硝酸盐、亚硝酸盐、亚硝胺:最新研究与防腐剂的历史
最近我了解到,所有食品添加剂会定期进行系统评估。之前的研究结果会不断更新,偶尔会重新审视可接受每日摄入量(ADI)。在欧洲食品安全局(EFSA)再次审查亚硝酸盐(E 249-250)和硝酸盐(E 251-252)的背景下,我终于理清了这些防腐剂。在这篇综述中,我将客观描述亚硝酸钠和硝酸盐的好处和危害——这两种被妖魔化的防腐剂的优缺点,以及从长期健康后果的角度来看它们的风险。
如果不想看太多文字,文章最后有简明的要点总结。
本文基于证据科学和医学的数据。参考文献、链接和来源翻译将在文章末尾列出。
为什么食品中添加硝酸盐和亚硝酸盐?
亚硝酸盐和硝酸盐盐被添加到肉类产品中作为防腐剂和抗菌剂,以防止产生肉毒杆菌毒素等危险病原体。此外,E-250的添加还赋予了产品特有的味道和颜色。
为什么选择肉类? 肉毒梭状芽孢杆菌的理想环境是缺氧、温暖和潮湿的。例如,在香肠或腌制食品中。值得一提的是,由于添加了亚硝酸盐,过去50年中的工业肉制品在肉毒毒素中毒事件的来源中排在最后,而家庭自制腌制蘑菇则位居榜首。
处理过的肉类所呈现的粉红色是肌红蛋白与添加的亚硝酸盐反应的结果:亚硝酸盐生成的一氧化氮与肌红蛋白反应,形成另一种形式:亚硝基血红素。
不仅仅是“医生腊肠”。硝酸盐和亚硝酸盐的真实来源
蔬菜和饮用水是饮食中硝酸盐的主要来源, 而添加的防腐剂仅占总量的不到5%。水中的硝酸盐是微生物通过氧化土壤中的氨而产生的。氨的来源主要包括腐烂植物、粪便、汽车废气沉积物和燃烧产品,以及氮肥。
尽管氮肥的使用正在减少,但地下水中的硝酸盐水平并没有下降。显然,硝酸盐并不是污染的主要来源。顺便说一句,自来水中的硝酸盐通常比私人水井和水槽中含量要低得多。
一种均衡的饮食,富含绿叶蔬菜,可能大大超过硝酸盐的标准,这是正常的。
值得注意的是,蔬菜中的亚硝酸盐在贮存期间会增加,因为硝酸盐转化为亚硝酸盐(NO3失去一分子氧 -> NO2),而在肉制品中则相反,亚硝酸盐会减少,转化为一氧化氮(NO)。有关更多细节,请参阅化学部分。
对这两种重要添加剂的态度并不一致——媒体对防腐剂的恐惧情绪不断加剧,并不是每个人都愿意深入研究这一问题。
蔬菜和水果中的硝酸盐
绿叶蔬菜每公斤新鲜蔬菜中可以含有超过1000毫克的硝酸盐。最主要的蔬菜包括:西芹、生菜(3500毫克/公斤)、甜菜、菠菜(高达4259毫克/公斤)、芝麻菜和瑞士甜菜。浓度取决于种植地区、季节、施肥情况和植物品种。相比之下,处理过的肉类产品含有的硝酸盐在0.2到450毫克每公斤之间。
有关食品中硝酸盐含量的更多信息,请参阅“膳食硝酸盐和亚硝酸盐:好处、风险和不断演变的认知”综述中的2.5节(哈萨克文链接在文章末尾);国际癌症研究机构(IARC)第94卷,第46-100页的专著;“硝酸盐和亚硝酸盐的食物来源:潜在健康益处的生理背景”,美国临床营养学杂志 2009 90:1-10 美国营养学会。
举个例子,甜菜汁能降低血压,增强血管健康。让我们看看数据:每天两杯甜菜汁可将收缩压降低5.4至12毫米汞柱;舒张压降低至10毫米汞柱。在这种量的甜菜汁中,含有154%到630%的硝酸盐推荐每日摄入量。杯装有机甜菜汁中的硝酸盐含量高达每日标准的70%至672%;无机甜菜汁则高达142%至1260%。
这些只是数字,硝酸盐的量本身不会告诉我们太多。因此:一些蔬菜和水果中富含的抗坏血酸、初级胺和酚类化合物能抑制一氧化氮(NO,硝酸盐的前体)转化为其他化合物,包括亚硝胺。这一特性已被研究并用来制造安全版的E-250添加剂(后面会详细说明)。
