李伶俐，曾茂茂，陳 潔，范柳萍

（江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122）

葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反應(yīng)動力學(xué)的研究

李伶俐，曾茂茂，陳 潔*，范柳萍

（江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122）

以葡萄糖和L-半胱氨酸為反應(yīng)體系，研究了反應(yīng)溫度對體系底物濃度變化、褐色物質(zhì)生成以及pH變化的影響，并進(jìn)行了動力學(xué)分析。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度是影響美拉德反應(yīng)的重要因素，反應(yīng)底物濃度、褐色物質(zhì)含量以及pH的變化速率均隨著反應(yīng)溫度的升高而增大。在不同的反應(yīng)溫度條件下，反應(yīng)底物葡萄糖和半胱氨酸的濃度變化符合一級動力學(xué)，褐色物質(zhì)的生成和pH的變化符合零級動力學(xué)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，顏色物質(zhì)和酸性物質(zhì)的生成主要發(fā)生在美拉德反應(yīng)的高級階段，所需活化能較高，分別為164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。

美拉德，L-半胱氨酸，葡萄糖，反應(yīng)溫度，動力學(xué)

美拉德反應(yīng)是食品中氨基化合物和羰基化合物在食品加工和儲藏過程中在一定溫度下發(fā)生的一系列非酶褐變反應(yīng)的總稱，對食品的風(fēng)味、色澤、抗氧化性等品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。葡萄糖是自然界中分布最廣、最重要的還原單糖，而半胱氨酸作為一種含硫氨基酸，是形成肉味香精的重要氨基酸。許多利用美拉德反應(yīng)生產(chǎn)肉味香精的研究報(bào)道[1-4]中反應(yīng)底物都含有這兩種單體，但針對二者高溫下發(fā)生美拉德反應(yīng)機(jī)理的研究則甚少；而我國工業(yè)上利用美拉德反應(yīng)制備香精香料也多是憑借經(jīng)驗(yàn)來決定反應(yīng)條件，無法使產(chǎn)品質(zhì)量保證始終如一。因此本文選取葡萄糖和L-半胱氨酸作為反應(yīng)底物，研究在不同初始pH和反應(yīng)溫度條件下反應(yīng)底物濃度，褐色物質(zhì)含量以及pH的變化速率，建立動力學(xué)模型，有助于更加深入地研究美拉德反應(yīng)的機(jī)理，進(jìn)而對反應(yīng)進(jìn)行定量、定向控制[5]，最終使美拉德反應(yīng)成為一個(gè)可控的食品化學(xué)進(jìn)程，為實(shí)際的香精生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

葡萄糖、L-半胱氨酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、2，4-二硝基氟苯等 均為分析純，購自國藥集團(tuán)。

恒溫油浴鍋 無錫湖景儀器廠；反應(yīng)鋼柱 江蘇漢邦科技有限公司；梅特勒-托利多SevenEasy pH計(jì)

梅特勒-托利多儀器有限公司；UV2800紫外-可見分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司；Waters1525型高效液相色譜儀 美國waters公司；島津高效液相色譜儀 日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 美拉德反應(yīng)液的制備 將葡萄糖和半胱氨酸溶解于pH 7的磷酸鹽緩沖溶液中，使其濃度均為0.2mol/L，反應(yīng)液分別置于溫度為100、110、120、130℃的油浴中反應(yīng)10、20、30、60、90、120min，反應(yīng)結(jié)束后立即置于冰浴中冷卻終止反應(yīng)。

1.2.2 分析測定方法

1.2.2.1 葡萄糖殘余量的測定 采用高效液相色譜法測定反應(yīng)體系中葡萄糖的殘余量[6]。將美拉德反應(yīng)液過氨基萃取小柱后，采用美國Waters高效液相色譜儀進(jìn)行分析。色譜柱：Thermo ASP-2 Hypersil（250mm×4.6mm，5μm）氨基柱；柱溫：30℃；流動相：乙腈∶水=70∶30；流速：1mL/min；檢測器：示差檢測器。

