食品中α-二羰基化合物產生的危害及控制

蔡智立，陳詩煒，陳媛媛，周夢舟， 馮年捷，吳茜*

(1.湖北工業大學 生物工程與食品學院，武漢 430068；2.工業發酵湖北省協同創新中心， 武漢 430068；3.湖北省食品發酵工程技術研究中心，武漢 430068；4.湖北工業大學 材料與化學學院，武漢 430068)

α-二羰基化合物是美拉德反應(MR)中具有高度反應活性的中間產物，也是AGEs形成的前體物質。其極易在高溫條件(煎炸、燒烤等)下形成，可以由單糖、低聚糖或多聚糖在焦糖化反應中的部分羥醛縮合和自動氧化產生的碎片生成，也可由阿馬多利化合物(Amadori compounds)的裂解產生。因每個分子含有2個羰基結構而具有高度的活性，如3-脫氧葡萄糖醛酮(3-DG)、丙酮醛(MGO)、2，3-丁二酮、乙二醛(GO)，所以能引起蛋白質變性，導致營養流失和AGEs的形成，而且其本身具有毒性，同時還有快速生成對人體有危害的AGEs的特性，兩者都參與許多慢性疾病的發展，故研究α-二羰基化合物的產生來源及控制途徑具有非常重要的意義。

1 產生來源

MR、焦糖化反應、脂質過氧化和微生物發酵是α-二羰基化合物產生的主要來源，除此之外，用紫外輻射乙醛、丙烯醛、丙醛和丙酮時，會產生GO和MGO[1]。眾所周知，α-二羰基化合物很容易在MR的前期過程中產生，然后將會以高反應活性去攻擊其他大分子物質，從而造成一定的危害。焦糖化反應也是形成α-二羰基化合物常見的途徑，主要是一些糖類經過反羥醛分裂形成的，其中氧氣有著很重要的作用[2]。研究表明，脂質或者富脂食品能夠在加熱過程中氧化降解產生大量有毒的α-二羰基化合物，物質中飽和脂肪酸和不飽和脂肪含量會有影響，通常來說，不飽和脂肪酸越多，生成的α-二羰基化合物越多；當溫度從100 ℃加熱至200 ℃時，黃油和人造奶油產生的α-二羰基化合物總量分別提高了55倍和15倍[3]。在發酵過程中，微生物代謝會在產品中釋放α-二羰基化合物，Flamini R等[4]為探究蘋果酸和乳酸發酵對葡萄酒中羰基化合物的影響，采用酒類球菌商業菌株發酵的葡萄酒，并與未發酵葡萄酒進行比較，觀察到GO的顯著增加。在微生物發酵食品如醋、酒、牛奶、啤酒等中都含有一定量的α-二羰基化合物[5]?？梢?，α-二羰基化合物在食品中廣泛存在。

眾所周知，調味品有著改善食品風味，賦予食品特殊味感，使食品鮮美可口，增進食欲的作用，在餐飲行業中扮演著重要的角色。其中α-二羰基化合物是形成香味物質的重要前提，它自身可以聚合形成具有肉香和烤肉香的含氧雜環化合物糠醛、呋喃等，例如3-脫氧鄰酮醛糖脫水形成糠醛[6]。

我們也可以發現，越來越多的美食如湯、魚丸、肉等大都依賴于能使它們吃起來更加可口的調味品，隨著生活質量的提高，人們對于調味品也有著更高的追求，為了突出“健康”、“自然”、“綠色”和個性化等元素，調味品行業也將朝著更加好的方向發展。但是在醋、酒中可以檢測到一定含量的α-二羰基化合物，它在人體內積累到一定含量時也將對人體造成危害。中國咸味香精近2年在一些共性關鍵技術方面取得了突破，其中有脂肪調控氧化技術，這項技術將會使產品的含油率下降[7]，這在一定程度上也可減少因脂肪過氧化而產生的α-二羰基化合物的含量。并且，大多數調味品中氨基酸和多肽的含量很高，若調味品中存在α-二羰基化合物，它們將發生MR從而生成有毒物質AGEs。

