干熱條件下殼聚糖-木糖的美拉德反應

（青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109）

干熱條件下殼聚糖-木糖的美拉德反應

李艷龍，黃國清，肖軍霞*

（青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109）

以木糖為模式還原糖，研究干熱條件下殼聚糖與木糖發(fā)生美拉德反應的可能性，探討反應溫度、相對濕度、反應時間和殼聚糖/木糖配比4個因素對美拉德反應的影響，并對在最適條件下獲得的美拉德反應產物的熱性能和流變學性質進行表征。結果表明，在干熱條件下殼聚糖與木糖易于發(fā)生美拉德反應，且發(fā)生反應的最適條件為將兩者按1∶1質量比例混合，在90℃及61.2%的相對濕度條件下反應4 h。在此條件下獲得的殼聚糖-木糖美拉德反應產物的熱分解溫度與殼聚糖相比有所降低，流變學研究表明美拉德反應產物在溶液中的彈性明顯增強。

殼聚糖；木糖；美拉德反應；干熱法

殼聚糖是由幾丁質通過脫乙?；频?，幾丁質廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲外殼以及真菌和一些藻類的細胞壁中，其在自然界的含量僅次于纖維素[1]。殼聚糖具有無毒、生物相容、可降解、可控釋等優(yōu)點，因此在敏感成分微囊化、食品添加劑、澄清劑等都有極大的應用潛力[2-10]。但是殼聚糖只溶于酸性溶液，這在很大程度上限制了其應用，殼聚糖的改性已成為近年來研究的熱點。殼聚糖的改性方法總體可分為物理改性和化學改性，物理改性包括聚電解質復合和小分子無機物填充等，而化學改性主要包括?；Ⅳ然萚11]。改性后的殼聚糖，其水溶性有很大的改善，而且具有更好的抗氧化和抗菌性等功能性質[12-15]。

美拉德反應又稱羰氨反應，是食品中的氨基化合物（氨基酸、肽、蛋白質和胺）和羰基化合物（糖類）在食品加工和貯存過程中發(fā)生的反應，是引起食品非酶褐變的主要因素之一[16]。美拉德反應可使蛋白質糖基化，因此該反應在蛋白質改性中的應用已經吸引了眾多學者的關注[17-21]。殼聚糖含有大量的游離氨基，因此也可與還原糖發(fā)生美拉德反應進而引起其性質的改變。目前，已報道的利用美拉德反應對殼聚糖進行改性的方法主要有兩種，分別是濕熱法和半干熱法。在濕熱法中，將殼聚糖與還原糖溶解在酸性溶液中，然后加熱使兩者在溶液狀態(tài)下發(fā)生美拉德反應；半干熱法是在濕熱法的基礎上，將殼聚糖與還原糖的混合溶液干燥后在一定濕度條件下保溫使兩者在粉末狀態(tài)下發(fā)生反應?，F(xiàn)有的研究表明，美拉德反應可以顯著提高殼聚糖的溶解性和抗菌活性[22-25]，因此在殼聚糖的改性中具有很大的應用潛力。

但是，上述兩種美拉德反應改性方法操作過程繁瑣，能源消耗較大，而且反應產物中可能有酸性溶劑殘留，因此不太適合工業(yè)化應用。本實驗以木糖為還原糖，使其與殼聚糖在干熱條件下，即將兩者的固體粉末直接混合均勻后使之在一定溫度和相對濕度條件下發(fā)生美拉德反應，研究環(huán)境因素對兩者美拉德反應的影響，以探討在干熱條件下兩者發(fā)生美拉德反應的可能性，并對美拉德反應產物的部分特性進行表征。本研究對于推動美拉德反應在殼聚糖改性中的實際應用具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（脫乙酰度大于90.0%） 上海藍季科技發(fā)展有限公司；D-木糖（分析純） 天津市化學試劑公司；乙酸、鹽酸、氯化鎂、溴化鈉、碘化鉀（均為分析純） 天津市巴斯夫化工有限公司。

