传统肉制品中杂环胺研究进展

程轶群，雷 阳，周兴虎，金福源，汪昌保，黄 明,,*

（1.安徽师范大学生命科学学院，安徽 芜湖 241000；2.南京农业大学食品科学技术学院，农业农村部肉品加工重点实验室，肉品加工与质量控制教育部重点实验室，江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心，江苏 南京 210095；3.南京黄教授食品科技有限公司，国家禽肉加工技术研发专业中心，江苏 南京 211200；4.七都镇农村工作和建设局，江苏 苏州 215200）

传统肉制品是我国劳动人民经过几千年世代相传发展出的各具特色的加工肉制品，其色泽、香味、外形独特，有着广泛的民众基础与强大的生命力[1]。作为我国饮食文化的一块瑰宝，传统肉制品中有以金华火腿、北京烤鸭、德州扒鸡等为代表的享誉世界的特色产品。中共中央、国务院于2016年发布《“健康中国2030”规划纲要》，为我国食品工业的发展指明了方向。近年来，食品科学领域的多位资深专家指出食品营养健康、绿色制造技术、危害物发现与控制等方向将成为未来食品领域研究和发展的热点[2-3]，而这些问题也是广大消费者对食品特别是传统肉制品品质的迫切诉求。但目前传统肉制品的工业化仍存在连续化和标准化水平低、产品易失真及质量控制薄弱等关键性瓶颈问题，尤其是传统肉制品由于工艺复杂，有害物含量高的问题较为突出。因此本文在归纳和总结现有传统肉制品杂环胺（heterocyclic amines，HAs）研究结果的基础上，针对现有研究尚存的一些不足之处，结合最新研究动向进行展望，旨在促进传统肉制品安全性的提升。

1 杂环胺概述

Sugimura研究团队[4]于1977年通过Ames实验发现烤制的牛肉和鱼肉具有强烈的致突变性，进一步研究证实这些食源性致癌物质为HAs[5-6]。作为一类热处理加工中由蛋白质、氨基酸、糖类以及其他物质发生美拉德反应或裂解反应而生成的具有致癌、致突变作用的物质[7-8]，目前已知的HAs约30 种。从化学结构上看HAs是一类由C、H、N原子组成的具有2～5 个（通常为3 个）平面结构的含氮烃环、1 个环外氨基（9H-吡啶并[3,4-b]吲哚（9H-pyrido[3,4-b]indole，norharman）、1-甲基-9H-吡啶并[3,4-b]吲哚（1-methyl-9H-pyrido[3,4-b]indole，harman）和1,2,3,8-四氢环戊[c]吡啶基[3,2-a]咔唑（1,2,3,8-tetrahydro-cyclopenta[c]pyrido-[3,2-a]carbazole，Lys-P-1）除外）以及1～4 个甲基取代基的多环芳香烃类化合物[9-10]。按化学结构可将HAs分为氨基咪唑氮杂芳烃（aminoimidazoazaarenes，AIAs）、氨基咔啉（aminocarbolines，ACs）两大类和多个小类，详细的分类及化学结构如图1所示。此外，根据HAs形成的条件又分为热生成HAs和热裂解HAs两类，其中热生成HAs在100～300 ℃的条件下通过美拉德反应形成，而热裂解HAs通常在高于300 ℃条件下由蛋白质、氨基酸热裂解形成[11]。流行病学研究表明，大量摄入肉类可能增加患癌症的风险，而这些风险主要归因于高温烹饪过程中产生的包括HAs在内的致癌化合物[12]。基于大量调查与研究的结果，国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）将2-氨基-3-甲基咪唑并[4,5-f]喹啉（2-amino-3-methylimidazo[4,5-ƒ]quinoline，IQ）列为2A类致癌物，并将2-氨基-3,4-二甲基咪唑并[4,5-f]喹啉（2-amino-3,4-dimethylimidazo[4,5-ƒ]quinoline，MeIQ）、2-氨基-3,8-二甲基咪唑并[4,5-f]喹喔啉（2-amino-3,8-dimethylimidazo[4,5-ƒ]quinoxaline，MeIQx）、2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑并[4,5-b]吡啶（2-amino-1-methyl-6-phenyl-imidazo[4,5-b]pyridine，PhIP）、2-氨基-9H-吡啶并[2,3-b]吲哚（2-amino-9H-pyrido[2,3-b]indole，AαC）、2-氨基-3-甲基-9H-吡啶并[2,3-b]吲哚（2-amino-3-methyl-9H-pyrido[2,3-b]indole，MeAαC）、3-氨基-1,4-二甲基-5H-吡啶并[4,3-b]吲哚（3-amino-1,4-dimethyl-5H-pyrido[4,3-b]indole，Trp-P-1）、3-氨基-1-甲基-5H-吡啶并[4,3-b]吲哚（3-amino-1-methyl-5H-pyrido[4,3-b]indole，Trp-P-2）、2-氨基-6-甲基二吡啶并[1,2-a:3’,2’-d]咪唑（2-amino-6-methyldipyrido[1,2-a:3’2’-d]imidazole，Glu-P-1）以及2-氨基-6-甲基二吡啶并[1,2-a:3’,2’-d]咪唑（2-aminodipyrido[1,2-a:3’2’-d]imidazole，Glu-P-2）列为2B类致癌物[13]。并且由于红肉和加工肉制品含有HAs在内的多种食源性有害物，IARC一度将其列为1类致癌物[14]。但由于尚存争议，截至目前，无论是我国还是美国、欧盟等西方发达国家和地区均未对肉制品中的HAs设定明确的限量标准。

