香辛料食品安全風險因子研究進展

明 玥,梁志宏

(北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

香辛料是指來源于植物特定部位的天然調味料,可促進食品增香、調味,并突出風味特征。香辛料種類繁多,分類方法有多種,根據產品的存在形式,香辛料可分為完整型、粉碎型香辛料以及香辛料提取物等;也可根據產品的性能進行劃分,分為以芳香為主的,以脫臭為主的和以促進食欲為主的香辛料。其中,最為常見的香辛料有辣椒、花椒、大蒜、胡椒等,它們被廣泛應用于食品烹調與加工中。據相關行業統計,2016年我國的香辛料年進出口總量高達200萬噸,近幾年來復合香辛料更是受到了人們的追捧[1]。

在全球食品安全領域中,化學性和生物性污染仍然是值得關注的重點問題。香辛料作為常見的植物性原料,具備普遍作物的生長特征,能夠從土壤中汲取重金屬、農藥等,這種生物富集的過程大大增加了化學污染的可能性[2]。另外,由于香辛料植物大多產自熱帶和亞熱帶地區,氣候潮濕,再加上原料中含有大量的碳水化合物以及有機酸等,導致其在生長、運輸、加工以及銷售的過程中容易受微生物污染[3]。目前,國內關于香辛料的食品安全風險研究較少,主要原因在于香辛料種植面積小,種植較為分散,膳食消費量小。除此之外,由于香辛料具有水分活度低、蛋白含量少的屬性,未被納入微生物相關指標檢測的范圍之內,人們更加關注加工的過程性污染[4]。

隨著香辛料的市場需求量不斷增大,其食品安全風險因子以及有效的防控措施愈加重要。目前,香辛料的食品安全主要受真菌毒素和微生物、重金屬污染、塑化劑污染、農藥殘留等四大風險因子影響,其中真菌毒素和微生物的污染、重金屬污染是主要的污染形式，尤其生物性污染不僅會引起香辛料品質下降,食品風味改變,還會對人體健康造成嚴重損害[5],是影響食品安全的主要因素。本文通過對風險因子的污染途徑、毒性以及產生情況展開論述,為香辛料的食品安全監控提出有效管理措施。

1 真菌毒素和微生物的污染

1.1 微生物的污染途徑

真菌毒素是香辛料不可避免的污染物。與果蔬產品不同的是,香辛料在采收后不會通過水洗、浸泡、加熱等常規操作進行清洗或減少微生物殘留,因此在貯藏、加工以及流通環節,香辛料更易受到微生物的侵染[6-7]。另外,香辛料的產地多屬于熱帶和亞熱帶氣候,炎熱潮濕,降雨量豐富,廣泛分布在土壤和水環境中,特別適宜真菌生長,極易造成香辛料的污染。

ND:未檢測出(低于檢測限);有效數字來源于原文獻。

表2 香料中赭曲霉分離株產毒率及赭曲霉毒素A污染水平Table 2 The yield of A. ochraceus and contamination levels of ochratoxin A in spices

1.2 主要真菌毒素的污染

1.2.1 黃曲霉毒素(Aflatoxins) 黃曲霉毒素是由黃曲霉和寄生曲霉菌株產生的雜環化合物,主要代謝產物包括B1、B2、G1、G2、M1、M2等,可造成免疫抑制、生殖毒性和神經毒性等。其中AFB1的毒性最強,具有二呋喃環并香豆素結構,化學性質穩定[8]。黃曲霉(Aspergillusflavus)為需氧微生物,最佳生長條件為25～40 ℃,相對濕度在80%以上,受環境因素影響較大[9]。陳瑩[10]對黑胡椒中黃曲霉毒素的產生因素進行研究,發現溫度、含水量以及貯藏時間對黃曲霉毒素的產生有顯著性影響。

目前,關于香辛料中黃曲霉毒素污染的相關報道大多集中在各地市場調查(詳見表1)[11-13]。另外,不同黃曲霉毒素在香辛料中的含量具有顯著性差異。Bokhari[14]對產自沙特阿拉伯的香辛料進行黃曲霉毒素含量測定,未檢出AFG1和AFG2,而AFB1為最主要的黃曲霉毒素;Potorti等[15]發現,產自意大利和突尼斯的香辛料大多數樣品中檢測出AFG2,幾乎所有被污染的迭迭香中存在AFB2和AFG2,并且部分香料中AFB2和AFG2具有協同毒性。

