食品中天然苯甲酸和丙酸本底分析及溯源研究进展

Research Progress in Background Analysis and Traceability of Natural Benzoic Acid and Propionic Acid in Food

摘要: 食品中的苯甲酸和丙酸除了人为添加外，还在一些食品中天然存在，但目前对于食品中天然苯甲酸和丙酸的本底分析及溯源研究较少。本文重点介绍了天然苯甲酸和丙酸在食品中的含量分析和形成机制。天然苯甲酸存在于红枣等食品中，形成的机制主要有苯丙氨酸代谢途径、马尿酸水解途径、苯甲醛氧化途径。天然丙酸存在于发酵乳等食品中，形成的机制主要为丙酸酮的生成途径。随着对食品中天然苯甲酸和丙酸研究的深入，将有助于更科学、更有效地对食品安全进行综合判定，有利于更高效、准确地对食品进行监管。

Abstract: Besides being artificially added, benzoic acid and propionic acid in food are also naturally present in some foods. However, there is currently limited background analysis and traceability research on natural benzoic acid and propionic acid in food. This article focuses on the content analysis and formation mechanism of natural benzoic acid and propionic acid in food. Natural benzoic acid exists in foods such as red dates, and its formation mechanism mainly includes phenylalanine metabolism pathway, hippuric acid hydrolysis pathway, and benzaldehyde oxidation pathway. Natural propionic acid exists in foods such as fermented milk, and the formation mechanism is mainly the formation of propionic acid ketone. With the deepening of research on natural benzoic acid and propionic acid in food, which will help to comprehensively judge food safety more scientifically and effectively, and facilitate more efficient and accurate food supervision.

1. 引言

苯甲酸别名安息香酸，属于芳香酸类，具有芳香性及羧酸的性质[1]。目前，苯甲酸及其钠盐是国际上在食品领域中用量最大、应用最广的防腐剂[2]。苯甲酸能有效地抑制酵母、霉菌的生长，也能有效地阻止黄曲霉、单增李斯特氏菌等一些病原体的滋长[3]。因此，苯甲酸能够抑制许多因细菌引起的食物腐败现象，可有效防止食品腐烂与变质，从而保持食物新鲜[4]。GB 2760-2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》中对醋、酱油等22种工业加工食品中苯甲酸及其钠盐进行了规定，其限量范围为0.2~2.0 g/kg (以苯甲酸计)，其他食品中不得添加/不得使用苯甲酸及其钠盐。世界卫生组织(WHO)和FAO (联合国粮农组织)在1994年建议苯甲酸的ADI值(每日人体每公斤允许摄入量)应控制在0~5 mg/kg。

丙酸(propanoic acid)，又称初油酸，是一种短链饱和脂肪酸，对微生物增殖及杀灭具有一定的作用[5]。丙酸钠/钙盐作为防腐剂在食品工业生产中应用广泛，由于其安全性和可靠性，是联合国粮农组织(FAO)和WHO批准使用的食品防腐剂[6] [7]。GB 2760-2014中规定了生湿面制品等8种加工食品中丙酸及其钠盐、钙盐的最大使用量，范围为0.25~50 g/kg (以丙酸计)，其他食品中不得添加丙酸及其钠盐、钙盐作为防腐剂。丙酸及其盐类的安全性优于苯甲酸[6]，WHO和FAO未对其ADI作出限制性规定。

2. 食品中天然苯甲酸的本底分析

红枣作为一种干果资源，在我国山东、山西等省份种植面积大，属于食药同源，富含糖类、氨基酸、环腺苷酸、维生素等多种功能性成分[8] [9]。侯树娟等[10]以山西省的枣叶片、枣花及枣果实样本为材料，对其不同的生长时期进行了天然苯甲酸的含量测定。天然苯甲酸在枣花和枣叶中含量极低或未检出，而在枣果中大多数只有果实发育的中后期才可以检测出苯甲酸。所有枣果样本中苯甲酸含量为痕量~7.75 mg/100 g DW (干重)。李晓等[11]对陕西产区的146批枣类样品进行了苯甲酸的含量测定，枣类样品中天然苯甲酸的含量大多低于50 mg/kg，较少超过100 mg/kg。这些结果进一步表明了红枣中含有天然苯甲酸，在红枣果实发育初期是没有苯甲酸检出的，一般在生育期就开始形成天然苯甲酸，随着果实成熟而逐渐增加。