2 杂环胺形成机制

2.1 氨基咪唑氮杂芳烃形成机制

AIAs均具有咪唑环及喹啉或喹喔啉环，有较为相似的化学结构。如图1所示，按化学结构可将AIAs分为氨基咪唑喹啉类（即IQ型HAs）、氨基咪唑喹喔啉类（即2-氨基-3-甲基咪唑并[4,5-f]喹喔啉（2-amino-3-methylimidazo[4,5-f]quinoxaline，IQx）型HAs）、氨基咪唑吡啶类（主要为PhIP）。研究表明AIAs的骨架形成于美拉德反应中氨基酸和己糖的Strecker降解反应，并与肌酸等必要前体物质反应最终生成AIAs[8,11]。

2.1.1 IQ型及IQx型杂环胺形成机制

图1 HAs的分类与化学结构Fig. 1 Classification and structures of HAs

Jägerstad等率先提出了IQ型与IQx型HAs形成机制的假说：整个反应以肌酸、葡萄糖及特定的氨基酸为前体物质，高温条件下肌酸环化形成肌酸酐，并进一步脱水形成AIAs的2-氨基咪唑部分，而喹啉、喹喔啉结构则通过Strecker降解产生的吡嗪、吡啶与醛类缩合而成[15-16]，其反应途径见图2A。最新的研究表明IQ是由丙烯醛、巴豆醛、肌酐和氨基酸共同反应而成[17]。鉴于美拉德反应同时涉及活性羰基和自由基，因此通常认为AIAs的形成机制存在两个途径，即活性羰基途径和自由基途径[18]。

2.1.2 PhIP形成机制

图2 IQ型与IQx型HAs[19]（A）、PhIP[20]（B）及β-咔啉类[10]（C）的形成机制Fig. 2 Formation pathways of 2-amino-3-methylimidazo[4,5-ƒ]quinoline (IQ)-type and 2-amino-3-methylimidazo[4,5-f]quinoxaline (IQx)-type HAs[19] (A),PhIP[20] (B) and β-carbolines[10] (C)

相较于其他不甚明确的HAs形成机制，PhIP的反应途径较为清晰。Shioya等[21]通过化学模型体系研究最先提出肌酸（酐）、苯丙氨酸和葡萄糖可能是形成PhIP的前体物质。该观点随后在化学模拟体系中被Taylor等[22]使用13C标记的苯丙氨酸得以证实。整个反应途径如图2B所示，其中苯乙醛和羟醛缩合产物是PhIP的形成的重要中间体[20]。尽管Manabe等[23]认为脱氧核糖、核糖可以在肌酸酐与苯丙氨酸体系中诱导PhIP的形成，并且核酸中的戊糖也可能参与了PhIP的形成反应。但目前更为广泛的共识是化学模型体系中存在的糖类可以显著促进PhIP的形成，却并非形成PhIP必要的前体物质[24]。

