肉制品中杂环胺的形成机制及植物提取物对其抑制作用的研究进展

阿丽雅 温荣欣 刘馨屿 秦立刚 孔保华 刘骞 陈倩

摘 要：肉制品中杂环胺（heterocyclic aromatic amines，HAAs）主要是由其中的氨基酸、葡萄糖与肌酸（肌酸酐）在高温长时间加工处理下产生的一类多环芳香族化合物，该类物质具有强致癌、致突变作用以及神经、心肌毒性等。本文主要介绍HAAs的分类、危害、形成机制及影响因素，并综述植物提取物对肉制品中HAAs的抑制作用及研究进展，旨在为减控肉制品中的HAAs提供理论依据。

关键词：肉制品;杂环胺;形成机制;植物提取物;抑制作用

Formation Mechanism of Heterocyclic Amines in Meat Products and Inhibition by Plant Extracts： A Review

A Liya， WEN Rongxin， LIU Xinyu， QIN Ligang， KONG Baohua， LIU Qian， CHEN Qian*

（College of Food Science， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China）

Abstract： Heterocyclic aromatic amines （HAAs） are a series of polycyclic aromatic compounds mainly produced from amino acids， glucose and creatine （creatinine） in meat products during high-temperature processing for a long time. HAAs have strong carcinogenicity， mutagenicity， neurotoxicity， and myocardial toxicity. In this paper， the classification， harms and formation mechanism of HAAs as well as the factors influencing their formation are described， and recent progress in the inhibition of HAAs in meat products by plant extracts is reviewed， with the aim to provide a theoretical basis for the reduction and regulation of HAAs in meat products.

Keywords： meat products; heterocyclic amines; formation mechanism; plant extracts; inhibition effect

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-058

中图分类号：TS251.1                                       文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2021）05-0070-08

引文格式：

阿丽雅， 温荣欣， 刘馨屿， 等. 肉制品中杂环胺的形成机制及植物提取物对其抑制作用的研究进展[J]. 肉类研究， 2021， 35（5）： 70-77. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-058 .    http：//www.rlyj.net.cn

A Liya， WEN Rongxin， LIU Xinyu， et al. Formation mechanism of heterocyclic amines in meat products and inhibition by plant extracts： a review[J]. Meat Research， 2021， 35（5）： 70-77. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210309-058 .    http：//www.rlyj.net.cn

肉和肉制品是人类获取蛋白质、必需氨基酸、多不饱和脂肪酸及维生素等重要营养成分的来源之一，但经高温长时间加工处理会使肉中的氨基酸、葡萄糖与肌酸（肌酸酐）发生反应，生成一类具有强致癌、致突变作用的多环芳香族化合物，称为杂环胺（heterocyclic aromatic amines，HAAs）[1]。HAAs结构中含有杂环和含氮基团，长期摄入含HAAs的食物会增加结肠癌、肺癌、肝癌、皮肤癌和乳腺癌等疾病的风险，研究发现，经常食用熟透烤肉会提高患结肠癌的几率[2]，特别是在烤牛肉中检测出含量较高的HAAs。此外，一些传统肉制品，包括腊肉、风鸡、酱猪肉、熏肉、炸鸡、肉松等均含有不同含量的HAAs。在关于肉制品HAAs的减控策略报道中，选择安全性较高的植物提取物成为当前的主要研究趋势[3]。植物提取物种类丰富且具有良好的抗氧化活性，在抑制肉制品中HAAs方面具有广阔的应用前景。本文对HAAs的分类、危害及形成机制等方面展开介绍，综述植物提取物对肉制品中HAAs的抑制机理及研究进展，旨在为控制肉制品中HAAs提供理论依据。

1 HAAs概述

目前，在食品中已發现30多种不同类型的HAAs，并已明确其结构和分类。其中，在肉制品中已鉴定出20多种HAAs，它们的形成与加热方法、加热时间及温度、前体物和肉的类型等密切相关[4]，然而，关于HAAs的具体形成机制尚未明确，影响了抑制HAAs有效措施的建立[5-6]。