牛奶作为一种营养丰富的饮品，国内牛奶的消费体量呈现出逐年增长趋势，市场容量已超过1000亿美金。根据GB 2760-2014的规定，在乳制品中不得使用苯甲酸，但牛奶及其制品中会有少量苯甲酸的检出。马景友等[12]的研究结果表明，原料乳中苯甲酸含量在1 mg/kg左右，而原料乳中马尿酸的含量较高，乳酸菌等微生物可将马尿酸转化形成苯甲酸，可达到7.6 mg/kg。王伟佳等[13]研究了发酵乳中不同含量的全脂乳粉、发酵时间、乳酸菌种类、发酵温度、pH等因素对天然苯甲酸产生的影响。对12个不同品牌的发酵乳中苯甲酸进行了检测，苯甲酸的含量范围为0.73~7.373 μg/mL。天然苯甲酸在牛奶及其制品中普遍存在，但在国标中苯甲酸不允许在牛奶及发酵乳中使用，这也直接影响着乳企和食品检测行业。过量摄入苯甲酸对婴幼儿、儿童和肝功能较差的老人带来一定的风险和负担，因此，如果能对苯甲酸产生的原因和条件进行深入探究，从而降低发酵过程中天然苯甲酸的产生。

黄酒是使用稻米等粮谷为原材料，经加曲等工艺酿造成的发酵酒。黄酒是我国的民族特产，是世界上三大古酒之一[14]。肖潇等[15]对黄酒中天然苯甲酸进行了调查与溯源分析，共测定231份黄酒样品，黄酒中苯甲酸的检出率为99.13%，含量范围为未检出~37.00 mg/L，平均值为2.28 mg/L。黄酒中苯甲酸的检出率较高，其含量较低，通过暴露评估，成年人饮食黄酒或苯甲酸的暴露风险较低。

酱油是使用大豆等原材料，通过微生物发酵酿造而成的调味品。酱油作为一种传统的调味品，酱油在亚洲国家被广泛使用[16]。李国辉等对酱油样品中的天然苯甲酸进行了调查，共检测48份酱油原油、零添加酱油和预售品，苯甲酸的检出率为100%，含量为7.52~17.09 mg/kg，平均值为12.72 mg/kg。酱油作为我国居民苯甲酸膳食摄入的主要来源，其品质直接影响着居民的健康，通过天然苯甲酸的合成途径及变化规律，从而支撑酱油企业健康有序发展。

蜂蜜是蜜蜂采集植物花蜜或植物活体部位的分泌物转化而成的有机甜味物质，含有丰富的果糖和葡萄糖，也含有维生素、矿物质等数百种生物活性物质[17]。蜂蜜样本中天然苯甲酸含量与原料区域、蜂蜜品种、储存条件储存时间等因素相关，中国蜂业协会在2016年收集了160批的蜂蜜原料和成品，苯甲酸的检出率超过85%，检出范围为0~16 mg/kg，其中，油菜蜂蜜中苯甲酸的检出率为100% [18]。

豆豉是以大豆为主要原料，经蒸煮、制曲、发酵，酿制而成的呈干态、半干态或稀态颗粒状的制品。唐文强等[19]以豆豉为研究对象，对其发酵生产过程中天然苯甲酸含量变化进行了研究，并确定了苯甲酸的代谢途径，可能通过丙氨酸降解和苯甲酸氧化生成。发酵30天后豉曲外部的苯甲酸由13.5 ± 1.30升高至31.6 ± 1.33 mg/kg，内部的苯甲酸由6.1 ± 1.33升高至30.1 ± 1.87 mg/kg。天然苯甲酸的产生和原料息息相关，同时发酵温度等因素影响着微生物的生长代谢，从而影响着天然苯甲酸的产生。

