发明背景
交叉参考相关申请
本申请是2003年2月21日提交的待审的两个美国专利申请10/372,738和10/372,154的部分继续申请，并且这两个申请也是2002年9月19日提交的待审的美国专利申请10/247,504的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及一种降低热加工食品中丙烯酰胺含量的方法，并允许制造出具有明显降低的丙烯酰胺含量的食品。本发明特别是涉及：a)制造合成食品产品时添加两种或多种能降低丙烯酰胺的试剂的组合，和b)在制造马铃薯薄片或用于制造合成食品产品的其它中间产品期间，使用不同的能降低丙烯酰胺的试剂。
相关技术描述
化学物质丙烯酰胺以聚合物形式已长期在工业中应用于水处理、提高原油采收率、造纸、絮凝剂、增稠剂、矿石处理和免烫织物中。使用的丙烯酰胺是白色结晶固体，它是无气味的，并且极易溶于水(在30℃，2155g/L)。丙烯酰胺的同系物包括2-丙烯醛酰胺(2-propenamide)，乙烯羧酰胺(ethylene carboxamide)，丙烯酸酰胺(acrylic acid amide)，乙烯基酰胺(vinyl amide)和丙烯酸酰胺(propenoic acid amide)。丙烯酰胺的分子量为71.08，熔点为84.5℃以及在25mmHg下的沸点为125℃。
最近，在许多不同食品中都检测到丙烯酰胺单体的存在呈阳性。特别是发现丙烯酰胺主要存在于经加热或高温下加工的碳水化合物食品中。已经检测到的丙烯酰胺呈阳性的食品的例子包括咖啡、谷类食品，饼干、马铃薯片、脆饼干、油炸马铃薯、面包和面包卷以及粘滚上面包屑的炸肉。与未加热和煮沸食品中未检测到的含量相比，通常在加热的富含蛋白质的食品中发现较低含量的丙烯酰胺，而在富含碳水化合物的食品中发现较高含量的丙烯酰胺。在各种类似加工的食品中发现的丙烯酰胺的报道过的含量包括：在薯片中是330-2,300(ug/kg)的范围，在炸薯条中是300-1100(ug/kg)的范围，在玉米片中是120-180(ug/kg)的范围，以及在各种早餐谷类食品中的含量范围从未检测到直到1400(ug/kg)。
目前已证实丙烯酰胺由存在的氨基酸和还原糖生成。例如，已证实在炸制食品中发现的大量丙烯酰胺是在游离天冬酰胺与游离的还原糖之间发生的反应，游离天冬酰胺通常是存在于生蔬菜中的一种氨基酸。天冬酰胺的含量占生马铃薯中总的游离氨基酸的约40％，占高蛋白黑麦中总的游离氨基酸的约18％，占小麦中总的游离氨基酸的约14％。
除了天冬酰胺外，丙烯酰胺也可能由其它氨基酸生成，但是其确信度尚未被证实。例如，已经报道用谷氨酰胺，蛋氨酸，半胱氨酸以及天冬氨酸作为前体进行试验生成了一些丙烯酰胺。然而，由于在原料氨基酸中潜在的含有天冬酰胺杂质，因此这些发现很难被证实。尽管如此，天冬酰胺已经被确定最有可能作为生成丙烯酰胺的氨基酸前体。
由于食品中的丙烯酰胺是最近发现的现象，所以其准确的生成机理还尚未确定。但是，现在已经证实生成丙烯酰胺的最有可能的途径涉及美拉德反应。在食品化学中早已公认美拉德反应是食品加工中的最重要的化学反应之一，并且影响食品的风味，颜色以及营养价值。美拉德反应要求热量，水分，还原糖和氨基酸。
美拉德反应是涉及具有许多中间体的一系列复杂的反应，但通常描述成包含三个步骤。美拉德反应的第一个步骤涉及游离氨基(来自游离的氨基酸和/或蛋白质)与还原糖(例如葡萄糖)的化合，以生成阿马杜里(Amadori)或海因氏(Heyns)的重排产物。第二个步骤包括经由不同可选择的途径使阿马杜里或海因氏重排产物降解，该途径包括生成脱氧邻酮醛糖(deoxyosones)，裂解，或斯瑞克降解。一系列复杂反应-包括脱水，消去，环化，裂解以及碎裂-引起香味中间体和香味化合物的合成。美拉德反应的第三个步骤的特征是生成褐色含氮聚合物和共聚物。利用美拉德反应作为生成丙烯酰胺的最有可能途径，图1描述了以天冬酰胺和葡萄糖为起始生成丙烯酰胺的简化的可能途径。
尚不能确定丙烯酰胺对人类是否有害，但它存在于食品中，特别是在食品中处于较高含量是人们所不希望的。如前所提到的，在经加热或热加工的食品中发现了较高浓度的丙烯酰胺。这种食品产品中的丙烯酰胺的降低可以通过减少或消除生成丙烯酰胺的前体化合物来实现，从而在食品加工期间抑制丙烯酰胺的生成，并且一旦在食品中生成丙烯酰胺单体便将其分解或与其反应，或者，在消费前从产品中去除丙烯酰胺。可以理解，为实现任何以上选项，每种食品都存在独特挑战。例如，在烹制时，在不物理破坏给予食品独特风味的细胞结构时，切片的和作为粘在一起的片烹制的食品不容易与不同试剂混合。特殊食品的其它加工要求同样可能与使降低丙烯酰胺策略不相容或非常困难。
举例说明，图2表示利用生马铃薯原料制作炸制马铃薯片的公知的现有技术的方法。含有约80％的重量百分比水或更多水的生马铃薯首先进行剥皮步骤21。在生马铃薯剥皮后，将马铃薯传送到切片步骤22。在切片步骤22中，每个马铃薯切片的厚度取决于最终产品的期望的厚度。现有技术的一个例子包括将马铃薯切片成约0.053英寸的厚度。然后，将这些切片输送到清洗步骤23，其中每个切片表面上的淀粉用水去除。然后，将清洗过的马铃薯切片输送到烹制步骤24。该烹制步骤24典型的包括在例如177℃的温度下，在连续的油炸锅中炸制切片约2.5分钟。烹制步骤通常将马铃薯片的含水量降低至重量百分比小于2％。例如，典型的炸制马铃薯片在离开油炸锅时的含水量重量百分比约为1.4％。然后，将烹制的马铃薯片输送到调味步骤25，在此，在转鼓中添加调味品。最后，调味过的马铃薯片进行包装步骤26。该包装步骤26通常包含将调味过的马铃薯片送到一个或多个称重装置，接着将马铃薯片导入一个或多个垂直成型，填充和密封机器中，并以柔性包装方式包装。一旦包装好，产品进入分销并由消费者购买。
上述许多马铃薯片加工步骤的微小调节可导致最终产品的特性的显著变化。例如，在清洗步骤23中切片在水中滞留时间延长会导致为最终产品提供马铃薯风味、颜色和质地的化合物从切片中浸出。在烹制步骤24中，滞留时间或加热温度的增加可导致马铃薯片内美拉德褐变程度的增加，以及较低的含水量。如果期望在油炸前将配料放入马铃薯切片内，就需要设置用于将添加的配料吸收到切片的内部的装置，同时不会破坏马铃薯片的细胞结构，或者不会从切片中浸出有利的化合物。
作为加热食品产品的另一个例子，该例子说明在最终产品中降低丙烯酰胺含量面临独特挑战，快餐还可由面团制成。术语“合成快餐”意指使用除了原始不变的淀粉原材料之外的其它物质作为起始配料制成的快餐食品。例如，合成快餐包括利用脱水马铃薯产品作为起始材料的合成马铃薯片，以及使用湿润粉糊作为起始材料的玉米片。这里注意到脱水马铃薯产品可以是马铃薯粉，马铃薯薄片，马铃薯颗粒，或以脱水马铃薯存在的任意其它形式。当在本申请中使用任何这些术语时，可以理解可包括所有各种变化。再参见图2，合成马铃薯片不需要剥皮步骤21，切片步骤22，或清洗步骤23。取而代之，合成马铃薯片以例如马铃薯薄片为起始，该马铃薯薄片与水和其它微量配料混合，以生成面团。然后，将该面团制成片状，并在烹制步骤处理之前切片。烹制步骤可包括炸制或烘焙。接着该马铃薯片进行调味步骤和包装步骤。马铃薯面团的混合通常便于添加其它配料。相反，给例如马铃薯切片的生食品产品添加这样的配料，就需要找到一种使配料渗透到产品的细胞结构的装置。然而，在混合步骤中添加任何配料必须考虑到配料可以负面影响面团的成片特性，以及最终马铃薯片的特性。
需要研发一种或多种能降低加热或热加工食品的最终产品中的丙烯酰胺含量的方法。理想的，这种方法应该充分减少或消除最终产品中的丙烯酰胺，同时不负面影响最终产品的质量和特性。另外，该方法应该容易实现，特别是对整个加工产生很少或不产生成本。
发明概述
在本申请的创造性的方法中，在热加工前，将两种或多种试剂的组合添加到基于淀粉的面团中，以降低丙烯酰胺的生成。该试剂可包括任何二价或三价阳离子，或该阳离子、酸或氨基酸的组合。在磨碎，干混，湿混或其它混合期间添加所述试剂，以便该试剂存在整个合成食品产品中。在优选的实施例中，钙阳离子和磷酸，柠檬酸，和/或半胱氨酸一起使用。该试剂的组合可调节，以将最终产品中生成的丙烯酰胺降低至所希望的含量，并且最低限度的影响最终产品的质量和特性。