目前，关于HAAs的抑制主要包括添加外源抑制剂、控制加工条件、优化加工工艺和原料肉预处理等方法。

1.1 HAAs的结构与分类

HAAs由碳、氢、氮原子组成，含有2～5 个含氮烃环（一般为3 个）、1 个环外的氨基（除9H-吡啶[2，3-b]吲哚（9H-pyrido[4，3-b]indole，norharman）和

1-甲基-9H-吡啶[2，3-b]吲哚（1-methyl-9H-pyrido[4，3-b]indole，harman））及若干不同位置的甲基。根据化学结构的差异，HAAs可分为氨基咪唑氮杂芳烃（aminoimidazoazaren，AIA）和氨基咔啉（amino-carbolines，ACs）两大类[7]。根据其形成温度的范围，在100～300 ℃形成的AIA也被称为热型HAAs，在300 ℃

以上形成的ACs被称为热解型HAAs。AIA与喹啉（quinolines congeners，IQ）性质类似，其氨基均耐受重氮化处理，因此被称为IQ型HAAs，即极性HAAs，而ACs环上的氨基在重氮化处理时脱落转变成为C-羟基，因此被称为非IQ型HAAs，即非极性HAAs[8]。目前已发现存在近30多种不同形式的HAAs[9]，如表1所示。

1.2 HAAs的危害

1.2.1 致突变性

HAAs经代谢活化后具有较强的致突变性，经人体摄入后会被快速消化吸收，通过血液立刻分散至全身，对人体的肝脏、淋巴组织等器官产生致突变性[10]。HAAs的致突变性明显強于其他常见的致突变成分，其致突变能力是黄曲霉毒素的100多倍，是多环芳烃和亚硝酸盐的10～100 倍[11]。不同结构的HAAs致突变程度不同，AIA被认为是过熟肉中的主要致突变物。Samaria等[12]通过检测2-氨基-1-甲基-6-苯基-咪唑[4，5-b]吡啶（2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4，5-b]pyridine，PhIP）、MeIQ和MeIQx对菌株的诱变活性，发现MeIQ与其他HAAs相比具有最高的致突变性。此外，有研究表明HAAs的致突变性还依赖于其在食品中的含量[13]。

1.2.2 致癌性

具有致突变性的HAAs类化合物并不一定具有致癌性，HAAs的致癌性是在代谢过程中与DNA发生加合作用体现的[14]，流行病学研究表明，大量摄入过熟肉会增加致癌的风险[15]，HAAs已被视为肉类消费与结直肠癌相关性的主要原因之一[16]。根据国际癌症研究中心规定及各类HAAs致癌能力的强弱，IQ属于2A级致癌物，PhIP、MeIQ等属于2B级致癌物[17]。其中，Harman和Norharman在艾姆斯/沙门氏菌实验中没有诱变作用，但二者可以增强其他HAAs的诱变活性[18]。研究表明，每天食用50 g加工肉制品会增加某些癌症的患病率，如前列腺癌患病率增加4%，结肠癌增加18%，乳腺癌增加9%，胰腺癌增加19%[19]。

1.2.3 心肌毒性和神经毒性

HAAs具有一定的心肌毒性，虽然心肌不是致癌的靶器官，但PhIP和IQ会在心肌中形成高水平的DNA加合物，从而对心血管系统产生损伤作用，研究证实多种HAAs亚类会产生选择性神经毒性[20]。Agim等[21]在哺乳动物系统中研究PhIP的神经毒性作用，结果表明，极性PhIP暴露会选择性地影响多巴胺神经传递，增加黑质多巴胺神经元的氧化损伤，而这些与帕金森症有潜在相关性。另有研究表明，PhIP暴露会引起淀粉样蛋白和Tau蛋白生物学神经毒性[22]，其中淀粉样蛋白和Tau蛋白均为诊断阿尔兹海默症的重要生物标志物，说明富含HAAs的饮食和该疾病之间存在潜在联系。

