食品中3-氯丙醇酯的研究现状

孙靖雯，胡本伦，秦瑞珂，贾才华,2，荣建华,2，刘 茹,2,

（1.华中农业大学食品科学技术学院，湖北武汉 430070；

2.国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心(武汉)，湖北武汉 430070）

氯丙醇酯是一种广泛存在于食品中的安全危害因子，其中污染水平最高、毒性最大的是3-氯丙醇酯[1]。早在1978年，科学家研究酸水解植物蛋白时就发现了3-氯丙醇酯[2]，1984年，其在山羊奶中也检测到[3]，之后，在多种精炼植物油中也发现了高含量的3-氯丙醇酯[4−5]。2004年，首次在食品加工过程中发现了3-氯丙醇酯，且3-氯丙醇酯比游离的3-氯丙醇含量高[6]，烟熏火腿、咖啡、黑麦芽、坚果、肉制品、油炸食品甚至是婴幼儿奶粉中也有检出[6−13]。SEEFELDER等[14]和ABRAHAM等[15]在研究中表明，食品中的3-氯丙醇酯在肠道脂肪酶和胰腺脂肪酶的作用下，可以被水解为游离的3-氯丙醇。3-氯丙醇的主要毒性靶器官是肾脏、肝脏以及生殖系统[16]，国际癌症研究机构将3-氯丙醇归为可能的人类致癌物（第2B类）[17]，粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会在2017年设定了3-氯丙醇的最大容许日摄入量为4 μg/kg·bw，2018 年欧洲食品安全局将 3-氯丙醇的最大容许日摄入量设为 2 μg/kg·bw[1,18−19]，当超过规定剂量时，3-氯丙醇对肾脏、肝脏以及生殖系统等都有损伤[16]。可见，食品中3-氯丙醇酯的含量已成为国际普遍关注的问题。

本文主要综述了食品中3-氯丙醇酯的产生途径、影响因素和控制措施，并对食品中3-氯丙醇酯未来的研究方向进行了展望。

1 3-氯丙醇酯的结构、生成和降解途径

1.1 3-氯丙醇酯的分类和结构

3-氯丙醇酯是3-氯丙醇和脂肪酸经过酯化反应形成的一类化合物，也可由三酰基甘油上的酰基被氯原子取代而形成。3-氯丙醇酯包括3-氯丙醇双酯、3-氯丙醇-1-单酯、3-氯丙醇-2-单酯，结构如图1所示。同时，由于所结合脂肪酸的种类、数目不同，使得 3-氯丙醇酯具有多样性[20−22]。

图1 几种3-氯丙醇酯的结构[23]Fig.1 The structure of several 3-chloropropanol esters

1.2 3-氯丙醇酯的生成

3-氯丙醇酯的前体物质是三酰甘油（triglyceride，TAG）、二酰甘油（diacylglycerol，DAG）、单酰甘油（monoacylglycerol，MAG）和含氯化合物[24]，关于 3-氯丙醇酯的生成机制目前有三种观点：氯离子直接亲核进攻途径、环酰氧鎓离子中间体途径和缩水甘油酯中间体途径、环氧化物环自由基途径[25]。

1.2.1 氯离子直接亲核进攻途径 氯离子直接亲核取代发生在酸性条件下，主要有两种方式：一种是氯离子直接亲核攻击TAG和DAG 3号位上带有酯基的甘油碳，分别生成3-氯丙醇双酯和3-氯丙醇-2-单酯；另一种是氯离子直接亲核攻击DAG 3号位上带有羟基的甘油碳，生成3-氯丙醇双酯[6,10,24,26]，如图2所示。由于水是比脂肪酸更容易离去的基团，因此取代羟基的途径比取代酯基的途径更容易发生[24]。

图2 氯离子直接亲核取代生成3-氯丙醇酯的两条可能途径[27]Fig.2 Two possible pathways for direct nucleophilic substitution of chloride ions to 3-chloropropanol esters

1.2.2 环酰氧鎓离子中间体途径和缩水甘油酯中间体途径 在酸性条件下，羰基也会参与形成3-氯丙醇酯的反应，生成一种环酰氧鎓离子中间体[24,26,28−29]。反应途径如图3所示，TAG、DAG、MAG通过去脂肪酸或水形成环酰氧鎓离子Ⅰ和Ⅱ，随后氯离子进攻环酰氧鎓离子Ⅰ和Ⅱ，分别得到3-氯丙醇双酯和3-氯丙醇单酯。

