反应条件对美拉德反应模拟体系中的 吕梦莎1,曾永青2,黄雪松1,* (1.暨南大学食品科学与工程系,广东 广州 510632;2.广州市食品工业研究所有限公司,广东 广州 510663)
摘 要:为了解反应条件对美拉德反应(MR)中形成的α-二羰基化合物(α-DCC)的影响,以邻苯二胺(OPD)捕获“核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系”中的α-DCC,用HPLC和LC-ESI-MS-MS分离、鉴定该体系在不同pH值、温度和时间条件下形成的α-DCC。结果表明:该体系形成的α-DCC包括1,2-二酮戊糖、2,3-二酮戊糖、3-脱氧-1,2-二酮戊糖(3-DP)、1-脱氧-2,3-二酮戊糖(1-DP)、N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖、1,4-二脱氧-2,3-二酮戊糖 关键词:核糖;L-半胱氨酸;美拉德反应;α-二羰基化合物
Effects of Reaction Conditions on the Formation of α-Dicarbonyl Compounds in Maillard Reaction Model System
Lü Meng-sha1,ZENG Yong-qing2,HUANG Xue-song1,* (1. Department of Food Science and Engineering, Jinan Universiy, Guangzhou 510632, China; 2. Guangzhou Food Industry Research Institute, Guangzhou 510663, China)
Abstract:The effects of reaction conditions including pH, temperature and time on the formation of α-dicarbonyl compounds (α-DCCs) from ribose/L-cysteine Maillard reaction model system were examined by separation and identification of α-DCCs by HPLC and LC-ESI-MS-MS after trapped with o-phenylenediamine (OPD). The results showed that the α-DCCs identified in the model were 1,2-pentosone, 2,3-pentosone, 3-deoxypentosone (3-DP), 1-deoxypentosone (1-DP), N-1,4,5-trideoxy-2,3-dioxopentyl-L-cysteine, 1,4-dideoxypentosone (1,4-DDP), glyoxal (GO) and methylglyoxal (MGO). Among them the dominant were 1,2-pentosone, 1,4-DDP, 1-DP and N-1,4,5-trideoxy-2,3-dioxopentyl-L-cysteines. At pH 3.6, N-1,4,5-trideoxy-2,3-dioxopentyl-L-cysteine and GO; at pH 4.6–6.6, 1,2-pentosone, 3-DP and 1,4-DDP; and at pH 7.6, 2,3-pentosone, 1-DP and MGO were readily formed. Based on these results, a pathway of α-DCC formation at different pH was proposed. The concentration of α-DCC at 115 ℃ was higher and then was decreased when heated at a higher temperature (125 ℃) after long reaction time (60 min). The temperature and pH were the most important factors that affect the formation of α-DCCs. Key words:ribose;L-cysteine;Maillard reaction;α-dicarbonyl compounds 中图分类号:TS201.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)24-0050-07 doi:10.7506/spkx1002-6630-201324010 α-二羰基化合物(α-dicarbonyl compounds,α-DCC)是美拉德反应(Maillard reaction,MR)的重要中间产物,在食品热加工(烧烤、烘焙和煎炸)过程中形成[1],是产生食品中颜色和香味物质的重要前体物质。