Acrylamide (ug/kg)
Thời gian phản ứng (phút)
Acrylamide (ug/kg)
Thời gian phản ứng (phút)
Hình 2.26: ảnh hưởng của dung dịch lysine (A), glysine (B) và cystein (C) đến hàm lượng acrylamide có trong mẫu chip khoai tây chiên ở 1800C
Từ đồ thị trên ta thấy rằng ảnh hưởng của các acid amine lên hàm lượng acrylamide phụ thuộc vào nồng độ của các acid amine này và thời gian quá trình chế biến. Cụ thể đối với lysine (A) ở 0.5 phút đầu quá trình chiên thì lượng acrylamide giảm đến 70% ở các nồng độ lysine từ 0.1 – 3%. Khi thời gian chiên càng tăng thì lượng acrylamide giảm càng ít hơn so với giai đoạn đầu quá trình nguyên nhân là do ở nhiệt độ cao thì thời gian càng tăng thì các acid amine bị phân hủy bởi nhiệt độ càng tăng. Khi tăng thời gian chiên lên 3 phút thì lượng acrylamide chỉ giảm 3% khi sử dụng 0.1% lysine. Kết quả thu được tương tự đối với trường hợp của L- Lysine (B) và L - cysteine (C) trong đó L- cysteine (C) có tác dụng nhỏ nhất so với L- glycine và L- Lysine do nó có độ hòa tan trong nước là thấp nhất [104].
Ở các loại thực phẩm dạng snack công nghiệp được chiên ở 1800C, 25 phút thì ảnh hưởng của acid amine L- glycine, L- Lysine và L- cysteine được cho ở bảng sau:
Bảng 2.18: Ảnh hưởng của dung dịch lysine, glysine và cystein lên hàm lượng acrylamide trong quá trình chế biến bánh snack Dung dịch xử lý Acrylamide (µg/kg) Hàm lượng acrylamide giảm (%)
Mẫu ban đầu 1154 ± 79
0.5% 353 ± 10 69 ± 2
Glysine 0.1% 795 ± 14 31 ± 4
0.5% 543 ± 9 53 ± 3
Cystein 0.1% 935 ± 6 19 ± 5
0.5% 1008 ± 39 13 ± 8
Từ bảng trên ta thấy khi dùng L- glycine, L- Lysine ở nồng độ 0.5% thì có thể giảm lượng acrylamide nhiều nhất 69 và 53%. Điều này có thể giải thích là do các acid amine này đã cạnh tranh với các tác nhân tạo acrylamide và giảm sự tạo thành acrylamide trong quá trình chế biến(ngăn cản hoạt động của các nhóm hóa trị tạo acrylamide).
Do vậy đây là một phương pháp rất hữu hiệu để giảm hàm lượng acrylamide trong thực phẩm chế biến công nghiệp đặc biệt là sản phẩm snack, nó có ưu điểm hơn phương pháp bổ sung acid citric là không gây ảnh hưởng đến mùi vị và chất lượng của sản phẩm. [104]
b) Giảm nhiệt độ và thời gian của quá trình chế biến :
Hạ thấp nhiệt độ trong quá trình nướng, sử dụng phương pháp chiên chân không để hạ thấp nhiệt độ chiên, tránh dùng các hợp chất của silicone để phá bọt trong quá trình chiên sâu vì có thể làm lượng acrylamide tăng gấp đôi [24].
c) Loại bỏ acrylamide ra khỏi sản phẩm sau quá trình chế biến:
Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tìm phương pháp để loại acrylamide ra khỏi sản phẩm sau quá trình chế biến: Người ta đã thử nhiều phương pháp như là: sử dụng phương pháp trích ly siêu tới hạn với dung môi là CO2 lỏng và phương pháp chiếu tia tử ngoại nhưng vẫn chưa thu được kết quả mong muốn. Phương pháp trích ly siêu tới hạn với dung môi là CO2 lỏng có thể loại bỏ mọi độc tố nhưng lại phá hủy thực phẩm, phương pháp chiếu tia tử ngoại không có khả năng loại acrylamide ra khỏi thực phẩm ở nhiều bước sóng kể cả bước sóng khả kiến [91].
