高溫芝麻餅粕蛋白酶解液的2種美拉德反應產物組分特性差異

蘆鑫,張麗霞,孫強,3,高錦鴻,金璐,黃紀念,3*

1(河南省農業(yè)科學院農副產品加工研究中心,河南 鄭州,450002)2(河南省農產品生物活性物質工程技術研究中心,河南 鄭州,450002)3(農業(yè)部油料加工重點實驗室,湖北 武漢,430062)4(河南工業(yè)大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)

高溫芝麻餅粕是芝麻香油生產過程的副產物[1]。我國高溫芝麻餅粕資源豐富,據測算,我國每年產生約50萬t高溫芝麻餅粕[2]。高溫芝麻餅粕富含蛋白,但蛋白受高溫變性影響,水溶性差,難以提取與應用[3]。為利用高溫芝麻餅粕蛋白資源,有必要開展加工應用研究。

將蛋白酶解后,經美拉德反應制備香精是蛋白利用的途徑之一。研究表明芝麻蛋白酶解液可以通過美拉德反應制備肉味香精[4],但尚未探究高溫芝麻餅粕蛋白酶解液(high temperature sesame meal protein hydrolysate,HTSPH)制備肉味香精的可能性。高溫芝麻餅粕蛋白與芝麻蛋白在組成與性質上存在差異[5],二者經酶解后多肽與游離氨基酸組成有區(qū)別,故有必要探索HTSPH經美拉德反應制備肉味香精的可行性。此外,伴隨美拉德反應,體系內還發(fā)生蛋白降解、多糖降解、焦糖化反應等[3],上述反應對于高溫芝麻餅粕蛋白制備香精的影響尚未討論。因此,有必要分析反應前后,體系內物質的組成性質的變化,以便推斷各種反應的影響與作用。

本文以HTSPH為原料,對比添加木糖與添加木糖和Cys兩種美拉德反應后,反應產物特性、揮發(fā)性組分、多肽與氨基酸組成、抗氧化活性的差異,以便為調控HTSPH制備香精提供理論依據與數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高溫芝麻餅粕,河南省久創(chuàng)科技有限公司,蛋白含量(40.44±0.96)%;胰糜蛋白酶[(400 349±4 576) U/g],上海阿拉丁生化科技股份有限公司;風味蛋白酶[(197 042±2 477) U/g],安琪酵母股份有限公司;Alcalase[(178 152±1 267) U/g],Sigma-Aldrich公司;其他試劑,分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Infinite M Nano酶標儀,瑞士TECAN公司;K1100全自動凱氏定氮儀,海能未來技術集團股份有限公司;7890A氣相色譜、5975C質譜儀,美國安捷倫有限公司;XSR205DU電子天平、FE20實驗室pH計,梅特勒-托利多儀器有限公司;ROTANTA460R離心機,德國Hettich科學儀器公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫芝麻餅粕蛋白提取與酶解

將高溫芝麻餅粕粉碎后,石油醚(沸程30～60 ℃)脫脂,獲得脫脂餅粕。按照料液比1∶25(g∶mL)加入蒸餾水,攪拌均勻,采用3 mol/L NaOH溶液調節(jié)pH到10.8,40 ℃以400 r/min攪拌1 h,采用4 000 r/min離心20 min,收集上清液,采用3 mol/L HCl溶液調節(jié)pH至4.30,4 ℃靜置過夜,以6 000 r/min離心20 min,收集沉淀,用截留分子質量3 000 Da的透析袋4 ℃透析24 h,凍干,獲得高溫芝麻餅粕蛋白,其蛋白含量(84.72±0.71)%。取高溫芝麻餅粕蛋白配成50 g/L蛋白溶液,調節(jié)pH 8.6,加入混酶量11 860 U/g(混酶由Alcalase、胰糜蛋白酶、風味蛋白酶組成,酶活力比0.34∶0.41∶0.25),45 ℃酶解5 h,中和,8 000 r/min離心20 min,收集上清液,凍干,獲得HTSPH。

