聶 文，屠澤慧，占劍峰，蔡克周,*，姜紹通，陳從貴

（1.合肥工業(yè)大學食品科學與工程學院，安徽省農產品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009；2.黃岡師范學院生命科學學院，湖北 黃岡 438000）

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一類分子中含有兩個或兩個以上苯環(huán)的碳氫化合物[1]，最初是在化石燃料和木材等有機物燃燒煙霧中發(fā)現(xiàn)的[2]，其廣泛分布在自然環(huán)境中[3]。早期細胞和動物學實驗研究發(fā)現(xiàn)4～6 環(huán)的稠環(huán)PAHs具有致癌、致畸和致突變毒性，這些稠環(huán)PAHs在體內的代謝產物可以與細胞中DNA分子共價結合，誘發(fā)DNA復制錯誤和增加突變的概率，從而導致癌癥[4-5]。人類經(jīng)常通過皮膚、呼吸、攝入受污染的水和食物接觸到這些PAHs，其中有16 種PAHs已被美國國家環(huán)境保護局（Environmental Protection Agency，EPA）列為優(yōu)先控制污染物[6]（表1）。

根據(jù)流行病學研究顯示，食品是人類攝入PAHs的主要途徑之一，食品中的PAHs主要來源于環(huán)境污染和高溫油炸、燒烤和煙熏等劇烈的加工行為[7]。煙熏食品是現(xiàn)有報道中PAHs含量最多的食品，煙熏食品中的PAHs污染程度與加工過程和條件密切相關，如煙熏木材的類型、氧氣的供應、燃燒溫度、與熱源的距離、煙熏時間等[8-9]都會影響煙熏食品中PAHs的含量。煙熏過程中使用軟木作為煙熏材料會導致產品中PAHs的含量增多[10]。煙熏產品自身特性如脂肪含量也對煙熏產品中PAHs的含量有所影響[11]，這主要是由于PAHs具有親脂性，脂肪含量偏高的食品，更容易擴散遷移到食品的里層[12]。

表 1 美國EPA公布的16 種優(yōu)先控制的PAHsTable 1 Sixteen priority-controlled PAHs listed by the USEPA

近30 年來，國外對于環(huán)境和食品中PAHs的分離檢測、安全評價、控制方法及產生機理等方面做了較為深入的研究，而我國對PAHs的研究起步較晚，并且大多集中在環(huán)境、化石燃料及PAHs的檢測等方面，有關PAHs生成機理的研究較少。本文重點對PAHs形成的化學機制及食品加工過程中PAHs的產生機制進行綜述，并對研究現(xiàn)狀進行簡要總結，以期為肉制品中PAHs控制提供新思路。

1 PAHs生成機理的研究現(xiàn)狀

1.1 Badger-Howard機理

早在20世紀50年代末，澳大利亞學者Badger等[13]就對PAHs的生成機理進行了探索，并且對PAHs的生成機理做出大膽的假設：他首先猜想有機質在高溫缺氧的條件會發(fā)生裂解生成碳氫自由基，這些碳氫自由基反應生成乙炔，乙炔分子經(jīng)過聚合反應合成乙烯基乙炔或1,3-丁二烯，乙烯基乙炔或1,3-丁二烯再經(jīng)過環(huán)化作用生成乙基苯，乙基苯進一步反應生成丁基苯和四氫化萘，丁基苯和四氫化萘結合反應生成中間體，最后由中間體合成苯并芘，具體過程如圖1所示。

圖 1 Badger提出的苯并芘可能的合成機理Fig. 1 Possible synthesis mechanism of benzene proposed by Badger

Badger等的猜想是從含兩個碳原子的化合物開始的，但是我國學者黃靖芬等[14]在研究煙熏食品中苯并芘的生成機理時發(fā)現(xiàn)苯并芘的合成不一定非要從兩個碳原子的化合物開始，可以從任意中間體開始反應合成苯并芘。

Bittner等[15]在20世紀80年代初提出了PAHs生成的另一種可能性：首先苯環(huán)脫氫生成苯基，甲醛進行羥醛縮合等一系列反應生成乙烯，然后乙烯與苯基發(fā)生取代反應生成2-苯基乙烯基，苯乙烯基接著與甲醛反應生成苯丁烯基，最后通過環(huán)化生成萘。該反應機理在反應溫度較低的情況下更容易實現(xiàn)。

1.2 Frenklach機理

Wang Hai和Frenklach[16]在20世紀90年代末研究發(fā)現(xiàn)，在溫度較高時由Bitter-Howard機理產生的PAHs含量較少，因此他們提出了生成PAHs的第二個環(huán)的另一條途徑：首先苯環(huán)脫氫形成苯基，苯基與1-丁烯-3-炔反應生成1-苯基-1,3-丁二烯基，接著進行一系列反應生成2-（2-甲基-1,3-丁二烯基）-1-苯基，最后經(jīng)過環(huán)化作用生成萘。具體過程如圖2所示。該機理可以很好地模擬在燃燒等高溫條件下PAHs的生成機理。

