丙烯酰胺风险暴露及毒性控制研究进展

雷艾彤，苏丹，聂春超，郭子妍，元同骥，陈奕

（南昌大学 食品学院，江西 南昌 330000）

丙烯酰胺（acrylamide，AA）是分子量为71.08的无色透明片状晶体，作为一种水溶性的不饱和酰胺[1]，其具有无臭，挥发性差，易溶于极性溶剂的特点。在化工、纺织、废水处理、医疗美容等各行各业中均有普遍应用，同时科研工作者也常利用丙烯酰胺制备聚丙烯酰胺电泳凝胶[2]。除部分工人在工作中接触外，丙烯酰胺还常暴露在人们的日常饮食中。2002年4月，瑞典研究人员首次在油炸马铃薯中发现丙烯酰胺的存在，随后各国研究人员对其在食品中的含量进行了检测，证实了丙烯酰胺的饮食暴露情况。Adams等[3]研究表明丙烯酰胺普遍存在于经高温烹调的淀粉类食品中，其主要由天冬酰胺和还原性碳水化合物通过美拉德反应产生，其他氨基酸（例如蛋氨酸）也能形成丙烯酰胺[4]，经高温处理（＞120℃）的高碳水化合物食物（例如饼干、薯片、咖啡等）中的含量远高于普通食品，且烟草中也广泛存在丙烯酰胺。除了广泛存在于饮食中这一因素外，丙烯酰胺具有较强的组织渗透性是其影响人类健康的另一主要原因[5]。丙烯酰胺可通过皮肤接触、呼吸系统、消化系统等诸多途径进入人体，且能快速分布于全身组织和血液中。国内外研究证实丙烯酰胺具有神经毒性、遗传毒性、生殖毒性、致癌性、致畸性等，并且在体内有蓄毒作用，进入人体后会引起急性、亚急性和慢性中毒。大量研究表明丙烯酰胺的摄入与甲状腺癌、胰腺癌、肺癌、乳腺癌等发病率有一定关联，1994年丙烯酰胺被国际癌症研究机构（International A－gency for Research on Cancer，IARC）列为人类可能致癌物质（2A类）。

目前国外关于丙烯酰胺毒性作用和暴露情况的相关文献综述较多，但国内的综述年限普遍较为久远，对于政府一些最新出台的相关规定以及在天然活性物质领域方面的进展没有文献进行整理和更新。因此本文对近年来丙烯酰胺在职业和生活中的暴露情况和边界剂量进行综述，并对国家更新出台的相关政策和调研情况进行汇总。对利用天然物质或其有效活性成分预防及丙烯酰胺导致的各种毒性机理进行梳理，为研究干预丙烯酰胺致毒提供依据和思路，同时为后续开发天然产物功能性产品预防和治疗丙烯酰胺暴露损伤提供理论基础。

丙烯酰胺是一种全球范围内十分常见的化工原料。在2002年，瑞典研究人员报告其在经热处理的高碳水化合物食品中的含量明显高于其他众所周知的食品致癌物质[6]，丙烯酰胺的危害被认为主要是通过职业接触造成的。随着近年来人民物质生活水平的提高，吸烟、使用化妆品等日常行为也成为了丙烯酰胺的暴露途径。因此，本文从丙烯酰胺的膳食暴露和非膳食暴露两个途径概述丙烯酰胺的风险暴露情况。

1 丙烯酰胺膳食暴露

食物摄入为丙烯酰胺摄入人体最主要的方式之一，在高温条件下天冬氨酸和还原糖经美拉德反应的生成是其存在于膳食中的原因。在高碳水化合物、低蛋白的植物来源食物的高温（120℃以上，尤其在140℃～180℃）加热过程中，丙烯酰胺最易生成。因此在谷物产品、马铃薯产品以及咖啡中均能检测到不同含量的丙烯酰胺。不同热加工食品中丙烯酰胺的含量统计和检测结果如表1所示。

表1 不同热加工食品中丙烯酰胺含量Table 1 Acrylamide content in different thermally processed foods