另外,它也会引起蛋白质变性,导致营养流失和晚期糖化终产物(advanced glycation end products,AGEs)的形成。研究[2]表明AGEs能够导致糖尿病和衰老。因此,对食品中α-DCC的研究具有重要意义。近年来,有研究者在一些食品中检测到α-DCC,包括曲奇[3]、蜂蜜[4]、酒[5]、咖啡[1]和番茄[6];也有研究报道过α-DCC在单糖[7]、多糖[8-9]以及不同的还原糖与氨基酸[10-11]的MR模拟体系中的形成,但反应条件(pH值、温度和时间)对α-DCC形成的影响的研究较少有报道。在各种还原糖和氨基酸中,核糖和L-半胱氨酸是产生肉香味物质的典型前体物质,研究该体系中α-DCC的形成对探索风味物质和美拉德终产物的形成有重要意义。因此,本研究利用邻苯二胺(o-phenylenediamine,OPD)捕获方法[12]以及色谱分离检测和质谱鉴定技术,测定不同pH值、温度和时间条件下核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC的种类和变化,研究了不同反应条件对α-DCC形成的影响,以期为研究MR机理以及利用美拉德反应制备肉味香精提供参考。 1 材料与方法 1.1 材料与试剂 D-核糖、L-半胱氨酸 广州齐云生物技术公司;柠檬酸、磷酸二氢盐(分析纯) 天津市大茂化学试剂厂;邻苯二胺、喹喔啉、甲基喹喔啉(>99%) 上海市阿拉丁试剂公司;甲醇(色谱纯) 美国Mallinckrodt Baker公司;液相用水 华润怡宝食品饮料(深圳)有限公司。 1.2 仪器与设备 Varian Prostar 210制备液相色谱仪、1100 LC-ESI-MS-MS (配有AB 4000Q TRAP质谱) 美国Agilent公司;LC-20AT高效液相色谱(配有SIL-20A自动进样器、SPD-M20A光电二极阵列检测器(PAD)和Class-vp色谱工作站) 日本岛津公司。 1.3 方法 1.3.1 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC喹喔啉衍生物的制备 参考Gobert等[12]的方法并略作修改,用OPD作为捕获剂与α-DCC反应生成稳定的喹喔啉衍生物。取0.3mol/L核糖、0.3mol/L L-半胱氨酸以及0.15mol/L邻苯二胺,加入20mL 0.2mol/L磷酸盐缓冲液(pH值分别为3.6、4.6、5.6、6.6、7.6),置于高压灭菌锅中,分别在105、115℃和125℃条件下反应5、15、30、60、90min和120min,反应后置于冰水中冷却,过滤后用于定性和定量分析。 1.3.2 α-DCC的分离和定性 1.3.2.1 LC制备液相分离条件 色谱柱:Agilent Eclipse DB-C18色谱柱(250mm×2.1mm,5μm);流动相A为水,流动相B为甲醇;流速1mL/min;检测波长320nm;进样量2mL;梯度洗脱程序如表1所示,根据出峰时间接取每个峰所对应的α-DCC喹喔啉衍生物的洗脱液,供定性分析。 表 1 HPLC梯度洗脱程序 Table 1 Gradient elution program in HPLC
1.3.2.2 LC-ESI-MS-MS定性条件 色谱柱:Agilent Eclipse DB-C18色谱柱(150mm×2.1mm,5μm);进样量10μL。 质谱条件:ESI离子源;正离子模式;气帘气压力20psi;离子源温度450℃;雾化气压力45psi;辅助气压力40psi;离子源电压5500V。 1.3.3 α-DCC的定量 1.3.3.1 HPLC分析条件 色谱柱:Agilent Eclipse DB-C18色谱柱(250mm×2.1mm,5μm);流动相A为水,流动相B为甲醇;流速1mL/min;检测波长320nm;进样量2µL;梯度洗脱程序同1.3.2.1节。 1.3.3.2 α-DCC含量的计算 以喹喔啉为内标物,在320nm波长处,α-DCC喹喔啉衍生物主要的摩尔吸光系数来源于喹喔啉端,相比之下,碳骨架产生的摩尔吸光系数较小,不影响对不同条件下形成的α-DCC含量变化的研究,故忽略不计。因此,可以根据式(1)计算α-DCC喹喔啉衍生物的含量: w/%=Ai/As×0.5×100 (1) 式(1)中:w为α-DCC含量/%(每100mol核糖中含α-DCC的物质的量);Ai为α-DCC喹喔啉衍生物峰面积;As为内标物的峰面积。 1.3.3.3 相对贡献率的计算[13] 相对贡献率表示不同因素(pH值、温度和时间)对α-DCC形成的影响的大小,计算见式(2): (2) 式(2)中:SS为偏差平方;df为自由度;下标i和t分别表示各个因素和各个因素加和总量。 1.4 数据分析 用SPSS的一般线性模型来分析pH值、温度和时间条件对α-DCC形成的影响和相互作用。定量结果为3次重复实验的平均数。 2 结果与分析 2.1 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC的LC-ESI-MS-MS鉴定 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC 喹喔啉衍生物的HPLC色谱图及LC-ESI-MS-MS质谱分别如图1和图2所示。通过分析各峰的二级质谱、与文献谱图和标准品谱图对照,判断a~h分别是1,2-二酮戊糖(1,2-pentosone)、2,3-二酮戊糖(2,3-pentosone)、
