丙烯酰胺是一种不饱和酰胺,是有机合成材料的单体,生产医药、染料、涂料的中间体。国际癌症机构将丙烯酰胺列为“人类可能的致癌物”(Group 2A)[1]。近年来发现,丙烯酰胺广泛存在于面包、饼干、薯片、咖啡等日常食品中[2]。欧洲食品安全局于2012年公布了食品中丙烯酰胺含量监测数据,油炸薯片中丙烯酰胺含量高达4.18 mg/kg,并指出丙烯酰胺膳食主要来源于马铃薯类油炸食品,应尽量减少食用[3-4]。但是,各式各样的马铃薯产品(油炸薯片、薯条等)对于消费者来说是必不可少的。研究表明,美拉德反应是丙烯酰胺形成的主要途径,原料中天冬酰胺和还原糖是美拉德反应中丙烯酰胺形成的主要前体物质[5-9]。虽然目前国内外也研究了许多减少丙烯酰胺生成的方法,如改良加工方式、添加外源抑制剂等,但是改良加工方式后的产品仍存在一些问题,如难维持原有风味;加入外源添加剂需要考虑其安全性[10]。因此,开发安全、可靠的丙烯酰胺抑制技术成为目前研究的热点和难点问题[11],有学者研究表明,采用热烫技术或食品添加剂对食品进行加工,不会对食品的风味和口感造成影响[12-13]。本文就热烫处理,柠檬酸、甘氨酸、半胱氨酸浸渍处理以及不同添加剂协同热烫处理等不同前处理方法对油炸马铃薯片中丙烯酰胺含量的影响进行研究,以期提供一种更安全、有效抑制油炸马铃薯片中丙烯酰胺含量的方法。
新鲜马铃薯:云南喜玛特商业有限公司;大豆油:云南金丰汇油脂股份有限公司;氯化钠、氢氧化钠、酒石酸钾钠、葡萄糖、亚铁氰化钾、柠檬酸(分析纯):天津市风船化学试剂科技有限公司;3,5-二硝基水杨酸(分析纯):上海博研生物科技股份公司;甲醇(色谱纯):Merck KGaA公司;正己烷(分析纯):天津市富宇精细化工有限公司;硫酸锌(分析纯):成都科龙化工试剂厂;丙烯酰胺标准品(99.9%):Dr.Ehrenstorfer GmbH公司;甘氨酸、半胱氨酸(分析纯):Sigma-Aldrich有限公司;有机系滤膜(0.45 μm):天津津腾实验设备有限公司。试验用水均为超纯水。
电子天平(AR224CN):奥豪斯仪器(常州)有限公司;色差仪(3nh):深圳市三恩驰科技有限公司;水分活度仪(HD-3A):无锡市华科仪器仪表有限公司;电热恒温鼓风干燥箱(BGZ-70):上海沪粤明科学仪器有限公司;超纯水器(EU-K1-20TQ):南京欧铠环境科技有限公司;数显恒温水浴锅(HH-8):国华电器有限公司;恒温油浴锅(DF-101):上海秋佐科学仪器有限公司;离心机(SF-TDL-4A):上海菲恰尔分析仪器有限公司;超声波清洗器(KQ3200E):昆山市超声仪器有限公司;超纯水系统(Milli-Q):美国密理博公司;高效液相色谱仪(UltiMate 3000):赛默飞世尔科技(中国)有限公司。
1.3.1 油炸马铃薯片的制备
分别称取等质量的马铃薯片,按1∶20(g/mL)浸泡于不同浓度(0 ~5 g/L)的柠檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液中。利用恒温水浴锅控制温度,改进文献[12-13]中的热烫条件,设定温度为25℃ ~90℃,时间为0 ~30 min,处理后用吸水纸吸尽薯片表面水分,待油炸处理。
向恒温油浴锅中加入1 L植物油,加热至一定温度(120℃ ~200℃),待温度稳定后,将试样薯片油炸处理0 ~30 min,取出后去除多余油脂。待检测其丙烯酰胺及品质指标含量。
1.3.2 质量变化的测定
将吸去水分的试样薯片置于分析天平上(精确到0.001 g),准确称取30 g进行热烫、浸渍或油炸处理。油炸处理后,去除多余油脂,再次置于分析天平上称重,并记录数据。
1.3.3 色差的测定
采用国际照明委员会(Commission Internationale de l′Eclairage,CIE)推荐的LAB表色系统描述油炸马铃薯片的颜色,用 L*、a*、b*值表示,并计算 ΔE*值,其中,L*表示明度、a*和b*表示色度。3个值的正负以标准白板、黑板为基准,L*正值表示偏白,反之则黑;a*正值表示偏红,负值表示偏绿;b*正值表示偏黄,负值表示偏蓝;ΔE*值表示总体色差[14]。
