富脂模拟反应体系中油脂氧化产物对食品加工危害物形成的影响研究,食品加工

第 1 章 绪论

1.1 AA 研究进展
AA是一种用于制造塑料的化工原料，为已知的致癌物。AA是油炸食品中的常见危害物质，目前，人们的日常食品中很大一部分是油炸食品，因此，对油炸食品中AA进行研究也就必要而迫切，这有助于增强公众认识及保证居民身体健康。2002年，瑞典学者发现，富含淀粉的食物在经过120℃或更高温度油炸或烧烤等处理过程后会检测到有毒物质AA。随后挪威、瑞士、英国、美国等国的研究人员也发现了这一问题，AA问题已经引起了国际社会的高度重视[1]。
1.1.1 AA 的性质
AA是一种构造单一的的物质，化学式为CH2=CHCONH2。AA是聚丙烯酰胺合成中的中间物质，AA在常温下以白色晶体形式存在，AA在熔点时易聚合，也会发生聚合反应。在酸中较在碱中稳定，在紫外光照射易聚合。将AA置于热的溶剂中，会释放出剧烈的腐蚀性气体和氮的氧化物类物质[2]。AA主要用作制造水溶性高分子聚合物，常被用于多种化工生产途径[3]。研究表明，油炸、烘烤类等含高淀粉的食品中AA含量特别高，一些儿童食品中也广泛存在较高水平的AA[4]。
1.1.2 AA 的毒性及风险评估研究
2005年2月，联合国粮农组织和世界卫生组织联合食品添加剂专家委员会研究证实AA具有神经、遗传和生殖毒性，并被国际癌症研究机构定义为人类可能致癌物。AA也会对肝脏和神经产生作用，同时还具有生殖毒性，对DNA具有损伤作用，另外还会对啮齿类动物产生致癌作用。周继等[5]的研究发现，急性经口毒性实验灌胃后观测两周，未见大量的中毒及死亡情况；Ames试验结果为阴性；大鼠精子畸形试验3个不同浓度梯度的精子畸形率分别是2.21%、2.54%、1.98%，结果与阴性对照组类似，差异不明显，阳性对照组畸形率为11.25%，结果显著高于各实验组(p<0.01)；18个月喂养试验未见动物死亡。机体会从消化道、呼吸道、皮肤黏膜等接触到AA。AA进入机体后会以多种方式被摄取，胃肠道的吸收是最快的方式。进入体内的AA绝大部分被代谢，仅少量经尿液排出[6]。AA较易被机体利用，引发急性、亚急性和慢性中毒[7]，引起周围和中枢神经的损坏病变、肌肉无力、后肢麻木和运动能力降低等状况[8]。除了会通过职业性接触AA，普通居民可经饮食和吸烟接触到AA，所以在平时烹调食品时，要遵循科学的方法。此外还要限制AA在膳食中的摄入量，少吃油炸类食品，健康饮食。
1.1.3 食品中 AA 的形成机制
淀粉含量高的食品在经过高温烘焙（＞120℃）或煎炸时，其中的还原糖会与天冬酰胺发生反应生成AA，AA的含量会随着加工温度的升高而呈上升趋势。可是在热处理食物过程中生成AA的途径还没有彻底阐明，可能参与反应的物质包括糖类、蛋白质、氨基酸、脂肪以及其它的食品物质。
食品中AA的形成机理，目前广泛认为是由于在食品的加工过程中，以天冬酰胺和羰基化合物为原料所发生的美拉德反应过程中产生的[9-10]。Stadler等把多种氨基酸在超过100℃的温度下独自加热一段时间，结果显示，仅仅谷氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸和蛋氨酸等生成了少量AA；当把天冬酰胺和还原糖混合时，经高温处理后，在产物中可检测到很多AA。因此断定，天冬酰胺和还原糖在加热处理后发生美拉德反应形成AA。美拉德反应也被称为非酶褐变反应，它受反应时间、反应温度和酸碱度等条件影响。在反应过程当中还原糖的羰基和氨基化合物缩和形成了糖胺，之后发生发生分子重排、脱水和脱羟基，形成多种小分子的糖分解及降解衍生物，如呋喃、呋喃酮化合物及其衍生物等。随后这些产物与其他氨基酸、醛、H2S、NH3发生反应产生食物特有的香气物质。AA就是天门冬氨酸和葡萄糖反应生成N-(D-葡萄糖-yl)-L-天门冬氨酸，在加热后杂环化合物分裂脱CO2释放了AA[11]。
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1.2 HMF 研究进展
1.2.1 食品中的羟甲基糠醛（HMF）
羟甲基糠醛，也称为5 -羟甲基糠醛[20]，是重要的工业生产用物质，化学结构为：

