利用微生物及其产生的酶控制食品中丙烯酰胺的形成

王鑫月，李洪军,2，李少博，甘潇，贺稚非,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆 北碚，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 北碚，400715)

综述与专题评论

利用微生物及其产生的酶控制食品中丙烯酰胺的形成

王鑫月1，李洪军1,2，李少博1，甘潇1，贺稚非1,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆 北碚，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 北碚，400715)

丙烯酰胺是高温加工食品中一种常见的对人体有潜在危害的化学物质，其主要通过美拉德反应生成，但美拉德反应对改善食品色泽、风味等起到重要作用，因此如何有效抑制食品中丙烯酰胺的形成成为国内外研究热点。利用微生物对原料进行预处理具有抑制食品中丙烯酰胺形成的作用。文章简要介绍了食品中的丙烯酰胺以及微生物抑制丙烯酰胺形成的主要途径，重点阐述了微生物预处理在食品加工过程中抑制丙烯酰胺形成的研究，旨在为今后食品中丙烯酰胺的减控研究提供参考。

丙烯酰胺；微生物预处理；食品加工；食品安全

1 食品中的丙烯酰胺

1.1丙烯酰胺的简介

丙烯酰胺(acrylamide, AA)，化学式C3H5NO，分子质量71.08，是一种白色晶体物质，室温下稳定，主要用于工业上生产水溶性聚丙烯酰胺。该类聚丙烯酰胺常用于纺织、造纸、石油开采、水处理等领域。

经大量毒理学研究发现，丙烯酰胺可通过皮肤、消化系统和呼吸系统等多种途径进入体内，并可在哺乳动物细胞内形成具有强遗传毒性的代谢产物——环氧丙酰胺(glycidamide, GA)，它可与DNA分子结合引发突变，甚至引发癌症，此外它也可与蛋白质结合，如血红蛋白与其结合形成的加合物可成为人群丙烯酰胺接触水平的标志[1]。通过研究，人们逐渐认识到环氧丙酰胺可能是造成丙烯酰胺具有神经毒性、致癌性、突变性、遗传毒性的主要原因。1994年，丙烯酰胺被国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer，IARC)列为对人体具有潜在致癌性的物质(ⅡA类)[2]。

丙烯酰胺是一种很容易被排放到环境中的化学物质，但其在土壤中可被很快降解，因此，以前人们认为水中残留的丙烯酰胺是人体接触丙烯酰胺最直接的途径，世界卫生组织(WHO)与我国均规定饮用水中丙烯酰胺残留量需小于0.5 μg/L[3-4]。2002年4月，瑞典国家食品管理局(Swedish National Food Administration，SNFA)和斯德哥尔摩大学率先提出丙烯酰胺在热加工食品中广泛存在[5]，例如薯片、饼干、咖啡等，随后美国、英国等其他国家的研究人员也发表了类似结果，因此热加工食品成为人们接触丙烯酰胺最直接的途径，从而引起了全球的广泛关注。FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会(JECFA)调查了24个国家2002～2004年各类食品中丙烯酰胺的含量，其中含量最高的三类食品分别是：高温加工土豆制品平均含量为0.477 mg/kg，最高含量为5.323 mg/kg；咖啡及其类似制品平均含量为0.509 mg/kg，最高含量7.3 mg/kg；早餐谷物类食品平均含量为0.313 mg/kg，最高含量为7.384 mg/kg。中国疾病预防控制中心营养与食品安全研究所检测了100余份样品中丙烯酰胺含量，油炸食品中，薯类平均含量为0.78 mg/kg，最高含量为3.21 mg/kg；谷物类平均含量为0.13 mg/kg，最高含量为0.66 mg/kg；焙烤类食品中，谷物类平均含量为0.13 mg/kg，最高含量为0.59 mg/kg。此外，还有其他样品，如速溶咖啡、大麦茶、玉米茶等丙烯酰胺含量均较低，这与其他国家食品中丙烯酰胺含量相似[6]。