2 產生的危害

越來越多臨床和臨床前的研究表明，當人體攝入的α-二羰基化合物積累到一定的程度時就會發揮相應的毒性作用，從而危害人類的健康，因此不得不引起大家的廣泛關注。

2.1 糖尿病與α-二羰基化合物的關系

現在發現α-二羰基化合物能夠對糖尿病相關組織造成損害，從而增大糖尿病的患病幾率。引起糖尿病的關鍵環境因素往往是飲食。飲食中的α-二羰基化合物因有很強的生物反應活性而與蛋白質形成內外交聯反應，從而造成一些生物大分子結構和功能的改變，最終造成一定的毒性作用。

一般而言，人體內α-二羰基化合物的含量比較低，這是因為正常人體內含有多種降解α-二羰基化合物的酶，它們能夠高效、快速地將α-二羰基化合物及時地代謝掉，從而使α-二羰基化合物在體內維持較低的水平。但是，高血糖環境能夠促進糖基化反應，從而使α-二羰基化合物生成量增加。

2.2 糖尿病腎病

α-二羰基化合物是形成AGEs的前體物質，在合適的條件下就會形成AGEs，從而造成AGEs的積累。當糖尿病患者體內α-二羰基化合物和有毒物質AGEs的含量達到一定的水平時就會對腎臟造成一定的損傷，促使糖尿病腎病的發生，進而對糖尿病患者的身體健康進一步造成威脅。另外，有許多研究發現，在糖尿病腎病患者體內，血漿中MG的水平顯著升高。

2.3 糖尿病心肌病

已知乙二醛酶-1(GLO1)可減少MGO介導的炎癥反應，預防糖尿病心室功能障礙。Branka Vulesevic等[8]通過建立糖尿病小鼠模型發現，與非糖尿病對照相比，野生型糖尿病心臟中內皮細胞數量減少，血管內皮細胞的神經調節蛋白生成等在GLO1-糖尿病小鼠心臟中保持不變，與野生型糖尿病組相比心肌細胞死亡較少。在高血糖8周期間，GLO1過度表達延遲并限制了心功能的喪失。在體外，糖尿病中內皮細胞損失會因MGO含量的升高而增加，而且MGO還會促進炎癥的發生，這些都會讓糖尿病心肌病惡化。

2.4 糖尿病動脈粥樣硬化

糖尿病經常伴隨著動脈粥樣硬化的發生，糖尿病人群中動脈粥樣硬化的患病率較正常人高[9]。Chen Y J等[10]采用左旋硝基精氨酸甲酯和高脂飼料喂養法分別喂養20只健康大鼠(NC)和20只糖尿病動脈粥樣硬化大鼠(Model)，在它們的血清中發現，與NC組相比，Model組中MGO和3-DG含量都較高，表明α-羰基化合物含量升高可能是糖尿病動脈粥樣硬化的發病原因之一。

2.5 糖尿病炎癥

曾有研究報道，AGEs及其受體之一RAGE參與了糖尿病患者慢性免疫失衡的誘導[11]。這種相互作用將免疫細胞吸引到擴散的糖化組織中，并激活這些細胞以誘導炎性損傷，以擾亂糖尿病傷口的正常免疫節律。若飲食中的MGO含量增加，那么MGO衍生的AGEs可誘導一些細胞發生炎癥反應。

3 抑制途徑

3.1 反應條件的控制

一般而言，溫度、pH、貯藏時間對食品中α-二羰基化合物的含量有很大的影響，找出它們與α-二羰基化合物的關系就能很好地控制α-二羰基化合物的生成量。

3.1.1 溫度

Goncuoglu T N等[12]建立了榛子烘烤過程中MR和焦糖化反應的綜合動力學模型，結果顯示，α-二羰基化合物反應的溫度依賴性很復雜，不能用一般的理論方程來解釋。呂夢莎等[13]為了解反應溫度對MR中形成的α-二羰基化合物的影響，以鄰苯二胺(OPD)捕獲“核糖/L-半胱氨酸MR模擬體系”中的α-二羰基化合物，結果顯示溫度為115 ℃時，α-二羰基化合物的含量較高，高溫長時間加熱不利于α-二羰基化合物的形成。馬毛毛[14]實驗顯示，在模擬體系中，將各種糖在各種溫度下加熱20 min可知GO，MGO和2,3-丁二酮這3種物質的含量隨著加熱溫度的增加，整體呈增加的趨勢。黃啟瑞等[15]探究了溫度對葡萄糖-甘氨酸模擬美拉德反應體系中3種α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影響，結果表明：在80～140 ℃范圍內，溫度的升高會促進體系中MGO和GO的生成，而3-DG在溫度達到110 ℃時達到峰值。

