生物黄酮抑制食品中丙烯酰胺形成的机理及其构效关系研究

论文摘要

近年来,食品中丙烯酰胺的发现、分析检测、形成机理和抑制途径引起了世界相关领域科学家的广泛关注。研究热加工过程中丙烯酰胺的形成机理和影响因素,寻找有效的抑制途径,对于食品中丙烯酰胺危害的防护和食品安全性研究具有重要意义。通过添加植物化学素的方法抑制食品中丙烯酰胺的形成,探讨其对美拉德反应相关前体物质、中间产物和终产物的影响,是目前研究的热点和难点。本论文系统地研究了生物黄酮抑制食品中丙烯酰胺形成的机理及其构效关系。论文首先建立了丙烯酰胺的气相色谱（GC）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）检测方法；通过对常规热加工食品、婴幼儿食品、复杂基质样品的检测,痕量分析以及食品化学分析测试水平计划（FAPAS）认证,对LC-MS/MS方法的可行性进行评价；以中式传统食品为对象,对两种方法进行比较,确定后者作为本文用于丙烯酰胺检测的定量分析方法。其次,以富含生物黄酮的竹叶抗氧化物（AOB）和绿茶提取物（EGT）为研究对象,分别采用0.1%和0.01%（w／w）的AOB浸渍处理,炸薯片和炸薯条的丙烯酰胺形成抑制率可达74.1%和76.1%；当AOB添加量为0.5%（w／w）时,炸鸡翅的丙烯酰胺形成抑制率可达59.0%；当AOB和EGT的添加量分别为0.1%和0.01%（w／w）时,油条的丙烯酰胺形成抑制率可达82.9%和72.5%。结合最大允许使用剂量和感官评定的结果最终选择了两者在上述食品中的最佳添加剂量水平。然后,在确认生物黄酮对食品中丙烯酰胺抑制作用的基础上,以响应面分析（RSM）和正交实验分析（OAM）为试验设计方法,以超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）法为检测手段,系统研究了天冬酰胺-葡萄糖／果糖／蔗糖模式体系分别在低湿和微波加热条件下产生丙烯酰胺的规律。其中,天冬酰胺-葡萄糖模式体系产生丙烯酰胺的优化条件为：两种前体物质以等摩尔比例在180℃的低湿体系中加热15 min或在微波体系中加热5 min。选择天冬酰胺-葡萄糖模式体系,研究AOB和EGT对丙烯酰胺形成／消除动力学过程的影响。当两者在低湿和微波体系中的添加剂量水平分别为2×10-4 mg／g和10-6mg／mL时,对丙烯酰胺的抑制率达到最大值。分别采用Logistic-指数动力学模型和形成／消除一级动力学模型描述低湿和微波体系中AOB和EGT对丙烯酰胺动力学过程的影响,结果表明,AOB和EGT对两种体系中丙烯酰胺的形成动力学过程具有显著的抑制作用,而对消除动力学过程无显著影响。建立土豆微波模式体系,研究24种生物黄酮试样对丙烯酰胺的抑制作用及其构效关系。量效关系研究表明,当生物黄酮的添加剂量水平为10-9mol/L时,对丙烯酰胺的抑制率达到最大。DPPH.ABTS和FRAP抗氧化评价体系的测试结果表明,生物黄酮对丙烯酰胺的抑制率与反应体系抗氧化性的变化值（△TEAC）之间存在显著的相关性。采用定量结构-活性关系（QSAR）方法评价生物黄酮抑制丙烯酰胺的构效关系。结果表明,黄酮芳环羟基的数目和位置对其抑制作用具有重要影响；在芳环羟基数目相等的情况下,黄酮对丙烯酰胺的抑制率明显优于异黄酮；对于具有相同苷元的黄酮糖苷而言,碳苷对丙烯酰胺的抑制率优于氧苷；此外,生物黄酮的拓扑结构对其抑制丙烯酰胺的活性也有重要影响。最后,建立了同步检测天冬酰胺、葡萄糖、果糖和丙烯酰胺的同位素稀释UPLC-MS/MS检测方法。根据高抑制率和代表性原则,选取异荭草苷（AOB的特征性碳苷黄酮）、表没食子酸儿茶素没食子酸酯（EGT的特征性黄烷醇酯）、木犀草素-7-O-葡萄糖苷、木犀草素、染料木素和槲皮素为生物黄酮的典型试样,在其抑制丙烯酰胺的最适剂量水平（10-9 mol/L）上建立土豆微波模式体系的机理动力学模型,绘制天冬酰胺、葡萄糖、果糖、丙烯酰胺和类黑素的动力学曲线,计算相应动力学参数的变化,分析其作用位点。结果表明,生物黄酮可显著地抑制天冬酰胺与果糖反应生成以Schiff碱为代表的中间产物的过程、葡萄糖通过异构化作用向果糖转化的过程以及中间产物向丙烯酰胺转化的过程,但无法抑制天冬酰胺与葡萄糖反应的过程和丙烯酰胺生成后的消除和转化过程。此外,生物黄酮对抑制美拉德反应终产物类黑素的形成有一定的影响,但这种作用并不显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 博士学位论文研究整体技术路线图
