食品中α-二羰基化合物产生的危害及控制

蔡智立，陈诗炜，陈媛媛，周梦舟， 冯年捷，吴茜*

(1.湖北工业大学 生物工程与食品学院，武汉 430068；2.工业发酵湖北省协同创新中心， 武汉 430068；3.湖北省食品发酵工程技术研究中心，武汉 430068；4.湖北工业大学 材料与化学学院，武汉 430068)

α-二羰基化合物是美拉德反应(MR)中具有高度反应活性的中间产物，也是AGEs形成的前体物质。其极易在高温条件(煎炸、烧烤等)下形成，可以由单糖、低聚糖或多聚糖在焦糖化反应中的部分羟醛缩合和自动氧化产生的碎片生成，也可由阿马多利化合物(Amadori compounds)的裂解产生。因每个分子含有2个羰基结构而具有高度的活性，如3-脱氧葡萄糖醛酮(3-DG)、丙酮醛(MGO)、2，3-丁二酮、乙二醛(GO)，所以能引起蛋白质变性，导致营养流失和AGEs的形成，而且其本身具有毒性，同时还有快速生成对人体有危害的AGEs的特性，两者都参与许多慢性疾病的发展，故研究α-二羰基化合物的产生来源及控制途径具有非常重要的意义。

1 产生来源

MR、焦糖化反应、脂质过氧化和微生物发酵是α-二羰基化合物产生的主要来源，除此之外，用紫外辐射乙醛、丙烯醛、丙醛和丙酮时，会产生GO和MGO[1]。众所周知，α-二羰基化合物很容易在MR的前期过程中产生，然后将会以高反应活性去攻击其他大分子物质，从而造成一定的危害。焦糖化反应也是形成α-二羰基化合物常见的途径，主要是一些糖类经过反羟醛分裂形成的，其中氧气有着很重要的作用[2]。研究表明，脂质或者富脂食品能够在加热过程中氧化降解产生大量有毒的α-二羰基化合物，物质中饱和脂肪酸和不饱和脂肪含量会有影响，通常来说，不饱和脂肪酸越多，生成的α-二羰基化合物越多；当温度从100 ℃加热至200 ℃时，黄油和人造奶油产生的α-二羰基化合物总量分别提高了55倍和15倍[3]。在发酵过程中，微生物代谢会在产品中释放α-二羰基化合物，Flamini R等[4]为探究苹果酸和乳酸发酵对葡萄酒中羰基化合物的影响，采用酒类球菌商业菌株发酵的葡萄酒，并与未发酵葡萄酒进行比较，观察到GO的显著增加。在微生物发酵食品如醋、酒、牛奶、啤酒等中都含有一定量的α-二羰基化合物[5]。可见，α-二羰基化合物在食品中广泛存在。

众所周知，调味品有着改善食品风味，赋予食品特殊味感，使食品鲜美可口，增进食欲的作用，在餐饮行业中扮演着重要的角色。其中α-二羰基化合物是形成香味物质的重要前提，它自身可以聚合形成具有肉香和烤肉香的含氧杂环化合物糠醛、呋喃等，例如3-脱氧邻酮醛糖脱水形成糠醛[6]。

我们也可以发现，越来越多的美食如汤、鱼丸、肉等大都依赖于能使它们吃起来更加可口的调味品，随着生活质量的提高，人们对于调味品也有着更高的追求，为了突出“健康”、“自然”、“绿色”和个性化等元素，调味品行业也将朝着更加好的方向发展。但是在醋、酒中可以检测到一定含量的α-二羰基化合物，它在人体内积累到一定含量时也将对人体造成危害。中国咸味香精近2年在一些共性关键技术方面取得了突破，其中有脂肪调控氧化技术，这项技术将会使产品的含油率下降[7]，这在一定程度上也可减少因脂肪过氧化而产生的α-二羰基化合物的含量。并且，大多数调味品中氨基酸和多肽的含量很高，若调味品中存在α-二羰基化合物，它们将发生MR从而生成有毒物质AGEs。

