发酵食品是指通过微生物（如细菌、酵母菌等）以及酶促作用使食品成分发生变化而得到的食品[1-2]。目前发酵主要包括两种方法，即自然发酵和接种发酵剂发酵。自然发酵指以环境本身存在的微生物为主而进行的生产活动，其产物也多为传统食品，如酱油、食醋、酒酿、泡菜等，而接种发酵剂发酵主要利用已经商业化的优良菌种进行食品加工，其产物多为现代食品，如发酵乳制品、开菲尔、康普茶和纳豆等[2]。食品发酵以方法简单、保质期长、成分丰富以及原材料充足等优势，极大的推动食品行业的进步[3]。但是由于发酵品类繁多，不同产品发酵条件各不相同，发酵过程易受环境影响，在发酵过程中不可避免地产生一些有害物质，如致病菌（金黄色葡萄球菌、李斯特菌等）、致癌物（丙烯酰胺、亚硝酸盐）等[4]。
丙烯酰胺属于合成物质，是公认的致癌物和神经性毒物，容易经消化道、皮肤、肌肉或其他途径吸收[5-6]，并能通过胎盘屏障，致使遗传物质损伤更甚引起基因突变[7]。食品中的丙烯酰胺常见于高温加热食品，如面包[8]、油炸食品[9]、饼干甜点[10]、马铃薯类食品[11]、肉制品[12]等。丙烯酰胺主要来自于食品高温加热过程中，氨基化合物（氨基酸等）与羰基化合物（糖类）发生的美拉德反应[9]。进一步研究表明，丙烯酰胺不仅只存在于高温食品的美拉德体系中，在常温条件下，也会有丙烯酰胺的产生，如YASUHARA A等[13]研究表明，氨类物质和丙烯醛可在室温条件下反应生成丙烯酰胺。TAREKE E等[14]研究发现，在37 ℃、pH 7.4条件下，天冬酰胺在被氧化的过程中也能产生丙烯酰胺。目前国标GB 5009.204—2014《食品中丙烯酰胺的测定》中尚未明确规定发酵食品中丙烯酰胺的限量标准，而欧盟规定常见食物中的丙烯酰胺含量限值为300～850 μg/kg[10]。食品发酵过程温度普遍不高，但多涉及糖分、蛋白质脂类等大分子物质的降解以及小分子物质的相互反应，这些反应在为发酵食品带来丰富滋味的同时也带来丙烯酰胺等风险成分。
本文介绍了发酵食品中丙烯酰胺生成机理，总结了不同发酵食品（发酵调味品、发酵乳制品、发酵肉制品以及其他发酵产品）的丙烯酰胺生成机理、来源等，并阐述了不同发酵食品加工过程中丙烯酰胺的控制方法，以期控制发酵食品中丙烯酰胺的生成，为进一步保障发酵食品的食用安全提供新思路。
1 食品中丙烯酰胺的形成机理
1.1 美拉德反应
美拉德反应最早由法国著名科学家Louis Camille Maillard于1912年提出，1953年Hodge对美拉德反应的机理提出较为系统的解释，将美拉德反应过程分别为羰胺缩合和重排反应阶段、Strecker降解反应阶段以及产物生成阶段，其中丙烯酰胺、糖化终末产物等有害物质多生成于Strecker降解反应阶段[15-16]。
1.2 丙烯酰胺生成途径
1.2.1 天冬酰胺途径
天冬酰胺途径是食品中丙烯酰胺形成的最重要途径，主要指食品原料中的天冬酰胺与羰基化合物（还原糖）通过美拉德反应而形成丙烯酰胺[17]。研究表明，丙烯酰胺的天冬酰胺途径主要发生在美拉德反应Strecker降解反应阶段，当反应体系温度达到100 ℃时，天冬酰胺与含羟基化合物（还原糖）通过脱水缩合形成稳定性较差的席夫碱，并发生环化，形成重排Amadori化合物，而Amadori化合物根据不同的反应条件，再进一步发生Strecker降解反应形成丙烯酰胺[18]。