1.3.2 美拉德反應

參考SHEN等[4]方法,HTSPH加入100 mL蒸餾水配成100 g/L HTSPH溶液(樣品A),加入3 g木糖,攪拌均勻,調節(jié)pH至7.5,轉移到旋塞耐壓玻璃管后,加入轉子,120 ℃攪拌加熱2 h后,冰水浴冷卻,獲得美拉德反應物(樣品B)。另外,100 mL 100 g/L HTSPH溶液,加入3 g木糖與1.2 g Cys,隨后按照上述條件進行美拉德反應,獲得反應產物(樣品C)。

1.3.3 樣品性質分析

采用pH計測定樣品A、B、C的pH。為考察褐變程度,用蒸餾水將A、B與C的固形物質量濃度稀釋至1 mg/mL,采用分光光度計測定420與294 nm的吸光度[4]。為評價糖基化程度,取A、B、C稀釋至0.3 mg/mL,采用熒光分光光度計340 nm激發(fā),在360～600 nm進行掃描[6]。

1.3.4 揮發(fā)性組分測定

參考CAI等[7]的方法并做適當修改,分別取8 mL的A、B、C,加入30 mL頂空進樣瓶后,利用微量注射器加入0.1 μL間二甲苯,加入磁力攪拌子,旋緊蓋子,設置轉速200 r/min,65 ℃平衡20 min,隨后采用的氣相柱為HP-5MS Phenyl Methyl Siloxane(30 m×250 μm,0.25 μm)彈性石英毛細管柱,升溫程序:55 ℃保持5 min,以4 ℃/min從55 ℃升到115 ℃,8 ℃/min升溫至195 ℃,10 ℃/min升溫至235 ℃,并保持3 min。進樣口溫度250 ℃,載氣為高純度He,流速1 mL/min,不分流。質譜檢測條件:離子源溫度230 ℃,離子化能量70 eV,四級桿溫度150 ℃,質量掃描范圍30～550(m/z)。參照NIST08.LIT譜庫對風味組分進行鑒定,取匹配度大于800的組分進行定量,以間二甲苯的峰面積計算其他組分的濃度,采用正交偏最小二乘法判別分析法(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)解析揮發(fā)性組分。

1.3.5 多肽組分測定

分別取3 mL A、B、C,均加入0.9 mg多肽EGDIKW,混勻后,采用LC-MS/MS檢測多肽組分[8]。以Score>90為標準,確定鑒定出多肽,并依據EGDIKW的峰面積,計算其他多肽組分濃度。濃度前十的多肽錄入ToxinPred(https://webs.iiitd.edu.in/raghava/toxinpred/design.php)預測多肽的疏水性、親水性、兩親性、空間位阻、凈氫、電極性,利用典型判別函數進行判別分析。

1.3.6 游離氨基酸組分測定

樣品A、B、C中游離氨基酸組分測定方法參考WANG等[9]與LI等[10]的方法。

1.3.7 多肽濃度測定

取0.5 mL樣品液加入0.5 mL 100 g/L三氯乙酸溶液,混勻,8 000 r/min離心10 min,取上清液15 μL加入到96孔板,加入20 μL水,加入200 μL雙縮脲溶液,混勻后,37 ℃反應20 min,540 nm測定吸光度[11]。以馬尿酰-組胺酰-亮氨酸(hippuryl-histamine-leucine,HHL)為標樣,計算酶解液中多肽濃度。

1.3.8 游離氨基酸濃度測定

取10 mL樣品加入10 mL 100 g/L三氯乙酸溶液,混勻,8 000 r/min離心10 min,收集上清液,加入蒸餾水定容到200 mL,加入到配有納濾膜NF1的膜過濾套件中,以3 MPa運行壓力,200 r/min攪拌,收集透過液,采用茚三酮法測定氨基酸濃度,標樣采用GBW(E) 100062標準氨基酸,570 nm測定吸光度[12]。

1.3.9 抗氧化活性測定

為探究美拉德反應前后樣品的抗氧化活性變化,測定樣品A、B、C與樣品Bo(操作同B,未做美拉德反應)與Co(操作同C,未做美拉德反應)的DPPH自由基與ABTS陽離子自由基清除率,具體操作參考文獻[13]的方法。采用GB/T 10345—2022《白酒分析方法》的重量法,測定樣品液的固形物濃度,計算IC50。

