基于L-抗壞血酸非酶褐變反應(yīng)研究進(jìn)展

馮亮, 楊艷*, 劉雙雙, 譚淳, 余愛(ài)農(nóng)

1 (湖北民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 恩施，445000) 2 (生物資源保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北民族大學(xué))，湖北 恩施，445000)

非酶褐變反應(yīng)是沒(méi)有酶參與的褐變反應(yīng)，廣泛存在于食品的熱處理和貯存過(guò)程，可賦予食物特殊的風(fēng)味，加深食物的顏色，對(duì)食品品質(zhì)的評(píng)價(jià)有非常重要的影響。非酶褐變反應(yīng)主要包括Maillard反應(yīng)[1-2]、焦糖化反應(yīng)和L-抗壞血酸(L-ascorbic acid, ASA)非酶褐變。其中Maillard反應(yīng)主要是還原糖與氨基酸、蛋白質(zhì)之間的反應(yīng)，其本質(zhì)是羰基-氨基發(fā)生一系列的復(fù)雜反應(yīng)。焦糖化反應(yīng)是糖類化合物(尤其是單糖)在無(wú)水條件下加熱或用稀酸溶液處理，通過(guò)脫水、縮合等多步反應(yīng)最終生成褐色物質(zhì)的反應(yīng)[3]。L-抗壞血酸又稱維生素C，具有隱性羰基及類糖結(jié)構(gòu)，它不僅自身可以發(fā)生非酶褐變，還可以與氨基酸、蛋白質(zhì)發(fā)生Maillard反應(yīng)[4-5]，同時(shí)L-抗壞血酸還可作為天然抗氧化劑或添加劑應(yīng)用于食品的加工生產(chǎn)過(guò)程。L-抗 壞血酸的降解可為食物帶來(lái)特別的風(fēng)味與色澤，但如果反應(yīng)條件不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，危害人類健康。

研究基于L-抗壞血酸的非酶褐變反應(yīng)，可以更好且有效地把控食品品質(zhì)，對(duì)食品的生產(chǎn)加工及貯存有非常重要的指導(dǎo)意義。本文圍繞L-抗壞血酸非酶褐變過(guò)程進(jìn)行了綜述，主要從其自降解過(guò)程的特點(diǎn)、與氨基酸Maillard反應(yīng)生成的風(fēng)味物質(zhì)、褐變過(guò)程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征等方面進(jìn)行了敘述。本文旨在為食品工業(yè)中基于L-抗壞血酸的非酶褐變研究提供參考。

1 L-抗壞血酸自降解非酶褐變反應(yīng)

食品加工或貯存過(guò)程，L-抗壞血酸的降解可分為有氧降解和無(wú)氧降解。在現(xiàn)實(shí)情況中，這兩種降解途徑可能同時(shí)存在。

1.1 L-抗壞血酸無(wú)氧降解

HUELIN[6]研究了L-抗壞血酸在不同pH水溶液中降解生成二氧化碳的含量；FINHOLT等[7]研究了L-抗壞血酸在不同pH環(huán)境下的無(wú)氧降解速率；KURATA 等[8]提出了L-抗壞血酸在酸性環(huán)境下降解生成糠醛的反應(yīng)機(jī)理；SMOOT等[9]在研究葡萄柚汁中L-抗壞血酸的濃度變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)在無(wú)氧條件下，L-抗壞血酸基本不會(huì)生成脫氫抗壞血酸，而是逐步降解生成糠醛；何平等[10]研究了L-抗壞血酸在注射液中的降解；VERNIN等[11]研究發(fā)現(xiàn)，L-抗壞血酸在無(wú)溶劑條件下加熱到300 ℃或在丙二醇中加熱到180 ℃，最終會(huì)降解生成糠醛。

L-抗壞血酸的無(wú)氧降解主要經(jīng)過(guò)水解、脫羧、脫水和成環(huán)等步驟，其主要機(jī)理如圖1所示[8,10-12]。

圖1 L-抗壞血酸的無(wú)氧降解

在無(wú)氧情況下，L-抗壞血酸首先經(jīng)過(guò)水解、脫羧形成戊糖，然后戊糖進(jìn)一步脫水、烯醇互變生成二羰基化合物，高活性的二羰基化合物在不同的反應(yīng)條件下，降解生成小分子物質(zhì)或環(huán)化生成糠醛。