Ngoài ra người ta có thể giảm hàm lượng acrylamide sinh ra trong quá trình chế biến bằng cách tác động lên các yếu tố khách quan của nguyên liệu thô như:
Chế độ bảo quản: Đối với khoai tây thì nhiệt độ bảo quản không nên hạ xuống thấp hơn 80C. Khi nhiệt độ xuống thấp khoảng 40C thì lượng fructose tăng nhanh do đó là tăng lượng acrylamide sinh ra trong quá trình chế biến (nướng hoặc chiên).
Chọn lựa nguyên liệu thô: Sử dụng những giống khoai tây mới mà sinh ra lượng acrylamide thấp [125]
Kết luận:
Acrylamide là một tạp chất hóa học xuất hiện chủ yếu trong quá trình chế biến các thực phẩm chiên nướng ... thông qua con đường phản ứng Maillard với hai tác nhân chính là asparagine và nguồn carbonyl (đường khử).
Tác hại: Acrylamide có khả năng gây ung thư, gây tổn hại hệ thần kinh và các nguyên liệu di truyền khi thí nghiệm trên động vật.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng acrylamide sinh ra trong quá trình chế biến gồm: những yếu tố không thuộc bản chất bên trong nguyên liệu (quá trình xử lý nông nghiệp, loại đất trồng, điều kiện chăm sóc, bảo quản..), những yếu tố thuộc bản chất bên trong nguyên liệu (thành phần hóa học của nguyên liệu đặc biệt là hàm lượng acid amine (asparagine) và đường khử) và các thông số công nghệ của quá trình chế biến: nhiệt độ, thời gian, độ ẩm, áp suất, pH ...
Để phân tích hàm lượng acrylamide trong thực phẩm chủ yếu dùng hai phương pháp là phương pháp sắc ký lỏng cao áp (với cột sắc ký pha đảo) kết hợp với khối phổ hoặc phương pháp sắc ký khí kết hợp với khối phổ với độ nhạy có thể đạt là 0.2 ppb.
Một số phương pháp được dùng để giảm hàm lượng acrylamide trong quá trình chế biến: loại bỏ hoặc giảm các tác nhân của phản ứng gồm asparagine và đường khử (bằng các dung môi khác nhau như nước, acid, kiềm, dung dịch acid amine ...), dùng các chất ức chế phản ứng (acid amine, acid citric, chất chống oxy hóa, chất tạo nhũ hoặc enzyme asparaginase...) hoặc giảm nhiệt độ và thời gian của quá trình chế biến (chế biến trong điều kiện áp suất chân không).
CHƯƠNG 3: HAAs
3.1. Công thức cấu tạo, tính chất:
3.1.1.Công thức cấu tạo:
HAAs (heterocyclic aromatic amines): là các hợp chất amine vòng thơm (nhóm amine gắn trên vòng thơm), được tạo thành trong quá trình chế biến các thực phẩm giàu protein. Tên gọi và viết tắt của một số phân tử HAAs được cho ở bảng sau:
Bảng số 3.1: Tên viết tắt và tên đầy đủ của một số phân tử HAAs phổ biến [74]
Quinolines
IQ 2-amino-3-methylimdazo[4,5-f] quinoline
MeIQ 2-amino-3,4-dimethylimdazo[4,5-f] quinoline
Quinoxalines
IQx 2-amino-3-methylimdazo[4,5-f] quinoxaline
MeIQx 2-amino-3,8-dimethylimdazo[4,5-f] quinoxaline 4,8-DiMeIQx 2-amino-3,4,8-trimethylimdazo[4,5-f] quinoxaline 7,8-DiMeIQx 2-amino-3,7,8-trimethylimdazo[4,5-f] quinoxaline TriMeIQx 2-amino-3,4,7,8-tetramethylimdazo[4,5-f] quinoxaline 4-CH2OH-8-MeIQx 2-amino-4-hydroxymethyl-3,8-dimethylimidazo[4,5-f]
quinoxaline
7,9-DiMeIgQx 2-amino-1,7,9-trimethylimidazo[4,5-g] quinoxaline
Pyridines
PhIP 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b] pyridine
4′-OH-PhIP 2-amino-1-methyl-6-[4-hydroxyphenyl)imidazo[4,5-b] pyridine
DMIP dimethylimidazopyridine
TMIP trimethylimidazopyridine
Pyrido-imidazoles and indoles
Trp-P-1 3-amino-1,4-dimethyl-5H-pyrido[4,3-b] indole Trp-P-2 3-amino-1-methyl-5H-pyrido[4,3-b] indole