1.2 儀器與設備

302型電熱鼓風干燥器 龍口市先科儀器公司；UV-2000紫外-可見分光光度計 上海尤尼科儀器有限公司；色彩色差計 柯尼卡美能達投資有限公司；DSC822差示掃描量熱儀 梅特勒-托利多公司；MCR302界面流變儀 奧地利Anton Paar股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 殼聚糖-木糖美拉德反產物的制備

準確稱取一定量殼聚糖與木糖，在研缽中充分研磨混勻后放入康威氏皿內室，在外室中加入飽和鹽溶液，然后將康威氏皿放入恒溫箱中，使殼聚糖與木糖在一定溫度和一定濕度條件下反應一定時間。反應結束后，將反應物冷卻至室溫，檢測美拉德反應發(fā)生的程度。

1.3.2 殼聚糖-木糖美拉德反應的檢測

1.3.2.1 比色法

美拉德反應中間階段和最終階段產生的物質分別在290 nm和420 nm波長處有吸收[26]，因此可用290 nm和420 nm波長處的吸光度表示美拉德反應的程度。準確稱取反應產物0.25 g溶于50 mL 1%乙酸溶液中，待溶液澄清后，取上清液分別于290 nm和420 nm波長處測定吸光度。

1.3.2.2 色度值法

研究過程中發(fā)現(xiàn)，當美拉德反應的程度過高時會導致形成不溶性產物，此時用比色法就不能準確反映美拉德反應的進程。由于美拉德反應會使殼聚糖的顏色加深，因此本研究同時測定了美拉德反應產物的L值。L值越小，表明樣品的顏色越深，美拉德反應程度越高。稱取適量（大于3 g）樣品，將其盛入4 cm的小型透明真空袋內，試樣要保證表面平整光滑，然后用色彩色差計測定反應物的L值，每個樣品平行測定3次。

1.3.3 殼聚糖-木糖美拉德反應條件的優(yōu)化

1.3.3.1 反應溫度對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

稱取研磨均勻的殼聚糖和木糖各3.0 g，選取60、70、80、90、100℃溫度條件下，在由飽和碘化鉀溶液（61.2%）提供相對濕度的情況下反應6 h后，冷卻至25℃，測定美拉德反應發(fā)生的程度。

1.3.3.2 相對濕度對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

稱取研磨均勻的殼聚糖和木糖各3.0 g，分別在飽和氯化鎂溶液（26.1%）、飽和溴化鈉溶液（51.4%）、飽和碘化鉀溶液（61.2%）、飽和氯化鈉溶液（73.9%）控制相對濕度的條件下，于90℃反應6 h后，冷卻至25℃，測定美拉德反應發(fā)生的程度。

1.3.3.3 反應時間對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

稱取研磨均勻的殼聚糖和木糖各3.0 g，于90℃和相對濕度61.2%條件下，分別反應2、3、4、5 h和6 h。反應結束后，冷卻至25℃，測定美拉德反應發(fā)生的程度。

1.3.3.4 混合比例對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

稱取研磨均勻的殼聚糖3 g，然后按照2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2的質量比稱取木糖，將兩者混合均勻，于相對濕度61.2%，90℃反應4 h后，冷卻至25℃，測定美拉德反應發(fā)生的程度。

1.3.4 美拉德反應產物的表征

1.3.4.1 熱性能

稱取5 mg殼聚糖-木糖美拉德反應物于鋁盤中密封，以空鋁盤為參照，置于DSC822差示掃描量熱儀中，以氮氣對吹掃氣，升溫速率設為5℃/min，測定反應產物的熱性能。

1.3.4.2 流變學性質

稱取0.25 mg殼聚糖-木糖美拉德反應物或對照溶于50 mL 1%乙酸溶液中，測定其流變學性質。所選夾具為夾角2°、直徑6 cm的錐板，測試間距離為0.047 mm，測試溫度為25℃。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每種樣品每次均測定3個平行，結果以表示，采用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析。組間差異顯著性分析采用方差分析中的Tukey HSD測試，顯著水平小于0.05時認為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖-木糖美拉德反應條件的優(yōu)化

