反應(yīng)條件對(duì)葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)體系中糠醛類化合物形成的影響

李玉真

（1.乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436；2.江南大學(xué)食品營養(yǎng)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇無錫 214122）

糠醛類化合物是一類含有呋喃環(huán)的小分子化合物。食品中常見的糠醛類化合物主要有5-羥甲基糠醛（5-Hydroxymethylfurfural，HMF）、2-糠 醛（2-Furfural，F(xiàn)）、2-呋喃甲基酮（2-Furyl-methyl ketone，F(xiàn)MC）和5-甲基糠醛（5-Methyl-2-furfural，MF）等。有研究表明，HMF 具有致癌性、致突變性、器官毒性和遺傳毒性等潛在危害[1?4]；F 具有較大的潛在遺傳毒性和生殖毒性，被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為第三類致癌物質(zhì)[5]；MF 和F 曾被報(bào)道通過與細(xì)胞DNA 反應(yīng)具有誘變特性[6]。雖然糠醛類化合物具有潛在的毒性，但是限量范圍內(nèi)作為食品添加劑使用還是安全的。我國《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2760-2014）指出，F(xiàn) 和MF 允許作為食品用香料使用；美國環(huán)境保護(hù)署規(guī)定平均體重為70 kg 的人，每日攝入F 的最大值為0.2 mg[7]；歐盟食品安全局給出每人每日攝入HMF 最大參考值為1.6 mg；聯(lián)邦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究所指出HMF 的允許攝入量為4～30 mg/人/日[1]。因此，食品中糠醛類化合物的含量及影響因素的研究廣受關(guān)注。

糠醛類化合物廣泛存在于咖啡、果汁、牛奶、蜂蜜、面包、干果、醋等多種熱加工食品中，鮮少被發(fā)現(xiàn)存在于新鮮和未加工的食品中[8?12]。研究發(fā)現(xiàn)，糠醛類化合物易產(chǎn)生于食品熱處理或長期儲(chǔ)存過程中，主要是由碳水化合物在酸性條件下脫水形成，或在美拉德反應(yīng)過程中產(chǎn)生[13?14]。美拉德反應(yīng)是氨基化合物和羰基化合物之間發(fā)生的非酶褐變反應(yīng)，在含有糖和蛋白質(zhì)的食品中廣泛存在?？啡╊惢衔锸桥c食品新鮮度和質(zhì)量有關(guān)的識(shí)別參數(shù)，常被用來評(píng)價(jià)加工方法的質(zhì)量和最終產(chǎn)品的感官特性[9]?？啡╊惢衔锏纳闪渴艿襟w系pH、加熱溫度以及糖和氨基酸的種類和濃度的影響[15?23]。溫度對(duì)美拉德反應(yīng)具有很大的影響，溫度越高其反應(yīng)速率越快，HMF 的生成量也隨著反應(yīng)溫度的增加明顯增多，甚至呈指數(shù)增長[24?26]。Zhang 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，隨著烘烤溫度和時(shí)間的增加，海綿蛋糕中HMF 和F 的生成量逐漸增加。本課題組[28]前期的研究也證實(shí)，較高的處理溫度，可激發(fā)牛奶中產(chǎn)生更多的HMF 和F，它們?cè)诟鞣N牛奶中的含量對(duì)比為：超高溫滅菌奶（135～150 ℃，2～4 s）>超高壓巴氏殺菌奶（115～121 ℃，2～4 s）>高溫短時(shí)巴氏殺菌奶（72～75 ℃，10～15 s）。

