咖啡中的有害物质——丙烯酰胺

摘要：当水分较低的食物暴露在高温下时，丙烯酰胺会通过涉及天冬酰胺和还原糖的复杂反应产生。在全球范围内，咖啡是除茶之外消费量第二大的饮料。尽管与其他食品相比，咖啡中丙烯酰胺（ACR）的含量较低，但大量饮用咖啡会使人们接触到这种化合物，而众所周知，这种化合物会对健康造成危害，包括致癌、免疫毒性和遗传毒性。因此，解决咖啡中的 ACR 含量问题势在必行。由于原材料的选择有限、生产技术的限制以及在工业水平上改变咖啡豆配方的固有困难，降低咖啡中的甲酸赖氨酸成为一项挑战。虽然有关 ACR 的综述很多，但有关降低咖啡中 ACR 的文献相对较少。本综述提供了有关咖啡中 ACR 形成的最新、最全面的信息。它涵盖了 ACR 的发生、膳食接触、相关危害、推荐准则、影响形成的因素以及减少 ACR 的策略。这些策略包括生物技术、创新方法和利用人工智能驱动技术的定制方法，为减少咖啡中的 ACR 提供了未来的路线图。

主要内容：

1、 丙烯酰胺的合成

烘焙咖啡豆的目的是获得理想的风味、深色和多孔性，以提高冲泡和咖啡杯的品质。然而，烘焙也会产生化学物质，包括 ACR。咖啡产品以及许多其他食品中形成 ACR 的主要途径之一是发生在 120 °C 以上温度下的非酶促美拉德反应（图 1）。在这一反应过程中，还原糖（葡萄糖）中的羰基与氨基酸（天冬酰胺）的氨基缩合，从而产生许多理想和不理想的化合物。

2、 丙烯酰胺（ACR）的代谢

丙烯酰胺具有很强的亲水性，而且体积非常小。因此，人体很容易通过各种途径吸收丙烯酰胺，包括消化系统、呼吸系统和皮肤吸收。一旦在体内被吸收和处理，ACR 就会迁移到包括胎盘在内的各种器官。新生儿甚至会通过母乳接触到 ACR。在人体内，ACR 会经过两种不同的代谢途径：要么在细胞色素 P450 2E1 酶复合物的催化下，通过环氧过程直接转化为缩水甘油酰胺（GA），变成环氧化物缩水甘油酰胺（2,3-环氧丙酰胺）；要么在谷胱甘肽-S-转移酶（GST）的作用下，直接与谷胱甘肽（GSH）共轭（图2）。

图 1.参与丙烯酰胺形成的可能途径（ARG-精氨酸，ALA-丙氨酸，ASP-天冬氨酸，GLY-甘氨酸，SER-丝氨酸，CYS-半胱氨酸，HMF-羟基甲基糠醛，3-APA-氨基丙酰胺）。

图 2.丙烯酰胺在人体内的代谢

3、 膳食暴露和ACR的毒性

从食物中摄入 ACR 会增加出现健康问题的风险，这与 ACR 的基因毒性效应密切相关。研究表明，它能诱发线粒体功能障碍和细胞凋亡，并破坏神经系统。就人类而言，神经毒性表现为骨骼肌无力、共济失调、外周和中枢神经系统轴突变性以及远端肿胀。许多研究都对 ACR、其代谢物和缩水甘油酰胺的致癌性和遗传毒性进行了评估。长期接触 ACR 会导致染色体和微核畸变，从而诱发 DNA 损伤，并可能在不同器官部位引发肿瘤。对大鼠的研究报告表明，ACR 可导致生长迟缓、精子储备减少和催乳素下降。服用 ACR 还会增加血液中的肝酶水平，影响过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性，同时升高总氧化状态和丙二醛水平。此外，研究还发现甲状腺素还能穿过胎盘，影响胎儿的发育，包括胸腺、脾脏和淋巴腺。

4、 降低食品中ACR及其含量的政策

丙烯酰胺已被国际癌症研究机构（IARC）列为 “可能的人类致癌物”。美国国家毒理学计划（NTP）宣布丙烯酰胺为动物致癌物和人类潜在致癌物（国家毒理学计划（NTP），（2011 年））。针对这一分类，欧洲食品和饮料联合会推出了 “ACR 工具箱”，以帮助食品制造商降低其产品中的 ACR 含量。2009 年，美国食品和药物管理局（FDA）开始努力解决接触甲酸二异氰酸酯的问题，并起草了制定甲酸二异氰酸酯最高限量的准则。然而，工作重点已转向缓解甲酸赖氨酸的形成，而不是设定形成后的限值。根据公众反馈和要求，FDA 于 2016 年发布了 “行业指南”： 食品中的 ACR》。与此同时，《食品法典》发布了《减少食品中甲酸赖氨酸的操作规范》，由欧盟资助的HEATOX项目发布了题为《当局和消费者组织关于家庭烹饪和消费的指南》和《食品工业和餐馆尽量减少甲酸赖氨酸形成的策略手册》的指南。欧盟委员会给出了包括咖啡在内的几种食品中丙烯酰胺的基准值（表1）。