1.3.10 數據統(tǒng)計與分析

無特殊說明,實驗平行測定3次。同一圖中同一列上帶有相同小寫字母的數據間,在0.05水平無顯著差異;SIMCA 14.1進行OPLS-DA;SPSS 25中判別式進行判別分析。

2 結果與分析

2.1 樣品pH、褐變與糖基化分析

如圖1-a所示,經過高溫美拉德反應后,產物的pH較原料有顯著下降,其中樣品C的pH最低。這與游離氨基酸參加美拉德反應后,生成酸性物質有關[14]。圖1-b中294 nm吸收峰反映美拉德反應的無色中間產物如醛、酮等有關[15],與原料A相比,B在294 nm的吸光度有顯著提高,而C無顯著變化,推測在B的美拉德反應體系中,由于未添加游離L-Cys,存在木糖過?，F象,這部分木糖經脫水、降解生成糠醛等醛酮化合物[16]。觀察420 nm的吸光度發(fā)現:C的吸光度較B有顯著下降,由于420 nm吸收峰與美拉德反應生成的褐色物質有關,推測Cys具有高活性的巰基,它在反應中起主導地位,阻礙其他物質參加美拉德反應,從而減少褐色物質的生成[17]。由圖1-c,樣品A、B、C的熒光曲線相似,其峰值分別在416.06、418.03、418.03 nm,峰高分別是412.57、417.36、434.50。鑒于420～440 nm的熒光波長與蛋白糖基化終產物有關[6],推測B、C的美拉德體系中,僅少量蛋白參加了美拉德反應。

a-pH;b-褐變;c-糖基化

2.2 樣品的風味特征分析

由電子版增強出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034933)可知,采用GC-MS從3個樣品中共檢測出95個樣品,主要由烯炔類、醛酮類、酚類、羧酸類、酯類、雜環(huán)類、含硫化合物、其他類組成。3種樣品中的揮發(fā)性組成有明顯差異,如樣品A有31種揮發(fā)性成分,以醛酮類(12種)、羧酸類(4種)組分為主,雜環(huán)類與含硫化合物較少;樣品B有49種揮發(fā)性成分,以醛酮類(14種)、雜環(huán)類(20種)為主;樣品C有53種組分,其中含硫類化合物(20種)較豐富。

表1 樣品A、B、C中濃度前十的多肽表

利用OPLS-DA找到55種特征揮發(fā)性標志物(VIP>1),具體見電子版增強出版附表1。將上述特征揮發(fā)性標志物進行聚類熱圖分析(圖2),3種樣品分成3類,樣品A與樣品B關系較近。樣品A中揮發(fā)性標志物主要是簡單的醛酮類物質(圖中紅色區(qū)域);樣品B中揮發(fā)性標志物雜環(huán)化合物、長鏈脂肪酸(紅橙區(qū)域),其中糠醛濃度最高;樣品C中揮發(fā)性標志物以含硫化合物為主(紅色區(qū)域)。通過對比樣品B與樣品C的揮發(fā)標志物可知,添加Cys改變了美拉德反應的反應歷程與生產物。Cys與木糖進行美拉德反應,初期主要形成2-糖基噻唑烷-4-羧酸與半胱氨酸-Amadori,隨后2-糖基噻唑烷-4-羧酸轉化成Cys-Amadori化合物,隨之該化合物發(fā)生降解,生成2-甲基-3-呋喃硫醇、2-糠硫醇等含硫肉香化合物[19]。由于Cys的競爭效應,削弱了其他含氮化合物與木糖的美拉德反應,造成其他雜環(huán)化合物生成量降低。上述硫化物呈現肉味,故樣品C具有濃郁煮肉香味,可以用于制作肉味香精。

圖2 樣品中特征風味物聚類熱圖

SHEN等[4]報道芝麻蛋白酶解液添加木糖與Cys的美拉德反應產物,有6種含硫化合物(以噻吩類化合物為主,3-甲基-2-噻吩甲醛含量最高),6種醛類(3種脂肪醛、2種芳香醛與糠醛),4種酚類(丁香酚含量最高),5種酸酯類(酸類含量高),與2種呋喃類、1種吡嗪、1種吡啶與3種烷烴類組成。上述組成與樣品C美拉德反應產物有明顯差別,尤其在含硫化物組成方面,樣品C中的含硫化合物以糠基硫化物(硫醚、硫醇)、噻吩類、噻唑類等20種組成。產生上述差異的原因與2種體系中多肽、游離氨基酸種類差別有關,由于N源組成差異導致美拉德反應產物的揮發(fā)性成分也有差異[20-21]。雞肉肽制作肉味香精也有類似結果報道[22]。

