肉制品加工中雜環(huán)胺形成與抑制研究進展

詹春怡，李圣鑫，步梓瑞，周亞軍

（吉林大學食品科學與工程學院，吉林長春 130062）

在肉類加工中易產生多環(huán)芳烴、亞硝胺、雜環(huán)胺等致癌致突危害物，且雜環(huán)胺的致突變性遠遠高于多環(huán)芳烴、亞硝胺等[1-2]。大量研究表明雜環(huán)胺致癌，近來有報道稱高雜環(huán)胺攝入與非酒精性脂肪性肝病[3]、神經元損傷[4]等多種疾病也存在關聯(lián)，加工肉制品中雜環(huán)胺的控制勢在必行。

雜環(huán)胺主要通過氨基酸、糖和肌酸之間的美拉德反應或一些氨基酸的熱解形成[5]。因此，加工肉制品中雜環(huán)胺的形成受到多種因素的影響，如原料中前體物質的種類、含量和比例，以及肉制品加工條件等。為減少雜環(huán)胺對人體的危害，雜環(huán)胺的抑制技術受到了高度關注，包括天然抗氧化劑（如水果、茶葉和香辛料），以及合成抗氧化劑在內的外源抑制劑應用廣泛。

通過闡述雜環(huán)胺的形成機理，歸納了影響肉制品加工中雜環(huán)胺生成的因素和抑制雜環(huán)胺生成的方法，以期為有效抑制肉制品中雜環(huán)胺與低危害物肉制品的研發(fā)提供較為全面的理論參考。

1 雜環(huán)胺的形成機理研究進展

目前雜環(huán)胺的形成機理尚未完全明確，簡要對雜環(huán)胺的類型及已知形成路徑進行概述。目前已分離雜環(huán)胺超過25種[6]，主要來源為各種肉制品，根據其產生溫度不同分為熱解雜環(huán)胺和熱反應雜環(huán)胺。

1.1 熱解雜環(huán)胺的形成路徑

在250℃以上的較高溫度下形成的雜環(huán)胺被稱為熱解雜環(huán)胺[7]，又叫咔啉類雜環(huán)胺。根據結構不同又可細分為五大類：吡啶并吲哚（harman，norharman，AαC，MeAαC，Trp-P-1，Trp-P-2），吡啶并咪唑 （Glu-P） -1，Glu-P-2），苯基吡啶（Phe-P-1），四氮雜芴 （Orn-P-1） 和苯并咪唑（Cre-P-1）。

目前發(fā)現其主要有2條形成途徑[8]。一是由游離氨基酸（如鳥氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等）熱解形成，二是由大豆球蛋白和酪蛋白熱解形成。二者均是通過熱解形成各種脫羧基、氨基產物和活性自由基進而誘導形成雜環(huán)胺。

色氨酸[8]重排產物在250℃以上的溫度形成Norharman熱解雜環(huán)胺。呋喃糖形式的色氨酸重排產物經歷脫水反應，然后通過環(huán)氧的孤對電子輔助β-消除形成共軛的氧鎓離子。該反應中間體可以通過脫水和形成延伸的共軛體系進一步穩(wěn)定，或者可以進行碳鍵裂解以產生中性呋喃衍生物和亞胺陽離子。最后，中間體可以進行分子內親核取代反應以形成β-咔啉。

1.2 熱反應雜環(huán)胺的形成路徑

在150～250℃普通烹調溫度下通過美拉德反應形成的雜環(huán)胺被稱為熱反應雜環(huán)胺[9]，又叫氨基咪唑氮雜環(huán)胺。主要分為咪唑喹啉型（IQ）、咪唑喹喔啉型（IQx）和咪唑并吡啶類3種類型。

Shioya M等人[10]通過干燥加熱13C標記的苯丙氨酸和肌酐證明了苯丙氨酸和肌酐是PhIP的前體。PhIP[11]的形成第一步為生成Strecker醛苯乙醛，第二步是醛與肌酸酐的醛醇縮合反應，隨后脫水。IQ和IQx型雜環(huán)胺[6]的形成機制尚未完全闡明。模型系統(tǒng)研究表明它們是由肌酸酐、己糖和不同的游離氨基酸反應形成，并由肌酐形成咪唑部分。目前最普遍接受的機制表明[8]，在美拉德反應之后是Amadori重排和Strecker降解，形成脂肪醛和α-氨基酮，然后環(huán)化得到吡嗪或吡啶部分，最后與醛和肌酸酐反應得到IQ或IQx型雜環(huán)胺。另一種機制[12]表明喹啉來自烷基吡啶自由基、肌酸、二烷基吡嗪自由基和肌酸的產物喹喔啉，但這種機制仍然存在爭議。