在Amadori重排化合物分解途径中，单独加热的天冬酰胺直接脱羧基和脱氨基形成丙烯酰胺，但是丙烯酰胺形成量极低，而在羰基化合物存在的条件下能形成大量的丙烯酰胺[17]。同时ZYZAK D V等[19-20]通过同位素标记实验证明天冬酰胺是丙烯酰胺形成的主要来源，为丙烯酰胺的形成提供了结构框架。目前，通常以天冬酰胺和葡萄糖的反应模型研究其形成途径，如GÖEKMEN V等[21]研究表明，天冬酰胺与葡萄糖和5-羟甲基糠醛在高温下加热时，天冬酰胺与5-羟甲基糠醛迅速反应，导致丙烯酰胺的形成。
1.2.2 非天冬酰胺途径
天冬酰胺途径并不是食品中丙烯酰胺的唯一来源。研究表明，在缺乏天冬酰胺的条件下也能生成大量的丙烯酰胺，这些统称为非天冬酰胺途径[22-24]。如丙烯酸和丙烯醛途径，研究表明，丙烯醛和丙烯酸与丙烯酰胺结构相似，是形成丙烯酰胺的关键中间物[24]；①油脂高温分解途径：油脂类物质在高温条件下通过水解、氧化等反应生成三碳化合物丙烯酸，丙烯酸再与氨基化合物作用形成丙烯酰胺[25]；②含氮化合物自反应途径：食品体系中含氮化合物自身反应形成丙烯酰胺，如VATTEM D等[26]指出，单糖在加热过程中能分解生成许多小分子物质（如甲醛、乙醛），这些物质在合适的条件下可以重新形成丙烯酸，进而形成丙烯酰胺；③氨基酸直接形成途径：如天门冬酰胺去二氧化碳去氨后可以直接转化为丙烯酰胺，肌肽脱水后直接形成丙烯酰胺，同时氨基酸的分子重排也是美拉德反应中最为常见的过程[27]。
2 发酵食品中丙烯酰胺来源
发酵食品中包括食醋、腐乳、豆瓣酱、豆豉等调味品、褐色发酵乳等乳制品，腊肉、火腿等肉制品，茶叶发酵产品（红茶、黑茶），面点发酵产品（面包、曲奇、甜甜圈），海鲜类发酵产品（虾酱、鱼酱）等。这些物质在生产过程中可能导致丙烯酰胺来源，如食醋的熏制、面包的烘焙、酒糟的蒸馏、发酵乳品的褐色化（焦糖化）、茶叶的炒青以及腌肉的烟熏等工艺，这些加热工艺在赋予产品特殊风味的同时，也会为其带来丙烯酰胺等其他风险因子（具体见表1）。
表1 不同发酵产品中丙烯酰胺的来源
Table 1 Sources of acrylamide in different fermented products
产品工艺要点 来源 文献发酵调味品发酵乳制品发酵肉制品食醋腐乳豆豉豆瓣酱褐色发酵乳腊肉火腿食醋发酵完成后的熏制过程在发酵初期（3～8个月）发酵初期及成品配料封装过程发酵过程、成品配料封装过程原料乳焦糖化过程及发酵过程鲜肉与辅料预处理过程、发酵过程、熏制烘烤（晾晒）过程1.食醋发酵后，高温熏制阶段，食醋中的氨基酸及糖源发生高温美拉德反应，进而生成丙烯酰胺。1.在腐乳发酵中，丙烯酰胺产生于微生物前发酵阶段（即制曲阶段）；2.低温（或常温）、高湿（或液态）的非典型美拉德反应体系。1.豆豉在发酵过程中的枯草芽孢杆菌在高温高湿条件下发酵大豆，形成一种低温（或常温）、高湿（或液态）的非典型美拉德反应体系，从而生成丙烯酰胺；2.豆豉在发酵完成后加入一定量的油辣椒，油辣椒在生产中需经历高温油炸，因此生成一定量的丙烯酰胺，进而影响豆豉本身；3.豆豉发酵前需要进行蒸煮，而在发酵初期由于温度较高湿度较大，进而生成丙烯酰胺。1.低温（或常温）、高湿（或液态）的非典型美拉德反应体系；2.豆瓣酱在发酵完成后加入一定量的盐辣培，盐辣培在生产中需经历高温油炸，因此生成一定量的丙烯酰胺，进而影响豆瓣酱本身。1.焦糖化阶段，随着温度逐步提高，原料乳中的蛋白质和多糖降解为氨基酸与还原糖，并进一步发生美拉德反应，产生丙烯酰胺；2.发酵过程中，焦糖化阶段的氨基酸和还原糖以及美拉德反应中间产物进一步反应，促使丙烯酰胺的产生。1.鲜肉及辅料中携带；2.发酵、熏烤（晾晒）中美拉德反应中天冬酰胺途径；3.熏烤过程中丙烯酸和丙烯醛途径，油脂高温分解途径以及含氮化合物自反应途径。[29-30][32-34][35-39][40-41]
