文 宋越冬 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院

食品化學(xué)是食品科學(xué)與工程專業(yè)課之一，是一門(mén)強(qiáng)理論重實(shí)驗(yàn)的課程。在山東理工大學(xué)（以下稱我校）影響Maillard反應(yīng)初始階段因素為食品化學(xué)新開(kāi)實(shí)驗(yàn)課，課內(nèi)課時(shí)4，本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)旨在鞏固學(xué)生對(duì)Maillard反應(yīng)原理的掌握，提高綜合分析和解決褐變問(wèn)題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生初步開(kāi)展研究性實(shí)驗(yàn)的意識(shí)。Maillard在其初始階段，反應(yīng)進(jìn)程會(huì)受到反應(yīng)物種類、反應(yīng)條件等因素影響，從而使得反應(yīng)產(chǎn)物、產(chǎn)量和進(jìn)程不同。為了讓實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理、確保在教學(xué)課時(shí)內(nèi)完成教學(xué)目標(biāo)，教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案做統(tǒng)籌分析、精確設(shè)計(jì)，最終形成一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、安全系數(shù)高、符合我校學(xué)生學(xué)情的教學(xué)方法?，F(xiàn)就該設(shè)計(jì)做一總結(jié)，以期為工科院校食品科學(xué)與工程專業(yè)開(kāi)設(shè)本實(shí)驗(yàn)提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1.選擇具有代表性的反應(yīng)物 讓實(shí)驗(yàn)結(jié)論全面反映實(shí)驗(yàn)原理

Maillard是還原糖和蛋白質(zhì)和氨基酸之間的反應(yīng)，反應(yīng)物不同，反應(yīng)速度和反應(yīng)產(chǎn)物不同。因此，反應(yīng)物要有代表性和全面性，這就要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師要充分理解實(shí)驗(yàn)原理，選擇出符合科學(xué)規(guī)律的反應(yīng)物。對(duì)于糖類，采用還原糖，并用非還原糖作為對(duì)照；還原糖的結(jié)構(gòu)上要有差異，在多次預(yù)備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上最終選擇半乳糖、葡萄糖、果糖作為反應(yīng)物，用非還原蔗糖作對(duì)照。氨基酸既要考慮酸性、中性和堿性氨基酸對(duì)反應(yīng)的影響。同時(shí)，要考慮到氨基位置的差異；綜合多因素后選擇賴氨酸、谷氨酸和甘氨酸，分別代表堿性、酸性和中性氨基酸，同時(shí)也能驗(yàn)證不同位置的氨基對(duì)反應(yīng)的影響性。實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)，可以很好地驗(yàn)證反應(yīng)物對(duì)Maillard反應(yīng)的影響，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備情況 設(shè)計(jì)反應(yīng)條件

反應(yīng)體系的酸堿度和溫度，對(duì)Maillard反應(yīng)的進(jìn)程、產(chǎn)物和反應(yīng)速率都有影響，因此設(shè)計(jì)合理有效的反應(yīng)條件，則更能體現(xiàn)科學(xué)規(guī)律。在反應(yīng)體系酸堿度方面，設(shè)計(jì)三種pH值，分別是酸性（pH〈3）、中性（6〈pH〈7.2）和堿性（pH〉9） 。而反應(yīng)溫度方面分別是室溫（25℃-30℃）、90℃水浴和120℃電熱恒溫箱恒溫。該設(shè)計(jì)方法是在充分考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，并易于學(xué)生操作的綜合前體下得出地。高溫可使得Maillard反應(yīng)加速，較為理想的方法是采用油浴將溫度升到烘焙常用溫度150℃，但因?yàn)楸究粕膶?shí)驗(yàn)樣本量大，普通油浴鍋滿足不了實(shí)驗(yàn)需求，選擇實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備—電熱恒溫箱，將溫度設(shè)定為120℃而非150℃是考慮到實(shí)驗(yàn)安全性問(wèn)題。上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)踐操作中，學(xué)生可以在兩課時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)處理，為后續(xù)測(cè)定預(yù)留出必要的時(shí)間，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诮虒W(xué)計(jì)劃課時(shí)內(nèi)順利完成。