表1 不同國家香料中黃曲霉毒素B1污染水平Table 1 Contamination levels of AFB1 in spices for different countries

1.2.2 赭曲霉毒素(Ochratoxins) 赭曲霉毒素主要是由曲霉屬和青霉屬真菌產生的一類次生代謝產物,其中赭曲霉毒素A(OTA)毒性最大,具有腎毒性、致癌性、致畸性以及免疫抑制作用等,是除黃曲霉毒素之外最常見的一種真菌毒素。目前已有實驗證明,赭曲霉(A.Ochratoxin)的生長溫度范圍較廣,即便在低溫條件下,也可緩慢生長及積累OTA,因此具有較為廣闊的污染譜[16]。Nguegwouo等[19]選擇黑胡椒和白胡椒作為研究對象,統計OTA的污染數據以及香辛料的日攝入量,計算出白胡椒中OTA的每日攝入量為0.70 ng/kg,黑胡椒為0.18 ng/kg,同時發現樣品中40%的白胡椒受OTA污染,遠高于黑胡椒。Makhlouf等[20]卻認為,白胡椒與黑胡椒相比,去除果皮可實現減少真菌負荷的作用,污染程度會更低。

1.2.3 其它真菌毒素 除黃曲霉毒素和赭曲霉毒素之外,在香辛料中還存在其他真菌毒素,例如伏馬毒素(Fumonisin)、T-2毒素等。伏馬毒素主要由串珠鐮刀菌(Fusariummoniliforme)產生,是一種水溶性的代謝產物,其中伏馬菌素B1是發揮毒性作用的主要成分,具有神經毒性、細胞毒性以及生殖毒性等。Bokhari等[14]發現,OTA污染水平較高的樣品中同時存在伏馬菌毒素B1,污染樣品在50%左右。另外,有研究表明,傳統香辛料中伏馬菌素B1和T-2毒素的脫除取決于真菌在籽粒表面上的定植和真菌毒素的積累,但毒素可能因為濕法去皮工藝,進入香辛料籽粒內部,擴大污染范圍[21]。

目前,黃曲霉毒素是進出口食品的主要污染物之一。自2015以來,韓國對我國出口的辣椒產品口岸檢查較為嚴格,從扣留的產品類型來看,辣椒粉中存在嚴重的黃曲霉毒素超標,主要原因在于辣椒干原料以及辣椒粉成品的儲存條件和溫濕度難以控制[22-23]。研究表明,香辛料的優勢菌種為黃曲霉和黑曲霉(A.niger),污染的毒素主要為黃曲霉毒素和赭曲霉毒素[24]。根據國家農業部發布的《綠色食品 香辛料及其制品》(NY/T 901-2011)中規定,干制香辛料和香辛料調味粉中黃曲霉毒素(B1、B2、G1、G2總量)≤10 mg/kg,黃曲霉毒素B1≤5.0 mg/kg,赭曲霉毒素A≤3.0 mg/kg。而歐盟委員會條例(EU)2015/1137中規定,在辣椒屬香料中赭曲霉毒素A的最大限量為20 μg/kg,在混合香辛料中的最大限量為15 μg/kg。

2 重金屬污染

2.1 重金屬的污染途徑

重金屬是指在土壤中濃度小于0.1%,或在生物體中小于100 mg/kg的金屬[25]。通常重金屬是一類微量元素,其中部分金屬例如鎘(Cd)、汞(Hg)、(砷)As、(鉻)Cr、鉛(Pb)等,具有顯著生物毒性,可對人體的生理機制造成損害[26]。香辛料作為一類小宗作物,從土壤中吸收營養物質的同時,也受到重金屬的污染。其污染途徑主要體現在兩個方面,一是重金屬通過污水灌溉和填埋垃圾等方式進入到香辛料植物體中;二是大氣污染和汽車運輸會產生大量的粉塵,通過降雨和自然沉降的方式進入土壤,或通過葉片吸附,造成污染[27]。

香辛料對重金屬的吸收是一個復雜的生理過程,有研究表明,重金屬可以從根際土向香辛料植物遷移,其遷移能力和重金屬、香辛料種類有關[28]。由于重金屬在食物鏈的作用下可被人體攝入并積累,并且與大部分農作物相同的是,香辛料主要受鉛、鎘等重金屬污染,因此控制香辛料中的重金屬污染是十分必要的。

