唐禎玥，馮文曉，呂孟玲，張雨松，崔蔚然，白紅雨，邵美麗

（東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030）

丙烯酰胺（Acrylamide，AA）是一種廣泛存在于各類熱加工食品中的2A 類致癌物質，因其具有神經毒性、生殖毒性、遺傳毒性以及致癌性，從2002 年一經發(fā)現，便得到世界各國食品研究人員的廣泛關注[1]。研究發(fā)現，食品中丙烯酰胺的生成與美拉德反應有關，是天冬酰胺（Asn）的氨基殘基和還原糖（如葡萄糖）的羰基在120 ℃以上生成的非酶促褐變反應副產物[2]。因此，可以通過減少丙烯酰胺前體（天冬酰胺和還原糖）或阻礙美拉德反應途徑來抑制丙烯酰胺的生成。已證實蛋白質或氨基酸[3-4]、金屬離子[5-6]及抗氧化劑[7-8]等對丙烯酰胺的生成具有不同程度的抑制作用。

近年來，黃酮類天然抗氧化劑—植物總黃酮及其黃酮單體抑制丙烯酰胺生成的研究被廣泛報道，如花青素[9]、綠茶提取物[10]、竹葉黃酮[11]等能顯著抑制烘炸食品中丙烯酰胺的生成。且Zhao 等[12]研究原花青素B 型二聚體原花青素及兒茶素和表兒茶素單體，發(fā)現聚合體原花青素最高抑制率達到81.07%，而其單體最高抑制率只有61.73%。同時蔡文[13]研究柑桔黃酮及其5 種單體對丙烯酰胺生成的抑制，其中柑桔黃酮對丙烯酰胺的抑制率最高為58.42%，而其單體的抑制率約為20%～55%，結果表明植物總黃酮對模擬體系和食品體系中的丙烯酰胺抑制效果往往優(yōu)于黃酮單體。而與純度較高的黃酮單體的分離、提取相比，植物總黃酮的提取具有操作簡單、耗時短、成本低、可進行規(guī)模化生產等優(yōu)點[14]，更適合作為食品添加劑應用于食品加工產業(yè)。

沙棘屬藥食兩用植物，含有黃酮類化合物、維生素、脂肪酸、萜類甾醇類物質及有機酸等豐富的營養(yǎng)物質[15]。作為沙棘最重要的化學組分—黃酮類化合物分布于沙棘的各個部位，包括果實、根、莖、葉以及花等。已研究證實沙棘黃酮單體如槲皮素、異鼠李素和山奈酚等具有良好的抗氧化性，能有效抑制模擬體系中丙烯酰胺的生成，且抑制率約為20%～50%[16-17]。而沙棘總黃酮對丙烯酰胺生成的抑制效果及抑制機理尚未可知。因此本文利用Asn-Glu 模擬體系探究沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的量效關系，通過紫外吸收光譜、液相色譜-質譜和高效液相色譜測定前體物質、中間產物和終產物，運用形成/消除動力學模型及機理動力學模型擬合探究其抑制機理，從而拓展沙棘黃酮在食品加工業(yè)的應用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棘黃酮（純度≥65%） 陜西普蘭特生物技術有限公司；丙烯酰胺標準品（純度≥99%） 美國Sigma 公司；葡萄糖 分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；天冬酰胺 分析純，北京博奧拓科技有限公司。

KH-10 水熱合成反應釜 上海凌科實業(yè)發(fā)展有限公司；DHG-9070 烘箱 上海一恒科學儀器有限公司；LC-20A 高效液相色譜系統(tǒng) 日本島津；Qtrap5500三重四級桿液質聯(lián)用儀 新加坡愛博才思儀器有限公司；UV-2600 紫外可見分光光度計 蘇州島津儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 Asn-Glu 模擬體系的建立 參照李金旺[18]的方法，稍作改動。稱取0.2378 g 葡萄糖和0.1802 g天冬酰胺放入10 mL 的反應釜，加入2 mL 超純水溶解后，置于180 ℃的烘箱，加熱60 min。將冷卻后的樣液于8000 r/min 離心5 min，取上清液，稀釋10 倍，經0.22 μm 濾膜過濾，備用。

1.2.2 沙棘黃酮濃度對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響 分別取1000、100、10、1、0.1 μg/mL 的沙棘黃酮乙醇溶液0.5 mL，加入到Asn-Glu 模擬體系中，并加入超純水，使總體積為2 mL，同時設立對照組（用乙醇溶液取代沙棘黃酮溶液）。模擬體系的后續(xù)反應操作同1.2.1。

