劉甜甜 姚瑤 王未 彭增起
摘 要:采用模型體系探討2-氨基-1-甲基-6-苯基-咪唑并[4,5-b]吡啶(2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine,PhIP)、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)3 種雜環(huán)胺的形成規(guī)律及抑制措施。結(jié)果表明:隨著加熱溫度的升高與加熱時間的延長,模型體系中PhIP、Norharman和Harman的形成量均不斷增多,其中PhIP對加熱溫度較為敏感,100、125 ℃反應(yīng)20 min不能形成PhIP,150 ℃加熱時PhIP生成量開始逐漸增多,175~200 ℃加熱時PhIP形成量急劇增加;單獨加熱色氨酸即能產(chǎn)生Norharman和Harman,加入葡萄糖時Norharman和Harman的形成量進一步提高;本研究建立的同時檢測色氨酸、Norharman和Harman的色譜方法明確表明,色氨酸是Norharman和Harman的前體物;高良姜素及其類似物山柰酚和槲皮素均能在一定程度上減少PhIP的形成,但只有高良姜素能降低Harman和Norharman的形成量,而山柰酚和槲皮素不但沒有抑制作用反而在一定程度上提高了Harman和Norharman的形成量,進一步證實β-咔啉類雜環(huán)胺形成的復(fù)雜性。
關(guān)鍵詞:雜環(huán)胺;模型體系;色氨酸;良姜
Abstract: The formation mechanism of PhIP (2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine), norharman (9H-pyrido[3,4-b]indole) and harman (1-methyl-9H-pyrido[3,4-b]indole) were investigated in a model system and some measures to control these heterocyclic amines (HAs) were presented. Results showed that the fomation of PhIP, norharman and harman increased with increasing heating temperature and time. PhIP was particularly sensitive to heating temperature. No PhIP was detected in the system after being heated for 20 min at 100 or 125 ℃, while the formation rate began to increase at 150 ℃ and increased sharply between 175 and 200 ℃. Norharman and harman were generated by heating tryptophan alone, but their formation increased when glucose was added. The simultaneous chromatographic detection of leucine, norharman and harman clearly indicated that tryptophan was a precursor of norharman and harman. Galangin and its analogues kaempferol and quercetin could decrease the formation of PhIP to certain degree, while only galangin could decrease the formation of norharman and harman. On the other hand, quercetin and kaempferol were found to increase the formation of norharman and harman, further indicating that HAs formation is a complex process.
Keywords: heterocyclic amines; model system; tryptophan; galangal
DOI:10.7506/rlyj1001-8123-20191218-305
