周向軍,周健,馮進(jìn)兵,黃凱
(天水師范學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院,甘肅 天水,741001)
美拉德反應(yīng)為非酶促褐變,是指食品加工和貯藏過程中還原糖羰基與胺、蛋白質(zhì)或氨基酸等含氮化合物發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的總稱,其產(chǎn)物(Maillard reaction products,MRPs)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多,主要含有類黑精、還原酮及含N、S的雜環(huán)化合物[1]。美拉德反應(yīng)分為3個階段:初級階段起始于羰基與氨基的縮合、Amadori/Heyns化合物的生成;高級階段主要是Amadori/Heyns的降解、烯醇化和醇醛縮合等生成風(fēng)味小分子物質(zhì);終極階段是指小分子物質(zhì)自身或相互聚合成大分子褐色物質(zhì)[2]。研究表明,影響美拉德反應(yīng)的因素除糖和氨基化合物的種類、濃度外,還受溫度、pH、時間、水分活度等因素的影響[3]。殼聚糖是廣泛存在于甲殼類動物硬殼及菌類細(xì)胞壁中的堿性高分子多糖,具有提高免疫能力、降低膽固醇等活性,其含有游離的羰基和氨基,分別加入阿拉伯糖和果糖時,殼聚糖的氨基能與后者的羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)。與其他化學(xué)和酶法改性相比,殼聚糖/還原糖體系的MRPs具有一定的抗氧化性、抑菌性、乳化性和水溶性等,因而在食品添加劑行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明,BHA、BHT等可能有致癌作用,TBHQ的應(yīng)用也受到嚴(yán)格的限制,而MRPs可為天然抗氧化劑的開發(fā)提供新的思路。MRPs的研究主要集中在其成分鑒定、機(jī)理探討及抗氧化活性測定等方面[4-6],但由于美拉德反應(yīng)極其復(fù)雜,不易控制,其產(chǎn)物的分離制備極為困難[7],因此,目前大多只能采用模式美拉德反應(yīng)來進(jìn)行研究,從而獲得少量特定氨基供體與羰基供體發(fā)生美拉德反應(yīng)的信息。同時,MRPs的形成機(jī)制、組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及抗氧化機(jī)理仍未明確[8],不同體系產(chǎn)生的 MRPs,其抗氧化活性難以找到共同規(guī)律,要闡明食品體系MRPs的抗氧化作用機(jī)理及相關(guān)因子,目前的技術(shù)手段尚不能對其進(jìn)行定性定量分析,具體哪種物質(zhì)對MRPs抗氧化起主要作用還有待進(jìn)一步研究。本試驗分別以精氨酸和賴氨酸為氨基供體,麥芽糖為羰基供體;殼聚糖為氨基供體,阿拉伯糖和果糖分別為羰基供體,研究各體系紫外可見光譜和熒光光譜隨加熱時間的變化,氨基與羰基物質(zhì)的量比、初始pH值、溫度對產(chǎn)物褐變的影響及反應(yīng)過程的pH變化,MRPs對DPPH·、HO·、H2O2的清除作用和總還原力。
果糖、賴氨酸、精氨酸、麥芽糖、L-阿拉伯糖、殼聚糖、鄰二氮菲、FeSO4、K3Fe(CN)6、三氯乙酸、FeCl3及H2O2等,均為國產(chǎn)分析純;DPPH為Sigma產(chǎn)品。
AL204型電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司;TGL-20M型高速臺式冷凍離心機(jī),湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司;PHS-3D雷磁pH計,上海精密科學(xué)有限公司;UV-9600型紫外分光光度計,北京瑞利分析儀器公司;UV-1800型分光光度計,日本島津;RF-5301型熒光分光光度計,日本島津。
1.3.1 MRPs制備