Glu-P-1 2-amino-6-methyl-dipyrido[1,2-a:3',2'-d] imidazole Glu-P-2 2-amino-dipyrido[1,2-a:3',2'-d] imidazole
AC 2-amino-9H-dipyrido[2,3-b] indole
MeAC 2-amino-3-methyl-9H-dipyrido[2,3-b] indole
Harman 1 – methyl – 9H pyrido[4,3 – b] indole Norharman 9H pyrido[4,3 – b] indole
MeIFP 2-amino-3-methylimidazo[4,5-f]-4H-1, 4-benzoxazine Benzoxazines 2-amino-3,4-dimethylimidazo[4,5-f]-4H-1, 4benzoxazine
Cấu trúc khác
Lys-P-1 3,4-cyclopentenopyrido-[3,2-a] carbazole
Orn-P-1 4-amino-6-methyl-1H-2,5,10,10btetraazafluoranthene
Phe-P-1 2-amino-5-phenylpyridine
3.1.2.Phân loại, tính chất:
Cho đến nay hơn 20 loại HAAs được tìm thấy trong các loại thực phẩm có xử lý nhiệt, dựa vào cấu trúc của các phân tử HAAs chúng được chia thành nhiều nhóm nhỏ như:
Nhóm amino – imidazo – quinoline hay còn gọi là các hợp chất IQ gồm các chất như: 2 –amino –3– methylimidazol [4,5 – f] quinoline (IQ) và 2–amino–3,4– dimethylimidazol [4,5 – f] quinoline (MeIQ) có công thức cấu tạo như sau:
Nhóm amino – imidazo – quinoxaline hay còn gọi là các hợp chất IQx gồm các chất như: 2–amino–3–methylimidazol [4,5 – f] quinoxaline(IQx), 2–amino–3,8–
dimethylimidazol [4,5 – f] quinoline (MeIQx) và 2–amino–3,4,8 (hay 3,7,8) – trimethylimidazol [4,5 – f] quinoxaline (DiMeIQx) có công thức cấu tạo như sau:
Nhóm amino – imidazo – pyridines hay còn gọi là các hợp chất IP gồm các chất như: 2 – amino – 1 – methyl – 6 phenylimidazo [4,5 – b] pyridine (PhIP) và DMIP có công thức cấu tạo như sau:
Nhóm amino – carbolines gồm các chất như: 1 – methyl – 9H pyrido[4,3 – b] indole (Harman), 9H pyrido[4,3 – b] indole (Norharman), 2 – amino –3 - methyl – 9H pyrido [2,3 – b] indole (MeAC), AC, Trp – P – 1, Trp – P – 2) có công thức cấu tạo như sau:
Nhìn chung hầu hết các phân tử HAAs đều có cấu trúc phân cực và có chứa 3 vòng thơm với ít nhất một phân tử Nitơ nằm trên vòng thơm và một nhóm exocyclic amino, và từ một đến bốn nhóm thế methyl. Tuy nhiên vẫn có một vài ngoại lệ như là nhóm PhIP và DMIP chỉ có hai vòng thơm trong khi đó thì Harman và Norharman không có một nhóm exocyclic amino nào còn nhóm IFP thì có thêm một phân tử oxygen nằm trên vòng của phân tử đó [60].
Nếu dựa vào cơ chế tạo thành trong quá trình xử lý nhiệt thì ta có thể chia các hợp chất HAAs thành hai nhóm như:
Nhóm 1: Các hợp chất HAAs hình thành do sự phân hủy nhiệt của các protein, acid amine ở các thực phẩm giàu protein thông qua cơ chế gốc tự do khi nhiệt độ quá trình lên đến 3000C. Các hợp chất HAAs hình thành theo cơ chế này còn được gọi là tác nhân gây đột biến nhiệt phân, gồm các chất thuộc nhóm amino – carbolines (AC, MeAC, Harman, Norharman, Trp – P – 1, Trp – P – 2).
Tính chất: Tất cả các phân tử nhóm 1 đều có nhóm amino gắn vào vòng pyridine, và khi xử lý với dung dịch nitrite 0.2mM trong môi trường acid thì độc tính của chúng không còn.
Nhóm 2: Các hợp chất HAAs hình thành do phản ứng giữa các tác nhân như: creatine (hoặc creatinine), carbonhydrate và các acid amine ở nhiệt độ thấp hơn 3000C, thường là từ 1500C đến 2500C. Các hợp chất HAAs hình thành theo cơ chế này còn được gọi là tác nhân gây đột biến nhiệt, gồm các chất thuộc nhóm amino – imidazo – quinoline (IQ), amino – imidazo – quinoxaline (IQx) và amino –
imidazo – pyridines (IP) [65].