中圖分類號:TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-8123(2020)03-0001-07
致癌、致突變性雜環(huán)胺形成于家庭常用烹調(diào)溫度下加熱的肉類中,含量在ng/g水平。自1977年烤魚及其煙氣提取物中被發(fā)現(xiàn)含有致突變性物質(zhì),并在其后被命名為雜環(huán)胺以來[1],已在加工肉制品中分離鑒定出25 種以上雜環(huán)胺[2-3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,雜環(huán)胺可分為氨基咪唑氮雜芳烴和氨基咔啉類雜環(huán)胺,即IQ型雜環(huán)胺和非IQ型雜環(huán)胺。IQ型雜環(huán)胺中的2-氨基-1-甲基-6-苯基-咪唑并[4,5-b]吡啶(2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine,PhIP)含量較高,分布范圍較廣,能引發(fā)實驗動物多種器官產(chǎn)生腫瘤[4-5],而且能通過胎盤轉(zhuǎn)移到子代大鼠體內(nèi)并提高其患乳腺癌的風(fēng)險[6],因而受到世界各國研究者的普遍關(guān)注。氨基咔啉類雜環(huán)胺包括α-咔啉類、
β-咔啉類(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))、γ-咔啉類和δ-咔啉類,其中β-咔啉類雜環(huán)胺是所有雜環(huán)胺中最為特殊的一類。由于Harman和Norharman缺乏環(huán)外氨基,在Ames實驗中不能表現(xiàn)出致突變性,但能提高包括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)和3,4-苯并芘在內(nèi)的其他化合物的致突變性[7],因此Harman和Norharman通常被稱為“助突變物”。此外,Harman和Norharman還被報道與人類的帕金森病、顫動、成癮、癌癥等一系列疾病有關(guān)[8],因此其形成與危害不容忽視。
模型體系是研究雜環(huán)胺形成及其影響因素的有效工具。與肉的復(fù)雜體系相比,模型體系中許多副反應(yīng)大大減少,同時感興趣的反應(yīng)被簡化,例如2-氨基-3,4,8-三甲基咪唑并[4,5-f]喹喔啉等雜環(huán)胺最初是在模型體系中合成,之后才在加工肉制品中分離出來[9]。PhIP、Harman和Norharman是雜環(huán)胺家族中最為常見、含量也較高的3 種,在各類肉制品的檢測中均有報道[10-13],因此,本研究用模型體系進一步探討其形成規(guī)律,旨在為我國肉制品消費的安全性提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材料與試劑
PhIP、Norharman、Harman標(biāo)準(zhǔn)品? ?加拿大Toronto Research Chemicals公司;L-色氨酸、L-苯丙氨酸、肌酸酐(均為生化試劑) 上??笊锛夹g(shù)有限公司;高良姜素(3,5,7-三羥基黃酮)、槲皮素(3,3,4,5,7-五羥基黃酮)、山柰酚(3,4,5,7-四羥基黃酮)(均為色譜純) 美國Sigma公司;二甘醇(二乙二醇)(色譜純) 上海阿拉丁試劑有限公司;甲醇(色譜純) 美國Tedia公司;乙腈(色譜純) 美國ROE公司;無水乙醇(色譜純) 西隴科學(xué)股份有限公司。
1.2 儀器與設(shè)備
12通道固相萃取裝置 德國CNW公司;e2695高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)儀、2998二極管陣列檢測器、2475熒光檢測器 美國Waters公司;TSK gel ODS-80TM色譜柱(25 cm×4.6 mm,5 μm,80 ?) 日本Tokyo公司;Delta 320A pH計、AL104電子天平 瑞士Mettler-Toledo公司;DGG-9240電熱干燥箱 上海森信儀器廠。
1.3 方法
1.3.1 模型體系的構(gòu)建
PhIP模型:在25 mL小燒杯中加入66 mg苯丙氨酸、45 mg肌酸酐、36 mg葡萄糖和4 mL體積分?jǐn)?shù)80%的二甘醇,攪拌均勻;Norharman模型Ⅰ及Harman模型Ⅰ:在25 mL小燒杯中加入82 mg L-色氨酸和4 mL體積分?jǐn)?shù)80%的二甘醇,攪拌均勻;Norharman模型Ⅱ及Harman模型Ⅱ:
在25 mL小燒杯中加入82 mg L-色氨酸、36 mg葡萄糖和4 mL體積分?jǐn)?shù)80%的二甘醇,攪拌均勻。
