几种物料挤压加工过程中的丙烯酰胺形成规律研究

刘艳香，刘 明，谭 斌，田晓红，汪丽萍

（国家粮食局科学研究院，北京100037）

几种物料挤压加工过程中的丙烯酰胺形成规律研究

刘艳香，刘 明，谭 斌*，田晓红，汪丽萍

（国家粮食局科学研究院，北京100037）

研究了玉米粉、小麦粉、马铃薯粉、小米粉、豌豆粉等几种谷物与杂豆粉经过挤压加工后的丙烯酰胺含量，结果表明马铃薯-小麦混合粉挤出物中丙烯酰胺的含量最高。并以马铃薯-小麦混合粉为基础原料，研究了添加大豆脱脂蛋白、淀粉、蔗糖等对挤压加工过程中丙烯酰胺形成的影响。结果表明大豆脱脂蛋白、淀粉、蔗糖等组分对马铃薯-小麦混合粉挤出物的丙烯酰胺含量均有显著影响（p＜0.05）。其中，添加大豆脱脂蛋白8%、淀粉5%、蔗糖12%时，挤压产品中丙烯酰胺含量均达最大值。

挤压加工过程，物料组分，丙烯酰胺

2002年瑞典斯德哥尔摩大学学者首次在油炸及焙烤的马铃薯和谷物类食品中发现了具有神经毒性的致癌物丙烯酰胺（AA）[1]，这一研究结果引起了全世界的广泛关注，现已被WHO国际癌症研究中心（IRAC）列为可能致癌物质（ⅡA类）[2]，动物实验和体外细胞实验都证明丙烯酰胺可导致遗传物质的改变和癌症的发生。Stabler等人和Mottram等人研究认为，丙烯酰胺是天冬酰胺和还原糖（主要是果糖和葡萄糖）在加热到120℃以上，经美拉德反应产生的，其中形成丙烯酰胺的骨架是天冬酰胺[3-4]。目前，采用油炸、烧烤、焙烤等食品加工方式研究丙烯酰胺的形成机理和影响因素，控制食品加工中形成丙烯酰胺的方法，以及丙烯酰胺的检测方法等已取得了一定进展。挤压即食食品是一类新兴的食品，近年来发展迅速。食品物料在挤压过程中经历了固体输送、过渡态到溶胶态，最后通过模头排出，在此过程中，各组分发生一系列的物化反应，有可能导致丙烯酰胺的生成。但我国对挤压即食食品中丙烯酰胺等化学危害物的控制研究相当薄弱。通过控制挤压原料的组成特性，在保持挤压即食食品的口感、色泽、风味等食品品质的基础上，降低丙烯酰胺含量的研究还较少。本研究旨在研究玉米粉、小麦粉、马铃薯粉、小米粉、豌豆粉等几种谷物与杂豆粉经过挤压加工后的丙烯酰胺含量，以及通过添加蔗糖、淀粉、蛋白质改变物料基本组分，探讨各组分对丙烯酰胺生成的影响规律，为进一步研究挤压即食食品中丙烯酰胺的控制技术奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米粉、小麦粉、马铃薯雪花全粉、小米粉、高粱粉、大米粉、苦荞粉、豌豆粉、蚕豆粉、燕麦全粉、燕麦粉、糙米粉 均采购自北京玉泉路粮油批发市场；正己烷（重蒸馏）、甲醇（色谱纯）、乙酸乙酯（色谱纯）、丙烯酰胺标准品（纯度≥99%）、2-3，二溴丙酰胺标准品（纯度≥99%） Sigma公司；无水硫酸钠、溴水、氢溴酸、溴化钾、硫代硫酸钠等试剂 均为分析纯。

SLG30-IV双螺杆挤压实验机 济南赛百诺科技开发有限公司；电子天平（感量0.0001g） 梅特勒托利多公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；气相色谱 Aglient 7890GC System；冷冻离心机 AllegraTM64R Centrifuge；固相提取装置 石墨化炭黑柱，规格为Carbotrap B.SPE，500mg/3mL；万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；0.45μm有机系滤膜，水浴振荡器。

1.2 实验方法

1.2.1 挤压实验方案设计 挤压机，模孔直径0.39cm，长径比为23∶1；挤压实验前24h测定混合粉的水分含量，调节物料水分含量为17%；腔体温度的I区、II区、III区、Ⅳ分别为：60、90、120、140℃；螺杆转速275r/min。