图3 生成3-氯丙醇酯的环酰氧鎓离子和缩水甘油酯途径[24]Fig.3 The acyloxonium ion intermediate and glycidyl ester pathway to 3-chloropropanol ester

此外，DAG还可以直接脱脂肪酸形成缩水甘油酯，或者通过环酰氧鎓离子Ⅱ形成缩水甘油酯，随后氯离子进攻缩水甘油酯形成3-氯丙醇单酯。

1.2.3 环氧化物环自由基途径 ZHANG等[29−30]通过研究高温低水分条件下TAG与氯离子的反应，发现并完善了环氧化物环自由基途径，如图4所示。TAG在加热作用下会生成不稳定的自由基Ⅰ，随后自由基Ⅰ会转化成环酰氧鎓离子Ⅱ（CAFR）和环氧化物环自由基Ⅲ（ERFR），环酰氧鎓离子Ⅱ与氯离子反应生成3-氯丙醇双酯，环氧化物环自由基Ⅲ与氯离子反应生成3-氯丙醇-1-单酯，同时环氧化物环自由基Ⅲ在酸性条件下还可以生成缩水甘油酯。

图4 生成3-氯丙醇酯的环氧化物环自由基途径[30]Fig.4 The free radical pathway of epoxide ring to 3-chloropropanol ester

1.3 3-氯丙醇酯的降解

在热处理过程中，3-氯丙醇酯降解和生成是同时发生的[31]。ERMACORA等[32]剔除了形成3-氯丙醇酯的前体物质，单独研究了3-氯丙醇酯的降解反应，发现水对3-氯丙醇酯的降解有重要影响，与不加水相比，加水量为2%时，3-氯丙醇酯含量降低66%，加水量提高至5%时，3-氯丙醇酯含量则降低了82%[32]。在非极性介质中，3-氯丙醇双酯的降解途径如图5所示，3-氯丙醇双酯可通过结构异构化转化成2-氯丙醇双酯而降低其含量[32]；此外，脱氯或脱酰基反应也会使3-氯丙醇酯含量降低[32]，且脱氯反应比脱酰基反应更容易发生，因此，在降解反应期间，主要形成的降解产物是TAG、DAG和MAG，而反应早期形成的非氯化合物是DAG[32]。SVEJKOVSKÁ等[31]在三酰甘油与氯化钠高温加热的实验中发现，3-氯丙醇双酯在生成的同时会降解为相应的单酯，而单酯最终降解成游离的3-氯丙醇。

图5 3-氯丙醇双酯的降解途径和主要降解产物[32]Fig.5 Degradation pathways of 3-MCPD diesters and major degradation products

2 食品中存在的3-氯丙醇酯

据报道，大部分食品中都含有3-氯丙醇酯[33−39]，其中含有油脂的高温加热食品中3-氯丙醇酯含量相对较高，具体见表1。有报道称，人体摄入的3-氯丙醇酯大部分源于含精制植物油的食品[33]，植物油中的3-氯丙醇酯主要形成于脱臭步骤中[4,39]。与菜籽油、大豆油等相比，棕榈油中3-氯丙醇酯的含量更高（>4000 μg/kg）[40]，最高可达 5770 μg/kg，而其他植物油含量在250~2450 μg/kg[41]。油炸食品在炸制过程中，随着水分的蒸发，油渗入食品，3-氯丙醇酯随油一起渗入油炸食品中，故其3-氯丙醇酯主要来源于精炼植物油[13,42−44]。油炸食品中的3-氯丙醇酯含量与其吸油率密切相关，结合表中数据推测，淀粉质类油炸食品中3-氯丙醇酯含量高与其高吸油率有关。食品中脂肪含量对3-氯丙醇酯有很大的影响，由表1可知，脂肪含量越高的食品含有的3-氯丙醇酯也越多。因此，在日常饮食中应尽量减少高温加热的高油脂食品的摄入。