2.2 氨基咔啉类形成机制

通常认为ACs是在高于300 ℃的条件下由蛋白质、氨基酸热降解生成，仅Norharman和Harman可在较低的温度下形成[8,11]。也正由于多数ACs的形成条件较为苛刻，因此，相关研究较少，反应机制尚不明确。目前仅Harman与Norharman两种β-咔啉类HAs的形成机制较为明确[11,25]，而绝大多数ACs的形成机制只了解其反应的第一步[19]。色氨酸被认为是β-咔啉类HAs的前体物质，添加一定量的色氨酸能显著促进化学模型体系中Norharman和Harman的形成[26]。并且，无论反应体系中是否存在葡萄糖，色氨酸均可在Amadori分子重排后形成分子重排产物，随后该中间产物在活性羰基化合物存在的条件下发生Pictet-Spengler环化反应形成四氢-β-咔啉，再经包括分子内亲核取代等一系列氧化反应后最终形成β-咔啉HAs[9-10]，具体的形成机制如图2C所示。

3 传统肉制品中杂环胺的定性与定量分析

我国学者张学明于1986年首次发表论文报道了食品中的致癌物HAs[27]，但此后相当长的一段时间内未引起国内学者的关注。直到本世纪初Lan等[28-29]先后研究了卤肉、卤蛋等酱卤制品中HAs的含量、影响因素及天然物质的抑制作用，特别是在廖国周[7]进行了较为系统的研究后，传统肉制品中HAs的含量与减控受到越来越多的关注与研究。但传统肉制品种类繁多、样式各异，根据GB/T 26604—2011《肉制品分类》所述的分类方法，共有腌腊肉制品、酱卤肉制品、熏烧烤肉制品、干肉制品、油炸肉制品、香肠肉制品和火腿肉制品7 个大类共500多个品种[1]。本文依据该分类方法，对现有研究报道的各传统肉制品中分析检出的HAs种类及总含量的范围进行了汇总，结果如表1所示。从分析检出的HAs来看，传统肉制品中的HAs种类多，但不同产品间差异很大。其中IQ、MeIQ、MeIQx、PhIP、AαC、MeAαC、Trp-P-1、Trp-P-2等被IARC列为2A、2B类致癌物的HAs广泛存在于各类传统肉制品中，潜在的食品安全风险较高。相比之下，尽管同为2B类致癌物，但Glu-P-1与Glu-P-2在传统肉制品中鲜有研究，这可能与这两个化合物的相关研究较少有关。此外，化合物Harman与Norharman在研究报道的几乎所有传统肉制品样本中均有检出。虽然这两个β-咔啉类HAs未被IARC列入致癌物中[13]，也不具有致癌性[30]，但研究表明两者可以显著增强其他HAs的诱变活性，起协同诱变作用[31]，因此需要特别关注。

表1 传统肉制品中检出的HAs及总含量Table 1 Types and total contents of HAs detected in Chinese traditional meat products

续表1

从传统肉制品的类别来看，现有的研究已覆盖了传统肉制品所有的7 个大类，但不同类别的关注程度与研究进展却存在很大差异。根据表1中各传统肉制品HAs的含量进行汇总，得到各类传统肉制品的HAs含量范围，如图3所示。各类传统肉制品的HAs含量差异较大，酱卤肉制品的酱汁（或卤水）中HAs含量最高，达2 059.86 ng/mL，其次是酱卤肉制品。干肉制品、熏烧焙烤肉制品、油炸肉制品与香肠肉制品中的HAs含量同样较高。需要指出的是，现有的研究主要集中在酱卤、熏烧焙烤和油炸肉制品3 类传统肉制品，其他4 类产品的关注度较低。特别是腌腊肉制品与火腿肉制品，仅潘晗[32]做了调查研究，结果表明虽然未经过长时间的高温热处理，但这两类肉制品中仍有18.93 ng/g与15.55 ng/g的HAs残留。并且，其在研究中还比较了我国不同地区的传统肉制品中HAs含量，结果如表2所示。可以看出我国不同地区传统肉制品中的HAs含量由高到低依次为：华东地区＞西北地区＞华南地区＞华北地区＞华中地区＞东北地区＞西南地区。综上所述，传统肉制品中HAs种类多、含量高，对其进行减控以提升产品安全性势在必行。

图3 报道的各类传统肉制品中HAs最高含量Fig. 3 Highest HAs contents reported in various Chinese traditional meat products

表2 我国不同地区肉制品中的总HAs含量[32]Table 2 Total HAs levels in meat products from different regions of China[32]

4 传统肉制品中杂环胺的影响因素与减控

4.1 传统肉制品中HAs的影响因素

影响肉制品中HAs形成主要有前体物质与加工工艺及参数两个主要影响因素，其中前体物质因素主要受到包括原料（肉）的种类与品质以及外源添加的糖、氨基酸等前体物质的影响；而加工工艺及参数则主要包括热处理方式、热处理时间与温度两个方面[11]。