除上述食品外，其他食品同样也存在微量天然苯甲酸。林长虹等[20]建立了一种固相萃取–液相色谱法，分别测定小麦粉、小麦原粒、鸡骨草、枸杞、龟苓膏和胡椒中微量天然苯甲酸的含量，其含量分别为0.4~2.2 mg/kg、0.5~1.0 mg/kg、0.35~1.3 mg/kg、0.26~0.42 mg/kg、0.2~1.6 mg/kg、0.22~0.8 mg/kg。

目前，食品中天然苯甲酸有着比较多的来源，一些植物在产生其他化合物的过程中，就会有苯甲酸的产生。此外，苯甲酸主要来源于微生物的发酵过程，作为食品的风味发酵物质之一。GB 5009.28-2016《食品安全国家标准 食品中苯甲酸、山梨酸和糖精钠的测定》作为我国食品中唯一的强制执行的检测苯甲酸的标准，对苯甲酸的检出限为0.005 g/kg，定量限为0.01 g/kg。植物源性食品中的天然苯甲酸作为一种天然合成的产物，其含量一般低于GB 5009.28-2016的检出限。而干制品或者发酵食品则可能会高于GB 5009.28-2016的检出限或定量限，这其中有一部分在GB 2760-2014是不得使用苯甲酸。

3. 食品中天然丙酸的本底分析

发酵乳是通过特定微生物作用于原料乳制成的酸性乳制品[21]。陈永福等[22]利用高效液相色谱技术，对40个发酵乳样本中柠檬酸等7种有机酸含量进行了测定，发酵乳中含量较高的为乳酸，其次是柠檬酸和乙酸，以及其他痕量的有机酸，如琥珀酸、甲酸、丙酸和苹果酸，由于丙酸含量较低，未能进行定量分析。

食醋利用微生物发酵技术，单独或用各种含糖的物料、淀粉、食用酒精为原料，酿造的一种调味品。食醋在我国拥有悠久的酿造历史，富含营养，具有降血糖、降血脂等有益于健康的功能[23]。李永丽等[24]检测了129份食醋中丙酸的含量，78份样品检出丙酸，范围为0.004~2.451 g/kg。同时分析不同工艺、不同产地食醋中丙酸的含量规律，提出陈醋、麸醋、米醋和香醋、液态发酵食醋中丙酸本底的建议值分别为0.3 g/kg和0.1 g/kg。

葡萄酒是以葡萄或葡萄汁为原料，全部或部分发酵酿制的有一定酒精度的发酵酒。葡萄酒是世界上人民最喜爱的酒精饮料之一，葡萄酒的风格和品质主要取决于葡萄品种和酿造工艺等[25]。杨春霞等[26]利用离子色谱分析了葡萄酒中9种有机酸含量，其中丙酸的含量为22.0 mg/L。

腌渍蔬菜是我国传统的蔬菜制品，以其众多的品种和独特的风味，深受人民的喜爱[27]。谭阳阳等[28]对沙参等四种出口较大的腌渍蔬菜中的丙酸进行了研究，讨论了腌渍过程中腌渍温度(4℃, 25℃, 37℃)、腌渍时间(0天、60天、120天、180天、240天、300天、360天)和腌渍食盐浓度(6%、12%、18%、24%)对产生丙酸的影响。在25℃腌渍沙参等样品时，储存360天能够检出丙酸，含量为0.0377 g/kg，沙参样品在腌渍食盐浓度为24%时，在储存300天时能够检出丙酸，含量为0.0351 g/kg。

臭豆腐是中国特色传统小吃之一，深受人民的喜爱。嵇晨等[29]对臭豆腐中检出的丙酸进行了系统的研究，发现丙酸为自然发酵过程中微生物产生，而非人为添加，不同的卤水中产生丙酸菌的种类和丰度不同，最后臭豆腐中的丙酸含量也会呈现显著差异。发酵前豆腐胚中的丙酸含量约为0.026 mg/g，经发酵后，成品臭豆腐中丙酸的含量可达到1.32 mg/g。

除上述发酵食品外，大量的研究人员使用气质联用仪，通过与NIST11标准谱库等进行检索，在辣椒酱[30]、牡蛎[31]、面包[32]、啤酒[33]、调味酒[34]等食品中检出痕量丙酸的情况，为该食品的风味挥发性成分。

