大麦籽粒游离天冬酰胺(Asparagine, ASN)浓度的基因型差异驱动爆米花式膨化(Popping)与气流膨化(Gun-puffing)过程中丙烯酰胺(Acrylamide, AA)的形成

《Applied Food Research》：Genotypic variation in a free asparagine concentration in barley kernels drives acrylamide formation during popping and gun-puffing

　　

摘要：大麦(Hordeum vulgare)日益被用于制备全籽粒膨化零食，包括爆米花式膨化(popping)和气流膨化(gun-puffing)。此类高温加工过程促进丙烯酰胺(AA)的形成，其主要前体为籽粒中的游离天冬酰胺(ASN)。本研究选用7个二棱食用大麦基因型，在2个农艺年度、3个试验点种植，评估基因型及环境对大麦籽粒ASN浓度及其在加工产品中AA形成的影响；另选取籽粒大小差异显著的2个基因型在额外2个位点、2年均种植，以评估环境效应对ASN积累的影响。对所有环境下脱壳全籽粒测定ASN含量，并采用2024年Carmagnola点样品制作爆米花饼(popped cakes)与气流膨化籽粒(gun-puffed kernels)，测定AA浓度。结果表明，基因型显著(year×site)影响ASN浓度；ASN浓度分别解释爆米花式膨化和气流膨化中AA形成变异的68%和63%，是主要的限制性前体。主成分分析(PCA)显示栽培地点及农艺性状——千粒重(thousand kernel weight, TKW)和持绿性(stay-green，以冠层绿度曲线下面积AUCGC表示)——对ASN变异有显著贡献。爆米花饼平均AA浓度为1457 μg kg-1，气流膨化籽粒平均为454 μg kg-1，均超过欧盟(EU)基准值。工艺参数亦关键：密度膨胀指数(density expansion index, DEI)解释爆米花式膨化AA变异的51%，膨胀率越高AA越低；气流膨化终产品含水量解释28%且呈负相关。尽管受工艺影响，基因型仍是两种终产品AA水平的主要决定因素。选用低ASN大麦基因型并结合定制化农艺与加工策略，是降低全籽粒谷物产品中AA的有效途径。

论文解读——《Applied Food Research》刊载研究

大麦(Hordeum vulgare)是全球第四大禾谷类作物，因富含β-葡聚糖等功能性成分，其全籽粒被开发为爆米花式膨化(popping，制成膨化饼popped cakes)和气流膨化(gun-puffing，制成膨化籽粒gun-puffed kernels)类健康零食。这两类加工均需120 ℃以上高温，引发美拉德反应(Maillard reaction)并产生加工污染物丙烯酰胺(Acrylamide, AA)——国际癌症研究机构(IARC)认定的可能人类致癌物(2A类)。AA主要由游离天冬酰胺(free Asparagine, ASN)与还原糖经美拉德途径脱羧消除反应生成，ASN被认为是谷物产品中AA形成的限速前体。欧盟法规(EU) 2017/2158对气流膨化谷物设定AA基准值300 μg kg^-1，脆面包(crispbread)为350 μg kg^-1，可作为同类膨化饼参照。全籽粒加工无法使用天冬酰胺酶(asparaginase)处理(酶与整粒接触受限)或配方改良(单一原料)，且果皮+胚芽(ASN富集部位)被保留，使AA风险升高。已有研究证实大麦基因型间ASN存在显著变异，但基因型ASN积累与整粒热加工AA形成的直接关联证据不足。为此，研究人员开展多环境田间试验结合加工验证，明确基因型ASN差异对膨化产品AA的影响及配套农艺-工艺调控依据。

主要关键技术方法

研究人员于意大利波河平原3个试验点(Carmagnola、Idice、Malalbergo)进行2年(2023、2024)完全随机区组试验(3次重复)，供试材料为7个二棱大麦基因型(全点种植)及其中籽粒大小差异显著的Zerbo和Planet(三站点双年种植)；统一施氮130 kg N ha^-1(分蘖期+拔节期)、磷钾肥基施。记录农艺性状：抽穗期、倒伏率、冠层绿度曲线下面积(AUCGC，表达stay-green)、产量、容重(test weight, TW)、千粒重(TKW，带壳与脱壳)、籽粒蛋白含量(grain protein content, GPC，近红外法)。脱壳全籽粒制全麦粉，采用酶学试剂盒(酶-coupled assay with NADPH)测定游离ASN浓度(mg kg^-1，干基)。取Carmagnola 2024年样品经3% NaCl浸泡预处理后分别进行popping(265 ℃)制饼和gun-puffing(350 ℃，13.5 bar蒸汽注入后骤释)制膨化籽粒；测定产品密度膨胀指数(DEI＝原粒密度/产品密度)、水分活度(a_w)、含水量及基本组分；按EN 16618:2015以LC-MS/MS定量AA浓度(内标AA-d₃，SPE净化)。数据经Shapiro-Wilk及Levene检验后行单因素/双因素ANOVA(REGW-Q多重比较)、Pearson相关、线性回归及主成分分析(PCA，R语言)。