為了研究美拉德反應(yīng)體系中糠醛類化合物的形成規(guī)律，探究反應(yīng)條件對(duì)其生成量的影響，科研人員主要采用還原糖和氨基酸反應(yīng)體系進(jìn)行研究。目前，大部分研究主要關(guān)注HMF 的生成。Zhang 等[18]選用葡萄糖、蔗糖和半胱氨酸、谷氨酸、亮氨酸建立了6 種糖-氨基酸模型，研究發(fā)現(xiàn)，隨著糖和氨基酸（除半胱氨酸外）含量、溫度和反應(yīng)時(shí)間的增加，HMF 的生成量增加；低pH 可以促進(jìn)HMF 的形成；HMF 的形成在葡萄糖-半胱氨酸/谷氨酸/亮氨酸和蔗糖-亮氨酸模型中符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，在蔗糖-谷氨酸模型中符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。曾世通等[29]研究了葡萄糖-丙氨酸美拉德反應(yīng)體系中HMF 的形成，發(fā)現(xiàn)HMF的生成量隨著pH 增加而減少，隨著加熱時(shí)間的延長而逐漸增加，在12 h 時(shí)達(dá)到最大值。盧鍵媚等[22]基于果糖/蔗糖/葡萄糖-檸檬酸反應(yīng)體系，研究發(fā)現(xiàn)pH降低和溫度升高可促進(jìn)HMF 的形成，70～100 ℃時(shí)，HMF 的形成符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。王丹等[30]采用木糖、果糖、葡萄糖和賴氨酸分別構(gòu)建了3 種焦糖化和3 種美拉德反應(yīng)體系，在120 ℃油浴鍋中分別加熱10～120 min 進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著加熱時(shí)間延長，兩種體系中HMF 的含量均逐漸升高，但F 僅在焦糖化體系中生成（尤其是木糖體系），在三種美拉德反應(yīng)體系中均未被檢出。

本研究以食品中廣泛存在的葡萄糖和常用添加劑甘氨酸（結(jié)構(gòu)最為簡單的天然氨基酸）構(gòu)成的美拉德反應(yīng)體系為研究模型，采用高效液相色譜法測(cè)定糠醛類化合物（主要包括HMF、F 和MF）的生成量，研究葡萄糖與甘氨酸的初始摩爾濃度比、體系初始pH、加熱溫度和加熱時(shí)間等對(duì)美拉德反應(yīng)體系中糠醛類化合物生成量的影響，并預(yù)測(cè)它們的形成動(dòng)力學(xué)。本研究有望為控制熱加工食品中糠醛類化合物的含量提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

HMF（純度98%，色譜純）、F（純度99.5%，色譜純）、FMC（純度95.5%，色譜純）、MF（純度99.6%，色譜純）德國Dr.Ehrenstorfer 公司；葡萄糖、甘氨酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

AL104 電子天平、PE28-Standard pH 計(jì)梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SBH200D 恒溫金屬浴 英國比比科技有限公司；Milli-Q 超純水儀 默克化工技術(shù)（上海）有限公司；1200 高效液相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 葡萄糖-甘氨酸反應(yīng)體系的構(gòu)建 將葡萄糖、甘氨酸配制成0.2 mol/L 的溶液，準(zhǔn)確移取4 mL 溶液置于15 mL 耐高溫的玻璃管中，擰緊蓋子密封，金屬浴加熱進(jìn)行美拉德反應(yīng)，反應(yīng)后取出置于冰水浴中迅速冷卻至室溫（25 ℃）。

1.2.2 原料配比對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響 以pH 為7 的磷酸鹽緩沖溶液為溶劑，配制葡萄糖與甘氨酸的添加比例（摩爾濃度比）分別為1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1 和4:1的溶液，加熱溫度為90 ℃，加熱時(shí)間為3 h，進(jìn)行美拉德反應(yīng)并檢測(cè)反應(yīng)液中HMF、F 和MF 的含量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.3 體系初始pH 對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響 分別精確稱取一定質(zhì)量的Na2HPO4和NaH2PO4，用去離子水配制成0.2 mol/L的溶液，將二者按一定比例混合，并用少量1 mol/L HCl 或NaOH 調(diào)整pH 為 3、5、7、9 和11，即得準(zhǔn)確配制的不同pH 的磷酸鹽緩沖溶液。以其為溶劑，將葡萄糖和甘氨酸按照物質(zhì)的量比1:1 配制成0.2 mol/L的混合溶液，加熱溫度為110 ℃，加熱時(shí)間為5 h，進(jìn)行美拉德反應(yīng)并檢測(cè)反應(yīng)液中HMF、F 和MF 的含量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.4 加熱時(shí)間對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響 加熱時(shí)間分別為1、2、3、4、5 和6 h，加熱溫度為90 ℃，葡萄糖和甘氨酸的物質(zhì)的量之比為1:1，進(jìn)行美拉德反應(yīng)并檢測(cè)反應(yīng)液中HMF、F 和MF 的含量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.5 加熱溫度對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響 加熱溫度分別為70、90、110和130 ℃，加熱3 h，葡萄糖和甘氨酸的物質(zhì)的量之比為1:1，進(jìn)行美拉德反應(yīng)并檢測(cè)反應(yīng)液中HMF、F 和MF 的含量，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.6 糠醛類化合物含量的測(cè)定 采用高效液相色譜法（HPLC）[28]測(cè)定樣品中的HMF、F 和MF 的含量，具體液相色譜條件如下：