1.2.2 挤压样品处理 挤压样品室温放置5min后，置于40℃热风干燥24h，取出粉碎过60目筛，置于4℃保存待测。

1.2.3 丙烯酰胺含量的测定 采用国标GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的测定方法——气相色谱－质谱（GC－MS）法”和周宇等的“气相色谱法测定食品中丙烯酰胺”[8]相结合的方法。该方法衍生化完全，分析精度高，检出限低。

1.2.3.1 样品前处理 采用国标GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的测定方法——气相色谱－质谱（GC－MS）法。

1.2.3.2 气相色谱条件 色谱柱：DB-WAX柱30m× 0.32mm×0.25mm；检测器：ECD检测器，检测器温度：375℃；恒流1.6mL/min，不分流；进样量：2.0mL；色谱柱温度（程序升温）：55℃保持1min，然后以15℃/min速度升温至170℃后，以3℃/min升温速率升至195℃，然后以40℃/min速度直升至240℃，保持7min；进样口温度：260℃；进样量：2μL；尾吹N2：60mL/min。

1.3 数据处理

数据采用统计均数（平均数）±标准差来表示，用t检验进行显著性分析。实验数据采用Spss软件作差异性分析。

2 结果与讨论

2.1 几种谷物及杂豆粉挤压前后产品中丙烯酰胺含量的变化

表1是几种谷物及杂豆粉挤压前后丙烯酰胺含量的测定结果。由表1可知，原料中均未检出丙烯酰胺；经挤压处理后，马铃薯粉∶小麦粉（3∶7）和小麦粉的挤压产品中检出丙烯酰胺，含量分别为（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、苦荞粉、燕麦粉等）、豌豆、蚕豆粉等的挤压产品中均未检出丙烯酰胺，说明淀粉、蛋白质的含量对丙烯酰胺的形成影响不显著。天冬酰胺和还原糖发生的美拉德反应是生成大量丙烯酰胺的主要途径。Martin等[10]人研究发现马铃薯中天冬酰胺含量较高，占氨基酸总量的40%，Dembinski等人研究得出小麦粉中的天冬酰胺约占游离氨基酸总量的14%[11]。马铃薯粉和小麦粉的挤压产品中检出丙烯酰胺可能是由其富含的天冬酰胺在高温挤压过程中转化而成的。

2.2 物料组分对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响

2.2.1 添加大豆脱脂蛋白对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响 图1为添加大豆脱脂蛋白对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响结果。由图1可知，与对照（未添加蛋白）相比，添加大豆脱脂蛋白使挤压产品中丙烯酰胺含量增加，均分布在3000μg/kg左右；低于8%时，随着添加量的增加，丙烯酰胺含量增加，在添加量8%时，达最大值；高于8%时，随着大豆脱脂蛋白添加量的增加，挤压产品中丙烯酰胺含量呈显著下降趋势（p＜0.05）。产生该结果的原因可能是大豆蛋白中11S的球蛋白中含有较多的天冬酰胺残基，在高温、高压、高剪切环境中，蛋白质的分子结构发生伸展、重组，分子表面的电荷重新分布，分子间氢键、二硫键部分断裂，增强了降解程度，蛋白结构由折叠状变为直线状，使原封闭在分子内的天冬酰胺残基暴露出来，加速了美拉德反应，导致产品中丙烯酰胺的含量增加[12]；随着蛋白添加量的增加，物料中的淀粉含量减少，由于蛋白质可以通过与淀粉竞争糊化所需的水分而限制淀粉糊化降解的程度[13]，导致发生美拉德反应的还原糖浓度降低，抑制丙烯酰胺的生成。

表1 几种谷物及杂豆粉挤压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）

图1 添加大豆脱脂蛋白对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响Fig.1 Effect of adding defatted soybean protein on content of acrylamide during extrusion processing