2.1.1 反應溫度對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

由圖1可知，在60～90℃范圍內，隨著反應溫度的升高，美拉德反應產物在290 nm和420 nm波長條件下的吸光度均隨之顯著增加，但是當溫度進一步升至100℃時，其在這兩個波長處吸光度均顯著降低。從圖1還可以看出，在60℃和70℃時，在420 nm波長處的吸光度低于290 nm波長處的吸光度，表明此時美拉德反應主要發(fā)生在中間階段；但是當溫度進一步升高到80℃和90℃時，420 nm波長處的吸光度開始大于290 nm波長處的吸光度，表明此時美拉德反應到了最終階段。

圖1 反應溫度對殼聚糖-木糖美拉德反應產物吸光度的影響Fig.1 Effect of reaction temperatures on the absorbance of chitosan-xylose Maillard reaction products

圖2 反應溫度對殼聚糖-木糖美拉德反應產物色度值的影響Fig.2 Effect of temperature on the L value of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖2可知，隨著反應溫度的升高，美拉德反應產物的L值顯著降低，ΔL逐漸變小，表明美拉德反應產物顏色隨之加深。這說明，殼聚糖-木糖美拉德反應的程度隨溫度的升高而逐漸增加，且在100℃時美拉德反應最為強烈，這與100℃時吸光度的測定結果不一致。這是由于在100℃時反應過于強烈，美拉德反應進入了最終階段，產生了大量的不溶性高分子聚合物，使得美拉德反應產物在溶液中的溶解度和吸光度降低。由于溶解性的降低不利于殼聚糖的實際應用，因此在隨后的研究中選擇90℃為最適反應溫度。

2.1.2 相對濕度對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

圖3 相對濕度對殼聚糖-木糖美拉德反應產物吸光度的影響Fig.3 Effect of relative humidity on the absorbance of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖3可知，相對濕度對殼聚糖-木糖美拉德反應的進程有顯著影響。當相對濕度為26.1%時，在2個波長條件下的吸光度均最小，表明低濕度不利于殼聚糖-木糖美拉德反應的發(fā)生，或者反應進行的較快，美拉德反應進入了后期，形成了不溶性高分子聚合物，導致吸光度減小。當相對濕度為61.2%時，美拉德反應產物在290 nm波長處的吸光度最大，當相對濕度進一步增加時，該波長處的吸光度開始降低；另外，在相對濕度為51.4%時，420 nm波長處的吸光度最大，表明在此相對濕度條件下有利于美拉德反應進入到最終階段。

圖4 相對濕度對殼聚糖-木糖美拉德反應產物色度值的影響Fig.4 Effect of relative humidity on the L value of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖4可知，不同相對濕度條件下殼聚糖-木糖美拉德反應產物色度值有差異，在相對濕度為26.1%時的L值最小，表明此條件下產物的顏色最深，結合圖3可以說明，在低濕度條件下，殼聚糖-木糖美拉德反應進行較快，達到反應末期形成了高聚合物，溶解性降低，導致吸光度減小。相對濕度為61.2%時L值較相對濕度為51.4%和73.9%時小，說明反應程度較高，結合吸光度變化，在隨后的研究中均選擇相對濕度為61.2%。

2.1.3 反應時間對殼聚糖-木糖美拉德反應的影響

圖5 反應時間對殼聚糖-木糖美拉德反應產物吸光度的影響Fig.5 Effect of reaction duration on the absorbance of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖5可知，在反應時間為2～4 h時，隨著反應時間的延長，在290 nm和420 nm波長處的吸光度隨之顯著增加，表明美拉德反應程度隨之加大；當反應時間延長至5 h時，420 nm波長處的吸光度顯著增加，而290 nm波長處的吸光度顯著降低，說明美拉德反應的中間階段產物進一步反應生成了最終階段產物，導致在290 nm波長處的吸光度減??；當反應時間延長至6 h時，290 nm波長處的吸光度又顯著增加，但是420 nm波長處的吸光度開始降低。這可能是由于隨著時間的延長，美拉德反應逐漸進入到最終階段，導致產物的溶解性降低，因此使得420 nm波長處的吸光度降低，而290 nm波長處的吸光度反而有所增加，這表明當反應時間進一步延長時，由于殼聚糖晶體結構被破壞，更多的殼聚糖分子參與了美拉德反應，因此使其在290 nm波長處的吸光度又開始顯著增加。

