乳制品中糠醛类化合物研究进展

邢倩倩

（1.乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海200436；2.食品营养与安全协同创新中心，江苏 无锡214122）

0 引言

乳制品富含蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质以及多种维生素。乳制品是人体钙的最佳来源。近年来，随着人民物质生活水平的提高，乳制品作为一种健康食品在消费者的餐桌上越来越普及。作为“国民饮料”，乳制品的质量及安全问题越来越受到消费者的重视[1-2]。

1 糠醛类化合物的产生及危害

原料奶的质量及加工过程所选择的工艺参数是影响乳制品质量的两个重要因素[3-5]。牛奶中所涉及到的热加工处理类型如表1所示。传统的牛奶巴氏杀菌工艺是指短时高温杀菌，需要在不低于72℃的条件下加热15 s。巴氏杀菌奶可杀死牛奶中各种生长型致病菌，灭菌效率可达97.3% ～99.9% ，会残留部分嗜热菌、耐热性菌以及芽孢等。由于巴氏杀菌奶中残留的微生物，导致巴氏杀菌奶保质期短且需冷藏保存。需要在125～138℃条件下加热至少2 s的超巴氏杀菌工艺可延长牛奶货架期至一个月。超高温灭菌奶工艺需在135～140℃加热4 s，该技术可在有效地消灭细菌的同时可保存牛奶原有的营养成分，超高温灭菌牛奶保质期在室温下可达六个月[6-7]。牛乳粉加工工艺中包括原料预处理、蒸发浓缩、灭菌、喷雾干燥等热处理步骤：（1）原料预处理包括低温长时间杀菌和高温瞬时灭菌，效果以120～140℃，2～4 s最佳，85～87℃/15 s和94℃/24 s也可达到效果；（2）浓缩工艺在40～70℃下减压沸腾，浓缩原料乳；（3）均质工艺一般控制在60℃；（4）喷雾干燥一般采用50～60℃，加热10～30 s的条件[8]。

在热处理过程中，乳制品中的蛋白质、碳水化合物和维生素等物质首先发生化学变化和生物变化，进而导致包括粒径方面的物理变化[6,9-12]。牛奶热加工过程发生的化学反应位点主要位于氨基酸侧链，包括：蛋白质侧链发生的降解反应，-SH和-S-S基团的重组，乳清蛋白变性，α-酪蛋白和β-乳球蛋白之间的反应，蛋白质与脂类的反应，以及碳水化合物和蛋白质之间的反应，即美拉德反应[13-16]。

美拉德反应又称“非酶褐变反应”，是在热（尤其高温）加工富含还原糖的食物过程中发生的一种反应。美拉德反应在低温干燥和低温高湿的食品体系中均进展缓慢。在高于35℃的中等湿度条件，美拉德成为主要的反应，会引起颜色（类黑精）、气味（醛类和酮类）、功能成分及营养指标的改变（赖氨酸的阻断和破坏）[17]。在乳制品热加工过程中，美拉德反应降低了键合到乳糖上的赖氨酸的活性，进而导致了营养成分的下降，可通过优化工艺参数来降低美拉德反应所导致的负面结果[18-19]。美拉德反应也可以用于新品开发，在富含糖的牛奶制品中，可通过美拉德反应的褐变制成全新风味的褐色乳制品[20-22]。

表1 乳品工业中热处理的主要类型

1953年，Hodge等人首次提出了糖类和氨基酸之间的美拉德反应路线，主要分为起始阶段、中间阶段和最终阶段。糠氨酸和糠醛类化合物是在美拉德反应的前两个阶段生成，最终阶段主要是褐色产物（类黑精）形成和蛋白质发生交联反应[23]。糠氨酸作为美拉德反应起始阶段的标识性产物，其含量可用于评价封闭的非反应赖氨酸及其前体的含量[24]。糠醛类化合物为美拉德反应中间阶段色素形成过程的中间产物。因此，糠氨酸和糠醛类化合物可作为工艺加工过程和贮存过程美拉德反应进展程度的标识物[25]。糠氨酸作为乳制品质量的标识物已有较多研究[26-29]。本文主要针对糠醛类化合物的研究进展展开讨论。

牛奶在热加工或高温贮存过程中，会有不同的糠醛化合物生成，分别为羟甲基糠醛、糠醛、呋喃甲基酮和甲基糠醛，结构如图1所示[30]，这4种化合物的含量可用于揭示美拉德反应的进展程度。文献报道较多的糠醛类化合物为羟甲基糠醛和糠醛，其中以羟甲基糠醛研究信息最为丰富。乳制品中的羟甲基糠醛来源途径有两种：一种为乳糖异构化和降解，称为游离羟甲基糠醛；一种为美拉德反应中乳糖与蛋白质中的氨基酸发生Amadori重排生Amadori产物，通过酸水解Amadori产物而生成羟甲基糠醛，称为结合羟甲基糠醛[31]。