1.2食品中丙烯酰胺的减控途径

食品体系中，天冬酰胺与还原糖是形成丙烯酰胺主要的前体物质[7]。热加工过程中天冬酰胺的氨基与还原糖的羰基发生美拉德反应(Maillard Reaction)，最终生成丙烯酰胺，这是食品中形成丙烯酰胺最重要的途径[8]。目前，控制食品中丙烯酰胺形成的途径主要有3条：(1)对食品原料进行预处理，控制食品原料中丙烯酰胺合成前体的含量，如利用天冬酰胺酶减少原料中天冬酰胺的含量；(2)控制食品热加工过程中的美拉德反应进程，如降低热处理温度、减少热处理时间或使用食品添加剂等；(3)移除食品中已形成的丙烯酰胺。但是，这些方法都可能对食品品质产生不良影响或增加产品生产成本，亦或是对技术要求过高而难以在实际生产中应用，因此如何低成本且有效的控制食品中丙烯酰胺的形成，成为了国内外关注的热点。

2 微生物减少丙烯酰胺形成的途径

微生物在食品工业中起着重要作用，常利用微生物避免处理过程对食品品质产生不良影响。现已有研究人员从不同环境中筛选出多种可抑制丙烯酰胺形成或降解丙烯酰胺的微生物，其中大部分为细菌，也有部分酵母菌、霉菌等(表1)，因此，有研究人员提出也许可以利用微生物降低食品中丙烯酰胺含量。

微生物减少丙烯酰胺主要有以下4条途径：(1)利用微生物产生的酶，如天冬酰胺酶等；(2)利用微生物发酵来减少丙烯酰胺合成，如利用乳酸菌产乳酸的特性，降低环境pH，可达到抑制丙烯酰胺形成和积累的效果[9]；(3)利用微生物吸附作用，乳酸菌细胞壁中磷壁质酸可与丙烯酰胺相互结合，从而起到移除丙烯酰胺的目的[10]；(4)利用微生物的生化反应，如一些微生物的反硝化作用，在有足够多电子受体(硝酸盐)存在的情况下，可以完全消除污水中的丙烯酰胺[11]。

表1 近年来分离的具有降解丙烯酰胺能力的微生物

3 利用微生物及其产生的酶抑制食品中丙烯酰胺的形成

3.1利用微生物生产的酶法抑制食品中丙烯酰胺的形成

天冬酰胺是合成丙烯酰胺重要的前体物质，降低食品体系中天冬酰胺的含量可以有效控制丙烯酰胺的形成。天冬酰胺酶(L-asparagine amidohydrolases EC 3.5.1.1)是一种胞内酶，它可水解天冬酰胺侧链中的酰胺基团，催化天冬酰胺水解为天冬氨酸及氨，从而抑制丙烯酰胺的形成(图1)[19]。现在天冬酰胺酶可以从多种微生物中获得，如大肠杆菌(Escherichiacoli)、黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)等[20-21]。目前关于利用天冬酰胺酶处理食品来减少丙烯酰胺合成的研究较多。KUKUROV等[22]分别利用100和500 U天冬酰胺酶对面团进行预处理，可以使面团中天冬酰胺的含量减少96%～97%，进而使油炸面团中丙烯酰胺的含量降低了90%。KUMAR等[23]研究发现，在甜面包中加入枝孢菌(Cladosporiumsp.)产生的天冬酰胺酶可以显著减少甜面包中丙烯酰胺的含量，并且对甜面包的品质特性不产生影响。ANESE等[24]研究发现，在面团中添加天冬酰胺酶可显著降低饼干中丙烯酰胺的含量，且对饼干品质无显著影响。王文艳等[25]研究发现，添加天冬酰胺酶可显著降低膨化板栗中丙烯酰胺的含量。AMREIN等[26]研究发现，利用天冬酰胺酶制作的姜饼可以减少55%丙烯酰胺的形成，并且天冬酰胺酶在降低丙烯酰胺含量的同时对产品的感官特性未产生影响。此外，天冬酰胺酶还可以减少焙烤咖啡豆及薯条中丙烯酰胺的积累[27-28]。天冬酰胺酶活性受食品基质的影响。ANESE等[29]研究发现，天冬酰胺酶对水分含量较高的原料制作的烘焙产品中的丙烯酰胺具有更好的抑制作用，并且原料中的脂肪会抑制天冬酰胺酶的活性，原料中脂肪含量越高越不利于丙烯酰胺含量的降低。目前，已有2种天冬酰胺酶实现商业化，它们分别是产自荷兰的PreventASeTM以及丹麦的Acrylaway®。PreventASeTM是利用黑曲霉(Aspergillusniger)产生的天冬酰胺酶，其最适pH和最适温度分别为pH 4～5，50℃。Acrylaway®是利用米曲霉(Aspergillusoryzae)产生的天冬酰胺酶，其最适pH和最适温度分别为pH 7，37℃[21]，2009年国内已批准诺维信公司Acrylaway®在中国市场中使用[30]。目前，限制天冬酰胺酶在食品中广泛应用的原因主要有：成本较高、天冬酰胺酶的产量和活性均较低，并且其对食品基质要求较高。近些年来，有研究人员将天冬酰胺酶基因导入到大肠杆菌(Escherichiacoli)或霉菌中进行表达以提高天冬酰胺酶的产量及活力[20, 31]。