稱取0.1 g精氨酸、0.1 g賴氨酸于燒瓶中,加入蒸餾水使之完全溶解,加入麥芽糖,使氨基與羰基物質(zhì)的量比為1∶3,混勻,pH=11,110℃下油浴回流,反應(yīng)結(jié)束后快速冷卻,稀釋10倍用于抗氧化試驗,殼聚糖-果糖/阿拉伯糖同法操作。MRPs褐變在420nm測定[9]。
1.3.2 紫外可見光譜及熒光光譜掃描
4種體系的MRPs各稀釋一定倍數(shù),進(jìn)行紫外可見光譜和熒光光譜掃描。
1.3.3 單因素試驗
在90 ℃、各初始 pH、精氨酸2.2 g、賴氨酸0.25 g,殼聚糖1.053 g,探討氨基與羰基物質(zhì)的量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3時,MRPs褐變程度;在 90℃、各初始 pH、精氨酸 2.2 g、賴氨酸 0.25 g,殼聚糖1.053 g,氨基與羰基物質(zhì)的量比分別為 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,探討反應(yīng)過程 pH 值的變化;在 90 ℃、精氨酸0.03 g、賴氨酸0.025 g,氨基與羰基物質(zhì)的量比為1∶3、探討初始 pH 值為 8、9、10、11、12 時,其對MRPs褐變的影響,殼聚糖0.561 3 g,氨基與羰基物質(zhì)的量比為1∶3,不同醋酸濃度對褐變的影響;在pH=11、精氨酸 0.03 g、賴氨酸 0.1 g,殼聚糖 1.053 g,氨基與羰基物質(zhì)的量比為 1∶3,探討 80、90、100、110、120℃時,其對MRPs褐變的影響。
1.4.1 DPPH·的清除作用[10]
分別加入一定體積的MRPs,蒸餾水補(bǔ)至2 mL,加入2 mL 0.04 g/L DPPH無水乙醇溶液,混勻,室溫暗處反應(yīng)20 min,取上清液在517 nm測吸光度,為Ai。無水乙醇代替DPPH無水乙醇溶液,吸光度為Aj;以DPPH無水乙醇溶液+無水乙醇作為參比,吸光度為A0。
DPPH·清除率K=[1-(Ai-Aj)/A0]×100%
1.4.2 HO·的清除作用[11]
1 mL 1.25 mmol/L鄰二氮菲乙醇溶液于試管中,加入 0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mL 蒸餾水,pH 7.4 0.2 mol/L磷酸緩沖溶液補(bǔ)至2 mL,混勻,加入1 mL 1.25 mmol/L 硫酸亞鐵,1 mL 0.025%H2O2,37℃水浴60 min,536 nm測吸光度,為A損。以蒸餾水代替H2O2,為A未,以MRPs代替損傷管樣品溶劑,為A樣。
HO·清除率/%=[(A樣-A損)/(A未-A損)]×100
1.4.3 總還原力[12]
分別加入一定體積的 MRPs,0.2 mol/L pH 6.6磷酸緩沖液補(bǔ)至1 mL,1%K3Fe(CN)61 mL,混勻,50℃水浴20 min,加入1 mL 10%三氯乙酸,振蕩混勻,5 000 r/min離心10 min。取上清液2 mL,加入0.1%FeCl30.5 mL,混勻,靜置 10 min,700 nm 測定吸光度,為 A樣,以蒸餾水代替 MRPs,同法操作,為A空白。
1.4.4 對 H2O2的清除作用[13]
4 mL 10 mmol/L H2O2于100 mL容量瓶中,分別加入一定體積的MRPs,混勻,定至100 mL,248 nm測吸光度,為 A1,不加 MRPs的 H2O2,為 A0,不加 H2O2的 MRPs,為 A2。
清除率/%={[A0-(A1-A2)]/A0}×100
2.1.1 紫外可見光譜變化