圖6 反應時間對殼聚糖-木糖美拉德反應產物色度值的影響Fig.6 Effect of reaction duration on the L value of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖6可知，殼聚糖-木糖美拉德反應產物的色度值變化規(guī)律與圖5的變化規(guī)律基本一致，即反應時間為2～4 h時，色度值隨著反應時間的延長逐漸降低，表明美拉德反應程度隨時間的延長而增加；而當反應進行到5 h時，其色度值有所上升，這可能是由于殼聚糖晶體結構被破壞，更多的活性基團暴露出來，因此在一定程度上降低了產物整體的色度值；當反應時間進一步延長時，色度值繼續(xù)顯著降低，表明美拉德反應程度進一步增加。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，反應4 h時產物的溶解性較好，當反應時間過長時，產物的溶解性顯著下降，這與圖5中美拉德反應進入最終階段的分析一致。因此，在隨后的研究中，選擇4 h為最適反應時間。

2.1.4 殼聚糖與木糖的混合比例對美拉德反應的影響

圖7 殼聚糖與木糖質量比對美拉德反應產物吸光度的影響Fig.7 Effect of chitosan to xylose ratio on the absorbance of chitosan-xylose Maillard reaction product

由圖7可知，隨著殼聚糖與木糖反應配比的減小，在290 nm波長處的吸光度逐漸增加，當殼聚糖-木糖質量比為1∶2時，美拉德反應產物在290 nm波長處的吸光度最大；當配比為1∶1時，殼聚糖-木糖美拉德反應產物在420 nm波長處的吸光度最大，但是當配比減小時吸光度開始降低；這可能是由于隨著殼聚糖-木糖質量比的減小，沒有足夠的殼聚糖參與美拉德反應的最終階段造成的。

圖8 殼聚糖與木糖配比對美拉德反應產物色度值的影響Fig.8 Effect of chitosan to xylose ratio on the L value of chitosan-xylose Maillard reaction product

由圖8可知，殼聚糖-木糖美拉德反應產物的色度值變化規(guī)律與圖7的變化規(guī)律基本一致。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，殼聚糖-木糖質量比為1∶1時產物的溶解性較好，當二者配比增大或減小時，產物的溶解性開始顯著下降。因此，在隨后的研究中，選擇殼聚糖-木糖質量比為1∶1作最適反應配比。

2.2 殼聚糖-木糖美拉德反應產物的表征

2.2.1 熱性能

圖9 殼聚糖-木糖美拉德反應物的熱性質Fig.9 DSC pattern of chitosan-xylose Maillard reaction products

從圖9可以看出，最適條件下所得的殼聚糖-木糖美拉德反應物、單獨加熱的殼聚糖和木糖及其兩者的混合物（對照）在100℃附近出現(xiàn)了一個明顯的吸熱峰，該溫度附近的吸熱峰通常是由于水分蒸發(fā)引起的，表明這些樣品中均含有一定的水分；另外，木糖及對照在150℃附近均出現(xiàn)了一個明顯的吸熱峰，這是由于木糖的晶體結構在此溫度條件下被破壞而引起；另外，單獨加熱的殼聚糖在280℃附近開始出現(xiàn)明顯的放熱峰，表明在此溫度下殼聚糖開始分解，而美拉德反應物在250℃左右處即開始出現(xiàn)放熱峰，這可能是由于美拉德反應產生了一些更易于分解的產物，因此使得該放熱峰得以提前。

2.2.2 殼聚糖-木糖美拉德反應物的流變學性質

2.2.2.1 殼聚糖-木糖美拉德反產物的黏彈性

圖10 殼聚糖-木糖美拉德反應產物的頻率掃描曲線Fig.10 Frequency sweeping patterns of chitosan-xylose Maillard reaction products