2.2.2 添加玉米淀粉对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响 图2为添加玉米淀粉对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响结果。由图2可知，在淀粉添加量5%时，与未添加淀粉相比较，挤压产品中丙烯酰胺含量增加；在淀粉添加量高于5%时，随着淀粉添加量的增加，产品中丙烯酰胺含量呈显著下降趋势（p＜0.05）；当淀粉添加量大于10%时，丙烯酰胺含量趋于一致，均接近于对照值。产生该现象可能的原因是，在高温、高剪切环境下，剪切作用“撕裂”淀粉粒，打开分子间的氢键，催进淀粉糊化；淀粉的结晶部分在受热及剪切作用下发生熔融，分子链间氢键断裂，支链级分降解，链发生移动，造成淀粉颗粒部分解体，由于裂解的位置可能在糖苷键上，从而加速了氨基与羰基发生的美拉德反应[14]。由于挤压过程是一个非平衡态的过程，淀粉以糊化淀粉、熔融淀粉和降解淀粉混合物的形式存在，热-剪切作用显示的最大应力决定淀粉的降解程度，当淀粉添加量大于5%时，随着淀粉添加量的增加，单位淀粉颗粒吸收热能以及机械能逐渐降低，淀粉的降解程度降低，暴露出的羰基基团减少，减弱了美拉德反应的进行，进而降低了丙烯酰胺的形成，最终导致丙烯酰胺的含量趋于一致。

图2 添加玉米淀粉对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响Fig.2 Effect of adding corn starch on content of acrylamide during extrusion processing

2.2.3 添加蔗糖对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响 图3为添加不同量的蔗糖对挤压产品中的丙烯酰胺含量的影响结果。由图3可知，与对照相比，添加蔗糖均使丙烯酰胺含量增加；在蔗糖添加量低于12%时，随着蔗糖添加量的增加，丙烯酰胺含量显著增加（p＜0.05）；在蔗糖添加量高于12%时，丙烯酰胺的含量显著降低（p＜0.05），最终趋于一致，其中蔗糖添加量在12%时丙烯酰胺含量达到最高值（2456.02± 133.08）μg/kg。在蔗糖添加量小于12%时，由于蔗糖在挤压过程中经受高温、高压、高剪切力的环境，熔融后糖苷键部位发生裂解，降解为果糖、葡萄糖等还原性糖，加速了美拉德反应，导致产品中丙烯酰胺的含量增加，本研究结果与Camire等人的研究发现部分蔗糖因转化成了葡萄糖和果糖与蛋白质发生了美拉德反应而损失相一致[15]。当蔗糖的添加量大于12%时，随着蔗糖添加量的增加，熔融体的玻璃化转变温度降低，导致收缩时间延长，收缩程度加剧，使淀粉的糊化度、降解程度降低，不易于蛋白暴露出来，减弱了蛋白发生变性、均一化、重组以及降解的程度，致使暴露出的天冬酰胺残基减少，减慢了美拉德反应，进而降低了丙烯酰胺的生成量[16-18]。

图3 添加蔗糖对挤压产品中丙烯酰胺含量的影响Fig.3 Effect of adding sucrose on content of acrylamide during extrusion processing

3 结论

3.1 几种谷物粉及杂豆粉原料中均未检出丙烯酰胺；经挤压处理后，马铃薯粉∶小麦粉（3∶7）及小麦粉的挤压产品中含有丙烯酰胺，玉米粉、小米粉、高粱粉、大米粉、苦荞粉、燕麦粉等的挤压产品中均未检出丙烯酰胺。

3.2 在挤压过程中，外源添加大豆脱脂蛋白、玉米淀粉、蔗糖等改变物料组分均显著影响挤压产品中丙烯酰胺含量（p＜0.05）。与未添加外源组分相比较，添加大豆脱脂蛋白、淀粉（小于10%）及蔗糖均使挤压产品中丙烯酰胺含量增加；随着蛋白添加量的增加，挤压产品中丙烯酰胺含量呈现先增加后下降的趋势；随着淀粉添加量的增加，淀粉添加量小于5%时，丙烯酰胺含量显著增加（p＜0.05），当添加量高于5%时，丙烯酰胺含量显著降低，当添加量高于10%时，丙烯酰胺含量趋于一致；随着蔗糖添加量的增加，挤压产品中丙烯酰胺含量呈先增加后降低的趋势，其中蔗糖添加量12%时丙烯酰胺含量达到最高值（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 *通讯联系人

刘艳香（1982-），女，硕士研究生，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白工程。

科技部“十一五”国家科技支撑计划重点项目课题资助（2009BADB9B07-08）。