劉艷香，劉 明，譚 斌，田曉紅，汪麗萍

（國(guó)家糧食局科學(xué)研究院，北京100037）

幾種物料擠壓加工過(guò)程中的丙烯酰胺形成規(guī)律研究

劉艷香，劉 明，譚 斌*，田曉紅，汪麗萍

（國(guó)家糧食局科學(xué)研究院，北京100037）

研究了玉米粉、小麥粉、馬鈴薯粉、小米粉、豌豆粉等幾種谷物與雜豆粉經(jīng)過(guò)擠壓加工后的丙烯酰胺含量，結(jié)果表明馬鈴薯-小麥混合粉擠出物中丙烯酰胺的含量最高。并以馬鈴薯-小麥混合粉為基礎(chǔ)原料，研究了添加大豆脫脂蛋白、淀粉、蔗糖等對(duì)擠壓加工過(guò)程中丙烯酰胺形成的影響。結(jié)果表明大豆脫脂蛋白、淀粉、蔗糖等組分對(duì)馬鈴薯-小麥混合粉擠出物的丙烯酰胺含量均有顯著影響（p＜0.05）。其中，添加大豆脫脂蛋白8%、淀粉5%、蔗糖12%時(shí)，擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量均達(dá)最大值。

擠壓加工過(guò)程，物料組分，丙烯酰胺

2002年瑞典斯德哥爾摩大學(xué)學(xué)者首次在油炸及焙烤的馬鈴薯和谷物類食品中發(fā)現(xiàn)了具有神經(jīng)毒性的致癌物丙烯酰胺（AA）[1]，這一研究結(jié)果引起了全世界的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已被WHO國(guó)際癌癥研究中心（IRAC）列為可能致癌物質(zhì)（ⅡA類）[2]，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)都證明丙烯酰胺可導(dǎo)致遺傳物質(zhì)的改變和癌癥的發(fā)生。Stabler等人和Mottram等人研究認(rèn)為，丙烯酰胺是天冬酰胺和還原糖（主要是果糖和葡萄糖）在加熱到120℃以上，經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的，其中形成丙烯酰胺的骨架是天冬酰胺[3-4]。目前，采用油炸、燒烤、焙烤等食品加工方式研究丙烯酰胺的形成機(jī)理和影響因素，控制食品加工中形成丙烯酰胺的方法，以及丙烯酰胺的檢測(cè)方法等已取得了一定進(jìn)展。擠壓即食食品是一類新興的食品，近年來(lái)發(fā)展迅速。食品物料在擠壓過(guò)程中經(jīng)歷了固體輸送、過(guò)渡態(tài)到溶膠態(tài)，最后通過(guò)模頭排出，在此過(guò)程中，各組分發(fā)生一系列的物化反應(yīng)，有可能導(dǎo)致丙烯酰胺的生成。但我國(guó)對(duì)擠壓即食食品中丙烯酰胺等化學(xué)危害物的控制研究相當(dāng)薄弱。通過(guò)控制擠壓原料的組成特性，在保持?jǐn)D壓即食食品的口感、色澤、風(fēng)味等食品品質(zhì)的基礎(chǔ)上，降低丙烯酰胺含量的研究還較少。本研究旨在研究玉米粉、小麥粉、馬鈴薯粉、小米粉、豌豆粉等幾種谷物與雜豆粉經(jīng)過(guò)擠壓加工后的丙烯酰胺含量，以及通過(guò)添加蔗糖、淀粉、蛋白質(zhì)改變物料基本組分，探討各組分對(duì)丙烯酰胺生成的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究擠壓即食食品中丙烯酰胺的控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米粉、小麥粉、馬鈴薯雪花全粉、小米粉、高粱粉、大米粉、苦蕎粉、豌豆粉、蠶豆粉、燕麥全粉、燕麥粉、糙米粉 均采購(gòu)自北京玉泉路糧油批發(fā)市場(chǎng)；正己烷（重蒸餾）、甲醇（色譜純）、乙酸乙酯（色譜純）、丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%）、2-3，二溴丙酰胺標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%） Sigma公司；無(wú)水硫酸鈉、溴水、氫溴酸、溴化鉀、硫代硫酸鈉等試劑 均為分析純。