附图的简要描述
本发明的新颖性特征带来的性能在所附的权利要求书中描述。然而，通过参考以下附图并结合说明书实施例的详细描述将很好的理解本发明自身，以及优选使用模式，和其进一步的目的和优点，其中：
图1图示以天冬酰胺和葡萄糖为起始生成丙烯酰胺的可能途径的简化图。
图2图示利用生马铃薯原料制造炸制马铃薯片的公知的现有技术的方法。
图3A和3B是根据本发明的两个单独的实施例，图示制造合成快餐食品的方法。
图4是表示在一系列添加了半胱氨酸和赖氨酸的试验中发现的丙烯酰胺含量的图表。
图5是表示在一系列氯化钙与磷酸或柠檬酸结合使用的试验中发现的丙烯酰胺含量的图表。
图6是表示在一系列将氯化钙和磷酸添加到具有不同含量的还原糖的马铃薯薄片的试验中发现的丙烯酰胺含量的图表。
图7是表示在一系列将氯化钙和磷酸添加到马铃薯薄片的试验中发现的丙烯酰胺含量的图表。
图8是表示在一系列将氯化钙与柠檬酸添加到玉米片混合物的试验中发现的丙烯酰胺含量的图表。
图9是表示在由半胱氨酸，氯化钙，以及或磷酸或柠檬酸合成的马铃薯片中发现的丙烯酰胺的含量的图表。
图10是表示在薄片制造步骤或玉米片合成步骤中添加氯化钙和磷酸时，马铃薯片中发现的丙烯酰胺的含量的图表。
图11是表示天冬酰胺酶和缓冲作用对马铃薯片中丙烯酰胺含量影响的图表。
图12是表示在含迷迭香(rosemary)的油内炸制的马铃薯片中发现丙烯酰胺含量的图表。
详细描述
在热加工食品中生成丙烯酰胺要求有碳源和氮源。假定碳由碳水化合物源提供，氮由蛋白质源或氨基酸源提供。许多来自植物的食品配料，如大米、小麦、玉米、大麦、大豆、马铃薯和燕麦都含有天冬酰胺，而且主要是含有少量的氨基酸成分的碳水化合物。一般来讲，这样的食品配料具有小的氨基酸库，除了天冬酰胺之外还含有其它的氨基酸。
食品或食品配料经“热加工”的意思是指其中的食品成分如食品配料的混合物在最低80℃的温度下加热。优选食品或食品配料的热加工在约100℃到205℃之间的温度下进行。在制成最终食品产品之前，可对食品配料在升温下进行单独的加工。热加工食品配料的一个例子是马铃薯薄片，这种马铃薯薄片由生马铃薯暴露在高达170℃的温度下的方法制成。(术语“马铃薯薄片”，“马铃薯颗粒”，和“马铃薯粉”在此交替使用，并意指任何基于马铃薯的脱水制品。)其它热加工食品配料的例子包括加工过的燕麦、煮成半熟并干燥的大米、熟大豆产品、玉米湿润粉糊、炒咖啡豆和炒可可豆。作为选择，食品配料原料可用在最终食品产品的制备中，其中该最终食品产品的生产包括加热步骤。其中最终食品产品通过加热步骤产生的生
原料加工的一个例子是，用生的马铃薯切片制造马铃薯片，这种加工通过以约100℃到约205℃的温度炸制步骤或以类似的温度生产炸制马铃薯条来进行。
氨基酸对丙烯酰胺生成的影响
不过，根据本发明，当在有还原糖的情况下将氨基酸天冬酰胺加热时，已发现生成了大量的丙烯酰胺。在如葡萄糖的还原糖存在的情况下加热诸如赖氨酸和丙胺酸的其它氨基酸时，不会导致丙烯酰胺的生成。但令人意外的是，给天冬酰胺-糖混合物中添加其它氨基酸时可以增加或减少丙烯酰胺的生成含量。
当有还原糖存在的情况下加热天冬酰胺时，已确认丙烯酰胺快速生成，因此通过使天冬酰胺失活就能实现降低在热加工食品中的丙烯酰胺。“失活”是指通过转化或与另一种化学物质结合的方式使天冬酰胺从食品中去除或使天冬酰胺在丙烯酰胺生成路径中处于不起反应状态，其中所述的化学物质能阻止天冬酰胺生成丙烯酰胺。
I.半胱氨酸，赖氨酸，谷氨酰胺和甘氨酸对丙烯酰胺生成的影响
由于天冬酰胺与葡萄糖反应生成丙烯酰胺，因而增加其它游离氨基酸的浓度可影响天冬酰胺与葡萄糖之间的反应，并降低丙烯酰胺的生成。对于该试验，在pH值为7.0的磷酸钠缓冲液中制备天冬酰胺(0.176％)和葡萄糖(0.4％)的溶液。以与葡萄糖相同的摩尔浓度添加另外四种氨基酸，即甘氨酸(GLY)，赖氨酸(LYS)，谷氨酰胺(GLN)，和半胱氨酸(CYS)。该试验设计成不可重复的全析因试验，以便测试所添加的氨基酸的所有可能组合。在测定丙烯酰胺前，将溶液在120℃加热40分钟。下表1显示浓度和结果。
表1：半胱氨酸，赖氨酸，谷氨酰胺和甘氨酸对丙烯酰胺生成含量的影响
葡萄糖天冬酰胺甘氨酸赖氨酸谷氨酰胺半胱氨酸丙烯酰胺顺序％％％％％％ppb10.40.1760000167920.40.1760000.269430.40.176000.3240537840.40.176000.3240.269750.40.17600.3250017060.40.17600.32500.269770.40.17600.3250.3240151780.40.17600.3250.3240.269790.40.1760.167000213100.40.1760.167000.2696110.40.1760.16700.32402033120.40.1760.16700.3240.2694130.40.1760.1670.32500161140.40.1760.1670.32500.2694150.40.1760.1670.3250.3240127160.40.1760.1670.3250.3240.26926
如上表所示，葡萄糖和没有任何其它氨基酸的天冬酰胺生成1679ppb的丙烯酰胺。所添加的氨基酸具有三种类型的影响。
1)半胱氨酸几乎消除了丙烯酰胺的生成。利用半胱氨酸的所有处理具有小于25ppb的丙烯酰胺(降低98％)。
2)赖氨酸和甘氨酸降低了丙烯酰胺的生成但不如半胱氨酸那样多。利用赖氨酸和/或甘氨酸但没有谷氨酰胺和半胱氨酸的所有处理具有小于220ppb的丙烯酰胺(降低85％)。
3)令人惊奇的是，谷氨酰胺将生成的丙烯酰胺增加到5378ppb(增加200％)。谷氨酰胺加半胱胺酸未生成丙烯酰胺。将甘氨酸和赖氨酸添加到谷胺酰胺可降低丙烯酰胺的生成。
这些试验证明半胱氨酸，赖氨酸和甘氨酸在降低丙烯酰胺生成的方面有效。然而，谷氨酰胺的结果证明并不是所有氨基酸对降低丙烯酰胺的生成都是有效的。半胱氨酸，赖氨酸，或者甘氨酸与单独可加速丙烯酰胺生成的氨基酸(例如谷氨酰胺)组合同样可降低丙烯酰胺的生成。
II.半胱氨酸，赖氨酸，谷氨酰胺和蛋氨酸在不同浓度和温度下的影响
如以上报告所述，当添加与葡萄糖相同浓度的半胱氨酸和赖氨酸时可降低丙烯酰胺的生成。设计以下试验来回答如下问题：
1)较低浓度的半胱氨酸，赖氨酸，谷氨酰胺和蛋氨酸如何影响丙烯酰胺的生成？
2)当溶液在120℃和150℃加热时，添加的半胱氨酸和赖氨酸的作用相同吗？
在pH值为7.0的磷酸钠缓冲液中制备天冬酰胺(0.176％)和葡萄糖(0.4％)的溶液。这里添加两种浓度的氨基酸(半胱氨酸(CYS)，赖氨酸(LYS)，谷氨酰胺(GLN)，或蛋氨酸(MET))。这两种浓度是每摩尔葡萄糖含0.2摩尔和1.0摩尔的氨基酸。一半的试验是将两毫升的溶液在120℃加热40分钟；另一半的试验是将两毫升的溶液在150℃加热15分钟。加热后，丙烯酰胺通过GC-MS来测量，其结果显示在表2中。对照组是不含所添加的氨基酸的天冬酰胺和葡萄糖溶液。
表2：氨基酸的温度和浓度对丙烯酰胺含量的影响
在使用半胱氨酸和赖氨酸的试验中，对照组在120℃加热40分钟后生成1332ppb的丙烯酰胺，在150℃加热15分钟后生成3127ppb的丙烯酰胺。半胱氨酸和赖氨酸可在120℃和150℃降低丙烯酰胺的生成，丙烯酰胺的降低量与所添加的半胱氨酸或赖氨酸的浓度基本成比例。
在使用谷氨酰胺和蛋氨酸的试验中，对照组在120℃加热40分钟后生成1953ppb的丙烯酰胺，以及对照组在150℃加热15分钟后生成3866ppb的丙烯酰胺。谷氨酰胺在120℃和150℃可增加丙烯酰胺的生成。每摩尔葡萄糖含有0.2摩尔的蛋氨酸不影响丙烯酰胺的生成。每摩尔葡萄糖含有1.0摩尔的蛋氨酸可降低丙烯酰胺的生成量为低于50％。
III.十九种氨基酸对葡萄糖和天冬酰胺溶液中的丙烯酰胺生成的影响
