丙烯酰胺,有毒的美拉德副产品和含硫化合物的抑制:迷你回顾

1介绍

首次报道于1912年路易卡米尔·拉德,黄褐色的发展颜色描述的美拉德反应引起的糖和氨基酸之间的激烈反应水(范Boekel 1998)。现在进一步研究美拉德反应描述为一系列复杂的non-enzymatic褐变反应发生在食品加工。在这些反应中,氨基酸、胺和与羰基经历凝结的蛋白质来源:还原糖、酮、醛、氧化脂质和多酚(Bittner 2006;Mazumder et al ., 2019)。此类反应导致的形成一个不稳定的席夫碱进行重排amadori更稳定的产品。产品的最终降解,导致活性羰基和二羰基物种的形成。这些化合物参与进一步反应形成特醛、醇醛缩合产品,类黑色素(Mazumder et al ., 2019)。

美拉德反应过程的速率会受到几个因素的影响包括pH值、温度、水分和食物矩阵。pH值和温度的增加有利于美拉德反应的进展,由于更大的蛋白质参与;蛋白质更加可溶性高pH值和氨基酸残基在更高的温度下变得更加明显(≥55°C)由于蛋白质变性。另一方面,减少水分有利于美拉德反应。尽管含水量鼓励反应物溶解和流动性,进一步飙升湿度会减慢反应速率。这是因为高水平的水分稀释反应物的浓度。因此,系统的整体流动性减弱。因此,水之间的最大褐变率一直记录活动范围0.65 - -0.75 (黄et al ., 2015)。对于食物,不同条件矩阵中存在多种反应物,因此,一系列复杂的美拉德反应的产品。因此,美拉德反应的速率是食物很难确定。美拉德反应产品的识别和量化,并确定他们的形成率和利率的参与二次反应是必要的建议合理的美拉德反应机理和速率方程为特定食品矩阵(隆德和雷,2017年)。

虽然有几个优点周围的美拉德反应的发生,其后果是有尊严的,值得考虑。尽管对食品风味、香气和颜色,美拉德反应产生一些有害产品,包括一个过程污染物、丙烯酰胺(ACR)。ACR显示多种对人体健康的负面影响,因为它是确定神经毒性,细胞毒性,肝毒素的,immunotoxic,基因毒性,诱变和人类“可能致癌”(Zamani et al ., 2017;Gulcan et al ., 2020)。ACR的最受欢迎的美拉德路线形成涉及和天冬酰胺激烈的反应(ASN)和一种α-hydroxycarbonyl化合物等还原糖(金et al ., 2013)。这种席夫碱脱水产生的特点,ACR的关键中间体的形成。席夫碱更高效的前兆,而不是amadori产品,进行脱酸导致的形成方面偶氮甲碱。ACR是由偶氮甲碱方面通过三个途径:1)方面直接从偶氮甲碱2)通过β-elimination互变异构体方面偶氮甲碱和3)通过脱水和随后的脱氨基作用方面偶氮甲碱(图1)。ACR也可以形成的通过另一条路线,包括天冬酰胺和α-dicarbonyl化合物之间的交互(例如,乙二醛、丙酮醛)。这些化合物可以通过糖降解或形成的退化amadori产品。相应的席夫碱由这方面替代路线产生了偶氮甲碱;这种化合物产量ACR直接或间接通过3-aminopropionamide的形成(金et al ., 2013;隆德和雷,2017年)。不受欢迎的路线显示ACR收益率通过丙烯酸(氧化丙烯醛)和氨和天冬酰胺(金et al ., 2013)。

由于其不可避免的出现在食品加工中,研究工作一直面向ACR形成的抑制作用。近年来,各种氨基酸,酶,抗氧化剂,多酚类物质,食品添加剂进行了调查,试图了解他们的抑制机制(隆德和雷,2017年)。这已经被证明是困难由于这些化合物的各种物理和化学特性。他们对美拉德反应的影响是不同的;因此结果不同的化合物,化合物对ACR的形成有着很大的差别。