由圖1-a和圖b可知,MRPs在260~270 nm處均出現(xiàn)吸收峰,強(qiáng)度隨加熱時間的延長而增加,表明有新物質(zhì)生成且不斷積累。與報道的294 nm有所不同[14],Brands[15]認(rèn)為,該吸收是美拉德反應(yīng)高級階段通過Strecker裂解產(chǎn)生的酮、醛等類無色小分子中間物,為褐色素的形成的前體,其主要為呋喃、吡喃、糠醛及吡啶等及其衍生物。由圖1-b可知,330 nm處出現(xiàn)肩峰,可能是糖降解產(chǎn)生的各種小分子發(fā)色團(tuán)通過賴氨酸活性側(cè)鏈共價結(jié)合,此時產(chǎn)物的最大吸收峰是各種發(fā)色團(tuán)最大吸收波長的綜合表現(xiàn),即沒有特征性吸收峰。由圖1-c和圖1-d可知,280 nm處均出現(xiàn)吸收峰,且強(qiáng)度隨加熱時間的延長而增加,Morales[16]認(rèn)為是酸性條件下發(fā)生了糖的異構(gòu)化和脫水反應(yīng),分別產(chǎn)生羥甲基糠醛和糠醛類美拉德反應(yīng)標(biāo)志物。隨加熱時間的延長,圖1-d中在220 nm處出現(xiàn)吸收峰,美拉德反應(yīng)中220 nm的特征性吸收峰很少有報道,一般認(rèn)為是小分子有機(jī)酸如甲酸、乙酸或Amadori降解生成具有共軛雙鍵且含有C O發(fā)色團(tuán)的鄰?fù)穷愇镔|(zhì)等的吸收。4種體系MRPs主要吸收范圍在200~400 nm,說明產(chǎn)物主要為中、小分子物質(zhì)[17],其在可見光區(qū)幾乎沒有吸收。當(dāng)反應(yīng)120 min后,各峰強(qiáng)度均接近穩(wěn)定狀態(tài),表明已生成的無色小分子物質(zhì)之間發(fā)生聚合反應(yīng),進(jìn)入終級階段生成褪色的類黑精類物質(zhì),小分子具有一定的消除速率。當(dāng)消除速率與生成速率接近時,峰強(qiáng)度不變,甚至有所下降,與孫麗平[18]、Hofmann[19]認(rèn)為的無特征性吸收峰、隨波長增加吸光度降低是類黑精的典型表現(xiàn)和Cark[20]提出的“尾巴模式”觀點(diǎn)一致,即波長越短,吸光度越大。
圖1 不同加熱時間下MRPs的紫外可見光譜變化(a)精氨酸-麥芽糖(b)賴氨酸-麥芽糖(c)殼聚糖-果糖(d)殼聚糖-阿拉伯糖Fig.1 The change of ultraviolet-visible spectrum with different heating time(a)arginine-maltose(b)lysine-maltose(c)chitosan-fructose(d)chitosan-arabinose
2.1.2 熒光光譜變化
精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系的激發(fā)波長分別為330和335 nm,發(fā)射波長為417和420 nm,殼聚糖-果糖/阿拉伯糖的激發(fā)波長分別為330和319 nm,發(fā)射波長為423和385 nm。385 nm處的發(fā)射波長與MRPs的熒光特征有所不同[21]。熒光物質(zhì)是美拉德反應(yīng)高級階段的小分子物質(zhì),可靈敏地反映其早期過程,其強(qiáng)度代表高級階段熒光物質(zhì)的生成情況。如圖2-a和圖2-b所示,當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一定時間后,熒光物質(zhì)開始積累,達(dá)到最大值后開始降低,表明美拉德反應(yīng)開始進(jìn)入終極階段,Jing認(rèn)為[22],此時熒光物質(zhì)聚合形成類黑精類物質(zhì)的速率大于其自身生成速率,熒光物質(zhì)的積累越來越少,因而熒光強(qiáng)度的增長較為緩慢,但這是以產(chǎn)生風(fēng)味為目的美拉德反應(yīng)所不期望的。賴氨酸-麥芽糖體系的熒光強(qiáng)度強(qiáng)于精氨酸-麥芽糖體系,可能是賴氨酸的空間位阻相對小于精氨酸[23],反應(yīng)易向高級階段進(jìn)行,美拉德反應(yīng)程度也越高。由圖2-c和圖2-d可知,精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系的最大發(fā)射波長未隨時間的延長而變化,但殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系的最大發(fā)射波長隨加熱時間的延長發(fā)生變化,這表明長時間加熱使該體系的一些熒光中間物聚合成化學(xué)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的熒光物質(zhì),或者是具有新化學(xué)結(jié)構(gòu)的熒光物質(zhì)生成,原來熒光物質(zhì)被消耗而不再占優(yōu)勢,與張嚴(yán)[24]研究一致。