因为HMF含有一个醛基和一个羟甲基，可发生多种化学反应，可用做生产用途广泛的化合物和新型材料。
HMF的生成量受到pH 值、压力、温度和食物组成等的影响，当上述反应条件发生变化时，非还原糖会转变成为还原糖或多酚，进而影响糠醛生成的过程，通过调节这些反应条件可以高效地控制糠醛生成的进度[21]。
在热处理和发酵等加工过程中会有HMF的生成，其主要的生成方式是加工时所发生的美拉德和焦糖化反应。HMF主要分布在易于发生美拉德和糖降解反应的食物中，如酒类、 酱油、 烘焙食品和植物油等，其含量是探究食物在加工储藏过程中质量变化以及评价相关产品质量优劣的一项关键指标。研究表明HMF具有多方面的生理作用，食用过量可能对人体健康造成伤害[22]。
HMF 的另外一个来源是食品中添加的焦糖或蜂蜜等物质[23]。目前，研究者对HMF 检测的研究，主要集中在检测蜂蜜[24]、醋[25]、牛乳[26]、酒类[27]等各类食品中HMF的含量。Rada-Mendoza[28,29]等研究了38种含有水果和糖的果酱，以及18种以水果为基料的婴儿食品的pH值、干物质含量和HMF的含量，结果发现所有的56种样品中都含有HMF，检测结果从痕量到7.17mg 100g-1不等，平均含量1.35mg 100g-1。尽管在某些系列的食品中，如干制水果、焦糖、醋中的HMF 含量相当高，但是面包和咖啡是HMF的最主要膳食摄入方式[30]。
1.2.2 HMF 的形成机理
HMF是一种糖的加热分解衍生物[22]，在高压灭菌过程当中或糖含量较高的食物，例如蜂蜜、甜酒、甜面酱等[31]的保存中，都会产生HMF[32]。广泛认为单糖是发生糠醛反应的原始底物，然而也不断有相关地结果发表了不同的意见，在高于250℃的温度下焙烤饼干，若用蔗糖替换葡萄糖或果糖，就会有大量的HMF生成[33]，这可能是因为蔗糖在较高温度下生成了高活性的呋喃果糖基离子引起的[34]。
在HMF的生成过程中，加工温度和压力是非常重要的影响因素[35]。高温与压力都会加速反应速度，因为在这种条件下，烯醇缩合和有关的水解和脱水反应均相对易于发生[36]。此外，pH值也会影响HMF的生成，研究表明当面团的pH值升高时，HMF含量降低[37]。微波加热能够增加HMF的含量[38]，在微波的电场中，酮糖是六碳糖的主要存在形式，这种形式对HMF的形成十分有利[39]。
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第2章 测定食品中HMF含量的超高速液相色谱法分析方法

许多食物经热处理和发酵等加工程序后会生成HMF，主要来自于加工过程中所发生的美拉德反应(Maillard reaction)及焦糖化反应[62-64]。HMF将在达到一定浓度时对人体造成伤害[65]。HMF的含量会在热加工过程中逐渐升高，所以HMF的浓度常被用于评价褐变反应强度和食品最终品质[66]。目前，对于食品中HMF的测定还主要是基于经典色谱技术的方法，LC-MS, LC-MS/MS和GC-MS都是常用的测定方法[67-70]，但最普遍的测定方法是液相色谱配以紫外检测器来测定食品中的HMF[71]，这些方法的分析时间都较长，并且敏感度不高。UHPLC方法是目前色谱分离技术的最新发展[72]。UHPLC的特性使其在应用上更具优势。因为UHPLC方法中色谱柱的体积更小，所以在较高的柱压下，流动相可以采用较小的流速。同时还具有高速、高分辨率和高敏感性的特点。和紫外检测器相比，PDA检测器具有实时输出三维图像和色谱图的优势，同时色谱图具有更加纯的峰和更高的分辨率[73-75]。
本章实验采用UHPLC-PDA方法，测定不同种类的中国传统食品中HMF含量，旨在探讨不同的食品原料和加工方式对食品中HMF含量的影响。另外，对比中国居民营养与健康现状数据[76]，对中国居民日常膳食中HMF的曝露量进行了初步评价。

