甘油三酯與氯化鈉模型反應(yīng)中3-氯-1,2-丙二醇的形成研究

黃明泉，吳繼紅，孫培培，孫寶國

甘油三酯與氯化鈉模型反應(yīng)中3-氯-1,2-丙二醇的形成研究

黃明泉，吳繼紅，孫培培，孫寶國

（北京工商大學(xué) 北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點實驗室，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，通過對在熱反應(yīng)條件下的甘油三酯與氯化鈉模型反應(yīng)產(chǎn)物中的3-氯-1,2-丙二醇（3-chloro-1,2-propanediol，3-MCPD）含量進行分析，探討其形成機理，并對物料類別、物料配比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等影響因素進行了研究。結(jié)果表明：溫度升高可急劇增加3-MCPD的含量；高質(zhì)量分數(shù)NaCl可抑制3-MCPD的生成；油酸甘油酯用量增大會促進3-MCPD的生成；硬脂酸甘油酯用量對3-MCPD含量影響不大，原因可能與水解難易程度相關(guān)；反應(yīng)時間對3-MCPD含量的影響較復(fù)雜，油酸甘油酯模型中3-MCPD含量隨時間延長先增大后減小，再增大，而硬脂酸甘油酯則是先減小后增大，再減小；油酸甘油酯模型中3-MCPD的含量整體上高于硬脂酸甘油酯。

3-氯-1,2-丙二醇；甘油三酯；氯化鈉；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

氯丙醇類化合物是國際公認的食品污染物，已被列為食品添加劑聯(lián)合專家委員會（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food and Additives，JECFA）優(yōu)先評價項目[1-2]。該類化合物是丙三醇上的羥基被氯原子取代后所構(gòu)成一系列同系物同分異構(gòu)體的總稱，包括3-氯-1,2-丙二醇（3-chloro-1,2-propanediol，3-MCPD）、2-氯-1,3-丙二醇（2-chloro-1,3-propanediol，2-MCPD）、1,3-二氯-2-丙醇（1,3-dichloro-2-propanol，1,3-DCP）和2,3-二氯-1-丙醇（2,3-dichloro-1-propanol，2,3-DCP）4 種。國內(nèi)外研究表明3-MCPD常見于膨化食品、餅干、面包、肉制品、水解蛋白調(diào)味劑和醬油等食品中，已被認為具有生殖毒性、神經(jīng)毒性、且能引起腎臟腫瘤，是確認的人類致癌物[3-7]。

為了保障食品安全，國內(nèi)外已對氯丙醇的形成機理[8-11]和檢測方法[12-17]等都做了較多的研究。根據(jù)氯丙醇的形成機理文獻報道，食品中氯丙醇的來源主要有兩種途徑：一是外源性污染，如包裝材料的污染、食品原料的引入；二是食品在制造過程中生成，如醬油、蠔油等調(diào)味品在加工過程中油脂的水解產(chǎn)物會與氯化物反應(yīng)生成氯丙醇[8-11]。近年來，國外研究者還對氯丙醇的脂肪酸酯（固態(tài)氯丙醇）進行了研究，如在一些動植物油脂及嬰幼兒奶粉中檢測到高濃度的氯丙醇酯，它包括氯丙醇脂肪酸單甘油酯和脂肪酸雙甘油酯，這些固態(tài)氯丙醇可通過水解進一步生成氯丙醇[12-13]。

目前對熱反應(yīng)香精中氯丙醇的形成的機理和影響因素未見其他文獻報道，僅前期本課題組以甘油、油脂和氯化鈉為模型考察了氯丙醇的形成過程[18-19]。

本實驗繼續(xù)通過單一脂肪酸甘油酯與氯化鈉組成的模型反應(yīng)來考察熱反應(yīng)香精制備過程中的氯丙醇的形成過程與影響因素，如物料配比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等，為探討熱反應(yīng)肉味香精中3-MCPD的形成機理和如何控制3-MCPD含量水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油酸甘油酯、硬脂酸甘油酯（純度＞99%） 北京百靈威科技有限公司；正己烷、乙醚、無水硫酸鈉、氯化鈉（均為分析純）、硅藻土（化學(xué)純） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；七氟丁酰基咪唑（分析純）、3-氯-1,2-丙二醇標準品（純度＞98%） 東京化成工業(yè)株式會社。