1.2.4 其他危害

在人类代谢水平上，摄入过多HAAs还会引发急性疾病，如非酒精性脂肪肝和神经元损伤等[23]以及慢性疾病，如心血管疾病、肥胖等[24];Harman和Norharman还会引起帕金森症、颤动、成瘾等一系列症状[25]。动物实验表明，Harman和Norharman通过与肝脏、大脑的某些位点结合来影响动物的生理行为[26]。在人体组织中检测到的HAAs与DNA加合物，即使在含量低于十亿分之一的情况下也会引起遗传损伤[27]，其中PhIP已被证明可分散至哺乳啮齿动物的母乳中，并通过胎盘将PhIP转移到胎儿体内，从而对胎儿造成危害[28]。此外，还有研究表明一些HAAs不仅对啮齿动物危害极大，对其他高等哺乳动物也极具危害性[29]。

2 HAAs的形成机制

2.1 AIA类HAAs的形成

2.1.1 喹啉类和喹喔啉类HAAs的形成

喹啉类和喹喔啉类HAAs属于热型HAAs，其形成途径仅反映部分HAAs类化合物的形成机制。途径一是加热条件下肌酸环化成肌酸酐，与还原糖和氨基酸通过美拉德反应中的Strecker降解反应形成的吡啶和吡嗪反应，再经过环化、脱水、去饱和作用产生咪唑喹啉和咪唑喹喔啉，其中醛类可与肌酸酐缩合生成席夫碱[30]。途径二是肌酸酐分别与烷基吡啶自由基和二烷基吡嗪自由基发生反应：糖与氨基反应形成烷基吡啶自由基，然后再与肌酸酐作用形成喹啉类HAAs;糖与活性羰基反应形成二烷基吡嗪自由基，然后再与肌酸酐作用形成喹喔啉类HAAs，但该形成机制还存在争议[31]。

2.1.2 吡啶类HAAs的形成

苯丙氨酸和肌酸酐是形成PhIP的重要前体物质，此外，甲醛和氨也参与PhIP形成[32]。具体途径为：苯丙氨酸经Strecker降解生成苯乙醛，苯乙醛与肌酸酐反应形成羟醛加合物，由于该物质不稳定，会进一步脱水形成羟醛缩合物，羟醛缩合物与苯乙醛反应生成甲醛，肌酸酐降解过程会产生氨，由甲醛和氨进一步反应，最终生成PhIP[33]。

2.2 ACs类HAAs的形成

ACs类HAAs中，目前仅β-咔啉类中的Norharman和Harman形成途径较明确，其前体均为葡萄糖和色氨酸。形成途径主要有2 种，一是色氨酸经过Amadori重排后脱水，在环氧孤对电子存在条件下其生成产物发生β-消去反应，从而生成共轭的氧鎓离子，反应的中间体可通过分子取代反应形成β-咔啉类HAAs;二是由色氨酸与乙醛或α-酮酸反应先生成四氢化-β-咔啉，然后经氧化或脱羧反应形成[34]。Norharman和Harman可在100 ℃以下生成，延长加热时间还会增加其生成量[8]。从目前研究结果来看，ACs是人们日常饮食中摄入较为普遍的一类HAAs，其形成途径复杂多变，对其形成机制还需进一步研究。

2.3 结合态HAAs的形成

肉制品成分多样、结构复杂，因此除游离态HAAs外还存在结合态HAAs，且结合态HAAs主要与肉中丰富的蛋白质有关，其形成途径可能有3 种[35]：第1种是由葡萄糖、肌酸、肌酸酐等HAAs前体与蛋白质中的氨基酸残基反应生成;第2种是蛋白质或氨基酸中的羧基与游离态HAAs中的氨基反应形成稳定的肽键;第3种是游离态HAAs选择性吸附在蛋白质聚合物表面。