由表1可知，油炸马铃薯片中的丙烯酰胺含量最高。且在油炸、烘烤类食品的烹饪后期，水分减少、表面温度升高时丙烯酰胺生成达到峰值，并且食品中生成的丙烯酰胺较为稳定，咖啡中的丙烯酰胺含量将会随着储存时间的延长而降低[13]。

国际食品添加剂专家委员会（Joint Expert Committee on Food Additives，JECFA）对世界范围内丙烯酰胺膳食摄入水平进行评估，其结果显示，普通人群日平均摄入量为1 μg/（kg bw·d），最高日均摄入量为4 μg/（kg bw·d）。有专家学者基于生理学毒性代谢动力学模型及非线性计量反应法，确定出丙烯酰胺的日致癌阈值为2.6μg/（kgbw·d），神经毒性阈值为40μg/（kg bw·d）。不同国家由于存在不同的饮食习惯和烹饪方式，丙烯酰胺摄入量也有所差异。不同国家丙烯酰胺日均摄入量如表2所示。

表2 不同国家丙烯酰胺人均每日摄入量Table 2 Per capita daily intake of acrylamide in different countries

由表2可知，我国在最新膳食研究中得出的摄入量为0.32 μg/（kg bw·d），显著低于世界平均水平。这可能与我国传统的烹饪方式及近年来饮食习惯的倡导和改善有关，例如蒸、煮、焖、炖等加工方式的普遍温度均低于100℃。

我国自2002年起，由国家食品安全风险评估中心牵头开展了中国总膳食研究。通过3次历时十余年的总膳食研究，我国各地的膳食消费习惯以及烹调后食品中丙烯酰胺的暴露情况有了初步的研究结果，见表3[21]。

由表3可以看出，经过十余年的监测显示，由于人们膳食消费和饮食习惯的不断改变，食品中丙烯酰胺的暴露情况也发生了改变。国家食品安全风险评估中心于2019年5月重启了丙烯酰胺评估项目，且将其纳入2020年食品安全风险监测计划监测对象中。

表3 普通人群丙烯酰胺的膳食暴露状况Table 3 The dietary exposure status of acrylamide in the general population μg/（kg bw·d）

2 丙烯酰胺非膳食暴露

在食品中发现丙烯酰胺之前，由于其在工业中的广泛应用，职业暴露被认为是丙烯酰胺最为主要的暴露来源。被称为百业助剂的丙烯酰胺，除水处理、石油开采和造纸业三大行业外，还广泛应用于矿冶工业、食品加工业、纺织业及电镀业等。丙烯酰胺的职业暴露主要出现于丙烯酰胺及其聚合物的生产合成和使用过程中，其在此过程中主要通过皮肤黏膜接触以及呼吸道吸入被人体吸收。在工作过程中未穿戴工作防护服、乳胶手套以及防护靴，导致皮肤暴露污染引起的慢性丙烯酰胺中毒，是近年来报道的丙烯酰胺职业中毒最主要的原因[22-25]。丙烯酰胺非膳食暴露情况见表4。

由表4可知，主要的非膳食暴露可以归纳为职业暴露、环境暴露、生活暴露三大类。皮肤黏膜丙烯酰胺的职业时间加权暴露平均限值为0.03 mg/m2，中国、日本、瑞士的最大暴露限值为0.3 mg/m2，俄罗斯为0.2 mg/m2。

