肉制品加工中杂环胺形成与抑制研究进展

2019-01-06詹春怡李圣鑫步梓瑞周亚军

农产品加工 2019年4期

詹春怡，李圣鑫，步梓瑞，周亚军

（吉林大学食品科学与工程学院，吉林长春 130062）

在肉类加工中易产生多环芳烃、亚硝胺、杂环胺等致癌致突危害物，且杂环胺的致突变性远远高于多环芳烃、亚硝胺等[1-2]。大量研究表明杂环胺致癌，近来有报道称高杂环胺摄入与非酒精性脂肪性肝病[3]、神经元损伤[4]等多种疾病也存在关联，加工肉制品中杂环胺的控制势在必行。

杂环胺主要通过氨基酸、糖和肌酸之间的美拉德反应或一些氨基酸的热解形成[5]。因此，加工肉制品中杂环胺的形成受到多种因素的影响，如原料中前体物质的种类、含量和比例，以及肉制品加工条件等。为减少杂环胺对人体的危害，杂环胺的抑制技术受到了高度关注，包括天然抗氧化剂（如水果、茶叶和香辛料），以及合成抗氧化剂在内的外源抑制剂应用广泛。

通过阐述杂环胺的形成机理，归纳了影响肉制品加工中杂环胺生成的因素和抑制杂环胺生成的方法，以期为有效抑制肉制品中杂环胺与低危害物肉制品的研发提供较为全面的理论参考。

1 杂环胺的形成机理研究进展

目前杂环胺的形成机理尚未完全明确，简要对杂环胺的类型及已知形成路径进行概述。目前已分离杂环胺超过25种[6]，主要来源为各种肉制品，根据其产生温度不同分为热解杂环胺和热反应杂环胺。

1.1 热解杂环胺的形成路径

在250℃以上的较高温度下形成的杂环胺被称为热解杂环胺[7]，又叫咔啉类杂环胺。根据结构不同又可细分为五大类：吡啶并吲哚（harman，norharman，AαC，MeAαC，Trp-P-1，Trp-P-2），吡啶并咪唑（Glu-P） -1，Glu-P-2），苯基吡啶（Phe-P-1），四氮杂芴（Orn-P-1）和苯并咪唑（Cre-P-1）。

目前发现其主要有2条形成途径[8]。一是由游离氨基酸（如鸟氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等）热解形成，二是由大豆球蛋白和酪蛋白热解形成。二者均是通过热解形成各种脱羧基、氨基产物和活性自由基进而诱导形成杂环胺。

色氨酸[8]重排产物在250℃以上的温度形成Norharman热解杂环胺。呋喃糖形式的色氨酸重排产物经历脱水反应，然后通过环氧的孤对电子辅助β-消除形成共轭的氧鎓离子。该反应中间体可以通过脱水和形成延伸的共轭体系进一步稳定，或者可以进行碳键裂解以产生中性呋喃衍生物和亚胺阳离子。最后，中间体可以进行分子内亲核取代反应以形成β-咔啉。

1.2 热反应杂环胺的形成路径

在150～250℃普通烹调温度下通过美拉德反应形成的杂环胺被称为热反应杂环胺[9]，又叫氨基咪唑氮杂环胺。主要分为咪唑喹啉型（IQ）、咪唑喹喔啉型（IQx）和咪唑并吡啶类3种类型。

Shioya M等人[10]通过干燥加热13C标记的苯丙氨酸和肌酐证明了苯丙氨酸和肌酐是PhIP的前体。PhIP[11]的形成第一步为生成Strecker醛苯乙醛，第二步是醛与肌酸酐的醛醇缩合反应，随后脱水。IQ和IQx型杂环胺[6]的形成机制尚未完全阐明。模型系统研究表明它们是由肌酸酐、己糖和不同的游离氨基酸反应形成，并由肌酐形成咪唑部分。目前最普遍接受的机制表明[8]，在美拉德反应之后是Amadori重排和Strecker降解，形成脂肪醛和α-氨基酮，然后环化得到吡嗪或吡啶部分，最后与醛和肌酸酐反应得到IQ或IQx型杂环胺。另一种机制[12]表明喹啉来自烷基吡啶自由基、肌酸、二烷基吡嗪自由基和肌酸的产物喹喔啉，但这种机制仍然存在争议。