2 产生的危害

越来越多临床和临床前的研究表明，当人体摄入的α-二羰基化合物积累到一定的程度时就会发挥相应的毒性作用，从而危害人类的健康，因此不得不引起大家的广泛关注。

2.1 糖尿病与α-二羰基化合物的关系

现在发现α-二羰基化合物能够对糖尿病相关组织造成损害，从而增大糖尿病的患病几率。引起糖尿病的关键环境因素往往是饮食。饮食中的α-二羰基化合物因有很强的生物反应活性而与蛋白质形成内外交联反应，从而造成一些生物大分子结构和功能的改变，最终造成一定的毒性作用。

一般而言，人体内α-二羰基化合物的含量比较低，这是因为正常人体内含有多种降解α-二羰基化合物的酶，它们能够高效、快速地将α-二羰基化合物及时地代谢掉，从而使α-二羰基化合物在体内维持较低的水平。但是，高血糖环境能够促进糖基化反应，从而使α-二羰基化合物生成量增加。

2.2 糖尿病肾病

α-二羰基化合物是形成AGEs的前体物质，在合适的条件下就会形成AGEs，从而造成AGEs的积累。当糖尿病患者体内α-二羰基化合物和有毒物质AGEs的含量达到一定的水平时就会对肾脏造成一定的损伤，促使糖尿病肾病的发生，进而对糖尿病患者的身体健康进一步造成威胁。另外，有许多研究发现，在糖尿病肾病患者体内，血浆中MG的水平显著升高。

2.3 糖尿病心肌病

已知乙二醛酶-1(GLO1)可减少MGO介导的炎症反应，预防糖尿病心室功能障碍。Branka Vulesevic等[8]通过建立糖尿病小鼠模型发现，与非糖尿病对照相比，野生型糖尿病心脏中内皮细胞数量减少，血管内皮细胞的神经调节蛋白生成等在GLO1-糖尿病小鼠心脏中保持不变，与野生型糖尿病组相比心肌细胞死亡较少。在高血糖8周期间，GLO1过度表达延迟并限制了心功能的丧失。在体外，糖尿病中内皮细胞损失会因MGO含量的升高而增加，而且MGO还会促进炎症的发生，这些都会让糖尿病心肌病恶化。

2.4 糖尿病动脉粥样硬化

糖尿病经常伴随着动脉粥样硬化的发生，糖尿病人群中动脉粥样硬化的患病率较正常人高[9]。Chen Y J等[10]采用左旋硝基精氨酸甲酯和高脂饲料喂养法分别喂养20只健康大鼠(NC)和20只糖尿病动脉粥样硬化大鼠(Model)，在它们的血清中发现，与NC组相比，Model组中MGO和3-DG含量都较高，表明α-羰基化合物含量升高可能是糖尿病动脉粥样硬化的发病原因之一。

2.5 糖尿病炎症

曾有研究报道，AGEs及其受体之一RAGE参与了糖尿病患者慢性免疫失衡的诱导[11]。这种相互作用将免疫细胞吸引到扩散的糖化组织中，并激活这些细胞以诱导炎性损伤，以扰乱糖尿病伤口的正常免疫节律。若饮食中的MGO含量增加，那么MGO衍生的AGEs可诱导一些细胞发生炎症反应。

3 抑制途径

3.1 反应条件的控制

一般而言，温度、pH、贮藏时间对食品中α-二羰基化合物的含量有很大的影响，找出它们与α-二羰基化合物的关系就能很好地控制α-二羰基化合物的生成量。

3.1.1 温度

Goncuoglu T N等[12]建立了榛子烘烤过程中MR和焦糖化反应的综合动力学模型，结果显示，α-二羰基化合物反应的温度依赖性很复杂，不能用一般的理论方程来解释。吕梦莎等[13]为了解反应温度对MR中形成的α-二羰基化合物的影响，以邻苯二胺(OPD)捕获“核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系”中的α-二羰基化合物，结果显示温度为115 ℃时，α-二羰基化合物的含量较高，高温长时间加热不利于α-二羰基化合物的形成。马毛毛[14]实验显示，在模拟体系中，将各种糖在各种温度下加热20 min可知GO，MGO和2,3-丁二酮这3种物质的含量随着加热温度的增加，整体呈增加的趋势。黄启瑞等[15]探究了温度对葡萄糖-甘氨酸模拟美拉德反应体系中3种α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影响，结果表明：在80～140 ℃范围内，温度的升高会促进体系中MGO和GO的生成，而3-DG在温度达到110 ℃时达到峰值。