1.2 儀器與設(shè)備

精密微量移液槍（P型：P1 0、P20、P100）、氣密針（1 mL） 北京吉爾森科技有限公司；玻璃層析柱（柱長40 cm，柱內(nèi)徑2 cm） 北京欣維爾玻璃儀器有限公司；KH-500DE 型數(shù)控超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司；EYELAN-100 L型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海愛朗儀器有限公司；N-EVAP型氮吹儀 上海思伯明儀器設(shè)備有限公司；TRACE ULTRA-DSQⅡ型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀美國Thermo公司。

1.3 方法

模型反應(yīng)實驗中3-MCPD及反應(yīng)物含量均按其占反應(yīng)物總質(zhì)量來計算，其中3-MCPD含量以μg/kg來計，其他反應(yīng)物用量以質(zhì)量分數(shù)表示。

1.3.1 NaCl質(zhì)量分數(shù)對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

以反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和一定量的NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應(yīng)管中，在100 ℃條件下反應(yīng)2 h后停止，取出，冷卻，樣品經(jīng)凈化衍生化進行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析，定量。

1.3.2 甘油酯質(zhì)量分數(shù)對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

以反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取一定量的油酸甘油酯、硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應(yīng)管中，在100 ℃條件下反應(yīng)2 h后停止，取出，冷卻，樣品經(jīng)凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.3 反應(yīng)溫度對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

以反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應(yīng)管中，在不同溫度下反應(yīng)2 h后停止，取出，冷卻，樣品經(jīng)凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.4 反應(yīng)時間對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

以反應(yīng)產(chǎn)物中3-M C P D含量為評價指標，加水1.00 g，取0.05 g油酸甘油酯或硬脂酸甘油酯和0.10 g NaCl加入已放入磁力攪拌子的密封耐壓反應(yīng)管中，在100 ℃條件下反應(yīng)一段時間后停止，取出，冷卻，樣品經(jīng)凈化衍生化進行GC-MS分析，定量。

1.3.5 色譜條件

毛細管色譜柱，Rtx-5ms柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；進樣口溫度230 ℃；傳輸線溫度250 ℃；載氣氦氣，恒壓模式41.4 kPa（6 psi）；不分流進樣，進樣體積1.0 μL；升溫程序，初始50 ℃保持1 min，以2 ℃/min速率升至90 ℃，再以40 ℃/min的速率升至250 ℃，并保持5 min。

1.3.6 質(zhì)譜條件

EI源，能量為70 eV；離子源溫度為200 ℃；溶劑延遲為12 min；選擇離子掃描（SIM），以m/z 253、275、289、291、453作為3-MCPD定性鑒別離子，并考察各碎片離子與m/z 453離子的強度比，要求4 個離子（m/z 253、275、289、291）中至少2 個離子的強度比不得超過標準溶液的相同離子強度比的±20%；以m/z 253作為3-MCPD定量分析離子。

1.3.7 3-MCPD含量的測定

采用GC-MS測定3-MCPD含量，參照GB/T 5009.191—2006《食品中氯丙醇含量的測定》[17]方法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl質(zhì)量分數(shù)對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

圖1 NaCl質(zhì)量分數(shù)對熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響Fig.1 Effect of NaCl concentration on the generation of 3-MCPD

由圖1可知，油酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，NaCl質(zhì)量分數(shù)在5%～25%范圍內(nèi)，3-MCPD含量先增加然后減少，在大約7%附近達到最大，當NaCl質(zhì)量分數(shù)大于7%時開始呈下降趨勢。3-MCPD含量隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，可能是因為氯離子質(zhì)量分數(shù)的增大有利于親核反應(yīng)的發(fā)生，所以其生成速率加快，含量急劇增加；隨后3-MCPD含量降低的原因可能是由于氯離子質(zhì)量分數(shù)過高使3-MCPD繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)形成了1,3-DCP和2,3-DCP[18]，而且二氯代反應(yīng)速率超過了其生成速率。