1.3.1.1 加熱溫度對3 種雜環(huán)胺形成的影響
分別在100、125、150、175、200 ℃溫度下加熱20 min。每個溫度下均待電熱干燥箱升溫到相應(yīng)溫度并穩(wěn)定5 min后再放入燒杯并開始計時,20 min后立即將小燒杯置于碎冰中以終止反應(yīng)。
1.3.1.2 加熱時間對3 種雜環(huán)胺形成的影響
保持電熱干燥箱溫度為(150±2) ℃,分別加熱10、20、30、40、50、60、90、120 min,加熱相應(yīng)時間后立即將小燒杯置于碎冰中以終止反應(yīng)。
1.3.1.3 高良姜素及其類似物對3 種雜環(huán)胺形成的影響
分別稱取高良姜素、山柰酚和槲皮素各135、143、151 mg,加入PhIP模型、Norharman模型Ⅰ及Harman模型Ⅰ中,于150 ℃條件下加熱1 h,反應(yīng)結(jié)束后立即將小燒杯置于碎冰中以終止反應(yīng),同時以上述不加高良姜素、山柰酚和槲皮素在相同條件下反應(yīng)的模型作為對照。
1.3.2 雜環(huán)胺含量測定
參照Yao Yao等[14]的方法,取0.1 mL反應(yīng)液,用甲醇稀釋20 倍后經(jīng)HPLC測定。同時檢測色氨酸、Norharman和Harman的色譜條件為:TSK gel ODS-80TM色譜柱(25 cm×4.6 mm,5 μm,80 ?),柱溫30 ℃,紫外檢測器波長280 nm,流速1 mL/min,流動相及梯度洗脫程序如表1所示。
1.3.3 反應(yīng)后體系吸光度測定
參照Wu Mingchang等[15]的方法,取0.1 mL反應(yīng)液,用甲醇稀釋40 倍后用分光光度法測定其在420 nm波長處的吸光度(A420 nm)。
1.4 數(shù)據(jù)處理
以上所有處理均分別稱取2 份樣品,進行重復(fù)測定(n=2)。所得數(shù)據(jù)采用SAS 9.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,用Duncans多重比較法進行差異顯著性分析,用Origin 9.0軟件作圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 加熱溫度對PhIP、Norharman和Harman形成的影響
由圖1可知,隨著加熱溫度的升高,反應(yīng)后PhIP模型體系的顏色逐漸加深,加熱溫度100、125、150、175、200 ℃條件下,經(jīng)40 倍稀釋后模型體系A(chǔ)420 nm分別為0.002、0.005、0.153、0.423、0.676;Norharman、Harman模型體系的顏色也逐漸加深,A420 nm均隨加熱溫度的升高逐漸增大,表明加熱溫度對3 種雜環(huán)胺的形成有明顯影響。
A. PhIP;B. Norharman;C. Harman。圖3同。
由圖1A可知,在加熱20 min條件下,100、125 ℃反應(yīng)不能形成PhIP;150 ℃反應(yīng)僅能形成微量的PhIP;175 ℃反應(yīng)條件下PhIP的形成量有所上升,為18.23 ng/mL;
而當(dāng)加熱溫度上升到200 ℃時,PhIP的形成急速加劇,形成量急劇增加到255.59 ng/mL。在不同溫度條件下加熱20 min,PhIP形成量對比如圖2A所示,Norharman模型Ⅰ、Harman模型Ⅰ中二者的形成量對比如圖2B所示。Oguri[16]、Cheng[17]等研究表明,苯丙氨酸、肌酸、肌酸酐和葡萄糖的四元模型體系在128 ℃加熱2 h、125 ℃加熱2.5 h條件下PhIP形成量分別為3.34、28.30 nmol/mmol苯丙氨酸此本研究結(jié)果與此具有一定的可比性。
由圖1B、C可知,直接加熱色氨酸即能產(chǎn)生β-咔啉,反應(yīng)后Norharman模型Ⅰ和Harman模型Ⅰ的顏色變化較PhIP模型更為緩和,隨加熱溫度的升高,Norharman和Harman形成量的增多也較PhIP更為平穩(wěn)。Norharman和Harman在100 ℃加熱20 min條件下就能產(chǎn)生,形成量分別為3.11、4.91 ng/mL,加熱溫度125、150、175、200 ℃條件下分別增長至原來的8.0、30.4、182.4、383.4 倍及2.3、3.0、10.0、12.4 倍。就Norharman和Harman形成量而言,前者的形成量顯著高于后者,在加熱溫度100~200 ℃條件下,Norharman的形成量分別為Harman的0.6、2.2、6.5、11.6、19.5 倍。近年來,關(guān)于表沒食子兒茶素沒食子酸酯[18]、柚皮素[19]及VB6[20]對PhIP形成抑制的研究進一步證實苯乙醛是PhIP形成的中間體。因此,色氨酸在加熱時很有可能通過形成相關(guān)的吲哚醛類衍生物中間體而進一步形成Harman和Norharman。