Lertittikul[25]研究表明,美拉德反應(yīng)體系中熒光光譜與紫外光譜表現(xiàn)為不同的動力學(xué)行為,因此熒光小分子物質(zhì)不同于2.1.1中260~270 nm紫外吸收的小分子物質(zhì),但它們均為美拉德反應(yīng)的中間產(chǎn)物。
2.2.1 氨基與羰基物質(zhì)的量比對褐變的影響
由圖3-a和圖3-b可知,隨加熱時間的不斷延長,精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系褐變程度均逐漸增加,氨基與羰基物質(zhì)的量比越低,褐變程度越高,這說明糖濃度的相對增加能促進(jìn)美拉德反應(yīng),同時氨基的增多易使分子內(nèi)氨基和羧基失水形成內(nèi)酰胺而降低了參與美拉德反應(yīng)的氨基的物質(zhì)的量,使褐變速率降低[26],此時,只有增大羰基的相對物質(zhì)的量,才有可能使羰氨反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢,分子內(nèi)成酰胺作用降至最低,故當(dāng)氨基與羰基物質(zhì)的量比從 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2降至1∶3時,褐變程度逐漸達(dá)到最強(qiáng)。由圖3-c和圖3-d可知,殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系的褐變均存在較長時間的延滯期,原因可能是殼聚糖含有大量氨基,從而溶于酸性溶液中,因此體系的酸度較大,不利于美拉德反應(yīng)的進(jìn)行。一般而言,對于不同的糖類,五碳糖褐變速率高于六碳糖,醛糖比酮糖易于發(fā)生反應(yīng),碳鏈較短或空間位阻效應(yīng)小者,反應(yīng)活性相對大一些[27]。另外,Kim[28]認(rèn)為果糖與其它還原糖不同,其參與的氨基酸-還原糖模式反應(yīng)所產(chǎn)生的褐變,部分原因是由焦糖反應(yīng)引起的。
圖2 不同加熱時間下MRPs的熒光光譜變化Fig.2 The change of fluorescence spectrum with different heating time
圖3 氨基與羰基物質(zhì)的量比對褐變的影響Fig.3 The effects of amount of substance ratio of amino to carbonyl group on browning
2.2.2 反應(yīng)過程pH值變化MRPs的pH值變化趨勢與氨基酸和還原糖的種類有關(guān)。由圖4-a和圖4-b可知,反應(yīng)初始時溶液為堿性,隨加熱時間的延長,pH值逐漸下降,原因是反應(yīng)初始時,體系pH分別取決于精氨酸和賴氨酸,其均為堿性氨基酸,隨后發(fā)生羰氨反應(yīng),使氨基被封閉[29],Rufian-Henares 及 Liu[30-31]認(rèn)為,還原糖在高pH值條件下加熱,易降解生成甲酸和乙酸等酸性化合物,從而pH值下降,這與 Lertittikul[25]等研究基本一致。由于羰氨縮合反應(yīng)為可逆過程,當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至420 min后,存在兩種情況:當(dāng)氨基與羰基物質(zhì)的量比>1時,2種體系pH或維持在堿性環(huán)境而趨于平穩(wěn)或緩慢下降;當(dāng)氨基與羰基物質(zhì)的量比<1時,pH值降至酸性范圍,說明此時羰氨縮合的可逆反應(yīng)并不占據(jù)優(yōu)勢。由圖4-c和圖4-d可知,殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系的吸光值變化不大,且無一定規(guī)律,與王惠英等研究一致[32],這說明美拉德反應(yīng)產(chǎn)物及其中間產(chǎn)物比較復(fù)雜,可能是中間產(chǎn)物發(fā)生重排所致,同時酸性條件不利于美拉德反應(yīng),從而使吸光值發(fā)生漂移。這種pH的相對穩(wěn)定性對開發(fā)食品抗氧化劑是相當(dāng)有利的[33]。
