综述：烘焙食品中丙烯酰胺的产生：基于膳食纤维的缓解策略及其作用机制探究

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Acrylamide Formation in Baked Foods: Dietary Fiber-Driven Mitigation Strategies and Mechanistic Insights

　　摘要
背景
丙烯酰胺（AA）是一种由加工过程引起的污染物，主要通过在高温烘焙过程中发生的美拉德反应产生。由于其潜在的基因毒性、神经毒性和致癌性，丙烯酰胺一直是一个持续存在的食品安全问题。尽管通过优化加工工艺和使用小分子抑制剂可以减少丙烯酰胺的生成，但这些方法往往受到感官质量下降和工业适用性限制的约束。膳食纤维（DF）作为食品基质的重要组成部分，已被证明可以通过多种途径调节丙烯酰胺的生成。然而，DF在烘焙食品中调节丙烯酰胺生成的结构依赖性机制尚未得到系统的整合。

范围和方法
本综述简要概述了烘焙食品中丙烯酰胺的主要生成途径，并对当前的缓解策略进行了批判性评估，重点关注DF介导的调节作用。一个“结构-性质-机制”框架将DF的分子组成、代表性纤维类型、功能团以及物理化学特性与其对丙烯酰胺生成的不同影响联系起来。

主要发现和结论
现有证据表明，DF通过多种物理和化学途径调节丙烯酰胺的生成。物理作用包括水分重新分布、水分活度调节、可能限制前体移动性、热量和质量传递的变化以及形成后的吸附。化学作用包括pH值调节、活性羰基捕获、前体竞争、美拉德反应中间体的拦截以及自由基清除。可溶性、阴离子性和凝胶形成纤维通常表现出更强的抑制潜力，而不溶性、富含前体、分散不良或过量的纤维则可能表现出有限的、可忽略的或促进作用。因此，DF介导的丙烯酰胺抑制作用并非普遍有效，而是高度依赖于结构、剂量、加工工艺和食品基质。未来的研究应建立稳健的结构-活性关系，开发改良纤维，并评估DF如何影响丙烯酰胺的消化释放和生物利用度，以支持在烘焙食品中实现“清洁标签”下的丙烯酰胺减少。

引言
丙烯酰胺（AA）是在加工富含淀粉的食品（如饼干、面包和糕点）过程中常见的污染物。由于其潜在的基因毒性、神经毒性和致癌性，丙烯酰胺已成为高温食品加工中的一个重要食品安全问题。1994年，国际癌症研究机构（IARC）将丙烯酰胺列为2A类化合物，意味着它可能对人类具有致癌性（El-Sayed等，2023）。2002年，瑞典国家食品局（SNFA）报告称，在经过高温处理的富含淀粉的食品中检测到大量丙烯酰胺，引起了全球对膳食丙烯酰胺暴露的关注（Sarion等，2021）。2015年，欧洲食品安全局（EFSA）进一步指出食品中丙烯酰胺的存在是一个公共卫生问题（Quesada-Valverde等，2022）。来自动物和细胞模型的毒理学研究表明，接触丙烯酰胺可能导致DNA损伤（Friedman，2003），并具有生殖、发育和神经毒性效应（Erkekoglu & Baydar，2013）。流行病学证据也表明，膳食丙烯酰胺暴露与心血管疾病、乳腺癌（Chohan等，2025）、子宫内膜癌（Ubaoji & Orji，2016）和卵巢癌（Zhang等，2024）等慢性疾病的风险增加有关。为应对这些问题，最近的法规发展加强了通过设定基准水平、监测和基于工艺的缓解措施来控制丙烯酰胺。欧盟实施了委员会法规（EU）2017/2158和委员会建议（EU）2019/1888，而JECFA已将膳食丙烯酰胺暴露确定为人类健康问题，食品法典也开始审查其《减少食品中丙烯酰胺的守则》（CXC 67-2009）。中国也更新了其国家丙烯酰胺测定标准（GB 5009.204-2025）（FAO/WHO联合专家委员会，2011；欧洲委员会，2017，2019；食品法典污染物委员会，2025；中华人民共和国国家卫生健康委员会及国家市场监督管理总局，2025）。随着消费者对食品安全意识的提高，开发温和、高效且天然来源的丙烯酰胺控制策略已成为热加工食品领域的研究重点，尤其是在饼干和其他基于谷物的烘焙产品中，其中丙烯酰胺的抑制仍然具有技术挑战性。