Tính chất: Tất cả các phân tử nhóm 2 đều có nhóm amino gắn vào vòng imidazole và độc tính của chúng vẫn không thay đổi khi xử lý với dung dịch nitrite 0.2mM trong môi trường acid [29].
Nếu phân loại theo tính phân cực của phân tử thì ta chia HAAs ra làm hai nhóm: nhóm phân cực gồm các chất thuộc nhóm imidazoquinoline (IQ), imidazoquinoxaline (IQx), imidazopyridine (IP) và nhóm không phân cực gồm các chất thuộc nhóm pyridoindole, dipyridoimidazole hay nhóm amino – carbolines [74].
Tính ưa béo/ưa nước: Tính chất ưa béo hay ưa nước của các hợp chất HAAs phụ thuộc vào giá trị pH. Ở pH<3 điện tích dương của nhóm amino của các phân tử HAAs chứng minh tính ưa nước, trong khi đó ở giá trị pH càng cao thì các phân tử này thể hiện tính ưa béo càng cao [46].
3.2. Nguồn gốc:
Các hợp chất HAAs thường được tìm thấy ở các sản phẩm nướng, chiên giàu protein như các loại sản phẩm thịt, cá và cả các loại nước ép thịt (bò...).
Bảng 3.2: Hàm lượng Quinolines và Quinoxalines ở các loại thực phẩm khác nhau [65] Tên hợp chất Loại thực phẩm Hàm lượng (ng/g)
IQ Thịt bò chiên (nạc) 0.3 – 1.9
Thịt bò luộc (hấp) 0.19
Thịt heo chiên (nạc) 0.04
Cá chiên 0.16
Nước ép thịt 1.9 – 4.8
MeIQ Thịt heo chiên (nạc) 0.02
Cá chiên 0.03 MeIQx Thịt bò chiên (nạc) 0.3 – 1.0 Thịt heo chiên (nạc) 1.4 Cá chiên 6.44 Cá hồi (áp chảo) 1.4 – 5 Cá hồi (nướng lò) 1 – 4.6 Nước ép thịt 6.2 – 28.3
4 – MeIQx Thịt heo chiên (nạc) 0.01 – 0.02 4,8 –DiMeIQx Thịt bò chiên (nạc) 0.5 – 1.2 Thịt heo chiên (nạc) 0.6 Cá xông khói 0.08 Cá chiên 0.1 Nước ép thịt 2.9 – 3.6 7,8 – DiMeIQx Thịt bò chiên (nạc) 0.7
Cơ chế của quá trình tạo HAAs trong quá trình xử lý nhiệt như sau:
Các hợp chất HAAs là tác nhân gây đột biến nhiệt phân hình thành do sự phân hủy nhiệt của các protein, acid amine ở các thực phẩm giàu protein thông qua cơ chế gốc tự do khi nhiệt độ quá trình lên đến 3000C hoặc hơn nữa, tác nhân chính của quá trình này thường là một số các acid amine tự do như tryptophan, acid glutamic, phenylalanine, lysine và ornithine. Ví dụ như Trp – P – 1 và Trp – P – 2 được tạo thành là do sự đông tụ của tryptophan, AC, MeAC được tạo thành do sự phân hủy nhiệt của globulin đậu nành.
Con đường thứ hai tạo hợp chất HAAs là do phản ứng giữa các tác nhân như: creatine (hoặc creatinine), carbonhydrate và các acid amine ở nhiệt độ thấp hơn 3000C, thường là từ 1500C đến 2500C. Các hợp chất HAAs hình thành theo cơ chế này còn được gọi là tác nhân gây đột biến nhiệt, gồm các chất thuộc nhóm amino – imidazo – quinoline (IQ), amino – imidazo – quinoxaline (IQx) và amino – imidazo – pyridines (IP) [65].