圖4 反應(yīng)過程pH變化Fig.4 pH change of reaction process
2.2.3 初始pH值及醋酸濃度對褐變的影響
一般認(rèn)為,pH≤7,糖易發(fā)生異構(gòu)化和脫水反應(yīng),美拉德反應(yīng)主要產(chǎn)物為糠醛(戊糖參與反應(yīng))或羥甲基糠醛(己糖參與反應(yīng))。pH>7時,Amadori重排產(chǎn)生還原酮和丙酮醇、丙酮醛和雙乙酰等。由圖5-a和圖5-b可知,初始pH值越高,反應(yīng)速率越快,褐變程度越深,原因是堿性條件下,1,2-烯醇化較為困難,2,3-烯醇化較易進(jìn)行,同時,反醇醛、烯醇化和脫水反應(yīng)等均為堿催化作用的結(jié)果[34]。由圖5-c和圖5-d可知,在0~60 min范圍內(nèi),吸光值較低,這是因為在醋酸溶液中,殼聚糖氨基被質(zhì)子化,由于正電荷的吸引,電子發(fā)生離域,1,2-烯醇化較易生成,而糖胺不能形成。同時,羰氨縮合反應(yīng)為可逆反應(yīng),酸性條件下易水解,不利于美拉德反應(yīng)而被抑制。但隨加熱時間的延長,2種體系褐變程度均明顯加深。
2.2.4 溫度對褐變的影響
溫度是影響美拉德反應(yīng)的一個重要因素。隨溫度的升高,氨基和羰基的反應(yīng)活性增加,美拉德反應(yīng)速率加快,在不同加熱時間下褐變程度均逐漸增加,這是因為高溫條件下開鏈?zhǔn)竭€原糖及非質(zhì)子化氨基含量增加,有利于美拉德反應(yīng)的發(fā)生[35]。由圖6-a和圖6-b可知,當(dāng)溫度增至110℃時,達(dá)到最大褐變,繼續(xù)增加溫度,褐變程度下降,說明過高溫度不利于MRPs的穩(wěn)定。由圖6-c可知,隨溫度升高,殼聚糖-果糖體系的褐變程度逐漸增加,當(dāng)溫度增至100℃后,褐變程度下降。由圖6-d可知,殼聚糖-阿拉伯糖體系的褐變逐漸增加并趨于平穩(wěn)。Lan[36]研究表明,在80~120℃范圍內(nèi),褐變速率隨溫度的升高而加快,超過120℃后,褐變速率趨于平緩。
圖5 初始pH及醋酸濃度對褐變的影響Fig.5 The effects of initial pHand acetic acid concentration on browning
圖6 溫度對褐變程度的影響Fig.6 The effects of temperature on browning
在反應(yīng)體系總體積不變的條件下,隨MRPs體積的增大,可認(rèn)為其濃度也相應(yīng)增大。DPPH·是一種相對穩(wěn)定的自由基,可與MRPs提供的氫原子結(jié)合形成穩(wěn)定的DPPH-H順磁分子,從而達(dá)到清除自由基的目的。由圖7-a和圖7-b可知,隨MRPs濃度的增加,精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系對DPPH自由基的清除作用降低,這可能是早期生成的具有抗氧化作用的MRPs 被熱分解造成的[37],與 Morales[38]認(rèn) 為 的,MRPs抗氧化能力并不完全依賴于其褐變程度的研究結(jié)論一致。殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系對DPPH·的清除作用與其濃度呈正相關(guān),且清除作用均較強(qiáng),原因可能是美拉德反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量獨(dú)特結(jié)構(gòu)的雜環(huán)化合物,如噻吩、噻唑、吡咯等,其具有芳香性,電子非定域分布在環(huán)上,使碳原子上電子過剩,有利于自由基的親電加成,從而清除自由基。另外,MRPs的部分屬性如疏水性,也可能是影響DPPH·清除能力的因素[39]。