1.2 L-抗壞血酸有氧降解

文獻(xiàn)報(bào)道[13-15]，在有氧條件下，L-抗壞血酸首先氧化生成脫氫抗壞血酸，然后經(jīng)水解開(kāi)環(huán)生成2,3-二酮-L-古洛酸，其反應(yīng)路徑如圖2所示。

圖2 L-抗壞血酸的有氧降解

早期人們研究發(fā)現(xiàn)，L-抗壞血酸在中性和堿性條件下降解的最終產(chǎn)物為草酸、乳酸等有機(jī)酸[13]。KIMOTO 等[14]對(duì)脫氫抗壞血酸的降解產(chǎn)物進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其降解產(chǎn)物包含2-糠酸、3-羥基-2-吡喃酮、5-甲基-3,4-二羥基戊酮等；SOLOMON等[16]研究氧氣對(duì)L-抗壞血酸降解的影響發(fā)現(xiàn)溶解氧對(duì)脫氫抗壞血酸的形成有著顯著影響；SAWAMURA等[17]、DEUTSCH[18]研究發(fā)現(xiàn)脫氫抗壞血酸和2,3-二酮-L-古洛酸是其降解中間物質(zhì)，這些中間產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)生成小分子；YUAN等[15]用HPLC檢測(cè)了L-抗壞血酸在酸性條件下的降解產(chǎn)物。

1.3 L-抗壞血酸降解動(dòng)力學(xué)研究

關(guān)于L-抗壞血酸的動(dòng)力學(xué)研究，學(xué)者們一般認(rèn)為L(zhǎng)-抗壞血酸在溶液中首先電離出質(zhì)子，然后再降解生成各種無(wú)色活性中間體，最后各種高活性物質(zhì)相互縮合生成褐色大分子。不同反應(yīng)條件下L-抗壞血酸的自降解動(dòng)力學(xué)特征見(jiàn)表1。

表1 不同條件下L-抗壞血酸的自降解動(dòng)力學(xué)

2 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)

L-抗壞血酸因?yàn)榫哂袧撛诘聂驶M分且與人們生活息息相關(guān)，因此近些年來(lái)，研究基于L-抗壞血酸的Maillard反應(yīng)成為了另一研究熱點(diǎn)。

2.1 L-抗壞血酸與氨基酸非酶褐變

L-抗壞血酸與氨基酸發(fā)生Maillard反應(yīng)，反應(yīng)底物首先會(huì)發(fā)生裂解生成小分子化合物，這些小分子化合物沒(méi)有顏色但具有很高的反應(yīng)活性。這些高活性化合物易與其他小分子醛酮或含氮、硫化合物發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)，而這些揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)生成褐色大分子化合物。

2.1.1 無(wú)色中間體的生成

Maillard反應(yīng)的前期反應(yīng)會(huì)生成一些含共軛結(jié)構(gòu)的小分子化合物，這些化合物在紫外區(qū)294 nm處有特殊吸收峰[26]。對(duì)于無(wú)色中間體的檢測(cè)，大多采用紫外-可見(jiàn)光分光光度法進(jìn)行分析檢測(cè)。無(wú)色中間體的系列研究如表2所示。

表2 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)無(wú)色中間體的生成

鄧啟輝等[27-28]研究了不同pH條件下，L-抗壞血酸與L-脯氨酸、L-丙氨酸的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系溶液pH為5～6時(shí)，無(wú)色中間體的吸光度值達(dá)到最大；ZHOU等[5，29-30]研究了不同質(zhì)量濃度的L-抗壞血酸/L-谷氨酸、L-天冬氨酸在堿性環(huán)境中的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)L-抗壞血酸濃度的影響更大；唐樂(lè)攀[31]研究了L-抗 壞血酸與L-半胱氨酸的反應(yīng)；李亞[32]研究了不同pH值下(4.5、 6.8、8.0、9.5)L-抗壞血酸與甘氨酸的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同pH值對(duì)褐變影響較大，之后她又研究了L-抗壞血酸與L-蘇氨酸、L-色氨酸以及3種堿性氨基酸的反應(yīng)；余科[33]用過(guò)量濃度法研究了L-抗壞血酸與甘氨酸的反應(yīng)。