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，NaCl質(zhì)量分數(shù)在5%～25%范圍內(nèi)，隨NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加，3-MCPD含量逐漸降低。同油酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中NaCl因素的影響趨勢類似，推測是3-MCPD繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生了1,3-DCP和2,3-DCP。

總體上來說，在這兩個脂肪酸甘油酯和氯化鈉反應(yīng)模型中，NaCl質(zhì)量分數(shù)對3-MCPD含量的影響大體一致，但由于結(jié)構(gòu)上的差異，油酸甘油酯生成3-MCPD的量整體上高于硬脂酸甘油酯。

2.2 脂肪酸甘油酯質(zhì)量 分數(shù)對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

圖2 脂肪酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)對熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響Fig.2 Effect of fatty glyceride concentration on the generation of 3-MCPD

由圖2可知，在油酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，油酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)在5%～15%范圍內(nèi)，3-MCPD的含量基本上不變，但當其超過15%時，3-MCPD含量呈快速增長趨勢。這可能與油酸甘油酯的水解過程有關(guān)，油酸甘油酯經(jīng)過2 步反應(yīng)生成3-MCPD，其中2 步都是親核取代反應(yīng)，而影響親核取代反應(yīng)的反應(yīng)速率的主要因素是親核試劑的濃度、反應(yīng)溫度等，與反應(yīng)物的濃度關(guān)系不大，所以當親核試劑H2O和NaCl質(zhì)量分數(shù)不變時，反應(yīng)物油酸甘油酯在0.05～0.30 g之間變化時，3-MCPD的含量基本不變化[20]。但當油酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)過大時，水解向平衡向有利于水解的方向進行，從而導(dǎo)致3-MCPD一系列的前體物濃度加大，最后3-MCPD的生成速率加大而含量增加。

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，當硬脂酸三甘酯質(zhì)量分數(shù)在5%～30%范圍內(nèi)，3-MCPD含量有一定程度的緩慢增加，但不顯著。

對比兩種脂肪酸甘油酯的影響趨勢，可以看出當油酸甘油酯用量較大時，可急劇增加3-MCPD的含量，而硬脂酸甘油酯的用量對3-MCPD含量的影響不大。

2.3 反應(yīng)溫度對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

圖3 反應(yīng)溫度對熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on the generation of 3-MCPD

由圖3可知，在兩種脂肪酸甘油酯和NaCl反應(yīng)體系中，反應(yīng)溫度對3-MCPD含量的影響較為顯著：在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度升高，3-MCPD含量變化不大，但在高溫范圍內(nèi)（油酸甘油酯超過120 ℃時、硬脂酸甘油酯超過140 ℃時），隨著溫度升高，3-MCPD含量顯著增加。

這種變化規(guī)律原因有兩方面：一方面是反應(yīng)溫度升高，使生成3-MCPD反應(yīng)所需的活化能易于被達到，使得反應(yīng)速率增加[21]；另一方面高溫可以極大地促進甘油三酯及其衍生物的水解速率增大，從而使得生成3-MCPD前體物濃度增大，相應(yīng)的生成3-MCPD的速率也增加。

對比這兩種脂肪酸甘油酯模型溫度的影響可以看出：溫度對3-MCPD生成量的影響趨勢基本一致，這與Calta等[22]的研究報道基本一致。

2.4 反應(yīng)時間對模型熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響

由圖4可知，在油酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，反應(yīng)時間對3-MCPD含量的影響較為復(fù)雜：在1～2 h內(nèi)呈上升趨勢，在2～6 h內(nèi)呈下降趨勢，6～8 h內(nèi)又呈上升趨勢。反應(yīng)開始時可能受反應(yīng)速率的影響，3-MCPD生成較慢，隨著反應(yīng)進行，生成的3-MCPD逐漸增多。而繼續(xù)增加反應(yīng)時間，脂肪氧化降解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物增多，這些中間產(chǎn)物如醛酮類、胺類可以與3-MCPD發(fā)生反應(yīng)從而降低3-MCPD含量。另外3-MCPD在一定條件下也可能降解成甘油和縮水甘油，使其含量下降。3-MCPD含量在6 h以后又增加的原因有待進一步研究。