传统日本饮食中每天每公斤体重平均含有18.8毫克硝酸盐,而ADI的标准为3.7毫克/公斤。对那些在临床监测下接受日本饮食的欧洲人的研究结果显示,舒张压平均降低了5个单位。
“含硝酸盐"的植物是均衡饮食的一部分,食品工业并没有创造新东西,但成功地控制了天然防腐剂的负面特性。
关于各类仪器,即所谓的“硝酸盐测定仪”,请参阅 俄罗斯消费者保护局 。
营销悖论:西芹代替防腐剂
在加拿大和美国,热狗中用西芹粉代替E-250的添加剂非常流行——西芹是硝酸盐的自然蓄积者。这些热狗被宣传为比含有化学合成防腐剂的更健康。
选择“绿色”产品的消费者购买菠菜、西芹、甜菜汁,却并未意识到这些蔬菜含有他们在处理过肉类产品中所避免的相同化学成分(其数量远高于“化学”添加剂-防腐剂的标准)。
西芹盐或西芹粉是超高亚硝酸盐替代E-250的成分,显著提高了产品价格。
美国农业部严格规定“有机”及“天然”标志产品的成分——不得含有合成成分。但是为了使产品保持美味、美观和安全,仍然需要添加防腐剂和色素……以西芹粉或美洲黑樱桃(使色泽合适)形式,与能将硝酸盐转化为亚硝酸盐的细菌培养物混合。最终,所谓的有机产品的防腐剂浓度不得低于非有机产品,才能进入市场。
硝酸盐和亚硝酸盐的历史:从公元前200年到今
早在5000年前,人们就开始腌制肉类,但关于硝酸盐的使用最早证据来自公元前200年的罗马人(希腊诗人荷马在公元前850年也有相关记载)。罗马人向希腊人学习了腌制肉类,但他们首次注意到某些来源的蒸发盐会导致肉类呈现出浓烈的粉红色,并增强了肉的香气。
直到后来,盐中的“污染物”才被识别为硝酸钾(以前被称为硝石)。化学组成由安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)确定。可惜我无法更详细地介绍众多历史事件。 在工业革命之前,硝酸盐仅通过自然来源获得:世界各地的矿藏、尿液、灰烬、蝙蝠粪便、多种有机物和土壤。早在硝酸盐被用于火药之前,它就已被用来腌制肉类和香肠。肉类的储存是一门精确的科学,需要经验和细致,因为消耗品味道和外观的好坏以及消费者的生命都依赖于防腐剂的正确使用。
在那个使用硝酸盐(NO3)作为防腐剂的时代,它转变为亚硝酸盐(NO2)的过程并不总是有效,这导致了防腐效果不足,或者制成品中硝酸盐的含量过高。
对硝酸盐工作的理解出现在19世纪末。1891年,埃德·波伦斯基博士发现某些细菌会使硝酸盐转变为亚硝酸盐。这个观察改变了世界,因为人们意识到正是NO2负责肉类的保存及颜色。当时还展示了对嬴宽梭菌的抑制,这是导致严重肉毒中毒的主要原因。
第一次世界大战带来了变化。军队需要能长时间储存的罐头,但弹药更为重要。在一些国家,出于武器生产的需要,禁止在食品工业中使用硝酸盐,导致肉商转向使用亚硝酸盐(更多历史细节请见 此处 )。
1923年,开始了一系列实验,以确定有效抑制细菌和提高产品质量所需的最低亚硝酸钠水平。随后便开始销售巨大的亚硝酸钠军需储备,或称为“布拉格盐”。至今依然以“Powder Prague”的品牌进行销售。
还有个“阴谋”。早在FDA批准之前,1905年,亚硝酸盐就在美国秘密作为防腐剂添加。
世界卫生组织在1962年首次设定了硝酸盐的ADI。根据FDA的报告,世界卫生组织计算出每公斤体重0.5克亚硝酸钠对大鼠和狗是安全的,因此这一指标被分为100,以确保人类的每日安全摄入量为每公斤体重3.7毫克亚硝酸钠。
对这些防腐剂的现代偏见源于60-70年代,当时动物研究显示了亚硝胺的致癌潜力(关于亚硝胺的单独章节稍后将介绍)。
解决方案终于出现了。在配方中加入了抗氧化剂:维生素E、亚硝酸钠或其异构体抗坏血酸,阻止在肉的热处理过程中形成亚硝胺。尽管如此,媒体因炒作而将对亚硝酸盐的强烈负面看法固定下来,并避免进行反驳。