表1 食品中的3-氯丙醇酯含量Table 1 3-chloropropanol ester content in food

续表1

3 工艺条件对食品中3-氯丙醇酯生成的影响

3.1 加热温度和时间对食品中3-氯丙醇酯的影响

温度会影响3-氯丙醇酯生成和降解速率，进而影响3-氯丙醇酯的含量。LI等[47]在模拟植物油热加工模型中发现当加热温度从130 ℃升高到250 ℃时，3-氯丙醇酯的含量呈现先升高后降低的趋势，220 ℃达到最大值，WONG等[48]发现180 ℃的油炸体系比160 ℃的油炸体系检测到更多的3-氯丙醇酯。然而在模拟食品热加工模型中，温度在100~230 ℃范围内，3-氯丙醇酯含量随温度的升高而减少[31,49]，研究认为这种趋势的原因是该体系中高温下3-氯丙醇酯的降解速率比低温下快[31]。不同学者报道的加热温度对3-氯丙醇酯含量影响的差异可能来源于体系的研究对象或体系中含有的水分、氯化钠含量不同。

加热时间也会影响3-氯丙醇酯生成和降解速率。短时间加热时，生成速率大于分解速率，随着3-氯丙醇酯的积累和加热时间延长，分解速率逐渐超过生成速率，3-氯丙醇酯含量下降[31,47−50]。

3.2 pH对食品中3-氯丙醇酯的影响

在菜籽油+氯化钠加热模型体系中，3-氯丙醇酯的含量随pH（4.0~8.0）升高而降低[51]。向油中加入碳酸盐或碳酸氢盐，使反应体系的pH升高至中性或稍碱性，也可以显著降低3-氯丙醇酯的含量[51−52]。结合3-氯丙醇酯的生成机制推测，在酸性条件下氯离子的电离程度大，有利于氯离子亲核取代或与环酰氧鎓离子反应，进而促进3-氯丙醇酯的生成[49]。

3.3 含水量对食品中3-氯丙醇酯的影响

在热加工过程中，TAG会发生水解反应，脱去酯基产生DAG或MAG，DAG比TAG更容易与氯离子反应生成3-氯丙醇酯[31]。因此，TAG水解物的增加会促进3-氯丙醇酯的增加。在加热过程中，含水量越大，DAG和MAG形成的越多，越有利于3-氯丙醇酯的生成[49,52]，然而，含水量超过20%时，3-氯丙醇酯的含量开始降低[31]。推测适当的含水量可以促进油脂水解形成3-氯丙醇酯的前体物质DAG和MAG，进而使3-氯丙醇酯含量增加，而含水量过高时，3-氯丙醇酯又会发生脱氯反应，导致3-氯丙醇酯含量降低。

3.4 NaCl对食品中3-氯丙醇酯的影响

含氯化合物是形成3-氯丙醇酯的重要前体物质之一，在很多食品加工过程中，食盐是常见的调味品和防腐剂，因而会影响3-氯丙醇酯的生成。WONG等[48]发现高氯化钠浓度浸泡的马铃薯油炸后，油炸油中3-氯丙醇酯明显比低浓度浸泡或未浸泡的多，推测氯化钠会进入油中，氯离子与油中的酰基甘油反应生成了3-氯丙醇酯。然而，有学者发现将氯化钠直接加入到油基质中，随氯化钠浓度增加，3-氯丙醇酯含量没有显著变化[49]，而在乳化剂存在的情况下，3-氯丙醇酯生成量则随氯化钠的增加而增大[31]，推测可能是因为氯化钠在油基质中难溶解，而乳化剂可以使氯化钠更好地溶于油中，有利于3-氯丙醇酯的生成[53]。还有研究认为，当体系中氯化钠含量过高（>10 g/100 g）时，3-氯丙醇酯不再随着氯离子浓度增加而增加[49]。张渊博[50]发现体系中氯化钠含量达5%时，反而会抑制3-氯丙醇酯的生成，推测过多的氯化钠使体系中的3-氯丙醇酯进一步受到氯离子的亲核攻击，使得 3-氯丙醇二酯形成 1,3-二氯丙醇酯、2,3-二氯丙醇酯，从而导致3-氯丙醇酯含量降低[50]。