续表
产品 工艺要点 来源 文献茶叶新鲜茶叶炒青过程及萎凋茶叶发酵过程黑蒜发酵过程其他发酵产品啤酒麦芽烘烤阶段、麦汁煮沸糖化、发酵过程面包糕点（馒头、面包、曲奇等）面粉初步发酵过程及面团烘焙或高温加热过程1.炒青阶段，茶叶中的氨基酸和还原糖发生高温美拉德反应；2.发酵阶段茶叶处于高温高湿状态，发生美拉德反应。1.黑蒜褐变度是由于美拉德反应起主要作用。随着颜色加深，丙烯酰胺含量逐渐增多。1.麦芽烘烤阶段麦芽自身发生美拉德反应；2.麦汁煮沸过程中糖源自身焦糖化并和氮源发生高温美拉德反应以及后续发酵过程中的低温美拉德反应。1.发酵阶段，随着发酵温度的升高，面粉中蛋白质及淀粉降解的氨基酸和单糖发生美拉德反应，生成少量丙烯酰胺；2.在发酵好的面团的后续烘焙或高温加热阶段美拉德反应进一步加剧，生成更多的丙烯酰胺。[42-43][44，47][45][8，51-52，54，57]
2.1 发酵调味品
发酵类调味品种类众多，如食醋、豆豉、豆酱、腐乳等，调味品多以谷物为原料发酵而成。谷物属于高蛋白、高糖的物质，在发酵过程中在微生物及内源酶的作用下，使原料中蛋白质及多糖降解为氨基酸和单糖，进而随温度升高发生美拉德反应，此外由于豆豉、豆酱、食醋等发酵完成后，在商品化前的煎炒、熬制或者熏蒸工艺加剧美拉德反应，生成大量丙烯酰胺，同时油脂、蛋白质和碳水化合物等成分在高温的条件下生成丙烯酸及丙烯醛进而形成丙烯酰胺[28]。
唐诗淼等[29]对食醋中的有害物质进行综合分析表明，丙烯酰胺是在醋醅熏制的过程中由于美拉德反应逐渐产生的。郑丹丹[30]研究表明，在食醋熏制过程中，熏醅温度为120 ℃、130 ℃时，熏醅1～2 d内醋醅丙烯酰胺含量分别增加0.613 μg/g、0.674 μg/g，熏醅4～5 d内醋醅丙烯酰胺含量分别增加0.253 μg/g、0.226 μg/g。李弘文[31]研究表明，在食醋发酵过程中，100～180 ℃熏制0～11 h时，丙烯酰胺含量随温度升高和时间延长呈先升高后降低趋势，并在160 ℃加热2.5 h时达到最高生成量（1.76 μg/g）。张帅等[32]对豆豉、豆瓣酱、腐乳等发酵豆制品的丙烯酰胺含量检测，结果表明，豆豉样品中丙烯酰胺的含量为1～15 mg/kg，豆瓣酱中含量为0.4～2 mg/kg，腐乳中含量为2～8 mg/kg。文安燕等[33]对贵州主要发酵豆制品中丙烯酰胺的形成动态进行研究，结果表明，随着发酵过程的进行，丙烯酰胺的含量逐渐上升，发酵结束时，黑豆豉、水豆豉、豆瓣酱及腐乳样品中丙烯酰胺含量分别达15 040 μg/kg、16 496 μg/kg、16 821 μg/kg及5 655 μg/kg。苏长顺等[34]对中国传统食物中丙烯酰胺的测定结果表明，豆豉、豆瓣酱、腐乳中丙烯酰胺含量分别为1 432～11 369 μg/kg、424～1 699 μg/kg、2 768～8 047 μg/kg。
2.2 发酵乳制品