a. 1,2-二酮戊糖;b. 2,3-二酮戊糖;c. 3-脱氧-1,2-二酮戊糖(3-DP);d. 1-脱氧-2,3-二酮戊糖(1-DP);e. N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖;f. 乙二醛(GO);g. 1,4-二脱氧-2,3-二酮戊糖(1,4-DDP);h. 丙酮醛(MGO)。下同。 图 1 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-二羰基化合物喹喔啉衍生物的HPLC色谱图 Fig.1 HPLC chromatogram of α-dicarbonyl quinoxaline derivatives from ribose/L-cysteine MR model systems
主要特征离子:a. m/z 221.4、203.4、185.3、173.3、161.3、157.4;b. m/z 221.4、203.4、185.3、174.3、161.4、157.4;c. m/z 205.4、187.3、169.3、157.4、145.4;d. m/z 205.4、187.3、175.3、169.3、159.4;e. m/z 292.5、203.3、171.3;f. m/z 133.4、105.3、92.3、87.2、69.2; 图 2 α-二羰基化合物喹喔啉衍生物的二级质谱图(MS-MS) Fig.2 MS-MS spectra of α-dicarbonyl quinoxaline derivatives α-DCC的喹喔啉衍生物的质谱裂解特点是:1)容易失去1分子或2分子H2O,例如图2A的准分子离子分别失去1分子和2分子H2O产生m/z 203.4和m/z 185.3;2) C—C键断裂,如图2a的碎片离子m/z 203.4发生C—C键断裂后,失去CH2O和CH2CO分别产生m/z 173.3和m/z 161.4;图2c的准分子离子裂解失去CHOH=CHOH产生m/z 145.4[10];图2d的准分子离子裂解失去HCO产生m/z 158.4[6];图2g的准分子离子失去C2H4OH产生m/z 143.4[11]。 需要指出的是:由图2e的准分子离子MH+(m/z 292.5)和二级碎片离子m/z 203.3、m/z 171.3,推断e为带有 2.2 pH值对核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系形成的α-DCC的影响 2.2.1 不同pH值条件下核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中主要的α-DCC 从图3~5可以看出,在不同的pH值条件下,1,2-二酮戊糖和1,4-DDP为主要的α-DCC,分别占α-DCC总量的20%以上;当pH值为3.6~4.6时N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖也是主要的α-DCC之一;当pH值为7.6时,1-DP也是主要的α-DCC之一。 2.2.2 pH值对N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖和GO的影响
图 3 105℃时不同pH值条件下N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖和GO的含量随时间的变化 Fig.3 Changes in the concentrations of N-1,4,5-trideoxy-2,3-dioxopentyl-L-cysteine and GO with reaction time at different pH and 105 ℃ 从图3可以看出,随着pH值的增加,N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖和GO含量逐渐减小。pH3.6时,两者的含量随时间增加而不断增加,而其他pH条件下两者的含量随时间变化不大。结果说明,pH3.6有利于形成N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖和GO。如2.1节所述,N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖是经过糖氨缩合和脱水形成的,糖氨缩合是形成亚胺的过程,亚胺形成的速度最快是在pH4.5左右[15],因此酸性溶液有利于该反应的进行,N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖的含量较高。 