在色氨酸中加入其物質(zhì)的量一半的葡萄糖,Norharman和Harman的形成量均高于直接加熱色氨酸處理組,表明葡萄糖可能起催化作用,或葡萄糖在加熱過程中產(chǎn)生的物質(zhì)也參與β-咔啉的形成。在加熱溫度100~200 ℃條件下,Norharman模型Ⅱ中Norharman的形成量分別為9.33、30.94、111.29、829.11、
3 326.18 ng/mL,分別是Norharman模型Ⅰ中Norharman形成量的3.0、1.3、1.2、1.5、2.8 倍;Harman模型Ⅱ中Harman的形成量為7.14、17.08、38.48、166.19、394.49 ng/mL,分別是Harman模型Ⅰ中Harman形成量的1.45、1.53、2.62、3.40、6.44 倍。
各模型中雜環(huán)胺的形成量與其對應(yīng)的吸光度相關(guān)性良好,PhIP模型、Norharman模型Ⅰ、Harman模型Ⅰ、Norharman模型Ⅱ、Harman模型Ⅱ相關(guān)系數(shù)分別為0.85、0.99、0.92、0.90、0.89,均在0.8以上。
2.2 加熱時間對PhIP、Norharman和Harman形成的影響
由于PhIP、Norharman和Harman 3 種雜環(huán)胺在150 ℃加熱條件下能夠形成且從150 ℃開始形成速率加快,因此研究150 ℃加熱條件下不同加熱時間對3 種雜環(huán)胺形成的影響。
由圖3可知,150 ℃加熱30 min時開始檢測到PhIP,加熱30、40、50、60、90、120 min后其形成量分別為2.88、10.55、43.93、46.42、158.95、275.37 ng/mL。
Norharman和Harman在150 ℃加熱10 min的條件下即能微量產(chǎn)生,形成量分別為0.90、0.25 ng/mL;隨著加熱時間的延長,Norharman和Harman的形成量均不斷增加,加熱120 min后形成量分別達582.25、
22.89 ng/mL。PhIP模型、Norharman模型Ⅰ、Harman模型Ⅰ中雜環(huán)胺的形成量與其對應(yīng)的吸光度相關(guān)性良好,相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.96、0.94。與Norharman模型Ⅰ、Harman模型Ⅰ相比,Norharman模型Ⅱ、Harman模型Ⅱ只多加了葡萄糖,Norharman和Harman形成隨加熱時間的變化趨勢相似,因此只采用Norharman模型Ⅰ、Harman模型Ⅰ對加熱時間的影響進行研究。
本研究結(jié)果表明,加熱溫度和加熱時間對雜環(huán)胺的形成具有顯著影響,加熱溫度越高、加熱時間越長,形成的雜環(huán)胺也就越多,這與前人[21-23]研究結(jié)果相一致。Solyakov等[21]報道,鍋煎雞胸肉在140 ℃條件下加工14 min僅能產(chǎn)生微量的PhIP(<0.1 ng/g),170 ℃條件下加工16 min產(chǎn)生的PhIP量也很少,只有0.7 ng/g,而加熱溫度上升到190 ℃時,加工18 min的PhIP形成量迅速上升到29.7 ng/g,220 ℃條件下PhIP的形成更為迅速,僅鍋煎14 min其含量即能達到38.2 ng/g。Iwsaki等[22]報道,烤牛排至三成熟或五成熟時檢測不出雜環(huán)胺,當(dāng)烤至全熟時PhIP含量為0.70 ng/g,而當(dāng)烤至過熟時,PhIP含量迅速增長到16.27 ng/g。由此可見,降低加工溫度,特別是控制加工溫度在175 ℃之下能有效減少PhIP的形成。
2.3 同時檢測色氨酸、Norharman和Harman的色譜條件探索及實際樣品檢測