表4 丙烯酰胺非膳食暴露情况Table 4 Non-dietary exposure of acrylamide

丙烯酰胺的环境暴露主要存在于大气、水体和土壤介质中，这主要是因为丙烯酰胺及其聚合物在生产过程中，残余的丙烯酰胺单体通过工业废水废渣的排放造成的污染。各种工业污水中检测到的丙烯酰胺的含量如下：丙烯酰胺生产水（处理前，1 100 μg/L；处理后，280 μg/L）、下水道污水（280μg/L）、尾矿泻湖水（39μg/L～42 μg/L）、污水厂污水（2.3 μg/L～17.4 μg/L）[26-27]。此外，在丙烯酰胺及其聚合物使用过程中丙烯酰胺单体也会以蒸气或微粒形式释放入环境中，进入大气后易吸附于空气中的颗粒物上或经沉降和雨水冲刷进入水和土壤环境中，且土壤中的丙烯酰胺又极易渗入地下水中，故环境中的丙烯酰胺绝大多数会最终进入水环境中。从丙烯酰胺的化学性质来看，高度水溶且半衰期较短，无明显的生物富集性，因此较少有关于丙烯酰胺通过环境暴露造成人群慢性毒性的报道。虽然国外报道的丙烯酰胺及相关产品生产使用过程工业废水中浓度检测值高于我国，但是我国常规检测数据较为缺乏，相关的行业丙烯酰胺污水排放标准也仍在不断地完善中。各国卫生部门限制的丙烯酰胺饮用水的安全阈值为0.1 μg/L～1 μg/L，其中世界卫生组织（World Health Organization，WHO）指导阈值为 0.5 μg/L，欧盟为 0.1 μg/L，美国各州从 0.01 μg/L～1 μg/L 不等。在我国2006年修订的中国饮用水GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》标准中首次增加了丙烯酰胺的检测，限值为0.000 5 mg/L。各国对于聚丙烯酰胺工业产品中丙烯酰胺残留限值一般规定为0.5%～0.05%，我国污水处理指导值≤0.2%，在2020年3月1日实施的江苏地方标准化学工业污染物排放标准中丙烯酰胺的排放限值为0.005 mg/L[28]。

丙烯酰胺在生活中的暴露除膳食暴露途径外，主要还有化妆品暴露和吸烟暴露两个途径。聚丙烯酰胺在化妆品中造成的丙烯酰胺单体残留，是人们通过化妆品接触到丙烯酰胺的最主要来源我国国家食品药品监督管理总局发布的化妆品安全技术规范（2015年版）中规定丙烯酰胺为化妆品禁用组分，不允许添加使用。但因聚丙烯酰胺在化妆品中可作为稳定剂、成膜剂、增稠剂、调理剂、稳泡剂等，因此丙烯酰胺单体作为其分解残留物常存在于化妆品中。聚丙烯酰胺在驻留类体用产品中的丙烯酰胺单体最大残留量为0.1 mg/kg，其他产品中单体最大残留量为0.5 mg/kg[29-32]。

3 丙烯酰胺的形成抑制

探究丙烯酰胺在食品原料控制及生产加工各个环节的形成情况和机制，可以对其进行针对性地抑制。并且可以结合原料、工艺、产品特点等不同的实际情况，在生产中采取有针对性的预防和抑制手段减少丙烯酰胺的生成。

3.1 食品中丙烯酰胺形成途径

由丙烯酰胺的膳食暴露情况可知，对同一原料采取不同的加工方式也会使丙烯酰胺的生成含量差异较大。食品中丙烯酰胺的生成途径主要可以分为以下3 类[33]。

第一种生成途径是美拉德反应。此途径被认为是丙烯酰胺形成中最为关键的一条形成途径。美拉德反应即天冬酰胺（Asn）-还原糖途径，是以天冬酰胺和还原糖作为反应物，经脱水和N-糖基化共轭生成席夫碱。另外席夫碱也可经甜菜碱途径或恶唑烷-5-酮途径脱羧形成偶氮甲碱叶拉德内翁盐（azomethine ylide），经水解脱羧后形成丙烯酰胺[34]，见图1A。除含有α-羟基羰基的还原糖外，含有α-二羰基或α，β，γ，δ-二不饱和羰基的还原糖也可以和天冬酰胺经美拉德反应生成丙烯酰胺[35]，见图1B。

图1 丙烯酰胺的美拉德反应生成途径Fig.1 Maillard reaction pathway of acrylamide formation

第二种生成途径是丙烯醛途径。油脂降解形成甘油，然后脱水形成丙烯醛和丙烯酸，随后再与天冬酰胺降解释放的氨气生成丙烯酰胺。在高温条件下，丙烯醛可直接与天冬酰胺反应，为美拉德反应提供羰基，从而加速丙烯酰胺的形成[36]。

第三种生成途径为天冬酰胺分解途径。虽然此途径形成的丙烯酰胺较少，但其过程中生成的反应性羰基会加速美拉德反应。在此分解途径中，天冬酰胺经热脱羧和脱氨两步反应直接分解成丙烯酰胺，但在单独加热天冬酰胺时，该反应的主要产物主要为马来酰亚胺而非丙烯酰胺。

