赖关系研究表明，在模式体系中当加热温度在120．170 oC范围内逐渐上升时，丙烯酰胺的含量不断增加，而当温度超过170 oC后，其含量 逐渐减少(Mottram et a1．，2002)。丙烯酰胺在薯类油炸食品中的含量最高；油炸、微 波和焙烤等加热方式有利于丙烯酰胺的形成，而未经加热处理或水煮烹饪方式产生 的丙烯酰胺含量很低(Tareke et a1．，2002)。 前体物质天冬酰胺的影响 作为产生丙烯酰胺的主要前体物质，天冬酰胺的含量对热加工食品中丙烯酰胺的 形成具有重要的影响。如果采用其它氨基酸(如：丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、半 胱氨酸、谷氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和缬氨酸)作为前体物质时，产生的丙烯酰胺 含量很少(Ezeji et a1．，2003)。调查研究表明，天冬酰胺在土豆中的含量最高可达939 m & ， )，在小扁豆种子中的含量可达l 一 a1．2001 ．g／k，g(Mar)ti，n在芦Am笋e中s 2的0含01量更是高达1 1000—8000 94000 mg／kg(Hurst62000．，mlg／kg(。R通oza过net et al 998) 施肥控制、作物栽培和品种改良等方式改变食品原料中天冬酰胺的含量，或者在待 加工食品原料中添加酶或其它氨基酸，可以有效地抑制热加工食品中丙烯酰胺的形 ： 成。 前体物质糖的影响 研究表明，当天冬酰胺存在时，还原糖(葡萄糖、果糖、半乳糖、1／_1梨醇、甘油 醛和乳糖)和非还原糖(蔗糖)均能与其反应产牛内烯酰胺(Yaylayan et a1．，2003)， 且普遍认为果糖与天冬酰胺反应产生丙烯酰胺的效率高于葡萄糖(Biedermann el a1．， 2002b；Pollien el a1．，2003)。另外，蔗糖也能与天冬酰胺反应产生丙烯酰胺，但需更 高的反应温度，因为蔗糖作为非还原糖本身不参与反廊，须经高温水解成为葡萄糖 和果糖后再参与，冈此蔗糖与天冬酰胺的反应摩尔数比例为1：2(Taeymans el a1．， 2004)。与灭冬酰胺类似，通过降低食占|!l原料或反应体系lfl糖的含量也可有效控制热 17
浙江大学牌士学位论文 第一章文献棕述与立题依据 加工食品中丙烯酰胺的含量。 近年来，许多研究报道了食品中丙烯酰胺形成的影响因素，这些因素包括加热时 间、加热温度、pH、前体物质浓度、热加工方式、原料栽培、耕作施肥、原料采收 时间、原料贮藏时间与温度等，其中薯类油炸食品如薯片、法式炸薯条等是重点研 究的对象。丙烯酰胺形成的影响因素的相关文献报道及其主要成果如表14所示。 1.3.3特征性食品基质中丙烯酰胺的形成 除了上述外在影响因素以外，食品基质本身对丙烯酰胺的产生也有重要的影响。 几种特征性食品（土豆、谷物、焙烤食品、杏仁和咖啡）受到广泛关注，它们也是 产生丙烯酰胺含量较多的代表性基质 表14关于内烯酰胺形成影响因素的相关研究及其主要发现 Table 1-4 Studies and main findings on the impact factors of the acrylamide formatior 样品基质 主要发现 参考文献 白面包 外表皮丙场胺含高于内表皮，面包皮温度和水分合响An207 丙烯酰胶的形成 法式炸薯条 采用低糖、低天冬酰肢的土豆作为原料，油炸后丙烯酰胺的生 成量减少 Becalskieral (2004) 黑橄榄 暗色化程度与栽培方法对加工产品丙场酰胺的含量龙响很大，Casado&Montan0 而原料中天冬酰胺和还原能的含量却无明显彬响 (2008) 发酵面包 氨基酸含童与谷物栽培时氨肥施用和收获时节有关，最终影响 Claus ef al (2006) 产品中丙娇酰胺的含承 土豆 丙烯酰胺含吊的变化与原料中还原糖含量有关，低温贮藏可使De Wilde:al 还原糖含承增加 (2005) 上豆 丙烯酰胺含量与原料巾还原糖含录有关，栽培时减少氮肥施用De Wilde er al. 