3.設(shè)計(jì)要有辯證觀 構(gòu)建可行性強(qiáng)并易于操作的實(shí)驗(yàn)方案

Maillard反應(yīng)初期階段，除了受溫度、反應(yīng)物、酸堿度和反應(yīng)時(shí)間的影響外，還會(huì)受抑制劑影響，抑制劑的加入能顯著降低Maillard反應(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)中采用加入2%的Na2S2O3作為抑制劑，但在預(yù)實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)，在近紫外區(qū)測(cè)吸光度時(shí)，該處理卻比對(duì)照吸光度高，這顯然違背實(shí)驗(yàn)事實(shí)。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的比色波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)Na2S2O3具有較高的吸光度，所以在最終實(shí)驗(yàn)方案中，該處理不測(cè)近紫外區(qū)（285nm）吸光度，只做5-羥甲基糠醛（HMF）含量測(cè)定。實(shí)驗(yàn)證明，調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加精準(zhǔn)，更符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間階段設(shè)定了三個(gè)時(shí)長(zhǎng)（30、60、90min），在溫度處理上采用水?。?0℃）和電熱恒溫箱恒溫（120℃）處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)不同處理間因?yàn)檎舭l(fā)造成最終體積不同，并引起反應(yīng)體系中物質(zhì)濃度的差異，所以在實(shí)驗(yàn)中增加一個(gè)步驟：用蒸餾水補(bǔ)足體積到跟空白相同（12mL）。實(shí)踐證明，本步驟能有效降低因加熱造成實(shí)驗(yàn)誤差，讓實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論能更精準(zhǔn)反應(yīng)Maillard反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

4.設(shè)計(jì)方案要充分考慮學(xué)情 做必要的輔助講解

教育從來(lái)不是一蹴而就的，要遵從循序漸進(jìn)原則，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也同樣如此。在本實(shí)驗(yàn)中，HMF是Maillard反應(yīng)初始階段的反應(yīng)產(chǎn)物之一，是反應(yīng)速率的重要指標(biāo)，其含量測(cè)定方法是利用其跟對(duì)氨基甲苯和巴比妥酸在酸性條件下的顯色反應(yīng)，需要用到分光光度計(jì)。然而，在本實(shí)驗(yàn)時(shí)，我校學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)分光光度計(jì)的使用。盡管分光光度計(jì)工作原理、操作方法不是本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，然而如果不講解，學(xué)生實(shí)際操作中會(huì)出現(xiàn)諸多原則性錯(cuò)誤。因此，在授課時(shí)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟做了合理調(diào)整，具體為：在學(xué)生將樣品做處理后（即樣品進(jìn)行加熱時(shí)），這個(gè)時(shí)段會(huì)有一個(gè)等待時(shí)間，最短反應(yīng)時(shí)間為30min，利用這個(gè)空擋，教師講解分光光度計(jì)工作原理，具體包括波長(zhǎng)選擇原理、顯色劑用量選擇原理，講解操作規(guī)范及操作，讓每個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。實(shí)踐證明，該方法彌補(bǔ)了學(xué)生知識(shí)缺陷，并為后續(xù)其它相關(guān)實(shí)驗(yàn)打下較好的操作基礎(chǔ)。

5.將數(shù)據(jù)分析方法融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 以培養(yǎng)學(xué)生研究問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力