2.3 反應前后多肽組成變化

由圖3可知,反應前后多肽組成與濃度有顯著變化。A中有383條多肽經反應后消失,B和C中有386條多肽生成(圖3-a),這表明高溫條件下,多肽參于美拉德反應被消耗的同時,也有蛋白、多肽由斷裂或重排生成新多肽[1,3]。高溫會導致蛋白或多肽在酸性氨基酸殘基處斷裂[23],也會加速Cys、Met、Trp的分解,導致肽鏈斷裂[24],形成新的肽段或其他化合物。B和C中多肽濃度顯著增加,且多肽分子質量向800 Da以下集中(見圖3-b),也驗證了蛋白與多肽在高溫作用下發(fā)生斷裂生成新多肽的現象。

a-多肽韋恩圖;b-多肽濃度與分布圖

單因素方差分析樣品中濃度前十的多肽(表1)特性發(fā)現:原料與產物中濃度前十的多肽在疏水性、親水性、兩親性、空間位阻、電極性、凈氫上無顯著差異(電子版增強出版附表2,https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034933),說明依靠單一指標不能有效區(qū)分原料與產物中多肽。將上述性能指標通過典型判別分析后,建立如下辨別函數:

判別函數1(F1)=30.40×疏水性-15.76×空間位阻+0.27×兩親性+12.88×凈氫+0.24×電極性+5.12×親水性+3.95

判別函數2(F2)=8.77×疏水性-0.73×空間位阻+3.02×兩親性+0.13×凈氫+0.72×電極性+0.68×親水性-0.68

如圖4所示,利用上述辨別函數對A、B、C中多肽進行判別,基本能區(qū)分原料與產物的多肽(總體正確率為80%)。上述結果表明原料與產物中多肽在理化性質上存在某些特征規(guī)律,需要后續(xù)加以研究。

圖4 樣品中濃度前十多肽的典型判別分布圖

觀察樣品A、B、C多肽的N與C端氨基酸分布發(fā)現,原料A中N端Leu、Val、Thr的多肽與C端Arg、Leu、Gln、Tyr的多肽在高溫反應過程中大量消耗,在未添加Cys的美拉德反應體系(樣品B)中,多肽以N端Asp、Ala、Pro、Trp、Gln和C端Glu、His、Lys居多;添加Cys的美拉德反應體系(樣品C)中,多肽以N端Phe、Ser、Asn,C端Pro、Ala居多(見圖5)。以上多肽N與C端的氨基酸殘基分布差異可能與多肽參與美拉德反應的活性、氨基酸穩(wěn)定性有關[25],ZOU等[26]發(fā)現N端Leu的多肽具有高美拉德反應活性,NI等[27]研究參與美拉德反應的菜籽多肽,其N端多為Val、Asp、Gln、Glu、Gly等,美拉德反應活性前十多肽的C端Leu、Pro為主。故多肽參與美拉德反應活性差異,導致A與B、C的多肽組成有明顯差異。

a-N端氨基酸;b-C端氨基酸

2.4 反應前后游離氨基酸組成變化

由圖6-a可知,相較于樣品A的游離氨基酸濃度,樣品B的游離氨基酸濃度下降29.75%。樣品C的游離氨基酸濃度是(11.31±0.66)mg/mL,與其反應前游離氨基酸濃度是(20.62±0.37)mg/mL(在100 mL樣品A中添加了1.2 g Cys)相比,下降了45.15%。上述結果表明,游離氨基酸參與美拉德反應與其他反應。