3.1.2 pH

黃啟瑞等探究了pH對葡萄糖-甘氨酸模擬MR體系中3種α-二羰基化合物3-DG、GO和MGO生成的影響，結果顯示：pH在5～9范圍內對3種物質的影響趨勢和溫度類似，MGO和GO的生成隨pH的升高而不斷增加，而3-DG在pH為6時含量達到最高，隨后急劇降低。

3.1.3 反應時間

呂夢莎等以鄰苯二胺(OPD)捕獲“核糖/L-半胱氨酸MR模擬體系”中的α-二羰基化合物,實驗結果顯示：在一定的溫度范圍內，隨著反應時間的增加，α-二羰基化合物的生成量總體上呈增加的趨勢。

3.2 底物種類

在相同的反應條件下，對不同類糖而言，α-二羰基化合物的生成速率的排序：單糖>二糖>寡聚糖>多糖；同類糖：還原性強的糖>還原性弱的糖。所以，為了減少α-二羰基化合物的生成，在生產過程中盡量選擇還原性較小的原料，比如糖類選擇淀粉為原料，選擇原料的順序應與α-二羰基化合物生成速率的順序相反。

馬毛毛實驗研究顯示: 當加熱溫度為120 ℃時，這7種糖與賴氨酸發生美拉德反應產生α-二羰基化合物含量的大小順序為果糖>葡萄糖>核糖>麥芽糖>蔗糖>P-環糊精>淀粉。

3.3 外源物的添加

3.3.1 天然產物的添加

這些天然產物主要是一些黃酮類的物質，它們一般來自于水果、蔬菜、茶、葡萄酒、種子或是植物根。

3.3.1.1 槲皮素與葛根素

槲皮素與葛根素是2種常見的黃酮類物質，它們具有良好的抗氧化作用。孫濤等[16]試驗研究表明，槲皮素能促進MR早期產物果糖胺和5-HMF的生成，對反應中期的二羰基化合物和末端熒光性產物(AGEs)具有較強的抑制作用，而且槲皮素以及葛根素對MR中二羰基化合物的生成皆有抑制作用，在反應時間為9 h，樣品濃度為5.0 mmol/L時，槲皮素與葛根素對二羰基化合物的抑制率分別為23.1%和29.0%；同濃度氨基胍組有更好的抑制效果，但是氨基胍是有機合成類物質，有毒性。

3.3.1.2 兒茶素

兒茶素作為一種還原性多元酚類物質，它具有清除自由基和抗氧化的功能，它廣泛存在于植物中，尤其是茶葉中。表兒茶素(EC)和表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)等都是兒茶素的典型代表物質，它們都具有酚類結構，從而有相似的性質和功能。兒茶素能夠很好地捕獲α-二羰基化合物，從而能夠預防和治療由α-二羰基化合物引起的相關疾病。楊立軍[17]實驗以小牛胸腺組蛋白H1和牛血清白蛋白為研究對象，探討天然產物兒茶素能否抑制MGO和甘油醛誘導的蛋白非酶糖基化和羧甲基賴氨酸(CML)的形成，結果顯示，兒茶素可有效保護組蛋白H1不被MGO糖基化，低濃度兒茶素(12.5～100 μmol/L)可抑制組蛋白H1CML的形成，當摩爾分子比為2∶1時幾乎完全保護，其機制可能與捕獲MGO有關。EC通過其環狀結構可以捕獲Maillard體系中的MGO，形成EC-MGO共價化合物。EGCG也可通過其分子上的3個環狀結構捕獲GO或MGO形成共價化合物。同樣，鞣花酸作為一種廣泛存在于各種軟果、堅果等植物組織中的天然多酚，它是沒食子酸的二聚衍生物，其可有效通過自身黃酮類物質的環狀結構捕獲α-二羰基化合物形成共價化合物[18]。