圖4 反應(yīng)時間對熱反應(yīng)產(chǎn)物中3-MCPD含量的影響Fig.4 Effect of reaction time on the generation of 3-MCPD

在硬脂酸甘油酯與NaCl模型反應(yīng)中，在1～4 h內(nèi)，反應(yīng)生成的3-MCPD變化不大，4 h以后3-MCPD含量明顯增加，在6 h左右達到最大值，之后隨著反應(yīng)時間的延長，3-MCPD含量急劇減少。反應(yīng)開始受反應(yīng)速率影響，3-MCPD含量變化不大，隨著時間的延長，硬脂酸甘油酯的水解程度增大，從而使3-MCPD生成速率增加、含量上升，而6 h以后隨著剩余硬脂酸甘油酯含量的降低，生成的3-MCPD逐漸減少，且此時也有一定程度的3-MCPD降解，使其含量呈現(xiàn)下降趨勢。

對比這兩種脂肪酸甘油酯模型可以看出，反應(yīng)時間對3-MCPD含量的影響比較復(fù)雜，不同脂肪酸甘油酯影響趨勢不同。

3 結(jié) 論

通過對油酸甘油酯和硬脂酸甘油酯分別與NaCl組成的兩種模型反應(yīng)中的3-MCPD含量進行研究，發(fā)現(xiàn)總體上溫度升高可急劇增加3-MCPD含量；高質(zhì)量分數(shù)NaCl可抑制3-MCPD的生成；油酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)增大會促進3-MCPD的生成，硬脂酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)對3-MCPD含量影響不大，原因可能與水解難易程度相關(guān)；反應(yīng)時間對3-MCPD含量的的影響較復(fù)雜，油酸甘油酯模型中3-MCPD含量隨反應(yīng)時間延長先增大后減小再增大，而硬脂酸甘油酯則是先減小后增大再減小；油酸甘油酯模型中3-MCPD含量整體上高于硬脂酸甘油酯。

[1] Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additive (JECFA). Safety evaluation of certain food additives and containts[C]//The Fiftyseventh Meeting of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA). Rome, Italy: WHO Food Additives Series 48, 2002: 401-432.

[2] 張燁, 丁曉雯. 食品中氯丙醇污染及其毒性[J]. 糧食與油脂, 2005(7): 44-46.

[3] FRANKE K, STRIJOWSKI U, FLECK G, et al. Influence of chemical refining process and oil type on bound 3-chloro-1,2-propanediol contents in palm oil and rapeseed oil[J]. LWT-Food Science and Technology, 2009, 42: 1751-1754.

[4] SKAMARAUSKAS J, CARTER W, FOWLER M, et al. The selective neurotoxicity pr oduced by 3-chloropropanediol in the rat is not a result of energy deprivation[J]. Toxicology, 2007, 232(3): 268-276.

[5] EI RAMY R, OULD ELHKIM M, LEZMI S, et al. Evaluation of the genotoxic potential of 3-monochloropropane-1,2-diol (3-MCPD) and its metabolites, glycidol and β-chlorolactic acid, using the single cell gel/ comet assay[J]. Food and Chemical Toxicology, 2007, 45(1): 41-48.

[6] CHO W S, HAN B S, LEE H, et al. Subchronic toxicity study of 3-monochloropropane-1,2-diol administered by drinking water to B6C3F1 mice[J]. Food and Chemical Toxicology, 2008, 46(5): 1666-1673.

[7] 張明霞, 龐建光, 周建科. 氣相色譜法測定膨化食品中氯丙醇類化合物[J]. 食品科學(xué), 2004, 25(3): 147-149.

[8] HAMLET C G, SADD P A, GRAY D. Generation of monochloropropandiols (MCPDs) in model dough systems. 1. leavened doughs[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(7): 2059-2066.

[9] ROBERT M C, OBERSON J M, STADLER R H. Model studies on the formation of monochloropropandiols in the presence of lipase[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(16): 5102-5108.