早在1982年,Sugimura等[24]就提出,色氨酸是Harman和Norharman形成的前體物質(zhì)。為更加明了地反映色氨酸熱解與Norharman、Harman形成的關(guān)系,本研究在前期研究[14]基礎(chǔ)上試圖建立一種同時檢測色氨酸、Norharman和Harman 3 種物質(zhì)的方法。由于雜環(huán)胺標(biāo)樣溶于甲醇中,因此本研究首先把色氨酸也溶解在甲醇中,并與Norharman和Harman混合,配制成3 種物質(zhì)的混合標(biāo)樣(質(zhì)量濃度均為5.00 μg/mL),然后考察其在測定雜環(huán)胺的乙腈及pH 3.2、0.05 mol/L醋酸銨-醋酸緩沖液二元流動相體系中是否能分離并檢測。結(jié)果表明,3 種物質(zhì)均有一定的紫外吸收且分離度良好。為優(yōu)化檢測條件,提高3 種物質(zhì)對紫外吸收的響應(yīng)強度,用二極管陣列檢測器在210~400 nm對3 種物質(zhì)進行全波長掃描。理論上色氨酸在波長220、280 nm左右有最大吸收,而Norharman和Harman分別在225、250、300 nm有最大吸收。色氨酸、Norharman和Harman的全波長掃描結(jié)果如圖4所示。
由圖5可知:在220 nm波長條件下,色氨酸、Norharman和Harman的響應(yīng)強度均不高;在250 nm或300 nm波長條件下(峰形相似),Norharman和Harman均有最大吸收但色氨酸無吸收;在280 nm波長條件下,Norharman和Harman的響應(yīng)強度雖略低于250 nm及300 nm,但3 種物質(zhì)均有較高的吸收且峰型良好,因此確定同時檢測3 種物質(zhì)的波長為280 nm。
將5.00 μg/mL色氨酸、Norharman和Harman三元混合標(biāo)樣梯度稀釋至2.00、1.00、0.50、0.20、0.05 μg/mL,以各組分的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明,3 種物質(zhì)在0.05~5.00 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好,相關(guān)系數(shù)均大于0.99。
2 μg/mL色氨酸、Norharman和Harman混合標(biāo)樣的色圖譜如圖6所示。
由圖7可知,在200 ℃條件下直接單獨加熱色氨酸20 min后,體系組成成分中大部分色氨酸并未發(fā)生熱解,只有一小部分形成了Norharman和Harman,還有4 種未知成分,很有可能是色氨酸熱解形成Norharman和Harman過程中的中間體。
2.4 高良姜素及其類似物對PhIP、Norharman和Harman形成的影響
良姜為姜科植物高良姜(Alpinia officinarum Hance)的干燥根莖,具有溫胃散寒、消食止痛等功效[25]。良姜在我國常作為香辛料用于各類肉制品的加工,其主要生理活性物質(zhì)為二苯基庚烷類、揮發(fā)油類、黃酮類、糖苷類和苯丙素類等[26-28]。其中,黃酮類化合物具有廣泛的抗氧化活性,而本實驗室前期研究已表明,良姜能顯著降低Harman和Norharman含量(P<0.05),在顯著抑制
2-氨基-3,7,8-三甲基咪唑并[4,5-f]喹喔啉形成的同時不會產(chǎn)生新的雜環(huán)胺,抑制效果較好[29],因此選取高良姜素及其類似物槲皮素和山柰酚進一步探討其對PhIP、Harman和Norharman形成的影響。
由表2可知,高良姜素和山柰酚能降低PhIP的形成量,但與對照組相比差異不顯著,而槲皮素能有效抑制PhIP的形成,抑制率達46.1%。高良姜素能減少Norharman和Harman的形成量,而山柰酚和槲皮素能增加其形成量,但與對照組差異均不顯著。李彩君[30]、
李智勇[31]等報道,良姜中高良姜素的含量在10 mg/g左右,槲皮素和山柰酚的含量較低,為0.5 mg/g左右。因此,良姜對雜環(huán)胺形成的影響是上述促進與抑制因素共同作用的結(jié)果。綜合以上分析,良姜在雜環(huán)胺的減控方面是一種較好的香辛料。
3 結(jié) 論
隨著加熱溫度的升高與加熱時間的延長,模型體系中PhIP、Norharman和Harman的形成量均不斷增多,其中PhIP對加熱溫度較為敏感,100、125 ℃反應(yīng)20 min不能形成PhIP,150 ℃加熱時形成量開始逐漸增多,175~200 ℃加熱時形成量急劇增加。本研究探索出一種同時檢測色氨酸、Norharman和Harman的方法,證實色氨酸是Norharman和Harman的前體物。單獨加熱色氨酸即能產(chǎn)生Norharman和Harman,但加入葡萄糖時Norharman和Harman的形成量有所提高。高良姜素及其類似物均能在一定程度上減少PhIP的形成,但只有高良姜素能降低Harman和Norharman的形成量,而山柰酚和槲皮素不但沒有抑制作用反而在一定程度上提高了Harman和Norharman的形成量,進一步證實β-咔啉類雜環(huán)胺形成的復(fù)雜性。
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