2 肉制品加工中影响杂环胺形成的因素研究进展

2.1 前体物质对杂环胺的影响

杂环胺种类繁多，形成机理复杂。但无论是热解型还是热反应型杂环胺，其形成与氨基酸、葡萄糖等前体物质都密不可分。因此，可以通过对加工前肉的选择和处理，调控各前体物摩尔浓度、比例等达到抑制杂环胺的目的。最近发现游离氨基酸与杂环胺形成比还原糖或肌酸（酐）更强相关[13]。

2.1.1 糖

糖是美拉德反应的必需底物，且在高糖水平下更易生成美拉德反应产物，进而与肌酸酐反应抑制杂环胺生成。

Hasnol N D S等人[14]发现用蔗糖、红糖、蜂蜜对烤鸡进行腌制均可降低杂环胺含量。除腌制汁起屏障作用避免肉与火焰直接接触外，当前体物质中糖含量高于肌酸含量时，糖对杂环胺的形成有抑制能力[15-16]。Olsson V等人[17]发现在油炸过程中，残留糖原水平较低的猪肉形成更多的杂环胺。除此之外，在牛排加工中添加直接壳聚糖[8]也可在一定程度上抑制杂环胺形成。Hasnol N D S等人[14]还发现前体物质中葡萄糖和果糖等还原糖含量与杂环胺的形成呈负相关，而蔗糖与大部分的杂环胺形成呈正相关，多项研究均有类似发现[19-21]。

因此，提高糖在前体物质中的摩尔比例可以延缓杂环胺的形成，并且用葡萄糖（30%）和果糖（38%）含量较高的蜂蜜代替蔗糖将会对降低杂环胺含量起到更佳的作用[22]，具有多重功效且造价低廉的天然多糖（如壳聚糖）可以应用于杂环胺的抑制技术。

2.1.2 游离氨基酸

在美拉德反应中，游离氨基酸被认为是不可缺少的前体，它们显著影响杂环胺形成的种类和数量[23-24]。

一方面，一些研究表明其能够诱导形成杂环胺[25-26]，但同时也有报道证实了氨基酸对杂环胺的抑制作用[27-28]。Linghu Z等人[29]首次研究了氨基酸对PhIp的抑制机制，证实在模型系统中加入氨基酸可以显著抑制PhIP的形成，尤其是色氨酸和赖氨酸。加入氨基酸对肌酸酐与美拉德产物的反应产生竞争，抑制杂环胺形成。氨基酸对于杂环胺的影响也具有双重性，取决于本身化学结构及摩尔浓度。大量研究表明，当氨基酸和葡萄糖、肌酸摩尔浓度相同时抑制作用最佳[30]。不同氨基酸的抑制条件及效果仍有待进一步探索。

2.1.3 肌酸

肌酸是一种存在于脊椎动物体内的一种含氮有机酸。作为杂环胺的主要前体之一，肌酸可以与Strecker降解产生的吡嗪和吡啶自由基反应生成杂环胺[31]。

S Jinap等人[32]报道由于牛肉的肌酸含量较高、游离氨基酸含量低，烤牛肉比烤鸡含有更多的杂环胺。Lan C M等人[33]发现肌酸含量高的熟猪肉中比同等条件下加工的鸡蛋和豆饼含有更多的杂环胺。Solyako等人[12]在肌酸含量极低的炸鸡肝中未检测到杂环胺。肌酸与美拉德产物反应形成IQ型杂环胺，且这类杂环胺必须在肌酸存在的条件下才能生成[34]。

因此从肌酸含量的角度出发，在家庭烹饪中可通过对肉类的选择降低杂环胺摄入。

2.2 加工条件对杂环胺的影响

不同的加工条件会产生不同程度的杂环胺含量.加工条件（如温度和时间）对杂环胺的影响远大于肉的类别和前体物质[35]，其中加工时间比温度影响更大。因此比较不同加工条件对杂环胺的影响，对于在加工环节采取措施抑制杂环胺有着重要意义[35]。

