加工過程所產生之毒素 （ 一 ） 丙烯醯胺 Acrylamide

1. 加工過程所產生之毒素（一）丙烯醯胺Acrylamide加工過程所產生之毒素（一）丙烯醯胺Acrylamide 陳俊成 台灣大學農化研究所畢 食品健康品質提升讀書會成員 2014/01/14

2. 食品健康品質提升讀書會簡介 • 是一個未立案的小讀書會。 • 由文長安擔任召集人，由幾個熱心食品健康品質提升食品碩士以上學歷社會人士組成。 • 每周周末在新北市永和區永安市場捷運站附近討論食品健康品質提升議題，討論結果會彙成power point供大家參考。 • 同時並提供最新簡報資料，供大家精進。

3. 丙烯醯胺在食品中之發現 • 2002年，瑞典國家食品管理局及Stockholm大學聯合發表的研究報告指出，在高於120℃以上的溫度製備食物時，如油炸及烘烤，會讓食物含有可能致癌的丙烯醯胺。此報告之發表，即刻引起國際關切，紛紛積極介入研究。

4. 丙烯醯胺的生成

5. 丙烯醯胺的生成 • 食物中天然存在的糖類與天門冬醯胺（asparagine），在120℃以上的溫度下反應形成，也是梅納反應的一部分。 • Acrylamide is mainly formed in food by the reaction of asparagine (an amino acid) with reducing sugars (particularly glucose and fructose) as part of the Maillard Reaction; acrylamide may also be formed via reactions involving 3-aminopropionamide. • Acrylamide formation primarily takes place under conditions of high temperature (usually in excess of 120 °C) and low moisture. Codex Alimentarius Commission • 在常見的糖類當中，以果糖 的反應效率為最高。

6. 影響因子一 • 丙烯胺前驅物的濃度及溫度是影響丙烯醯胺生成速率的主要因子。 • 於升溫加熱時，丙烯醯胺的生成作用與降解作用是同時存在的。 也有研究指出，丙烯醯胺於加熱生成時，也會有少量的丙烯醯胺被蒸發流失。 • 因此在測定食物中丙烯醯胺含量時，所得的數據就是這兩種相對反應的結果。 A：還原糖 B：天門冬醯胺 C：丙烯醯胺 D：丙烯醯胺降解產物 當還原糖與天門冬醯胺量相當時，進行first order反應 當天門冬醯胺濃度高時,進行zero order反應

7. 影響因子-溫度 • 溫度的影響 • 吾人已熟知食品在高溫下烹煮（>120℃），會產生丙烯醯胺。 • 在短時間的處理作業下，例如炸洋芋片及薯條，降低油炸溫度就可顯著減少丙烯醯胺的生成量。 • 但在焙炒咖啡時，延長焙炒時間，反會降低丙烯醯胺的濃度。 • 因此，可能有一個溫度/時間區是丙烯醯胺生成量大於破壞量的區域，在此區域以外，就會有比較少量的丙烯醯胺存在。

8. 影響因子-水分 • 丙烯醯胺在沸騰下是不會大量產生的，顯示高溫及低水分含量是丙烯醯胺生成的必要條件。 • 在大氣壓力下加熱，必須要降低水分含量，才能讓溫度再提升，如油炸、烘焙及焙炒。因此，水分含量能決定食品的物理直狀態及化學組成分的移動狀況，也會影響到丙唏醯胺的生成。

9. 影響因子-還原糖種類 • 還原糖是主要的羰基來源。 • 果糖形成丙烯醯胺的效率比葡萄糖高。 • 其物理性對於丙烯醯胺的形成，具有重大的影響性。 • 果糖及葡萄糖的溶點分別為126℃及157℃，顯示果糖的反應性比葡萄糖高。 • 當水分因蒸發作用而降低時，糖類開始呈現飽和狀態並產生結晶。當結晶形成以後，就須要熔化使成液態，使具有反應性。 • 因此，還原糖的熔點越低，反應生成丙烯醯胺的效率就越高。

10. 影響因子-梅納反應條件 • 丙烯醯胺的生成與梅納反應有密切的關係，因此影響梅納反應的因子，也同樣會影響丙烯醯胺的生成。 • 吾人已熟知梅納反應的速率是視反應環境的pH值而定的，在較低的pH環境下，可降低高溫加熱食物丙烯醯胺的生成。 • 天門冬醯胺的α氨基因被質子化，阻礙了N-substituted • glycosylamine 的形成，因而降低了酸處理食品丙烯醯胺的產生量。 • 但在含有蔗糖的麵糰中添加檸檬酸，卻會反而增高丙烯醯胺的生成量，原因是檸檬酸促進了蔗糖的水解，讓高反應活性糖類的濃度增高所致，如奶油西點餅乾cookies。

