畜禽產(chǎn)品加工過程中有害物質(zhì)的形成機制及抑制措施
——以雜環(huán)胺為例

潘 晗, 張春暉, 王振宇, 郭海濤, 倪 娜, 張德權

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室,北京 100193)

由于加工工藝的需要，畜禽產(chǎn)品加工過程中常常產(chǎn)生有毒有害物質(zhì).如腌肉時加入的亞硝酸鹽，會形成致癌物質(zhì)亞硝基化合物;熏肉時由于煙熏而引入致癌物質(zhì)苯并芘;高溫油炸畜禽產(chǎn)品會產(chǎn)生有毒的氧化產(chǎn)物.而畜禽產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生的致癌性、致突變性的雜環(huán)胺，近年來受到普遍關注.

雜環(huán)胺化合物(heterocyclic aromatic amines，HAAs)是由碳、氮和氫原子組成的具有多環(huán)芳香族結構的化合物，此化合物常發(fā)現(xiàn)于經(jīng)熱處理過的高蛋白食品中.自從1977年，日本科學家在燒烤的魚和肉制品表層焦部發(fā)現(xiàn)具有強烈致癌性、致突變性的雜環(huán)胺以來[1]，迄今為止，在熟肉和熟肉制品中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了25種以上的雜環(huán)胺[2].

長期的流行病學和動物學研究表明，在全球范圍內(nèi)，飲食是造成人類罹患癌癥幾率差異的重要因素[3-4].報道顯示，人類三分之一的癌癥與飲食相關.雜環(huán)胺是熟食中存在的ng/g級別的強力誘變劑，成為人類罹患癌癥的重要原因[5].國際癌癥研究中心將2-氨基-3-甲基咪唑并[4，5-f]喹啉(IQ)歸類為可疑致癌物(2A級)，而2-氨基-3，4-二甲基咪唑并[4，5-f]喹啉(MeIQ)、2-氨基-3，8-二甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉(MeIQx)、2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑并[4，5-b]吡啶(PhIP)、2-氨基-9H-吡啶并[2，3-b]吲哚(AaC)、2-氨基-3-甲基-9H-吡啶并[2，3-b]吲哚(MeAaC)、3-氨基-1，4-二甲基-5H-吡啶并[4，3-b]吲哚(Trp-P-1)、3-氨基-1-甲基-5H-吡啶并[4，3-b]吲哚(Trp-P-2)、2-氨基-6-甲基二吡啶并[1，2-a:3′，2′-d]咪唑(Glu-p-1)和 2-氨基-二吡啶并[1，2-a:3′，2′-d]咪唑(Glu-P-2)列為潛在致癌物(2B級).通過Ames/Salmonella實驗評估肉制品中雜環(huán)胺的致突變性，結果發(fā)現(xiàn)雜環(huán)胺是黃曲霉毒素B1致突變性的6～10倍[6].

我國對于雜環(huán)胺的研究始于20世紀80年代后期，至今這方面的報道仍比較少，尚處于起步階段.隨著生活水平的提高，人們對食品安全的意識越來越強，畜禽制品的安全性受到前所未有的關注，其中，雜環(huán)胺的形成、控制等問題亦成為研究焦點.本研究將著重介紹畜禽制品中致癌、致突變雜環(huán)胺的形成機制及抑制措施，從而為有效減少飲食中雜環(huán)胺的攝入提供切實可行的參考依據(jù).

1 雜環(huán)胺的結構及分類

雜環(huán)胺主要分為兩類:氨基咪唑氮雜芳烴(aminoimidazo azaaren，AIA)和氨基咔啉(amino-carolin congener)[7].AIA包括喹啉類(IQ、MeIQ)、喹喔類(IQx、MeIQx、4，8-DiMeIQx、7，8-MeIQx)、吡啶類(PhIP)和呋喃吡啶類(IFP).此類雜環(huán)胺通常是在溫度為150～300℃時，由游離氨基酸、肌酸(肌酸酐)和糖一起反應所生成，是強烈的致癌、致突變物，也是食品中發(fā)現(xiàn)的最常見的雜環(huán)胺.AIAs又被稱為IQ型雜環(huán)胺，即極性雜環(huán)胺.