圖 2 生成PAHs第二個苯環(huán)的機理Fig. 2 Formation mechanism of the second benzene ring of PAH

1.3 由C2HX分子生長氧化-HACA形成PAH的機理

Wang Hai[16]和趙霏陽[17-18]等通過建立模型，較為完善地描述了從C2HX到C6HX的分子生長過程和苯環(huán)的形成，他們認為苯環(huán)一旦形成，就能根據(jù)分子大小順序，通過HACA（氫原子脫除-乙炔分子添加）反應生成萘、菲和芘。研究發(fā)現(xiàn)可以通過以下基元反應生成苯環(huán)：1）—C≡C—CH3和—C≡C—CH3反應合成苯環(huán)；2）—CH＝CH—CH＝CH—和CH≡CH反應生成苯基；3）—CH＝CH—CH＝CH2和CH≡CH反應生成苯環(huán)；4）由—C≡C—CH＝CH—CH＝CH2直接生成苯基；5）IC6H6和氫反應生成苯環(huán)。形成苯環(huán)以后，苯環(huán)進行脫氫形成苯基，苯基和乙炔進行HACA反應生成苯乙烯，苯乙烯加氫再脫氫氣形成2-乙炔基-1-苯基自由基，2-乙炔基-1-苯基自由基與乙炔發(fā)生HACA反應生成2-萘基，2-萘基和乙炔發(fā)生取代脫氫生成2-乙炔基萘，2-乙炔基萘進一步加氫脫氫氣生成2-乙炔基-3-萘基，2-乙炔基-3-萘基重復與乙炔發(fā)生HACA反應，逐步實現(xiàn)芳香烴分子的生長和PAHs的環(huán)化，最終生成芘，具體反應過程如圖3所示。

Tao Feng等[19]研究發(fā)現(xiàn)在HACA反應中，通過乙炔分子添加反應形成的4 個以上的苯環(huán)十分穩(wěn)定，例如芘和六苯并芘等。而且HACA反應的吉布斯自由能變化較大，說明這些反應是不可逆的，從而就把反應機理引向了PAHs生成的方向，又因為PAHs是一個熱動力學穩(wěn)定的物質，所以可以通過HACA機理實現(xiàn)PAHs的不斷生長。

圖 3 苯環(huán)通過HACA反應生成PAHs的過程Fig. 3 Generation of PAHs by HACA reaction of benzene ring

2011年Hong Zekai等[20]以C10H22、C8H18為例較為詳細地描述了PAHs的生成機理。以C10H22為例：首先C10H22脫氫生成C10H21，接著裂解產生C10H20、C2H5和C2H4，然后反應被分成兩條路徑：1）C10H20→C2H5+C3H6，C2H5→C2H4，C3H6→C3H5→C3H4→C3H3，期間C3H6→C2H3，C3H5、C3H4可以反應生成C2H2；2）C2H4經(jīng)過一系列的反應脫氫生成C2H2，最終生成C3H3與上一條路徑匯合。C3H3進一步發(fā)生反應，這時反應過程又被分成了5 條途徑：1）C3H3→C5H5→Nap→Phe→Pyr；2）C3H3→Al→Nap→Phe→Pyr；3）C3H3→Al→Nap→Pyr；4）C3H3→A l→C9H8→C9H7→P h e→P y r；5）C3H3→Al→C9H8→C9H7→Pyr。由此可見，HACA是PAHs形成的重要步驟，C2H2和C3H3是形成PAHs的重要前體物。Chen等[21]研究發(fā)現(xiàn)苯類化合物可能也是PAHs合成的重要前體物之一。

2 食物中主要成分轉化為PAHs的機理研究

2.1 食品加工過程中PAHs的生成途徑

食品中PAHs的形成是一個十分復雜的過程，煙熏食品中PAHs的來源主要有以下幾個途徑：1）煙熏燃料和食品在煙熏加工過程中發(fā)生高溫熱解，產生化學性質活潑的碳氫自由基和一些分子質量較小的低環(huán)類化合物，這是煙熏食品中PAHs生成的主要前體物，這些前體物在高溫條件下可能按Badger-Howard機理發(fā)生環(huán)化聚合反應生成PAHs。2）食品本身含有的一些分子質量較低的不飽和烴類化合物，這些不飽和前體物可能按C2HX分子氧化機理發(fā)生芳構化形成苯環(huán)，然后在高溫條件下按HACA分子生長機理經(jīng)過一系列的縮合聚合形成PAHs。3）食品中存在一些單環(huán)化合物，在煙熏過程中苯環(huán)上的碳鍵斷裂，然后可能按Frenklach機理經(jīng)過一系列的縮合聚合形成PAHs。