80年代时,人们认识到氧化氮及其代谢物在多个生理过程中的重要作用,硝酸盐和亚硝酸盐的角色也得到了重新评估。然而,关于“亚硝酸盐致癌”的主题仍然被反复提及,虽然有越来越多的补充物安全性证据,但仍未能说服广大公众。与此同时,肉毒中毒的爆发现象极为罕见,这都要归功于以硝酸盐为基础的防腐剂。
如果你对亚硝酸盐的历史应用感兴趣,可以阅读更多: 硝酸盐和亚硝酸盐 – 他们的历史和功能性 。
氧化氮(NO)、亚硝酸盐和硝酸盐的化学
硝酸盐(NO3)是环境中普遍存在的离子。它由一氧化氮(NO)形成。NO是一种天然化合物,它在体内由氨基酸精氨酸合成,同时也通过食物和水摄入。
硝酸盐和亚硝酸盐是氮循环的一部分,当硝酸盐在细菌和其他过程的影响下失去一个氧分子时,它就会转变为亚硝酸盐。氮循环包括N-亚硝胺、N-亚硝酰胺和其他氮化合物。
氧化氮在生理过程中的作用巨大。NO是一种信号分子,能够轻易穿过细胞膜并与受体蛋白质相互作用,参与细胞中的信息传递。该化合物同时影响多个过程(多效性信号分子)。
氧化氮及其代谢物的作用:
- 调节动脉血压和血流(想想心脏病学中的硝酸盐滴定和硝酸甘油);
- 维持血管的紧张度;
- 阻止血小板粘附;
- 参与神经冲动的传递以及线粒体中的能量过程,在免疫、内分泌系统及视网膜中发挥作用;
- 参与血管缺血后的恢复,并且NO参与血管平滑肌的放松;
- 降低微血管炎症;
- 减轻氧化应激;
- 刺激胃肠道内保护性粘液的生成,提高胃粘膜的血流量;
- 降低2型糖尿病和代谢综合征的风险(目前仅在实验室动物上得到证实)。
- 目前正在研究NO在肝脏和心肌再生中的效应,并探讨其在囊性纤维化、听力器官疾病及丛集性头痛(亚硝酸盐药物的最常见副作用)中的可能联系。
硝酸盐在体内的作用
人类体内的硝酸盐生物合成首次在80年代被描述。研究表明,一氧化氮可以氧化为硝酸盐和亚硝酸盐,后者可以部分恢复为活性NO,并在血液、尿液和组织中被检测到。
部分从水和食物摄入的硝酸盐保持不变地排出体外。口腔中的细菌可以在咀嚼时从食物中捕获部分硝酸盐并转化为亚硝酸盐(6-7%),这部分会通过唾液腺进一步分泌(可达25%)。在唾液中,NO3的水平可以是血浆中的20倍。
我们为什么需要捕获硝酸盐的机制? 有理论和一些支持其的研究表明,这是集中在唾液和口腔的一种免疫形式:饮食中的NO3转化为NO2,能够保护身体免受外部病原体侵袭及那些能够在胃的攻击环境中生存的病原体。此外,来自这种稳定的亚硝酸盐(半衰期5-8小时),身体可以在缺乏情况下随时合成一氧化氮(半衰期从0.05到1.18毫秒)。
摄入食物中的硝酸盐为我们提供了替代的氮源,除此之外还包括精氨酸。顺便提一下关于细菌:餐后漱口可以减少血浆中的亚硝酸盐量,并在老鼠和人类中轻微提高血压。
亚硝酸盐在产后头几天的母乳中含有。实际上,母乳喂养的婴儿每天几乎能获得1毫克/千克体重,这超过了ADI的10倍以上。母乳中的亚硝酸盐在婴儿的微生物群落定植之前保护他们免受致病细菌的影响,并且作为一种一氧化氮的来源,防止缺氧。
体内的炎症过程对化合物的代谢产生影响。感染、寄生虫及自身免疫性炎症性疾病会增加一氧化氮、硝酸盐和亚硝酸盐的生物合成。
胃液中的NO2水平与其酸度直接相关——如果酸度不足,胃中的细菌增长加速,会将NO3还原。随之而来的是一系列复杂的连锁反应,导致硝酸盐水平的升高。感染病原体在肾脏和膀胱中也能出现类似的反应。
一些还原的氮化合物可能增加细胞的突变速度和凋亡,干扰血红蛋白对氧气的捕获。负面效果直接依赖于外部进入体内或通过我们的微生物群合成的硝酸盐的数量。