1.3.4 水分活度的测定
按照GB 5009.238—2016《食品安全国家标准食品水分活度的测定》中的水分活度仪扩散法进行测定[15]。
1.3.5 水分含量的测定
按照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》中的直接干燥法进行测定[16]。
1.3.6 还原糖含量的测定
1.3.6.1 DNS溶液配制
称取75g酒石酸钾钠,缓慢加入100mL1mol/LNaOH溶液中,再向溶液中添加超纯水到200 mL。将2.5 g 3,5-二硝基水杨酸慢慢加入溶液至500 mL容量瓶中定容。滤纸过滤,除去溶液中的杂质[17]。
1.3.6.2 标准曲线制作
分别配制浓度为 0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 g/L 的葡萄糖溶液。不同浓度的溶液各取0.5 mL于50 mL玻璃试管中,随后加入0.5 mL DNS溶液,摇匀,100℃沸水浴5 min后立刻冷却,加入4 mL超纯水,充分混匀。蒸馏水作为空白对照,540 nm处测定吸光度。
1.3.6.3 油炸马铃薯片中还原糖的测定
准确称取5 g试样马铃薯片,加10 mL 85%乙醇于研钵中碾碎后过滤,取0.5 mL样品加0.5 mL DNS到50 mL玻璃试管,100℃加热5 min。立刻冷却试管,加入4 mL超纯水混合均匀,于540 nm处比色[18]。
1.3.7 丙烯酰胺含量的测定
1.3.7.1 色谱检测条件
色谱柱:Syncronis C18色谱柱(250 mm×4.6 mm×5 μm);流动相:甲醇 ∶水(体积比 0.5 ∶99.5);流速:0.5 mL/min;柱温:30℃;检测波长:210 nm;进样量:20 μL[19]。
1.3.7.2 标准曲线的制作
用0.5%的甲醇溶液配制1 g/L的丙烯酰胺储备液。将储备液稀释为 2、4、6、8、10 μg/mL 5 个浓度的标准溶液进样分析。
1.3.7.3 样品中丙烯酰胺含量的测定
准确称取1 g在55℃下烘干研碎的样品于50 mL离心管中,加入2 mL正己烷,于涡旋振荡仪上振荡2 min,再置于10 000 r/min的离心机中离心15 min,取出后弃去正己烷层,重复进行两次。加入10 mL重蒸水,分别加入Carrez试剂I、II各1mL,振摇2 min,于0.22 μm 有机滤膜过滤后,待测[20]。
1.4.1 质量损失率
式中:M0为油炸前样品质量,g;M1为油炸后样品质量,g。
1.4.2 水分含量
式中:m1为称量瓶和试样的质量,g;m2为称量瓶和试样干燥后的质量,g;m3为称量瓶的质量,g。
1.4.3 丙烯酰胺抑制率
式中:C0为未预处理样品中丙烯酰胺含量,mg/kg;Ct为预处理后样品中丙烯酰胺含量,mg/kg。
应用SPSS进行显著性分析,显著性水平选取P=0.05,结果以平均值±标准差表示。每个样品3个平行。
2.1.1 质量损失率的变化
比较不同油炸温度(120℃ ~200℃)及不同油炸时间(0 ~30 min)下马铃薯片质量损失率的变化,结果见图3。
图3 不同油炸温度和时间下的质量损失率变化
Fig.3 Variation of mass loss rate at different frying temperature and time
随着油炸温度和时间的升高,质量损失率逐渐变大,当油炸时间大于10 min时,质量损失率逐渐趋于平缓。表明油炸时间越短,温度越低,质量损失率越小。
2.1.2 色差的变化
图4为不同油炸时间(0 ~30 min)及不同油炸温度(120℃ ~200℃)对油炸马铃薯片色差影响的结果。
图4 不同油炸温度和时间对色差的影响
Fig.4 Effect of different frying temperature and time on color difference