2 肉制品加工中影響雜環(huán)胺形成的因素研究進展

2.1 前體物質對雜環(huán)胺的影響

雜環(huán)胺種類繁多，形成機理復雜。但無論是熱解型還是熱反應型雜環(huán)胺，其形成與氨基酸、葡萄糖等前體物質都密不可分。因此，可以通過對加工前肉的選擇和處理，調控各前體物摩爾濃度、比例等達到抑制雜環(huán)胺的目的。最近發(fā)現游離氨基酸與雜環(huán)胺形成比還原糖或肌酸（酐） 更強相關[13]。

2.1.1 糖

糖是美拉德反應的必需底物，且在高糖水平下更易生成美拉德反應產物，進而與肌酸酐反應抑制雜環(huán)胺生成。

Hasnol N D S等人[14]發(fā)現用蔗糖、紅糖、蜂蜜對烤雞進行腌制均可降低雜環(huán)胺含量。除腌制汁起屏障作用避免肉與火焰直接接觸外，當前體物質中糖含量高于肌酸含量時，糖對雜環(huán)胺的形成有抑制能力[15-16]。Olsson V等人[17]發(fā)現在油炸過程中，殘留糖原水平較低的豬肉形成更多的雜環(huán)胺。除此之外，在牛排加工中添加直接殼聚糖[8]也可在一定程度上抑制雜環(huán)胺形成。Hasnol N D S等人[14]還發(fā)現前體物質中葡萄糖和果糖等還原糖含量與雜環(huán)胺的形成呈負相關，而蔗糖與大部分的雜環(huán)胺形成呈正相關，多項研究均有類似發(fā)現[19-21]。

因此，提高糖在前體物質中的摩爾比例可以延緩雜環(huán)胺的形成，并且用葡萄糖（30%）和果糖（38%）含量較高的蜂蜜代替蔗糖將會對降低雜環(huán)胺含量起到更佳的作用[22]，具有多重功效且造價低廉的天然多糖（如殼聚糖）可以應用于雜環(huán)胺的抑制技術。

2.1.2 游離氨基酸

在美拉德反應中，游離氨基酸被認為是不可缺少的前體，它們顯著影響雜環(huán)胺形成的種類和數量[23-24]。

一方面，一些研究表明其能夠誘導形成雜環(huán)胺[25-26]，但同時也有報道證實了氨基酸對雜環(huán)胺的抑制作用[27-28]。Linghu Z等人[29]首次研究了氨基酸對PhIp的抑制機制，證實在模型系統(tǒng)中加入氨基酸可以顯著抑制PhIP的形成，尤其是色氨酸和賴氨酸。加入氨基酸對肌酸酐與美拉德產物的反應產生競爭，抑制雜環(huán)胺形成。氨基酸對于雜環(huán)胺的影響也具有雙重性，取決于本身化學結構及摩爾濃度。大量研究表明，當氨基酸和葡萄糖、肌酸摩爾濃度相同時抑制作用最佳[30]。不同氨基酸的抑制條件及效果仍有待進一步探索。

2.1.3 肌酸

肌酸是一種存在于脊椎動物體內的一種含氮有機酸。作為雜環(huán)胺的主要前體之一，肌酸可以與Strecker降解產生的吡嗪和吡啶自由基反應生成雜環(huán)胺[31]。

S Jinap等人[32]報道由于牛肉的肌酸含量較高、游離氨基酸含量低，烤牛肉比烤雞含有更多的雜環(huán)胺。Lan C M等人[33]發(fā)現肌酸含量高的熟豬肉中比同等條件下加工的雞蛋和豆餅含有更多的雜環(huán)胺。Solyako等人[12]在肌酸含量極低的炸雞肝中未檢測到雜環(huán)胺。肌酸與美拉德產物反應形成IQ型雜環(huán)胺，且這類雜環(huán)胺必須在肌酸存在的條件下才能生成[34]。