图1 丙烯酰胺的形成及天冬酰胺酶对其形成的抑制[8, 32-33]Fig.1 Formation of acrylamide and its prevention using asparaginase

3.2微生物发酵法抑制食品中丙烯酰胺的形成

食品加工过程中，微生物发酵作用不仅可以改善食品的风味、质构以及货架期等理化特性，还可以有效减少食品中丙烯酰胺的含量。目前，关于微生物发酵作用抑制食品中丙烯酰胺形成的相关研究主要集中在酵母菌与乳酸菌的利用上。

3.2.1 酵母菌发酵抑制食品中丙烯酰胺的形成

酵母菌发酵可消耗原料中天冬酰胺与还原糖，从而降低产品中丙烯酰胺的生成。ZHOU等[34]利用酵母菌发酵作用消耗土豆条中的还原糖，可以使薯条中丙烯酰胺降低70%。WANG等[35]研究发现酵母菌发酵可利用面团中40%～60%的天冬酰胺，以达到有效降低面包中丙烯酰胺含量的目的。HUANG等[36]研究发现，在油条中添加0.8%的酵母并发酵1h可以使油条中的丙烯酰胺减少66.7%。 FREDRIKSSON等[37]研究发现，利用酵母菌可以消耗面团中游离的天冬酰胺，相比15～30 min短时间发酵，3～6 h长时间发酵可以引起全麦面包和黑麦面包中丙烯酰胺更高程度的减少，减少量分别达到87%和77%。此外，KAMKAR等[38]将土豆片浸泡在含有酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)自溶物的溶液中，结果表明，薯片中丙烯酰胺的含量显著降低，且薯片的品质并未受到影响。

3.2.2 乳酸菌发酵抑制食品中丙烯酰胺的形成

乳酸菌发酵可以产生大量有机酸，降低生面团环境pH，从而抑制食品中丙烯酰胺的合成，或通过消耗丙烯酰胺前体物质(天冬酰胺和还原糖)来抑制丙烯酰胺的形成，但其具体反应机理还需要进一步验证[39]。制备油炸土豆饼使用的生面团时，加入嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)可以有效降低油炸土豆饼中丙烯酰胺的含量[40]。MONICA等[41]研究发现利用乳酸菌和甘氨酸制成的溶液浸渍土豆条，可以使油炸土豆条中的丙烯酰胺减少70%，且不影响产品的色泽、口感及风味。DASTMALCHI等[42]研究发现经干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei-casei)、罗伊氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri)发酵生面团，生产得到的伊朗桑嘎克面包和面包卷中丙烯酰胺含量均较低。BARTKIENE等[43]研究发现在黑麦面包中利用干酪乳酸菌(Lactobacilluscasei)可使面包中丙烯酰胺的含量显著减少。郑宗平等[9]研究发现利用6种不同的乳酸菌生产饼干，并采用GC-MS法测定这些饼干中产生的丙烯酰胺含量的差异。结果表明，经乳酸菌发酵后可以显著降低饼干中丙烯酰胺含量，其中利用植物乳杆菌(LactobacillusplantarumCCFM382)制作的饼干中丙烯酰胺含量最低，仅为100.63μg/kg。2010年，挪威Zeracry AS公司申请了一项专利，即利用食品级乳酸菌溶液处理食品原料10～15 min，相比对照组，可降低土豆和咖啡制品中90%的丙烯酰胺，其原理是利用乳酸菌消耗原料表面的还原糖，从而减少食品中丙烯酰胺的形成，并证明这种方法在食品工业生产中是可操作的[44-45]。