色譜柱：Waters Atlantis T3 柱（3.0 mm×15 cm，3 μm）；流動(dòng)相A 為超純水，流動(dòng)相B 為乙腈；0～18.0 min，5%～65% B；18.0～20.0 min，65%～95% B；20.0～22.0 min，95% B；22.0～22.1 min，95%～5% B；22.1～30.0 min，5% B；流速：0.6 mL/min；色譜柱溫度：30 ℃；進(jìn)樣量：5 μL；紫外-可見檢測(cè)器檢測(cè)波長：280 nm。

采用外標(biāo)一點(diǎn)法計(jì)算了樣品中的糠醛類化合物含量，詳細(xì)的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[28]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用零級(jí)動(dòng)力學(xué)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)兩種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的變化規(guī)律進(jìn)行分析，公式如下：

式中，Ct：檢測(cè)指標(biāo)在任意時(shí)間的濃度值（μmol/L）；C0：檢測(cè)指標(biāo)的起始濃度值（μmol/L）；t：美拉德反應(yīng)時(shí)間（h）；k0和k1：零級(jí)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，單位分別為μmol/（L·h）和h?1。

式中，k 為動(dòng)力學(xué)常數(shù)；A 為指前因子，也稱為Arrhenius 常數(shù)，單位與k 相同；Ea為表觀活化能，單位為kJ/mol，通常來說，Ea越小，反應(yīng)越容易進(jìn)行；R 為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T 為絕對(duì)溫度，單位為K。

將ln k 對(duì)1/T 作圖，當(dāng)其近似為一條直線時(shí)，由該直線的斜率和截距即可得到指前因子A 和表觀活化能Ea。

模型擬合度的評(píng)價(jià)指標(biāo)：回歸系數(shù)（R2）、精確因子（Af）、偏差因子（Bf）和均方根誤差（RMSE）等參數(shù)通常用作模型的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)[31?32]。Af、Bf和R2的值越接近1，模型擬合得越好。

精確因子（Af）：用于評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的偏離度，其計(jì)算公式為：

偏差因子（Bf）：用于判斷實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的大小關(guān)系，是過大預(yù)測(cè)（Bf>1）、過小預(yù)測(cè)（Bf<1）還是精確預(yù)測(cè)（Bf=1），其計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 糠醛類化合物的高效液相色譜分析

標(biāo)準(zhǔn)品和美拉德反應(yīng)樣品中糠醛類化合物的HPLC 分析如圖1 所示，其中，以pH3，加熱溫度為130 ℃，加熱5 h 條件下得到的美拉德反應(yīng)樣品為例。可以看出，四種糠醛類化合物HMF、F、FMC 和MF 能夠很好地被分開，說明選定的HPLC 測(cè)定條件能夠很好地測(cè)定美拉德反應(yīng)樣品中的糠醛類化合物。本課題組采用該HPLC 分析方法已成功對(duì)多種樣品中糠醛類化合物進(jìn)行了檢測(cè)研究[28,33?34]。

圖1 美拉德反應(yīng)樣品（A）和標(biāo)準(zhǔn)品（B）中糠醛類化合物的高效液相色譜圖Fig.1 Chromatograms of furfural compounds in Maillard reaction samples (A) and standards (B)

本研究葡萄糖-甘氨酸模擬體系樣品中很少能檢測(cè)到FMC，因此，本研究主要針對(duì)HMF、F 和MF進(jìn)行測(cè)定。

2.2 原料配比對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響

反應(yīng)體系pH 為7，90 ℃加熱3 h，葡萄糖和甘氨酸的添加比例對(duì)糠醛類化合物生成量的影響如圖2 所示，隨著葡萄糖和甘氨酸的摩爾濃度比由1:4 增加到1:1，HMF、F 和MF 的生成量均逐漸增大，其中HMF 的增速最大，當(dāng)葡萄糖和甘氨酸的添加比例由1:1 增加到4:1 時(shí)，F(xiàn) 和MF 的生成量則逐漸減小，而HMF 的生成量繼續(xù)增大，但增速趨緩，這說明葡萄糖含量的增加有利于HMF 的生成。有報(bào)道指出單一糖溶液模擬體系在加熱時(shí)，也可以經(jīng)由焦糖化途徑生成HMF[18,35]，本文的研究結(jié)果也恰好證明了這一點(diǎn)。當(dāng)葡萄糖和甘氨酸的添加摩爾濃度比為1:1 時(shí)，F(xiàn) 和MF 的生成量最大，HMF 的生成量雖未達(dá)到最大值，但據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，葡萄糖和甘氨酸通過美拉德反應(yīng)生成HMF 的分子個(gè)數(shù)之比為1:1[36?37]，因此，后續(xù)關(guān)于反應(yīng)條件對(duì)美拉德反應(yīng)體系中糠醛類化合物形成的研究，選擇葡萄糖和甘氨酸的添加摩爾濃度比為1:1。