由于马铃薯中含有大量的淀粉和天冬酰胺,当马铃薯片于高温油炸时,会发生美拉德焦糖化反应,从而生成棕黑色的大分子物质类黑精[21]。因此,马铃薯片的色差值随着油炸时间的延长而增大。当油炸时间相同时,随着油炸温度的升高,色差呈先上升后下降再上升的趋势。
2.1.3 水分活度的变化
水分活度反映了食物中水分的结合程度,许多研究证实,水分活度是美拉德反应中需要考虑的关键因素[22-23]。因此本文比较了不同油炸温度(120℃ ~200℃)及不同油炸时间(0 ~30 min)下,马铃薯片中水分活度的变化,结果见图5。
图5 不同油炸温度和时间对水分活度的影响
Fig.5 Effects of different frying temperature and time on water activity
如图5所示,水分活度随着油炸时间的延长呈下降趋势;随着温度的增大,水分活度呈先下降后上升再下降的趋势。当油炸条件为160℃、5 min时,水分活度与未进行油炸处理的马铃薯片中的水分活度无显著性差异(P>0.05)。有研究表明,适当降低食品中的水分活度可以延缓食品中酶促褐变和非酶促褐变的进行,从而稳定食品质量[24]。
2.1.4 水分含量的变化
图6为不同油炸时间(0 ~30 min)及不同油炸温度(120℃ ~200℃)对油炸马铃薯片水分含量的影响。
图6 不同油炸温度和时间对水分含量的影响
Fig.6 Effect of different fried temperature and time on moisture content
在油炸过程中,会同时发生传质和传热,热量从油传递到薯片,水分从产品内部蒸发,随着油炸温度的升高及油炸时间的延长,马铃薯片中的水分含量整体呈下降趋势。该变化趋势与Parikh A等[25]、马雯雯[26]的研究结果一致。当油炸时间大于5 min时,各油炸温度下马铃薯片中的水分含量均急速下降。经分析,马铃薯片在160℃下油炸5 min时,与未油炸马铃薯片中的水分含量差异不显著(P>0.05),表明马铃薯片在160℃油炸5 min时,水分含量保持良好。
2.1.5 还原糖含量的变化
图7为不同油炸时间(0 ~30 min)及不同油炸温度(120℃ ~200℃)对油炸马铃薯片中还原糖含量影响的结果。
图7 不同油炸温度和时间对还原糖含量的影响
Fig.7 Effects of different frying temperature and time on reducing sugar content
随着油炸温度的升高及油炸时间的延长,马铃薯片中的还原糖含量整体呈下降趋势。对不同油炸温度、油炸时间下的还原糖含量变化及2个因素的交互作用进行统计分析,结果表明:各因素及其交互作用的影响均显著(P<0.05)。
2.1.6 丙烯酰胺含量的变化
在Strecker途径的研究中发现,丙烯酰胺形成的临界温度是120℃,在一定的温度范围内(<180℃),丙烯酰胺的生成随温度升高而升高,如果温度太高丙烯酰胺的生成反而会降低[27-28]。图8为不同油炸时间(0 ~30 min)及不同油炸温度(120℃ ~200℃)对油炸马铃薯片中丙烯酰胺含量影响的结果。
图8 不同油炸温度和时间对丙烯酰胺含量的影响
Fig.8 Effect of different frying temperature and time on the content of melamine
随着油炸温度的升高及油炸时间的延长,马铃薯片中的丙烯酰胺含量整体呈先上升后下降趋势。当油炸温度为180℃,油炸时间为5 min时,薯片中丙烯酰胺含量达到最大值(16.46±0.17)mg/kg。结果表明,丙烯酰胺的含量既会随着时间的延长而降低,也会随着温度的升高而降低。
因此,综合考虑不同油炸温度、油炸时间对马铃薯片品质指标和丙烯酰胺含量的影响,及试验所需的成本和时间,确定最佳油炸温度为160℃,油炸时间为5 min。