SLG30-IV雙螺桿擠壓實(shí)驗(yàn)機(jī) 濟(jì)南賽百諾科技開(kāi)發(fā)有限公司；電子天平（感量0.0001g） 梅特勒托利多公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；氣相色譜 Aglient 7890GC System；冷凍離心機(jī) AllegraTM64R Centrifuge；固相提取裝置 石墨化炭黑柱，規(guī)格為Carbotrap B.SPE，500mg/3mL；萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司；0.45μm有機(jī)系濾膜，水浴振蕩器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 擠壓機(jī)，?？字睆?.39cm，長(zhǎng)徑比為23∶1；擠壓實(shí)驗(yàn)前24h測(cè)定混合粉的水分含量，調(diào)節(jié)物料水分含量為17%；腔體溫度的I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、Ⅳ分別為：60、90、120、140℃；螺桿轉(zhuǎn)速275r/min。

1.2.2 擠壓樣品處理 擠壓樣品室溫放置5min后，置于40℃熱風(fēng)干燥24h，取出粉碎過(guò)60目篩，置于4℃保存待測(cè)。

1.2.3 丙烯酰胺含量的測(cè)定 采用國(guó)標(biāo)GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的測(cè)定方法——?dú)庀嗌V－質(zhì)譜（GC－MS）法”和周宇等的“氣相色譜法測(cè)定食品中丙烯酰胺”[8]相結(jié)合的方法。該方法衍生化完全，分析精度高，檢出限低。

1.2.3.1 樣品前處理 采用國(guó)標(biāo)GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的測(cè)定方法——?dú)庀嗌V－質(zhì)譜（GC－MS）法。

1.2.3.2 氣相色譜條件 色譜柱：DB-WAX柱30m× 0.32mm×0.25mm；檢測(cè)器：ECD檢測(cè)器，檢測(cè)器溫度：375℃；恒流1.6mL/min，不分流；進(jìn)樣量：2.0mL；色譜柱溫度（程序升溫）：55℃保持1min，然后以15℃/min速度升溫至170℃后，以3℃/min升溫速率升至195℃，然后以40℃/min速度直升至240℃，保持7min；進(jìn)樣口溫度：260℃；進(jìn)樣量：2μL；尾吹N2：60mL/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)均數(shù)（平均數(shù)）±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Spss軟件作差異性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾種谷物及雜豆粉擠壓前后產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的變化

表1是幾種谷物及雜豆粉擠壓前后丙烯酰胺含量的測(cè)定結(jié)果。由表1可知，原料中均未檢出丙烯酰胺；經(jīng)擠壓處理后，馬鈴薯粉∶小麥粉（3∶7）和小麥粉的擠壓產(chǎn)品中檢出丙烯酰胺，含量分別為（1004.95± 17.30）μg/kg和（266.59±7.50）μg/kg，淀粉含量在50%左右的谷物粉（包括玉米粉、小米粉、高粱粉、大米粉、苦蕎粉、燕麥粉等）、豌豆、蠶豆粉等的擠壓產(chǎn)品中均未檢出丙烯酰胺，說(shuō)明淀粉、蛋白質(zhì)的含量對(duì)丙烯酰胺的形成影響不顯著。天冬酰胺和還原糖發(fā)生的美拉德反應(yīng)是生成大量丙烯酰胺的主要途徑。Martin等[10]人研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中天冬酰胺含量較高，占氨基酸總量的40%，Dembinski等人研究得出小麥粉中的天冬酰胺約占游離氨基酸總量的14%[11]。馬鈴薯粉和小麥粉的擠壓產(chǎn)品中檢出丙烯酰胺可能是由其富含的天冬酰胺在高溫?cái)D壓過(guò)程中轉(zhuǎn)化而成的。