氨基咔啉包括 α-咔啉(AaC、MeAaC)、β-咔啉類(norharman、harman)、γ-咔啉(Trp-P-1、Trp-P-2)和δ-咔啉(Glu-P-1、Glu-P-2)，一般是在溫度高于 300℃才產(chǎn)生[8].氨基咔啉又被稱為非IQ型雜環(huán)胺，即非極性雜環(huán)胺，其致癌、致突變活性較IQ型雜環(huán)胺弱[9].Harman(1-甲基-9H-吡啶并[3，4-b]吲哚)和Norharman(9H-吡啶并[3，4-b]吲哚)本身不具有致突變活性，但是可以加強其他雜環(huán)胺的基因毒性，因此被稱為輔助致突物[10].

2 畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺含量及其影響因素

畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺的含量受很多因素的影響.比如原料肉種類[11]、加工方式[12]、加工時間和溫度[13]、前體物等.不同的模型和油炸實驗結果表明，肌酸和肌酐是許多種雜環(huán)胺形成的前體物[14].Lee等[15]研究表明，在煮牛肉汁中加入氨基酸，特別是谷氨酸鹽、酪氨酸、蘇氨酸和丙氨酸，可以增加雜環(huán)胺的含量.Bordas等[16]認為當向肉風味模型中加入肌酸、甘氨酸、丙氨酸時，雜環(huán)胺含量明顯升高.

研究表明，加工時間和溫度對雜環(huán)胺含量的影響遠大于前體物或者食品中水分含量的影響[17-18].隨著溫度的升高、時間的延長，雜環(huán)胺的含量顯著升高[19].當溫度高于200℃時，HAAs生成速度加快，尤其是PhIP[20-21].Arvidsson等[22]在水模型體系中研究了雜環(huán)胺的形成與溫度和時間的關系，其將肌酐、葡萄糖和多種氨基酸在150～225℃下加熱0.5～120 min，除了 IQ 和 MeIQ 外，IQx、MeIQx、4， 8-DiMeIQx和PhIP的含量都快速增加.

就加工方式而言，不同加工方式產(chǎn)生的HAAs含量不同[23].廖國周[12]研究了不同加工方法對鴨肉中雜環(huán)胺形成的影響，結果表明，煎烤產(chǎn)生的雜環(huán)胺最多，在200℃下煎烤鴨肉20 min，產(chǎn)生的總雜環(huán)胺含量達到97.71 ng/g，依次減少的是炭烤、油炸、烘烤、微波與蒸煮.這是由于煎烤時肉品與熱源直接接觸，肉品中雜環(huán)胺形成的各種前體物不斷由肉品內(nèi)部滲出，在接觸面進行反應從而形成較多的IQ型雜環(huán)胺.Sinha等[24-25]研究表明，油煎和燒烤比烘烤、油炸、蒸煮和微波產(chǎn)生的雜環(huán)胺含量更高.一般而言，使食物直接與明火接觸或灼熱的金屬表面接觸的烹調(diào)方法，如炭烤、油煎等有助于致突變性雜環(huán)胺的形成，因為這種條件下食物表面自由水大量蒸發(fā)而發(fā)生褐變反應;然而通過間接熱傳導方式或在較低溫度并有水蒸汽存在的烹調(diào)條件下，如清蒸、悶煮等，雜環(huán)胺的形成量相對就少[26].

3 雜環(huán)胺的形成機制

3.1 IQ型雜環(huán)胺的形成

雜環(huán)胺的形成過程中，美拉德反應起著重要作用.Jagerstad等[27]認為肉中的肌酸、游離氨基酸和己糖是IQ型化合物形成的前體物質(zhì).他推測，肌酸通過環(huán)化和脫水形成分子中氨基咪唑的一部分，而另一部分則是通過己糖和氨基酸間的美拉德反應產(chǎn)生的降解產(chǎn)物形成，如吡啶或吡嗪，這兩部分通過Strecker醛(或相關的Schiff's堿)經(jīng)過醇醛縮合反應將兩部分結合在一起，如圖1.Negishi等[28]證實了這個假說，通過在130℃沸騰回流2 h肌酸、甘氨酸和葡萄糖混合物后，鑒定出了 MeIQx和7，8-DiMeIQx.當他用蘇氨酸代替甘氨酸后，產(chǎn)生了MeIQx和4，8-DiMeIQx，而用丙氨酸代替就可以產(chǎn)生4，8-DiMeIQx和微量MeIQx[29].