因此從肌酸含量的角度出發(fā)，在家庭烹飪中可通過對肉類的選擇降低雜環(huán)胺攝入。

2.2 加工條件對雜環(huán)胺的影響

不同的加工條件會產生不同程度的雜環(huán)胺含量.加工條件（如溫度和時間）對雜環(huán)胺的影響遠大于肉的類別和前體物質[35]，其中加工時間比溫度影響更大。因此比較不同加工條件對雜環(huán)胺的影響，對于在加工環(huán)節(jié)采取措施抑制雜環(huán)胺有著重要意義[35]。

2.2.1 時間

雜環(huán)胺前體物質通過水分蒸發(fā)富集在肉的表面[37]，延遲烹飪時間將大幅度增加雜環(huán)胺含量[38]。

Turesky R J等人[39]在275℃條件下煎炸5，10，15 min的肉丸中分別檢測到2.7，4.2，12.3 ng/g MeIQx。食物的熟度與烹飪時間密切相關，也是時間影響雜環(huán)胺形成的重要因素。Oz F等人[40]在用微波爐加工虹鱒魚時發(fā)現雜環(huán)胺的總量隨烹飪程度而顯著提高，甚至從0.24 ng/g達到了18.09 ng/g，相差達70倍。在雞肉的不同加工方式中，微波烹飪在不同烹飪程度下產生了最高和最低的雜環(huán)胺總量。雖然所有煮熟的肉都具有一定的誘變活性，但是在150℃以下加工得到的熟度在初等或中等的肉制品比高等熟度肉制品具有更低的誘變性。

無論是在家庭烹煮還是工廠生產中，減少烹飪時間、控制熟度在中低等水平對于抑制雜環(huán)胺形成、健康飲食有著重要作用。

2.2.2 溫度

大量研究表明，在加工方式一定時，溫度與雜環(huán)胺含量、種類呈正相關[20，41]。Hasyimah A K等人[42]通過對不同溫度下加工的烤牛肉進行檢測發(fā)現，雜環(huán)胺的形成隨溫度升高而增加，且在150℃時最低。在150℃下油炸的食物中，雜環(huán)胺的含量很低或不可檢測，但是在190℃以上的較高烹飪溫度下顯著增 加[43]。尤其當烹飪溫度超過200℃，HAAs的總水平會急劇增加[44]。

Pais P等人[45]發(fā)現大于250℃時模型系統(tǒng)中的IQ型雜環(huán)胺濃度開始降低，這與Bordas M等人[46]的發(fā)現相似。一些研究發(fā)現在225℃，8-MeIQx和7,8-DiMeIQx含量達到峰值，而后開始降低。這些結果表明隨著溫度的增加，不止有雜環(huán)胺的形成，還存在雜環(huán)胺的高溫降解。在模型系統(tǒng)中，HAAs的形成在225℃和250℃時加熱50～80 min后達到峰值，之后，降解變得明顯[47]。雜環(huán)胺的形成與pH值關聯(lián)較小，在pH值為6或8時加熱30 min后，25%～50%的HAA被破壞；PhIP穩(wěn)定性較差，其次是7,8-DiMeIQx，8-MeIQx，4,8-DiMeIQx 和 IQx[48]。

目前，多數關于溫度對雜環(huán)胺形成影響的研究多在于避免高溫減少雜環(huán)胺形成，忽略了雜環(huán)胺的高溫降解現象，找尋時間和溫度對于雜環(huán)胺形成和降解的平衡點是一個抑制技術的發(fā)展新方向。

2.2.3 熱處理類型

不同熱處理類型對雜環(huán)形成產生的影響不同。煎烤鴨肉中形成的雜環(huán)胺種類與含量最大，其次為炭烤、油炸、烘烤、微波與蒸煮鴨肉。郭海濤[49]發(fā)現羊肉經過烘烤、油炸、煎炸和醬鹵處理后，樣品中總雜環(huán)胺含量分別為 4.39～123.15 ng/g，3.59～43.24 ng/g，0.71～10.05 ng/g 和 51.07～120.32 ng/g。油炸次數[50]與雜環(huán)胺種類有關，經過5次油炸的魚肉餅可檢測到6種雜環(huán)胺，而一次油炸僅為3種。唐春紅等人[51]發(fā)現老湯反復鹵煮也會增加雜環(huán)胺含量。