a-總氨基酸;b-酸堿氨基酸;c-非極性不帶電荷氨基酸;d-非極性帶電荷氨基酸

在未添加Cys的美拉德反應體系中,除Pro與Tyr外,其他游離氨基酸經反應后均有顯著下降,其中Arg、His、Met、Trp、Cys的濃度下降幅度在80%以上(圖6-b～圖6-d),推測上述氨基酸更易參加美拉德反應,Arg與His有2個以上的氨基,增加參于美拉德反應的機率;Met與Cys中有性質活潑的硫甲基與巰基,在高溫環(huán)境下,更易發(fā)生裂解,參于美拉德反應與其他反應。而Pro與Tyr的濃度增加,表明高溫加熱導致部分蛋白與多肽的肽鏈斷裂,生成游離氨基酸,而Pro是環(huán)狀的亞氨基酸,其亞氨基只有1個氫原子,難以參加美拉德反應,同時,Tyr可能受3-對羥苯基的空間干擾,使氨基難以與單糖的羰基接近發(fā)生反應,故上述2種氨基酸濃度有所上升。研究表明,Met、His、Arg參與美拉德反應分別生成熟土豆味、烤面包味、焦糖味[18],這與樣品B揮發(fā)性成分的風味特征一致。

添加Cys的美拉德反應體系中,除Glu、Met、Trp外,其他游離氨基酸在樣品C的濃度高于樣品A?？紤]到反應前添加Cys至體系中終質量濃度12.19 mg/mL,而反應后Cys質量濃度為0.63 mg/mL,這表明大量游離Cys參加美拉德反應時,抑制其他氨基酸參加美拉德反應。由于Cys的美拉德反應產物的風味以肉味為主[28],這造成樣品C的揮發(fā)性成分的風味特征以肉味為主。另外,蛋白與多肽加熱分解產生的游離氨基酸,導致其他氨基酸濃度呈現上升趨勢。Met與Trp性質活潑,在高溫作用時,會發(fā)生氧化裂解[23],導致濃度下降。Glu的羰基能促進分子內發(fā)生環(huán)化、縮合等反應[29],造成濃度下降。

2.5 反應前后抗氧化活性變化

如圖7所示,相較于原料A,美拉德反應產物B、C的抗氧化活性有顯著提升,這與美拉德反應過程中產生的類黑精、還原酮及一些雜環(huán)化合物具有良好的抗氧化活性有關[30]。在未添加Cys的美拉德反應體系中,產物B的抗氧化活性強于反應前Bo,這表明美拉德反應過程中生成的抗氧化物,提升了產物的抗氧化性;與添加Cys的美拉德反應的樣品Co相比,產物C的抗氧化活性有所下降。Co中添加了半胱氨酸,半胱氨酸具有強抗氧化性,對Co的抗氧化活性起重要作用。雖然美拉德反應過程中,生成抗氧化物,但半胱氨酸大量消耗,嚴重削弱了體系抗氧化性,表現出IC50上升。

a-DPPH自由基清除能力;b-ABTS陽離子自由基清除能力

3 結論

綜上所述,HTSPH在添加木糖與添加木糖和Cys后,經美拉德反應得到產物在揮發(fā)性組分、多肽與氨基酸組成、抗氧化特性等方面有明顯差異,其中僅添加木糖的美拉德反應產物有烘烤堅果味,揮發(fā)性標志物是雜環(huán)化合物、長鏈脂肪酸,添加木糖與Cys的美拉德反應產物具有濃郁肉味風味,可以用于制作肉味香精,揮發(fā)性標志物味為含硫化合物;在美拉德反應與蛋白肽鏈斷裂共同影響下,多肽濃度上升且組成也有變化,生成的多肽與原有多肽在疏水性、親水性、兩親性等性質上有差別;反應后,游離氨基酸濃度下降,未添加Cys的美拉德反應體系中,所有氨基酸均呈現下降趨勢,而添加Cys的美拉德反應體系,Cys同其他氨基酸競爭,抑制其他氨基酸參與美拉德反應,加之蛋白與多肽斷裂生成氨基酸,造成部分氨基酸濃度上升;美拉德反應可以提升原料的抗氧化活性,但生成的抗氧化物的抗氧化活性要弱于Cys。在后續(xù)研究中,要探明多肽參與美拉德反應的規(guī)律與反應動力學,探究多肽、游離氨基酸組成對揮發(fā)性組分的影響,為精準調控美拉德反應奠定理論基礎。