可使还原糖含录增加 (2006a) 天冬酰胺葡萄 天冬酰胺与葡萄糖以1：3的摩尔比在170C下加热30mn可使 丙烯酰胺的生成命达到城大，在炎拉德反应制始阶段其生成 Ehling&Shibamoto 糖校式反应休系 与总吡嗪含线性相关 (2005) 18
浙江大学博士学位论文 第一章文献综述与立题依据 加工食品中丙烯酰胺的含量。 近年来，许多研究报道了食品中丙烯酰胺形成的影响因素，这些因素包括加热时 间、加热温度、pH、前体物质浓度、热加工方式、原料栽培、耕作施肥、原料采收 时间、原料贮藏时间与温度等，其中薯类油炸食品如薯片、法式炸薯条等是重点研 究的对象。丙烯酰胺形成的影响因素的相关文献报道及其主要成果如表1．4所示。 1．3．3特征性食品基质中丙烯酰胺的形成 除了上述外在影响因素以外，食品基质本身对丙烯酰胺的产生也有重要的影响。 几种特征性食品(土豆、谷物t焙烤食品、杏仁和咖啡)受到广泛关注，它们也是 产生丙烯酰胺含量较多的代表性基质。 表1-4关于丙烯酰胺形成影响因素的相关研究及其主要发现 Table 1-4 Studies and main findings on the impact factors of the acrylamide formation 样品基质 主要发现 参考文献 白面包 法式炸薯条 黑橄榄 发酵面包 土豆 二L豆 天冬酰胺．葡萄 糖模式反应体系 外表皮丙烯酰胺含量高于内表皮，面包皮温度和水分含量影响Ahrn6“口，．(2007) 丙烯酰胺的形成 采用低糖、低天冬酰胺的土豆作为原料，油炸后丙烯酰胺的生Becaiski Pf口f．(2004) 成量减少 暗色化程度与栽培方法对加工产品丙烯酰胺的含量影响很大，Casado&Montafio 而原料中天冬酰胺和还原糖的含量却无明显影响(2008) 氨基酸含譬与谷物挚培时氮肥施用和收获时节有关，最终影响Claus et a1．(2006) 产品中丙烯酰胺的含最 丙烯酰胺含晕的变化与原料中还原糖含量有关，低温贮藏可使De Wilde et a1． 还原糖含量增加(2005) 丙烯酰胺含最与原料中还原糖含罱有关，栽培时减少氮肥施用De Wilde et a1． 可使还原糖含量增加 (2006a) 天冬酰胺与葡萄糖以l：3的摩尔比在170 oC下加热30 rain可使 丙烯酰胺的生成最达到最大'在炎拉德反应初始阶段其生成最裂鬻&shibamo协
浙江大学博士学位论文 第一章文献综述与立感依据 (续表) 样品基质 主要发现 参考文献 土豆热加工食品 裁培时不施用氨配可降低热加工产品中丙烯酰胺的含量，它与天 冬酰胺含量密切相关 Elmore et aL(2007) 薯类油炸食品 栽培时增加氨肥、减少钾肥施用可使土豆中天冬酰肢和还原糖含Gerendas:al 量增加 (2007 法式炸薯条 在150℃、170℃和190℃下油炸9min,产品表层丙烯酰肢的含 景远高于中心部位 Gokmen er al (206) 咖啡、小麦面粉、 丙烯酰胺含量与红色系数a密切相关，可用该系数作为衡量丙烯Gokmen&Senyuva 薯片 酰跤形成的指标 (2006a) 水分含量对丙烯酰胺的生成量有很大影响，油炸前进行热烫可使 薯片 生成量减少 Haase er al (2004) 甘油-水模式体系 丙烯酰妝的形成与水分活度和加热温度有关 薯条 采用Logistic-Exponential模型和Empirical模型模拟丙烯酰胶的形 Knol et al.