圖2 葡萄糖與甘氨酸配比對(duì)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響Fig.2 Effect of concentration ratio of glucose to glycine on the formation of furfural compounds in model system

2.3 體系初始pH 對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響

由于在90 ℃，加熱3 h 條件下，當(dāng)pH>7 時(shí)，未檢測(cè)到HMF、F 和MF，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)較寬pH 范圍（pH3～11）的研究。故選擇在110 ℃，加熱5 h 條件下，研究體系不同初始pH 對(duì)葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)體系中糠醛類化合物生成量的影響。由圖3 中可以看出，隨著體系初始pH 從3 增加到7，反應(yīng)體系中HMF 的生成量急劇減小，從1431.64 μmol/L迅速減少到34.84 μmol/L；當(dāng)體系初始pH 從7 增加到11 時(shí)，反應(yīng)體系中HMF 的含量呈平緩減少趨勢(shì)。說明酸性環(huán)境更有利于HMF 的生成，這與文獻(xiàn)報(bào)道的葡萄糖-丙氨酸、蔗糖-半胱氨酸、蔗糖-谷氨酸、蔗糖-亮氨酸等美拉德反應(yīng)體系中HMF 生成量隨體系初始pH 的變化趨勢(shì)基本一致[18,29]。其原因可能是：反應(yīng)體系pH 的降低促進(jìn)了葡萄糖發(fā)生烯醇化反應(yīng)生成3-脫氧葡萄糖醛酮，并進(jìn)一步降解形成HMF[38?39]。

圖3 體系初始pH 對(duì)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響Fig.3 Effect of the initial pH on the formation of furfural compounds in model system

模擬體系中F 的生成量隨著體系初始pH 從3 增加到7 而逐漸增大，當(dāng)pH 從7 增加到11，F(xiàn) 的生成量雖有增加，但增幅不大，說明在110 ℃時(shí)，中性和堿性環(huán)境有利于F 的生成，而酸性環(huán)境不利于F 的生成。MF 的生成量在pH 為5 時(shí)達(dá)到最大值。

總體而言，當(dāng)加熱溫度110 ℃，加熱5 h 時(shí)，初始pH<7 時(shí)，HMF 的生成量最多；初始pH≥7 時(shí)，三種糠醛類化合物中F 的生成量最多；HMF、F 和MF的總生成量隨著pH 的增加而迅速減少，并有趨于平衡的趨勢(shì)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可通過適當(dāng)提高反應(yīng)體系pH 來抑制糠醛類化合物的形成。

2.4 加熱時(shí)間對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響

在90 ℃，體系初始pH 為7 的條件下，不同加熱時(shí)間對(duì)葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)模擬體系中糠醛類化合物的影響如圖4 所示。從圖中可以看出，隨著加熱時(shí)間的延長，葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)模擬體系中HMF、F 和MF 的生成量均逐漸升高，這與已有文獻(xiàn)報(bào)道葡萄糖-丙氨酸和葡萄糖/蔗糖-半胱氨酸/谷氨酸/亮氨酸美拉德反應(yīng)體系中HMF 的生成量隨加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)一致[18,29]。在加熱1～6 h 的過程中，HMF 的生成量由0.36 μmol/L 增加至2.93 μmol/L；F 的生成量由1.23 μmol/L 增加至30.80 μmol/L；MF 的生成量由0.12 μmol/L 增加至2.78 μmol/L。HMF 的生成量與加熱時(shí)間之間呈現(xiàn)出指數(shù)增加的關(guān)系，所得擬合方程為ln C（t）=0.4139 t+ln 0.2903（R2=0.9501），符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；F 的生成量與加熱時(shí)間之間成線性關(guān)系，得到的線性擬合方程為C（t）=5.7972 t–5.1545（R2=0.9882），符合零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；MF 的生成量與加熱時(shí)間之間也成線性關(guān)系，擬合方程為C（t）=0.5466 t–0.6242（R2=0.9793），符合零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

