Physicochemical Characteristics and Cellular Responses of Cooking Aerosols Generated from Protein-Rich Food Powder–Soybean Oil Mixtures under Controlled High-Temperature Conditions

《Environmental Technology & Innovation》：Physicochemical Characteristics and Cellular Responses of Cooking Aerosols Generated from Protein-Rich Food Powder–Soybean Oil Mixtures under Controlled High-Temperature Conditions

　　

烹饪气溶胶（Cooking Aerosols, CAs）是室内颗粒物（particulate matter, PM）的来源之一，但食品材料组成对其理化特性和细胞响应的影响仍未被充分表征。本研究在300 °C和400 °C受控加热条件下，比较了由四种食品粉末与大豆油混合物（包括大豆、牛肉、大豆蛋白和牛肉蛋白）产生的CAs。研究人员对气溶胶进行了质量基粒径分布、形貌、元素组成、选定羰基化合物和多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH）含量以及A549肺上皮细胞体外响应的表征。与300 °C相比，400 °C时CA排放速率显著增加。在300 °C下，收集到的气溶胶主要以液态为主，而400 °C气溶胶含有大量碳质固体颗粒（solid particles, SPs）。与大豆相关混合物相比，牛肉相关混合物通常表现出更高的碳质颗粒相对丰度和更高的选定PAH浓度，尤其在400 °C条件下尤为明显。A549细胞暴露于400 °C CA悬浮液与细胞活力降低、活性氧（reactive oxygen species, ROS）和IL-6响应改变相关，且牛肉相关样品通常表现出更强的效应。这些细胞响应应被解释为颗粒相关物理相互作用与已测量及未测量的化学成分的联合效应。总体而言，研究结果表明，四种 tested 食品粉末与大豆油混合物在受控高温条件下产生的气溶胶具有不同的理化特性和细胞效应。这些发现为未来更严格地分离食品组成、油脂分解、颗粒特性和化学成分在烹饪相关气溶胶毒性中的作用提供了比较基础。

**烹饪气溶胶的理化特征与细胞响应：高温条件下蛋白质来源差异的系统比较**

**一、研究背景与目的**

烹饪气溶胶（Cooking Aerosols, CAs）是室内颗粒物（Particulate Matter, PM）的重要来源之一，其形成源于食品成分和烹饪介质在加热过程中的热分解与挥发。CAs的组成和性质受烹饪条件、食材材质和分析方法等多种因素影响，是一个复杂的混合物体系，包含颗粒物、挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）和半挥发性有机化合物（Semi-Volatile Organic Compounds, SVOCs）。食品配料对气溶胶的产生量、颗粒形态和化学组成具有显著影响，其中脂肪含量和油脂使用量在颗粒物和VOC排放中起关键作用。富含蛋白质的食品在热降解过程中还能生成多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）。然而，目前对不同蛋白质来源在CA形成中的贡献认识尚不充分。

植物源和动物源富含蛋白质食品在分子结构、热稳定性和与烹饪油的相互作用方面存在差异，但关于它们在CA形成中作用的比较研究仍然有限。多数研究聚焦于肉类来源的CAs，对植物源食品或在同一加热条件下将气溶胶表征与细胞响应相结合的研究较少。当不同食材与同一种油脂混合时，是否会产生不同的排放物尚不清楚，观察到的差异可能反映食品组成、加工历史、物理性质以及蛋白质来源的多重影响。为了分离食品组成和温度对CA形成的影响，本研究采用简化且受控的实验框架，使用电炉为基础的CA产生系统，该系统能够精确控制温度，同时减少燃料类型和烹饪设备等外部因素的干扰。选取大豆粉、牛肉粉、大豆分离蛋白粉和牛肉分离蛋白粉作为模型食品材料，与常用烹饪介质大豆油混合，以减少因原材料不均一带来的变异性。加热温度设置为300 °C和400 °C，分别代表高温肉类烧烤过程中达到的表面温度范围以及超过食用油（大豆油烟点238 °C）烟点的条件。该研究旨在比较高温度受控条件下植物源和动物源富含蛋白质食品材料产生的CAs的理化性质及其体外细胞响应。