1.2.2.2 半胱氨酸殘余量的測定 半胱氨酸濃度的測定采用呂營果[7]等人的方法，衍生后采用日本島津高效液相色譜儀進(jìn)行分析。

1.2.2.3 反應(yīng)液pH的測定 反應(yīng)液的pH采用梅特勒-托利多SevenEasy pH計(jì)進(jìn)行測定。

1.2.2.4 反應(yīng)液顏色物質(zhì)的測定 美拉德反應(yīng)體系褐色產(chǎn)物的生成量用反應(yīng)液在420nm處的吸光值來表征[8-9]。將反應(yīng)液稀釋后采用UV2800紫外-可見分光光度計(jì)在420nm處測定吸光值，吸光值越大表明褐色產(chǎn)物的生成量越多。

1.2.3 美拉德反應(yīng)動力學(xué)的模型研究 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道和預(yù)實(shí)結(jié)果分析，美拉德反應(yīng)中底物濃度變化符合一級動力學(xué)[10-11]，420nm吸光值和pH變化符合零級動力學(xué)[12-13]，因此分別采用一級動力學(xué)和零級動力學(xué)模型來模擬美拉德反應(yīng)過程，模型公式如下：

式中：A0和A為測試指標(biāo)的初始值和時(shí)間t時(shí)的數(shù)值；K為反應(yīng)速率常數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間。

為了研究不同溫度對美拉德反應(yīng)速率的影響，采用Arrhennius方程來描述反應(yīng)速率常數(shù)K與反應(yīng)溫度T的關(guān)系，公式如下：

式中：K0為溫度獨(dú)立影響系數(shù)；Ea為活化能；R為通用氣體常數(shù)，即8.314J/（mol·K）；T為絕對溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對美拉德反應(yīng)底物濃度變化的影響

反應(yīng)溫度對美拉德反應(yīng)體系殘余葡萄糖和半胱氨酸濃度的影響如圖1和圖2所示，可以看出，在不同的反應(yīng)溫度條件下，體系中葡萄糖和半胱氨酸濃度均隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而降低。反應(yīng)溫度較低時(shí)，兩種底物濃度下的速率較小；而隨著反應(yīng)溫度的升高，兩種底物的下降速率均有明顯增大。這主要是由于開鏈?zhǔn)狡咸烟鞘菂⑴c美拉德反應(yīng)的葡萄糖的活性形式，體系中開鏈?zhǔn)狡咸烟堑暮侩S著溫度的升高而增大，因此溫度越高，反應(yīng)底物的活性越大，美拉德反應(yīng)越劇烈，底物濃度下降的速率就越大。

圖1 反應(yīng)體系葡萄糖濃度隨反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的變化

圖2 反應(yīng)體系半胱氨酸濃度隨反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的變化

2.2 反應(yīng)溫度對美拉德反應(yīng)體系420nm吸光值和pH變化的影響

反應(yīng)溫度對美拉德反應(yīng)體系中褐色物質(zhì)的生成和pH變化的影響如圖3和圖4所示，可以看出，420nm吸光值在不同的反應(yīng)溫度條件下均隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增大。當(dāng)反應(yīng)條件為100℃、120min時(shí)，420nm吸光值為0.3465；而在相同反應(yīng)時(shí)間條件下，當(dāng)反應(yīng)溫度分別為110、120、130℃時(shí)，420nm吸光值則分別為2.12、5.99、18.34，可見反應(yīng)溫度越高，420nm吸光值增加得越快，表明生成了更多的顏色物質(zhì)。

圖3 反應(yīng)體系420nm吸光值隨反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的變化

圖4 反應(yīng)體系pH隨反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的變化

美拉德反應(yīng)過程中，不同反應(yīng)溫度條件下體系的pH也隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而下降。當(dāng)反應(yīng)溫度為100℃時(shí)，體系的pH變化不明顯，說明在反應(yīng)溫度較低的時(shí)候，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)較少；而在反應(yīng)溫度較高時(shí)，pH變化則較大，說明在較高的反應(yīng)溫度條件下，體系在高級美拉德階段產(chǎn)生了較多的酸性化合物，這與侯亞龍[14]等人的研究結(jié)果是一致的。