3 影响HAAs形成的因素

3.1 加热方法

一般而言，直接与热源接触的加热方法会生成较多的HAAs，而蒸煮等间接接触热源的加热方法生成的HAAs相对较少。研究表明，煎炸加热鸡肉和鱼肉制品中有45%的样品中HAAs检出量超过1.5 ng/g，而蒸煮加热的样品中未检出HAAs[36]。Sinha等[37]研究煎制、烤箱烤制和明火烤制对无皮无骨鸡胸肉HAAs含量的影响，结果表明，3 种加热方式均产生了MeIQx、DiMeIQx和PhIP，且所有样品中PhIP含量最高，其含量分别为煎制25 ng/g、烤箱烤制131 ng/g、明火烤制36 ng/g。Iwasaki等[38]也研究了经煎、烤处理后的鸡胸肉中HAAs含量，结果表明，烤雞胸肉中PhIP含量最高。有研究表明，直接烧烤过程中产生的烟会促进香肠中HAAs的形成，这可能与烟中的成分有关[39]。综上，各种加热方法对HAAs形成的促进程度依次为烤制>煎制>蒸煮。

此外，加热次数也会影响HAAs的形成。Wang等[40]的研究表明，经过1 次油炸的鱼肉饼中含有3 种HAAs，而经过5 次油炸后则含有6 种HAAs。唐春红等[41]研究反复卤煮对老汤品质及其中HAAs的影响，结果表明，虽然卤汤中营养物质含量随卤煮次数增加而呈上升趋势，但同时其中的HAAs含量也在上升。这与王震等[42]研究结果一致，卤汤反复使用使得鸭肉和卤汤中肌酸、氨基酸和葡萄糖含量呈现上升趋势，同时HAAs含量也不断升高。综上，加热方法越直接、加热程度越高、加热次数越多，肉制品中形成的HAAs越多。

3.2 加热时间及温度

加热时间和温度是影响肉制品中HAAs形成的重要因素。一般对于任何一种加热方式，延长加热时间都会相对增加HAAs含量。李利洁[43]发现，牛后腿肉中PhIP含量随微波加热时间增加、温度升高而增大。邵斌[44]对传统烧鸡中9 种HAAs类化合物形成规律展开研究，发现油炸8 min的鸡肉和鸡皮中HAAs总量比油炸1 min分别增加232.3%和758.6%。另有研究证明，HAAs在温度低于150 ℃条件下形成较少，当温度高于200 ℃则显著增加，且在加热后大部分HAAs迅速生成，其含量急剧上升，达到最高水平后趋于平稳[45]。可见，延长加热时间、提高加热温度，特别是当温度高于200 ℃时会增加肉制品中HAAs的生成量。

3.3 前体物

氨基酸、肌酸、肌酸酐等HAAs前体物对其形成有着重要影响，Lee等[46]发现5 种氨基酸（谷氨酰胺、酪氨酸、甘氨酸、丙氨酸和苏氨酸）和2 种单糖（核糖和葡萄糖）均是HAAs形成的前体物，将肌酸和肌酸酐加入牛肉汁中加热12 h，发现肌酸和肌酸酐对HAAs的形成有一定促进作用。Zamora等[47]发现，添加半胱氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、酪氨酸、脯氨酸和甲硫氨酸可显著提高PhIP的含量。另有研究表明，氨基酸对于HAAs形成的影响与氨基酸自身化学结构及含量有关[48]。糖对HAAs形成的影响具有双重性，表现为低含量促进HAAs形成，高含量抑制其形成[49]。Dennis等[50]通过建立模型研究糖的种类对HAAs形成的影响，发现乳糖对HAAs形成影响最大，蔗糖对PhIP形成影响最大。因此，多数前体物的添加对肉制品中HAAs的形成有促进作用，但也有部分前体物对HAAs形成的影响还取决于前体物的结构和含量。