以上描述了四种氨基酸(赖氨酸，半胱氨酸，蛋氨酸和谷氨酰胺)对丙烯酰胺生成的影响。这里试验其它十五种氨基酸。在pH值为7.0的磷酸钠缓冲液中制备天冬酰胺(0.176％)和葡萄糖(0.4％)的溶液。这里添加与葡萄糖的摩尔浓度相同的十五种氨基酸。对照组包含天冬酰胺和葡萄糖溶液，但没有任何其它的氨基酸。在通过GC-MS测量丙烯酰胺前，将该溶液在120℃加热40分钟。其结果显示在下表3中。
表3：其它氨基酸对丙烯酰胺生成的影响
从上表中可以看出，十五种附加的氨基酸没有一种与半胱氨酸，赖氨酸，或甘氨酸一样可有效降低丙烯酰胺的生成。其中九种附加的氨基酸可将丙烯酰胺含量降低为对照组的22-78％，而六种氨基酸可将丙烯酰胺的含量增加到对照组的111-150％。
下表4总结了所有氨基酸的结果，按氨基酸的有效性顺序列出。半胱氨酸，赖氨酸，和甘氨酸是有效的抑制剂，其生成的丙烯酰胺的含量小于对照组中生成的丙烯酰胺的15％。下面的九个氨基酸是不太有效的抑制剂，其生成的总丙烯酰胺的含量为对照组中生成的丙烯酰胺的22-78％之间。再下面的七个氨基酸可增加丙烯酰胺的含量。谷氨酰胺会引起最大程度丙烯酰胺含量的增加，其显示为对照组的320％。
表4：在使用十九种氨基酸的情况下生成的丙烯酰胺
氨基酸生成的丙烯酰胺相对对照组的百分比％对照组100％半胱氨酸0％赖氨酸10％甘氨酸13％组氨酸22％丙氨酸50％蛋氨酸54％谷氨酸54％天门冬氨酸55％脯氨酸67％苯丙氨酸68％缬氨酸72％精氨酸78％
色氨酸111％苏氨酸111％酪氨酸114％亮氨酸131％丝氨酸135％异亮氨酸150％谷氨酰胺320％
IV.添加750ppm的L-半胱氨酸的马铃薯薄片
通过添加750ppm(百万分之几)L-半胱氨酸来制成试验用马铃薯薄片。对照组的马铃薯薄片不包含添加的L-半胱氨酸。在小玻璃瓶中称三克马铃薯薄片。然后拧紧瓶盖，在120℃把该瓶加热15分钟或40分钟。以10亿分之几(ppb)计量的GC-MS来测量丙烯酰胺量。
表5：通过添加半胱氨酸导致丙烯酰胺随时间的降低
马铃薯薄片在120℃加热15分钟丙烯酰胺(ppb)加热15分钟后丙烯酰胺的降低百分比在120℃加热40分钟丙烯酰胺(ppb)加热40分钟后丙烯酰胺的降低百分比对照组1662-9465-750ppm的半胱胺酸65360％752920％
V.烘培合成的马铃薯片
鉴于以上的结果，研制出了本发明的优选实施例，在这些优选的实施例中向合成快餐食品的配方中添加半胱氨酸或赖氨酸，从而烘焙合成马铃薯片。这里制成该食品的方法显示在图3A中。在面团制备步骤30中，马铃薯薄片，水和其它配料混合以形成面团。(术语“马铃薯薄片”和“马铃薯粉”在此可互换使用，每个术语含义均覆盖所有干燥的薄片或粉制备料，与其颗粒尺寸无关。)在压片步骤31中，面团穿过压片机，使面团变平，并且被压成单独的片。在烹制步骤32中，切片被烘培成特定的颜色和含水量。然后将所得到的片在调味步骤33中调味，并在包装步骤34中被包装。
本发明的第一实施例通过以上描述的方法来说明。为说明该实施例，在对照组和试验批次之间进行了比较，其中向所述的试验批次中添加三种浓度的半胱氨酸中的任一种或者一种浓度的赖氨酸。
表6：赖氨酸和不同含量的半胱氨酸对丙烯酰胺含量的影响
在所有批次中，首先将所有干燥配料混合在一起。接着将油加到每一干燥混合
___________________
1人们期望D-异构体或氨基酸的D-异构体和L-异构体的外消旋混合物具有相等的功效，尽管L异构体可能是最好且最便宜的资源。
物中混合。半胱氨酸或赖氨酸在添加到面团之前在水中溶解。压片前面团的含水量为重量百分比的40％到45％。将该面团压成片，片厚度在0.020到0.030英寸之间，切成马铃薯片大小的片并烘焙。
烹制后，根据Hunter L-A-B刻度(scale)，对水分、油以及颜色进行试验。对样品进行测试以获得最终产品中的丙烯酰胺含量。表6显示了这些分析的结果。
在对照组的马铃薯片中，最终烹制后的丙烯酰胺含量是1030ppb。添加所有测试含量的半胱氨酸和赖氨酸都可明显降低最终丙烯酰胺的含量。图4以图表的形式显示最终丙烯酰胺含量。在该附图中，每个样品中检测到的丙烯酰胺含量用黑框402表示。每个框的下面列出表示适当的试验的标记，并在附图左边标定丙烯酰胺的刻度。还显示每个试验所制成的马铃薯片的含水量，图示为单点404。单点404的值用来标定附图的右边所示的含水率的刻度。为清楚起见，线406将单点404连接起来。由于较低含水量对丙烯酰胺含量的显著影响，因而具有一定含水量是非常重要的，以便正确评估任何能降低丙烯酰胺含量的试剂的活性。如在此使用的，能降低丙烯酰胺含量的试剂是一种能降低丙烯酰胺含量的添加剂。
向面团中添加半胱胺酸或赖氨酸可显著降低最终产品中存在的丙烯酰胺的含量。该半胱氨酸样品显示丙烯酰胺的含量的降低与所添加的半胱氨酸的含量基本成比例。然而，必须考虑到，在制造过程添加氨基酸对最终产品的特性(例如：颜色、味道和质地)的间接影响。
还通过添加半胱氨酸，赖氨酸，以及这两种氨基酸中的一种氨基酸和氯化钙的组合进行其它试验。这些试验使用与上述试验相同的方法，但是使用的马铃薯薄片具有不同含量的还原糖和所加入的氨基酸与氯化钙的含量不同。在以下的表7中，批次1的马铃薯薄片具有0.81％的还原糖(这部分表重复上述试验显示的结果)，批次2有1.0％的还原糖，批次3有1.8％的还原糖。
表7：不同浓度的半胱氨酸，赖氨酸，还原糖的影响
还原糖％氯化钙占总干重的Wt％半胱氨酸总干重的ppm赖氨酸占总干重的％最终水的Wt％最终色值丙烯酰胺ppb0.810002.2172.3410300.81030001.7376.536200.81070002.2879.021660.810139802.5778.361040.81000.6852.6873.204561.00001.7172.685991.00001.6374.4418801.00001.6971.2616401.00001.9971.3710201.0070002.0575.813171.00.64600.6851.7473.991791.80001.8073.354641.80001.6172.1210601.8070001.9975.272901.80139801.9675.871881.8000.6851.9076.171051.80.64600.6852.1475.87471.80.64670001.8377.23148
如该表中的数据所示，对于每种测试含量的还原糖，添加半胱氨酸或赖氨酸对丙烯酰胺的含量具有明显改进。尽管事实上该试验是在使用最高含量的还原糖的情况下进行的，然而赖氨酸与氯化钙的组合几乎全部消除了产生的丙烯酰胺。
VI.对切片的油炸马铃薯片进行试验
用马铃薯切片制成的马铃薯片可获得一种类似的结果。然而，期望的氨基酸不能与上述实施例的马铃薯切片简单混合，因为这样会破坏切片的完整性。在一实施例中，马铃薯切片浸入含有所希望的氨基酸添加剂的水溶液内足够长的时间，以使氨基酸进入马铃薯切片的细胞结构。例如，可以在图2所示的清洗步骤23中进行该操作。
下表8显示向上述图2的清洗步骤23所述的清洗处理过程中添加1％重量的半胱氨酸的结果。所有清洗是在室温下进行所指定的时间；对照组处理没有向水中添加任何东西。该马铃薯片在178℃的棉籽油中炸制所指定的时间。
表8：在马铃薯切片的清洗水中半胱氨酸对丙烯酰胺的影响
炸制时间(秒)最终水wt％最终油wt％最终丙烯酰胺对照组-清洗2-3分钟1401.32％42.75％323ppb1％半胱氨酸-清洗15分钟1400.86％45.02％239ppb对照组-清洗2-3分钟1101.72％40.87％278ppb对照组-清洗15分钟1101.68％41.02％231ppb1％半胱氨酸-清洗15分钟1101.41％44.02％67ppb
如该表所示，在含有1％重量浓度的半胱氨酸水溶液中浸泡0.053英寸厚的马铃薯切片15分钟，这样足以将最终产品中的丙烯酰胺的含量降低至100-200ppb的数量级。
本发明还通过向制成玉米饼切片的玉米面团(或湿润粉糊)中添加半胱氨酸来证明。在磨粉期间向烹制的玉米中添加已溶解的L-半胱氨酸，以便半胱氨酸均匀分布在磨粉期间制成的湿润粉糊内。添加600ppm的L-半胱氨酸使丙烯酰胺含量从对照组产品中的190ppb降低至经L-半胱氨酸处理过的产品中的75ppb.