2.1 材料与仪器
2.1.1 实验材料
羟甲基糠醛（HMF，纯度>99%），购于Sigma公司；乙酸锌、亚铁氰化钾、正己烷、色谱纯甲醇：北京化学试剂公司；0.45μm过滤膜、超纯水。
2.1.2 仪器与设备
UHPLC-30A超高速液相色谱仪（岛津）；
GDYQ-704S 快速粉碎机：慈溪市宁汇电器有限公司；
漩涡混匀器：北京北德科学器材有限公司；
L800离心机：上海跃进医疗器械厂；
ULTRASONS-H超声清洗器：西班牙abrera公司。
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2.2 超高速液相色谱法测定食品中 HMF 含量
2.2.1 样品处理
实验中227种食品均购买于长春各大超市和商店，共分为12个种类，分别为：传统西式谷物食品、传统中式谷物食品、海苔、调味料、巧克力、可乐、茶叶、土豆制品、水果和蔬菜制品、蜂蜜制品、咖啡和婴儿食品等。
将样品粉碎后，，精确量取1.00g样品置于15mL离心管中，加入9mL去离子水，旋转振荡1min使样品和水充分混合，之后再超声10min以有利于HMF充分析出。分别加入0.5mL卡式试剂I和 II，同时加入1.0mL正己烷，振荡混合，离心10min，取上层澄清液过膜备用[70,77]。
2.2.2 超高速液相色谱分析方法
实验仪器为岛津UHPLC-30A，配备脱气装置、自动进样器、高压泵和PDA检测器；柱子型号为Shim-pack柱(2.0×50 mm ID，岛津，日本)；流动相为水和甲醇(95:5)；流速为0.3 mL min 1；柱温为30 °C；进样量为5μL。检测器波长为283nm。实验中所有样品重复测定三次。
2.2.3 中国食品中 HMF 的暴露量的初步分析
根据中国居民营养与健康现状，将实验中的227中传统食品根据不同的摄入量分为不同门类。日常HMF摄入量计算如下:

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第 3 章 富脂模拟反应体系中油脂氧化对 AA 和 HMF 形成的影响..............................18
3.1 鲜切薯片油炸过程中油脂氧化产物对 AA 形成的贡献率研究 ..........................18
3.1.1 实验材料.....................................18
3.1.2 实验方法....................................18
3.1.3 结果与讨论.............................20
3.2 富脂模拟反应体系中油脂氧化对 AA 形成的影响 ...................................27
3.2.1 实验材料与仪器...............................27
3.2.2 实验方法......................................27
3.2.3 结果与讨论....................................27
3.3 富脂模拟反应体系中油脂氧化对 HMF 形成的影响初探 ........................36
3.3.1 实验材料与仪器..................................36
3.3.2 实验方法....................................36
3.3.3 结果与讨论................................37
3.4 本章小结...................................38

第四章 全文创新点

(1) 建立了薯片中AA的预测模型，可以快速有效的对薯片中的AA含量进行预测分析；
(2) 建立富脂模拟体系，排除食品成分的干扰，单纯考察了油脂氧化对AA形成的影响；
(3) 建立了Glu/Asn模拟体系，考察了油脂氧化产物对HMF形成的影响。
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第五章 结论

5.1 全文结论
AA是第二类致癌物，AA的污染问题已经引发了国际社会和各国政府的高度关注。HMF是美拉德反应中后期生成的一种典型化合物。研究表明，HMF具有细胞毒性，同时还会对眼和上呼吸道黏膜具有刺激性。在经过热处理后，食品中HMF醛的含量会呈现出上升的趋势，因此，HMF经常被用于评价食品非酶褐变反应程度和食品最终品质的工具。
(1) 建立超高速液相色谱法对227种食品中HMF进行了测定。方法学评价参数如精密度、线性度和准确度等均较为理想。实验中所选食品中绝大多数都含有HMF。日常膳食中，HMF主要摄入途径为大米和面粉制品；
(2) 在油炸薯片中，测定不同油炸时间和温度下的AA含量。AA含量会随着油炸温度和时间的升高而增加。丙酮醛值和过氧化值显著影响AA的生成，茴香胺值的影响次之，水分含量的影响最小。分析得到的预测模型为：AA含量=－0.200－0.00136×水分含量+0.32995×过氧化值+0.07367×茴香胺值+0.1032×丙酮醛值。
(3) 预氧化模拟体系中，AA含量会随着油炸温度和预加热时间的增加而增大。在相同的模拟体系中，豆油中生成的AA要比橄榄油和棕榈油多。过氧化值显著影响AA的生成，茴香胺值和羰基价的影响最小。
(4) 在Glu/Asn模拟体系中添加MG、乙二醛和丁二酮来研究油脂氧化产物对HMF形成的影响。其中，MG对于HMF的生成产生的影响最大，可以初步断定油脂氧化会对HMF的生成产生影响。
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参考文献（略）