2.2.3 pH值对1,2-二酮戊糖、3-DP和1,4-DDP的影响 从图4可以看出,1,2-二酮戊糖、3-DP和1,4-DDP在弱酸性至中性(pH4.6~6.6)条件下含量较高,在酸性(pH3.6)和碱性(pH7.6)条件下含量较低。pH4.6~7.6时,3者的含量在前30min的加热阶段迅速增加,随后变化趋于平稳。pH3.6时,3者的含量在前15min的加热阶段增加至最大值,随后不断减小,120min时分别减小了34.4%、44.4%和56.4%。结果说明,pH4.6~6.6时,有利于形成1,2-二酮戊糖、3-DP和1,4-DDP,而pH3.6时3者易转化降解。从MR机理可知,酸性条件有利于1,2-烯醇化的进行,形成1,2-二烯醇类物质[16],核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中的1,2-二酮戊糖和3-DP是通过1,2-烯醇化作用形成的,故在pH4.6~6.6时含量较高。1,4-DDP在不同pH值条件下的变化规律与Pfeifer等[11]研究D-葡萄糖和L-蛋氨酸MR体系中的1,4-DDP的变化规律一致,即在弱酸性条件下较碱性条件下的含量高。研究发现,
图 4 105℃时不同pH值条件下1,2-二酮戊糖、3-DP和1,4-DDP的含量随时间的变化 Fig.4 Changes in the concentrations of 1,2-pentosone, 3-DP and 1,4-DDP with reaction time at 105 ℃ at different pH 2.2.4 pH值对2,3-二酮戊糖、1-DP和MGO的影响 从图5可以看出,随着pH值升高,2,3-二酮戊糖、1-DP和MGO的含量增大。pH6.6~7.6时,2,3-二酮戊糖在前30min、1-DP和MGO在前90min,含量增加至最大值,随后变化趋于平稳。在其他pH值条件下,三者的含量随时间变化不大。结果说明,pH7.6时,有利于形成2,3-二酮戊糖、1-DP和MGO。碱性条件下,Amadori产物发生2,3-烯醇化反应[16],生成2,3-二酮戊糖和1-DP,故两者含量随着pH值升高而增大。Weenen等[19]研究发现MGO是由脱氧葡糖醛酮通过逆醇醛缩合作用裂解形成的,pH值大于7时,逆醇醛缩合和β-裂解加强[20],有利于形成MGO,故含量增大。
图 5 105℃时不同pH值条件下2,3-二酮戊糖、1-DP和MGO的含量 Fig.5 Changes in the concentrations of 2,3-pentosone, 1-DP and MGO with reaction time at 105 ℃ and different pH 2.2.5 α-DCC在不同pH值条件下的形成路径 综上所述,根据α-DCC在不同pH值条件下的变化,初步推断核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC的形成路径如图6所示。首先是核糖和L-半胱氨酸发生糖氨缩合形成Amadori产物(1-半胱氨酸基-1-脱氧-2-戊酮糖)。接着Amadori产物在不同的pH值条件下形成不同的α-DCC,主要包括2个部分:1)烯醇化和脱水反应:酸性条件下,Amadori产物通过脱水可形成N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖,同时Amadori产物发生1,2-烯醇化和C-3位脱水,形成1,2-二酮戊糖和3-DP;碱性条件下,Amadori产物发生2,3-烯醇化和脱水反应,形成1-DP,1-DP氧化形成2,3-二酮戊糖,此外,N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖在该条件下不稳定,经过脱氨基和加水后生成1-DP;1,4-DDP有2条形成路径,1条路径是由1-DP脱水形成,另外1条路径与Nedvidek[21]、Cerny[18]等的研究类似,经过Amadori产物的脱氨基和脱水形成。2)逆醇醛缩合反应:1-DP和3-DP的逆醇醛缩合可形成MGO和GO[19]。