只要对附加的配料产生间接的影响，例如改变食品颜色、味道和质地进行调节，那么各种数量氨基酸都可用于在这里公开的本发明中。尽管所有例子显示利用α-氨基酸(其中与α碳原子连接的-NH2基)，本申请人预期也可使用其它异构体，例如使用β-或γ-氨基酸，尽管β-和γ-氨基酸通常不用作食品添加剂。本发明的优选实施例使用半胱氨酸，赖氨酸，和/或甘氨酸。然而，也可使用其它氨基酸，例如组氨酸，丙氨酸，蛋氨酸，谷氨酸，天门冬氨酸，脯氨酸，苯基丙氨酸，缬氨酸，和精氨酸。这类氨基酸，特别是半胱氨酸，赖氨酸，和甘氨酸相对较便宜，且通常用于食品添加剂。这些优选的氨基酸可单独使用或组合使用，以便降低最终食品中的丙烯酰胺含量。另外，可在加热前向食品产品添加氨基酸，可通过向食品原料中添加市场可买到的氨基酸，或添加其它包含高浓度的游离氨基酸的食品配料。例如，酪蛋白含有游离赖氨酸，而凝胶含有游离甘氨酸。因此，当申请人提出在食品配方中添加氨基酸时，应该理解为添加的氨基酸可以是市场上可买到的氨基酸，或其中游离氨基酸的浓度高于食品中天冬酰胺的天然产生量的食品。
添加到食品中用于将丙烯酰胺的含量降低到可接受水平的一定含量的氨基酸可以通过许多方式来表示。为了商业上能够接受，添加的氨基酸含量应足以使生成的丙烯酰胺最终含量相比未处理产品至少降低20％。更优选的，丙烯酰胺产生的含量应该降低至35％到95％的范围(35-95％)内。甚至更优选的是，生成丙烯酰胺的含量应该降低至50％到95％的范围(50-95％)内。在利用半胱氨酸的优选实施例中，已确定添加至少100ppm的半胱氨酸可有效降低丙烯酰胺含量。然而，添加半胱氨酸的优选范围在100ppm到10,000ppm之间，最优选的范围是约1,000ppm的含量。在优选实施例中，利用其它有效的氨基酸，例如赖氨酸和甘氨酸，发现所添加的氨基酸与食品中的还原糖的摩尔比为至少0.1摩尔的氨基酸比一摩尔的还原糖(0.1：1)对降低丙烯酰胺的生成是有效的。更优选的是所添加的氨基酸与还原糖的摩尔比应该在0.1：1和2：1之间，最优选的比率为约1：1。
目前对所选择氨基酸能降低所发现的丙烯酰胺的含量的机理尚不知道。可能的机理包括反应物和稀释前体的竞争，这将产生较少丙烯酰胺，以及与丙烯酰胺的反应机理是使该反应中止。“可能的机理”包括(1)抑制美拉德反应，(2)葡萄糖和其它还原糖的消耗，以及(3)与丙烯酰胺反应。具有游离巯基(thiol)的半胱氨酸作为美拉德反应的抑制剂。由于丙烯酰胺被认为是通过美拉德反应由天冬酰胺生成，因而半胱氨酸应该降低美拉德反应和丙烯酰胺生成的速率。赖氨酸和甘氨酸与葡萄糖和其它还原糖快速反应。如果葡萄糖被赖氨酸和甘氨酸消耗，那么将没有葡萄糖与天冬酰氨反应以生成丙烯酰胺。氨基酸的氨基与丙烯酰胺双键反应，即迈克尔加成。半胱氨酸的游离巯基还可与丙烯酰胺双键反应。
应该理解最终产品的特性的不利改变，例如：颜色、味道以及质地可能是由于添加了氨基酸造成的。根据本发明，产品特性的这些变化可通过各种其它方法补偿。例如，马铃薯片的颜色特性通过控制初始产品中的糖含量来调节。一些风味的特性可以通过向最终产品添加不同的调味剂而改变。产品的物理结构可以通过例如添加酵母剂或不同的乳化剂而调节。
二价和三价阳离子对丙烯酰胺生成的影响
本发明的另一实施例通过在烹制或热加工快餐食品前向快餐食品的配方中添加二价或三价阳离子的方法来实现降低丙烯酰胺的生成。化学家知道阳离子不能孤立存在，而是与同价阴离子共存。尽管这里参照的是含有二价和三价阳离子的盐，但是应当明确的是盐中存在的阳离子通过降低水中天冬酰胺在水中的溶解性来降低丙烯酰胺的生成。在此，这些阳离子被认为是具有至少两个化合价的阳离子。有趣的是，一个化合价的阳离子在本发明中使用无效果。在选择适当的包括至少两个化合价的阳离子与阴离子结合的化合物时，相关的因素是水的可溶性，食品安全，以及具体食品的特性的最少变化。可以使用不同盐类的组合，尽管这里讨论的只是单个盐。
化学家谈及原子的化合价作为它与其它元素结合的能力的量度。特别是，二价原子具有与其它原子生成两个离子键的能力，而三价原子可以与其它的原子生成三个离子键。阳离子是带正电离子，即原子失去一个或多个电子，从而带正极电荷。因此，二价或三价阳离子是分别具有两个或三个离子键的带正电离子。
可用简单的模型系统测试二价或三价阳离子对丙烯酰胺生成的影响。加热1：1摩尔比例的天冬酰胺与葡萄糖可以产生丙烯酰胺。对使用或不使用添加的盐类的丙烯酰胺含量进行定量比较可测量盐促进或抑制丙烯酰胺生成的能力。使用两种样品制备和加热方法。一种方法包括将干燥的成分进行混合，添加等量的水，以及在未盖严盖的瓶中加热。当加热时由于大部分水蒸发，因此试剂浓缩，重复烹制的状态。可以产生稠的糖浆或焦油，使丙烯酰胺的回收复杂化。这些试验显示在如下的实例1和2中。
第二个方法是利用压力容器的，这使得试验更可控。将试验成分的溶液合并并在压力下加热。该试验成分可以以食品中存在的浓度添加，并且缓冲剂可与普通食品的pH值完全相同。在这些试验中，没有水蒸发，简化了丙烯酰胺的回收，如下面的例子3所示。
I.二价，三价阳离子可降低丙烯酰胺的生成，而单价阳离子却不可以
将含有L-天冬酰胺一水化物(0.15g，1毫摩尔)，葡糖糖(0.2g，1毫摩尔)和水(0.4mL)的20mL(毫升)细颈瓶用铝箔覆盖，并且在气相色谱分析(GC)炉中以20°/分的升高速度从40°加热到220℃，在220℃保持两分钟，并以20°/分速度从220°冷却到40°。残余物用水萃取，并利用气相色谱-质谱分析法(GC-MS)对丙烯酰胺进行分析。分析发现了接近10,000ppb(十亿分之一)的丙烯酰胺。将含有L-天冬酰胺一水化物(0.13g，1毫摩尔)，葡糖糖(0.2g，1毫摩尔)，无水的氯化钙(0.1g，1毫摩尔)，和水(0.4mL)的另外两个瓶加热并进行分析。分析发现了7和30ppb的丙烯酰胺，减少超过99％。
鉴于钙盐能极大地降低丙烯酰胺的生成的惊奇结果，对盐类进行进一步的筛选并确定二价和三价阳离子(镁，铝)具有相似的影响。注意到用一价阳离子即0.1/0.2克碳酸氢钠和碳酸铵(与氨基甲酸铵和碳酸氢铵一样)进行的类似实验，增加了丙烯酰胺的生成，如下表9所示。
表9
盐微摩尔的盐加热后微摩尔丙烯酰胺，ppb无(对照组)09857碳酸氢钠120013419碳酸铵125022027碳酸铵250047897
II.氯化钙和氯化镁
在第二个试验中，实施与上述类似的试验，不过不使用无水氯化钙，而是使用分别为氯化钙和氯化镁的两种不同的稀释物。含有L-天冬酰胺一水化物(0.15g，1毫摩尔)和葡萄糖(0.2g，1毫摩尔)的细颈瓶与如下之一混合：
0.5mL水(对照组)，
0.5mL10％氯化钙溶液(0.5毫摩尔)，
0.05mL10％氯化钙溶液(0.05毫摩尔)加0.45mL水，
0.5mL10％氯化镁溶液(0.5毫摩尔)，或
0.05mL10％氯化镁溶液(0.05毫摩尔)加0.45mL水。
如例子1所述对相同样品加热和分析，结果求平均值并且概括在下表10中。
表10：氯化钙，氯化镁对丙烯酰胺生成的影响