图1 4种糠醛结构式

在糠醛类化合物有关的药理研究方面，有关5-羟甲基糠醛的研究较多，其他三种糠醛化合物涉及较少[32-34]。报道显示，5-羟甲基糠醛的半数致死量（规定时间内，通过制定感染途径，使一定体重或年龄的某种动物半数死亡所需最小质量，表达方式通常为有毒物质的质量和试验生物体重之比）为3.1 g/kg，糠醛的大鼠半数致死量为65 mg/kg[35]。5-羟甲基糠醛可通过吸入或皮肤接触被人体吸收，对眼睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性；对人体横纹肌及内脏有损害，且具有神经毒性，能与人体蛋白质结合产生蓄积中毒[33,36]。欧盟食品安全委员会推荐每人每日摄入的5-羟甲基糠醛上限为1.6 mg。

2 糠醛类化合物的分离分析

液相色谱作为分离手段检测乳制品中糠醛类化合物含量的样品前处理方面，不经过水解直接测定的羟甲基糠醛称为游离羟甲基糠醛，水解后由糖、Amadori产物生成的所有羟甲基糠醛称为总羟甲基糠醛，总羟甲基糠醛检测所需样品前处理方法主要参考Boekel和Rehman在1987年所提出的方法[37]。首先，加入草酸溶液水浴加热，然后加入三氯乙酸除去蛋白，所得溶液定容、过膜即可。游离羟甲基糠醛检测所需样品前处理方法与总羟甲基糠醛类似，只需除去水浴加热过程。气相色谱作为分离手段检测乳制品中糠醛类化合物含量的样品前处理方面，主要是顶空进样法和直接进样法[6,41-42]。2019年，Yuying Cui等建立QuEChERS快速前处理方法，该方法可快速完成乳制品中糠醛类化合物的纯化制备，所得样品可直接进入气质联用仪器分析[38]。

光谱法和色谱法均可用于糠醛类化合物的分离分析。光谱法简单易操作，且费用低廉，但是该类方法选择性差且易产生“基质效应”[39-40]。糠醛类化合物母核为呋喃环，具有明显的紫外吸收特征。液相色谱串联紫外检测法常应用于食品中的糠醛类化合物检测，采用反相C18色谱柱，水和乙腈或水和甲醇作为流动相即可完成分离，定量限为羟甲基糠醛0.06μg/mL、糠醛0.02μg/mL、呋喃甲基酮0.03μg/mL和甲基糠醛0.03μg/mL[37]。气相色谱串联氢火焰离子检测器在糠醛类化合物分离检测方面也有应用，定量限为：糠醛为4.14μg/L,甲基糠醛为27.16μg/L,羟甲基糠醛19.75μg/L;该方法灵敏度比液相色谱串联紫外检测法低2～3个数量级；气相色谱串联质谱检测器的定量限可达到:糠醛为0.3 ng/mL,甲基糠醛为1.2 ng/mL，羟甲基糠醛0.9 ng/mL[41-42]。气相色谱串联三重四级杆定量限为：糠醛为0.002 mg/L,甲基糠醛为0.004 mg/L,羟甲基糠醛0.02 mg/L，呋喃甲基酮为0.002 mg/L[38]。在气相分离过程中，复杂样品容易在气相色谱柱中发生吸附作用，破坏柱效，不适合用于多批次样品的测试。

高效液相色谱串联质谱或荧光检测器均具有高灵敏度和高专一性的优势，且这两种分析手段可有效的降低分离分析中常见的“基质效应”。糠醛类化合物结构中与呋喃环相连的醛基或酮基是一类活性较高的基团，可与多种衍生试剂发生反应增加其疏水性和光谱响应。Donnarumma等选择丹磺酰肼作为荧光衍生试剂分析人体血浆中的羟甲基糠醛，检测限可达到皮摩尔浓度[43]。Sun Yao等选择一种带有荧光衍射基团的羟胺化合物作为衍生试剂，建立液相色谱串联荧光检测法和液相色谱串联质谱检测法分析葡萄干和奶粉中的羟甲基糠醛、糠醛和甲基糠醛，检测限可达到纳摩尔浓度[44]。

除此之外，毛细管电泳法也可用于糠醛类化合物的检测。Erika等使用未经涂覆的石英玻璃毛细管柱建立毛细管电泳法对45种食品中的羟甲基糠醛进行定量分析，定量限为2.5 mg/kg，且该方法与液相色谱串联质谱法检测结果对比，显示差异较小[45]。