发酵乳制品主要有酸牛乳、活性乳、奶酪以及褐色乳等，其中褐色发酵乳被广泛认为是以乳粉和葡萄糖为原料，经长时间高温处理，再以乳酸菌进行发酵而获得的一种发酵型乳饮料[35-39]。褐色乳制品在褐变过程中，高温环境更容易生成丙烯酰胺。如刘婕等[36]研究美拉德反应对褐色益生菌羊乳饮料品质的影响发现，美拉德反应过程可产生丙烯酰胺、呋喃等有害物质。张耀强[37]对褐色豆乳制品褐变过程中的如丙烯酰胺、呋喃等物质进行监测发现，在95 ℃/2.5 h条件下，风险因子检出值最小，豆乳体系稳定性、安全性最好。董静[38]利用乳糖酶水解原料中的乳糖，代替外源葡萄糖制备褐色风味发酵乳，研究发现，该工艺相较于传统工艺可以缩减50%以上的褐变时间，并且在高温褐变阶段可以有效降低丙烯酰胺的生成量。杨亚楠[39]对市售的几种褐色乳酸菌饮料进行检测，发现样品中丙烯酰胺的含量为1.938～2.841 mg/L，并通过实验得出在发酵阶段，丙烯酰胺的含量整体呈上升趋势，其含量变化范围为2.51～7.17mg/L。
2.3 发酵肉制品
发酵肉制品是指将鲜肉腌制后通过微生物及酶的作用下进行发酵，使盐渍肉发生一系列复杂变化，衍生出大量酸、醇、糖、杂环化合物等风味物质，并形成风味独特的肉制品[40]。由于地区属性及发酵工艺不同，发酵肉制品种类繁多，如腊肉类、腊肠类、火腿类等中式肉制品。肉制品发酵过程中，丙烯酰胺主要来源于两个方面：原辅料处理过程中原辅料自身携带一定量的丙烯酰胺；烘烤或熏制阶段的温度升高导致酶活增强，肉中的蛋白质、脂肪、糖类降解速度增加，产生大量的氨基酸、糖及脂肪酸等小分子化合物，随着温度的进一步升高，糖类及氨基酸通过美拉德反应以天冬酰胺途径生成丙烯酰胺；此外，脂肪及含氮化合物降解以及美拉德反应中丙烯酸、丙烯醛的生成以非天冬酰胺途径生成丙烯酰胺[41]。李潇潇[40]研究表明，鲜肉种类、部位、批次的不同，丙烯酰胺的含量存在较大差异，在腊肉腌制阶段和烘烤熏制阶段，腊肉中丙烯酰胺的含量均呈现出上升趋势，并在烘烤结束后达到整个工艺中的最高值（32.25～112.5 mg/kg）。周一鸣等[41]对金华火腿主要加工过程中的多种美拉德反应产物进行研究，生腿与腌制好的火腿样品中均未检出丙烯酰胺，但经晾晒后检出的丙烯酰胺含量随着加工过程的进行不断增加，在最终成品中其含量分别达到0.16 mg/g。
2.4 其他发酵产品
丙烯酰胺除了能在食醋发酵、豆制品发酵、褐色乳发酵及肉制品发酵产品中检出外，还在其他发酵产品中检出，如茶类、发酵果蔬以及酒类产品中。尚远宏等[42]研究结果表明，红茶、绿茶、乌龙茶中丙烯酰胺的含量分别为10.5～146μg/kg、10.9～88.6 μg/kg、7.92～13.2 μg/kg。李华[43]研究发现，红茶等发酵茶中的丙烯酰胺来自于茶叶的发酵过程，当红茶发酵温度在25 ℃时，丙烯酰胺生成量为0.525～0.722 μg/kg，但温度升至28 ℃时，丙烯酰胺生成量成倍增长，达1.266～1.523 μg/kg，研究表明，红茶在发酵过程中丙烯酰胺的含量会随发酵的温度、湿度的增高及时间的延长而呈现上升的趋势。史润东东[44]对市售黑蒜和自制黑蒜丙烯酰胺的含量进行对比发现，通过减少前期加工时间，控制水分含量，抑制发酵后期温度可以有效降低自制黑蒜中丙烯酰胺的含量（1 326.81 μg/g）。王晶等[45]研究表明，啤酒中的丙烯酰胺主要来自于麦芽的烘焙以及麦汁的煮沸糖化过程，并且啤酒麦芽根据烘焙程度的不同，其发酵啤酒中的丙烯酰胺含量也存在一定差异，浅色和深色麦芽啤酒中丙烯酰胺含量分别为1 428 μg/酿造量和1 687 μg/酿造量。