除以上3种关键途径外，丙烯酰胺的形成还与酶催化下的天冬酰胺脱羧脱氨基反应、D-葡萄糖经烯醇化和异构化后分解生成丙烯醛、水解肽生成丙氨酸与Strecker降解反应释放的氨气反应有关[37]。

3.2 食品中丙烯酰胺的抑制策略

由于美拉德反应是热加工食品中丙烯酰胺生成的最主要途径，因此前体物水平、加热时间、加热温度、美拉德产物均为食品中丙烯酰胺含量的影响因素，可以对这几个因素进行有针对性地控制。天冬酰胺和还原糖作为丙烯酰胺合成的重要前体物质，Rommens等[38]通过对马铃薯进行基因改性并在4℃低温存储90 d将其葡萄糖含量降低了80%，热处理后的丙烯酰胺含量也减少了六分之五左右。此外，热加工过程的时间和温度也是控制丙烯酰胺生成的重要条件。Morales等[39]研究表明加热过程中温度升高和加热时间的延长都会加速丙烯酰胺的生成。S¸enyuva[40]研究表明在咖啡豆的烘焙过程中，加热时间过长可能会导致丙烯酰胺含量的下降，这可能是咖啡豆中的部分物质在加热过程中与丙烯酰胺发生反应造成的。除丙烯酰胺外，美拉德反应产生的其他产物，如呋喃、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、糠醛等的含量也与丙烯酰胺的含量有关。Lachenmeier等[41]研究发现烘焙后的咖啡豆中丙烯酰胺的含量与呋喃、5-HMF、糠醛等含量呈正相关。这是由于这些美拉德反应产物也会影响丙烯酰胺的生成。例如羟甲基糠醛在加热条件下会与天冬酰胺反应生成3-氨基丙酰胺，加速丙烯酰胺的形成。因此可以按照食品生产从原料到产品的流程将其分为3个阶段采取不同的手段降低丙烯酰胺的水平：1.农业生产阶段；2.预加工处理阶段；3.热加工处理阶段。

以薯片生产过程为例，在农业生产阶段，可以选择丙烯酰胺生成潜力较低的品种作为原料，Novy等[42]发现了一种还原糖和天冬酰胺含量均较低的马铃薯品种Payette Russet，加工后生成的丙烯酰胺含量较一般品种降低了80%。土壤的种植条件也会影响马铃薯的还原糖和天冬酰胺含量。减少氮肥的使用会降低天冬酰胺的含量，增加马铃薯的糖浓度[9]。马铃薯生长最适温度在15℃～20℃，当温度低于8℃或高于25℃时会造成马铃薯中淀粉分解引发还原糖的积累。因此，还原糖含量较低的马铃薯品种一般存储在8℃左右的条件下[10]。

在预处理阶段，可以利用超声波、蒸汽、沸水等技术进行烫漂处理，使参与褐变反应的酶失活的同时，还可以使表面淀粉发生糊化，降低热加工过程中马铃薯对油的吸收，同时可以稀释丙烯酰胺前体物质的浓度[34-35]，还可以在加工前添加一些添加剂缓解丙烯酰胺的生成。一般可以将添加剂分为植物来源、微生物来源和金属离子添加剂。目前已有研究表明诸多香辛料提取物，例如皮坤胡辣椒提取物、天然生姜、迷迭香提取物等；水果中的部分活性成分，例如多酚类物质及苯丙苏素类物质；部分叶茎类提取物，例如绿茶提取物、竹叶提取物中的活性成分没食子酸酯、没食子儿茶素及橄榄叶提取物；谷豆类提取物中存在于谷物外层的游离氨基酸及各类原花青素等对丙烯酰胺的生成都有明显抑制作用。常见的植物多酚对丙烯酰胺生成的影响见图2。除多酚外，部分维生素也可以抑制美拉德反应生成丙烯酰胺。例如抗坏血酸可以与过硫酸钾等添加剂协同来减少丙烯酰胺的生成[36]。添加微生物添加剂也是减少丙烯酰胺前体物质形成的有效方法。天冬酰胺酶抑制机制有两种：一种是将天冬酰胺水解为氨和天冬氨酸；另一种即是让天冬酰胺乙酰化转化为N-乙酰-L-天冬酰胺[41]。葡萄糖淀粉酶抑制机理则是减少发酵过程中还原糖的含量来抑制丙烯酰胺的形成[43]，常见于谷物类产品。金属阳离子（例如钾、钙、锌、铝、铁等离子）可与天冬酰胺发生螯合反应从而抑制丙烯酰胺的合成[11]。