研究结果

3.1. Meteorological trend(气象趋势)

2024年Carmagnola总降雨量较2023年高33%，且为三年中最高；Idice和Malalbergo则2023年更湿润。灌浆期(5—6月)Idice温度最高。Carmagnola较低温配合高有机碳/全氮及低有效磷，整体有利于ASN积累。

3.2. Agronomic parameters(农艺参数)

两年数据表明基因型间抽穗期差达6—10 d，2024年部分基因型发生倒伏。Klarinette产量最高；Sandra具最高TKW(带壳与脱壳)，Planet与Klarinette TKW最低。2024年GPC较2023年低约18%，Monroe与Zerbo GPC偏高，Klarinette偏低。ASN与TKW、容重(TW)、GPC呈显著负相关，与较早衰老(低AUCGC)呈正相关(R²=0.46—0.82)。

3.3. Free asparagine (ASN) concentration(游离天冬酰胺浓度)

Carmagnola点两年度均值2024年较2023年高7%。Juventa和Planet ASN持续最高(较年均高约30%)，Zerbo、Cometa、Klarinette、Monroe显著低约36%，Sandra居中。多点多年验证Planet ASN显著高于Zerbo(除2024年Idice外)，Carmagnola点差异最大(34%)。ASN与TKW呈稳定负相关——小籽粒(低TKW)果皮占比高导致ASN"稀释效应"弱。

3.4. Associations between the free asparagine (ASN) concentration, site and agronomic traits(ASN与位点及农艺性状关联)

Carmagnola点Zerbo和Planet ASN分别较另两点均值高54%和39%，与该点高土壤全氮、低成熟期均温相符。PCA显示PC1主要载荷为TW与TKW，PC2为GPC、ASN与产量；ASN向量与TKW反向，表明大籽粒(高TKW)、持绿期长(高AUCGC)的基因型倾向于低ASN。

3.5. Technological and compositional parameters for the popped cakes and gun-puffed kernels(膨化产品工艺与组分参数)

基因型显著影响两类产品堆密度(bulk density)与DEI(p＜0.05)，popping中亦影响a_w。Cometa堆密度最低、DEI最高。Gun-puffed kernels灰分较popped cakes低约6%(p＜0.05)，提示膨化时部分果皮脱落丢失。产品基本组成受基因型影响有限。

3.6. The acrylamide (AA) concentration after popping and gun-puffing(膨化后丙烯酰胺浓度)

Popped cakes平均AA 1457 μg kg^-1(超crispbread基准约4倍)，gun-puffed kernels平均454 μg kg^-1(超puffed cereal基准51%)。基因型效应显著：Juventa制popped cakes AA最高(1938 μg kg^-1)，Zerbo与Cometa最低(约降40%)；gun-puffing中Planet与Juventa AA最高，低ASN基因型(Zerbo、Cometa等)低约1.7倍。原料脱壳籽粒ASN浓度解释popping与gun-puffing中AA变异的R²分别为0.68与0.63(popping: 68%，gun-puffing: 63%)。Popping中DEI负向预测AA(解释51%变异)，gun-puffing中终产品含水量负向关联AA(解释28%)。PCA确认AA与ASN在同一向量方向，工艺参数(DEI、水分)在不同过程中对AA影响方向不同。

讨论与结论总结

研究表明大麦籽粒ASN浓度受基因型(品种间差异显著)、环境(地点＞年份)及农艺性状(TKW负相关、AUCGC负相关即早衰促ASN)共同调控；小籽粒低TKW致果皮比例高产生"稀释效应"弱，早衰促使氮再动员合成ASN贮存。原料ASN是整粒膨化产品AA形成的主控因子(R²＞0.62)，工艺条件(popping中DEI、gun-puffing中终产品水分)可二次调节——更高膨胀率或保留略高残余水分有助降AA，gun-puffing因蒸汽阶段及果皮部分脱落通常AA低于popping。由于整粒加工不便使用天冬酰胺酶或配方调整，选育并推广低ASN、高TKW、持绿期偏长大麦基因型，结合适宜产地选择与膨化工艺优化(提高膨胀率、控制终产品水分)，是满足EU AA基准最有效的跨工艺缓解策略。

Conclusion(原文结论浓缩翻译)

Popping与gun-puffing是从全大麦籽粒生产保留纤维等成分的潜力零食技术，但高温促AA生成使本研究中产品超出EU基准。脱壳大麦籽粒初始ASN浓度是两种产品AA形成的主因；环境有影响，但基因型在年度与地点间显著调控籽粒ASN——ASN与TKW(负相关"稀释效应")及stay-green行为(AUCGC负相关)相关联。工艺亦调制AA：gun-puffing整体AA低于popping。综上，尽管加工条件通过不同机制调节AA，原料大麦籽粒初始ASN浓度对其在popping与gun-puffing中形成具决定性作用，因此选育低ASN大麦基因型是针对全籽粒大麦食品最有效的跨工艺AA缓解策略。