幾種物料擠壓加工過程中的丙烯酰胺形成規律研究

劉艷香，劉 明，譚 斌，田曉紅，汪麗萍

（國家糧食局科學研究院，北京100037）

幾種物料擠壓加工過程中的丙烯酰胺形成規律研究

劉艷香，劉 明，譚 斌*，田曉紅，汪麗萍

（國家糧食局科學研究院，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過擠壓加工后的丙烯酰胺含量，結果表明馬鈴薯-小麥混合粉擠出物中丙烯酰胺的含量最高。并以馬鈴薯-小麥混合粉為基礎原料，研究了添加大豆脫脂蛋白、淀粉、蔗糖等對擠壓加工過程中丙烯酰胺形成的影響。結果表明大豆脫脂蛋白、淀粉、蔗糖等組分對馬鈴薯-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，擠壓產品中丙烯酰胺含量均達最大值。

擠壓加工過程，物料組分，丙烯酰胺

2002年瑞典斯德哥爾摩大學學者首次在油炸及焙烤的馬鈴薯和谷物類食品中發現了具有神經毒性的致癌物丙烯酰胺（AA）[1]，這一研究結果引起了全世界的廣泛關注，現已被WHO國際癌癥研究中心（IRAC）列為可能致癌物質（ⅡA類）[2]，動物實驗和體外細胞實驗都證明丙烯酰胺可導致遺傳物質的改變和癌癥的發生。Stabler等人和Mottram等人研究認為，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，經美拉德反應產生的，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方法等已取得了一定進展。擠壓即食食品是一類新興的食品，近年來發展迅速。食品物料在擠壓過程中經歷了固體輸送、過渡態到溶膠態，最后通過模頭排出，在此過程中，各組分發生一系列的物化反應，有可能導致丙烯酰胺的生成。但我國對擠壓即食食品中丙烯酰胺等化學危害物的控制研究相當薄弱。通過控制擠壓原料的組成特性，在保持擠壓即食食品的口感、色澤、風味等食品品質的基礎上，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過擠壓加工后的丙烯酰胺含量，以及通過添加蔗糖、淀粉、蛋白質改變物料基本組分，探討各組分對丙烯酰胺生成的影響規律，為進一步研究擠壓即食食品中丙烯酰胺的控制技術奠定基礎。

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 均采購自北京玉泉路糧油批發市場；正己烷（重蒸餾）、甲醇（色譜純）、乙酸乙酯（色譜純）、丙烯酰胺標準品（純度≥99%）、2-3，二溴丙酰胺標準品（純度≥99%） Sigma公司；無水硫酸鈉、溴水、氫溴酸、溴化鉀、硫代硫酸鈉等試劑 均為分析純。

SLG30-IV雙螺桿擠壓實驗機 濟南賽百諾科技開發有限公司；電子天平（感量0.0001g） 梅特勒托利多公司；電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；氣相色譜 Aglient 7890GC System；冷凍離心機 AllegraTM64R Centrifuge；固相提取裝置 石墨化炭黑柱，規格為Carbotrap B.SPE，500mg/3mL；萬能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；0.45μm有機系濾膜，水浴振蕩器。

1.2 實驗方法

1.2.1 擠壓實驗方案設計 擠壓機，模孔直徑0.39cm，長徑比為23∶1；擠壓實驗前24h測定混合粉的水分含量，調節物料水分含量為17%；腔體溫度的I區、II區、III區、Ⅳ分別為：60、90、120、140℃；螺桿轉速275r/min。

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

1.2.3 丙烯酰胺含量的測定 采用國標GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的測定方法——氣相色譜－質譜（GC－MS）法”和周宇等的“氣相色譜法測定食品中丙烯酰胺”[8]相結合的方法。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 采用國標GB/T5009.204-2005“食品中丙烯酰胺含量的測定方法——氣相色譜－質譜（GC－MS）法。

1.2.3.2 氣相色譜條件 色譜柱：DB-WAX柱30m× 0.32mm×0.25mm；檢測器：ECD檢測器，檢測器溫度：375℃；恒流1.6mL/min，不分流；進樣量：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；進樣口溫度：260℃；進樣量：2μL；尾吹N2：60mL/min。

1.3 數據處理

數據采用統計均數（平均數）±標準差來表示，用t檢驗進行顯著性分析。實驗數據采用Spss軟件作差異性分析。

2 結果與討論

2.1 幾種谷物及雜豆粉擠壓前后產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定結果。由表1可知，原料中均未檢出丙烯酰胺；經擠壓處理后，馬鈴薯粉∶小麥粉（3∶7）和小麥粉的擠壓產品中檢出丙烯酰胺，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、蠶豆粉等的擠壓產品中均未檢出丙烯酰胺，說明淀粉、蛋白質的含量對丙烯酰胺的形成影響不顯著。天冬酰胺和還原糖發生的美拉德反應是生成大量丙烯酰胺的主要途徑。Martin等[10]人研究發現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品中檢出丙烯酰胺可能是由其富含的天冬酰胺在高溫擠壓過程中轉化而成的。