表1：欧盟委员会监管的不同食品中丙烯酰胺含量的基准水平

5、 影响咖啡中ACR形成的因素

在制备过程中，许多因素会影响食品中ACR的含量，导致咖啡中ACR产量的变化（图4）。很大一部分ACR是在食品加工过程中产生的，这可能是一次或多次操作。由于其毒性，食用对身体有害。因此，在加工过程中或消费前防止或减少其含量至关重要。除此之外咖啡的品种、收获后的加工、生咖啡豆的质量、烘焙的程度、咖啡的储存以及冲泡方法都对ACR的形成有至关重要的影响。由于其极性，在大多数情况下，咖啡中的 ACR 几乎全部转移到了冲泡的水中，转移率从 92% 到 99% 不等。采用渗滤法冲泡的阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡的 ACR 萃取率相似，意式浓缩咖啡杯和传统意式浓缩咖啡之间没有显著性差异。在意式浓缩咖啡生产过程中，较短的暴露时间会导致较低的 ACR 提取率，而较高的咖啡与水比率则会导致冲泡咖啡中 ACR 浓度的增加。

图 3.咖啡加工过程中影响丙烯酰胺形成的因素

6、 降低咖啡中ACR的缓解方法

虽然大量研究集中于咖啡中 ACR 的形成、检测、定量以及相关的健康风险，但有关减少咖啡及其副产品中 ACR 的方法的研究却很有限。常见的缓解策略包括选择优质咖啡豆（阿拉比卡或罗布斯塔品种）、选择不同的烘焙度以及采用各种加工方法。根据现有文献，减少咖啡中 ACR 的预处理方法可分为生物技术和非生物技术方法（图4）。除了综合加工程序外，创新加工方法也显示出降低各种食品中 ACR 浓度的前景，这些方法可以是独立方法，也可以是预处理方法。研究人员还探索了降低绿咖啡豆中游离天门冬酰胺和其他前体物含量的可能性，以及降低这些含量的潜在影响。游离天冬酰胺被认为是咖啡中产生 ACR 的限制因素。

图4.通过生物技术和非生物技术方法采取的缓解战略摘要。LAB-乳酸菌，ACR-丙烯酰胺，AA-氨基酸，ASP-天冬酰胺

新兴的加工技术，如辐照、基因工程、真空处理等（图5），单独或与常用的预处理相结合，可能在降低食品中的ACR方面产生可喜的结果。尽管在该地区进行的调查很少，但进行更多研究是明智的。了解这些创新技术为降低ACR和实现食品基质中的所需特性提供了许多机会。

图 5. 减少食品中丙烯酰胺的创新方法

总结：为了应对对食品安全和ACR潜在健康风险的日益关注，需要有效的方法来降低加工食品中的ACR水平，特别是咖啡及其替代品。影响ACR形成的因素，如咖啡品种、加工方法和储存条件，提供了缓解的途径。虽然深色烘焙咖啡通常比轻度或中度烘焙咖啡含有更少的 ACR，但这种方法的适用性取决于消费者的喜好，并且因地区而异。此外，强烈烘烤可能会引入其他有害化合物。

生物技术方法，如发酵和酶的使用，由于其渗透性差，有望对生咖啡豆进行预处理。然而，这些技术需要进一步开发才能实现工业规模的应用。创新方法，包括无细胞提取物、植物提取物以及抗氧化剂、维生素和氨基酸等添加剂，已显示出降低 ACR 的潜力。但是，它必须经过进一步的研究和测试才能大规模实施。需要注意的是，这些策略可能会影响咖啡的感官品质和消费者的接受度。随着研究的进展，在不影响咖啡质量的情况下降低 ACR 的综合方法对于满足消费者对更安全、更健康的咖啡产品的需求至关重要。

参考文献：B.S. Yashwanth, M. Shikku Premachandran, Pooja S. Karkera, Pushpa S. Murthy, Acrylamide in coffee: Strategies, research and future perspectives, Food Control, Volume 163, 2024, 110484, ISSN 0956-7135,

https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2024.110484.