基于木糖母液美拉德反應及其產物揮發(fā)性成分研究

吳凱強，王雅穎，紀麗麗，郭 健，應知偉，宋文東*

（1.浙江海洋學院 食品與醫(yī)藥學院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋學院 石化與能源工程學院，浙江 舟山 316022；3.浙江海洋學院海洋科學與技術學院，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行分離，但價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。而在我國北方，因大量生產木糖而產生大量木糖母液，對其的有效利用成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題之一。

美拉德反應[6]在近幾十年來一直是食品化學、食品工藝學、營養(yǎng)學、香料化學等領域的研究熱點[7-10]。因為美拉德反應是加工食品色澤和濃郁芳香的各種風味的主要來源，特別是對于一些傳統(tǒng)的加工工藝過程（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，美拉德反應對食品的營養(yǎng)價值也有重要的影響[14-15]，既可能由于消耗了食品中的營養(yǎng)成分或降低了食品的可消化性而降低食品的營養(yǎng)價值，也可能因在加工過程中生成抗氧化物質而增加其營養(yǎng)價值。

現已有研究報道利用單糖為原料進行糖焦化實驗[16-18]，對于傳統(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行美拉德反應的相關報道。L-谷氨酸常被用作代鹽劑、營養(yǎng)增補劑、鮮味劑，廣泛應用于烹飪和食品加工中。本實驗以廢棄的木糖母液為研究對象，將其與L-谷氨酸進行美拉德反應，采用正交試驗確定最佳反應條件，并對其反應產物的揮發(fā)性成分采用氣相色譜-質譜（gas charomatography-mass spectrometer，GC-MS）法進行分析測定，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問題，為開發(fā)一種天然的食品調味劑提供理論依據。

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）：國藥集團化學試劑有限公司；其他試劑均為國產分析純；實驗用水為蒸餾水。

1.2 儀器與設備

SHT型攪拌數顯恒溫電熱套：山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；UV1100紫外分光光度計：上海美普達公司；AR124CN 電子天平：奧豪斯儀器有限公司；SHIMADZU QP-2010 Plus 氣相色譜-質譜聯用儀：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→調節(jié)pH→控制溫度→美拉德反應→乙醚萃取揮發(fā)性物質→氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）檢測揮發(fā)性成分

1.3.2 美拉德反應

L-谷氨酸標準溶液的配制：準確稱取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攪拌至溶解；移至100 mL容量瓶中定容，靜置3 min，即得1 mol/LL-谷氨酸標準溶液。

美拉德反應：準確稱取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸標準溶液，充分攪拌后，用10%NaOH調節(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間。冷卻后，用紫外分光光度計在波長490 nm處測定吸光度值。

美拉德反應的程度由反應后溶液的吸光度值作為依據，以未反應的溶液作為參比溶液，測定美拉德反應后溶液在波長490 nm處的吸光度值。

1.3.3 美拉德反應產物分析

最佳工藝條件下的產物，使用SHIMADZUQP-2010Plus GC-MS進行分析，測定產物成分。

質譜條件：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 ℃；質量掃描范圍35～550m/z，譜圖檢索采用Wiley9.L和Nist08.L進行檢索。

1.3.4 影響美拉德反應的單因素試驗

準確稱取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸標準溶液，充分攪拌后，用10%NaOH分別調節(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，用紫外分光光度計在波長490 nm處測定吸光度值，考察反應溫度、時間及pH值對美拉德反應的影響。

1.3.5 美拉德反應的正交試驗設計

以反映美拉德反應程度的吸光度值為考察指標，通過單因素試驗考察溫度、時間、pH對美拉德反應程度的影響，初步確定影響美拉德反應各因素的范圍，然后在單因素試驗的基礎上，采用L9（33）正交試驗設計對反應條件進一步優(yōu)化，其因素與水平表見表1。

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

2 結果與分析

2.1 反應溫度對美拉德反應的影響

反應溫度對美拉德反應程度的影響見圖1。由圖1可知，當溫度在90 ℃時，美拉德反應程度較低，之后隨著反應溫度的上升，美拉德反應程度也隨之上升，當溫度達到105 ℃時，美拉德反應的程度最強，而在110 ℃時反應程度有較大幅度的下降。由此推斷，105 ℃為美拉德反應最適溫度，溫度過高，L-谷氨酸經過脫氨酸、脫碳酸反應，發(fā)生分解，此時美拉德反應不能有效地進行。因此，木糖母液和L-谷氨酸在105 ℃的溫度條件下反應最佳。