Trong đó thì nhóm amino – imidazo – quinoline (IQ) và nhóm amino – imidazo – quinoxaline (IQx) được tạo thành thông qua phản ứng Maillard và phản ứng phân hủy theo cơ chế Strecker từ creatine và các acid amine khi có hoặc không có đường khử. Cơ chế này bắt đầu với sự tạo thành các hợp chất pyridines và pyrazin thông qua phản ứng Maillard và phản ứng phân hủy Strecker. Đồng thời là sự hình thành các gốc tự do trung gian như aldehyde, ketones, epoxide (của phản ứng Maillard), nhiều gốc tự do alkyl khác từ quá trình hydropeoxide các chất béo và sự phân hủy tách hydro bởi nhiệt độ cao rồi đóng vòng của creatine tạo thành phân tử creatinine. Từ các pyridines và pyrazin, các gốc tự do và creatinine sẽ kết hợp với nhau tạo thành các hợp chất IQ và IQx. Cơ chế của các phản ứng này được minh họa bằng hình vẽ sau:
Hình 3.1: Cơ chế quá trình tạo imidazo – quinoline và quinoxaline
Bảng số 3.3: Tác nhân và điều kiện thí nghiệm của các phản ứng tạo HAAs trong quá trình xử lý nhiệt giữa creati(ni)ne và acid amine có hoặc không có sự tham gia của đường. Hợp chất Hiệu suất
phản ứng
Tác nhân phản ứng Chế độ xử lý nhiệt
Acid amine Đường
IQ 0.3 pro - Dry
1.0 gly fru DEG – H2O
3.0 phe - Dry
13.5 phe glu Dry
Phản ứng phân hủy Strecker
3.7 ser - Dry
MeIQ - ala fru DEG – H2O
IQx 2.7 ser - Dry
- gly glu H2O
- thr glu H2O
MeIQx 4.4 gly glu DEG – H2O
0.9 ala glu DEG – H2O
1.8 ala rib DEG – H2O
4.2 lys rib DEG – H2O
- thr glu DEG – H2O
6 – 7 lys fru DEG – H2O
- ser - Dry
- ala - Dry
- tyr - Dry
4 lys glu DEG – H2O
- phe glu DEG – H2O
10 ala,thr glu DEG – H2O
8.8 – 17.9 lys glu H2O
7 – 10 lys glu H2O
9 thr glu H2O
4,8 - Di MeIQx - thr glu DEG – H2O
1.9 – 2.6 ala fru DEG – H2O
4.2 ala glu DEG – H2O
1.5 ala rib DEG – H2O
26.1 lys rib DEG – H2O
- gly glu DEG – H2O
- phe glu DEG – H2O
36 ala,thr glu DEG – H2O
30 thr glu H2O
- gly glu H2O
7,8 - Di MeIQx 1.1 gly glu DEG – H2O
- gly glu H2O 4,7,8-Tri
MeIQx
6 ala,thr glu DEG – H2O
PhIP 3.6 phe glu DEG – H2O
735 phe - Dry
560 phe glu Dry
- phe - Dry
- leu - Dry
20.9 phe glu DEG – H2O
6.4 phe - DEG – H2O
<0.058 phe glu DEG – H2O
Chú thích:
Hiệu suất phản ứng được tính bằng nmol HAAs/mmol creati(ni)ne.
Dry: xử lý nhiệt khô ở 180 – 2000C trong vòng 1 giờ.
DEG – H2O: xử lý nhiệt bằng hơi ngược dòng của hỗn hợp diethylene glycol/nước (5:1) ở 125 – 1280C trong vòng 2 giờ.
H2O: xử lý nhiệt bằng hơi nước trực tiếp trong ống kim loại kín ở 1800C trong vòng 10 – 30 phút.
Các acid amine: pro = proline, gly = glycine, phe = phenylalanine, ser = serine, ala = alanine, thr = threonine, lys = lysine, tyr = tyrosine, leu = leucine.
Các loại đường: fru = fructose, glu = glucose, rib = ribose.
Nhìn vào bảng trên ta thấy hầu như tất cả các acid amine đều có thể tham gia vào quá trình tạo HAAs, còn nguồn carbonhydrate thì chỉ có glucose đóng vai trò chủ yếu. Hầu hết các phản ứng đều cần nguồn glucose trong khi đó chỉ có một vài phản ứng là cần tác nhân fructose hoặc ribose. Từ đó có thể rút ra kết luận là glucose là nguồn carbonhydrate chủ yếu tham gia vào phản ứng tạo HAAs [65].
Đối với nhóm amino – imidazo – pyridines hay còn gọi là các hợp chất IP thì cơ chế tạo thành lại không thông qua phản ứng Maillard và phản ứng phân hủy Strecker mà