当代的化合物亚群体获得敏锐的科学兴趣,他们的角色是美拉德反应抑制剂是含硫化合物。这是因为他们是优秀的解毒药剂,强的亲核试剂,它优秀的减少和抗氧化特性代理和食腐动物的活性氧(ROS) (弗里德曼et al ., 1982;弗里德曼,1994;奥古斯汀和弯曲,2019;奥古斯汀et al ., 2021)。含硫化合物可以进一步分为各种类:硫醇(谷胱甘肽、半胱氨酸),亚硫酸盐(亚硫酸氢钠)的硫醚(蛋氨酸)和thiosulfinates(大蒜素)。这些化合物是主要的组件的介绍了饮食或在食品加工作为防腐剂或添加剂。本文的目的是提供一个概述这些化合物对ACR的抑制,因此包括抑制机制有效性在不同条件下,其抑制作用的局限性。

2丙烯酰胺抑制

2.1硫醇

硫醇一直强调的亲核性强,清除活性氧的能力和有效的抑制non-enzymatic布朗宁(弗里德曼,1994;戴维斯和Snyderwine, 1995年;曾庆红等人。,2009年)。这些属性依赖于SH集团产生一个更亲核硫醇盐离子。由于硫原子的极化率,其有效性负责移位,硫醇演示通过负离子的形成更大的反应。因此,几种机制表现出了硫醇,ACR的积累的抑制。硫醇如半胱氨酸、谷胱甘肽能与天冬酰胺争夺α-hydroxycarbonyl化合物,因此阻碍了ACR形成的主要途径(图2)。

当半胱氨酸被添加到一个克分子数相等的天冬酰胺/葡萄糖封闭的模型系统,ACR形成观察半胱氨酸(极性、含硫氨基酸),显著降低相比,赖氨酸(极性、基本氨基酸)和谷氨酰胺(极性、中性氨基酸),海拔在ACR浓度观察了后者。此外,半胱氨酸的减少效果随温度增加而降低(140°C - 200°C),但随着加热时间的增长在160°C(5-35分钟)。最小的性能可能是由于氨基酸的降解在更高的温度。减少影响是独立于α-hydroxycarbonyl礼物的类型(Claeys et al ., 2005 a)。另一项研究显示类似的减少影响添加半胱氨酸ASN葡萄糖/果糖和ASN /模型系统。减少影响更显著的非硫添加剂相比,氯化钠和抗坏血酸等。添加0.2%半胱氨酸ASN /果糖模型系统显示ACR水平下降93.01%。进一步添加半胱氨酸(1.5%)导致了ACR的减少97.95%。在一个ASN /葡萄糖系统中,添加1.5%半胱氨酸导致non-detectable ACR水平(Claeys et al ., 2005 b)。互补的行为被认为与谷胱甘肽在除了一个ASN /葡萄糖系统。显著抑制ACR形成观察38% - -86%和57% - -82%的更大的成功证明了在较低温度:分别为120和140°C。谷胱甘肽的应用取得了更好的抑制ACR形成在温度低于160°C (朱et al ., 2020)。此外,硫醇的加入降低了ASN /葡萄糖的pH值系统。这种情况导致了天冬酰胺胺组的质子化作用,因此鼓励ACR形成的抑制(朱et al ., 2020)。

除了与天冬酰胺,硫醇抑制ACR捕获二羰基形成的中间体;因此他们被认为是“诱捕剂”(图2)。尽管ACR的数量由α-dicarbonyls相当边际(0.2 - -0.5更易与摩尔)相比α-hydroxycarbonyls(2.22 - -3.97更易与摩尔)(空白et al ., 2005),这种抑制的方法仍然是值得注意的。这些陷阱可能导致褐变的预防由于羰基和二羰基化合物有助于颜色形成(隆德和雷,2017年)。生成的ACR的积累可以进一步消除通过SH组的交互ACR分子。SH组与ACR反应通过Michael-type添加,导致Michael-type加合物的形成,S-β-propionamide (图2)。SH组显示100 - 300倍的反应性与乙烯基化合物如ACR, NH相比₂组(Claeys et al ., 2005 a)。

进一步的调查进行了硫醇的食品基质的存在。谷胱甘肽被添加到饼干范围:0.005 - -0.20磅/公斤调查的抑制效果;结果显示在ACR水平显著降低。ACR偏差不是谷胱甘肽浓度的直接联系,但可能是受添加剂的存在(氯化钠、蔗糖、泡打粉)和食品矩阵(面粉、牛奶)。然而,之间的色差观察饼干是谷胱甘肽浓度直接相关。谷胱甘肽是在明度略有增加,表面泛黄,和轻微下降,表面发红(Claeys et al ., 2005 b)。