少量的亚硝酸盐可以转化为一类称为亚硝胺的化合物。一些亚硝胺具有致癌潜力。在IARC的第94卷专著中,第4.1节详细描述了硝酸盐和亚硝酸盐的生物化学和药理学。
在瑞典药理学研究所的出版物《无机和有机硝酸盐作为一氧化氮来源》中描述了硝酸盐在医学上的应用,第1.3.1节。
硝酸盐、亚硝酸盐、亚硝胺与癌症
氮氧化物及其衍生物在癌症发生中的作用已经被积极研究超过50年。亚硝酸盐和硝酸盐本身不会引发癌症,但可以形成致癌的亚硝胺化合物(详见IARC报告第4.3节)。 在2010年,国际癌症研究机构(IARC)将亚硝酸盐归入\ [tooltip tip=“这一类别用于被认为对人类潜在致癌的物质,且对实验动物致癌性证据不足的物质。 “] 2B组 \ [/tooltip \ ]:可能对人类致癌,和“夜间工作”以及“柴油引擎排放”一起被归类。在绝大多数研究中,实验动物通过探针或饮用水暴露于亚硝酸盐。与对照组的比较并未显示肿瘤增长( 报告 IARC)。然而,目前对人类的风险评估是综合了多种亚硝胺来源,而不仅仅是通过食品 - 工作条件、吸烟和其他条件都被一同考虑在内。
FDA考虑了这种潜在影响,并限制了亚硝酸盐的允许最大含量为每百万700部分(0.07%) 1 。此外,添加抗氧化剂(如 红藻酸盐和抗坏血酸,植物在自然中也会利用)可以抑制亚硝胺的形成。
外源性亚硝酸盐对健康构成的风险非常小。 它的主要量是在体内由其他氮化合物合成。对于大多数消费者来说,这就是关于肉类防腐剂安全性所需了解的一切,但何不深入了解一下呢!?科学所了解的所有相关内容都集中在IARC第94卷的2-5节中。
氮化合物对人体的影响因特定催化剂、抑制剂的作用、炎症过程的存在、环境pH、能够从硝酸盐中形成亚硝酸盐和亚硝胺的细菌的数量和种类而异。也许因此,肿瘤的研究常常显示出完全相反的结果(对于类似的实验,已经被开发出特殊的、对不同类型癌症具有易感性的实验鼠)。
根据氮的浓度和肿瘤周围组织的类型,氮可能抑制或促进变异细胞的生长。 在高浓度下,N-亚硝基化合物会导致几种动物的突变和胚胎发育障碍。
有证据表明,红肉和肉制品的高消费与结直肠癌的风险增加相关(“高消费”这一概念我尚未确认)。我们仅能获得流行病学数据,无法进行全面的人体研究。根据这些数据,氮化合物在致癌过程中的作用尚未得到最终确认。
对实验动物的“烟草癌”研究显示了在烟草和烟草烟雾中大量存在的亚硝胺的致癌性。诺古丁和亚硝酸盐转化为N-亚硝基诺古丁(NNN),这是一种特定的烟草亚硝胺致癌物。在食品和环境中并不存在,仅在烟草烟雾和某些基于尼古丁的依赖治疗药物中存在。吸烟者尿液中N-亚硝基诺古丁的含量与食道癌风险之间的关系极为紧密。如果你吸烟但因E-250不吃香肠的话…
我提供了2项长期研究。对100只老鼠进行为期两年的观察,将其分为3组,分别给予0%、2.5%和5%的硝酸钠,持续两年,从8周大的时候开始(相当于每天每公斤体重摄入0、1259和2500毫克的硝酸钠)。没有获得足够的致癌性证据。
亚硝酸钠在美国国家毒理学计划中对老鼠和大鼠进行了2年的检测,100只被分为4组。每天向水中添加0、35、70或130毫克亚硝酸钠/公斤体重给雄性,40、80或150毫克亚硝酸钠/公斤体重给雌性。仅证明与胺类和酰胺结合时致癌性,一些雄性结果相互矛盾。
亚硝酸盐与高铁血红蛋白症
高铁血红蛋白症发生在亚硝酸盐与血红蛋白反应时,导致其不能再运输氧气。这种疾病只在通过受污染的水出现严重中毒时会危及生命,否则是先天性的一种疾病。上世纪50年代曾出现过唯一一起高铁血红蛋白症疫情,因牛粪污染井水,导致能将硝酸盐转化为亚硝酸盐的细菌存在,而那时为婴儿准备的奶粉使用了这种水。贫血从未与这种防腐剂直接相关,而且这种病非常罕见。