1.2.3 沙棘黃酮添加量對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響 分別取0.25、0.5、0.75、1 mL 的沙棘黃酮乙醇溶液（濃度為1.2.2 所得沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的最適濃度）加入到Asn-Glu 模擬體系中，并加入超純水，使總體積為2 mL，同時設立對照組（即分別用0.25、0.5、0.75、1.00 mL 的乙醇溶液取代沙棘黃酮溶液）。模擬體系的后續(xù)反應操作同1.2.1。

1.2.4 模擬體系中丙烯酰胺的測定及抑制率計算參考Shen 等[19]的方法，稍作改動。色譜柱：supersil AQ-C18 色譜柱（4.6×250 mm，5 μm）；進樣量：5 μL；流速：1 mL/min；流動相：乙腈:甲醇:水=1:3:96；進樣溫度：30 ℃；檢測波長：210 nm。

將丙烯酰胺標準品配制成1.0 mg/mL 標準溶液，經準確稀釋后配制成10.0、8.0、6.0、4.0、2.0 μg/mL的丙烯酰胺標液，進行高效液相色譜分析。以丙烯酰胺標液質量濃度（μg/mL）為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線，求得回歸方程y=43.456x+6.582（R2=0.999），得到丙烯酰胺的含量計算公式如下：

式中：X 為丙烯酰胺的量，μmol；V1為反應液體積，mL；V2為測定液體積，mL；C 為樣品中丙烯酰胺的濃度，μg/mL；n 為稀釋倍數；M 為丙烯酰胺的摩爾質量，g/mol。

沙棘黃酮對Asn-Glu 模擬體系中丙烯酰胺的抑制率計算公式如下：

式中：A 為沙棘黃酮對丙烯酰胺的抑制率，%；X0為試驗組測得的丙烯酰胺生成量，μmol；X 為對照組中測得丙烯酰胺的生成量，μmol。

1.2.5 沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的形成/消除動力學研究 取100 μg/mL 的沙棘黃酮溶液0.25 mL 加入Asn-Glu 模擬體系中，并加入超純水，使總體積為2 mL（同時設立對照組），于180 ℃的烘箱內分別反應30、45、60、90、120、150 min。冷卻后的樣液于8000 r/min 離心5 min，取上清液，稀釋10 倍后，經0.22 μm 濾膜過濾，用HPLC 測定丙烯酰胺含量。然后采用Origin 2021 軟件中的非線性最小二乘回歸方法分別與三種形成/消除動力學模型（Logistic-Fermi動力學模型[20]、Logistic 指數動力學模型[21]、形成/消除一級動力學模型[22]）進行擬合，確定沙棘黃酮對丙烯酰胺的抑制作用是發(fā)生在形成階段還是消除階段。

1.2.5.1 Logistic-Fermi 動力學模型

式中：a、kg、tcg為與丙烯酰胺形成有關的溫度依賴系數；kd、tcd為與丙烯酰胺消除有關的溫度依賴系數。

1.2.5.2 Logistic 指數動力學模型

式中：a、kf、tcf為與丙烯酰胺形成有關的溫度依賴系數；τ為特征性時間。

1.2.5.3 形成/消除一級動力學模型

式中：kf為丙烯酰胺的生成速率，s-1；ke為丙烯酰胺的消除速率，s-1；C 為天冬酰胺/葡萄糖的摩爾質量，mmol；CAA為丙烯酰胺的摩爾質量，mmol；CD為丙烯酰胺降解產物的摩爾質量，mmol。當t=0 時C=1.2 mmol，其余物質的摩爾質量為零。

1.2.6 沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的機理動力學研究 取100 μg/mL 的沙棘黃酮溶液0.25 mL 加入Asn-Glu 模擬體系中，并加入超純水，使總體積為2 mL（同時設立對照組），于180 ℃的烘箱內分別反應30、45、60、90、120、150 min。冷卻后的樣液于8000 r/min 離心5 min，留取上清液，稀釋10 倍后，經0.22 μm 濾膜過濾，用于測定還原糖、天冬酰胺、類黑素和丙烯酰胺的含量。

1.2.6.1 還原糖含量測定 根據Lü等[23]的比色法，稍作改動。將冷卻后的樣液于8000 r/min 離心5 min，取上清液稀釋10 倍后的1 mL 樣液，加入1 mL 超純水和3 mL 的3,5-二硝基水楊酸溶液，震蕩混勻，置于沸水浴中反應10 min，冷卻后于25 mL 容量瓶中定容。于540 mn 波長下測其吸光度。計算公式如下：

