吳凱強(qiáng)，王雅穎，紀(jì)麗麗，郭 健，應(yīng)知偉，宋文東*

（1.浙江海洋學(xué)院 食品與醫(yī)藥學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋學(xué)院 石化與能源工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；3.浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316022）

木糖母液[1-3]是玉米芯或蔗渣酸水解的副產(chǎn)物，主要有果糖、L-阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖，通常很難被分離[4-5]，雖然可以使用離子色譜法進(jìn)行分離，但價(jià)格昂貴且分離效果差，限制了其在工業(yè)中的大規(guī)模使用。因此，木糖母液基本上是一種廢液。而在我國(guó)北方，因大量生產(chǎn)木糖而產(chǎn)生大量木糖母液，對(duì)其的有效利用成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

美拉德反應(yīng)[6]在近幾十年來(lái)一直是食品化學(xué)、食品工藝學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、香料化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-10]。因?yàn)槊览路磻?yīng)是加工食品色澤和濃郁芳香的各種風(fēng)味的主要來(lái)源，特別是對(duì)于一些傳統(tǒng)的加工工藝過(guò)程（如咖啡、可可豆的焙炒，餅干、面包的烘烤以及肉類食品的蒸煮[11-13]）。另外，美拉德反應(yīng)對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也有重要的影響[14-15]，既可能由于消耗了食品中的營(yíng)養(yǎng)成分或降低了食品的可消化性而降低食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也可能因在加工過(guò)程中生成抗氧化物質(zhì)而增加其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

現(xiàn)已有研究報(bào)道利用單糖為原料進(jìn)行糖焦化實(shí)驗(yàn)[16-18]，對(duì)于傳統(tǒng)的煙草具有明顯的增香作用。但尚未有利用木糖母液為原料進(jìn)行美拉德反應(yīng)的相關(guān)報(bào)道。L-谷氨酸常被用作代鹽劑、營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑、鮮味劑，廣泛應(yīng)用于烹飪和食品加工中。本實(shí)驗(yàn)以廢棄的木糖母液為研究對(duì)象，將其與L-谷氨酸進(jìn)行美拉德反應(yīng)，采用正交試驗(yàn)確定最佳反應(yīng)條件，并對(duì)其反應(yīng)產(chǎn)物的揮發(fā)性成分采用氣相色譜-質(zhì)譜（gas charomatography-mass spectrometer，GC-MS）法進(jìn)行分析測(cè)定，意在綜合考慮各方面因素，尋找到合適的工藝條件，從而解決木糖母液閑置浪費(fèi)問(wèn)題，為開(kāi)發(fā)一種天然的食品調(diào)味劑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木糖母液：山東省淄博玉豐源制糖有限公司；L-谷氨酸（生化試劑）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

SHT型攪拌數(shù)顯恒溫電熱套：山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；UV1100紫外分光光度計(jì)：上海美普達(dá)公司；AR124CN 電子天平：奧豪斯儀器有限公司；SHIMADZU QP-2010 Plus 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 主要工藝流程

木糖母液→稀釋若干倍→調(diào)節(jié)pH→控制溫度→美拉德反應(yīng)→乙醚萃取揮發(fā)性物質(zhì)→氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）檢測(cè)揮發(fā)性成分

1.3.2 美拉德反應(yīng)

L-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：準(zhǔn)確稱取1.470 0 g的L-谷氨酸置于100 mL燒杯中，加入少量蒸餾水充分?jǐn)嚢柚寥芙?；移?00 mL容量瓶中定容，靜置3 min，即得1 mol/LL-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。

美拉德反應(yīng)：準(zhǔn)確稱取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分?jǐn)嚢韬螅?0%NaOH調(diào)節(jié)pH值，將溶液倒入250 mL的蒸餾燒瓶中，分別在一定溫度條件下蒸餾一定時(shí)間。冷卻后，用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度值。

美拉德反應(yīng)的程度由反應(yīng)后溶液的吸光度值作為依據(jù)，以未反應(yīng)的溶液作為參比溶液，測(cè)定美拉德反應(yīng)后溶液在波長(zhǎng)490 nm處的吸光度值。