盐ID增加量微摩尔生成的丙烯酰胺微摩尔丙烯酰胺的减少无(对照组)04080氯化钙45029327％氯化钙45864无氯化镁49519153％氯化镁502225无
III.pH和缓冲液的影响
如以上所述，该试验不包括从容器中失去的水，而是在压力下操作。含有2mL的缓冲原料溶液(15mM天冬酰胺，15mM葡萄糖，500mM磷酸盐或醋酸盐)和0.1mL盐溶液(1000mM)的细颈瓶在气相色谱分析炉中放置的帕尔高压气瓶中加热，该加热按程序以20°/分的升高速度从40°上升到150℃，在150℃保持两分钟。该高压气瓶从炉中取出并冷却10分钟。用水萃取组分并根据GS-MS的方法分析丙烯酰胺。对于pH和缓冲液的每一次组合，对照组在没有添加盐以及添加三种不同的盐的情况下进行。对重复试验的结果求平均值，并在下表3中概括。
表11：PH和缓冲溶液对二价/三价阳离子盐降低丙烯酰胺的影响
通过使用的三种盐，丙烯酰胺最大的降低发生在pH7的醋酸盐和pH5.5的磷酸盐。pH5.5的醋酸盐和pH7的磷酸盐仅发现很小的降低量。
IV.增加氯化钙可降低丙烯酰胺生成
根据模型系统的结果，进行了小范围的实验室试验，其中氯化钙在加热前被添加到马铃薯薄片中。三毫升0.4％，2％，或10％的氯化钙溶液被添加到3克的马铃薯薄片中。对照组是将3克的马铃薯薄片与3毫升的去离子水混合。将马铃薯薄片混合成相对均匀的糊，接着在密封玻璃瓶内在120°下加热40分钟。加热后通过GC-MS测量丙烯酰胺。加热前，对照组马铃薯薄片含有46ppb的丙烯酰胺。试验结果反映在下表4中。
表12：氯化钙溶液浓度对降低丙烯酰胺含量的影响
混合物ID丙烯酰胺ppb丙烯酰胺的减少对照组(水)2604无0.4％氯化钙溶液187728％2％氯化钙溶液33876％10％氯化钙溶液8697％
根据以上结果，进行了将钙盐添加到合成快餐食品的配方中从而烘焙合成马铃薯片的试验。制造烘焙合成马铃薯片的方法包括图3B中显示的步骤。面团的制备步骤35是将马铃薯薄片与水，阳离子/阴离子对(这里是氯化钙)以及其它辅助配料混合，将这些配料充分混合形成面团。(另外，在此，术语“马铃薯薄片”是指包括所有干马铃薯薄片，颗粒或粉剂，与粒度尺寸无关。)在压片/切片步骤36中，面团穿过压片机，使面团变平，并且被切成单独的片。在烹制步骤37中，形成的片被烹制成特殊的颜色和含水量。然后，所得到的片在调味步骤38中调味并在包装步骤39中包装。
在第一个试验中，根据表13给出的配方制备并烹制两批合成的马铃薯片；两批之间唯一的不同是试验批含有氯化钙。在这两批中，首先将干燥的配料混合在一起，接着将油添加到每个干混合物中混合。氯化钙在添加于面团前先在水中溶解。压片前面团的含水量为40％到45％的重量百分比。将该面团压片产生厚度在0.020到0.030英寸之间的片，切成马铃薯片大小的片并烘焙。
烹制后，根据亨特L-a-b刻度对水分，油以及颜色进行试验。测试样品以获得最终产品中的丙烯酰胺含量。下表13显示了这些分析结果。
表13：氯化钙对马铃薯片中丙烯酰胺的影响
如这些结果所示，以氯化钙对马铃薯片的重量比约1：125的比率向面团中添加氯化钙，这样可显著减低最终产品中的丙烯酰胺的含量，可使最终丙烯酰胺含量从1030ppb降至160ppb。另外，最终产品中的油和水的百分比不受所添加的氯化钙的影响。然而，应注意到，氯化钙可导致产品味道、质地和颜色的改变，这取决于其使用量。
添加到食品中用于降低丙烯酰胺的二价或三价阳离子的含量可以许多方式表示。为了商业上能够接受，阳离子添加量应足以使丙烯酰胺的最终含量降低至少20％。优选的是，丙烯酰胺的含量应该降低35％到95％的范围(35-95％)内。更优选的是，丙烯酰胺的含量应该降低50％到95％的范围(50-95％)内。为了用不同的方式表示，二价阳离子或三价阳离子的添加量可以以阳离子摩尔相对食品产品中游离天冬酰胺的摩尔之间的比率给出。二价或三价阳离子的摩尔相对游离天冬酰胺的摩尔比率应该至少是一比五(1：5)。更优选的是，该比率至少是1：3；并且最适宜的是1：2。在现有的优选实施例中，阳离子的摩尔相对天冬酰胺的摩尔比率是约1：2和1：1之间。在对产品味道比钙有较少影响的镁的情况下，阳离子与天冬酰胺的摩尔比率可以高到约二比一(2：1)。
利用与上述相同的步骤进行其它试验，但是使用的不同批次的马铃薯薄片含有不同含量的还原糖并且所添加的氯化钙的含量不同。在下面的表14中，具有0.8％的还原糖的马铃薯片重复上述试验。
表14：不同量的还原糖和阳离子与氯化钙的影响
氯化钙(g)还原糖，％含水量，％颜色L值丙烯酰胺ppb
00.82.2172.341030390.82.5876.6716001.01.8073.3546401.01.6172.12106017.51.01.8274.63350391.02.0576.9580391.01.9875.8619201.81.9971.37102001.81.7172.6859901.81.6971.26164001.81.6374.441880391.81.8976.59148391.81.8275.14275
如该表所示，即使添加的氯化钙对马铃薯薄片的重量比率低于1：250时，所添加的氯化钙可始终减少最终产品中的丙烯酰胺含量。
能生成二价或三价阳离子的许多盐(或所述其它方法，可产生至少带两个化合价的阳离子)可用于在这里公开的本发明中，只要进行调节可以对附加的配料产生间接的影响。降低丙烯酰胺的含量的效果看起来源自二价或三价阳离子，而非与之配对的阴离子。除了化合价外，对阳离子/阴离子对的限制与例如安全性，可溶性和它们对味道，气味，外形和质地的影响的食品可接受性有关。例如阳离子的有效性与其溶解度直接相关。高溶解性的盐，例如那些包括醋酸盐或氯化物阴离子的盐是最优选的添加剂。低可溶性盐，例如那些包括碳酸盐或氢氧化合物阴离子的盐，它们通过添加磷酸或柠檬酸，或通过破坏基于淀粉的食品的细胞结构变得更易溶解。建议的阳离子包括钙，镁，铝，铁，铜和锌离子。这些阳离子的适当盐包括氯化钙，柠檬酸钙，乳酸钙，苹果酸钙，葡萄糖酸钙，磷酸钙，乙酸钙，乙二胺四醋酸钙钠(calcium sodium EDTA)，甘油磷酸钙，氢氧化钙，乳糖醛酸钙，氧化钙，丙酸钙，碳酸钙，乳酸硬脂酰钙，氯化镁，柠檬酸镁，乳酸镁，苹果酸镁，葡萄糖酸镁，磷酸镁，氢氧化镁，碳酸镁，硫酸镁，氯化铝六水合物，氯化铝，氢氧化铝，铵明矾，硫酸铝钾，铝钠矾，硫酸铝，氯化铁，葡萄糖酸铁，柠檬酸铁铵，焦磷酸铁，富马酸铁，乳酸亚铁，硫酸铁，氯化铜，葡萄糖酸铜，硫酸铜，葡萄糖酸锌，氧化锌，和硫酸锌。尽管确信通过一个或多个合适阳离子盐的结合可更好地满足其要求，本发明优选的实施例是使用氯化钙。许多盐，例如钙盐，特别是氯化钙，相对便宜并且通常用于食品。氯化钙可以与柠檬酸钙结合使用，从而可以降低氯化钙对食品味道的间接影响。另外，许多钙盐可以与一种或多种镁盐结合使用。本领域的技术人员应该理解特定配方所需要的盐可根据所述食品和希望的最终产品的特性来进行调节。
应该理解最终产品的特性的改变，例如，颜色、味道以及稠度可以通过不同方法调节。例如，马铃薯片的颜色特性通过控制初始产品中的糖含量来调节。一些味道的特性可以通过向最终产品添加不同的调味剂而改变。产品的物理结构可以通过添加例如酵母剂或不同的乳化剂而调节。