• 第一章 文献综述与立题依据
• 1.1 热加工食品中的丙烯酰胺
• 1.1.1 食品中丙烯酰胺的发现
• 1.1.2 丙烯酰胺的毒性
• 1.1.3 各类食品中丙烯酰胺的含量和人体可能暴露量
• 1.1.4 丙烯酰胺摄入的危险性评估
• 1.2 食品中丙烯酰胺及其检测方法研究进展
• 1.2.1 食品中丙烯酰胺检测方法的建立
• 1.2.2 食品中丙烯酰胺含量测定的试样预处理方法
• 1.2.3 基于GC-MS方法的丙烯酰胺定量分析
• 1.2.4 基于LC-MS/MS方法的丙烯酰胺定量分析
• 1.2.5 其它分析检测方法
• 1.3 食品中丙烯酰胺形成机理研究进展
• 1.3.1 食品中丙烯酰胺的形成机理
• 1.3.2 丙烯酰胺的形成规律与影响因素
• 1.3.3 特征性食品基质中丙烯酰胺的形成
• 1.4 热加工食品中丙烯酰胺抑制途径研究进展
• 1.4.1 丙烯酰胺的抑制作用机理
• 1.4.2 控制措施之一:原料改良与加工工艺优化
• 1.4.3 控制措施之二:添加剂的使用
• 1.4.4 CIAA工具箱对丙烯酰胺抑制作用的评价
• 1.5 食品中丙烯酰胺形成与消除的动力学研究
• 1.6 生物黄酮
• 1.7 本研究立题依据与目的意义
• 第二章 食品中丙烯酰胺分析方法的建立
• 2.1 引言
• 2.2 材料、试剂与设备
• 2.2.1 样品原料
• 2.2.2 实验试剂与耗材
• 2.2.3 主要仪器与设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 丙烯酰胺GC-ECD定量方法的建立
• 2.3.2 丙烯酰胺GC-MS定性确认方法的建立
• 2.3.3 丙烯酰胺LC-MS/MS定量方法的建立
• 2.3.4 LC-MS/MS方法检测常规热加工食品中丙烯酰胺的含量
• 2.3.5 LC-MS/MS方法检测婴幼儿食品中丙烯酰胺的含量
• 2.3.6 LC-MS/MS痕量分析检测
• 2.3.7 LC-MS/MS方法检测复杂基质样品中丙烯酰胺的含量
• 2.3.8 LC-MS/MS方法的FAPAS验证
• 2.3.9 GC-ECD方法与LC-MS/MS方法的比较
• 2.4 结果与分析
• 2.4.1 GC-ECD定量分析方法的优化与方法学认证
• 2.4.2 GC-MS定性方法对丙烯酰胺衍生物的确认
• 2.4.3 LC-MS/MS定量分析方法的优化
• 2.4.4 LC-MS/MS方法检测常规热加工食品中丙烯酰胺的含量
• 2.4.5 LC-MS/MS方法检测婴幼儿食品中丙烯酰胺的含量
• 2.4.6 LC-MS/MS痕量分析检测
• 2.4.7 LC-MS/MS方法检测复杂基质样品中丙烯酰胺的含量
• 2.4.8 LC-MS/MS方法的FAPAS验证
• 2.4.9 GC-ECD方法与LC-MS/MS方法的比较
• 2.5 讨论
• 2.5.1 GC-ECD分析中衍生化方式的选择
• 2.5.2 LC-MS/MS分析中提取方法的选择
• 2.5.3 LC-MS/MS方法在后续研究中的应用
• 第三章 植物类黄酮制剂抑制丙烯酰胺的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料、试剂与设备
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验试剂与耗材
• 3.2.3 主要仪器与设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 AOB对薯类油炸食品中丙烯酰胺的抑制作用
• 3.3.2 AOB对炸鸡翅中丙烯酰胺的抑制作用
• 3.3.3 AOB和EGT对油条中丙烯酰胺的抑制作用
• 3.3.4 统计学分析
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 AOB对薯类油炸食品中丙烯酰胺抑制作用的评价
• 3.4.2 AOB对炸鸡翅中丙烯酰胺抑制作用的评价
• 3.4.3 AOB和EGT对油条中丙烯酰胺抑制作用的评价
• 3.5 讨论
• 3.5.1 浸渍时间对AOB抑制薯类油炸食品中丙烯酰胺作用的影响
• 3.5.2 添加方式对AOB抑制炸鸡翅中丙烯酰胺作用的影响
• 3.5.3 浓度-抑制率关系分析