对于不同原料的加工适宜性问题，不同的畜禽肉也会对产品中HAs的含量与组成产生显著影响，通常牛肉、羊肉这类畜肉易于HAs的形成，而禽肉及鱼肉中HAs含量相对较低[44,66,91]。Hou Chengli等[71]研究表明以不同品种羊肉熏制的产品中HAs的含量存在显著差异，但HAs的含量在数量级上没有差异。Xiao Xiong等[76]的研究结果表明随着羊肉宰后成熟时间的延长，加工产品中形成的HAs显著增加。而不同脂肪含量的原料肉同样会影响产品中HAs的含量，脂肪含量较高的五花肉中HAs含量显著高于里脊肉[36]。此外，潘晗[32]在分析我国不同地区肉制品中HAs含量差异较大的原因时认为，我国东部与南部地区传统肉制品较高的HAs含量与加工过程中经常添加酱油和糖的饮食习惯有很大关系。众多研究结果均证实了该观点，酱油[28,39]、糖[28,52]、米酒[39]等调味料的添加均会显著促进传统肉制品中HAs的形成。考虑到这些调味料对于很多传统肉制品加工必不可少，因此，如何对传统配方进行适当调整与优化也是未来需要研究与解决的问题。

不同加工工艺及参数对传统肉制品中HAs的影响已有较多研究报道。Liao等[83-84]先后研究了微波、煮制、蒸煮、炭烤、烤制、油炸、煎炸等热处理方法对肉制品中HAs形成的影响，结果表明，使用煎炸、碳烤、烤制等较强热处理加工的肉制品中HAs含量较高，而煮制、微波、蒸煮等加工的产品中含量较低。相关研究结果也表明不同烹饪方式对传统肉制品中HAs的含量有很大影响[48,59,94]，但归根到底不同加工方式对HAs形成的影响是由于传热类型和与周围介质的相互作用，导致不同的传热系数所致[11]。尽管众多研究结果均表明，更高的热处理温度以及更长的热处理时间会显著促进传统肉制品中HAs的形成[48,59,62,100]，但对于传统肉制品加工来说，特定的产品其实也基本确定了加工方法以及加工所需温度与时间的组合。值得注意的是卤煮这一独特的传统酱卤肉制品加工方式，研究表明卤煮加工可以诱发HAs的大量产生[28,45]，并且卤水重复使用的次数对卤水及酱卤肉制品中HAs含量的影响非常显著[52,55]，但经过一定次数的反复卤煮后，老卤中HAs含量的增速下降，并最终趋于稳定[28,36-37,108]。

4.2 传统肉制品中HAs的减控

针对肉制品中由HAs引起的食品安全风险问题，目前已有多种减控方法的研究与应用。但根据影响HAs形成的各因素，Meurillon[19]对现有的减控方法进行归纳总结，并归为3 类：合理选择食物类型（即从底物水平进行减控）、优化加工工艺以及添加外源抑制剂进行减控。根据这3 类HAs的减控策略，本文对现有传统肉制品中HAs的减控研究结果进行了汇总与梳理。由表3可知，传统肉制品中HAs的减控方法已有不少研究与报道，而且很多减控方法对HAs有较好的抑制效果，可以有效提高传统肉制品的安全性。其中，通过合理选择食物类型特别是选择适宜的原料肉与配料，可以直接从底物水平对HAs的形成进行减控。需要指出的是，虽然研究表明不同油脂对HAs的含量有较大影响，这与不同油脂的饱和度有一定关系，但由于市售的油脂中可能存在一定的抗氧化剂，因此不能排除这一因素的影响[94,99]。而对于加工工艺的优化，目前的研究主要集中在双阶段干燥[63]、热风射流干燥[68]、过热蒸汽红外光波烤制[74]、红外蒸汽烤制[81-82]以及定量卤制[108]方面，这些新的加工方法的应用也可以有效地抑制HAs的形成。相较而言，添加外源抑制剂是目前传统肉制品中研究最多的HAs减控方法。其中桂皮、甘草、红花椒、大料、丁香、良姜、草果等香辛料的添加已有广泛的研究[33,53-54]，此外添加各类植物提取物以及抗氧化剂也都有较好的抑制效果。通常认为是这些外源添加抑制剂中的酚类、黄酮类等抗氧化活性成分或其他具有抗氧化活性的物质，通过清除体系中形成的自由基，从而抑制了HAs的形成。仅有少数研究结果表明，抑制剂的添加也可能通过缓解美拉德反应的进行，从而达到减控HAs的效果[108-110]。