教育教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)工程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不只是讓學(xué)生了解原理、掌握操作技術(shù)，更應(yīng)該讓學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)原理、理解并掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，方能得出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這些技能的獲得是一個(gè)漸變的過(guò)程，這就要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在上課時(shí)候要因勢(shì)利導(dǎo)、由簡(jiǎn)到繁教授給學(xué)生。在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了六個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)三個(gè)水平并重復(fù)三次，樣本量較大。面對(duì)近百個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于剛讀大二的學(xué)生而言會(huì)感覺(jué)無(wú)從下手。那么，如何讓學(xué)生從紛雜的數(shù)據(jù)中得出正確結(jié)論？為了解決這個(gè)問(wèn)題，指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)步驟講解時(shí)，要強(qiáng)調(diào)單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)講解數(shù)據(jù)處理的一般方法、重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否具有可信性以及是否采用原則；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，及時(shí)查驗(yàn)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、指出偏離實(shí)驗(yàn)規(guī)律的處理、分析誤差產(chǎn)生的原因及補(bǔ)救措施，并給學(xué)生預(yù)留出補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間。實(shí)踐證明，這些教學(xué)方法的實(shí)施，可以有效提高學(xué)生分析復(fù)雜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，有利于學(xué)生養(yǎng)成正確的科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀，并為后續(xù)其它實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)打下必要的基礎(chǔ)。

6.充分利用教學(xué)課時(shí) 培養(yǎng)學(xué)生辯證思維能力 增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

教育從來(lái)不是只局限于課堂時(shí)間，也從來(lái)不是僅為課堂服務(wù)，教育的目的是要塑造具有創(chuàng)新人格的學(xué)生。因此，教師要利用一切可能的機(jī)會(huì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生辯證思維觀。具體到本實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)驗(yàn)操作完成之后的總結(jié)階段，要有意識(shí)的引導(dǎo)學(xué)生思考Maillard反應(yīng)跟人類生活與健康關(guān)系，指出雖然Maillard反應(yīng)是烘焙類食品香氣的主要來(lái)源，但是Maillard反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害性即晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）及其危害性問(wèn)題?，F(xiàn)有研究證明，AGEs在人體內(nèi)的積累會(huì)加劇人體的氧化應(yīng)激反應(yīng)和組織損傷等變化，是導(dǎo)致人體患腎病、心腦血管疾病、糖尿病和神經(jīng)性疾病等的主要原因之一，特別是對(duì)中老年人作用更加明顯。教師要充分利用教學(xué)課時(shí)，讓學(xué)生了解AGEs對(duì)人體危害的嚴(yán)重性，并引導(dǎo)學(xué)生思考怎么降低晚期糖基化問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論中是否可以找到有效途徑？即從烘焙原料、加工方式等方面創(chuàng)出低AGEs的產(chǎn)品：比如，用蕎麥等雜糧代替部分面粉、無(wú)糖或低糖措施、較低溫度、微酸環(huán)境等；同時(shí)跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)，食品糧油加工車間常年對(duì)學(xué)生開(kāi)放，歡迎同學(xué)們到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些方法，在加深學(xué)生對(duì)美拉德反應(yīng)原理的理解之外，還能增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，并能提高學(xué)生辯證思維能力，為培養(yǎng)學(xué)生科研思維打下了必要基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

影響Maillard反應(yīng)初始階段因素實(shí)驗(yàn)是一個(gè)兼具設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)，其集反應(yīng)物類型、溫度、時(shí)間、酸堿度、抑制劑等諸多因素于一體，將設(shè)計(jì)和綜合較好地融合在一起，是一個(gè)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思維能力、動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不但掌握了影響Maillard反應(yīng)的六大因素，了解了紫外分光光度計(jì)工作原理、掌握了使用方法，更在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段初步掌握了科研設(shè)計(jì)的基本原理；在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃外，本實(shí)驗(yàn)還可以讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，得出抑制Maillard反應(yīng)的基本方法，從而拓展思維，找到降低AGEs的基本途徑，這對(duì)提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有較好的促進(jìn)作用。本實(shí)驗(yàn)從原料的選擇、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的構(gòu)建以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等方面都做到了合理設(shè)計(jì)。因此，本實(shí)驗(yàn)方法實(shí)用性強(qiáng)，具有可推廣性，可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合操作能力和創(chuàng)新能力，本方法能為工科院校食品專業(yè)開(kāi)設(shè)本實(shí)驗(yàn)提供可借鑒依據(jù)。