2.2 主要重金屬的污染

2.2.1 鎘 鎘,在Cd、Hg、As、Cr、Pb五種重金屬污染物中位于首位,是衡量香辛料重金屬污染的重要指標。有研究表明[29-30],有效態的鎘元素與植物體中鎘含量密切相關,而在耕作土壤中,其主要以有機結合態、殘渣態和鐵錳結合態的形式存在,擁有較高遷移率,是鎘富積的主要原因,其含量大概為鎘總量的29%～42%。Adeyolanu等[31]研究發現,植物體根部的位置可能與土壤中鎘含量分布有相同之處,這可能會有助于植物根部對鎘的吸收。有效態鎘對香辛料而言,具有一定的結合能力,鎘元素對香辛料存在潛在的污染。

目前的研究主要集中于鎘的污染特點和積累程度。楊曉磊等[32]通過對鎘元素在土壤-辣椒系統中的變化形式進行研究,發現土壤中鎘含量越低,辣椒對鎘的富集效應越強,后期逐漸趨于平緩,并呈現根>莖>葉的形式。Baig等[33]發現巴基斯坦市場上的五香粉、茴香黑豆蔻、肉桂等鎘含量菌超過WHO限量標準。而Chizzola等[34]認為,鎘元素的分布與植物體種類有關,只在具有富集傾向的植物中過度積累。此外,有研究表明,鎘處理能促進根、莖、果實對鎘的進一步吸收,擴大污染程度。但同時,鎘元素的吸收也會同其他金屬元素產生拮抗或促進作用,例如鎘和鉛的復合處理可以增加兩者的吸收量;而在對植物體進行單一的鎘處理時,會顯著提高鉛、鋅含量,并降低錳、銅含量[35-36]。

2.2.2 鉛 鉛,作為重金屬污染的主要元素之一,可對香辛料植物的生理功能造成巨大影響。相關研究表明[31,37-38],植物體通過根部吸收和葉面吸附兩種方式攝入鉛,但由于鉛元素在土壤中的存在形式主要為結合態,移動性較差,不易進入植物體內,即使進入植物體內,也易與根部組織中的Fe、Al、Mn氧化物和磷酸鹽等結合形成共價鍵。因此,部分以根部吸收方式為主的香辛料,例如白芷、姜黃等,容易被鉛污染。

在近年中,關于植物體中鉛的吸收、轉運及積累是研究熱點之一。研究表明,香辛料植物的種類與鉛污染水平存在相關性。在埃及出口的香料中,馬郁蘭的含鉛量最高,達到14 μg/g,孜然、茴香的含鉛量偏低,在1.5 μg/g左右[28]。另外,香辛料植物各部位對鉛的吸收能力是不同的。黎佳佳等[36]發現鉛在辣椒葉中的累計率高于莖、根和果實,可以推斷葉面吸附對辣椒累計鉛元素的貢獻更大。Adeyolanu等[39]對羅勒葉研究也得到相反的結論:該香料葉、莖、根中鉛離子含量依次呈上升趨勢,說明羅勒葉根部的吸附能力更強。

目前研究資料表明,污染最嚴重的為鉛、鎘兩種重金屬元素。我國農業部發布的《綠色食品 香辛料及其制品》(NY/T 901-2011)中規定,干制香辛料和即食香辛料調味粉中鉛的限量標準為≤1.0 mg/kg,鎘的限量標準為0.10 mg/kg。

3 其它風險物質污染

3.1 塑化劑污染

塑化劑,是指一類常見的高分子材料助劑,能夠添加至聚合物體系中,增強聚合物的塑性、柔韌性[40]。其中,鄰苯二甲酸酯類是應用最為廣泛的一類塑化劑,易溶于有機溶劑。

研究發現,鄰苯二甲酸酯類的分子結構與生物體中內源性激素具有相似性,能影響人體激素水平,嚴重損害人體健康[41]。近期研究表明[40,42],塑化劑與聚合物基體一般以共價鍵的形式存在,穩定性較差,在貯藏和加工過程中,塑化劑會脫離聚合物基體,以固、液、氣體的形式遷移至食品中。貯藏時間、溫度以及包裝材料的性質和材料均會影響塑化劑的遷移效果,例如鄰苯二甲酸二異丁酯(DMP)、鄰苯二甲酸二辛酯(DEHP)等可在較高溫度或較長放置時間時被檢出。而香辛料在貯藏過程中多采用塑料制品進行包裝,隨著時間延長,香辛料成為塑化劑的載體。另外,塑化劑可能存在于土壤中或在加工器具表面,對香辛料造成污染。