3.3.1.3 蘆丁

蘆丁屬維生素類藥，廣泛存在于蕓香葉、煙葉、棗、杏、橙皮、番茄、蕎麥花等中，它具有抗自由基作用，而且能夠有效抑制分別由活性二羰基化合物和還原糖引發的蛋白糖基化反應。李曉明等[19]發現了蘆丁抑制α-二羰基化合物的反應發生在24 h之內，在濃度為0.25 mmol/L，24 h時蘆丁抑制MGO發生蛋白糖基化形成AGEs的抑制率為79.42%，蘆丁對蛋白糖基化的抑制作用不受糖種類的影響，且在反應初期就達到較好的抑制率，當濃度為0.25 mmol/L時，24 h抑制率達60%以上。國外文獻報道，部分黃酮類化合物抑制活性二羰基化合物引發蛋白糖基化的作用機理為通過捕獲MGO和GO二羰基化合物形成加合物，從而抑制AGEs的形成。推測蘆丁也是通過捕獲糖分解產生的活性二羰基化合物，從而在一定程度上抑制蛋白糖體系中AGEs的形成，但其作用機制以及具體作用過程有待進一步實驗驗證。

3.3.1.4 低聚糖阿魏酸酯

低聚糖阿魏酸酯廣泛存在于玉米麩皮、燕麥、小麥粉和小麥麩皮中，它由低聚糖中的糖羥基與阿魏酸羧基通過酯化反應而形成。低聚糖具有抗氧化功能，阿魏酸是自然界中普遍存在的一種酚酸，它也具有很好的自由基清除能力和抗氧化活性。所以，兩者結合形成的低聚糖阿魏酸酯表現出2種物質的抗氧化功能經協同作用后增強的抗氧化活性。它的抗氧化性能夠清除反應過程中產生的自由基，從而抑制α-二羰基化合物的形成。姚勝文[20]實驗表明，在不同的MR模擬體系中，只要加入3%的低聚糖阿魏酸酯就能夠極大地抑制α-二羰基化合物的產生。

3.3.2 合成類藥物

3.3.2.1 氨基胍

氨基胍，是目前為止比較公認的一種AGEs抑制劑，AGEs能夠通過和α-二羰基化合物反應形成沒有反應活性的穩定的化合物，從而阻斷其進一步反應，可以很大程度地減小對人體的損害。研究證實氨基胍在體內可顯著減少糖基化蛋白交聯，但是氨基胍的毒副作用較大，限制了其的臨床應用。

3.3.2.2 吡哆胺

吡哆胺是維生素B6的3種天然形式之一，吡哆胺還被證實可以通過捕獲代謝生成的活性羰基從而抑制AGEs的生成。生理條件下，吡哆胺與活性二羰基化合物MGO或GO反應生成Schiff bases，經分子內環化形成半縮醛胺，兩分子的半縮醛胺經親核加成最終形成穩定的五元環加合物。吡哆胺可抑制Amadori產物轉變成AGEs。在動脈粥樣硬化兔模型中，吡哆胺能與α-二羰基化合物反應，可減緩實驗性高脂飲食兔的動脈粥樣硬化的形成[21]。與氨基胍相比，吡哆胺占據顯著的優勢，因為它是維生素B6的衍生物，可抵消氨基胍導致的維生素B缺乏的不良反應，并且吡哆胺本身的毒性很低，易于應用到臨床實踐中。因此，吡哆胺有望成為一種有效抵抗AGEs的新型藥物。

4 總結

α-二羰基化合物，對食品中的色、香、味起著很重要的作用，在調味品中，它們也有著增香的功效，如MGO、GO、3-DG等，但是這些都是在體內和體外能產生化學和生物活性的物質。其形成主要有4種途徑，分別是MR、焦糖化反應、脂肪過氧化、微生物發酵。它們的積累對人類健康有害并已經得到社會的關注；它們可能導致營養缺失，并可以與氨基酸、多肽、蛋白質和磷脂反應，生成AGEs；它們可能會導致一些糖尿病的并發癥，特別是血管病。所以需要對它們進行有效的控制，才不會導致潛在的風險，可以在加工過程中盡量降低溫度，食品貯藏期間在合適的低pH值下保存，也可以通過外加一些抑制劑，這些抑制劑通過捕獲α-二羰基化合物從而形成穩定的化合物的方式來阻止它們對人體進一步產生危害。