• 第四章 丙烯酰胺模式反应体系的建立
• 4.1 引言
• 4.2 试剂与设备
• 4.2.1 实验试剂与耗材
• 4.2.2 主要仪器与设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 丙烯酰胺UPLC-MS/MS定量分析方法的建立
• 4.3.2 RSM研究丙烯酰胺的形成规律
• 4.3.3 OAM优选模式体系反应参数
• 4.3.4 低湿模式反应体系的建立
• 4.3.5 微波模式反应体系的建立
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 UPLC-MS/MS检测方法的建立
• 4.4.2 低湿模式体系下丙烯酰胺的形成规律和参数优选
• 4.4.3 微波模式体系下丙烯酰胺的形成规律和参数优选
• 4.5 讨论
• 4.5.1 UPLC-MS/MS定量分析方法的优越性
• 4.5.2 响应面曲线分析
• 4.5.3 优化条件的选择
• 第五章 植物类黄酮制剂抑制丙烯酰胺的动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料、试剂与设备
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验试剂与耗材
• 5.2.3 主要仪器与设备
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 AOB和EGT抑制丙烯酰胺作用的量效关系研究
• 5.3.2 丙烯酰胺形成/消除动力学模型的构建
• 5.3.3 AOB和EGT抑制丙烯酰胺的动力学研究
• 5.3.4 统计分析与动力学模型评价
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 AOB和EGT抑制低湿模式体系中丙烯酰胺的动力学研究
• 5.4.2 AOB和EGT抑制微波模式体系中丙烯酰胺的动力学研究
• 5.4.3 AOB和EGT对体系丙烯酰胺生成后的影响
• 5.5 讨论
• 5.5.1 AOB和EGT抑制模式体系中丙烯酰胺的量效关系评价
• 5.5.2 AOB和EGT抑制丙烯酰胺的动力学过程评价
• 第六章 生物黄酮抑制丙烯酰胺的构效关系研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料、试剂与设备
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验试剂与耗材
• 6.2.3 主要仪器与设备
• 6.3 实验方法
• 6.3.1 土豆微波模式体系的建立
• 6.3.2 生物黄酮抑制丙烯酰胺的量效关系研究
• 6.3.3 微波反应体系终产物的抗氧化性测定
• 6.3.4 生物黄酮对丙烯酰胺的抑制作用与体系抗氧化性之间的关系
• 6.3.5 QSAR方法分析生物黄酮抑制丙烯酰胺的构效关系
• 6.4 结果与分析
• 6.4.1 土豆微波模式体系的建立
• 6.4.2 生物黄酮抑制土豆模式体系中丙烯酰胺的量效关系
• 6.4.3 生物黄酮抑制丙烯酰胺的作用与体系抗氧化性之间的关系
• 6.4.4 生物黄酮抑制丙烯酰胺作用的构效关系
• 6.5 讨论
• 第七章 生物黄酮抑制丙烯酰胺的机理研究
• 7.1 引言
• 7.2 材料、试剂与设备
• 7.2.1 实验材料
• 7.2.2 实验试剂与耗材
• 7.2.3 主要仪器与设备
• 7.3 实验方法
• 7.3.1 天冬酰胺、葡萄糖、果糖和丙烯酰胺同步检测方法的建立
• 7.3.2 机理动力学模型的构建
• 7.3.3 机理动力学曲线的绘制
• 7.3.4 动力学参数的计算和统计学分析
• 7.4 结果与分析
• 7.4.1 UPLC-MS/MS同步检测方法的建立
• 7.4.2 机理动力学曲线的建立
• 7.4.3 动力学参数的计算和抑制作用位点的探讨
• 7.5 讨论
• 7.5.1 UPLC-MS/MS同步检测方法的优越性
• 7.5.2 生物黄酮抑制作用位点的探讨
• 第八章 总结、创新点与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 本研究的创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果与获奖情况
• 致谢