一般來說，油炸、燒烤、烤箱烘烤等高溫、易失水且直接接觸的烹飪方法會導致較高的雜環(huán)胺含量，蒸、煮或熏干的食物沒有發(fā)現達到可檢測量的雜環(huán)胺[52]。由于微波烹飪產生熱量較少，其被視為一種溫和、不易產生雜環(huán)胺的加工方式。但對于雞肉和魚類樣品，微波烹飪在不同加熱程度下產生了最高和最低的總雜環(huán)胺量，一些報道建議使用烤箱烹飪或熱板烹飪雞肉和魚類到初等有或中等熟度。因此合理選擇烹飪方式，可在一定程度上抑制雜環(huán)胺形成。

2.2.4 所用油脂

Ekiz E等人[53]研究表明不同煎炸油對肉丸中雜環(huán)胺的形成影響不同，其中榛子油中MeIQx含量最低。Tai C Y等人[54]發(fā)現高度飽和的椰子油在加熱過程中經歷水解形成大量游離脂肪酸，反過來促進脂質的降解速率并因此促進HAA的形成，其次為豬油和大豆油。除對肉類加工所需的油脂進行比較以降低雜環(huán)胺含量外，選擇富有抗氧化劑的植物油代替脂肪也不失為一種行之有效的抑制雜環(huán)胺方法。植物油含有各種抗氧化劑，如維生素E，β-胡蘿卜素和酚類化合物等，Ramírezanaya J P等人[55]成功地用牛油果、葵花籽油和橄欖油替代了煮熟豬肉餡餅中50%的脂肪，多項研究均驗證了植物油作為脂肪代替物的可行性，且不影響肉的感官品質[56]。

烹飪時盡量選擇橄欖油、葵花籽油等不飽和植物油，盡量避免將椰子油、豬油等用于高溫烹飪，同時脂肪代替物的開發(fā)與應用是一項較為理想的雜環(huán)胺抑制方法。

2.2.5 其他

醬油已被證實對于雜環(huán)胺形成有著促進作用，且在烤雞中發(fā)現生抽（887%）對于雜環(huán)胺生產的促進作用遠遠強于老抽（375%）、咸醬油（193%） 和甜醬油（169%）[57]，因此在肉制品加工中應盡量減少醬油的使用。

pH值[58]也影響著雜環(huán)胺的形成，在低pH值下，因氨基酸的氨基幾乎完全質子化且不與羰基反應生成席夫堿而無法通過美拉德反應形成雜環(huán)胺[59-60]。Jinap S等人[61]通過在烤雞腌制汁中加入添加有機酸成分降低其pH值，首次印證了低pH值可減少雜環(huán)胺含量的推論。同時尚未發(fā)現在中國傳統(tǒng)肉制品加工中添加檸檬、柑橘、羅望子等富含有機酸原料的研究，此抑制技術更適用于牛排等西式肉制品。

肉的表面積和形狀也影響雜環(huán)胺形成，絞碎[62]可顯著增加極性雜環(huán)胺的含量，而對非極性雜環(huán)胺的含量無顯著影響。Salmon Kato T等人[63]發(fā)現通過在烹飪時經常轉動肉會減少雜環(huán)胺形成。

綜上，樣品中雜環(huán)胺的形成高度依賴于烹飪的條件，應盡量避免原料肉直接暴露于干熱和高溫中，采用較為溫和的熱處理類型，控制反復加工的次數。同時如果對于不同的肉類選取適當的熱處理類型，將進一步降低雜環(huán)胺含量。建立不同肉類在不同加工方式下的雜環(huán)胺含量數據庫，對給出低雜環(huán)胺攝入建議、倡導日常低危害物飲食體系有著重要意義。