目前，减少食品系统中丙烯酰胺生成的策略主要集中在加工工艺优化和通过添加剂的干预（Ghanati等，2024）。以工艺为导向的方法通常旨在用温和的热处理技术（如蒸煮或微波加热）替代传统的高温处理，从而通过最小化过度热暴露来减少丙烯酰胺的生成。然而，完全用温和的热处理过程替代传统烘焙方法往往不切实际，因为烘焙食品的特征质地、表皮颜色和风味取决于高温、低水分的加工过程。这些产品的特征质地、表皮颜色和理想的烘焙风味与热诱导反应密切相关。因此，大幅改变热参数可能会严重损害最终产品的感官和结构质量。鉴于这些限制，通过在配方中目标性地添加外源性抑制剂来进行配方干预已成为一种最可行且实用的策略，可以在不牺牲烘焙食品的感官和结构特性的情况下抑制丙烯酰胺的生成。研究表明，多酚类化合物（如茶多酚）可以通过多种机制抑制丙烯酰胺的生成，包括清除自由基、捕获美拉德反应过程中形成的活性羰基中间体、抑制脂质氧化以及与前体反应物的竞争性相互作用（K. Li等，2026；Torres等，2019）。同样，低分子量化合物（包括有机酸、氨基酸和金属离子）也可以通过改变反应途径或调节食品基质的pH值来调节丙烯酰胺的生成（Claus等，2008；Monsalve-Atencio等，2022）。然而，这些传统的小分子添加剂在复杂的烘焙食品基质中通常表现出有限的物理化学稳定性，可能会对最终产品的颜色、风味和质地产生不良影响，从而限制了它们的应用范围和工业可行性。因此，开发能够无缝融入食品基质同时改善产品质量并有效抑制丙烯酰胺生成的天然功能性成分已成为热加工食品安全领域的关键科学挑战。

根据食品法典委员会（CAC）的定义，膳食纤维（DF）是由十个或更多单体单元组成的碳水化合物聚合物，在人体小肠中不会被内源性酶水解；各国当局可以选择是否包括含有三到九个单体单元的碳水化合物（食品法典委员会，1985）。DF包括天然存在于食品中的聚合物、通过物理、酶法或化学方法从食品原料中获得的聚合物，以及合成聚合物（前提是对后两类聚合物证明具有有益的生理效果）（食品法典委员会，1985）。本综述涵盖植物、藻类、微生物、真菌和动物来源的碳水化合物聚合物，包括海藻酸、卡拉胶、黄原胶和壳聚糖（Pilnik & Rombouts，1985；Kawano等，2007；Neyrinck等，2009；Staffolo等，2011；Tanaka等，2018）。DF在常规膳食摄入量下天然丰富且通常具有良好的安全性。它还具有多种生理功能，包括调节肠道健康、减轻高血脂症和增强饱腹感。富含DF的植物材料还可能含有多酚、黄酮类和其他生物活性成分；因此，它们在烘焙食品中的营养和功能效应可能是纤维和非纤维成分共同作用的结果（Elleuch等，2010；Saura-Calixto & Fulgencio，2011）。越来越多的证据表明，富含DF的成分和 hydrocolloid 系统可以有效调节烘焙食品基质中的丙烯酰胺生成。例如，López-Ruiz等（2026）使用 muffin 和甜甜圈模型发现，添加2.5%的特定果胶处理可使丙烯酰胺减少约20-65%；然而，反应的程度和方向因果胶来源和产品基质而异。Yang等（2019）报告称姜粉可以减少饼干中的丙烯酰胺生成，而Zhao等（2026）观察到在饼干配方中添加芳香.osmanthus 花粉后丙烯酰胺生成减少。由于这些粉末除了DF外还含有多酚、糖、氨基酸、矿物质和有机酸等成分，因此其效应应解释为成分级别的、依赖于组成的响应，而不仅仅是DF本身的效果。此外，多种 hydrocolloids 已被证明对丙烯酰胺的生成有显著影响（Al-Asmar等，2018；Jiang等，2021；Huang等，2022），主要是由于它们的粘附行为和基质调节性能。Palermo等（2012）报告称，将富含纤维的成分加入饼干中可能通过改变与水相关的性质（如水分活度（Aw）和持水能力）影响丙烯酰胺的生成。这些发现表明，膳食纤维的与水相关的物理化学特性可能参与了烘焙过程中丙烯酰胺的调节。另外，一项动物研究显示土豆纤维可以减轻丙烯酰胺引起的小肠损伤（Dobrowolski等，2012）。然而，这种保护作用并未显示出丙烯酰胺的生物利用度、肠道吸收或全身暴露的减少。因此，DF是否能够减少摄入后的丙烯酰胺暴露仍不清楚。