2.2亚硫酸盐

常规使用亚硫酸盐在食品加工可以归因于他们作为食品防腐剂。亚硫酸盐,比如亚硫酸氢钠(NaHSO₃),是有用的在防止氧化和破坏细菌。亚硫酸盐的抑制作用可能是由于添加HSO汽车贸易公司₃⁻还原糖的羰基,紧随其后的是糖与氨基酸化合物的缩合(图2)。形成席夫碱的抑制以及美拉德反应的后续进展。亚硫酸盐是类似于硫醇对ACR的抑制作用。NaHSO增加0.2%₃ASN /果糖模型系统导致了ACR的减少98.11%。进一步增加0.8%导致完成ACR的抑制。在一个ASN /葡萄糖模型系统,减少利率从78.47%到96.32%不等的NaHSO越来越多₃(元et al ., 2011)。

亚硫酸氢钠显示更大的反应ASN葡萄糖/果糖模型系统和ASN /模型系统。这可以提到大反应的葡萄糖,更强的亲核试剂比HSO汽车贸易公司₃⁻的氨基ASN (元et al ., 2011)。此外,ACR亚硫酸盐的抑制效果不同基于浓度和食物矩阵;为了进一步说明,薯片浸泡在NaHSO 0.1% - -0.5%₃展示了ACR减少47.4% (Ou et al ., 2010)。然而,在黑橄榄,1.5毫米NaHSO₃没有影响ACR形成比较缺乏,但25毫米的浓度导致了ACR减少100% (Casado et al ., 2010)。

2.3硫醚

硫醚(硫醇醚),尤其是蛋氨酸,最近包括在各种学科因其独特的化学反应。蛋氨酸参与许多解毒过程。其优秀的氧自由基清除能力帮助细胞老化的缺陷。此外,蛋氨酸是优秀的在吸收硒和锌,从而提高生物利用度,汞和铅等重金属螯合物(戴明,2017;奥古斯汀et al ., 2021)。在食品加工领域,这加压法氨基酸被认为是一个主要组件香草和调味料等各种成分。研究表明,添加蛋氨酸食品影响的味道和质量(Maleki Djazayeri, 1968;奥古斯汀和弯曲,2019;奥古斯汀et al ., 2021)。然而,有限的研究出现,研究蛋氨酸作为抑制剂的使用ACR的形成。这是因为以前的研究表明,少量的ACR可由蛋氨酸和还原糖(之间的反应Zyzak et al ., 2003)。然而,最近的研究提供了一个更深入的消除蛋氨酸对ACR水平(图2)。在十个氨基酸的检测的丙烯酰胺残留在加热15分钟在160°C,蛋氨酸是包括在四大最有效的氨基酸,在pH值7执行;每个氨基酸Michael-type加合物被确定。然而,蛋氨酸超过了半胱氨酸、赖氨酸和甘氨酸。(Yu et al ., 2013)。此外,最近的一项研究表明,添加蛋氨酸(低至0.2毫克)5毫克ACR导致显著减少ACR在加热在160°C (奥古斯汀et al ., 2021)。

2.4 Thiosulfinates

Thiosulfinates活性物种形成的两个sulfenic酸的缩合,或二硫的氧化。他们非常活泼,与硫醇因此发生反应,水解通过各种机械的途径。同时,他们在生理上相关,作为中间体在许多酶反应(角et al ., 2001)。归类为抗氧化剂,这些化合物抑制ROS和打破“关闭”的连锁反应,包括线粒体膜去极化,细胞色素c的释放,caspase-3-activation。这些物种也证明抗菌,抗真菌,antithrombic和降低胆固醇的属性(里奥斯,2015)。自然,促进治疗抗氧化剂被认为更有吸引力的候选人在食品加工ACR形成的抑制剂。因此,最近的研究进行了常见thiosulfinate,蒜素,其抑制效果。发现大蒜,蒜素是主要的生物活性化合物。当剁碎或压碎,蒜酶的酶激活,因此产生蒜素从蒜氨酸,在完整的大蒜(白云et al ., 2014)。

虽然是一个不完整的说明蒜素的抑制机制,其效果在各种模型系统研究了ACR的形成。也出现了类似的抑制效应当蒜素添加到ASN葡萄糖/果糖和ASN /模型系统。蒜素的浓度从0.0375%增加了ACR减少从51.51%下降到23.16%。大蒜素0.075%,只有23.51%的还原速度ACR形成观察。蒜素的浓度约0.5625%,促销效果观察(元et al ., 2011)。