分析丙烯酰胺形成机理可知,影响美拉德反应的因素也会影响丙烯酰胺的形成,如反应温度、时间、原料成分、pH值等[29-30]。研究表明,天冬酰胺和还原糖反应是丙烯酰胺生成的主要途径,马川兰等[31]曾报道,通过漂烫和浸泡可使马铃薯片中的还原糖和游离氨基酸溶出,从而降低丙烯酰胺的含量。因此,加入合适添加剂和热烫等技术都能有效抑制薯片中丙烯酰胺的产生。
2.2.1 不同热烫温度、时间对丙烯酰胺的影响
为探讨油炸前,热烫温度对油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影响,将试样薯片放入等量不同温度(25℃ ~90℃)的超纯水中浸泡10 min。在160℃下,油炸5 min后,测定其丙烯酰胺含量,并计算抑制率,结果见图9。
图9 不同热烫温度对马铃薯片中丙烯酰胺的影响
Fig.9 Effect of different hot stamping temperature on acrylamide in potato chips
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
如图9所示,当温度达到90℃时,抑制率达到(75.76±0.50)%(P<0.05)。而当热烫温度低于90℃时,各因素之间不存在显著性差异(P>0.05)。以上结果表明,油炸前于90℃下进行热烫处理对马铃薯片中丙烯酰胺的生成具有显著抑制效果(P<0.05)。为探讨油炸前,热烫时间对油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影响,将试样薯片分别放入等量的90℃超纯水中浸泡5 min ~30 min。在160℃下,油炸5 min后,测定其丙烯酰胺含量,并计算抑制率,结果见图10。
图10 不同热烫时间对马铃薯片中丙烯酰胺的影响
Fig.10 Effect of different hot-scalding time on the tlutinamide in the potato
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
如图10所示,当浸泡时间达到30 min时,抑制率达到(86.46±0.06)%(P<0.05)。而当浸泡时间低于 30min时,各因素之间不存在显著性差异(P>0.05)。以上结果表明,油炸前于90℃下进行30 min热烫处理对马铃薯片中丙烯酰胺的生成具有显著抑制效果(P<0.05)。
2.2.2 不同添加剂对丙烯酰胺的影响
为探讨油炸前,不同添加剂浓度对油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影响,将试样薯片分别放入等体积的浓度为0 ~5 g/L的柠檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液中浸泡10 min。在160℃下,油炸5 min后,测定其丙烯酰胺含量,并计算抑制率,结果如图11所示。
图11 不同添加剂浓度对马铃薯片中丙烯酰胺的影响
Fig.11 Effects of different additive concentrations on acrylamide in potato chips
如图11所示,当添加剂的浓度为0时,浸泡处理对马铃薯片中丙烯酰胺的抑制率达到了(70.09±1.20)%。当柠檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液浓度分别为1、5、5 g/L 时,抑制率分别为(76.49±0.09)%、(80.50±0.46)%、(84.45±1.96)%。以上结果表明,油炸前进行柠檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液浸泡处理对马铃薯片中丙烯酰胺的生成具有显著抑制效果(P<0.05)。