2.2.1 时间

杂环胺前体物质通过水分蒸发富集在肉的表面[37]，延迟烹饪时间将大幅度增加杂环胺含量[38]。

Turesky R J等人[39]在275℃条件下煎炸5，10，15 min的肉丸中分别检测到2.7，4.2，12.3 ng/g MeIQx。食物的熟度与烹饪时间密切相关，也是时间影响杂环胺形成的重要因素。Oz F等人[40]在用微波炉加工虹鳟鱼时发现杂环胺的总量随烹饪程度而显著提高，甚至从0.24 ng/g达到了18.09 ng/g，相差达70倍。在鸡肉的不同加工方式中，微波烹饪在不同烹饪程度下产生了最高和最低的杂环胺总量。虽然所有煮熟的肉都具有一定的诱变活性，但是在150℃以下加工得到的熟度在初等或中等的肉制品比高等熟度肉制品具有更低的诱变性。

无论是在家庭烹煮还是工厂生产中，减少烹饪时间、控制熟度在中低等水平对于抑制杂环胺形成、健康饮食有着重要作用。

2.2.2 温度

大量研究表明，在加工方式一定时，温度与杂环胺含量、种类呈正相关[20，41]。Hasyimah A K等人[42]通过对不同温度下加工的烤牛肉进行检测发现，杂环胺的形成随温度升高而增加，且在150℃时最低。在150℃下油炸的食物中，杂环胺的含量很低或不可检测，但是在190℃以上的较高烹饪温度下显著增加[43]。尤其当烹饪温度超过200℃，HAAs的总水平会急剧增加[44]。

Pais P等人[45]发现大于250℃时模型系统中的IQ型杂环胺浓度开始降低，这与Bordas M等人[46]的发现相似。一些研究发现在225℃，8-MeIQx和7,8-DiMeIQx含量达到峰值，而后开始降低。这些结果表明随着温度的增加，不止有杂环胺的形成，还存在杂环胺的高温降解。在模型系统中，HAAs的形成在225℃和250℃时加热50～80 min后达到峰值，之后，降解变得明显[47]。杂环胺的形成与pH值关联较小，在pH值为6或8时加热30 min后，25%～50%的HAA被破坏；PhIP稳定性较差，其次是7,8-DiMeIQx，8-MeIQx，4,8-DiMeIQx 和 IQx[48]。

目前，多数关于温度对杂环胺形成影响的研究多在于避免高温减少杂环胺形成，忽略了杂环胺的高温降解现象，找寻时间和温度对于杂环胺形成和降解的平衡点是一个抑制技术的发展新方向。

2.2.3 热处理类型

不同热处理类型对杂环形成产生的影响不同。煎烤鸭肉中形成的杂环胺种类与含量最大，其次为炭烤、油炸、烘烤、微波与蒸煮鸭肉。郭海涛[49]发现羊肉经过烘烤、油炸、煎炸和酱卤处理后，样品中总杂环胺含量分别为 4.39～123.15 ng/g，3.59～43.24 ng/g，0.71～10.05 ng/g 和 51.07～120.32 ng/g。油炸次数[50]与杂环胺种类有关，经过5次油炸的鱼肉饼可检测到6种杂环胺，而一次油炸仅为3种。唐春红等人[51]发现老汤反复卤煮也会增加杂环胺含量。

一般来说，油炸、烧烤、烤箱烘烤等高温、易失水且直接接触的烹饪方法会导致较高的杂环胺含量，蒸、煮或熏干的食物没有发现达到可检测量的杂环胺[52]。由于微波烹饪产生热量较少，其被视为一种温和、不易产生杂环胺的加工方式。但对于鸡肉和鱼类样品，微波烹饪在不同加热程度下产生了最高和最低的总杂环胺量，一些报道建议使用烤箱烹饪或热板烹饪鸡肉和鱼类到初等有或中等熟度。因此合理选择烹饪方式，可在一定程度上抑制杂环胺形成。

2.2.4 所用油脂

Ekiz E等人[53]研究表明不同煎炸油对肉丸中杂环胺的形成影响不同，其中榛子油中MeIQx含量最低。Tai C Y等人[54]发现高度饱和的椰子油在加热过程中经历水解形成大量游离脂肪酸，反过来促进脂质的降解速率并因此促进HAA的形成，其次为猪油和大豆油。除对肉类加工所需的油脂进行比较以降低杂环胺含量外，选择富有抗氧化剂的植物油代替脂肪也不失为一种行之有效的抑制杂环胺方法。植物油含有各种抗氧化剂，如维生素E，β-胡萝卜素和酚类化合物等，Ramírezanaya J P等人[55]成功地用牛油果、葵花籽油和橄榄油替代了煮熟猪肉馅饼中50%的脂肪，多项研究均验证了植物油作为脂肪代替物的可行性，且不影响肉的感官品质[56]。