5 传统肉制品中杂环胺研究存在的问题与研究趋势

5.1 现有研究存在的问题

通过对现有传统肉制品中HAs含量、形成与减控研究结果的汇总可以看出，传统肉制品中HAs含量高，而现有的研究存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：1）HAs的形成规律不明确。传统肉制品通常有多个热处理加工工序，因此，HAs在传统肉制品的整个加工过程中的形成规律较西式肉制品更加复杂，HAs的形成规律以及影响HAs含量的关键工序仍有待研究。目前仅有的几个相关研究结果表明中式香肠的不同加工阶段形成HAs种类与含量各不相同[105]；肉松加工不同阶段的HAs含量存在很大差异[99]；卤煮是影响烧鸡HAs含量的关键工序[51]。2）原料的加工适宜性研究薄弱。国内鲜有传统肉制品的原料适宜性的研究与报道，仅中国农科院张德权研究员团队[71,76,112]对羊肉开展了较为系统的研究，并指出经解僵成熟的鲜肉更适合炖煮、炒制、涮制等传统的中式烹饪方法，而解僵成熟后的冷却肉则更适合烘烤、烧烤等西式烹饪方法。3）现有的HAs减控方法研究较为单一。从表3可以看出，目前传统肉制品中HAs的减控研究主要集中在添加外源抑制剂的减控方法，通过添加不同来源的含有酚类、黄酮类及其他抗氧化活性物质进行抑制。此外，一些传统肉制品特有的加工工艺中HAs的减控研究较少，也不能参考和套用西式肉制品加工中较为成熟的减控方法。如酱卤肉制品的卤煮加工，既需要较长的热处理时间，又有反复使用的老卤的影响，因此尚无添加外源抑制剂以外的减控方法研究。4）缺乏系统的HAs减控技术。现有的减控方法研究多集中于某一特定的加工工艺或工序，运用不同手段对该工序的HAs进行减控。但尚未有以某一个或某一类

传统肉制品为研究对象，综合分析整个加工过程中不同工序HAs的减控方法，并将各工序减控方法进行有效整合，最终形成系统性的减控技术。5）HAs的减控机制不明确。目前，HAs减控的机制主要认为是较为温和的热处理影响了HAs的形成以及外源抑制剂的添加对自由基清除作用。但具体到减控方法是如何抑制，以何种途径进行抑制，以及阻断HAs形成的哪一步反应则仍不明确，影响了HAs的靶向抑制研究。

表3 传统肉制品中HAs的减控研究Table 3 Recent studies on inhibition of HAs in Chinese traditional meat products

5.2 研究趋势

由于目前传统肉制品中的HAs仍存在很多问题亟待研究与解决，因此未来本领域的研究可以从以下几个方面开展：1）明确传统肉制品中HAs的形成规律与关键工序。在对传统肉制品整个加工工艺进行系统分析的基础上，明确HAs的形成规律与影响的关键工序，从而为建立系统性的减控方法研究奠定基础。2）明确不同原料的加工适宜性。确定各类传统肉制品适宜的加工原料及其品质要求，从源头对产品中HAs的含量进行减控。3）传统加工工艺的优化与革新。传统肉制品复杂多样的热处理加工工艺易于HAs的形成，如何在产品保真的前提下，对传统加工工艺进行优化与革新是较为现实的问题。此外，研究表明气烤与电烤[113]、蒸汽辅助焙烤[114]、真空低温慢煮[115]等较新的加工方法均能有效抑制肉中HAs的形成，而这些加工方法鲜有在传统肉制品领域的研究与应用。4）传统配方的调整与新外源抑制剂的添加。研究表明适当地调整氨基酸[116-117]、糖[47]、盐[118]的浓度，或通过添加胶体[119]等方式，均能对HAs的形成起到很好的抑制作用。此外，尽管众多研究结果表明添加四川花椒[120]、糖蜜提取物[109]等富含酚类化合物的抑制剂能有效抑制HAs的形成，但中医的“药食同源”理论意味着仍有众多的中草药、香辛料资源有待开发与利用。5）开发适用于传统肉制品的HAs综合减控技术。在以上4 个方面系统性研究的基础上，针对传统肉制品的特点，从多个方面以不同方法对HAs进行减控，并将这些减控方法和技术予以整合，形成完整的技术体系，全面提升传统肉制品的安全性。6）研究传统肉制品中HAs的靶向抑制技术，并揭示其抑制的机制。