圖4 加熱時(shí)間對(duì)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響Fig.4 Effect of heating time on the formation of furfural compounds in model system

2.5 加熱溫度對(duì)葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響

在緩沖溶液初始pH 為7，加熱3 h 的條件下，不同加熱溫度對(duì)葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響如圖5 所示。整體而言，溫度明顯影響反應(yīng)體系中糠醛類化合物HMF、F 和MF 的形成，溫度越高，它們的生成量越大。其中，70 ℃時(shí)，未檢測(cè)到MF，F(xiàn)（0.12 μmol/L）的生成量大于HMF（0.08 μmol/L）；90 ℃和110 ℃，F(xiàn) 的生成量分別為13.32 μmol/L 和61.37 μmol/L，HMF 的生成量分別為1.03 μmol/L 和17.30 μmol/L，MF 的生成量分別為0.93 μmol/L 和21.33 μmol/L，可見，F(xiàn) 的生成量明顯大于HMF 和MF；但是，當(dāng)溫度升高到130 ℃時(shí)，HMF 的生成量明顯增加至163.01 μmol/L，大大超過了F（94.77 μmol/L）和MF（76.19 μmol/L）。多項(xiàng)研究表明，高溫下HMF 的形成速度明顯提高[24?27]，Zhang 等[18]關(guān)于六種糖-氨基酸美拉德反應(yīng)模型中HMF 生成動(dòng)力學(xué)研究也證實(shí)，在所研究糖-氨基酸模型中，HMF 的生成量均隨溫度的增加而升高。溫度提高對(duì)糠醛類化合物形成的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：a.溫度的提升可以促進(jìn)葡萄糖的開環(huán)，而開鏈糖的濃度是決定反應(yīng)速率的一個(gè)關(guān)鍵因素[40]；b.高溫可以促進(jìn)葡萄糖烯醇化并進(jìn)一步脫水形成HMF[41?42]。

圖5 加熱溫度對(duì)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響Fig.5 Effect of heating temperature on the formation of furfural compounds in model system

結(jié)合2.3 部分中初始pH 對(duì)模擬體系中糠醛類化合物生成量的影響，可以看出，酸性和高溫有利于HMF 的生成。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可通過適當(dāng)提高反應(yīng)體系pH 和降低反應(yīng)體系溫度來抑制糠醛類化合物的形成。

2.6 葡萄糖-甘氨酸模擬體系加熱過程中糠醛類化合物的形成動(dòng)力學(xué)分析

為了研究模擬體系中糠醛類化合物的形成動(dòng)力學(xué)，考察了緩沖溶液pH 為7 時(shí)，葡萄糖和甘氨酸的摩爾濃度均為0.2 mol/L 時(shí)，不同溫度、不同加熱時(shí)間時(shí)，葡萄糖-甘氨酸美拉德反應(yīng)模擬體系中糠醛類化合物的生成量。隨著加熱時(shí)間的增加、加熱溫度的升高，糠醛類化合物（HMF、F 和MF）生成量的變化如圖6～圖8 所示。葡萄糖-甘氨酸模擬體系中糠醛類化合物的形成動(dòng)力學(xué)分析見表1～表3。可以看出，糠醛類化合物HMF、F 和FMC 的生成量均隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，隨著反應(yīng)溫度的升高而增加，溫度越高，糠醛類化合物的增加量越顯著；隨著加熱溫度從70 ℃升高到130 ℃、加熱時(shí)間從1 h 增加到6 h，HMF 和F 的生成量由10?2量級(jí)增加到102量級(jí)（單位為μmol/L），MF 的生成量從無法檢出增加到139.67 μmol/L，可見加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)糠醛類化合物生成量的影響非常大，尤其是反應(yīng)溫度的影響更為顯著，原因在于較高的反應(yīng)溫度使烯醇縮合反應(yīng)和相關(guān)的水解、脫水反應(yīng)均比較容易進(jìn)行[42?43]。因此，建立糠醛類化合物隨溫度和時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)方程尤為重要。

表1 模擬體系中HMF 的形成動(dòng)力學(xué)分析Table 1 Kinetic analysis of HMF formation in model system

圖6 加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中HMF 生成量的影響Fig.6 Effect of heating temperature and time on the formation of HMF in model system