2.2 物料組分對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響

2.2.1 添加大豆脫脂蛋白對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響 圖1為添加大豆脫脂蛋白對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響結(jié)果。由圖1可知，與對(duì)照（未添加蛋白）相比，添加大豆脫脂蛋白使擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量增加，均分布在3000μg/kg左右；低于8%時(shí)，隨著添加量的增加，丙烯酰胺含量增加，在添加量8%時(shí)，達(dá)最大值；高于8%時(shí)，隨著大豆脫脂蛋白添加量的增加，擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量呈顯著下降趨勢(shì)（p＜0.05）。產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能是大豆蛋白中11S的球蛋白中含有較多的天冬酰胺殘基，在高溫、高壓、高剪切環(huán)境中，蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展、重組，分子表面的電荷重新分布，分子間氫鍵、二硫鍵部分?jǐn)嗔?，增?qiáng)了降解程度，蛋白結(jié)構(gòu)由折疊狀變?yōu)橹本€狀，使原封閉在分子內(nèi)的天冬酰胺殘基暴露出來(lái)，加速了美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品中丙烯酰胺的含量增加[12]；隨著蛋白添加量的增加，物料中的淀粉含量減少，由于蛋白質(zhì)可以通過(guò)與淀粉競(jìng)爭(zhēng)糊化所需的水分而限制淀粉糊化降解的程度[13]，導(dǎo)致發(fā)生美拉德反應(yīng)的還原糖濃度降低，抑制丙烯酰胺的生成。

表1 幾種谷物及雜豆粉擠壓前后的丙烯酰胺含量（μg/kg）Table 1 The content of acrylamide of several materials before and after extrusion processing（μg/kg）

圖1 添加大豆脫脂蛋白對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響Fig.1 Effect of adding defatted soybean protein on content of acrylamide during extrusion processing

2.2.2 添加玉米淀粉對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響 圖2為添加玉米淀粉對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響結(jié)果。由圖2可知，在淀粉添加量5%時(shí)，與未添加淀粉相比較，擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量增加；在淀粉添加量高于5%時(shí)，隨著淀粉添加量的增加，產(chǎn)品中丙烯酰胺含量呈顯著下降趨勢(shì)（p＜0.05）；當(dāng)?shù)矸厶砑恿看笥?0%時(shí)，丙烯酰胺含量趨于一致，均接近于對(duì)照值。產(chǎn)生該現(xiàn)象可能的原因是，在高溫、高剪切環(huán)境下，剪切作用“撕裂”淀粉粒，打開(kāi)分子間的氫鍵，催進(jìn)淀粉糊化；淀粉的結(jié)晶部分在受熱及剪切作用下發(fā)生熔融，分子鏈間氫鍵斷裂，支鏈級(jí)分降解，鏈發(fā)生移動(dòng)，造成淀粉顆粒部分解體，由于裂解的位置可能在糖苷鍵上，從而加速了氨基與羰基發(fā)生的美拉德反應(yīng)[14]。由于擠壓過(guò)程是一個(gè)非平衡態(tài)的過(guò)程，淀粉以糊化淀粉、熔融淀粉和降解淀粉混合物的形式存在，熱-剪切作用顯示的最大應(yīng)力決定淀粉的降解程度，當(dāng)?shù)矸厶砑恿看笥?%時(shí)，隨著淀粉添加量的增加，單位淀粉顆粒吸收熱能以及機(jī)械能逐漸降低，淀粉的降解程度降低，暴露出的羰基基團(tuán)減少，減弱了美拉德反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而降低了丙烯酰胺的形成，最終導(dǎo)致丙烯酰胺的含量趨于一致。

圖2 添加玉米淀粉對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響Fig.2 Effect of adding corn starch on content of acrylamide during extrusion processing