圖1 反應溫度對美拉德反應程度的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on the Maillard reaction

2.2 反應時間對美拉德反應的影響

反應時間對美拉德反應程度的影響見圖2。由圖2可知，反應初期美拉德反應褐變程度隨時間的增加而增加，當時間達到2.5 h時，美拉德反應的程度最強，之后木糖母液褐變程度有所下降，這可能是因為反應底物濃度的減少或L-谷氨酸在長時間高溫下發(fā)生分解造成的。因此，綜合香味、色差、舒適感等方面進行綜合評價認為，在2.5 h時，美拉德反應的效果最佳。

圖2 反應時間對美拉德反應程度的影響Fig.2 Effect of reaction time on the Maillard reaction

2.3 pH對美拉德反應的影響

pH對美拉德反應程度的影響見圖3。由圖3可知，當pH值為4時，美拉德反應的程度較低，之后隨著pH值的增加，美拉德反應程度也隨之增加，在pH值為10時，木糖母液美拉德反應的程度最強，之后隨著pH的增加，反應程度有較大幅度的下降。美拉德反應一般隨pH的升高而加劇，酸性介質中，美拉德反應受到抑制，堿性介質中則加強。羧氨縮合是一個可逆的過程。在酸性條件下，葡糖氨重排，產物較易質子化，另外，酸性時羧氨縮合產物很容易水解。羧氨縮合過程封閉了游離的氨基，反應體系pH值就下降，所以堿性條件下有利于羧氨反應。因此當pH值為10時，美拉德反應的程度最佳。

圖3 p H對美拉德反應程度的影響Fig.3 Effect p H on the Maillard reaction

2.4 美拉德反應條件優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗的基礎上，采用正交試驗對美拉德反應條件進行優(yōu)化，結果與分析見表2，方差分析見表3。

由表2可知，對美拉德反應程度影響的主次關系為B＞C＞A，即反應時間＞pH值＞反應溫度。根據正交試驗得到的最佳條件為A2B3C3，即反應溫度為105 ℃，反應時間為3.0 h，pH值為12。在此最佳反應條件下進行驗證試驗，吸光度值為1.910，說明美拉德反應褐變程度最強。

由表3可知，反應溫度、時間及pH值對結果影響均不顯著（P＞0.05）。

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

表3 正交試驗結果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 木糖母液美拉德反應產物GC-MS分析

木糖母液美拉德反應產物通過GC-MS檢測，所得可能的揮發(fā)性成分總離子流色譜圖如圖4所示，各主要組分鑒定結果見表4。美拉德反應一般可以分成2個反應階段，3條反應路線。初級美拉德反應不引起褐色變化，也不產生食品香味。其中關鍵的一步是Amadori重排，其產物是極重要的不揮發(fā)性的香味前驅物。高級美拉德反應包括3條主要反應路線，而每條反應路線生成的中間產物及以后發(fā)生的變化都相當復雜，但最終都會產生其反應路線特征性的幾類香氣物質，目前已報道的美拉德反應產物中揮發(fā)性香味物質包括醇類、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 美拉德反應產物主要揮發(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 美拉德反應產物揮發(fā)性成分分析Table 4 The main volatile contents analysis of Maillard reaction products

經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，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。

從已鑒定出的結果看，反應在產生特征香氣以外，還形成了以下幾種致香物質：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)中常用的調味劑或香精。

3 結論

影響木糖母液美拉德反應的因素多而復雜，其中pH值、反應時間、反應溫度等因素對美拉德反應的完成程度和產物的香氣有重要影響。本研究在單因素試驗的條件下，通過正交試驗，確定木糖母液美拉德反應的最佳工藝條件為反應溫度105 ℃、反應時間3.0 h、pH值12。最終通過對產物進行GC-MS分析以確定木糖母液美拉德反應產物中的致香組分，結果表明，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味劑。

綜上所述，本研究通過對木糖母液美拉德反應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產物揮發(fā)性成分主要有醇，酮，酸，酯及醚五大類，其中多種揮發(fā)性物質為常用的食品添加劑，為木糖母液生產一種新型的食品調味劑增加了理論依據，提供了木糖母液綜合利用的一種新思路。

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