加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中HMF 生成量的影響如圖6 所示，HMF 的形成動(dòng)力學(xué)分析如表1 所示。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱溫度為70～110 ℃時(shí)，隨著加熱時(shí)間從1 h 增加到6 h，葡萄糖-甘氨酸模擬體系中HMF 的生成量與加熱時(shí)間呈指數(shù)增加的關(guān)系，符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得出，模擬體系中生成HMF 的表觀活化能Ea為38.10 kJ/mol。但在溫度為130 ℃時(shí)，HMF 生成量的指數(shù)擬合并不理想（R2=0.7852），更傾向于符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2=0.9764）。文獻(xiàn)報(bào)道[18]，在90～110 ℃時(shí)，葡萄糖-半胱氨酸、葡萄糖-谷氨酸、葡萄糖-亮氨酸等美拉德模擬體系中HMF 的形成均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。再結(jié)合本文的研究結(jié)果，可以看出，在大多數(shù)葡萄糖-氨基酸模擬體系中，HMF 的形成在反應(yīng)溫度低于110 ℃時(shí)，符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中F 生成量的影響如圖7 所示，F(xiàn) 的形成動(dòng)力學(xué)分析如表2 所示。當(dāng)加熱溫度為70 ℃時(shí)，隨著加熱時(shí)間從1 h 增加到6 h，葡萄糖-甘氨酸模擬體系中F 的生成量與加熱時(shí)間之間呈指數(shù)增加的關(guān)系，符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2=0.9839）。但是，當(dāng)加熱溫度為90～130 ℃時(shí)，F(xiàn) 的生成量與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系，符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2=0.9336～0.9882），計(jì)算得出F 生成量的表觀活化能為45.21 kJ/mol。目前，尚未見有關(guān)于F 的形成動(dòng)力學(xué)的文獻(xiàn)報(bào)道。

表2 模擬體系中F 的形成動(dòng)力學(xué)分析Table 2 Kinetic analysis of F formation in model system

圖7 加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中F 生成量的影響Fig.7 Effect of heating temperature and time on the formation of F in model system

加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中MF 生成量的影響如圖8 所示，MF 的形成動(dòng)力學(xué)分析如表3 所示。當(dāng)加熱溫度為70 ℃時(shí)，葡萄糖-甘氨酸模擬體系中MF 的含量未檢出。當(dāng)加熱溫度為90～130 ℃時(shí)，隨著加熱時(shí)間從1 h 增加到6 h，葡萄糖-甘氨酸模擬體系中MF 的生成量與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系，符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得出MF 生成量的表觀活化能為56.58 kJ/mol。目前，尚未見有關(guān)于MF 的形成動(dòng)力學(xué)的文獻(xiàn)報(bào)道。

表3 模擬體系中MF 的形成動(dòng)力學(xué)分析Table 3 Kinetic analysis of MF formation in model system

圖8 加熱溫度和時(shí)間對(duì)模擬體系中MF 生成量的影響Fig.8 Effect of heating temperature and time on the formation of MF in model system

HMF、F 和MF 三種糠醛類化合物表觀活化能的大小順序?yàn)镋a,HMF

3 結(jié)論

本研究以葡萄糖-甘氨酸模型為研究對(duì)象，探究了葡萄糖與甘氨酸的摩爾濃度比、體系初始pH、加熱時(shí)間和加熱溫度等因素對(duì)糠醛類化合物生成量的影響規(guī)律，并對(duì)HMF、F 和MF 的形成動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，葡萄糖的添加量對(duì)糠醛類化合物生成量的影響大于甘氨酸的添加量，葡萄糖含量越高，HMF 的生成量越多；酸性pH 條件有利于HMF的形成，中性和堿性pH 條件有利于F 的形成；隨著加熱時(shí)間的延長、加熱溫度的增加，HMF、F 和MF的生成量均逐漸增加，其中，溫度的影響更為明顯。這些結(jié)論表明，在實(shí)際生成過程中，可通過適當(dāng)減少糖添加量、提高反應(yīng)體系pH、降低反應(yīng)體系溫度、縮短反應(yīng)時(shí)間等方式來抑制熱加工食品中糠醛類化合物的形成。對(duì)HMF、F 和MF 形成動(dòng)力學(xué)方程的模擬，可為預(yù)測(cè)不同反應(yīng)時(shí)間、溫度時(shí)糠醛類化合物的生成量提供參考。但是本研究對(duì)糠醛類化合物生成機(jī)理的研究不足，尤其是HMF、F、MF 三者之間是否存在相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化機(jī)理如何等還有待進(jìn)一步探討。