3 乳制品中糠醛类化合物的研究

在乳制品中糠醛类化合物研究方面，由于呋喃甲基酮和甲基糠醛属于热加工过度的产物，含量较低，通常羟甲基糠醛和糠醛作为代表性糠醛类化合物开展研究。

针对不同品类乳制品中糠醛类化合物含量分布研究，Albala Hurtado等人在1997年研究了产自西班牙的6种婴幼儿配方奶粉（37℃，保存6个月），6种婴幼儿配方液态奶（37℃，保存6个月）和10种普通奶粉中的糠醛类化合物含量变化。结果显示：（1）婴儿配方奶粉和婴儿配方液态奶中的总羟甲基糠醛和总糠醛含量区别不明显，两种样品的总羟甲基糠醛含量范围为38.3～189.1μg/100 mL，总糠醛含量范围在11.5～24.5μg/100 mL；（2）普通奶粉的总羟甲基糠醛含量范围为29.8～75.8μg/100 mL，总糠醛含量范围为4.3～10.1μg/100 mL，婴儿配方奶粉和婴儿配方液态奶中的总羟甲基糠醛和总糠醛的含量高于普通奶粉；（3）婴儿配方液态奶中的游离羟甲基糠醛和游离糠醛分别为0～34.5μg/100 mL和0～2.5μg/100 mL，婴儿配方奶粉中的的游离羟甲基糠醛和游离糠醛分别为15.5～129.8μg/100 mL和1.7～10.6μg/100 mL，普通奶粉中的的游离羟甲基糠醛和游离糠醛分别为2.5～8.7μg/100 mL和未检测到，婴儿配方液态奶中的游离羟甲基糠醛和游离糠醛均低于婴儿配方奶粉，普通奶粉中游离羟甲基糠醛和游离糠醛含量最低[37]。Emilia Ferrer等人在2000年研究对比了普通品牌的10种超高温灭菌全脂牛奶，知名品牌的3种超高温灭菌全脂牛奶和2种超高温灭菌半脱脂牛奶（其中1种为低乳糖牛奶）中羟甲基糠醛的含量。知名品牌的总羟甲基糠醛的含量范围为8.73～12.15μg/100 mL牛奶，该数值低于普通品牌的总羟甲基糠醛含量范围（21.65～66.44μg/100 mL牛奶）。半脱脂牛奶和半脱脂低乳糖牛奶的的总羟甲基糠醛含量分别为59.43和317.81μg/100 mL牛奶。知名品牌的游离羟甲基糠醛含量为未检测到，半脱脂牛奶和半脱脂低乳糖牛奶的的游离羟甲基糠醛含量分别为39.15和65.22μg/100 mL牛奶，普通品牌的游离羟甲基糠醛含量为7.40～50.93μg/100 mL牛奶。文章结果显示：（1）知名品牌牛奶中的总羟甲基糠醛和游离羟甲基糠醛的含量均低于普通品牌，表明知名品牌牛奶热损伤程度低于普通品牌牛奶；（2）知名品牌半脱脂牛奶的总羟甲基糠醛和游离羟甲基糠醛含量均高于全脂牛奶；（3）知名牌低乳糖牛奶中的糠醛含量异常偏高，原因是乳糖酶水解乳糖生成半乳糖和果糖，增加还原糖的含量，可加速美拉德反应的进程[46]。Cui Yuying等人在2020年研究了奶制品热处理和发酵处理过程中糠醛类化合物含量的变化，完成液态奶、奶粉、复原乳（发酵乳和液态乳）和发酵乳4个品类中糠醛类化合物含量分布：液态奶中未检测到羟甲基糠醛，糠醛含量范围为0.015～0.054 mg/kg；奶粉中羟甲基糠醛含量范围为0.038～0.624 mg/kg，糠醛含量范围为0.013～0.031 mg/kg；复原液态乳和复原发酵乳中羟甲基糠醛含量范围为0.015～3.430 mg/kg，糠醛含量范围为0.010～0.792 mg/kg；发酵乳中羟甲基糠醛含量范围为0.032～1.760 mg/kg，糠醛含量范围为0.014～2.575 mg/kg[38]。

