氨基酸同时消除甲醛和乙二醛的机理及消减产物的细胞毒性_林佳钰.pdf

278 2023,Vol.44,No.04 食品科学 安全检测氨基酸同时消除甲醛和乙二醛的机理及 消减产物的细胞毒性林佳钰1，黄才欢1，郑 洁1,2，刘 付1，欧隽滢2,3，周 华1，胡嘉漫1，欧仕益1,2,*（1.暨南大学理工学院食品科学与工程系，广东 广州 510632；2.焙烤食品安全粤港联合创新平台，广东 广州 510632；3.暨南大学食品安全与营养研究院，广东 广州 510632）摘 要：探讨氨基酸同时消除甲醛和乙二醛的机理及消减产物的细胞毒性。将-氨基丁酸或L-丙氨酸与甲醛、乙二醛物质的量比5 1 1在95 反应4 h，采用二硝基苯肼衍生法测定体系中残留的甲醛和乙二醛含量，发现甲醛促进-氨基丁酸消除乙二醛，乙二醛的消除率由不加甲醛的55.8%提高至70.6%；乙二醛促进L-丙氨酸消除甲醛，其消除率从不加乙二醛的2%提高至41.3%。经高分辨质谱及核磁共振表征，发现主要消减产物都为咪唑盐。其反应机理是一分子氨基酸先与一分子甲醛脱水形成Mannich碱，后者再与一分子氨基酸反应形成含两个亚氨基的中间产物，亚氨基通过亲核加成反应同时进攻乙二醛，脱水后形成咪唑盐。采用消减产物孵育人体正常胃上皮细胞，发现消减产物的形成明显降低了甲醛和乙二醛的毒性。在自制和市售的饼干和薯片中均发现了两种消减产物的存在，且当原料中氨基酸含量增加时，消减产物的含量也随之增加。结果表明，两种氨基酸在减控热加工食品中甲醛和乙二醛等有害醛类中具有一定应用潜力。关键词：甲醛；乙二醛；氨基酸；消减产物；细胞毒性Mechanisms for Simultaneous Removal of Formaldehyde and Glyoxal by Amino Acids and Cytotoxicity of Their ProductsLIN Jiayu1,HUANG Caihuan1,ZHENG Jie1,2,LIU Fu1,OU Juanying2,3,ZHOU Hua1,HU Jiaman1,OU Shiyi1,2,*(1.Department of Food Science and Engineering,College of Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China;2.Guangdong-Hong Kong Joint Innovation Platform of Baked Food Safety,Guangzhou 510632,China;3.Institute of Food Safety and Nutrition,Jinan University,Guangzhou 510632,China)Abstract:This study aimed to investigate the mechanisms by which amino acids simultaneously remove formaldehyde and glyoxal and to evaluate the cytotoxicity of their products.-Aminobutyric acid or L-alanine was reacted with formaldehyde and glyoxal at a molar ratio of 5:1:1 for 95,4 h.The amounts of residual formaldehyde and glyoxal were tested by the 2,4-dinitrophenyl hydrazine(2,4-DNPH)derivatization method.Formaldehyde was found to promote the removal of glyoxal by-aminobutyric acid,increasing the removal rate from 55.8%to 70.6%.Similarly,glyoxal could promote the removal of formaldehyde by L-alanine,increasing the removal rate from 2%to 41.3%.The major products were identified as imidazole salts using high-resolution mass spectrometry(HR-MS)and nuclear magnetic resonance spectroscopy(NMR).The reaction mechanism was that the dehydration reaction between one molecule of amino acid and one molecule of formaldehyde took place to form Mannich base,which reacted with one molecule of amino acid to produce an immediate product with two imine groups,attacking glyoxal via nucleophilic addition and finally resulting in the formation of imidazole salts by dehydration reaction.The imidazole salts formed with-aminobutyric acid or L-alanine significantly attenuated the cytotoxicity of formaldehyde and glyoxal.Both imidazole salts were detected in commercial and home-made potato chips and biscuits,and their contents could be greatly increased by addition of L-alanine and-aminobutyric acid to the 收稿日期：2022-02-24基金项目：国家自然科学基金面上项目（31972180）；国家自然科学基金青年科学基金项目（32102097）第一作者简介：林佳钰（1998）（ORCID:0000-0002-1163-934X），女，硕士，研究方向为食品安全。