制造面团中的试剂的组合
在本发明的上述详细实施例中，重点在于由单一试剂，例如二价或三价阳离子或若干氨基酸中的一种引起的丙烯酰胺的减少，从而降低发现于烹制的快餐中丙烯酰胺含量。本发明的其它实施例包括各种试剂的组合，例如氯化钙与其它试剂的组合，以便在不明显改变薯片味道的情况下显著降低丙烯酰胺的含量。
I.氯化钙，柠檬酸，磷酸的组合
本发明已发现在pH呈酸性的情况下钙离子可更有效的降低丙烯酰胺的含量。以下所示试验中，研究了在酸中添加氯化钙，并与仅包含该酸的样品进行比较。
表15：氯化钙与磷酸或柠檬酸的组合对丙烯酰胺的影响
如上表15，单独添加磷酸可使丙烯酰胺的生成量降低73％，而添加氯化钙和一种酸可使丙烯酰胺的生成量降低93％。图5以图表的方式显示了这些结果。在该附图中，对照组的丙烯酰胺含量502非常高(1191)，但当单独添加磷酸时可明显降低丙烯酰胺含量，并且当添加氯化钙和一种酸时降低的更加明显。同时，不同马铃薯片的含水量504保持在相同范围内，尽管带有试剂的马铃薯片的含水量范围略低。因此，可以证明氯化钙和一种酸可有效降低丙烯酰胺的含量。
使用氯化钙和磷酸作为添加剂添加到马铃薯面团中进行进一步的试验。使用相当于马铃薯薄片重量的0％，0.45％和0.90％的三种不同量的氯化钙。这些氯化钙与相当于马铃薯薄片重量的0％，0.05％或0.1％的三种不同量的磷酸组合。另外，尽管没有将这些含量的所有组合进行描述，但对相当于马铃薯薄片重量的0.2％，1.07％和2.07％的三种还原糖的含量进行试验。每次试验混合成面团，成形，并烹制成马铃薯片。油炸温度，炸制时间和压片厚度分别恒定为350F，16秒和0.64mm。为清楚起见，该结果表示在三个单独的表格(16A，16B，和16C)中，每个表格显示马铃薯薄片中一种含量的还原糖的结果。此外，这样设计试验以使没有氯化钙或磷酸的对照组在左侧。在表内，每一含量的氯化钙(CC)与以下不同量的磷酸(PA)组合在一起。
表16A：氯化钙/磷酸对丙烯酰胺量的影响-0.2％还原糖
在还原糖的含量为最低的试验中，我们看到产生的丙烯酰胺含量通常在所希望的较低范围内。在该还原糖含量的情况下，单独使用氯化钙降低丙烯酰胺的含量小于对照组的丙烯酰胺含量的1/4，添加磷酸可获得很小的额外效果。下表显示中间范围的还原糖，氯化钙的组合将丙烯酰胺含量从对照组中的367ppb下降至试验组(cell)12中的69ppb。尽管丙烯酰胺的某些降低可能归因于试验组12中略高的含水量(2.77而对照组中的为2.66)，然而通过甚至当氯化钙和磷酸的含量减半时，丙烯酰胺的含量还能明显降低显示了进一步的支持。在试验组6中显示了这一结果，与对照组相比，该试验组显示了明显降低的丙烯酰胺含量，和较低的含水量。
表16B：氯化钙/磷酸对丙烯酰胺量的影响-1.07％还原糖量
表16C：氯化钙/磷酸对丙烯酰胺量的影响-2.07％还原糖量
如这三个图表所示，当还原糖的含量增加时，降低丙烯酰胺含量所必需的氯化钙和磷酸量将增加。图6显示与以上三个表相应的一个图表，条602表示丙烯酰胺含量，点604表示含水量。该结果根据从马铃薯获得的还原糖的含量再次进行分组；每组内通常第一组向下移动，然后使用若干能降低丙烯酰胺的试剂以降低丙烯酰胺含量。
若干天后，仅使用具有1.07％还原糖的马铃薯薄片，和与上述的三个含量相同的氯化钙，以及使用四种含量的磷酸(0，0.025％，0.05％，和0.10％)，进行了与上述三个表格中所用的方案相同的另一个试验。该结果在表17中显示。图7图示该表的的结果，丙烯酰胺含量用条702表示，标定在图左侧，而含水量的百分比用点704表示，且标定在附图的右侧上。当氯化钙含量增加时，例如在整个图表上从左向右移动，丙烯酰胺降低。同样，对氯化钙的每一个含量，例如在某一个氯化钙含量内从左向右移，丙烯酰胺的含量通常也会降低。
表17：氯化钙/磷酸对丙烯酰胺量的影响-1.07％还原糖量
II.氯化钙/柠檬酸与半胱氨酸
在本发明人实施的有关玉米片的上述一些试验中，使丙烯酰胺含量达到希望的含量所必须的氯化钙和磷酸的含量会产生令人讨厌的味道。设计以下试验以揭示向马铃薯面团中添加半胱氨酸是否会使氯化钙和酸的含量降低到可接受的味道水平，同时保持低含量的丙烯酰胺，其中半胱氨酸已经显示出能降低马铃薯片中的丙烯酰胺的含量。在该试验中，向湿润粉糊(面团)中按如下比率添加三种试剂(i)在第一个试验中添加0.106％的氯化钙，0.084％的柠檬酸，和0.005％的L-半胱氨酸；(ii)在第二个试验中添加0.106％的氯化钙和0.084％的柠檬酸，但无半胱氨酸，以及在第三个试验中添加0.053％的氯化钙，0.042％的柠檬酸和0.005％L-半胱氨酸。重复每个试验，并再次进行，其两个结果如下所示。该湿润粉糊含水量约50％，所以如果试验将这些比率仅看成是干重的话，那么浓度将接近两倍。另外，在每次试验中，一部分用马铃薯片基重的约10％的烤干酪辣味玉米片干酪调味品调味。试验结果如下表18所示。在该表中，每类玉米片，例如普通的玉米片，对照组玉米片，第一次进行的试验结果以丙烯酰胺#1给出；第二次试验的结果以丙烯酰胺#2给出，并且两次结果的平均值以丙烯酰胺平均值给出。在第一个试验中，只给出了一个含水量的值；其值已示出。
表18：半胱氨酸与氯化钙/柠檬酸对玉米片中丙烯酰胺含量的影响
当与0.106％氯化钙和0.084％的柠檬酸组合时，半胱氨酸的添加使生成的丙烯酰胺将减少约一半。尽管在该套试验中，添加半胱氨酸未显示出能进一步降低丙烯酰胺的含量，然而在具有烤干酪辣味玉米片中，仅有氯化钙和柠檬酸就能将产生的丙烯酰胺从80.5降至54ppb。
图8图示与上表相同的数据。对于试验中的每一类型的玉米片(例如：普通玉米片，对照组)，双线条802显示丙烯酰胺的结果。对于每类玉米片来说，第一个试验中丙烯酰胺的结果802a显示在左侧，第二个试验的丙烯酰胺的结果802b显示在右侧。两个丙烯酰胺结果用标记标定在图表的左侧上。单一的含水量以位于丙烯酰胺图表上面的点804表示，并且用标记标定在图表的右侧上。
完成上述试验后，同样利用含有两种不同含量的还原糖的马铃薯薄片，对合成马铃薯片进行类似试验。为将玉米片试验中使用的浓度转化为合成马铃薯片的浓度，全部的马铃薯薄片，马铃薯淀粉，乳化剂和添加的糖都被看做固体。调节氯化钙，柠檬酸和半胱氨酸的含量，得到了与玉米片中相同的重量百分比浓度。然而，在该试验中，当使用的氯化钙和柠檬酸含量较高时，也可使用较高含量的半胱氨酸。另外，使用氯化钙与磷酸的组合与有和无半胱氨酸对试验中还原糖含量较低的部分进行比较。该结果显示在表19中。
由此可以看出，在具有1.25％还原糖的马铃薯薄片中，上述第一含量的氯化钙，柠檬酸和半胱氨酸的组合可将生成的丙烯酰胺从1290ppb降至594ppb，小于对照组数据的一半。利用较高量的试剂的组合可将生成的丙烯酰胺含量降低至306ppb，小于对照组含量的一半。
利用相同的马铃薯薄片，仅有磷酸和氯化钙就能将生成的丙烯酰胺含量从1290降至366ppb，而磷酸和氯化钙中添加少量的半胱氨酸可将生成的丙烯酰胺含量进一步降低至188ppb.