2.1.2 褐色物質(zhì)的生成

褐色物質(zhì)的生成主要發(fā)生在L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)后期，其產(chǎn)物也是采用紫外-可見(jiàn)光分光光度法進(jìn)行檢測(cè)。褐色物質(zhì)的系列研究如表3所示。

表3 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)褐色物質(zhì)的生成

李任強(qiáng)等[34]研究了L-抗壞血酸與堿性氨基酸、芳香族氨基酸的Maillard反應(yīng)；鄧啟輝等[27-28]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系pH為5～6時(shí)，褐色物質(zhì)有最大吸光度值；較高濃度的L-抗壞血酸與L-谷氨酸、L-天冬氨酸在堿性條件下更有利于褐色物質(zhì)的生成[5,29-30]；唐樂(lè)攀[31]的研究發(fā)現(xiàn)，L-抗壞血酸與L-半胱氨酸反應(yīng)生成的褐色物質(zhì)在較高溫度時(shí)速率較大；李亞[32]發(fā)現(xiàn)L-抗壞血酸與甘氨酸在pH值為4.5時(shí)，生成褐色物質(zhì)速率最快，同時(shí)她發(fā)現(xiàn)L-蘇氨酸與L-色氨酸對(duì)反應(yīng)溫度和時(shí)間較為敏感；余科[33]的研究發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境更有利于褐色物質(zhì)的生成。

2.2 L-抗壞血酸與氨基酸Maillard反應(yīng)風(fēng)味物質(zhì)研究

關(guān)于L-抗壞血酸/氨基酸Mailalrd反應(yīng)，一般認(rèn)為在加熱條件下，L-抗壞血酸首先降解生成乙醛、丙酮醛、丙酮醇、1,2-二羰基和1,3-二羰基等一系列小分子化合物[35-36]，如圖3所示。

圖3 L-抗壞血酸的降解

對(duì)于L-抗壞血酸降解反應(yīng)生成揮發(fā)性小分子化合物主要利用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行分析檢測(cè)。這些小分子化合物反應(yīng)活性高，與氨基酸降解生成的小分子物質(zhì)(一般為—NH2)進(jìn)一步反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)。如與不含硫氨基酸反應(yīng)主要生成吡嗪及吡嗪類衍生物；與含硫氨基酸反應(yīng)生成的揮發(fā)性物質(zhì)比較復(fù)雜，此時(shí)不僅有吡嗪及吡嗪類衍生物，還會(huì)有噻唑及噻唑類衍生物或噻吩類化合物生成。

2.2.1L-抗壞血酸與不含硫氨基酸的Maillard反應(yīng)

學(xué)者對(duì)L-抗壞血酸與不含硫氨基酸的Maillard反應(yīng)路徑研究如圖4所示[36-37]。

圖4 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)中吡嗪類化合物的形成

ADAMS等[38]研究了L-抗壞血酸與多種氨基酸反應(yīng)生成吡嗪的反應(yīng)；YU等[39-40]對(duì)比研究了不同pH條件下L-抗壞血酸與L-丙氨酸的反應(yīng)，還研究了L-抗壞血酸與L-絲氨酸、L-蘇氨酸的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性物質(zhì)大多為烷基吡嗪，另外還有一些呋喃類和醛類化合物；TAN等[41]對(duì)比研究了L-抗壞血酸與L-谷氨酸、L-天冬氨酸Maillard反應(yīng)，提出了吡嗪可能的生成機(jī)理，并用同位素標(biāo)記法進(jìn)行研究[36]；李亞[32]發(fā)現(xiàn)溶液的pH值對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)種類與形成有顯著影響；ZHOU等[29]報(bào)道過(guò)量的L-抗壞血酸會(huì)促進(jìn)揮發(fā)性物質(zhì)的生成。

2.2.2L-抗壞血酸與含硫氨基酸Maillard反應(yīng)

YU等[42]報(bào)道了L-抗壞血酸與L-半胱氨酸的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性物質(zhì)主要為噻吩、噻唑、吡嗪、噻吩并噻吩類及噻吩酮；LUO等[43]研究了尿素對(duì)L-抗壞血酸與L-蛋氨酸反應(yīng)的影響，劉應(yīng)煊等[44-45]研究了肌肽和尿素對(duì)L-抗壞血酸和L-半胱氨酸反應(yīng)的影響；YU等[35]使用13C標(biāo)記的L-抗壞血酸與L-半胱氨酸反應(yīng)，提出了含硫香味化合物的形成機(jī)理；YANG等[46]研究了不同pH條件下L-抗壞血酸與L-蛋氨酸Maillard反應(yīng)形成香味化合物的機(jī)制；譚志偉等[47]研究了水分含量對(duì)L-抗壞血酸與L-半胱氨酸Maillard反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)的影響。L-抗壞血酸與含硫氨基酸(主要為L(zhǎng)-半胱氨酸)Maillard反應(yīng)，硫化合物的生成如圖5所示。