为探讨油炸前不同添加剂处理时间对油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影响,将试样薯片分别放入等体积的浓度为1 g/L的柠檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中浸泡处理5 min ~20 min。在160℃下,油炸5 min后,测定其丙烯酰胺含量,并计算抑制率,结果见图12。
图12 不同添加剂处理时间对马铃薯片中丙烯酰胺的影响
Fig.12 Effects of different additive treatment time on acrylamide in potato chips
如图12所示,当马铃薯片于1 g/L柠檬酸溶液中浸泡5 min、5 g/L甘氨酸溶液中浸泡10 min、5 g/L半胱氨酸溶液中浸泡10 min时,抑制率分别为(83.10±0.51)%、(77.11±0.34)%、(84.90±1.62)%。以上结果表明,柠檬酸、甘氨酸和半胱氨酸溶液浸泡处理对马铃薯片中丙烯酰胺的生成具有显著抑制效果(P<0.05)。
2.2.3 不同添加剂协同热烫处理对丙烯酰胺的影响
为探讨油炸前不同添加剂处理协同热烫处理对油炸薯片中丙烯酰胺生成量的影响,将试样薯片放入等体积的温度为90℃的1 g/L柠檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中分别协同处理5、10、10 min。在160℃下,油炸5 min后,测定其丙烯酰胺含量,并计算抑制率,结果见图13。
图13 不同处理组对马铃薯片中丙烯酰胺的协同抑制效果
Fig.13 Synergistic inhibitory effect of different treatment groups on acrylamide in potato chips
A.90℃+1 g/L柠檬酸+5 min;B.90℃+5 g/L甘氨酸+10 min;C.90℃+5 g/L半胱氨酸+10 min。不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。
如图13所示,分别在90℃的1 g/L柠檬酸、5 g/L甘氨酸和5 g/L半胱氨酸溶液中对马铃薯片进行5、10、10min浸泡处理后,抑制率分别为(85.63±0.12)%、(83.60±0.0)%、(99.99±0.01)%。以上结果表明,利用半胱氨酸溶液浸泡协同热烫处理对马铃薯片中丙烯酰胺的生成具有显著抑制效果(P<0.05)。
综上所述,油炸前对马铃薯片进行热烫和添加剂浸泡处理,都能有效抑制薯片中丙烯酰胺的生成。Kyoko等[32]、Noda K等[33-34]曾报道,半胱氨酸与葡萄糖发生美拉德反应会生成一种抗氧化剂——吡咯噻唑盐。Hyun-Hee Lim等[35]在建立测定薯条和咖啡中丙烯酰胺含量的方法时,采用的原理是半胱氨酸会与丙烯酰胺发生加成反应。因此,本文用半胱氨酸浸泡协同热烫处理马铃薯片时,对丙烯酰胺的抑制率达到100%,可能是热烫会促进还原糖和天冬酰胺溶出的传质作用,同时半胱氨酸分别与葡萄糖和丙烯酰胺发生了美拉德反应和加成反应,从而降低薯片中丙烯酰胺的含量。具体抑制机理有待进一步研究。
本研究通过对马铃薯片进行不同的预处理发现,热烫预处理和添加剂浸泡预处理都对马铃薯片中的丙烯酰胺有抑制作用。当油炸前用5 g/L半胱氨酸浸泡协同90℃热烫处理10 min马铃薯片时,对丙烯酰胺的抑制率可达到100%。以上结果表明,半胱氨酸浸泡协同热烫处理可对美拉德反应途径中的物质产生极大的影响,从而有效抑制马铃薯片在油炸过程中丙烯酰胺的生成。本研究为更有效地抑制薯类烘焙、油炸食品中丙烯酰胺的生成提供了方法。
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Effect of Different Pretreatment Methods on Acrylamide in Potato Chips