图2 不同植物多酚对丙烯酰胺抑制机理Fig.2 Inhibition mechanism of different plant polyphenols on acrylamide

在热处理阶段，可以联合多种新型热处理技术，例如真空加热、射频加热、辐照消解技术等，结合传统工艺降低丙烯酰胺的生成水平。真空油炸降低了加热的温度，可以有效缓解丙烯酰胺的生成[44]。频射加热技术是一种后干燥技术，可以降低水分同时避免余热产生的丙烯酰胺，适用于大规模处理饼干、薯片等薄片状食品[9]。辐照会导致丙烯酰胺聚合生成无毒的丙烯酰胺聚合物，从而降低其含量。

4 丙烯酰胺的毒性预防

研究表明丙烯酰胺具有多种毒性，如神经毒性、免疫毒性、致癌性、生殖毒性等。其致毒机制可能与细胞氧化应激而导致的凋亡、炎症、癌症通路及其体内代谢产物环氧丙酰胺（glycidamide，GA）攻击DNA等有关。有研究表明，丙烯酰胺可以增加细胞活性氧含量，降低机体抗氧化系统的防御功能，引起小鼠肝、肾、脑组织氧化损伤。而丙烯酰胺引起神经损伤的机制研究主要包括氧化损伤、神经细胞凋亡调控（涉及MAPK、PI3K/Akt、Nrf2、NF-κB 等通路）、血脑屏障功能损害、能量代谢障碍以及神经递质的改变和抑制[45]。Mehri等[46]研究发现丙烯酰胺染毒大鼠大脑皮层和小脑中谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平降低，丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平升高，提示氧化应激可能是丙烯酰胺神经毒性的重要发生机制。方瑾[47]研究得出，丙烯酰胺对免疫系统产生毒性作用的机制可能是通过其诱导脾脏和胸腺组织中Caspase-3蛋白的过度活化，并且抑制胸腺组织B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）的正常表达，使Bcl-2和胸腺组织B淋巴细胞瘤-2-相关X蛋白（B-cell lymphoma-2-associated X，Bax）的相互协调作用失衡，导致脾脏和胸腺细胞过度凋亡，使脾脏和胸腺出现萎缩，最终引发免疫功能出现障碍。Sickles等[48]认为丙烯酰胺的生殖毒性机制是通过抑制与精子功能有关的驱动蛋白样物质的活性，导致细胞有丝分裂和减数分裂障碍，从而引起生殖损伤。汪恩婷[49]研究发现丙烯酰胺对小鼠机体有明显的氧化损伤作用，能明显上调癌症正相关基因Rad51、人表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，Egfr）蛋白的表达，下调抑癌基因 P21 的表达，具有潜在致癌性。

除了通过优化生产原料、革新加工工艺、添加抑制剂等方式对食品中的丙烯酰胺进行抑制外，近年来研究发现，很多天然活性成分物质对丙烯酰胺引起的氧化应激、细胞凋亡、神经毒性、免疫毒性等损伤具有显著的抑制作用。因此，辅以膳食补充剂也是降低丙烯酰胺对人体伤害的重要手段。