最后，在具有2％还原糖的马铃薯薄片中，添加氯化钙，柠檬酸，和半胱氨酸可将生成的丙烯酰胺含量从1420ppb降低至665ppb，小于对照组含量的一半。
表19：半胱氨酸与氯化钙/酸对马铃薯片中生成的丙烯酰胺量的影响
图9图示该试验的结果。显示了首先根据还原糖的含量进行分组，然后根据添加的能降低丙烯酰胺的试剂的含量进行分组的结果。如上述图表，表示丙烯酰胺含量的线条902根据图表左侧上的标记进行标定，而表示含水量的点904根据图表右侧上的标记进行标定。
上述试验显示不必单独使用能降低丙烯酰胺的试剂，而是可以结合使用以获得附加的效果。这种附加的效果可用于不断降低食品中丙烯酰胺含量，或在对这些食品的质地味道不产生明显变化的情况下实现降低丙烯酰胺含量。尽管特定实施例已公开显示氯化钙与柠檬酸，或磷酸的组合以及它们与半胱氨酸的组合，本领域的普通技术人员应该意识到这些组合可以使用其它钙盐，其它二价或三价阳离子的盐，其它食品级酸，以及任何已证实能降低最终食品产品中的丙烯酰胺含量的其它氨基酸。另外，尽管这里用马铃薯片和玉米片来证明，本领域的普通技术人员应该理解，这些试剂的组合同样可用于其它可生成丙烯酰胺的合成食品食品，例如饼干，脆饼等。
在马铃薯薄片的制造过程中添加的用以降低生成的丙烯酰胺含量的试剂
添加氯化钙和酸已证实可降低由马铃薯薄片制备的油炸和烘培快餐食品中的丙烯酰胺含量。人们确信酸的存在通过降低pH可达到其效果。目前尚不知道氯化钙是否干扰羧基的脱除，或随后氨基从游离天冬酰胺脱除，从而生成丙烯酰胺。氨基的脱除看来要求高温，其通常在快餐脱水结束时发生。已证实在水存在时在低温下发生羧基的脱除。
马铃薯薄片可利用水和水蒸汽蒸煮制成(通常)，或仅用水蒸汽烹制(这样从马铃薯的外露面滤出的较少)。烹制好的马铃薯接着被捣碎，并烘干。马铃薯薄片的分析显示薄片内具有较低的丙烯酰胺含量(小于100ppb)，尽管由这些薄片制成的产品可能具有较高的丙烯酰胺含量。
理论上讲，如果用酸降低面团的pH值，或向面团添加氯化钙来干扰羧基的脱除，那么在薄片的生产加工期间，加入这些添加剂可能(a)减少羧基脱除，因此在快餐食品脱水期间，可降低胺基脱除的比率，或者(b)不管什么机理，只需确保加入的添加剂较好的分布于面团中即可，所述面团经脱水成快餐食品。如果发生这两种情况，前者将可能比后者对生成的丙烯酰胺含量带来更大的影响。
另一个可能降低合成食品中丙烯酰胺的生成的添加剂是天冬酰胺酶。已知天冬酰胺酶能将天冬酰胺分解成天冬氨酸和氨。在由切片马铃薯制成马铃薯片时，尽管不可能利用该酶，然而通过烹制和捣碎马铃薯(食品配料)制马铃薯片的过程破坏了细胞壁，从而提供了天冬酰胺酶起作用的机会。在优选的实施例中，以纯食品级天冬酰胺酶的形式，向食品配料添加天冬酰胺酶。
本发明人设计下列试验，以研究在制造马铃薯薄片期间，添加的不同试剂在降低由马铃薯薄片制成的食品中生成的丙烯酰胺含量的有效性。
I.在制马铃薯薄片中使用的氯化钙和磷酸
设计一系列试验评估当制马铃薯薄片生产期间添加氯化钙和/或磷酸时丙烯酰胺的降低含量。当在制面团的后期添加添加剂时，该试验还用来证明这些添加剂是否具有相同的影响。
该试验中，马铃薯包括20％的固体，和1％的还原糖。马铃薯烹制16分钟，并和添加的配料一起被捣碎。所有批具有13.7克乳化剂和0.4克柠檬酸。六批中的四批所添加的磷酸为两种含量(马铃薯固体的0.2％和0.4％)中的一种，并且这四批中的三批所添加的氯化钙为两种含量(马铃薯固体重量的0.45％和0.90％)中的一种。马铃薯干燥后，被磨成指定大小的薄片，进行各种测量，并且将每批制成面团。该面团使用4629克的马铃薯薄片和马铃薯淀粉，56克的乳化剂，162毫升液态蔗糖和2300毫升水。另外，其中两批在制薄片期间不含磷酸或氯化钙，这两批在制面团时含有指定量的添加剂。将面团卷成0.64mm厚，切成片，并在350℉油炸20秒。下表20显示了这些不同批次试验的结果。
表20：向薯片或面团中添加氯化钙/磷酸对生成的丙烯酰胺含量的影响
如以上结果和图10中的图表所示，当仅添加磷酸制造薄片时，试验C中的丙烯酰胺含量最高，而当氯化钙和磷酸组合使用时，生成丙烯酰胺的含量最低。
II.在制马铃薯薄片中使用天冬酰胺酶
天冬酰胺酶是一种将天冬酰胺分解成天冬氨酸和氨的酶。由于天冬氨酸不会生成丙烯酰胺，因此本发明人推论当加热马铃薯薄片时，天冬酰胺酶处理可降低生成的丙烯酰胺含量。
这里进行以下试验。在金属干平底锅中将两克的标准马铃薯薄片与35毫升的水混合。盖好平底锅，并在100℃加热60分钟。冷却后，添加5毫升的水中含有250单位的天冬酰胺酶，该天冬酰胺酶的含量明显多于所需的计算量。对照组是将马铃薯薄片和5毫升不含酶的水混合。含有天冬酰胺酶的马铃薯薄片在室温保持一个小时。经酶处理后，马铃薯薄片浆在60℃干燥一夜。盖好装有干燥马铃薯薄片的平底锅，并在120℃加热40分钟。通过气相色谱分析，溴化衍生物的质谱分析测量丙烯酰胺含量。对照组马铃薯薄片含有11，036ppb的丙烯酰胺，而经天冬酰胺酶处理的薄片含有117ppb的丙烯酰胺，降低超过98％。
在第一个试验后，研究了添加天冬酰胺酶前烹制马铃薯薄片和水对于该酶发挥作用是否是必须的。为验证该情况，进行如下试验：
马铃薯薄片用四种方式中的其中一种进行预处理。在四组中的每一组中，将2克的马铃薯薄片与35毫升的水混合。在对照组的预处理组(a)中，马铃薯薄片和水混合生成糊状。在组(b)中，马铃薯薄片通过Bio均化器M133/1281-0快速地匀浆在25毫升水中，并与另外10毫升去离子水混合。在组(c)中，马铃薯薄片和水混合，加盖，并在60℃加热60分钟。在组(d)中，将马铃薯薄片和水混合，加盖，并在100℃加热60分钟。对于每一预处理组(a)，(b)，(c)和(d)，将马铃薯薄片分成两部分，其中预处理组的一半用天冬酰胺酶处理，而另一半是不添加天冬酰胺酶的对照组。
通过在40毫升的去离子水中溶解1000个单位，制备天冬酰胺酶溶液。该天冬酰胺酶来自于Erwinia chrysanthemi，Sigma A-2925EC3.5.1.1。在每个试验马铃薯薄片浆(a)，(b)，(c)和(d)中添加5毫升的天冬酰胺酶溶液(5mL)。在对照组马铃薯薄片浆(a)中添加5毫升的去离子水。所有马铃薯浆在室温保留一个小时，并重复进行所有试验。将含有马铃薯浆的无盖平底锅在60℃干燥一夜。给平底锅加盖后，马铃薯片在120℃加热40分钟。通过气相色谱分析，溴化衍生物的质谱分析测量丙烯酰胺含量。