E-mail:*通信作者简介：欧仕益（1963）（ORCID:0000-0002-6779-0858），男，教授，博士，研究方向为食品安全。E-mail:安全检测 食品科学 2023,Vol.44,No.04 279raw materials.The results of this study indicated that-aminobutyric acid and L-alanine have potential application in the reduction and control of formaldehyde and glyoxal in thermally processed foods.Keywords:formaldehyde;glyoxal;amino acids;elimination products;cytotoxicityDOI:10.7506/spkx1002-6630-20220224-201中图分类号：TS201.6 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2023）04-0278-08引文格式：林佳钰,黄才欢,郑洁,等.氨基酸同时消除甲醛和乙二醛的机理及消减产物的细胞毒性J.食品科学,2023,44(4):278-285.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220224-201.http:/ LIN Jiayu,HUANG Caihuan,ZHENG Jie,et al.Mechanisms for simultaneous removal of formaldehyde and glyoxal by amino acids and cytotoxicity of their productsJ.Food Science,2023,44(4):278-285.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220224-201.http:/甲醛已被国际癌症研究机构定义为人类和动物的第一类致癌物，对人体具有巨大的危害。它能够通过外源性和内源性产生。外源性甲醛主要来源于环境和膳食暴露。环境暴露主要包括烟雾、工业污染、汽车尾气、生物质燃烧、化妆品、实验室和医院使用的防腐剂等1。在食品加工过程中，甲醛也可通过多不饱和脂肪酸氧化、甘氨酸的斯特勒克降解2、丙酮醛和乙二醛的降解3而产生。内源性甲醛可通过甲醇的氧化而产生。甲醇能通过水果和植物果胶中的甲酯产生，甲醇在体内被迅速吸收并代谢成甲醛。在细胞内，甲醛也可通过叶酸衍生物的分解、蛋白质和核酸的去甲基化而产生1。因此，甲醛广泛存在于热加工食品及水果、蔬菜、蘑菇、肉类和鱼类等食品原料中。橙子、火腿、蘑菇和马铃薯块茎中的甲醛含量分别为56.9、293、188、16.5 mg/kg4-6。甲醛的亚慢性毒性阈值（以最低基准质量为10%计算）是2 800 g/（kgd），为其每日容许摄入量（acceptable daily intake，ADI）的19 倍。因此，甲醛清除剂的开发已成为近年来的研究热点7。乙二醛、丙酮醛和3-脱氧葡萄糖酮等二羰基化合物易诱发体内活性氧产生，引起细胞损伤、细胞凋亡，与生物大分子如蛋白质、DNA等发生不可逆的结合等7。同时是晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）形成过程的中间产物。AGEs已被证明与许多慢性疾病，如葡萄糖性视网膜病变、神经病变、糖尿病和肾病等有关9。乙二醛与甲醛一样，能够通过外源性和内源性产生。外源性乙二醛的主要来源有环境污染和膳食摄入。环境污染主要包括烟雾、居民原木火灾、汽车尾气等10。在不同的食品，如发酵食品（啤酒、葡萄酒、酸奶、豆酱等）、热加工食品（面包、曲奇、咖啡和薯条等）、新鲜产品（豆类、果蔬、鱼类）以及油中均存在乙二醛11-13内源性乙二醛可通过碳水化合物和抗坏血酸的自氧化、糖化蛋白的降解和脂质过氧化产生14。乙二醛的平均暴露量为1 000 g/（kgd），是其ADI值的5 倍15。甲醛和乙二醛是两种很活泼的醛，在热加工过程中形成后迅速消失。Nowshad等16发现土豆块茎因自身生化代谢产生16.5 mg/kg甲醛，Bastos等17研究表明油炸油（菜籽油）中甲醛含量达到250 mg/kg，但Wang Wenli等18在油条中却检测不到甲醛（检测限0.58 nmol/L）。Gobert等19采用赖氨酸与葡萄糖在50 反应7 d，测出添加邻苯二胺捕捉时的乙二醛浓度为3.3 mmol/L，而不添加邻苯二胺捕捉时乙二醛浓度为0.06 mmol/L，乙二醛的形成量是其终产物中残留量的55 倍。说明在热加工过程中，甲醛和乙二醛通过一些消减途径而消失了。近年来国内外研究表明，氨基酸在甲醛和乙二醛的消除中发挥重要作用。一些氨基酸如半胱氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸等在室温下对甲醛的消除效果可达到40%以上20，其机理是氨基酸的亲电基团如巯基、氨基与甲醛易发生亲核加成反应20。乙二醛是美拉德反应的中间产物，与氨基酸发生亲核加成反应后，发生Strecker反应，是食品中风味物质如呋喃、吡嗪、吡啶等形成的主要途径22。但乙二醛等二羰基化合物也与氨基酸反应生成AGEs。Jiang