烹饪时尽量选择橄榄油、葵花籽油等不饱和植物油，尽量避免将椰子油、猪油等用于高温烹饪，同时脂肪代替物的开发与应用是一项较为理想的杂环胺抑制方法。

2.2.5 其他

酱油已被证实对于杂环胺形成有着促进作用，且在烤鸡中发现生抽（887%）对于杂环胺生产的促进作用远远强于老抽（375%）、咸酱油（193%）和甜酱油（169%）[57]，因此在肉制品加工中应尽量减少酱油的使用。

pH值[58]也影响着杂环胺的形成，在低pH值下，因氨基酸的氨基几乎完全质子化且不与羰基反应生成席夫碱而无法通过美拉德反应形成杂环胺[59-60]。Jinap S等人[61]通过在烤鸡腌制汁中加入添加有机酸成分降低其pH值，首次印证了低pH值可减少杂环胺含量的推论。同时尚未发现在中国传统肉制品加工中添加柠檬、柑橘、罗望子等富含有机酸原料的研究，此抑制技术更适用于牛排等西式肉制品。

肉的表面积和形状也影响杂环胺形成，绞碎[62]可显着增加极性杂环胺的含量，而对非极性杂环胺的含量无显着影响。Salmon Kato T等人[63]发现通过在烹饪时经常转动肉会减少杂环胺形成。

综上，样品中杂环胺的形成高度依赖于烹饪的条件，应尽量避免原料肉直接暴露于干热和高温中，采用较为温和的热处理类型，控制反复加工的次数。同时如果对于不同的肉类选取适当的热处理类型，将进一步降低杂环胺含量。建立不同肉类在不同加工方式下的杂环胺含量数据库，对给出低杂环胺摄入建议、倡导日常低危害物饮食体系有着重要意义。

2.3 水和脂肪对杂环胺的影响

水和脂肪会影响加工过程中前体物质的运输和传热，从而影响杂环胺的形成。

2.3.1 水

水对于肉类中水溶性前体的转移有着重要作用，一些杂环胺前体可通过水分蒸发运输到肉的表面，因此对杂环胺形成有着较大影响。

Kato T等人[63]观察到模型系统中水量增加会导致杂环胺形成减少，即模型系统中的致突变性随着含水量的增加而降低。Kikugawa K[64]提出当水含量增加时，因水可以与吡嗪和吡啶自由基中间体反应形成其他褐变产物，杂环胺形成途径中的吡嗪基被抑制进而导致其形成受到抑制。Dennis C等人[65]发现随水含量在5%的基础上增加，杂环胺含量也随之降低。

在脱水处理过程中也将产生较多杂环胺[66]，且成本高昂易破坏肉类品质。因此，通过添加水结合化合物（如食盐、淀粉、大豆蛋白等）限制前体运输，或使用面包屑作为涂层阻隔水分蒸发等方法可以从控制水分的角度抑制杂环胺形成。此方法可应用于烧烤、油炸等日常肉类烹饪，降低杂环胺摄入量的同时不会对风味造成影响。

2.3.2 脂肪

脂肪是一种有效的传热剂，使得肉类可以在更短的时间内达到一定的表面温度，热暴露时间缩短，从而形成更少的杂环胺。

研究发现开放式火焰烧烤时脂肪含量较少的牛肉反而产生比鸡肉更多的杂环胺。这是由于当增加脂肪含量达到15%可加速热量渗透并导致产生更多的杂环胺，脂肪含量为可超过稀释效应的15%时致癌物水平降低[67]。这也合理解释了含脂量为15%的牛肉比30%的牛肉产生更多杂环胺的现象。