式中：X 為還原糖的量，nmol；V1為反應液體積，mL；V2為測定液體積，mL；C 為還原糖含量，mg/mL；n 為稀釋倍數；M 為葡萄糖的摩爾質量，g/mol。

1.2.6.2 天冬酰胺含量測定 參考Bertuzzi 等[24]的LC-MS 方法，并做適當改正。色譜柱：supersil AQC18 色譜柱（4.6×250 mm，5 μm）；進樣量：5 μL；流速：0.2 mL/min；流動相：A 為0.2%（V/V）甲酸水溶液和B 為0.1%甲酸乙腈梯度洗脫。

質譜條件：電噴霧正模式；噴霧毛細管電壓4.2 kV；鞘氣和輔助氣體分別為35 和12 psi；撇渣器6 V；加熱毛細管的溫度270 ℃。設置氬碰撞壓力為1.5 mTorr；碰撞能量為15 V；碎片離子為116、87和74 m/z。

1.2.6.3 類黑素含量測定 參照Leong 等[25]的比色法。取0.1 mL 反應釜中的樣品，再稀釋100 倍，于470 nm 波長下測其吸光度，采用朗伯比爾定律計算反應液中類黑素的含量。計算公式如下：

式中：C 為類黑素的生成量，mmol；n 為稀釋倍數；A 為吸光度值；V 為反應液體積，mL；e 為摩爾吸光系數，L/（mol·cm）；b 為液層厚度，cm；其中e=282 L/（mol·cm），b=1 cm。

1.2.6.4 丙烯酰胺含量測定 丙烯酰胺的測定和計算方法同1.2.4。

1.2.6.5 機理動力學模型 參考Knol 等[26]的機理動力學模型稍作改動。此模型用席夫堿表示美拉德反應的中間產物，用類黑素、丙烯酰胺和丙烯酰胺降解產物表示反應的終產物，由于本試驗沒有考慮還原糖與其他糖類的互相轉化，所以將機理動力學模型簡化，計算公式如下：

式中：CAsn為天冬酰胺的量，mmol；CR為還原糖的量，mmol；CS為席夫堿的量，mmol；CAA為丙烯酰胺的量，mmol；CM為類黑素的量，mmol；CD為丙烯酰胺降解產物的量，mmol；k1為天冬酰胺-還原糖的反應速率，s-1；k2為丙烯酰胺的形成速率，s-1；k3為類黑素的形成速率，s-1；k4為丙烯酰胺的消除速率，s-1。當t=0 時，CAsn=CR=1.2 mmol，Cs、CAA、CM、CD都等于0。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 沙棘黃酮的濃度對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響

在0.1～1000 μg/mL 濃度范圍內，沙棘黃酮溶液可顯著抑制模擬體系中丙烯酰胺的生成量（P<0.05）（圖1）。但隨沙棘黃酮濃度的不斷增加，丙烯酰胺生成量先降低后升高，并在100 μg/mL 時，達到最低生成量5.64 μmol。這與Zhang[27]研究黃酮類化合物—竹葉抗氧化劑和綠茶提取物對丙烯酰胺生成量抑制的變化趨勢一致，這可能是因為3-氨基丙酰胺是一種通過天冬酰胺脫羧反應生成的瞬時中間體，是促成丙烯酰胺形成的重要的前體，抗氧化劑和3-氨基丙酰胺的反應作用可以減少丙烯酰胺的生成[28]。此外，丙烯酰胺含量與沙棘黃酮濃度之間的這種非線性關系也可能歸因于沙棘黃酮的抗氧化和促氧化特性。

圖1 不同濃度的沙棘黃酮對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響Fig.1 Effects of seabuckthorn flavonoids of different concentrations on the generic amount of acylide in the simulation system

2.2 沙棘黃酮的添加量對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響

在上述沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的最適濃度100 μg/mL 下，添加量0.25～1 mL（25～100 μg）范圍內，試驗組的丙烯酰胺生成量均顯著低于對照組丙烯酰胺生成量（P<0.05）（圖2）。隨著沙棘黃酮溶液添加量的不斷增加，在添加量為0.25～0.75 mL（25～75 μg）之間各試驗組丙烯酰胺生成量呈現緩慢升高的趨勢，但添加量0.75～1.00 mL（75～100 μg）范圍差異不顯著（P>0.05）。張翔宇[29]發(fā)現在模擬體系中添加芹菜黃酮0.1～1000 μg/mL（0.01～100 μg）處理后，其丙烯酰胺生成量增加，抑制率呈負相關。與本研究結果趨勢一致。因此，選擇添加量為0.25 mL 進行后續(xù)試驗。