**二、主要技术方法**

研究人员构建了一套电炉基CA产生系统，通过蠕动泵将食品粉末-大豆油混合物（25%，w/v）以0.25 mL/min的速率注入石英管内，在设定温度（300 °C和400 °C）下热解，经级联撞击器（Andersen Cascade Impactor）以24.2 L/min流量收集气溶胶。采用扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM/EDS）分析颗粒形貌与元素组成；通过分光光度法（400、500、600 nm）评估碳质固体颗粒（Solid Particles, SPs）相对浓度；采用高效液相色谱-二极管阵列检测（HPLC-DAD）定量分析甲醛、乙醛、苯并[a]芘和?。细胞实验使用A549人肺上皮细胞系（韩国细胞系库（Korean Cell Line Bank, KCLB）来源），进行MTT细胞活力检测、DCFDA活性氧（ROS）检测和ELISA炎症因子IL-6检测。样品采集后溶于二甲基亚砜（DMSO）（标称浓度200 mg/mL），使用前稀释至400 μg/mL进行细胞暴露实验，每组实验设三个独立重复。

**三、研究结果**

**3.1 食品粉末特性分析**

营养分析显示，四种食品粉末中蛋白质占比最大。大豆粉的碳水化合物和脂肪含量相对较高，而牛肉相关组（牛肉和牛肉蛋白）的蛋白质含量高于大豆相关组（大豆和大豆蛋白）。光学显微镜观察显示，大豆粉和牛肉粉呈现异质性的颗粒颜色和大小，而大豆蛋白粉和牛肉蛋白粉的颗粒颜色和大小分布更均匀。EDS分析表明，碳是所有材料中的主要元素，加工蛋白粉的碳含量低于全食物粉末，而氧含量相对增加，这可能反映了蛋白分离过程中非蛋白组分的去除以及纯化蛋白中含有更多含氧官能团（如羧基、羟基和酰胺基）。

**3.2 CAs的理化表征**

**3.2.1 CA产率和粒径分布**

高温显著增加了气溶胶排放量。各组在400 °C时的总CA排放速率约为300 °C时的4.7至16倍。在400 °C下，牛肉相关组的排放速率高于大豆相关组，其中牛肉组达到最高值0.07 g/min。粒径分布方面，300 °C时所有材料主要分布在1.2–2.3 μm空气动力学直径范围内；400 °C时优势粒径范围因材料而异，牛肉组和大豆蛋白组峰值在1.2–2.3 μm，大豆组峰值在2.3–3.6 μm，牛肉蛋白组峰值在3.6–5.1 μm。总体而言，在级联撞击器表征的粒径范围内，收集CAs的优势质量分数分布在1.2至5.1 μm之间。

**3.2.2 CAs的形貌与组成**

温度对气溶胶形态产生决定性影响。300 °C气溶胶以液态为主，而400 °C气溶胶含有大量碳质SPs。400 °C下产生的SPs形貌因食品材料而异：大豆相关组以微米级球形颗粒为主，牛肉相关组则观察到更多纳米级颗粒。EDS分析显示，所有样品中碳占颗粒组成的90%以上，表明SPs主要为碳质颗粒。吸光度测量结果与形貌观察一致：400 °C组的吸光度值显著高于300 °C组；总体而言，牛肉相关CAs的吸光度高于大豆相关CAs，其中牛肉蛋白组最高。研究人员推测，SPs的形成源于油-蛋白食品粉末混合物在高温下的热解和碳化过程。在400 °C下SP形成最为显著时，具有较高SP比例的牛肉蛋白组表现出比牛肉组更低的排放速率，大豆相关样品中也观察到类似模式，这表明SPs的形成通过将液态气溶胶组分转化为固态碳质颗粒而影响气溶胶排放速率。