圖7 MRPs對DPPH·(a、b)、HO·(c、d)和H2O2(e、f)的清除作用和總還原力(g、h)Fig.7 The scavenging action of MRPs on DPPH(a),hydroxyl free radical(b),total reducing power(c)and H2O2(d)
由圖7-a、圖7-d可知,精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系對羥自由基清除作用幾乎均不隨濃度的增加而變化,且前者強(qiáng)于后者,可能是隨反應(yīng)的進(jìn)行,MRPs將部分Fe3+還原為Fe2+后,又被Fe2+螯合,使Fenton反應(yīng)自身受到抑制,從而清除·OH能力保持不變[40-41]。殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系則隨其濃度的增加,對羥自由基清除作用增強(qiáng),這可能是殼聚糖衍生物通過吡喃環(huán)上的-OH或-NH2進(jìn)行氫原子轉(zhuǎn)移來達(dá)到清除羥自由基[42],另外,Silvan[43-44]認(rèn)為生成的類黑精和還原酮提供的羥基也可以通過鏈的斷裂來表現(xiàn)抗氧化作用。
MRPs的大分子物質(zhì)和中間產(chǎn)物如吡咯酮、還原酮類、脫氧果糖嗪等具有供氫能力,可提供電子作為還原性物質(zhì),將Fe3+還原成Fe2+,F(xiàn)e2+進(jìn)一步發(fā)生普魯士藍(lán)反應(yīng)[39]。由圖7-a和圖7-f可知,隨MRPs濃度的增大,精氨酸/賴氨酸-麥芽糖體系的總還原力逐漸增強(qiáng),可能是MRPs中的大分子結(jié)構(gòu)上具有羥基或具有還原能力的發(fā)色團(tuán)所致,但殼聚糖-果糖/阿拉伯糖體系的總還原力先增大后減小,可能是還原性物質(zhì)首先形成于反應(yīng)初期Amadori產(chǎn)物的熱解,Charurin[45-46]認(rèn)為隨反應(yīng)時間的延長和加熱,美拉德反應(yīng)或焦糖化過程中所產(chǎn)生的雜環(huán)化合物開始分解,分子發(fā)生重排,從而使還原能力趨于平緩、甚至降低。
由圖7-g和圖7-h可知,4種體系均表現(xiàn)出較好的H2O2清除作用,且均隨MRPs濃度的增加而增強(qiáng)。
本試驗對精氨酸/賴氨酸-果糖、殼聚糖-果糖/阿拉伯糖模式體系的美拉德反應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明隨加熱時間的延長,前者褐變程度和酸度均逐漸增加,后者的褐變均增加,但酸度變化無規(guī)律。各體系氨基與羰基物質(zhì)的量比為1∶2~1∶3、pH 11~12和110~120℃時,褐變程度分別接近最大程度。隨各體系MRPs濃度的增加,前者對DPPH自由基清除率逐漸降低,后者則逐漸增強(qiáng),說明其抗氧化能力并不完全依賴于MRPs的褐變程度;對羥自由基清除作用,前者幾乎保持不變,后者則逐漸增強(qiáng);前者總還原力及對H2O2的清除作用均逐漸增強(qiáng),后者則總還原力先增加后降低,對H2O2的清除作用逐漸增強(qiáng)。這說明不同的反應(yīng)體系和反應(yīng)條件產(chǎn)生的MRPs具有不同的抗氧化性能[47]。由于MRPs并非單一物質(zhì),體系十分復(fù)雜,既有低分子質(zhì)量化合物,也有類黑精類高分子物質(zhì),故單一波長難以真正反映其真實顏色,最好用色差計測定體系顏色變化,同時輔助熒光光度法才能全面準(zhǔn)確地反映MRPs不同階段產(chǎn)物的色澤[48]。因此,MRPs作為抗氧化劑的商業(yè)應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。
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