圖2 不同添加量的沙棘黃酮對模擬體系中丙烯酰胺生成量的影響Fig.2 Impact of sea buckthorn flavonoids with different additions on the amount of acrylamide in the simulation system

綜上，根據量效關系結果，當沙棘黃酮濃度為100 μg/mL，添加量為0.25 mL 時，此時抑制率最高，為62.1%，選取其進行接下來的動力學分析。

2.3 沙棘黃酮抑制丙烯酰胺的形成/消除動力學分析

2.3.1 丙烯酰胺的形成/消除動力學曲線 由圖3 可知，試驗組的丙烯酰胺生成量顯著低于對照組（P<0.05）。在0～150 min 內，試驗組和對照組丙烯酰胺生成量呈現相同的先增加后減少的趨勢，并在60 min時達到最大生成量。研究結果與劉黃友[30]測定多種黃酮對丙烯酰胺的抑制的變化趨勢相似，出現此種變化規(guī)律的原因可能是在60 min 以前，丙烯酰胺生成速率大于降解速率，此時丙烯酰胺反應底物充足，其形成動力學占主導地位；60 min 后，丙烯酰胺生成速率會小于降解速率，此階段丙烯酰胺的消除反應占優(yōu)勢，且60 min 后，試驗組和對照組的降幅相似，推測沙棘黃酮在丙烯酰胺的降解階段的作用不明顯。

圖3 丙烯酰胺形成/消除動力學曲線Fig.3 Formation/elimination dynamic curve of acrylamide

2.3.2 形成/消除動力學模型擬合及分析 用Origin軟件分別與三種形成/消除動力學模型進行非線性擬合。其中，與形成/消除一級動力學模型擬合，相關性系數R2=0.49，擬合沒有意義；與Logistic-Fermi 動力學模型擬合，相關性系數R2=0.98，模型的擬合度高，但動力學參數tcg<0，所以上述2 個模型不適用。與Logistic 指數動力學模型擬合（圖4），相關性系數R2=0.98，且各種動力學參數均有意義，表明Logistic指數模型適用于分析模擬體系中丙烯酰胺生成的動力學過程。

圖4 Logistic 指數動力學模型擬合圖Fig.4 Fitting diagram of Logistic exponential dynamic model

Logistic 指數動力學參數分析表明，試驗組與對照組中與丙烯酰胺生成相關的三個動力學參數a、kg、tcg均有顯著性差異（P<0.05），與丙烯酰胺消除相關的τ 沒有顯著性差異（P>0.05）（表1）。這說明沙棘黃酮可顯著影響丙烯酰胺的形成速率，但對丙烯酰胺的消除速率沒有影響，證實了2.3.1 的推測。此結論與Zhang 等[31]得出的竹葉黃酮可顯著影響丙烯酰胺的生成速率這一結論相類似。

表1 丙烯酰胺的Logistic 指數動力學模型參數Table 1 Parameters of Logistic exponent kinetic model of acrylamide

根據擬合得到的模型計算丙烯酰胺生成的預測值，通過繪制相關性散點圖（圖5），發(fā)現兩組丙烯酰胺含量的預測值和實測值均有很強的相關性，相關系數分別為0.9948、0.9911，進一步說明了Logistic 指數模型與數據擬合度高。

圖5 丙烯酰胺預測值與試驗值相關性散點圖Fig.5 Acrylamide predicted value and test value correlation scatter plot

根據擬合得到的方程分析試驗組和對照組丙烯酰胺生成量的預測值（表2），發(fā)現試驗組的丙烯酰胺生成量始終低于對照組，且在56 min 達到最大值，之后開始逐漸降低。而對照組則在67 min 達到丙烯酰胺的最大生成量，之后開始逐漸降低。推測可能是沙棘黃酮的加入影響了美拉德反應進程，使得各階段反應所需時間發(fā)生變化。

表2 試驗組與對照組丙烯酰胺生成量的預測值對比Table 2 Comparison of acrylamide predicted values of the proliferation group with the control group