3.4 肉的类型

HAAs形成也与肉的类型密切相关，如肉的种类和部位等。采用同样方法烹制的肉制品中，鸡肉的PhIP含量明显高于牛肉和猪肉[51]。李兰杰等[52]采用相同煎炸方式处理驴排、牛排和猪排，结果表明，驴排中HAAs含量最低。不同部位的肉也会影响HAAs的形成，盖圣美等[53]研究表明，传统熏烤的鸡胗、鸡爪和鸡翅中，鸡胗的HAAs含量最高。另有研究[54]证明鸡皮中HAAs的含量是鸡肉中的3 倍，这可能是由于肉表皮所受处理温度更高、时间更长，且与肉内部相比表皮组织疏松，使得内容物更易流出，从而导致肉表皮HAAs含量较高。

3.5 其他因素

脂肪可以通过影响前体物质的运输和传热进而影响HAAs的形成，一般脂肪含量越高，HAAs生成量越大[55]。肉的pH值也会影响HAAs含量，Bu?a等[56]发现，

pH值5.6～5.8的肉类在不超过180 ℃的温度下加工可以减少HAAs的生成量。此外，外源添加物对HAAs的影响也尤为显著。Lu Fei等[57]总结得出，添加香辛料（包含黑胡椒、大蒜、姜、辣椒及洋葱）可以降低加工肉制品中HAAs含量，且抑制效率与香辛料抗氧化能力相关。此外，Balogh等[58]发现，煎炸前在肉饼表面添加VE可有效抑制HAAs的形成。综上，HAAs的形成还会受到肉的pH值、脂肪含量和外源添加物等因素的影响。

4 植物提取物对HAAs的抑制

植物提取物是指采用溶剂和相关工艺对植物整体或有效部位经过物理化学提取分离后，在不改变其有效成分的同時定向收集的植物中一种或多种有效活性成分，这些有效活性成分是植物在生长发育过程中的次级代谢产物[59]。植物提取物主要包括多酚类、色素类、生物碱类和植物多糖类等[60]，除生物碱类外，大多数植物提取物均具有抗氧化功能[61]，这也是其可抑制HAAs形成的主要原因。另外，植物提取物通过与HAAs前体物形成稳定加合物，从而抑制HAAs的形成。

4.1 多酚类植物提取物

多酚类植物提取物具有羟基取代的高反应性和清除自由基能力，因此对肉制品中HAAs的形成有抑制作用。多项研究表明，多酚类植物提取物，如石榴籽、朝鲜蓟等提取物均能抑制肉制品加工过程中HAAs的形成[62]。多酚类植物提取物通过与苯丙氨酸反应来阻止苯丙氨酸的降解，进而抑制PhIP的生成，其中多酚类植物提取物中丁香酚和槲皮素是抑制PhIP活性的关键化合物，因此含有这2 种成分的黑胡椒乙醇提取物被认为可有效抑制肉制品中PhIP的产生[63]。制糖过程中被低估的副产物甘蔗糖蜜也富含酚类化合物，Cheng Yiqun等[64]研究表明，在鸡翅上涂抹不同浓度的甘蔗糖蜜提取物-麦芽糖溶液，可显著降低炸鸡翅中HAAs的总含量和多种HAAs的含量，并遵循剂量效应关系。上述具有较强抗氧化活性的酚类植物提取物大多来自植物的籽、梗和果皮等，这不仅说明能够抑制HAAs形成的酚类植物提取物来源广泛，而且为植物副产品的开发和利用提供了新思路。