2.3 水和脂肪對雜環(huán)胺的影響

水和脂肪會影響加工過程中前體物質的運輸和傳熱，從而影響雜環(huán)胺的形成。

2.3.1 水

水對于肉類中水溶性前體的轉移有著重要作用，一些雜環(huán)胺前體可通過水分蒸發(fā)運輸到肉的表面，因此對雜環(huán)胺形成有著較大影響。

Kato T等人[63]觀察到模型系統(tǒng)中水量增加會導致雜環(huán)胺形成減少，即模型系統(tǒng)中的致突變性隨著含水量的增加而降低。Kikugawa K[64]提出當水含量增加時，因水可以與吡嗪和吡啶自由基中間體反應形成其他褐變產物，雜環(huán)胺形成途徑中的吡嗪基被抑制進而導致其形成受到抑制。Dennis C等人[65]發(fā)現隨水含量在5%的基礎上增加，雜環(huán)胺含量也隨之降低。

在脫水處理過程中也將產生較多雜環(huán)胺[66]，且成本高昂易破壞肉類品質。因此，通過添加水結合化合物（如食鹽、淀粉、大豆蛋白等）限制前體運輸，或使用面包屑作為涂層阻隔水分蒸發(fā)等方法可以從控制水分的角度抑制雜環(huán)胺形成。此方法可應用于燒烤、油炸等日常肉類烹飪，降低雜環(huán)胺攝入量的同時不會對風味造成影響。

2.3.2 脂肪

脂肪是一種有效的傳熱劑，使得肉類可以在更短的時間內達到一定的表面溫度，熱暴露時間縮短，從而形成更少的雜環(huán)胺。

研究發(fā)現開放式火焰燒烤時脂肪含量較少的牛肉反而產生比雞肉更多的雜環(huán)胺。這是由于當增加脂肪含量達到15%可加速熱量滲透并導致產生更多的雜環(huán)胺，脂肪含量為可超過稀釋效應的15%時致癌物水平降低[67]。這也合理解釋了含脂量為15%的牛肉比30%的牛肉產生更多雜環(huán)胺的現象。

3 雜環(huán)胺的抑制研究進展

3.1 黃酮類

黃酮類化合物是一種普遍存在于蔬菜和水果中的低分子量多酚類化合物[68]。其可通過自身自由基清除能力和捕獲苯乙醛形成加合物協(xié)同抑制雜環(huán)胺形成。

主要有效抑制成分為黃酮類中槲皮素和木犀草素的紅辣椒常用于肉制品加工中，Zeng M等人[69]發(fā)現在烤牛肉餅中添加0.5%，1.0%和1.5%辣椒，對雜環(huán)胺的抑制率可達到68%，61%和53%。與辣椒類似的天然抑制劑還有一種菊科草本植物朝鮮薊[70]，250℃時1.0%的朝鮮薊提取物至高可降低95%的雜環(huán)胺總量。木犀草素、芹菜素等黃酮類化合物和一些黃酮糖苷組成的添加劑（如竹葉抗氧化劑） 也被用于雜環(huán)胺的抑制，且發(fā)現木犀草素抑制作用最強，在2.5 mg/mL質量濃度下抑制率可達到87.06%[71]。

在我國有很多校企合作培養(yǎng)應用型人才的模式，即學生在學校學習專業(yè)知識，在暑期或者大三以后到企業(yè)進行實踐聯(lián)系，將自己在學校學習到的專業(yè)知識應用到工作中，這樣學習-生產-實踐的模式能夠使學生熟練的掌握專業(yè)知識，積累工作經驗，為以后的工作打下堅實的基礎?？傊?，高校在進行小語種人才培養(yǎng)時，應該注重與企業(yè)的合作，不斷提高學生的綜合素質。

一些含有類黃酮化合物的天然添加劑也具有對雜環(huán)胺的抑制作用。M Gibis J等人[72]用0.8 g/100 g含黃酮類化合物的木槿腌制料降低了烤牛肉餅中50%的MeIQx，還研究了富含黃酮類化合物的葡萄籽，并發(fā)現在每100 g腌制料中添加0.6 g葡萄籽提取物可減少90%的PhIp。蘋果皮提取物也是一種富含類黃酮的天然雜環(huán)胺抑制劑。還有研究發(fā)現蘋果皮提取物具有抗雜環(huán)胺活性，將干蘋果皮粉在炸牛肉餅的表面和內部共同使用時對雜環(huán)胺抑制作用為68%，對PhIP的抑制率達到了83%。酒類如葡萄酒、啤酒也是食品中黃酮類化合物的主要來源?？九Ｈ庵械碾s環(huán)胺在用啤酒或葡萄酒腌制6 h后分別降低了88%和40%，啤酒可以更加有效地減少雜環(huán)胺形成，且可以保持更好的肉品質量。