部分天然活性物质可以通过降低丙烯酰胺氧化损伤，达到缓解其毒性的目的。从水飞蓟中提取出的一种天然黄酮类混合物水飞蓟素，可通过上调细胞内与GSH代谢系统相关的Nrf2信号通路，提高GSH的含量，减少细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）和MDA的生成，从而抑制丙烯酰胺对大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞（PC12）造成的氧化损伤[41]。张璐璐[50]通过体内外实验证明大蒜素可以降低丙烯酰胺环氧产物GA造成的肝脏损伤，且大蒜素能通过清除自由基和提高抗氧化系统的防御能力，抑制丙烯酰胺对小鼠肝细胞及肝、脑、肾组织造成的氧化损伤。Zhao等[51]以蓝莓花青素提取物为研究材料，发现其可以提高谷胱甘肽巯基转移酶（glutathione S-transferase，GST）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性抑制氧化反应应激，显著抑制细胞色素P450 2E1的活化，从而抑制丙烯酰胺所致小鼠的氧化损伤。Prasad等[52]在大鼠的丙烯酰胺饮食中添加香叶醇和姜黄素，可降低ROS、MDA和一氧化氮（NO）水平，并恢复丙烯酰胺诱导的坐骨神经和大脑皮层的GSH水平。

另外，天然活性物质可以通过调控损伤相关通路中标志蛋白的表达来降低丙烯酰胺造成的损伤。黄维玲[53]研究表明银杏叶提取物能够缓解丙烯酰胺造成的神经毒性，提高小鼠的运动能力，并通过上调丙烯酰胺染毒小鼠的海马体中双肾上腺皮质激素（Recombinant doublecortin，DCX）、人脑源性神经生长因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF） 和神经生长相关蛋白 43（growth associated protein-43，GAP-43）蛋白的表达以保护中枢神经系统，从而有效地改善丙烯酰胺对神经系统造成的损伤。

调控生物体内的免疫应答也是天然活性物质降低丙烯酰胺损伤的一个重要途径。从姜科植物根茎中提取出的天然多酚类物质姜黄素，具有强氧化性，能通过降低ROS减轻细胞氧化应激水平，抑制核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的激活，从而抑制丙烯酰胺导致的人神经母细胞瘤细胞（SH-SY5Y）凋亡[54]。方瑾[47]利用苦瓜提取物对丙烯酰胺毒性进行干预，发现其可以通过促进小鼠血清免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）、免疫球蛋白 M（immunoglobulin M IgM）的产生，以及明显促进细胞因子白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、细胞因子白细胞介素-4（interleukin-4，IL-4）的分泌以调节丙烯酰胺诱导的小鼠免疫功能。

5 总结与展望

自丙烯酰胺毒性被广泛认知并重视后，食品行业安全工作者和前沿开发人员，均积极致力于寻找抑制食品中丙烯酰胺生成的方法和开发功能食品用于膳食预防丙烯酰胺毒性。目前研究表明AA在食品中加工过程中主要有3种生成途径：美拉德反应、丙烯醛途径、天冬酰胺分解途径。其中美拉德反应最为关键，因此一些研究也针对性的从原料筛选贮藏、预处理和新型热加工技术来控制美拉德反应以抑制丙烯酰胺的生成。然而，丙烯酰胺在真实的食品体系反应中涉及多个途径，加入添加剂后可能产生未知的化合物、抑制机理也未完全阐明，大多抑制策略仍处于实验研究阶段，尚未真正投入大规模工业化生产。由于部分添加剂成本较高，新型热加工手段对于产品的感官口味会有一定程度的变化。此外，一些研究表明天然产物的活性物质对于丙烯酰胺诱导的氧化应激、神经损伤等具有很好的缓解作用。但是，丙烯酰胺靶器官众多，毒性作用途径多样，目前对于其毒性机理的阐明也较为浅表和单一。因此对于丙烯酰胺的日常防护、生成抑制和毒性预防还可以从以下几个方面进行完善：（1）建立相关污染行业的执行标准，加强环境和化妆品等商品中丙烯酰胺的监管力度，并尽快出台和完善相关法律法规，对于丙烯酰胺暴露程度高的职业可以制定可行的日常防护措施；（2）结合新兴研究手段如针尖增强拉曼光谱、表面增强拉曼光谱等，全面、系统的研究丙烯酰胺形成途径和抑制机理，并尽快应用于大规模工业化生产；（3）结合新兴技术，深入、关联性研究丙烯酰胺毒性过程中多途径、多组织相互作用的机理，寻找毒性关键靶点，进而进行针对性调控；（4）膳食补充天然产物是预防丙烯酰胺毒性的一个好的途径，未来可致力于更廉价、功能更强、效果更好、能够在大众中普及的功能性食品的研究，可有效膳食预防丙烯酰胺毒性。