3的局限性和建议

使用含硫化合物的抑制ACR是蓄势待发,因为他们的负担能力,形成饮食可用性、抗氧化效果和疗效。因此,需要考虑以下限制未来的工作发展。

3.1不愉快的味道和气味

除了强大的抑制效果,硫醇是有益的在面包店商品的生产提高糕点作为“软化”代理;这是由于一个交换与面筋蛋白质涉及硫醇和二硫化物(朱et al ., 2020)。然而,一样硫醇促进食品的质量和安全,他们的负面影响食物味道和香味的明确与效益(Casado et al ., 2010)。分子与SH组和另一个化学功能(酒精、羰基酯)是已知的产生不愉快的气味,可以传授,而令人不快的味道的食物(Chenot et al ., 2019)。由于这个垮台,蛋氨酸在半胱氨酸的竞争优势。努力平衡食物口味和质量,和ACR抑制应该到硫醇。各种反应条件、食品制备技术,矩阵和食品应该追究最优融合,允许双重好处。

3.2反应条件

一般来说,浓度和温度的增加会增加化学反应的速率。然而,这种效应是不一致的化合物,尤其是蒜素和硫醇,分别。此外,pH值显著影响氨基酸的抑制或消除影响,包括蛋氨酸和半胱氨酸。pH值的影响被认为是相关的,因为不同的p卡值的氨基酸。为了进一步说明,在p卡氨基,质子化了的形式,在北半球₃⁺,描述了分子数的一半。这使氨基非功能性进一步参与美拉德反应(Claeys et al ., 2005 a)。因此,一种氨基酸可能比另一个在一个特定的pH值,但这可能并非如此,如果pH值变化(Yu et al ., 2013)。所需反应条件优化的深入研究这些化合物抑制性能的建议,特别是对氨基酸。最优条件导致的两个亲核中心的全面参与蛋氨酸和半胱氨酸,将是一个有用的研究对更好的理解他们的抑制对ACR形成和积累的影响(奥古斯汀et al ., 2021)。

3.3基体效应

抑制的有效性可以通过直接影响化学环境。含水量,以及的存在和一致性矩阵内的其他组件或添加剂,可能影响硫抑制剂的流动。此外,反应物种的扩散速度可能会受到高浓度的聚合物(幕斯塔法et al ., 1998)。亚硫酸盐显示不一致的抑制效应的各种矩阵,而硫醇证明non-correlative结果。其他化合物如蒜素和甲硫氨酸,研究不足进行了基体效应。因此,进一步探索是必要的阐明各种食品的影响矩阵对这些化合物的抑制作用。

4结论

虽然美拉德反应的发生是有益的食品质量,口味,香气,结果的形成过程不可避免的食品污染物,如ACR。它寻求治疗有效抗氧化剂和抗氧化特性代理ACR目前正在进行抑制。因此,含硫化合物是有前途的候选人减少ACR在食品加工。硫醇可能抑制ACR与天冬酰胺竞争α-hydroxycarbonyls,和α-dicarbonyls捕获的。硫醇的最优性能受温度和加热时间的影响。亚硫酸盐函数有效地硫醇,抑制ACR形成通过交互HSO汽车贸易公司₃⁻还原糖的羰基,从而阻碍美拉德反应的进展。ACR的形成可以抑制thiosulfinates的存在,像蒜素,在低浓度。促销影响ACR水平观察越来越多。此外,含硫化合物,如半胱氨酸和蛋氨酸可以减少ACR积累通过消去反应涉及ACR的亲核中心的接合Michael-type加法。有效的使用这些化合物作为抑制剂将确保最小接触ACR的消费者。因此,还需要进一步的研究来探索这些化合物的抑制效应的各种食品矩阵,以及改变条件下的温度、pH值、浓度和加热时间。额外的洞察蛋氨酸ACR形成的抑制机理还需要深入理解其抑制作用。

作者的贡献

作者DAA写的手稿被作者G-AB阅读和编辑。两位作者同意提交发表了这项工作。

资金

提供的资金是学校研究生学习和研究化学,大学的西印度群岛,圣奥古斯丁校园,特立尼达和多巴哥。

确认

作者感谢化学系,西印度群岛大学的许可生产的这项工作。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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