3.2 PhIP的形成

Felton[30]通過用13C標記苯丙氨酸和肌酸，有力地證明苯丙氨酸和肌酸是PhIP形成的前體物.然而，通過干熱模型研究發(fā)現(xiàn)，糖并不是必不可少的前體物[31].但糖也有一定的影響作用，在一個含有苯丙氨酸和肌酸的液體模型系統(tǒng)中進行干熱處理，糖的濃度大小決定了它對PhIP的形成是起到增強作用還是抑制作用[32].

圖1 IQ型雜環(huán)胺形成機制Fig.1 Proposed reactions of formation of IQ-type compounds

Zochling等[33]認為PhIP形成的反應第一步是苯丙氨酸的熱降解(1)，如圖2，通過SPME/GC-MS技術，在苯丙氨酸和肌酸的干熱模型中鑒別出了苯乙醛(2).除了熱降解，也有可能是苯丙氨酸通過Strecker降解生成了苯乙醛.第二步是苯乙醛(2)和肌酸(3)發(fā)生醇醛反應.肌酸的C-5和苯乙醛發(fā)生親核加成反應，隨之，脫水生成縮合產(chǎn)物作為中間物.然而，此中間物無論在模型系統(tǒng)里還是在油炸肉中都不能被檢測出來，這是由于模型系統(tǒng)和肉中溫度都十分高，醇醛加成產(chǎn)物會立即脫水(4).反應的最后一步可能是縮合產(chǎn)物(5)和一個含有氨基的化合物之間形成Schiff's堿.此含氨基化合物有可能是苯丙氨酸，也有可能是2-苯乙胺.該化合物已經(jīng)被證實是苯丙氨酸的一個最主要的熱降解產(chǎn)物.另一個可能參與反應的是肌酸.在一個含有苯乙醛和肌酸的模型反應中，在沒有額外的氮源時，也產(chǎn)生了PhIP.在反應系統(tǒng)里，吡啶環(huán)上的氮原子至少來源于兩部分:它可以是肌酐的氨基與中間體的含氧基團反應而成，也可能是苯丙氨酸的氨基或者是游離氨.

Arvidsson等[22]動力學研究結果表明，PhIP形成過程的限速步驟是單分子反應.苯乙醛和肌酸的縮合反應是PhIP形成的關鍵步驟.

3.3 Norharman的形成

Sugimura等[34]認為色氨酸是 Norharman形成的前體物.Skog等[35]也證實色氨酸是Norharman形成的一種重要的前體物，其非常容易在普通的烹飪溫度下形成.Yaylayan[36]提出了Norharman的形成機制，如圖3.色氨酸的Amadori重排產(chǎn)物(ARP)(1)以呋喃形式經(jīng)過脫水反應，隨后在環(huán)氧孤對電子的輔助下進行β-消去反應形成共軛的氧鎓離子(2).這個反應的中間體可以通過脫水作用和形成一個拓展的共軛體系來穩(wěn)定自己，或者是經(jīng)過C—C鍵分裂來產(chǎn)生一個中性的呋喃衍生物(3)和一個亞胺鎓陽離子.最后，中間物經(jīng)過分子間取代反應形成β-咔啉[37].

圖2 PhIP的形成機制Fig.2 Proposed reactions of formation of PhIP

圖3 Norharman的形成機制Fig.3 Proposed reactions for formation of norharman

4 雜環(huán)胺形成的抑制措施

畜禽產(chǎn)品中存在的致癌性、致突變性雜環(huán)胺對人類健康造成嚴重威脅，因此，研究雜環(huán)胺的抑制措施具有重要意義.