2.4 沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的機理動力學分析

2.4.1 還原糖動力學曲線 還原糖是丙烯酰胺生成的前體物質之一。在0～60 min 內，試驗組和對照組含量均大幅降低，之后逐漸平緩（圖6），表明在0～60 min 內，美拉德反應以丙烯酰胺的生成反應為主導，導致大量還原糖被消耗。與此同時，在30～60 min內，試驗組的還原糖含量顯著高于對照組（P<0.05），而之后的反應時間內，試驗組還原糖含量雖然高于對照組，但差異不顯著（P>0.05）（圖6）。已有報道證實黃酮類物質能夠結合反應性羰基或二羰基，從而競爭性抑制天冬酰胺和葡萄糖之間的美拉德反應[32]，這與本研究沙棘黃酮減緩了還原糖的急劇下降的結果一致，表明沙棘黃酮對美拉德反應的抑制作用主要發(fā)生在丙烯酰胺的生成階段。

圖6 還原糖動力學曲線圖Fig.6 Dynamics curve of reducing sugar content

2.4.2 天冬酰胺動力學曲線 天冬酰胺作為丙烯酰胺生成的另一個前體物質，在0～60 min 內，模擬體系中試驗組與對照組的天冬酰胺含量也均大幅降低，之后逐漸平緩（圖7），且在45～60 min 內，試驗組的天冬酰胺含量顯著高于對照組（P<0.05），而之后的反應時間內，試驗組天冬酰胺含量雖然高于對照組，但差異不顯著（P>0.05）。Bassama 等[33]也證實了天冬酰胺的這種變化趨勢，與葡萄糖的損失相比，天冬酰胺的損失更慢，這可能是由于天冬酰胺從縮合產物中的重組以及二葡糖基胺的形成。結合以上還原糖和天冬酰胺的動力學變化，進一步說明沙棘黃酮對美拉德反應的抑制作用主要發(fā)生在丙烯酰胺的生成階段。

圖7 天冬酰胺動力學曲線圖Fig.7 Dynamics curve of asparagine content

2.4.3 類黑素動力學曲線 類黑素是美拉德反應的中間產物之一。在0～150 min 內，模擬體系中試驗組與對照組的類黑素含量迅速升高，之后逐漸降低（圖8）。這種趨勢與報道過的文獻[34]研究類似。整個反應過程中，試驗組的類黑素含量低于對照組，表明沙棘黃酮對美拉德反應有抑制作用。在45～60 min內，試驗組的類黑素含量顯著低于對照組（P<0.05），而此時間段內，天冬酰胺和還原糖的含量顯著高于對照組（P<0.05），說明試驗組的沙棘黃酮對美拉德反應的抑制作用主要發(fā)生此階段，即前體物質（還原糖和天冬酰胺）反應生成的中間產物向丙烯酰胺和類黑素轉化的階段。

圖8 類黑素含量的動力學曲線Fig.8 Kinetic curve of gum content

2.4.4 機理動力學分析 機理動力學模型將美拉德反應過程分為三個不同階段：即前體物質（還原糖和天冬酰胺）反應生成中間產物階段、中間產物向丙烯酰胺和類黑素的轉化階段（即丙烯酰胺和類黑素的生成）、丙烯酰胺的消除和其他終產物生成階段。根據機理動力學模型擬合得到的動力學參數（表3）分析發(fā)現，試驗組的k2（與丙烯酰胺形成有關的速率常數）和k3（與類黑素形成有關的速率常數）均顯著低于對照組（P<0.05），而k4（與丙烯酰胺消除有關的速率常數）與對照組無顯著性差異（P>0.05），說明試驗組沙棘黃酮的加入顯著抑制了丙烯酰胺和類黑素的生成，但對丙烯酰胺的消除無顯著影響，即沙棘黃酮主要對美拉德反應的第二階段起抑制作用。

表3 沙棘黃酮抑制丙烯酰胺生成的機理動力學參數估計Table 3 Estimation of mechanism dynamics parameter estimation of seabuckthorn flavonoid inhibits acrylamide

3 結論

本試驗利用Asn-Glu 模擬體系證實沙棘黃酮對丙烯酰胺的生成有較好的抑制效果，抑制率最高為62.1%。同時，進一步闡明了沙棘黃酮在模擬體系中對丙烯酰胺抑制的動力學過程，即沙棘黃酮主要抑制丙烯酰胺的生成階段，但對消除過程沒有影響；且沙棘黃酮對丙烯酰胺的抑制作用主要發(fā)生在美拉德反應的第二階段，而對美拉德反應的第三階段無顯著影響。綜上所述，沙棘黃酮作為天然植物抗氧化劑，可以有效的降低食品加工過程中的丙烯酰胺生成。這不僅為食品中危害物質的防控提供思路，同時也為黃酮類化合物在食品加工方面的應用提供理論基礎。但關于沙棘黃酮單體對丙烯酰胺抑制機理及應用還需要進一步探討。