2.2 由脂肪生成PAHs的機理

Chen[21]和Lomanno[22]等研究發(fā)現(xiàn)PAHs的形成與脂肪有著很大的關系并且做出了大膽的假設：脂肪酸在被氧化的過程中可以生成氫過氧化物，氫過氧化物通過分子內環(huán)化生成環(huán)己烯等環(huán)狀化合物，最終生成苯環(huán)，再通過HACA機理實現(xiàn)分子生長形成PAHs。

Uriarte[23]和Heinonen[24]等在研究油炸作用下PAHs的生成時發(fā)現(xiàn)，亞油酸和亞麻酸等多不飽和脂肪酸可以通過聚合反應生成環(huán)狀單體，最終形成含有苯環(huán)的PAHs前體物。并且亞麻酸、亞油酸能夠降解，分別產生甲苯和丁基苯。Cheng Weiwei等[25]在研究芝麻油加工過程中PAHs的形成時，發(fā)現(xiàn)在熱壓條件下芝麻油中PAHs的含量顯著高于冷壓條件下的，這說明溫度是影響脂肪酸向PAHs轉變的一個重要因素。Perelló等[26]也得出了同樣的結論。

Cheng Weiwei等[25]研究發(fā)現(xiàn)在80～280 ℃條件下，通過添加芝麻子蛋白，PAHs數(shù)量急劇增加，這表明PAHs主要來自芝麻蛋白和甘油三酯的熱解反應，并推測氨基酸可能是PAHs形成的重要前體物之一。Luo Yan等[27]的研究結果表明甘油三酯裂解過程中Diels-Alder反應和分子間及分子內烷基、烷烯基的自由基反應都會生成環(huán)狀的烷烴化合物，所以Diels-Alder反應是PAHs生成過程中的重要反應，并且該反應對溫度要求不高，符合肉制品在煙熏時的條件。

Chen等[21]研究加熱模型血脂和食用油脂煙氣中PAHs的形成時，發(fā)現(xiàn)脂肪酸降解產物中亞麻酸甲酯生成PAHs的含量最高，其次是亞油酸甲酯、油酸甲酯和甲基硬脂酸，造成這一結果可能是受不飽和程度的影響。Stumpe-Viksna等[28]在研究不同木材對煙熏肉中PAHs的影響時，發(fā)現(xiàn)軟木作為煙熏材料時生成PAHs量高于硬木，可能是因為軟木中含有較多的樹脂，間接說明了脂肪類化合物是生成PAHs的重要前體物。Viegas等[29]在研究不同類型木炭烤肉中PAHs的形成時，發(fā)現(xiàn)雞肉和豬肉中PAHs的含量較牛肉中多，這可能與原料肉中脂肪含量有關，脂肪滴在木炭上形成攜帶PAHs的煙霧并附著在肉制品的表面，導致烤肉中PAHs含量增多。Naccari[30]和Londo?o[31]等通過研究奶制品經(jīng)過高溫熱處理后PAHs含量的變化，發(fā)現(xiàn)牛奶樣品中PAHs的含量順序為：原料奶＜巴氏殺菌奶＜超高溫半脫脂奶＜超高溫全脂奶，全脂奶和半脫脂奶在經(jīng)過超高溫處理后，PAHs的含量有所差異，這可能與牛奶中脂肪含量和甘油三酯的脂溶性活動有關。以上研究都說明了脂肪是食品中生成PAHs的主要成分。Luzardo[32]、Olatunji[33]和Kao[34]等也得出過一致的結論。

2.3 由蛋白質生成PAHs的機理

1992年Chiavari等[35]提出了氨基酸分解的4 種主要途徑，如圖4所示。

圖 4 氨基酸分解的4 種主要途徑Fig. 4 Four major pathways of amino acid decomposition

Phillip等[36]在研究葡萄糖和脯氨酸對PAHs生成的影響時發(fā)現(xiàn)，蛋白質高溫分解產生游離的氨基酸可以與還原糖（如葡萄糖）發(fā)生美拉德反應生成Amadori化合物，Amadori化合物經(jīng)過高溫分解產生PAHs。具體過程如圖5所示。

圖 5 葡萄糖和氨基酸生成Amadori化合物的過程Fig. 5 Generation of Amadori compounds from glucose and amino acids