1.3.3 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物分析

最佳工藝條件下的產(chǎn)物，使用SHIMADZUQP-2010Plus GC-MS進(jìn)行分析，測(cè)定產(chǎn)物成分。

質(zhì)譜條件：電離方式為電子電離（electronionization，EI）源，電離能量70 eV；離子源溫度為200 ℃；四極桿溫150 ℃；傳輸線溫度為260 ℃；質(zhì)量掃描范圍35～550m/z，譜圖檢索采用Wiley9.L和Nist08.L進(jìn)行檢索。

1.3.4 影響美拉德反應(yīng)的單因素試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分?jǐn)嚢韬?，?0%NaOH分別調(diào)節(jié)pH值至4、6、8、10、12；將溶液倒入250 mL的蒸餾燒瓶中，分別在90 ℃、95 ℃、100 ℃、105 ℃、110 ℃溫度下分別蒸餾1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h；冷卻后，用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度值，考察反應(yīng)溫度、時(shí)間及pH值對(duì)美拉德反應(yīng)的影響。

1.3.5 美拉德反應(yīng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以反映美拉德反應(yīng)程度的吸光度值為考察指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)考察溫度、時(shí)間、pH對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響，初步確定影響美拉德反應(yīng)各因素的范圍，然后在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)一步優(yōu)化，其因素與水平表見(jiàn)表1。

表1 美拉德反應(yīng)條件優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for Maillard reaction conditions optimization

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)美拉德反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知，當(dāng)溫度在90 ℃時(shí)，美拉德反應(yīng)程度較低，之后隨著反應(yīng)溫度的上升，美拉德反應(yīng)程度也隨之上升，當(dāng)溫度達(dá)到105 ℃時(shí)，美拉德反應(yīng)的程度最強(qiáng)，而在110 ℃時(shí)反應(yīng)程度有較大幅度的下降。由此推斷，105 ℃為美拉德反應(yīng)最適溫度，溫度過(guò)高，L-谷氨酸經(jīng)過(guò)脫氨酸、脫碳酸反應(yīng)，發(fā)生分解，此時(shí)美拉德反應(yīng)不能有效地進(jìn)行。因此，木糖母液和L-谷氨酸在105 ℃的溫度條件下反應(yīng)最佳。

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on the Maillard reaction

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)美拉德反應(yīng)的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，反應(yīng)初期美拉德反應(yīng)褐變程度隨時(shí)間的增加而增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2.5 h時(shí)，美拉德反應(yīng)的程度最強(qiáng)，之后木糖母液褐變程度有所下降，這可能是因?yàn)榉磻?yīng)底物濃度的減少或L-谷氨酸在長(zhǎng)時(shí)間高溫下發(fā)生分解造成的。因此，綜合香味、色差、舒適感等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，在2.5 h時(shí)，美拉德反應(yīng)的效果最佳。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響Fig.2 Effect of reaction time on the Maillard reaction

2.3 pH對(duì)美拉德反應(yīng)的影響

pH對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)pH值為4時(shí)，美拉德反應(yīng)的程度較低，之后隨著pH值的增加，美拉德反應(yīng)程度也隨之增加，在pH值為10時(shí)，木糖母液美拉德反應(yīng)的程度最強(qiáng)，之后隨著pH的增加，反應(yīng)程度有較大幅度的下降。美拉德反應(yīng)一般隨pH的升高而加劇，酸性介質(zhì)中，美拉德反應(yīng)受到抑制，堿性介質(zhì)中則加強(qiáng)。羧氨縮合是一個(gè)可逆的過(guò)程。在酸性條件下，葡糖氨重排，產(chǎn)物較易質(zhì)子化，另外，酸性時(shí)羧氨縮合產(chǎn)物很容易水解。羧氨縮合過(guò)程封閉了游離的氨基，反應(yīng)體系pH值就下降，所以堿性條件下有利于羧氨反應(yīng)。因此當(dāng)pH值為10時(shí)，美拉德反應(yīng)的程度最佳。

圖3 p H對(duì)美拉德反應(yīng)程度的影響Fig.3 Effect p H on the Maillard reaction

2.4 美拉德反應(yīng)條件優(yōu)化正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)美拉德反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果與分析見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

由表2可知，對(duì)美拉德反應(yīng)程度影響的主次關(guān)系為B＞C＞A，即反應(yīng)時(shí)間＞pH值＞反應(yīng)溫度。根據(jù)正交試驗(yàn)得到的最佳條件為A2B3C3，即反應(yīng)溫度為105 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3.0 h，pH值為12。在此最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，吸光度值為1.910，說(shuō)明美拉德反應(yīng)褐變程度最強(qiáng)。