2.2 物料組分對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響

2.2.1 添加大豆脫脂蛋白對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響 圖1為添加大豆脫脂蛋白對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響結果。由圖1可知，與對照（未添加蛋白）相比，添加大豆脫脂蛋白使擠壓產品中丙烯酰胺含量增加，均分布在3000μg/kg左右；低于8%時，隨著添加量的增加，丙烯酰胺含量增加，在添加量8%時，達最大值；高于8%時，隨著大豆脫脂蛋白添加量的增加，擠壓產品中丙烯酰胺含量呈顯著下降趨勢（p＜0.05）。產生該結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、高剪切環境中，蛋白質的分子結構發生伸展、重組，分子表面的電荷重新分布，分子間氫鍵、二硫鍵部分斷裂，增強了降解程度，蛋白結構由折疊狀變為直線狀，使原封閉在分子內的天冬酰胺殘基暴露出來，加速了美拉德反應，導致產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，由于蛋白質可以通過與淀粉競爭糊化所需的水分而限制淀粉糊化降解的程度[13]，導致發生美拉德反應的還原糖濃度降低，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擠壓產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 添加玉米淀粉對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響 圖2為添加玉米淀粉對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響結果。由圖2可知，在淀粉添加量5%時，與未添加淀粉相比較，擠壓產品中丙烯酰胺含量增加；在淀粉添加量高于5%時，隨著淀粉添加量的增加，產品中丙烯酰胺含量呈顯著下降趨勢（p＜0.05）；當淀粉添加量大于10%時，丙烯酰胺含量趨于一致，均接近于對照值。產生該現象可能的原因是，在高溫、高剪切環境下，剪切作用“撕裂”淀粉粒，打開分子間的氫鍵，催進淀粉糊化；淀粉的結晶部分在受熱及剪切作用下發生熔融，分子鏈間氫鍵斷裂，支鏈級分降解，鏈發生移動，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生的美拉德反應[14]。由于擠壓過程是一個非平衡態的過程，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力決定淀粉的降解程度，當淀粉添加量大于5%時，隨著淀粉添加量的增加，單位淀粉顆粒吸收熱能以及機械能逐漸降低，淀粉的降解程度降低，暴露出的羰基基團減少，減弱了美拉德反應的進行，進而降低了丙烯酰胺的形成，最終導致丙烯酰胺的含量趨于一致。

圖2 添加玉米淀粉對擠壓產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 添加蔗糖對擠壓產品中丙烯酰胺含量的影響 圖3為添加不同量的蔗糖對擠壓產品中的丙烯酰胺含量的影響結果。由圖3可知，與對照相比，添加蔗糖均使丙烯酰胺含量增加；在蔗糖添加量低于12%時，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，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%時丙烯酰胺含量達到最高值（2456.02± 133.08）μg/kg。在蔗糖添加量小于12%時，由于蔗糖在擠壓過程中經受高溫、高壓、高剪切力的環境，熔融后糖苷鍵部位發生裂解，降解為果糖、葡萄糖等還原性糖，加速了美拉德反應，導致產品中丙烯酰胺的含量增加，本研究結果與Camire等人的研究發現部分蔗糖因轉化成了葡萄糖和果糖與蛋白質發生了美拉德反應而損失相一致[15]。當蔗糖的添加量大于12%時，隨著蔗糖添加量的增加，熔融體的玻璃化轉變溫度降低，導致收縮時間延長，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，減弱了蛋白發生變性、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，進而降低了丙烯酰胺的生成量[16-18]。

圖3 添加蔗糖對擠壓產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 結論

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

3.2 在擠壓過程中，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%）及蔗糖均使擠壓產品中丙烯酰胺含量增加；隨著蛋白添加量的增加，擠壓產品中丙烯酰胺含量呈現先增加后下降的趨勢；隨著淀粉添加量的增加，淀粉添加量小于5%時，丙烯酰胺含量顯著增加（p＜0.05），當添加量高于5%時，丙烯酰胺含量顯著降低，當添加量高于10%時，丙烯酰胺含量趨于一致；隨著蔗糖添加量的增加，擠壓產品中丙烯酰胺含量呈先增加后降低的趨勢，其中蔗糖添加量12%時丙烯酰胺含量達到最高值（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”國家科技支撐計劃重點項目課題資助（2009BADB9B07-08）。