Sharma等[37]在探究氨基酸熱解形成低分子質量的雜環(huán)和PAHs的研究時發(fā)現(xiàn)，天冬氨酸和脯氨酸在高溫下可降解產生菲等PAHs，同時高溫處理色氨酸發(fā)現(xiàn)其不能降解產生PAHs。這說明某些氨基酸是生成PAHs的前體物。齊穎[38]在探究油炸肉制品加工過程中PAHs的形成時，發(fā)現(xiàn)連續(xù)性油炸導致蛋白質、氨基酸等化學組分熱降解和環(huán)化縮合形成菲等PAHs。但Saito等[39]在研究熱烹調對食物中PAHs形成影響時，分別對蝦、玉米、鱒魚、牛肉和豬肉進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，玉米（主要成分是碳水化合物）中PAHs的含量為0.015 μg/m3；蝦（主要成分是蛋白質）中PAHs的含量為0.003 9 μg/m3，這個水平低于或類似于大氣中PAHs含量（0.004 4 μg/m3）的背景水平，所以食物中碳水化合物和蛋白質并不是生成PAHs的主要物質。鱒魚、牛肉、豬肉中PAHs的含量分別為2.1、1.5 μg/m3和78 μg/m3。結果表明豬肉中PAHs的含量遠高于蝦、牛肉和鱒魚，所以推測在食品熱加工過程中脂肪才是產生PAHs的主要來源。Tanaka等[40-41]也得出過一致的結論。

2.4 由碳水化合物生成PAHs的機理

McGrath等[42]在研究纖維素低溫熱解形成PAHs的機制時，發(fā)現(xiàn)纖維素在高溫下脫水碳化、脫羰、脫羧、脫氫和交聯(lián)等一系列的化學轉化和重排最終形成PAHs。該研究還發(fā)現(xiàn)D-葡萄糖和蔗糖熱解時生成PAHs的產量絲毫不遜色于纖維素。Horne[43]和Williams[44]等研究發(fā)現(xiàn)生物質在高溫熱解條件下發(fā)生繼發(fā)反應生成PAHs的機制至少有兩種：1）Diels-Alder反應；2）含氧芳香族化合物的脫氧作用。Stefanidis等[45]研究發(fā)現(xiàn)木聚糖和纖維素在混合熱解過程中相互作用，可使PAHs的前體物——酚的產量增加。而Zhou Hui等[46]研究也證實了快速熱解木聚糖和纖維素混合物生成PAHs的產量均比單個組分熱解時高。以上兩個報道都說明在生物質熱解生成PAHs的過程中，物質成分之間的相互作用發(fā)揮了很大的作用。Wang Shurong等[47]研究發(fā)現(xiàn)當纖維素含量保持不變時，隨著半纖維素含量增加，2,5-羥甲基糠醛濃度增加。此外，纖維素的存在促進了半纖維素生成乙酸和2-羥甲基糠醛。目前從生物質單組分熱解的PAHs形成機制尚不清楚。Hosoya等[48]研究發(fā)現(xiàn)纖維素和木質素相互作用產生苯酚衍生物，一些化合物（如兒茶酚類化合物）生成量相比單組分熱解預期結果是增加的，而另一些化合物（如鄰甲酚）生成量與單組分預期結果相比卻是降低的。Asmadi等[49-50]發(fā)現(xiàn)從木質素中熱解產生的兒茶酚類化合物和酚可以形成PAHs，同時結果表明：木聚糖和纖維素熱解產生的苯系物或酚是形成PAHs的重要前體物。明確生物成分的相互影響是一個復雜的過程，對于生物質各個組分相互作用對形成PAHs的影響和機制還需要進一步研究。

3 結 語

綜上所述，煙熏等劇烈的食品熱加工方式都會導致食品中PAHs的形成。用煙熏處理食品時，食品中的PAHs主要來自于煙熏燃料中纖維素的高溫裂解，纖維素在高溫下脫水碳化、脫羰、脫羧、脫氫和交聯(lián)等一系列的化學轉化和重排最終形成PAHs。通過對比不同食物在進行其他的熱加工時PAHs的含量，可以推測PAHs形成主要是通過食品中脂肪的高溫裂解和蛋白質的高溫分解。脂肪裂解產物中亞麻酸甲酯、亞油酸甲酯、油酸甲酯和甲基硬脂酸和蛋白質降解產物中某些芳香族氨基酸是生成PAHs的重要前體物質。并且在PAHs的生成機制中，溫度和氧氣是兩個重要的影響因素。目前從食品單個組分熱解生成PAHs的機制尚不清楚，食品中PAHs的形成是各個組分相互作用的結果，是一個十分復雜的過程。筆者認為，首先需要從食品三大主要營養(yǎng)素（脂肪、蛋白質和碳水化合物）中逐一篩選出可以生成PAHs的單體成分，并分析其熱解產生機制，然后進一步探索不同營養(yǎng)素之間是否存在相互作用以及如何作用導致最終PAHs的生成。

研究報道的PAHs生成機理大都集中在化石燃料和環(huán)境領域，對于食品中的PAHs生成機制的研究還處于初級階段，所以對食品中PAHs的形成機制進行分子水平的深度探索是很有必要的，這對于更好地控制和減少食品中PAHs的生成有指導意義。