3.5 金属离子对食品中3-氯丙醇酯的影响

食用油含有钙、铁、镁、钠、锌等多种金属离子[54]，且很多金属离子如Fe2+、Fe3+等在某些化学反应中起催化作用。LI等[47]研究了金属离子 Zn2+、Al3+、Cu2+、Fe2+、Fe3+和 Mg2+对 3-氯丙醇酯含量的影响，结果显示，这些金属离子均能促进3-氯丙醇酯的生成，其中Fe3+效果最为显著，而Mg2+的影响最小。且3-氯丙醇酯的含量随着Fe3+含量的升高而增大[52]。ZHANG等[30]研究认为在高温低湿和氯离子存在的条件下，Fe3+和Fe2+是通过促进环酰氧鎓自由基中间体的形成，从而间接促进3-氯丙醇酯的生成。

4 食品中3-氯丙醇酯的控制措施

食品中3-氯丙醇酯来源主要有两个部分，精炼植物油带来的和食品加工过程中生成的，因此，减少3-氯丙醇酯含量的方法主要有两方面：（1）植物油精炼过程，从原油中去除形成3-氯丙醇酯的前体物质如含氯化合物，或控制脱臭温度、时间等工艺参数；（2）食品加工过程，控制工艺条件或添加抗氧化剂、吸附剂等物质[55]。

精炼植物油过程中减少3-氯丙醇酯含量有以下三种方法：（1）在油料作物种植时少用或不用含氯的化肥和农药可以减少原油中的含氯化合物[25]；（2）选择合适的脱臭温度和时间等工艺参数，使3-氯丙醇酯的降解速率大于生成速率[47]；（3）在脱臭过程中加入抗氧化剂如叔丁基对苯二酚、丁基羟基茴香醚、α-生育酚、茶多酚等[56]。

食品加工过程中减少3-氯丙醇酯可以加入吸附剂、抗氧化剂等物质或进行涂膜处理。如在炸油中加入煅烧沸石吸附缩水甘油酯可以减少3-氯丙醇酯的生成[57−58]；一些天然抗氧化剂（α-生育酚、茶多酚、迷迭香提取物、鼠尾草提取物等）和合成抗氧化剂（丁基羟基甲苯（2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol，BHT）、丁基羟基茴香醚（butyl hydroxyanisole，BHA）、叔丁基对苯二酚（tert-Butylhydroquinone, TBHQ）、没食子酸丙酯、抗坏血酸棕榈酸酯等）均可以在高温下阻止环酰氧鎓离子中间体的形成从而抑制3-氯丙醇酯的生成[59]，其中 TBHQ 效果最明显[60−61]，有学者推测TBHQ是一种双酚类抗氧化剂，抑制过氧自由基的效率高[59]。食品油炸前涂上一层可食用果胶膜可以阻止油脂渗入，从而减少油炸食品中3-氯丙醇酯的生成[62]。还有学者提出可以通过改变工艺参数如减少氯化钠的浓度和降低油炸温度来减少3-氯丙醇酯的含量[63]。油炸过程中不同的加热方式也会导致产生的3-氯丙醇酯含量不同，有研究者发现在模拟食用油热加工的体系中，相同的加热时间内，间歇式油炸产生的3-氯丙醇酯明显少于连续式油炸[48]，但是刘海兰[64]在煎炸不同食材的过程中发现采用连续煎炸16 h比间歇煎炸15 h油脂中3-氯丙醇酯的含量要低。推测误差可能源于热处理食品时，连续加热时间长，造成了3-氯丙醇酯的降解或食品体系中含有大量的水，加快了3-氯丙醇酯的降解。

5 展望

3-氯丙醇酯在食品中广泛存在，由于其较高的危害性引起了人们越来越多的关注。目前对于食品中3-氯丙醇酯的研究多集中在检测其含量上，研究认为人体摄入的3-氯丙醇酯主要源于精制的植物油，故在3-氯丙醇酯的控制方面重点关注的是如何降低植物油精制过程中3-氯丙醇酯的生成，以及阻止炸制过程中油脂向食品中渗入。然而部分非油炸食品中3-氯丙醇酯含量也很高，但是其产生的原因以及如何控制尚未见报道。从目前研究已知，食品中3-氯丙醇酯含量随着加热温度和时间的变化而变化，其生成和降解是同时发生的，那么能否通过控制其生成和降解的平衡来达到减少3-氯丙醇酯的目的尚有待探索。