利用乳酸菌发酵的同时还可以通过改变原料的组成成分，如减少原料中天冬酰胺的含量，从而达到降低丙烯酰胺含量的目的。研究发现制作面包时添加羽扇豆，同时利用沙克乳杆菌(Lactobacillussakei)以及戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)，可以显著降低面包中丙烯酰胺的形成，还可以增加面包中高质量蛋白质的含量[46]。也有研究发现利用沙克乳杆菌(Lactobacillussakei)深层发酵加有羽扇豆的饼干可以有效降低饼干中丙烯酰胺的含量[47]。BARTKIENE等[48]研究发现添加洋姜茎块，利用沙克乳杆菌(LactobacillussakeiKTU05-6)，乳酸片球菌(PediococcusacidilacticiKTU05-7)及戊糖片球菌(PediococcuspentosaceusKTU05-9)进行深层发酵可以有效降低饼干中丙烯酰胺的含量。BARTKIENE等[49]还研究发现，相比自然发酵，添加乳酸菌和洋姜茎块的小麦面包有较低的丙烯酰胺含量且对其品质无显著影响。

除了利用酵母菌与乳酸菌发酵，也有研究人员研究了24株真菌对烤制绿茶饮料中丙烯酰胺含量的影响，研究发现利用米曲霉(AspergillusoryzaeKBN1010)在30℃条件下发酵3d可以最有效的抑制丙烯酰胺的生成，即烤制绿茶饮料中丙烯酰胺含量从11.4μg/mL降至1.2μg/mL[50]。

4 结语与展望

高温加工食品(如油炸、焙烤等)中由美拉德反应形成的丙烯酰胺是一种潜在的对人体有害的物质，抑制食品中丙烯酰胺的形成具有重要的意义。使用传统方法抑制食品中丙烯酰胺的形成大都会对食品品质产生不良影响，而微生物可以在不引起食品品质劣变的基础上有效控制食品中丙烯酰胺形成。微生物产生的天冬酰胺酶及微生物发酵作用可从根源上有效降低食品中丙烯酰胺含量。但目前我国食品加工中使用的天冬酰胺酶还依赖于进口或外资企业，成本较高，并且天冬酰胺酶对食品基质要求较高而难以在食品中广泛使用，因此筛选我国本土适应性良好的高产菌株、优化发酵及提取工艺是今后天冬酰胺酶研究的重要方向之一。利用微生物发酵法抑制食品中丙烯酰胺的生成效果好且成本低，但其研究目前还处于起步阶段，其反应机理还需进一步深入研究，并且在食品热加工过程中，一些微生物发酵的代谢产物对丙烯酰胺形成也起到了关键作用，如乳酸菌发酵产物如乳酸、氨气等也可通过其他途径反应产生丙烯酰胺。此外现有的研究中，微生物在控制食品中丙烯酰胺形成的同时是否有其他有害物质产生的研究还未见报道，因此今后可对其食用安全性做进一步的研究。

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Controllingofacrylamideformationinfoodsbymicroorganismsandtheirenzymes

WANG Xin-yue1,LI Hong-jun1,2,LI Shao-bo1,GAN Xiao1,HE Zhi-fei1,2*

1(College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China) 2 (Chongqing Engineering Research Center of Regional Food,Chongqing 400715,China)

Acrylamide is a potentially harmful chemical to human health which often formed during high-temperature Maillard reaction. However, Maillard reaction has an important role on food color and flavor. The inhibition of acrylamide in foods got many attentions in domestic and abroad. Microorganism which is widely used in the food industry was found to be able to inhibit the acrylamide formation in foods. The acrylamides in foods and the pathways of inhibiting formation of acrylamide are introduced. The paper is mainly focused on the inhibition formation of acrylamide in food processing by microorganism pretreatment and hope the study can provide a reference for further study on reducing acrylamides in foods.

acrylamide; microbial pretreatment; food processing; food safety

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013466

硕士研究生(贺稚非教授为通讯作者，E-mail：2628576386 @qq.com)。

十三五国家重点研发计划专项“中式传统腊肉制品绿色制造关键技术与装备研发及示范(2016YFD0401503)”；重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目(cstc2014pt-gc8001)

2016-11-22，改回日期：2017-01-04