(008) 成规律 薯片、炸薯条 丙烯酰肢的生成员与治炸时间线性相关，与油炸温度非线性相关Mh5s:l (2004) 模式体系、薯条 油炸时所用植物油的种类对丙烯酰胺的生成佩无明显影响 Mestdagh et al. (2005) 土豆模式体系 与水分活度相比，丙烯酰肢的形成更依赖于体系的水分含量 Mestdagh et al (2006) 黑麦面包片 高温长时间培烤使丙烯酰胶含量增加，添加果糖对其含量无能影响Mustafa er al,(200S) 炸薯片 丙烯酰胺的含希与描述薯片色泽的红色系数*朵正相关 Pedreschi et al. (2005) 炸薯片 萝片经热烫后进行干燥对油炸产品丙烯酰胺含量有显著蟛响，但Pedreschi et al 对色泽无些响 (2007a) 低湿模式体系 丙烯酰胶的适宜生成条件1为20C加热60min,或者160C加热5 Robert e1al20叫 m 马铃薯、薯条 加到200℃，延长加热时刷和低pH值（）条件下丙运酰的Ra(o0) 生成减少 薯片 成用人工神经网络方法对丙烯酰骸的生成飛和产品色泽进行模Serpen&Gokmen 拟 (2007) 19
浙江大学博：i二学位论文 第一章文献综述与立题依据 (续表) 样品基质 主要发现 参考文献 土豆热加工食品萎姜瑟喜釜昙荔嚣翼降低热加工产品中丙烯酰胺的含晕，它与天Etmore el a1．Q。7， 薯类油炸食品 法式炸薯条 栽培时增加氮肥、减少钾肥施用可使土豆中天冬酰胺和还原糖含Gerendhs et a1． 量增加(2007) 夸151。C、．170，。：和190 oc下油炸9m访，产品表层丙烯酰胺的含G绌．men矗口，．(2006) 量远高于中心部位 咖啡、小麦面粉、 丙烯酰胺含量与红色系数矿密切相关，可用该系数作为衡量丙烯G0kmen&Senyuva 薯片 酰胺形成的指标 (2006a) 薯片 孪竺兰苎翟丙烯酰胺的生成量有很大影响，油炸前进行热烫可使Haa∞甜口f．(2004) 生成量减少 甘油一水模式体系 丙烯酰胺的形成与水分活度和加热温度有关 薯条 薯片、炸薯条 模式体系、薯条 土豆模式体系 Hedegaard et a1． (2007) 焉曼紫g陂珏Exp。ne埘a1模型和Empirical模型模拟丙烯酰胺的形Kn。1 d以(2008) 成规律 丙烯酰胺的生成量与油炸时间线性相关，与油炸温度非线性相关(M2。at04th)2iu8甜以 油炸时所用植物油的种类对丙烯酰胺的生成量无明显影响 M(200est5d)a曲甜以 与水分活度相比，丙烯酰胺的形成更依赖于体系的水分含量 M(200est6d)a曲譬以 黑麦面包片 高温长时间焙烤使丙烯酰胺含量增加，添加果糖对其含量无影响Mustafa et a1．(2005) 炸薯片 炸薯片 丙烯酰胺的含量与描述薯片色泽的红色系数口·呈正相关 Pedreschi el a1． (2005) 薯片经热烫后进行干燥对油炸产品丙烯酰胺含量有显著影响，但Pedreschi et a1． 对色泽无影响(2007a) 低湿模式体系 丙．烯酰胺的适宜生成条件为120。c加热60 min’或者160。c加热5 Roben田口，．(2004) 马铃薯、薯条 薯片 加热到200。C、延长加热时问和l'氏pH值(<8)条件下丙烯酰胺的 生成最减少 应用人工神经网络方泫对丙烯酰股的生成最和产品色泽进行模 拟 Rydberg et a1．(2003) Serpen&GOkmen (2007) 19