圖5 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)硫化物的形成

2.3 L-抗壞血酸與氨基酸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究，可以讓人們更好地預(yù)測(cè)與把控食品質(zhì)量。研究者主要對(duì)底物消耗、無(wú)色中間體和褐色物質(zhì)的生成動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究。L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究模型如圖6所示。

圖6 L-抗壞血酸/氨酸酸動(dòng)力學(xué)模型

一般認(rèn)為L(zhǎng)-抗壞血酸和氨基酸經(jīng)第一步降解分別生成中間產(chǎn)物，其中L-抗壞血酸的中間產(chǎn)物可以進(jìn)一步反應(yīng)生成無(wú)色中間體，而氨基酸的中間產(chǎn)物需要與L-抗壞血酸的中間產(chǎn)物共同反應(yīng)生成無(wú)色中間體，這些無(wú)色中間體在反應(yīng)的最后階段發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，最終生成褐變產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)氨基酸自降解褐變較難發(fā)生，一般忽略不計(jì)。L-抗壞血酸/氨基酸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究如表4所示。

表4 L-抗壞血酸/氨基酸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

研究發(fā)現(xiàn)[30-32]，底物的消耗大多遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)特征，總體表現(xiàn)為二級(jí)動(dòng)力學(xué)特征，而揮發(fā)性物質(zhì)的生成動(dòng)力學(xué)較為復(fù)雜，無(wú)色中間體和褐色物質(zhì)的生成符合零級(jí)或準(zhǔn)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征。用經(jīng)典過(guò)量濃度法研究基于L-抗壞血酸與氨基酸Maillard反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表明[33,48-49]，褐色物質(zhì)的生成也符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)L-抗壞血酸/氨基酸反應(yīng)中褐色物質(zhì)的生成需經(jīng)過(guò)一個(gè)誘導(dǎo)期，在誘導(dǎo)期內(nèi)主要生成物為無(wú)色中間體。

3 L-抗壞血酸非酶褐變反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)食品的影響

3.1 積極影響

非酶褐變反應(yīng)，尤其是Maillard反應(yīng)在食品中廣泛存在，其產(chǎn)物具有抗氧化作用[27-28]?？寡趸镏饕獮轭惡诰錇镸aillard反應(yīng)后期形成的一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聚合度不等的高分子混合物。研究表明，類黑精具有抗氧化、抗菌、抗腫瘤、降血糖等生物活性。除了抗氧化作用外，Maillard反應(yīng)還可以改善食品的品質(zhì)[50]。

3.2 消極影響

2002年，人們首次報(bào)道了丙烯酰胺的形成機(jī)理，認(rèn)為在食品熱加工過(guò)程中，食品中的天冬酰胺與羰基化合物發(fā)生Maillard反應(yīng)也會(huì)形成丙烯酰胺。而丙烯酰胺具有潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有神經(jīng)毒性、基因毒性和生殖毒性。另外，在食品熱加工過(guò)程中，伴隨著Maillard反應(yīng)的發(fā)生，會(huì)生成5-羥甲基糠醛。在一些動(dòng)物模型和體外細(xì)胞模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，5-羥甲基糠醛在體內(nèi)和體外會(huì)轉(zhuǎn)化成磺酸氧甲基糠醛和5-氯甲基糠醛，而這兩種物質(zhì)同時(shí)也具有強(qiáng)致癌性和基因毒性。Maillard反應(yīng)的后期也會(huì)形成晚期糖基化末端產(chǎn)物，研究發(fā)現(xiàn)它們與糖尿病以及各種腎臟、血管疾病等都有著一定的聯(lián)系。

關(guān)于L-抗壞血酸參與的Maillard反應(yīng)，需待食品研究工作者做進(jìn)一步的研究與探討，完善Maillard反應(yīng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。