11. 不同氨基酸的影響

12. 影響因子-兩價陽離子 • 已知在洋芋片中添加兩價鈣離子，可降低加熱過程中丙烯醯胺的生成量。 • 當在葡萄糖及天門冬醯胺混合物的反應系統中，陽離子可以避免丙烯醯胺中間產物-喜夫式鹼的形成，因此可以降低丙烯醯胺的生成。 • 兩價陽離子雖可降低丙烯醯胺的生成量，但卻因促進葡萄糖的脫水作用，導至形成較多的甲基糠醛 （hydroxymethylfurfural）。 Vural Gökmen & Tunç Koray Palazoğlu, Food Bioprocess Technol (2008) 1:35–42

13. 油炸溫度/時間與丙烯醯胺產量 • Vural Gökmen & Tunç Koray Palazoğlu, Food Bioprocess Technol (2008) 1:35–42

14. 丙烯醯胺於低溫下也能生成 • A. Becalski, et., al., Formation of acrylamide at temperatures lower than 100°C: the case of prunes and a model study, Food Additives and Contaminants, 2011, Vol. 28, No. 6, June 2011, p. 726–730. • 在開放的條件下連續加熱24小時，60℃的樣品就可測得微量丙烯醯胺，85℃及95℃之生成量呈快速增加的現象。

15. 丙烯醯胺不一定在高溫下才形成！

16. 炒得越焦 不見得含量就越高！ Coffee: Emerging Health Effects and Disease Prevention,2012, Wiley.

17. Roasted coffee beans 並非炒得越久,含量越多! Coffee: Emerging Health Effects and Disease Prevention,2012, Wiley.

18. 吸收與代謝

19. ABSORPTION, METABOLISM, DISTRIBUTION AND EXCRETION • 動物實驗顯示，丙烯醯胺及環氧丙烯醯胺glycidamide在進入實驗動物體內以後，迅速廣佈於身體各部組織，包括乳汁。 • 丙烯醯胺、環氧丙烯醯胺的主要代謝產物是種環氧化物，此代謝產物比丙烯醯胺的致癌性及基因毒性之關係更為密切，而丙烯醯胺比環氧丙烯醯胺更具神經毒性潛力。 • 丙烯醯胺在人體的代謝路徑與實驗動物相同，但在進行風險評估時，須要考慮到代謝量的差異。 • 在動物毒性研究時所施予的劑量範圍，應考慮到母化合物與環氧丙烯醯胺間的轉化作用速率，劑量越低，轉變成環氧丙烯醯胺的比例就越高。 • 因為代謝及排泄具有基因差異性，造成定量丙烯醯胺對人體會產生不同的敏感性。 • 丙烯醯胺在老鼠體內之半衰期half-life約為2小時，但人體的藥物動力資料卻很稀少，應無法完全套用。 FAO/WHO Health Implications of acrylamide in Food,2002

20. 毒性與建議容許量

21. 丙烯醯胺的毒性 • IARC Monography 60 ,1994. • 2A group toxin, “Probably carcinogenic to humans” 可能對人類有致癌性 • 美國癌協會：高劑量丙烯醯胺會引起神經傷害，導致麻痺或手腳軟弱，膀胱問題及其它症狀。

22. JECFA,2005 • Toxicity of acrylamide • 神經毒性Neurotoxicity • 生殖及基因毒性 Reproductive toxicity and genotoxicity • 致癌性Carcinogenicity

23. JECFA,2010 • Dietary exposure estimates: • Mean 0.001 mg/kg body weight (bw) per day • High 0.004 mg/kg bw per day

24. 其它毒性研究 • Yulan Lin, Int. J. Cancer: 128, 676–681 (2011) • Dietary intake of acrylamide might be a risk exposure for esophageal cancer, a stronger association among overweight or obese persons was indicated. • 可能會導致食道癌,尤其是肥胖者！

25. 其它毒性研究 • Belinda J. Nixon, et., al., toxicological sciences 129(1), 135–145 (2012) • The results of this study are the first to demonstrate that chronic exposure to acrylamide, at doses equivalent to human exposures, generates DNA damage in male germ cells of mice. • 當劑量達到人體曝露量時,就會讓公鼠的生殖細胞產生DNA傷害。 • Linda S. Von Tungeln, Int. J. Cancer: 131, 2008–2015 (2012) • These results, combined with our previous data on DNA adduct formation and mutation induction, suggest that the carcinogenicity of acrylamide is dependent on its metabolism to glycidamide, a pathway that is deficient in neonatal mice. • 丙烯醯胺的致癌性端視其代謝成環氧丙醯胺而定,新生老鼠無此路徑。