目前,歐洲國家比較重視塑化劑在香辛料中的污染情況。Giuseppa等[43]通過GC/MS測定了意大利和突尼斯的香辛料中塑化劑含量,發現鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、對苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHT)以及己二酸二甲酯(DMA)等是主要污染物(詳見表3)除此之外,Turco等[44]對地中海地區多個國家的香辛料殘留情況進行研究,通過估計香辛料中塑化劑的危害指數,發現產自阿爾及利亞的香辛料中,DBP的危害指數最大。

表3 不同國家香辛料中塑化劑污染水平[43]Table 1 Contamination levels of plasticizers in spices for different countries[43]

3.2 農藥殘留

我國的農藥產量位居全球第一,國內大面積推廣農藥防治病蟲害,這是導致香辛料制品農藥殘留超標的首要原因。另外在貯藏過程中,也常使用農藥作為殺蟲劑,增加了農藥污染的風險。目前,廣泛用于香辛料種植的農藥主要包括有機磷、有機氯和氨基甲酸酯等,雖然其使用量較少,但農藥殘留具有累積效應,可通過多次攝入致毒。Azanu等[45]檢測發現,香料的有機氯農藥濃度均未超過WHO最大殘留限量,但已接近于該限量。另外研究發現,85%的香料含有二氯二苯三氯乙烷(DDT),最高濃度可達90 μg/kg。而Sanhera等[46]研究發現在貯藏10 d之后,農藥可降解至83.45%～78.65%,此外沒有更多關于貯藏周期的數據可以證明農藥污染必然降至安全限值以下。

4 相關風險物質的監控手段

4.1 真菌毒素和微生物污染監控

香辛料易受到產毒菌株的污染,造成毒素的積累,因此加工和貯藏過程為監控關鍵控制點。真菌毒素的產生不僅受到外界環境的影響,同時也與菌株本身存在關聯。在香辛料中,產毒菌株的存在是造成真菌毒素污染的主要原因,因此對產毒真菌和潛在真菌毒素的監控是十分必要的。

4.1.1 有關微生物的監控

4.1.1.1 微生物的數量和類群監控 微生物的數量直接反映了香辛料受污染的程度。在生產加工方面,根據農業部頒布的《NY/T 2651-2014 香辛料輻照質量控制技術規范》中提到輻照前后要對香辛料中的微生物指標進行監測。目前,常用的監控手段包括:直接觀察法和平板培養法,其中直接觀察法是通過觀察香辛料外觀色澤、質地、菌斑的有無以及長毛等特征,判斷霉變情況,但該類特征只有在微生物數量達到一定程度時才能反映出來,具有滯后性,并且也只能幫助監控人員進行粗略判斷[47]。而平板培養法較為準確,可通過平板稀釋倍數判斷微生物的數量,但該種方法培養時間較長,也無法獲得實時信息。

4.1.1.2 微生物的產毒能力監控 微生物的活性強弱與產毒能力具有一定的相關性,因此,可通過監控自由基以及中間代謝物質的含量變化,實現對產毒能力的預測?；钚匝?ROS)在真菌毒素合成中起到了調控作用,Narasaiah等[48]發現產毒菌株的ROS含量高于不產毒菌株,可通過檢測微生物體內ROS水平研究微生物的產毒能力,但該方法受外界環境影響較大,存在局限性。相較于ROS,中間代謝產物的含量變化易于監測。姚冬生等[49]考慮到雜曲霉毒素是黃曲霉毒素生物合成的前體,從而開發一種用于監測雜曲霉毒素的電化學生物傳感器,可有效監測前體物質的含量變化,從而實現對香辛料中黃曲霉產毒活性的監控。

4.1.2 貯藏環境的監控 貯藏環境的變化可能誘導產毒菌株的萌發。通過對香辛料貯藏環境中溫度、濕度的監控,可以避免各項參數對霉菌生長產生正向效應,同時也可作為香辛料品質變化的一種監測手段。目前常用的監測設備是溫度、濕度傳感器,可實現實時、遠程監控,避免香辛料貯藏過程中局部含水量或局部溫度偏高,從而引起霉變[50]。另外,貯藏環境內的氣體成分也是重要的監測指標。據研究,在香辛料的貯藏期間,其本身的呼吸作用較弱,而黃曲霉、灰綠曲霉等霉菌擁有較強的生理代謝能力,可產生大量的二氧化碳。劉焱等[51]研究發現,黃曲霉菌可迅速提高貯藏容器中的CO2濃度,增速達4.6倍。因此通過使用二氧化碳監測儀,可判斷干生性真菌、產毒性真菌的生長情況,但對于產氣能力較弱的真菌而言,監測裝置不能及時反映生長情況[52]。