表1 不同反應(yīng)溫度條件下各反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

2.3 不同反應(yīng)溫度條件下反應(yīng)動力學(xué)模型分析

將不同反應(yīng)溫度下美拉德反應(yīng)體系中葡萄糖和半胱氨酸濃度、420nm吸光值和pH的數(shù)值分別代入式（1）和式（2）中，通過SAS回歸分析，得到不同反應(yīng)溫度條件下反應(yīng)體系指標(biāo)變化的特性參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1顯示，各方程均具有較高的決定系數(shù)（R2>0.92）。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，兩種底物的反應(yīng)速率常數(shù)均隨著反應(yīng)溫度的升高而增大。反應(yīng)溫度較低時(shí)，葡萄糖濃度下降較快，主要是由于葡萄糖除與半胱氨酸發(fā)生美拉德反應(yīng)外，自身還會發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)及降解反應(yīng)等[5,13]；而隨著反應(yīng)溫度的增加，半胱氨酸下降速率逐漸大于葡萄糖，說明在高溫條件下半胱氨酸易發(fā)生Strecker降解反應(yīng)，使得半胱氨酸濃度快速降低。420nm吸光值和pH的變化速率隨著反應(yīng)溫度的升高也有明顯增大，說明溫度是影響葡萄糖-半胱氨酸反應(yīng)體系的重要因素。

將不同反應(yīng)溫度條件下底物濃度變化、420nm吸光值和pH變化反應(yīng)速率K及反應(yīng)絕對溫度T代入式（3），得到不同反應(yīng)溫度條件下各反應(yīng)活化能，如表2所示。

表2 美拉德反應(yīng)體系各反應(yīng)活化能

從表2可以看出，葡萄糖的活化能最低，為87.85kJ/mol；半胱氨酸活化能大于葡萄糖，為120.96 kJ/mol。而顏色物質(zhì)則主要在高級美拉德反應(yīng)階段生成，所需活化能最高，為164.77kJ/mol，這與Ajandouz[15]等人的研究結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

反應(yīng)溫度是影響美拉德反應(yīng)的重要因素。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，美拉德反應(yīng)較為緩慢，葡萄糖和半胱氨酸濃度的下降速率較小，顏色物質(zhì)的生成及pH的下降也較慢；而隨著反應(yīng)溫度的升高，各反應(yīng)速率均迅速提高，反應(yīng)加速。通過動力學(xué)分析可以看出，底物濃度的變化速率符合一級動力學(xué)，褐色物質(zhì)的生成和pH的變化則符合零級動力學(xué)。在初始pH7條件下，葡萄糖和半胱氨酸反應(yīng)活化能分別為87.85kJ/mol和120.96kJ/mol，420nm吸光值和終pH變化活化能分別為164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。這一結(jié)論有助于更加深入的研究美拉德反應(yīng)的機(jī)理，使美拉德反應(yīng)成為一個(gè)可控的化學(xué)進(jìn)程，同時(shí)也為反應(yīng)型香精的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)。

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Kinetics of Maillard reaction in glucose/L-cysteine model systems

LI Ling-li，ZENG Mao-mao，CHEN Jie*，F(xiàn)AN Liu-ping（State Key Laboratory of Food Science and Technology,School of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122,China）

Kinetics of substrate concentration，color development and pH change were studied in glucose/L-cysteine model systems under different reaction conditions of temperature.The result indicated that temperature play a crucial role on the maillard reaction.The rate of substrate concentration change，color development and pH change increased when increasing the temperature.Under different reaction conditions，the loss of glucose and L-cystine concentration followed first-ordered kinetics；color development and pH change followed zero-order kinetics.Brown pigments and acid compounds generated on the advanced stage of maillard reaction which were found with high activation energy of 164.77kJ/mol and 149.17kJ/mol，respectively.

Maillard；L-cysteine；glucose；reaction temperature；kinetics

TS201.2

A

1002-0306（2011）10-0073-03

2010－09－13 * 通訊聯(lián)系人

李伶俐（1985-），女，碩士在讀，研究方向：食品蛋白質(zhì)功能。

食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索課題（SKLF-TS-200804）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃（NCET-07-0377）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金）資助項(xiàng)目（BK2009614）；國家級科技計(jì)劃項(xiàng)目（星火計(jì)劃）（2008GA690137）。