3.1.2 pH

黄启瑞等探究了pH对葡萄糖-甘氨酸模拟MR体系中3种α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影响，结果显示：pH在5～9范围内对3种物质的影响趋势和温度类似，MGO和GO的生成随pH的升高而不断增加，而3-DG在pH为6时含量达到最高，随后急剧降低。

3.1.3 反应时间

吕梦莎等以邻苯二胺(OPD)捕获“核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系”中的α-二羰基化合物,实验结果显示：在一定的温度范围内，随着反应时间的增加，α-二羰基化合物的生成量总体上呈增加的趋势。

3.2 底物种类

在相同的反应条件下，对不同类糖而言，α-二羰基化合物的生成速率的排序：单糖>二糖>寡聚糖>多糖；同类糖：还原性强的糖>还原性弱的糖。所以，为了减少α-二羰基化合物的生成，在生产过程中尽量选择还原性较小的原料，比如糖类选择淀粉为原料，选择原料的顺序应与α-二羰基化合物生成速率的顺序相反。

马毛毛实验研究显示: 当加热温度为120 ℃时，这7种糖与赖氨酸发生美拉德反应产生α-二羰基化合物含量的大小顺序为果糖>葡萄糖>核糖>麦芽糖>蔗糖>P-环糊精>淀粉。

3.3 外源物的添加

3.3.1 天然产物的添加

这些天然产物主要是一些黄酮类的物质，它们一般来自于水果、蔬菜、茶、葡萄酒、种子或是植物根。

3.3.1.1 槲皮素与葛根素

槲皮素与葛根素是2种常见的黄酮类物质，它们具有良好的抗氧化作用。孙涛等[16]试验研究表明，槲皮素能促进MR早期产物果糖胺和5-HMF的生成，对反应中期的二羰基化合物和末端荧光性产物(AGEs)具有较强的抑制作用，而且槲皮素以及葛根素对MR中二羰基化合物的生成皆有抑制作用，在反应时间为9 h，样品浓度为5.0 mmol/L时，槲皮素与葛根素对二羰基化合物的抑制率分别为23.1%和29.0%；同浓度氨基胍组有更好的抑制效果，但是氨基胍是有机合成类物质，有毒性。

3.3.1.2 儿茶素

儿茶素作为一种还原性多元酚类物质，它具有清除自由基和抗氧化的功能，它广泛存在于植物中，尤其是茶叶中。表儿茶素(EC)和表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)等都是儿茶素的典型代表物质，它们都具有酚类结构，从而有相似的性质和功能。儿茶素能够很好地捕获α-二羰基化合物，从而能够预防和治疗由α-二羰基化合物引起的相关疾病。杨立军[17]实验以小牛胸腺组蛋白H1和牛血清白蛋白为研究对象，探讨天然产物儿茶素能否抑制MGO和甘油醛诱导的蛋白非酶糖基化和羧甲基赖氨酸(CML)的形成，结果显示，儿茶素可有效保护组蛋白H1不被MGO糖基化，低浓度儿茶素(12.5～100 μmol/L)可抑制组蛋白H1CML的形成，当摩尔分子比为2∶1时几乎完全保护，其机制可能与捕获MGO有关。EC通过其环状结构可以捕获Maillard体系中的MGO，形成EC-MGO共价化合物。EGCG也可通过其分子上的3个环状结构捕获GO或MGO形成共价化合物。同样，鞣花酸作为一种广泛存在于各种软果、坚果等植物组织中的天然多酚，它是没食子酸的二聚衍生物，其可有效通过自身黄酮类物质的环状结构捕获α-二羰基化合物形成共价化合物[18]。

