苦荞提取物通过多通路抑制天冬酰胺-葡萄糖体系中丙烯酰胺形成的动力学机制研究

《Food Chemistry: X》：Kinetics effect and inhibition mechanism of Tartary buckwheat extracts on acrylamide in the asparagine-glucose system

本研究针对热加工食品中丙烯酰胺(AA)的安全性问题，通过分析苦荞种子(TB)和苦荞芽(TBS)提取物在天冬酰胺-葡萄糖模型体系中对AA形成的抑制效果及动力学机制，发现TBS提取物（1 mg/mL）和芦丁（10?9 mol/L）最高抑制率分别达47.95%和64.69%，并通过Logistic-Exponential模型揭示其通过抑制3-APA转化、减少HMF生成及提升氧化还原电位三条路径协同降低AA含量，为食品安全生产提供新策略。

　　

在油炸、烘焙类淀粉类食品中，丙烯酰胺（Acrylamide, AA）的发现曾引发广泛关注——其含量超过世界卫生组织对饮用水中AA限值的500倍以上。研究表明，AA具有遗传毒性、致癌性、神经毒性及生殖毒性，而天冬酰胺（Asparagine, Asn）与还原糖（如葡萄糖）之间的美拉德反应（Maillard reaction）被认为是AA形成的主要途径。热加工食品中AA的生成受前体物质浓度、pH、水分含量及工艺参数等多种因素影响，目前常用的抑制策略包括选用低天冬酰胺和还原糖的原料、调整加工温度与时间，以及添加外源添加剂。植物提取物因富含酚酸和黄酮类化合物而具备抗氧化特性，被证实可有效降低AA水平，但关于苦荞提取物抑制AA形成的动力学机制及关键中间产物的研究仍较为缺乏。

为此，陕西师范大学食品工程与营养科学学院的研究团队在《Food Chemistry: X》上发表论文，系统探讨了苦荞种子（Tartary buckwheat seeds, TB）和苦荞芽（Tartary buckwheat sprouts, TBS）提取物在天冬酰胺-葡萄糖（Asn-Glc）模型体系中对AA形成的抑制效果、动力学行为及其作用机制。研究通过超声辅助提取法制备TB和TBS提取物，利用高效液相色谱（HPLC）分析其多酚组成，并建立Asn-Glc模拟反应体系，在不同加热时间（0–50 min）下测定AA、中间产物3-氨基丙酰胺（3-APA）、羟甲基糠醛（HMF）、美拉德反应终产物类黑精（melanoidins）及氧化还原电位（ORP）的变化，结合Logistic-Fermi和Logistic-Exponential动力学模型拟合AA动态过程，进一步通过添加AA标准溶液验证提取物对AA的直接消除作用。

主要技术方法

研究采用超声辅助乙醇提取法获得TB和TBS多酚提取物，通过HPLC定量分析其中没食子酸、绿原酸、芦丁、阿魏酸和槲皮素的含量；建立Asn-Glc等摩尔模型体系，分别添加不同浓度提取物（10^?5–1 mg/mL）或芦丁（10^?10–10^?5 mol/L），在160°C下加热不同时间（0–50 min），利用HPLC-UV检测AA含量，紫外分光光度法测定类黑精生成量，ORP电极测定体系氧化还原电位变化；采用Origin 9.0软件拟合AA生成的Logistic-Exponential动力学模型，并通过SPSS进行统计学差异分析。

3.1. 提取物多酚组成分析

TB和TBS提取物中均鉴定出五种多酚成分，其中芦丁含量最高，TBS中芦丁含量（152.37 mg/g DW）显著高于TB（114.89 mg/g DW），而TB中槲皮素含量（13.72 mg/g DW）高于TBS（0.13 mg/g DW）。发芽过程显著提高了芦丁和绿原酸的积累，这可能是TBS抑制活性优于TB的原因之一。

3.2. 提取物对AA形成的抑制效果

在1 mg/mL浓度下，TB和TBS提取物对AA的抑制率分别为32.13%和47.95%，且抑制效果随浓度增加而增强。芦丁在10^?9 mol/L时抑制率最高（64.69%），表明芦丁是苦荞提取物抑制AA的关键活性成分。

3.3. AA形成动力学曲线

AA含量在加热初期迅速上升，约30–40 min达到峰值后逐渐下降，呈现形成-消除动态平衡。添加TBS提取物或芦丁显著延迟AA峰值出现时间（分别至35 min和40 min），并降低AA最大积累量，说明其主要通过抑制AA生成而非促进后期消除发挥作用。

3.4. 动力学模型分析

Logistic-Exponential模型能较好拟合AA动态变化（pseudo-R² > 0.93）。与对照组相比，TBS和芦丁处理组的形成速率参数（k_f）显著降低（p < 0.05），峰值时间参数（t_f）延长，进一步证实二者可延缓AA生成进程。

3.5. 类黑精生成动力学

添加提取物或芦丁后，类黑精生成量显著降低，且抑制效果排序为芦丁 > TBS > TB，表明苦荞多酚通过抑制美拉德反应终产物积累间接减少AA形成。

3.6. 提取物对3-APA向AA转化的影响

在3-APA单独加热体系中，AA生成量随加热时间增加而上升，而添加TB、TBS提取物或芦丁均能抑制该转化过程，其中芦丁的抑制效果最显著，提示苦荞多酚可能通过阻断3-APA脱氨反应减少AA生成。

3.7. 提取物对HMF形成的抑制作用

HMF含量在加热过程中持续上升，但添加提取物或芦丁后其积累量显著降低，尤其当加热时间超过20 min时差异更为明显。HMF作为AA形成的重要中间体，其减少直接贡献于AA生成的抑制。

3.8. 提取物对氧化还原电位的影响

ORP随加热时间延长而上升，且添加提取物或芦丁的体系ORP显著高于对照组（p < 0.05）。高ORP环境可能促进自由基介导的AA降解，从而增强AA的消除。

3.9. 提取物对AA的直接消除作用

在AA标准溶液（10 mg/L和100 mg/L）中加入TB、TBS提取物或芦丁，经160°C加热30 min后，AA降解率显著高于对照组（最高达19.79%），证实苦荞多酚可通过氧化反应直接破坏AA结构。

结论与意义

本研究首次系统阐明了苦荞提取物及其主要成分芦丁通过三条路径协同抑制AA形成：降低3-APA向AA的转化率、减少HMF生成量、提升体系氧化还原电位以促进AA消除。动力学模型进一步表明，苦荞多酚主要作用于AA生成阶段而非消除阶段。该研究不仅为苦荞资源在食品热加工过程中的高效利用提供了理论依据，也为开发天然AA抑制剂开辟了新思路，对提升热加工食品安全性具有重要实践价值。