图 6 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC的形成路径图 Fig.6 Proposed formation pathway of α-DCCs in ribose/L-cysteine MR model system 2.3 温度对核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系形成的α-DCC的影响 从图7可以看出,温度对不同的α-DCC有不同的影响,在相同反应时间内,GO的含量由高到低排列顺序是:125℃>115℃>105℃;1,2-二酮戊糖和2,3-二酮戊糖在15min后,1,4-DDP在30min后的含量由高到低排列顺序是:115℃>105℃>125℃;其他α-DCC的含量由高到低排列顺序是:115℃>125℃>105℃。温度为105℃和115℃时,加热前30min,α-DCC的含量快速增加,随后变化不大;温度为125℃时,随着反应时间的延长,α-DCC的含量不断减小,加热90min后,N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖含量外,其他α-DCC的含量均降低至3个温度中的最小值。结果表明:高温长时间加热不利于α-DCC的形成。这与Chen等[22]的研究发现(在121℃条件下,核糖和半胱氨酸体系中的α-DCC总含量随时间延长而减小)是一致的。α-DCC是具有高度活性的产生褐变和风味物质的MR中间产物[23],能与胺类物质反应形成大分子的类黑精,α-DCC的含量在125℃条件下随时间延长不断降低,可能是因为在高温条件下,α-DCC大部分转化成类黑精。
图 7 pH7.6时不同温度条件下不同的α-DCC的含量随时间的变化 Fig.7 Changes in the concentrations of different α-DCCs with reaction time at pH 7.6 and different temperatures 2.4 各因素(pH值、温度和时间)对核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系形成α-DCC的影响主次分析 各因素对核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中8种α-DCC的贡献率如表2所示:pH值对1-DP、N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖和MGO的影响最大;除了以上3种物质,温度对其他的α-DCC以及α-DCC总量的影响最大。总体上,与pH值和温度相比,其他条件对α-DCC的形成的贡献率较小,因为pH值和温度对MR速率和美拉德反应路线会产生很大的影响[10],从而影响α-DCC的活性和产量。 表 2 各因素和因素的交互作用对α-DCC产量的贡献率 Table 2 Contributions of factors and their interactions to the production of α-DCC %
3 结 论 核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中检测到的α-DCC包括1,2-二酮戊糖、2,3-二酮戊糖、3-DP、1-DP、N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖、GO、1,4-DDP和MGO,其中N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖是本实验中发现的新物质,1,2-二酮戊糖、1,4-DDP、1-DP和N-L-半胱氨酸基-1,4,5-三脱氧-2,3-二酮戊糖是主要的α-DCC。不同的α-DCC形成的最适宜pH值不同,本研究初步推断了不同pH值条件下核糖/L-半胱氨酸MR模拟体系中α-DCC的形成路径,为MR形成机理提供了参考。温度为115℃时,α-DCC的含量较高,高温(125℃)长时间(>60min)加热会使α-DCC的含量减少。在pH值、温度和时间3个因素中,pH值和温度是影响α-DCC形成的重要因素,因此控制MR的pH值、温度和时间对中间产物α-DCC的形成具有重要意义。 参考文献: [1] DAGLIA M, PAPETTI A, ACETI C, et al. Isolation and determination of α-dicarbonyl compounds by RP-HPLC-DAD in green and roasted coffee[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(22): 8877-8882. [2] GLOMB M A, TSCHIRNICH R. Detection of α-dicarbonyl compounds in Maillard reaction systems and in vivo[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, 49(11): 5543-5550. [3] ARRIBAS-LORENZO G, MORALES F J. Analysis, distribution, and dietary exposure of glyoxal and methylglyoxal in cookies and their relationship with other heat-induced contaminants[J]. 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