3 杂环胺的抑制研究进展

3.1 黄酮类

黄酮类化合物是一种普遍存在于蔬菜和水果中的低分子量多酚类化合物[68]。其可通过自身自由基清除能力和捕获苯乙醛形成加合物协同抑制杂环胺形成。

主要有效抑制成分为黄酮类中槲皮素和木犀草素的红辣椒常用于肉制品加工中，Zeng M等人[69]发现在烤牛肉饼中添加0.5%，1.0%和1.5%辣椒，对杂环胺的抑制率可达到68%，61%和53%。与辣椒类似的天然抑制剂还有一种菊科草本植物朝鲜蓟[70]，250℃时1.0%的朝鲜蓟提取物至高可降低95%的杂环胺总量。木犀草素、芹菜素等黄酮类化合物和一些黄酮糖苷组成的添加剂（如竹叶抗氧化剂）也被用于杂环胺的抑制，且发现木犀草素抑制作用最强，在2.5 mg/mL质量浓度下抑制率可达到87.06%[71]。

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一些含有类黄酮化合物的天然添加剂也具有对杂环胺的抑制作用。M Gibis J等人[72]用0.8 g/100 g含黄酮类化合物的木槿腌制料降低了烤牛肉饼中50%的MeIQx，还研究了富含黄酮类化合物的葡萄籽，并发现在每100 g腌制料中添加0.6 g葡萄籽提取物可减少90%的PhIp。苹果皮提取物也是一种富含类黄酮的天然杂环胺抑制剂。还有研究发现苹果皮提取物具有抗杂环胺活性，将干苹果皮粉在炸牛肉饼的表面和内部共同使用时对杂环胺抑制作用为68%，对PhIP的抑制率达到了83%。酒类如葡萄酒、啤酒也是食品中黄酮类化合物的主要来源。烤牛肉中的杂环胺在用啤酒或葡萄酒腌制6 h后分别降低了88%和40%，啤酒可以更加有效地减少杂环胺形成，且可以保持更好的肉品质量。

3.2 儿茶素

绿茶是最典型的儿茶素类天然抑制剂，其干重的30%为表儿茶素或表没食子儿茶素没食子酸酯等儿茶素类成分，通过清除PhIP形成的关键中间体苯乙醛来抑制其形成。

研究发现在绿茶溶液（1 g/125 mL）中腌制6 h后烤制的牛肉的总HAA形成减少约70%。蔷薇也是一种含有没食子酸、儿茶素、表儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯等多种酚类化合物的天然抗氧化植物，其在160，220℃下对杂环胺的抑制率为75%，220%，是一种可以在高温烹饪下使用的杂环胺抑制剂。

3.3 萜类化合物

一些常见香辛料对杂环胺的抑制作用与包括鼠尾草酚、鼠尾草酸等在在内的多酚萜类化合物密切相关。

黑胡椒是国内外肉制品加工中常用的香辛料，研究发现以1%（W/W）的速率加入黑胡椒的肉丸中PhIP的形成完全被抑制。迷迭香也具有类似的效果，其质量分数在0.05%～0.50%的提取物降低了在191℃或204℃烹饪的牛肉饼中92%的MeIQx和85%的PhIP。牛果油的主要成分香芹酚可以同时减少肉制品中的大肠杆菌和杂环胺，展现了开发从多方面提升肉制品品质的添加剂的潜力，为肉制品的健康加工打开了新方向。

3.4 其他抑制剂

通过模型系统证明有机硫化物化合物可以在美拉德反应中直接与葡萄糖相互作用，以竞争形成杂环胺的底物。以有机硫化物作为主要抑制成分的抑制剂有大蒜、洋葱等。研究发现大蒜和洋葱粉对牛肉中杂环胺有抑制作用，对鸡肉没有。鸡肉中的葡萄糖含量（0.47 mg/g肉湿质量）远低于牛肉中的葡萄糖含量（7.03 mg/g肉湿质量），限制了有机硫化物的作用效果。

维生素也可以通过清除自由基以及与PhIP关键中间体苯乙醛结合抑制杂环胺形成。研究发现将0.1%的维生素E作为纯添加剂可使猪肉中的PhIP浓度降低约78%，同时作用效果也随维生素E的纯度和来源而相差悬殊，如膳食维生素E对肉制品中杂环胺含量无影响，其他水溶性维生素E则与之相反。

香辛料的使用在传统肉制品加工中应用广泛，通过添加多种香辛料抑制杂环胺形成在国内肉制品加工中具有广泛的应用前景，可行性强、抑制效果显著还可改良肉制品风味。可利用几种多效抑制剂如木犀草素、啤酒、香芹酚开发新型低危害物肉制品配方。