4.2 重金屬污染監控

4.2.1 土壤環境的監控 汞等重金屬進入土壤后,會迅速被土壤吸附或固定,并在土壤表層累積,其含量直接反映了土壤的重金屬污染狀況,因此土壤環境質量監控是關鍵?？紤]到傳統測定方法復雜繁瑣,且監測效率低下,近年來國內外在土壤快速監測領域尋求解決途徑。目前使用最為頻繁的快速監測儀器為X射線熒光光譜儀,該儀器具有前處理操作簡便、檢測范圍廣等特點,其原理在于各種元素會產生特征X射線,通過測定X射線的波長和能量,定性或定量判斷樣品中各物質的種類和含量[53],在土壤環境的監測中具有重大意義。

4.2.2 香辛料植物生長情況的監控 香辛料的生長情況是重金屬監測的一個重要指標。據研究,重金屬的脅迫作用可導致過量活性氧產生,引起超氧化物歧化酶、過氧化氫酶參與體內活性氧的代謝,從而引起酶的代謝失衡,同時也會影響植物體中葉綠素的含量[54-55]。因此,監測香辛料植物的物質含量,可間接反映重金屬的污染情況。目前研究發現,植物輻射光譜會隨著重金屬脅迫發生變化,可作為重金屬污染的監測對象之一。劉飛等[56]采用諧波分析紅邊光譜的技術,監測玉米生長過程中葉綠素含量以及Cu含量,實現對重金屬污染的監控。

4.3 其他方面

4.3.1 塑化劑污染監控 對于塑化劑污染方面的研究,目前使用最多的測定方法有凝膠滲透色譜-高效液相色譜法、氣相色譜質譜聯用法等[57],但這類方法需要對樣品進行較長時間的前處理,未能及時有效地監測。但目前已有研究表明,土壤中殘留的塑化劑會抑制小麥幼苗植物體內的過氧化物酶、過氧化氫酶活性,也會造成辣椒體內的維生素C含量下降10.6%[58]。因此,香辛料的相關生理指標變化有望為塑化劑污染監控提供有效的途徑。

4.3.2 農藥殘留的監控 為避免農藥殘留帶來的影響,香辛料的產地環境是首要的監測對象。目前多采用具備電子捕獲檢測器的氣相色譜法、氣相色譜-串聯質譜法等方法進行測定,但土壤基質復雜,靈敏度較低,在定性、定量方面存在缺陷[59]。除此之外,香辛料自身也可作為農藥殘留的監測對象。但相關研究表明,桂皮基質中含有的某些化合物經過色譜柱時未與農藥分離,在農藥殘留的測定上具有誤差[60],如何開發快速、有效的農藥殘留檢測技術成為新的研究方向。

5 總結與展望

香辛料作為一種常見的植物性原料,主要受四大風險因子的影響:真菌毒素和微生物的污染、重金屬污染、塑化劑污染以及農藥殘留。在微生物污染方面,黃曲霉菌和赭曲霉菌是真菌毒素的主要來源,其毒性的強弱與香辛料種類、毒素種類存在聯系。在重金屬污染方面,鉛、鎘元素在香辛料植物體內大量富集,不同部位的積累量有所差異,甚至鎘元素與其他金屬還存在著拮抗和促進作用,使重金屬污染復雜化。除此之外,塑化劑的遷移、農殘的累積效應也是造成香辛料污染的原因。本文總結了上述四大風險因子的污染途徑、毒性及產生情況,期望為香辛料的風險防控提供參考。

香辛料風險監控技術的發展目前停留在實驗室階段,隨著全球對食品安全風險評估的逐漸重視,香辛料的風險防控也將成為必然趨勢。特別是在真菌毒素和微生物污染方面,由于真菌毒素的產生不可控,很難在香辛料的生產加工過程中實現零污染。在目前,真菌毒素的合成途徑以及基因調控環節的探索相對薄弱,但一些研究表明,香辛料中含有的一些抑菌成分[61],抑菌成分的研究對未來真菌毒素的代謝具有重要意義。