26. 丙烯醯胺的建議容許量 • 世界衛生組織建議飲用水中丙烯醯胺含量應低於0.5微克/公升，歐盟則訂為0.1微克/公升以下。 • 聯合國糧農組織/世界衛生組織目前尚未制定建議人體攝取安全劑量 。 • JECFA因丙烯醯胺具有基因毒性genotoxicity，無法制訂安全容許量。

27. FAO/WHO 2012 Report • 聯合國糧農組織/世界衛生組織食品添加物專家聯合委原會 2012，在非致癌性效應中，不會對於老鼠的形態造成變化之無可觀察到之負面效應劑量（NOAEL）為200微克/公斤體重/天。 Viswanath P, Evaluation of certain contaminants in food (Seventy second report of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives). Indian JMed Res 135:795–796 (2012).

28. 食品中的含量

29. Franco Pedreschi, et., al., J Sci Food Agric 2014; 94: 9–20

30. 丙烯醯胺在食物中之含量調查 Vural Gökmen & Tunç Koray Palazoğlu,Food Bioprocess Technol (2008) 1:35–42

31. AA in Almond products

32. Almond – roasted Tem./Time

33. AA in curries

34. AA in coconut milk

35. 台灣食品含量一 • 鄭維智等人：Journal of Food and Drug Analysis, Vol. 14, No. 2, 2006, Pages 207-214 • 炸麵筋、泡麵、杯麵、洋芋片、油條、老油條。

36. 續

37. 台灣食品含量二 WEI CHIH CHENG, et., al., Journal of Food Protection, Vol. 75, No. 12, 2012, Pages 2158–2162

38. 主要食物來源 • The major contributing food groups were ：French fries,薯條 potato crisps,洋芋片 coffee,咖啡 biscuits/pastries, bread and rolls/toasted bread. 奶油酥餅/丹麥奶酥,麵包及甜麵包/烤吐司/油條

39. 膳食曝露量推估 Franco Pedreschi, et., al., J Sci Food Agric 2014; 94: 9–20

40. Dietary contribution of coffee

41. 丙烯醯胺的減量 與移除的方法 • CODE OF PRACTICE FOR THE REDUCTION OF ACRYLAMIDE IN FOODS , CAC/RCP 67-2009

43. Reduction from Production Stage • Raw materials • Control/Addition of other Ingredients • Food Processing and heating • 由製程中予以降低

44. Raw materials • 原料的選擇-馬鈴薯 • 品種 • 種植地區 • 採收季節 Saeedeh Shojaee-Aliabadi , et., al., J Sci Food Agric 2013; 93: 2556–2561

45. 截切基因技術 • Caius M. Rommens, et., al., Plant Biotechnology Journal, (2008) 6, pp. 843–853 • Silencing of asparagine synthase genes limits asparagine biosynthesis in potato tubers. • This new method is based on the tuber-specific silencing of two genes in asparagine biosynthesis, and reduces the concentration of free asparagine by up to 95%. • Silencing of the potato asparagine synthetase genes (StAs1 and StAs2) decreases the accumulation of asparagine. • 截切天門冬醯胺合成酵素基因,限制天門冬醯胺之生合成。

46. 主要基因片段 • 1.StAs1 gene fragment ；2. StAs2 gene fragment

47. 肥料的影響 • Ernst Albrecht Weber, et., al., J. Plant Nutr. Soil Sci. 2008, 171, 643–655 • Nitrogen fertilizers leading to high crude protein concentrations caused significantly increased Asn concentrations. • J´oska Gerend´as, et., al., Journal of Plant Nutrition, 30: 1499–1516, 2007 • Increasing K addition always raised the citrate contents, but lessened the contents of reducing sugars. • 鉀肥可降還原糖 • 氮肥可提高天門冬醯胺

48. 品種及生產年度之差異 Bruno De Meulenaer, et., al., J Sci Food Agric 88:313–318 (2008)

49. 儲存溫度的影嚮 • Storage of potatoes below 8°C is known to cause increased levels of reducing sugars. • Storage at 8°C or above will therefore reduce the potential for the formation of acrylamide in the potato product upon frying. Avoiding cold conditions can be readily achieved for short-term storage. • Potatoes stored at 4 ◦C had significantly higher levels of glucose and fructose than potatoes stored at 8 ◦C. • Acrylamide levels were significantly higher in crisps made from potatoes stored at 4 ◦C. • 勿低溫儲存！

50. 儲存條件的影響