葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反應(yīng)動(dòng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122）

葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反應(yīng)動(dòng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)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(duì)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(dòng)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(jí)動(dòng)力學(xué)，褐色物質(zhì)的生成和pH的變化符合零級(jí)動(dòng)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(jí)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(dòng)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(chǔ)藏過(guò)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(duì)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(duì)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(guó)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(lái)決定反應(yīng)條件，無(wú)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(dòng)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(duì)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(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。

恒溫油浴鍋 無(wú)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(jiàn)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(guó)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(cè)定方法

1.2.2.1 葡萄糖殘余量的測(cè)定 采用高效液相色譜法測(cè)定反應(yīng)體系中葡萄糖的殘余量[6]。將美拉德反應(yīng)液過(guò)氨基萃取小柱后，采用美國(guó)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(dòng)相：乙腈∶水=70∶30；流速：1mL/min；檢測(cè)器：示差檢測(cè)器。

1.2.2.2 半胱氨酸殘余量的測(cè)定 半胱氨酸濃度的測(cè)定采用呂營(yíng)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(cè)定 反應(yīng)液的pH采用梅特勒-托利多SevenEasy pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2.4 反應(yīng)液顏色物質(zhì)的測(cè)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(lái)表征[8-9]。將反應(yīng)液稀釋后采用UV2800紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在420nm處測(cè)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(dòng)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(jí)動(dòng)力學(xué)[10-11]，420nm吸光值和pH變化符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)[12-13]，因此分別采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)和零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬美拉德反應(yīng)過(guò)程，模型公式如下：

式中：A0和A為測(cè)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(duì)美拉德反應(yīng)速率的影響，采用Arrhennius方程來(lái)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(duì)溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)美拉德反應(yīng)底物濃度變化的影響

反應(yīng)溫度對(duì)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?。欢S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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(guò)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(shuō)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(shuō)明在較高的反應(yīng)溫度條件下，體系在高級(jí)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(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 不同反應(yīng)溫度條件下反應(yīng)動(dòng)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(guò)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(huì)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(shuō)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(shuō)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(duì)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(jí)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(guò)動(dòng)力學(xué)分析可以看出，底物濃度的變化速率符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，褐色物質(zhì)的生成和pH的變化則符合零級(jí)動(dòng)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(guó)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(guó)家級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（星火計(jì)劃）（2008GA690137）。