[10] HASNIP S, CREWS C, BREREPON P, et al. A concerted study of factors affecting the formation of 3-MCPD in foods[J]. Polish Journal of Food and Nutrit ion Science, 2002, 11: 119-121.

[11] 羅貴倫. 氯丙醇產(chǎn)生的原因及清除辦法[J]. 食品科學(xué), 2002, 23(5): 142-145.

[12] RAZAK R A A, KUNTOM A, SIEW W L, et al. Detection and monitoring of 3-monochloropropane-1,2-diol (3-MCPD) esters in cooking oils[J]. Food Control, 2012, 25(1): 355-360.

[13] KüSTERS M, BIMBER U, OSSENBRüGGEN A, et al. Rapid and simple micromethod for the simultaneous determination of 3-MCPD and 3-MCPD esters in different foodstuffs[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(11): 6570-6577.

[14] BRERETON P, KELLY J, CREWS C, et al. Determination of 3-chloro-1,2-propanediol in foods and food ingredients by gas chromatography with mass spectrometric detection: collaborative study[J]. Journal of AOAC International, 2001, 84(2): 455-465.

[15] 張思群, 王志元, 許毅. 調(diào)味品中氯丙醇的GC/ECD和GC/MS/MS衍生化檢測方法研究及應(yīng)用[J]. 分析科學(xué)學(xué)報, 2003, 19(6): 543-545.

[16] VAIL BERGEN C A, COLLIER P D, CROMIE D D O. Determination of chloropropanols in pretein hydrolystates[J]. Journal of Chromatography A, 1992, 589(12): 109-119.

[17] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 5009.191—2006食品中氯丙醇含量的測定[S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.

[18] 張岱, 孫培培, 黃明泉, 等. 甘油與氯化鈉模型熱反應(yīng)中生成3-氯-1,2-丙二醇的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2013, 34(9): 74-78.

[19] 吳繼紅, 黃明泉, 孫培培, 等. 2種油脂與氯化鈉熱反應(yīng)模型中氯丙醇的生成[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2014, 40(2): 42-46.

[20] 高鴻賓. 有機化學(xué)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2010: 251-255.

[21] 李松林, 周亞平, 劉俊吉. 物理化學(xué)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2009: 529-530.

[22] CALTA P, VELí?DEK J, DOLE AL M, et al. Formation of 3-chloropropane-1,2-diol in systems simulating processed foods[J]. European Food Research and Technology, 2004, 218(6): 501-506.

Formation of 3-Chloro-1,2-propanediol in a Model Reaction of Triglyceride and Sodium Chloride

HUANG Ming-quan, WU Ji-hong, SUN Pei-pei, SUN Bao-guo
(Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

3-Chloro-1,2-propanediol (3-MCPD) is a kind of food contaminant that is recognized as carcinogenic for humans. In this study, gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to analyze the amount of 3-MCPD generated from the reaction between triglyceride and sodium chloride under thermal conditions. Meanwhile, the mechanism of 3-MCPD generation was explored. Results showed that 3-MCPD was rapidly generated with increasing triolein amount and reaction temperature. High levels of NaCl inhibited the formation of 3-MCPD, which, on the contrary, was favored by higher levels of triolein. Despite this, the amount of stearin had no obvious impact on the generation of 3-MCPD, which may be associated with the difficulty in hydrolysis. However, the reaction time exhibited a relatively complicated impact on the generatio n of 3-MCPD. With increasing reaction time, the production of 3-MCPD from the reaction between triolein and NaCl showed an initial increase, followed by a decrease and then an increase again, but exhibited an opposite trend when olein was replaced by stearin. Therefore, the formation of 3-MCPD in the triolein model was higher than in the stearin model.

3-chloro-1,2-propanediol; triglyceride; sodium chloride; gas chromatography-mass spectrometry

TS207.3

A

1002-6630（2014）17-0008-04

10.7506/spkx1002-6630-201417002

2013-10-15

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31101350）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK17B11-4）；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進與培養(yǎng)計劃項目（CIT&TCD201404034）

黃明泉（1977—），男，副教授，博士，研究方向為香料香精。E-mail：hmqsir@163.com