针对不同乳制品中保质期内糠醛类化合物含量变化，Albala Hurtado等人在1998年研究了婴儿配方奶粉（15% 折算）和婴儿配方液态奶在20、30和37℃三种条件下保存9个月的糠醛类化合物含量变化。结果显示：（1）奶粉中游离羟甲基糠醛和总羟甲基糠醛的含量为10.3～23.5μmol/L和15.0～34.7μmol/L，游离糠醛和总糠醛的含量为1.1～5.3μmol/L和1.8～6.8μmol/L；（2）液态奶中中游离羟甲基糠醛和总羟甲基糠醛的含量为0.6～1.6μmol/L和9.0～12.2μmol/L，游离糠醛和总糠醛的含量为0.3～0.6μmol/L和1.4～2.3μmol/L；（3）奶粉中的游离型糠醛化合物和总糠醛化合物均高于液态奶，原因是婴儿配方奶粉的加热强度高于液态奶[47]。Emilia Ferrer等人在2005年研究对比了较大婴儿和幼儿两种婴儿配方奶粉在24个月内两种储存温度（20和37℃）糠醛含量的变化。结果显示：奶粉中游离羟甲基糠醛和总羟甲基糠醛的含量为62～1133μg/100 g奶粉和392～2909μg/100 g奶粉范围内，游离糠醛和总糠醛的含量为0～32μg/100 g奶粉和19～133μg/100 g奶粉范围内。通过统计显示，（1）20℃储存温度下婴儿奶粉中的糠醛类化合物增长趋势小于37℃储存温度；（2）婴儿奶粉中糠醛化合物的生成主要是在储存期的第二年，建议延长婴儿奶粉的质量控制时间，适当降低其保质期以保证营养成分的完善[48]。Jorge L.等人在2005年研究了孕妇奶粉在15个月内两种储存温度（20℃和37℃）糠醛类物质含量的变化。结果显示：（1）游离羟甲基糠醛和总羟甲基糠醛的含量在315.34～1166.77μg/100 g奶粉和902.81～2618.66μg/100 g奶粉，游离糠醛和结合糠醛的含量在61.34～243.30μg/100 g奶粉和128.40～515.96μg/100 g奶粉范围内；（2）20℃储存条件下孕妇奶粉中的糠醛类化合物增长趋势小于37℃储存条件。作者建议通过降低赖氨酸的活性来降低奶粉中的糠醛含量[31]。Jorge L.等人在2006年研究了两种婴儿配方奶粉在12个月内两种储存温度下（20和37℃）糠醛类物质含量的变化。结果显示：（1）20℃储存条件下两种婴儿配方奶粉中的糠醛类化合物增长趋势均小于37℃储存条件；（2）含长链脂肪酸奶粉中总羟甲基糠醛和总糠醛的含量变化分别在485.88～1616.03μg/100 g奶粉和167.13～198.22μg/100 g奶粉之间，游离羟甲基糠醛和糠醛的含量变化分别在58.23～121.83μg/100 g奶粉和0～17.64μg/100 g奶粉之间，变化趋势与不含长链脂肪酸奶粉相似，表明长链脂肪酸的存在对奶粉中的糠醛变化没有明显影响[49]。

另外，Jorge L.等人在2015年研究了20种婴儿奶粉开封后在室温下保存0,30 d和70 d的总糠醛类物质含量的变化。结果显示：总羟甲基糠醛和总糠醛的含量变化在462～3121μg/100 g奶粉和88～292μg/100 g奶粉之间，糠醛类物质的总含量在567～3278 μg/100 g奶粉之间。文章结果表明20种奶粉中有13种中的糠醛类物质含量在70 d内发生明显上升趋势[50]。综上所述，（1）不同品类乳制品中糠醛类化合物初始含量对比为：褐变复原酸>褐变酸奶>复原酸奶>孕妇奶粉>婴儿奶粉>普通奶粉>原味酸奶>超高温灭菌奶>巴氏杀菌奶；（2）不同储存条件和储存时间的奶粉，糠醛类化合物含量具有明显区别：储存温度越高，糠醛类化合物含量升高越明显；储存时间越长，糠醛类化合物含量升高越明显。

鉴于糠醛类化合物的生理毒性，需控制其在乳制品中的有效含量。Cui Yuying等人采用Toxtree和T.E.S.T.软件完成糠醛类化合物的摄入风险量预测，结合不同乳制品中糠醛类化合物含量完成每日最佳摄入量估值[38]。

4 结论与展望

作为美拉德反应的代表性产物之一，糠醛类化合物越来越受到人们的重视。作为一种热加工产物，糠醛类化合物的含量能够体现乳制品储藏时间和储藏温度，可作为衡量牛奶保质期的指标。今后该领域的核心问题包括：（1）研究更多品类乳制品中的糠醛类化合物含量，寻找糠醛类化合物含量与加工方式和产品原料组成的量化关系；（2）通过寻找糠醛类化合物含量与加工温度和加工时间的具体变化规律从而建立乳制品的质量标准体系；（3）完成以上两点后，建立乳制品中糠醛类化合物含量限值，对不同人群的食用限量给出准确估值。