2.2.3 添加蔗糖對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響 圖3為添加不同量的蔗糖對(duì)擠壓產(chǎn)品中的丙烯酰胺含量的影響結(jié)果。由圖3可知，與對(duì)照相比，添加蔗糖均使丙烯酰胺含量增加；在蔗糖添加量低于12%時(shí)，隨著蔗糖添加量的增加，丙烯酰胺含量顯著增加（p＜0.05）；在蔗糖添加量高于12%時(shí)，丙烯酰胺的含量顯著降低（p＜0.05），最終趨于一致，其中蔗糖添加量在12%時(shí)丙烯酰胺含量達(dá)到最高值（2456.02± 133.08）μg/kg。在蔗糖添加量小于12%時(shí)，由于蔗糖在擠壓過(guò)程中經(jīng)受高溫、高壓、高剪切力的環(huán)境，熔融后糖苷鍵部位發(fā)生裂解，降解為果糖、葡萄糖等還原性糖，加速了美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品中丙烯酰胺的含量增加，本研究結(jié)果與Camire等人的研究發(fā)現(xiàn)部分蔗糖因轉(zhuǎn)化成了葡萄糖和果糖與蛋白質(zhì)發(fā)生了美拉德反應(yīng)而損失相一致[15]。當(dāng)蔗糖的添加量大于12%時(shí)，隨著蔗糖添加量的增加，熔融體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，導(dǎo)致收縮時(shí)間延長(zhǎng)，收縮程度加劇，使淀粉的糊化度、降解程度降低，不易于蛋白暴露出來(lái)，減弱了蛋白發(fā)生變性、均一化、重組以及降解的程度，致使暴露出的天冬酰胺殘基減少，減慢了美拉德反應(yīng)，進(jìn)而降低了丙烯酰胺的生成量[16-18]。

圖3 添加蔗糖對(duì)擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量的影響Fig.3 Effect of adding sucrose on content of acrylamide during extrusion processing

3 結(jié)論

3.1 幾種谷物粉及雜豆粉原料中均未檢出丙烯酰胺；經(jīng)擠壓處理后，馬鈴薯粉∶小麥粉（3∶7）及小麥粉的擠壓產(chǎn)品中含有丙烯酰胺，玉米粉、小米粉、高粱粉、大米粉、苦蕎粉、燕麥粉等的擠壓產(chǎn)品中均未檢出丙烯酰胺。

3.2 在擠壓過(guò)程中，外源添加大豆脫脂蛋白、玉米淀粉、蔗糖等改變物料組分均顯著影響擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量（p＜0.05）。與未添加外源組分相比較，添加大豆脫脂蛋白、淀粉（小于10%）及蔗糖均使擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量增加；隨著蛋白添加量的增加，擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)；隨著淀粉添加量的增加，淀粉添加量小于5%時(shí)，丙烯酰胺含量顯著增加（p＜0.05），當(dāng)添加量高于5%時(shí)，丙烯酰胺含量顯著降低，當(dāng)添加量高于10%時(shí)，丙烯酰胺含量趨于一致；隨著蔗糖添加量的增加，擠壓產(chǎn)品中丙烯酰胺含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中蔗糖添加量12%時(shí)丙烯酰胺含量達(dá)到最高值（2456.02± 133.08）μg/kg。

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Study on acrylamide generating from several materials during extrusion processing

LIU Yan-xiang，LIU Ming，TAN Bin*，TIAN Xiao-hong，WANG Li-ping
（Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037，China）

The changes of acrylamide content in extruded products，using different cereal grains，pulses，defatted soybean protein，starch，sucrose，etc，as raw materials，were systematically investigated.The results indicated that acrylamide content of mixture of potato and wheat was higher than others after extrusion processing.Acrylamide content in extruded products was appreciable impact（p＜0.05）by adding defatted soybean protein，starch，sucrose，etc.Especially，after adding 8%defatted soybean protein，10%starch or 12% sucrose，the level of acrylamide content reached highest.

extrusion processing；material components；acrylamide

TS201.2

A

1002-0306（2012）01-0069-04

2010－11－24 *通訊聯(lián)系人

劉艷香（1982-），女，碩士研究生，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程。

科技部“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題資助（2009BADB9B07-08）。