3.3.1.3 芦丁

芦丁属维生素类药，广泛存在于芸香叶、烟叶、枣、杏、橙皮、番茄、荞麦花等中，它具有抗自由基作用，而且能够有效抑制分别由活性二羰基化合物和还原糖引发的蛋白糖基化反应。李晓明等[19]发现了芦丁抑制α-二羰基化合物的反应发生在24 h之内，在浓度为0.25 mmol/L，24 h时芦丁抑制MGO发生蛋白糖基化形成AGEs的抑制率为79.42%，芦丁对蛋白糖基化的抑制作用不受糖种类的影响，且在反应初期就达到较好的抑制率，当浓度为0.25 mmol/L时，24 h抑制率达60%以上。国外文献报道，部分黄酮类化合物抑制活性二羰基化合物引发蛋白糖基化的作用机理为通过捕获MGO和GO二羰基化合物形成加合物，从而抑制AGEs的形成。推测芦丁也是通过捕获糖分解产生的活性二羰基化合物，从而在一定程度上抑制蛋白糖体系中AGEs的形成，但其作用机制以及具体作用过程有待进一步实验验证。

3.3.1.4 低聚糖阿魏酸酯

低聚糖阿魏酸酯广泛存在于玉米麸皮、燕麦、小麦粉和小麦麸皮中，它由低聚糖中的糖羟基与阿魏酸羧基通过酯化反应而形成。低聚糖具有抗氧化功能，阿魏酸是自然界中普遍存在的一种酚酸，它也具有很好的自由基清除能力和抗氧化活性。所以，两者结合形成的低聚糖阿魏酸酯表现出2种物质的抗氧化功能经协同作用后增强的抗氧化活性。它的抗氧化性能够清除反应过程中产生的自由基，从而抑制α-二羰基化合物的形成。姚胜文[20]实验表明，在不同的MR模拟体系中，只要加入3%的低聚糖阿魏酸酯就能够极大地抑制α-二羰基化合物的产生。

3.3.2 合成类药物

3.3.2.1 氨基胍

氨基胍，是目前为止比较公认的一种AGEs抑制剂，AGEs能够通过和α-二羰基化合物反应形成没有反应活性的稳定的化合物，从而阻断其进一步反应，可以很大程度地减小对人体的损害。研究证实氨基胍在体内可显著减少糖基化蛋白交联，但是氨基胍的毒副作用较大，限制了其的临床应用。

3.3.2.2 吡哆胺

吡哆胺是维生素B6的3种天然形式之一，吡哆胺还被证实可以通过捕获代谢生成的活性羰基从而抑制AGEs的生成。生理条件下，吡哆胺与活性二羰基化合物MGO或GO反应生成Schiff bases，经分子内环化形成半缩醛胺，两分子的半缩醛胺经亲核加成最终形成稳定的五元环加合物。吡哆胺可抑制Amadori产物转变成AGEs。在动脉粥样硬化兔模型中，吡哆胺能与α-二羰基化合物反应，可减缓实验性高脂饮食兔的动脉粥样硬化的形成[21]。与氨基胍相比，吡哆胺占据显著的优势，因为它是维生素B6的衍生物，可抵消氨基胍导致的维生素B缺乏的不良反应，并且吡哆胺本身的毒性很低，易于应用到临床实践中。因此，吡哆胺有望成为一种有效抵抗AGEs的新型药物。

4 总结

α-二羰基化合物，对食品中的色、香、味起着很重要的作用，在调味品中，它们也有着增香的功效，如MGO、GO、3-DG等，但是这些都是在体内和体外能产生化学和生物活性的物质。其形成主要有4种途径，分别是MR、焦糖化反应、脂肪过氧化、微生物发酵。它们的积累对人类健康有害并已经得到社会的关注；它们可能导致营养缺失，并可以与氨基酸、多肽、蛋白质和磷脂反应，生成AGEs；它们可能会导致一些糖尿病的并发症，特别是血管病。所以需要对它们进行有效的控制，才不会导致潜在的风险，可以在加工过程中尽量降低温度，食品贮藏期间在合适的低pH值下保存，也可以通过外加一些抑制剂，这些抑制剂通过捕获α-二羰基化合物从而形成稳定的化合物的方式来阻止它们对人体进一步产生危害。