由表3可知，反應(yīng)溫度、時(shí)間及pH值對(duì)結(jié)果影響均不顯著（P＞0.05）。

表2 美拉德反應(yīng)條件優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for Maillard reaction conditions optimization

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 木糖母液美拉德反應(yīng)產(chǎn)物GC-MS分析

木糖母液美拉德反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)GC-MS檢測(cè)，所得可能的揮發(fā)性成分總離子流色譜圖如圖4所示，各主要組分鑒定結(jié)果見(jiàn)表4。美拉德反應(yīng)一般可以分成2個(gè)反應(yīng)階段，3條反應(yīng)路線。初級(jí)美拉德反應(yīng)不引起褐色變化，也不產(chǎn)生食品香味。其中關(guān)鍵的一步是Amadori重排，其產(chǎn)物是極重要的不揮發(fā)性的香味前驅(qū)物。高級(jí)美拉德反應(yīng)包括3條主要反應(yīng)路線，而每條反應(yīng)路線生成的中間產(chǎn)物及以后發(fā)生的變化都相當(dāng)復(fù)雜，但最終都會(huì)產(chǎn)生其反應(yīng)路線特征性的幾類香氣物質(zhì)，目前已報(bào)道的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物中揮發(fā)性香味物質(zhì)包括醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、酚類、烯類、呋喃類以及吡咯、吡啶、吡嗪等氮雜環(huán)化合物。

圖4 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物主要揮發(fā)性成分的GC-MS總離子流色譜圖Fig.4 Total ion chromatograms of main volatile contents of Maillard reaction products by GC-MS

表4 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物揮發(fā)性成分分析Table 4 The main volatile contents analysis of Maillard reaction products

經(jīng)GC-MS分析共鑒定出91種化合物，其中主要包括表4所列出的43種物質(zhì)，這主要包括醇、酮、酸、酯及醚5大類。被檢出的成分中醋酸乙酯含量最高，占20.38%；其次是丁基異氰酸乙酸酯，占10.16%。此外還有微量的糠醛，四氫糖醇具有相同的苦杏仁香味。

從已鑒定出的結(jié)果看，反應(yīng)在產(chǎn)生特征香氣以外，還形成了以下幾種致香物質(zhì)：二丁基硫醚為青葉香氣，這香氣多用于配制蔥蒜類、花果型及果香型香精；乙酸乙酯、鈦酸二乙酯、醋酸乙酯、丁基異氰酸乙酸酯主要香氣特征是清甜的水果香氣，可以起到協(xié)調(diào)葉組配方的香氣，減少雜氣作用；此外，1,1-二乙氧基乙烷、醋酸、乙醇都具有揮發(fā)性的香味并且都是食品行業(yè)中常用的調(diào)味劑或香精。

3 結(jié)論

影響木糖母液美拉德反應(yīng)的因素多而復(fù)雜，其中pH值、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素對(duì)美拉德反應(yīng)的完成程度和產(chǎn)物的香氣有重要影響。本研究在單因素試驗(yàn)的條件下，通過(guò)正交試驗(yàn)，確定木糖母液美拉德反應(yīng)的最佳工藝條件為反應(yīng)溫度105 ℃、反應(yīng)時(shí)間3.0 h、pH值12。最終通過(guò)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行GC-MS分析以確定木糖母液美拉德反應(yīng)產(chǎn)物中的致香組分，結(jié)果表明，含有的丁基異氰酸乙酸酯、醋酸、醋酸乙酯、二丁基硫醚、1,1-二乙氧基乙烷、鈦酸二乙酯等都是常用的香精和調(diào)味劑。

綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)木糖母液美拉德反應(yīng)最佳工藝條件的確定以及揮發(fā)性成分的分析，最終得出木糖母液美拉德反應(yīng)產(chǎn)物揮發(fā)性成分主要有醇，酮，酸，酯及醚五大類，其中多種揮發(fā)性物質(zhì)為常用的食品添加劑，為木糖母液生產(chǎn)一種新型的食品調(diào)味劑增加了理論依據(jù)，提供了木糖母液綜合利用的一種新思路。

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