近年來，越來越多的研究集中在香辛料等植物天然提取物對雜環(huán)胺的抑制作用上.Cheng等[38]研究了食物中酚類物質(zhì)對模型和牛肉餡餅中雜環(huán)胺的抑制作用，結果表明，茶黃素3，3′-雙沒食子酸酯、表兒茶素、迷迭香、槲皮素都能顯著減少 PhIP、MeIQx、4， 8-DiMeIQx的含量.Murkovic等[39]表明，具有抗氧化活性的調(diào)料(迷迭香、百里香、大蒜)可以減少油炸肉中雜環(huán)胺含量.姚瑤等[40]研究了5種抗氧化能力較強的香辛料對醬牛肉中雜環(huán)胺含量的影響，結果表明，良姜和紅花椒能降低雜環(huán)胺總量，能顯著抑制7，8-DiMeIQx的同時又不產(chǎn)生新的雜環(huán)胺.然而，由于香辛料種類繁多，畜禽產(chǎn)品、雜環(huán)胺種類也很多，因此研究結果常常存在分歧.比如Damasius等[41]研究了8種香辛料(羅勒、牛至、墨角蘭、迷迭香、白菖蒲、香薄荷、百里香及香菜提取物)對牛肉中雜環(huán)胺形成的影響，沒有發(fā)現(xiàn)這些提取物與雜環(huán)胺形成之間存在特定的聯(lián)系，它們對雜環(huán)胺的抑制作用與牛肉加工方式有著很大的聯(lián)系.

此外，一些其他的抗氧化劑也被加入到肉制品中.Vitaglione等[42]認為無論是從植物中提取的抗氧化劑還是離析的化合物，對模型體系和肉中的雜環(huán)胺都有一定程度的抑制作用.Lee等[43]在模擬雜環(huán)胺形成的模型體系中發(fā)現(xiàn)，黃酮可以減少30%的MeIQx和7，8-DiMeIQx.Balogh[19]研究了維生素E對牛肉餅中雜環(huán)胺的抑制效果，總體而言，添加了維生素E的牛肉餅中，五種雜環(huán)胺的含量都顯著下降，平均減少量為45% ～75%.當將1%，10%的維生素E直接加到牛肉碎餅中，PhIP含量分別減少了69%和72%.對于MeIQx而言，減少的量少且不明顯.Lan等[18]認為VC、VE、BHT的混合物對鹵制食品中的雜環(huán)胺有一定的抑制作用，但效果不顯著.表1是各種添加物對不同畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺的抑制作用.

另外一種減少畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺的方法是微波處理.這是由于肉品烹調(diào)前以微波進行預處理可以引起前體物的溢出，從而減少雜環(huán)胺的形成[44].Shin等[45]向牛排和雞胸的腌制液中加入蜂蜜，結果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)加入到腌制液中蜂蜜濃度的不同，MeIQx、DiMeIQx和PhIP的含量減少了16% ～45%.

表1 畜禽產(chǎn)品加工過程中雜環(huán)胺形成抑制措施Tab.1 Inhibition of heterocyclic aromatic amines of livestock or poultry in processing

5 結束語

目前國外對雜環(huán)胺各方面已展開深入而細致的研究，包括雜環(huán)胺的分離富集和定性定量分析、影響因素和控制方法、形成機理和抑制手段.從國外文獻報道中可知，經(jīng)高溫處理的畜禽制品中普遍存在雜環(huán)胺.然而，我國畜禽產(chǎn)品加工方法與國外有較大差異，其形成雜環(huán)胺的種類和數(shù)量都可能與國外有很大差別.我國對于畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺的研究起步較晚，目前對雜環(huán)胺的報道較少.因此，研究我國畜禽產(chǎn)品中雜環(huán)胺的形成和影響因素尤為重要.此外，國外對于香辛料對雜環(huán)胺抑制作用的研究主要集中在迷迭香、百里香等唇形科植物，但這類香辛料在國內(nèi)并不常見，因此，有必要結合中國常見的香辛料及天然抗氧化劑來研究其對雜環(huán)胺的抑制效果，從而提高畜禽產(chǎn)品的安全性，為公眾健康飲食提供科學依據(jù).

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