GB 5009.120-2016《食品安全国家标准 食品中丙酸钠、丙酸钙的测定》中丙酸的检出限为0.03 g/kg，定量限为0.10 g/kg，除食醋和臭豆腐食品外，其余食品中天然丙酸的含量均低于该标准的检出限或定量限。因此，居民膳食摄入天然丙酸的风险较低。

4. 天然苯甲酸的形成机制

4.1. 苯丙氨酸代谢形成苯甲酸途径

苯丙氨酸通过苯丙氨酸解氨酶(PAL)的催化作用，生成反式肉桂酸(trans-cinnamic acid)，反式肉桂酸转化生成苯甲酸有两种可能的途径。CoA依赖型β氧化途径(beta-oxidation)：肉桂酸活化形成肉桂酸-CoA，CoA酯结构上的羟基水化形成3羟基-3苯丙酰CoA，然后经反向克莱森(Clayson)反应裂解得到β-酮硫酯，进一步形成苯丙酰CoA，该物质为苯甲酸合成的前体物质之一。CoA独立型非β氧化途径(non beta-oxidation)：由游离酸水合形成3-羟基苯丙酸，反向羟醛的反应后侧链降解生成苯甲醛，再经氧化得到苯甲酸[35]。丙氨酸代谢形成苯甲酸如图1(A)所示。

4.2. 马尿酸水解形成苯甲酸途径

马尿酸作为食植动物自身代谢的一种副产物，乳酸菌等微生物产生的马尿酸水解酶可以将马尿酸转化为甘氨酸和苯甲酸。牛奶在15℃时苯甲酸和马尿酸的含量为负相关，苯甲酸含量迅速增加，马尿酸的含量急速下降[12]。牛奶中苯甲酸的含量与其原料奶中马尿酸的含量、工业生产中生产工艺和使用微生物的种类息息相关[36]。丙氨酸代谢形成苯甲酸如图1(B)所示。

Figure 1. Formation mechanism of natural benzoic acid

图1. 天然苯甲酸的形成机制

4.3. 苯甲醛氧化形成苯甲酸途径

苯甲醛、苯乙酸及其氧化物等物质为苯甲酸的主要前体物。干酪中有较高含量的苯甲醛，容易在空气中氧化形成苯甲酸[37]。苯甲醛氧化形成苯甲酸的途径如图1(C)所示。

5. 天然丙酸的形成机制

丙酸酮生成丙酸的途径主要有两种，一是食品发酵过程中，还原糖在丙酸菌、霉菌、细菌等作用下发酵生成丙酮酸，丙酸菌可以将丙酮酸转化生成富马酸，富马酸通过代谢后形成丙酸。二是食品中的L-丙氨酸、L-丝氨酸等游离氨基酸通过转氨基和脱氨基反应形成丙酮酸，丙酮酸可以在丙酸菌的转化下生成丙酸[38] [39]。

6. 讨论

苯甲酸和丙酸在食品工业中发挥着重要的作用，国家食品安全标准对防腐剂的控制越来越严，同时超标、超范围地使用食品添加剂的情况经常发生，严重制约着食品行业的快速发展，影响人民群众的身体健康。但是，食品中存在的苯甲酸和丙酸成分可能不是人为添加，而是食物本身的风味物质。天然苯甲酸和丙酸在食品中广泛存在，在我国的食品标准体系中，仅在GB/T 15037-2006《葡萄酒》中规定了苯甲酸的含量 ≤ 50 mg/L，其他的食品安全标准或食品产品标准并没有对苯甲酸和丙酸的本底范围进行规定或说明，这严重制约着含天然苯甲酸和丙酸食品的行业发展，同时也困扰着食品安全监管机构。随着国内对于食品中天然苯甲酸和丙酸的食品种类以及产生机制的深入研究，人们对食品中苯甲酸和丙酸的认识将更加地客观和理性，也有利于相关食品安全标准、产品标准的制修订。

基金项目

云南省市场监督管理局科技计划项目(2023YSJK03)。

NOTES

^*通讯作者。