3.2 兒茶素

綠茶是最典型的兒茶素類天然抑制劑，其干重的30%為表兒茶素或表沒食子兒茶素沒食子酸酯等兒茶素類成分，通過清除PhIP形成的關鍵中間體苯乙醛來抑制其形成。

研究發(fā)現在綠茶溶液（1 g/125 mL）中腌制6 h后烤制的牛肉的總HAA形成減少約70%。薔薇也是一種含有沒食子酸、兒茶素、表兒茶素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯等多種酚類化合物的天然抗氧化植物，其在160，220℃下對雜環(huán)胺的抑制率為75%，220%，是一種可以在高溫烹飪下使用的雜環(huán)胺抑制劑。

3.3 萜類化合物

一些常見香辛料對雜環(huán)胺的抑制作用與包括鼠尾草酚、鼠尾草酸等在在內的多酚萜類化合物密切相關。

黑胡椒是國內外肉制品加工中常用的香辛料，研究發(fā)現以1%（W/W）的速率加入黑胡椒的肉丸中PhIP的形成完全被抑制。迷迭香也具有類似的效果，其質量分數在0.05%～0.50%的提取物降低了在191℃或204℃烹飪的牛肉餅中92%的MeIQx和85%的PhIP。牛果油的主要成分香芹酚可以同時減少肉制品中的大腸桿菌和雜環(huán)胺，展現了開發(fā)從多方面提升肉制品品質的添加劑的潛力，為肉制品的健康加工打開了新方向。

3.4 其他抑制劑

通過模型系統(tǒng)證明有機硫化物化合物可以在美拉德反應中直接與葡萄糖相互作用，以競爭形成雜環(huán)胺的底物。以有機硫化物作為主要抑制成分的抑制劑有大蒜、洋蔥等。研究發(fā)現大蒜和洋蔥粉對牛肉中雜環(huán)胺有抑制作用，對雞肉沒有。雞肉中的葡萄糖含量（0.47 mg/g肉濕質量）遠低于牛肉中的葡萄糖含量（7.03 mg/g肉濕質量），限制了有機硫化物的作用效果。

維生素也可以通過清除自由基以及與PhIP關鍵中間體苯乙醛結合抑制雜環(huán)胺形成。研究發(fā)現將0.1%的維生素E作為純添加劑可使豬肉中的PhIP濃度降低約78%，同時作用效果也隨維生素E的純度和來源而相差懸殊，如膳食維生素E對肉制品中雜環(huán)胺含量無影響，其他水溶性維生素E則與之相反。

香辛料的使用在傳統(tǒng)肉制品加工中應用廣泛，通過添加多種香辛料抑制雜環(huán)胺形成在國內肉制品加工中具有廣泛的應用前景，可行性強、抑制效果顯著還可改良肉制品風味?？衫脦追N多效抑制劑如木犀草素、啤酒、香芹酚開發(fā)新型低危害物肉制品配方。

4 結語

在肉制品加工中極易產生高致癌致突性的有害物質雜環(huán)胺，對人體健康產生危害，加工肉制品中雜環(huán)胺抑制亟待解決。受到傳統(tǒng)加工方式的限制和保持加工肉制品風味的需求，目前對于雜環(huán)胺的抑制研究多集中于添加外源抑制劑。

外源添加劑應用范圍廣，抑制效果顯著，是一種較為全面可行的抑制技術。香辛料（如黑胡椒、辣椒等）為傳統(tǒng)肉制品的綠色創(chuàng)新開拓了思路，如低危害物醬鹵肉制品的研發(fā)。但純天然抗氧化劑的高成本、合成抗氧化劑的安全問題，草藥或香料的特殊香氣、味道和顏色對食品風味的影響仍是當前急需攻克的難題。

同時，前體物質和加工方法對雜環(huán)胺的影響，本質上都可以視為對美拉德反應進程的影響，基于美拉德反應定向控制的雜環(huán)胺抑制技術將是一個決定性方向。