如下表21所示，经天冬酰胺酶处理可降低所有预处理生成丙烯酰胺的含量的98％以上。在加酶前，既匀浆或加热马铃薯薄片都不能增加天冬酰胺酶的作用。在马铃薯薄片中，天冬酰胺接近天冬酰胺酶，从而不需要处理来进一步破坏细胞的结构。值得注意的是，用于处理马铃薯薄片的天冬酰胺酶的含量大大过量。如果马铃薯薄片含有1％的天冬酰胺，那么向2克马铃薯片中添加125单位的天冬酰胺酶，1小时后约有50倍的酶过量。
表21：预处理的马铃薯薄片对天冬酰胺有效性的影响
设计另一组试验用来评估制马铃薯薄片期间添加天冬酰胺酶是否可降低由该薄片制成的烹制产品中的丙烯酰胺含量，并且对用于制造薄片的马铃薯泥缓冲为酶活性(例如，pH＝8.6)的优选pH是否可增加天冬酰胺酶的有效性。该缓冲利用氢氧化钠溶液进行，其通过将4克氢氧化钠添加到1升水中制成0.1摩尔的溶液。
两批马铃薯薄片作为对照组，其中一批被缓冲而另一批没有被缓冲。将天冬酰胺酶添加到另外两批马铃薯薄片中；同样其中一批被缓冲，另一批没有被缓冲。该天冬酰胺酶从Sigma化学公司购得，并且以水和酶比为8：1的比率与水混合。对于添加了天冬酰胺酶的两批中，添加酶后的马铃薯泥保持40分钟，在有盖的容器内可使马铃薯泥脱水最少并在约36℃保持。接着马铃薯泥在滚筒式干燥器上加工以制成薄片。根据上述内容，马铃薯薄片可用于制造马铃薯面团。其结果显示在下表22中。
表22：天冬酰胺酶和缓冲作用对马铃薯片中的丙烯酰胺含量的影响
测量未经缓冲的对照组未经缓冲的天冬酰胺酶经缓冲的对照组经缓冲的天冬酰酶含水量1.561.531.681.61油22.7423.1221.7721.13颜色-L61.2460.7057.2457.35颜色-A6.579.305.047.52颜色-B28.9528.2927.1227.41丙烯酰胺ppb768541199111
如表22所示，添加不含缓冲液的天冬酰胺酶可将最终马铃薯片中产生的丙烯酰胺含量从768降低至54ppb，降低93％。看来缓冲液的使用没有对丙烯酰胺的生成产生预期的影响；反而缓冲溶液的使用在对照组和天冬酰胺酶的试验中都生成了大量的丙烯酰胺。尽管如此，天冬酰胺酶将丙烯酰胺量从1199降低至111PPb，降低91％。图11以图表的方式显示了表22的结果。如上述附图，线条1102表示每一试验的丙烯酰胺含量，它根据图表左侧的标记进行标定，而点1104表示马铃薯片中的含水量，它根据图表右侧的标记进行标定。
再对样品进行试验以检查游离天冬酰胺，以确定酶是否有活性。该结果显示在下表23中。
表23：测试经酶处理的薄片中的游离的天冬酰胺
未经缓冲的对照组未经缓冲的天冬酰胺酶经缓冲的对照组经缓冲的天冬酰胺酶游离天冬酰胺1.710.0612.550.027果糖<0.01<0.01<0.01<0.01葡萄糖<0.02<0.02<0.02<0.02蔗糖0.7980.8280.7200.322
在未缓冲组中，添加天冬酰胺酶可将游离天冬酰胺从1.71降至0.061，降低96.5％。在缓冲组中，添加天冬酰胺酶可将游离天冬酰胺从2.55降低至0.027，降低98.9％。
最终，在模型系统中对每组的样品薄片进行评估。在该模型系统中，每个样品的少量薄片与水混合，生成接近50％的薄片水溶液。将该溶液在试管内在120℃加热40分钟。然后对样品进行丙烯酰胺生成的分析，其结果显示在表24中。每类的重复试验的结果并排显示。在该模型系统中，向未经缓冲的薄片中添加天冬酰胺酶会将生成的丙烯酰胺的平均含量从993.5ppb降低至83ppb，降低91.7％。向经缓冲的薄片中添加天冬酰胺酶会将生成的丙烯酰胺的平均含量从889.5ppb降低至64.5ppb，降低92.7％。
表24：天冬酰胺酶的模型系统对丙烯酰胺含量的影响
将迷迭香萃取物添加到炸制油中
在单独试验中，检测向合成马铃薯片的炸制油中添加迷迭香萃取物对生成丙烯酰胺的影响。在该试验中，等量的合成马铃薯片或放在没有添加剂(对照组)的油中炸制，或放在具有迷迭香萃取物的油中炸制，其中以四种量的其中一种含量添加迷迭香萃取物：百万分之500，750，1,000或1500。下表25给出了试验结果。
表25：迷迭香对丙烯酰胺含量的影响
迷迭香含量ppm005007501,0001,500含水量％2.582.642.6丙烯酰胺ppb1210105784077512111608
该对照组马铃薯片中的丙烯酰胺的平均量是1133.5ppb。向炸制油中添加百万分之500的迷迭香可将丙烯酰胺的含量降低至840，降低26％，而向炸制油中添加百万分之750的迷迭香可将生成的丙烯酰胺的含量进一步降低至775，降低31.6％。然而，迷迭香增至百万分之1000时对生成的丙烯酰胺含量没有影响，而迷迭香增至百万分之1500时，会使生成的丙烯酰胺含量增加至百万分之1608，增加41.9％。
图12表示迷迭香试验的图示结果。在前述实例中，线条1202表示丙烯酰胺的含量，并且在图表的左侧上标定其刻度，而点1204表示薯片中的含水量，并且在图表的右侧上标定其刻度。
公开的试验结果增进了对在热加工合成食品中所使用的能降低丙烯酰胺试剂的进一步了解。二价和三价阳离子以及氨基酸已显示对热加工合成食品中产生的丙烯酰胺含量的降低是有效的。这些试剂可单独使用，然而也可相互结合使用或与酸结合使用，以增强其有效性。使用组合的试剂可进一步减低热加工食品中产生的丙烯酰胺，其中可使用单独的试剂或组合的试剂，在不破坏食品味道和质地的情况下，可降低生成的丙烯酰胺。天冬酰胺酶经试验已被证明可作为一种有效的能降低合成食品中丙烯酰胺的试剂。该试验还显示，这些试剂不仅向合成食品的面团中添加是有效的，而且这些试剂还可添加到中间产品，例如制造过程期间的干燥的马铃薯薄片或其它干燥的马铃薯产品。添加到中间产品中的试剂的效果与那些添加到面团中的效果相同。
尽管参考多个实施例已具体显示和描述了本发明，本领域的技术人员应该理解，在没有脱离本发明的实质和保护范围的情况下使用氨基酸添加剂降低在热加工食品中的丙烯酰胺含量可以有各种其它的方法。例如，尽管该方法已经公开用在马铃薯产品和玉米产品中，该方法也可用在由大麦，小麦，黑麦，稻，燕麦，小米和其它基于淀粉的谷类，和其它含有天冬酰胺和还原糖的食品中，例如甘薯，洋葱，其它蔬菜制成的食品产品的加工中。另外，该方法已证实可用于马铃薯片和玉米片，然而本发明还可用在其它类型的合成食品产品中，例如其它类型的快餐片，谷类，饼干，脆饼干，硬脆饼干，面包，面包卷，粘滚上面包屑的油炸肉面包。