**3.2.3 CAs中的有害化学成分**

化学分析检测了两种羰基化合物（甲醛和乙醛）和两种PAHs（苯并[a]芘和?）的浓度。甲醛在除300 °C牛肉衍生CA外的所有CA组中均被检测到；乙醛在所有实验组中均未检出。PAHs在所有CA组中均被检出（除400 °C大豆蛋白衍生CA外），且通常在牛肉相关组中含量更高。在检出的PAHs中，被国际癌症研究机构（IARC）列为1类致癌物的苯并[a]芘含量略高。值得注意的是，在SP浓度最高的牛肉蛋白衍生CA中，PAHs的相对丰度超过了VOCs。这些发现表明，油脂和食品材料混合物的活跃热分解促进了PAHs和碳质颗粒的同步形成。

**3.3 人肺细胞毒性分析**

细胞实验揭示了温度和食品类型依赖性肺毒性效应。光镜观察显示，与300 °C CA暴露组相比，暴露于含高比例SPs的400 °C CA后细胞死亡增多，SPs与细胞形成聚集体，贴壁细胞数量减少。MTT实验显示这些聚集细胞的活力降低。ROS检测显示400 °C组的ROS产生总体增加，且随时间递增。在细胞活力显著降低的400 °C组中，IL-6水平也显著升高。在300 °C暴露实验中，牛肉相关组表现出相对较高的ROS产生和较低的细胞活力，表明在SP形成最少条件下，牛肉相关CAs比大豆相关CAs具有更强的细胞毒性。在400 °C组中，3小时后的ROS产生模式与SP浓度分布高度一致，表明SP形成增强是驱动ROS产生和随后的细胞损伤的关键因素。IL-6表达趋势与3小时ROS产生及相应SP浓度和有害化学物质含量一致。然而，具有高SP浓度的400 °C组（牛肉和牛肉蛋白）尽管细胞毒性显著，但测得的ROS水平相对较低。研究人员通过对照实验证实，高SP浓度可显著抑制可测量的ROS信号，这很可能是由于SPs与ROS或分析相关物种之间的物理化学相互作用所致。这些结果表明，SPs的浓度和尺寸（尤其是牛肉源烹饪气溶胶中纳米级碳颗粒的形成）与人肺细胞的细胞毒性效应密切相关。

**四、讨论与结论**

**讨论总结：** 本研究讨论部分指出，食品类型和烹饪温度强烈影响烹饪气溶胶的化学组成和生物效应。在高温条件下，牛肉相关CAs表现出更高的SP浓度和PAH水平。高SP浓度可能通过充当氧化还原活性表面或汇来减少细胞内ROS可用性，或通过物理干扰荧光检测来影响ROS测量的准确性。此外，高毒性CA诱导的大量细胞死亡可能减少能够产生可检测ROS的代谢活性细胞数量。这些因素共同导致了ROS水平与细胞活力之间的表观不一致。研究还指出，有限的靶向化学标记物不能完全代表烹饪气溶胶的化学复杂性，DMSO提取和培养基重悬代表的是DMSO可提取组分而非自然空气传播暴露。本研究采用受控高温气溶胶生成模型，虽能控制进料速率、加热温度和采样条件，但未模拟锅面相互作用、水分蒸发、油膜动力学、氧气梯度、炊具表面效应、烹饪时长、通风和气溶胶稀释等实际烹饪条件。

**研究结论：** 本研究比较了在300 °C和400 °C受控加热条件下由大豆、牛肉、大豆蛋白和牛肉蛋白粉末-大豆油混合物产生的气溶胶。在400 °C时气溶胶排放增加，排放物从以液态为主转变为含有碳质固体颗粒的气溶胶。在级联撞击器测量的质量基空气动力学粒径范围内，优势组分出现在1.2至5.1 μm之间。所测试的混合物表现出不同的理化和细胞响应。牛肉相关样品在400 °C时通常表现出更高的碳质固体颗粒和选定PAH标记物相对丰度，而400 °C CA悬浮液降低了A549细胞活力并改变了ROS和IL-6响应。这些效应可能反映了颗粒相关物理相互作用以及已测量和未测量的化学成分的联合作用。然而，由于所有混合物均含有大豆油且在组成和物理性质上存在差异，研究结果不能完全归因于蛋白质来源。未来研究应采用仅含油和组成匹配的对照、更广泛的颗粒和化学表征，并在真实烹饪和空气-液体界面暴露条件下进行验证。该研究发表在《Environmental Technology》。