3 发酵食品加工过程中丙烯酰胺的控制方法
发酵食品中的丙烯酰胺，不仅受到生产原辅料的影响，同样也受原辅料中前体物质的可变性、工艺条件、工艺技术、生产环境等影响。原辅料的筛选、外源物质的添加、工艺优化等可以在一定程度上减少前体物质的生成，或分解、消除已生成的物质，进而抑制生产过程中丙烯酰胺的形成。
3.1 生产工艺控制
食品发酵过程中温度的升高以及时间的延长，直接影响该食品反应体系的糖化速率以及褐变程度。加热温度、加热时间是控制美拉德反应和焦糖化反应的重要因素，因此合理控制加热温度以及加热时长等因素可以更有效抑制丙烯酰胺的形成。
李弘文等[46]通过对食醋不同熏醅工艺（蒸汽熏醅、炭火熏醅）及不同工艺条件（温度、时间）下丙烯酰胺的生成量进行研究，结果表明，无论是炭火熏醅方式还是蒸汽熏醅，90 ℃熏醅至5 d时仍未检出丙烯酰胺，因此在低温（90 ℃以下）熏醅的前提下，能避免丙烯酰胺的生成。郑丹丹[30]研究表明，当熏醅工艺参数为熏醅温度106 ℃、熏醅时间3 d、醋醅含水量60 g/100 g时，可以降低丙烯酰胺的生成。史润东东等[47]优化黑蒜加工中的关键控制点结果表明，在初始水分活度0.87、加工温度70 ℃、加工时间14 d的条件下，丙烯酰胺总质量分数最低。CAPUANO E等[48]研究发现，用小麦粉、全麦粉、黑麦粉发酵制成的面包分别在140 ℃、160 ℃、180 ℃条件下烘烤，黑麦粉和全麦粉面包中丙烯酰胺含量高于小麦粉面包。AHRNÉ L等[49]研究表明，降低温度和通入水蒸气的焙烤方式可以有效地减少面包中丙烯酰胺的含量。李潇潇[40]研究发现，在腊肉制备过程中以白砂糖作为糖源可以有效抑制丙烯酰胺的产生，相比于原始样品降低0.293 μg/g，在腌制阶段、烘烤阶段及晾挂前期添加白砂糖，丙烯酰胺的生成量降低了0.091 μg/g。李华[43]研究红茶发酵工艺等关键工序对茶叶中丙烯酰胺含量的影响结果表明，在红茶发酵过程中，当发酵温度只有22 ℃时，茶叶中丙烯酰胺的含量最低，仅有0.3 μg/kg。
3.2 外源添加控制
目前有大量研究表明通过添加外源抑制剂可以有效地从根源上限制丙烯酰胺的产生，如阳离子抑制剂、抗氧化剂、氨基酸、微生物及酶制剂等。
3.2.1 阳离子抑制剂
金属阳离子可以抑制丙烯酰胺的形成。目前研究表明，金属离子的价态以及存在形式对丙烯酰胺的形成存在差异，且单价阳离子抑制效果要低于二价和三价离子的抑制效果。GÖKMEN V等[50]通过果糖-天冬酰胺模型体系研究阳离子对丙烯酰胺形成的影响发现，阳离子可以有效抑制体系中丙烯酰胺的生成，这可能是因为阳离子能够阻止席夫碱的形成有关。同时发现二价阳离子（Ca2+、Mg2+、Zn2+等）对丙烯酰胺的抑制率高达100%，单价阳离子（Na+）对丙烯酰胺的抑制率低于二价阳离子，并且在体系中添加过量的Na+时，丙烯酰胺的含量反而呈现出增加趋势。AÇAR Ö Ç等[51]通过曲奇饼干添加乳酸钙实验发现，饼干中丙烯酰胺含量被控制在较低水平。SALAZAR R等[52]同样也发现，氢氧化钙可以在一定程度上抑制玉米饼制作过程中丙烯酰胺的生成。
3.2.2 抗氧化剂