由圖10可知，殼聚糖-木糖的美拉德反應產物的儲能模量和損失模量均明顯高于殼聚糖與木糖簡單混合物的模量值，表明美拉德反應增加了殼聚糖分子間或分子內的相互作用，使得分子之間的纏繞力增加，從而使得模量值增加；另外，美拉德反應產物的儲能模量在整個頻率范圍內均高于損失模量，表明美拉德反應產物在溶液中主要表現(xiàn)膠體的彈性性質。因此，殼聚糖與木糖的美拉德反應可顯著改變殼聚糖的黏彈性性質。

2.2.2.2 最適條件下殼聚糖-木糖美拉德反應物的黏度

圖11 殼聚糖和木糖的簡單混合物的流變學特性Fig.11 Dynamic viscosity curve of chitosan-xylose mixture

圖12 殼聚糖-木糖美拉德反應產物的流變學特性Fig.12 Dynamic viscosity curve of chitosan-xylose Maillard reaction products

殼聚糖和木糖的簡單混合物溶解后的動態(tài)黏度曲線如圖11所示，在最適條件下得到的美拉德反應產物的動態(tài)流變學曲線如圖12所示。2個樣品的黏度均隨著剪切速率的增加而急劇降低，然后保持恒定，表明這兩種混合物溶液均在低轉速下均表現(xiàn)出了明顯的假塑性流體的特性，但是在高剪切速率下其黏度隨剪切速率的變化不明顯，表現(xiàn)為明顯的牛頓液體特性；當剪切力逐漸消除時，其黏度均能恢復，表明兩者均具有良好的觸變性。同時還可以看出，殼聚糖-木糖美拉德反應產物的初始黏度遠遠高于兩者的簡單混合物，表明美拉德反應引發(fā)了大分子物質的形成，從而使得所得產物在溶液中的分子間或分子內的相互作用急劇增加，這與頻率掃描的結果一致。

3 結 論

殼聚糖與木糖在干熱條件下可發(fā)生美拉德反應，反應的最適條件為反應溫度90℃、相對濕度61.2%、反應時間4 h和殼聚糖與木糖混合質量比例1∶1，熱能性和流變學研究表明殼聚糖與木糖通過美拉德反應形成了易熱分解的中間產物，并且產生了高分子物質，使得產物在溶液中的彈性增強。與濕熱法和半干熱法相比，本實驗提出的干熱法工藝步驟更加簡單，無需溶解和干燥等步驟，因此能耗更低。尚需進一步對改性殼聚糖的性質進行研究，并與濕熱法和干熱法進行系統(tǒng)的比較，以推動美拉德反應在殼聚糖改性中的實際應用。

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Maillard Reaction between Chitosan and Xylose in Dry State

LI Yanlong, HUANG Guoqing, XIAO Junxia*
(College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

This experiment explored the possibility of the Maillard reaction between chitosan and xylose in the dry heat state and investigated the effects of reaction temperature, relative humidity, reaction duration, and mixing ratio on the reaction. Meanwhile, the thermal behavior and rheological properties of the resultant Maillard reaction products were characterized as well. The results indicated that the Maillard reaction between chitosan and xylose occurred readily in the dry state and the optimum conditions were determined as follows: chitosan-xylose mixing ratio, 1:1; reaction temperature, 90 ℃; relative humidity, 61.2%; and reaction duration, 4 h. The resultant Maillard reaction products displayed a reduced thermal degradation temperature compared with chitosan. Rheological measurement s revealed greatly enhanced elastic property in solution.

chitosan; xylose; Maillard reaction; dry heat method

TS202.3

A

1002-6630（2015）12-0001-06

10.7506/spkx1002-6630-201512001

2014-08-06

國家自然科學基金青年科學基金項目（31101391）；青島農業(yè)大學校高層次人才啟動基金項目（631415）

李艷龍（1989—），男，碩士研究生，研究方向為生物大分子綠色改性技術。E-mail：lylfood@sina.com

*通信作者：肖軍霞（1977—），女，教授，博士，研究方向為天然產物化學與微囊化。E-mail：xjxfood@qau.edu.cn