肉制品安全的唯一原因
大量信息和吸引眼球的标题让消费者感到困惑。食品恐惧、因对食品恐惧而产生的神经症和对化学物质的恐惧都越来越普遍。与此同时,由于E-250的存在,肉毒中毒的爆发已变得稀有。
我们变得过于疏忽和肤浅,拒绝每天拯救我们生命的疫苗和防腐剂,同时又过于谨慎,限制饮食,剥夺了我们许多有益的营养。然而,要认真思考这一点,需要渴望了解比标题所传达的更多的内容。
完全放弃香肠、Doctor Sausage和火腿并不困难,但要记住,95%的亚硝酸盐和硝酸盐我们都可以通过蔬菜和水摄入,这很正常。“自然”的亚硝酸盐分子与人造的完全相同,没有任何区别 - 这一点我们在学校的化学课上就已经领会了。不要让任何人对你产生不必要的恐惧!
文献
本文基于欧洲食品安全局EFSA,威斯康星大学食品研究所,分子营养与食品研究杂志,美国临床营养杂志,俄克拉荷马州立大学农业科学与自然资源部的材料和出版物。
按照传统,我为所有材料进行了机器翻译并上传到了 GoogleDrive 。我建议您查阅原文,因为许多细节我无法在文章中完全体现。
谷歌盘上有以下文件:
- Dietary Nitrate and Nitrite: Benefits, Risks, and Evolving Perceptions(来自美国威斯康星大学食品研究所的综述,2016年);
- EFSA explains risk assessment nitrites and nitrates added to food(来自欧洲食品安全局的综述,针对计划修订的添加剂,2017年);
- Nitrate and nitrite in the diet: How to assess their benefit and risk for human health(分子营养与食品研究杂志,2014年)食品中硝酸盐和亚硝酸盐的来源:潜在健康益处的生理背景(美国临床营养杂志,2009年)
- Meat Curing(来自俄克拉荷马大学Frederick K. Ray扩展动物食品专家的关于通过亚硝盐加工肉类的建议,附带历史背景和具体食谱)。
- IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, VOLUME 94 Ingested Nitrate and Nitrite and Cyanobacterial Peptide Toxins,2010年。
- Food sources of nitrates and nitrites the physiologic context for potential health benefits.
内容简要
- 可用于腌制的亚硝酸钠E-250是唯一得到批准的添加剂,有效抑制产生肉毒毒素的细菌的生长。
- 在某些条件下,亚硝酸盐可能转化为亚硝胺,增加罹患癌症的风险。然而,向防腐剂添加亚硝酸盐(也称为抗坏血酸或E-300),此转化过程将变得不可能。简而言之,来自“香肠”的亚硝胺无法合成。
- 在成品肉类半成品中,几乎没有亚硝酸盐的残留,因为该化合物是氮循环的一部分。不一定能通过实验室测试检测到此添加剂。
- 每千克新鲜菠菜中含有的亚硝酸盐能够保存50千克的火腿。
- 自1981年至2005年,针对Doctor Sausage的国家标准23670-79的亚硝酸盐限量超过了允许的标准40%。这是对怀念苏联时期无化学成分食品的人的补充说明。
- 在21世纪,肉类中不再添加硝酸盐,因为使用硝酸盐的保鲜过程需要数周,而使用亚硝酸盐则只需12小时。
- 亚硝酸盐是肉类烟熏制品、培根、香肠、火腿以及其他肉类美食没有消失的唯一原因。