抗氧化剂可以有效降低食品生产中丙烯酰胺的含量。CONSTANTINOU C等[53]研究发现，酚类物质能够有效抑制天冬酰胺-糯玉米淀粉美拉德体系中丙烯酰胺的生成。ASHKEZARI M H等[54]在甜甜圈制作过程中添加一定量的维生素B3和石榴花提取物发现，相较于传统甜甜圈，该工艺能够有效控制甜甜圈中的丙烯酰胺含量。QI Y J等[55]研究发现，花青素对丙烯酰胺生成的抑制效果很大程度上取决于原花青素的添加量而非其结构。目前大多学者认为抗氧化剂抑制油脂氧化，减少羧基化合物的形成，从而抑制丙烯酰胺的形成。但VATTEM D等[26]认为，丙烯酰胺的形成本质上是非氧化性的，自身体系中酚类不会影响丙烯酰胺的形成，当外源酚类存在时，会导致丙烯酰胺含量增加。目前大多数植物提取物对丙烯酰胺的抑制存在较大的差异，其效果与提取物中抗氧化剂种类、浓度和反应模型体系有关。苗雨田等[56]研究表明，当葛根素浓度为10-6～10-3 mmol/mL时，葛根素浓度对丙烯酰胺抑制率呈正相关，而浓度为0.001～10 mmol/mL时，葛根素浓度越高，丙烯酰胺形成量越多。HEDEGAARD R V等[57]通过将1%迷迭香油、迷迭香水提取物或干燥迷迭香叶子添加到小麦面团中发现，馒头中的丙烯酰胺含量分别降低67%、62%、57%。
3.2.3 氨基酸
此外，在反应原料中加入一定量的蛋白质和氨基酸也会降低食品中的丙烯酰胺含量。研究表明，这可能是由于外源添加游离氨基酸与天冬酰胺和还原糖之间存在竞争效应，进而影响丙烯酰胺的形成，同时蛋白质可以与丙烯酰胺共价结合以降低其含量[58]。ZOU Y Y等[59]通过在面团中添加不同氨基酸，考察烘焙饼干中丙烯酰胺的含量发现，在面团中添加半胱氨酸和甘氨酸可以有效降低饼干中的丙烯酰胺含量。BASINCI F等[60]在谷物发酵茶中研究发现，通过使用天冬酰胺酶和甘氨酸处理可以生产丙烯酰胺含量显著降低的深色烘焙麦芽。李华[43]研究发现，在茶叶发酵过程中添加一定量的外源氨基酸可以控制茶叶中的丙烯酰胺含量，其中谷氨酰胺、蛋氨酸和半胱氨酸可以有效控制茶叶发酵过程中丙烯酰胺的产生。
3.2.4 微生物及酶制剂
除控制生产工艺和工艺参数降低产品中丙烯酰胺的含量外，根据丙烯酰胺形成机制添加相应的酶制剂抑制加工过程中丙烯酰胺的形成也成为当前研究重点。
L-天冬酰胺是形成丙烯酰胺的主要前体物质之一，抑制或降低L-天冬酰胺的含量也能起到降低丙烯酰胺含量的效果。研究表明，L-天冬酰胺在L-天冬酰胺酶催化下水解为氨和天冬氨酸。KUKUROVÁ K等[61]利用天冬酰胺酶对面团进行预处理，可以使面团中丙烯酰胺的含量降低90%。KUMAR N S M等[62]研究发现，在甜面包中加入Cladosporium sp.产生的天冬酰胺酶可以显著减少甜面包中丙烯酰胺的含量，并且对甜面包的品质特性不产生影响。ANESE M等[63]研究发现，在面团中添加天冬酰胺酶可显著降低饼干中丙烯酰胺的含量，且对饼干品质无显著影响。
4 总结
发酵作为一种普遍的食品加工工艺，在改变食品形态的同时，又赋予食品独特的风味和色泽，为食品加工和消费带来更为优质的体验。由于食品发酵过程的复杂性、多变性等性质，均能够影响发酵食品的安全。丙烯酰胺是食品发酵过程中常见的美拉德产物，本文从不同发酵食品中丙烯酰胺的形成机理，来源以及丙烯酰胺控制措施3个方面进行综合论述，以期提高发酵食品行业对丙烯酰胺的重视，同时也为健康消费提供保障。
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