目前关于DF介导的丙烯酰胺生成调节的研究主要集中在验证 hydrocolloid 系统的明显物理功能，如吸附、增稠和基质固定。然而，依赖于DF性质的潜在调节机制尚未得到充分阐明。这些研究中使用的传统 hydrocolloids 通常是高度纯化的、食品级的添加剂，组成复杂度较低，因此无法准确反映天然存在DF的多功能特性和营养价值。相比之下，来自农业工业副产品的天然来源的DF通常包含 SDF 和 IDF，它们嵌入复杂的多糖网络中。这些材料具有减少丙烯酰胺的潜力，并且还可以提供额外的好处，包括营养强化、调节肠道健康和改善产品品质。这与当前对绿色加工、清洁标签配方和食品资源的高价值利用的需求相一致。然而，目前这一领域的研究主要限于现象学观察，缺乏对现有证据的系统总结。特别是，DF的来源、组成、溶解度、水合行为和热稳定性对其在烘焙食品基质中调节丙烯酰胺生成效果的影响尚不完全清楚。鉴于这些知识空白，本综述系统总结了烘焙食品系统中的丙烯酰胺生成途径和当前缓解策略，强调了DF来源、可溶性和不可溶性组分、物理化学性质以及加工兼容性对丙烯酰胺生成的影响。进一步讨论潜在的机制，包括前体吸附、水分活度（Aw）调节、扩散限制、羰基捕获、与天冬酰胺或还原糖的相互作用以及热诱导反应动力学的改变，为开发“清洁标签”下的丙烯酰胺减少策略和促进谷物加工副产品的高价值利用提供了理论基础。

文献搜索和证据选择
为了确保本综述的透明度和可重复性，使用基于PICO框架进行了结构化的文献搜索，搜索范围涵盖了从数据库建立到2026年7月20日的Web of Science、Scopus和PubMed数据库中与丙烯酰胺、膳食纤维、hydrocolloids、烘焙食品和美拉德反应系统相关的术语。相关参考文献列表也进行了筛选。研究对象包括谷物和淀粉基烘焙食品。

丙烯酰胺（AAAA；C3H5NO；CAS编号79-06-1）是一种低分子量有机化合物，易溶于水、乙醇和其他极性溶剂。其特有的α,β-不饱和酰胺结构对其显著的化学反应性和生物毒性至关重要（Sarion等，2021）。自2002年确定美拉德反应是热加工食品中丙烯酰胺生成的主要驱动力以来，涉及天冬酰胺（Asn）和还原糖的缩合途径已被广泛关注。

当前的丙烯酰胺抑制策略
丙烯酰胺是与美拉德反应同时产生的，这意味着其生成受到任何影响该反应的因素的影响。因此，内在前体的组成和外在加工条件都可以直接或间接地调节丙烯酰胺的水平。当前的缓解策略大致可分为三类：前体的上游管理、加工条件的优化和化学干预。这些方法包括原始原料的处理……因此，DF的调节机制可以被概念化为一种……结论与展望：DF已被广泛用于提高食品品质和增强营养成分。越来越多的证据表明，DF在以环保方式减少烘焙产品中有害化合物方面具有显著潜力。与传统低分子量抑制剂相比，DF与复杂的食品基质具有更高的兼容性，并且更受消费者的欢迎。此外，添加DF还可以同时改善食品的质地特性并提高其营养价值。未引用的参考文献：Codex委员会关于食品中的污染物，2025年；Ferrazzano等人，2011年；Gunduz，2023年；FAO/WHO联合食品添加剂专家委员会，2011年；López-Ruiz等人，2026年；中华人民共和国国家卫生健康委员会与国家市场监督管理总局，2025年；Saura-Calixto和Fulgencio，2011年。伦理指南：本研究不需要伦理批准。作者贡献声明：郑 Wang：概念化、文献检索、撰写——初稿、可视化。孟远莉：调查、撰写——审阅与编辑。马森：监督、项目管理、资金获取、撰写——审阅与编辑。所有作者均已阅读并批准了手稿的最终版本。作者贡献声明：郑 Wang：概念化、方法学、调查、撰写——初稿、可视化。孟远莉：调查、撰写——审阅与编辑。马森：监督、项目管理、资金获取、撰写——审阅与编辑。利益冲突声明：作者声明没有需要声明的利益冲突。致谢：本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32272249）和河南省自然科学基金（项目编号：252300421032、262300422716）的支持。郑 Wang | 孟远莉 | 马森 | 河南工业大学食品科学与工程学院，中国郑州