多酚类化合物也包括黄酮类化合物，大多数黄酮类植物提取物具有较强的抗氧化性，能通过清除自由基起到抑制HAAs形成的作用。研究表明，含有黄酮类化合物的提取物，如菊花提取物[65]、山楂提取物[66]、干果皮提取物[67]和马尾甘蓝提取物[68]等均能有效抑制HAAs的形成;此外，甘薯叶提取物[69]和紫苏叶提取物[70]等可以显著抑制PhIP的形成。姜黄素属于二酮类物质，Jain等[71]研究证实，姜黄素可以显著抑制PhIP诱导DNA加合物的形成，PhIP还会诱导多种抗氧化剂和DNA修复基因的表达，而与姜黄素共处理则抑制了上述表达，这些结果表明，姜黄素可能通过多个分子靶点发挥对PhIP的抑制作用。综上，黄酮类植物提取物对HAAs的抑制作用显著，特别是对PhIP的抑制效果尤为明显，但是对于其他种类的HAAs化合物作用效果尚不明确。

4.2 酰胺类植物提取物

酰胺类植物提取物对肉制品中HAAs的抑制作用主要表现为阻止蛋白质或氨基酸中的羧基与游离态HAAs中的氨基反应形成肽键。研究表明，不同添加量的辣椒素、三香酰胺和胡椒碱对烤牛肉饼中游离的DMIP、MeIQx、4，8-DiMeIQx和Harman的形成均有显著抑制作用[72]。另外，四川胡椒提取物不仅能抑制热制备肉制品中HAAs的形成，还可能会降低长期摄入含肝素的食品导致的慢性疾病的风险[73]。山椒也可有效抑制肉饼高温烹饪过程中IQ、Harman、Norharman和PhIP的产生[74]。

4.3 其他类植物提取物

类胡萝卜素是一类重要的天然色素，能够清除自由基、抑制活性氧生成，具有抗氧化作用。在冷冻牛肉汁中加入从番茄中提取的类胡萝卜素，可减少肉汁中MeIQx和4，8-DiMeIQx的形成[75]。橄榄提取物主要成分为环烯醚萜，Rounds等[76]在鸡胸肉油炸前加入8%橄榄水提物，能够分别将MeIQ、MeIQx和PhIP的形成量降低79%、51%和23%。李君珂等[77]研究发现，绿原酸能抑制油炸草鱼中HAAs的形成，添加0.001 5%和0.045%绿原酸对HAAs形成的抑制率分别为50%和94.85%。另外，提取自香荚兰豆的香兰素，可通过氧化产物香草酸清除自由基，起到抗氧化作用，将其加入到卤煮牛肉中可减少HAAs的形成[78]。此外，Beata等[79]研究表明，十字花科植物提取物所含的异硫氰酸酯可以抑制HAAs的代谢活化过程，从而减少其在肉制品中的含量。

综上，大多数植物提取物均具有一定抗氧化活性，能够不同程度地抑制肉制品中HAAs的生成。然而，植物提取物种类繁多，目前仅研究个别植物提取物对HAAs的作用效果，还不能系统揭示各类型植物提取物具体的抑制机理。

5 结 语

富含蛋白质的肉制品易在高温长时间处理下产生HAAs，目前已证实通过添加具有抗氧化活性的物质，或者添加可与HAAs前体物形成稳定加合物的物质可抑制HAAs的形成。天然植物提取物作为一种天然、安全的抗氧化剂可用于肉制品中HAAs的减控。虽然植物提取物对HAAs的抑制作用已取得一定的进展，但仍存在以下几方面问题：1）HAAs的具体抑制机理不够系统、完整，如极性HAAs与非极性HAAs的抑制原理是否类似;2）基于当前普遍认可的2 种抑制途径可确定某种植物提取物对HAAs形成的抑制效果，但该提取物的抑制机理不明确;3）多数研究是以一种特定的HAAs为目标物，研究植物提取物对其的抑制作用，但HAAs种类较多，植物提取物对于其他类型HAAs的抑制效果仍需探究。此外，可以扩大植物提取物的研究范围，同时考虑其使用安全性。

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