pH值对“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系肉香味形成的影响

侯 莉,梁晶晶,赵 健,赵梦瑶,肖群飞,范梦蝶,谢建春*

(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,食品质量与安全北京实验室,北京市食品添加剂工程技术研究中心,北京工商大学,北京 100048)

摘 要:设计复杂美拉德反应体系“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”,在不同初始pH值(4.5、5.5、6.6、7.5)条件下反应,反应液测定波长420 nm处吸光度及pH值,并进行固相微萃取-气相色谱-质谱联用分析。结果表明,初始pH值越大,反应液褐变程度越大,pH值下降量增多。各反应体系中鉴定出的风味物质均主要是含硫化合物,其次是含氮杂环化合物、含氧杂环化合物。含硫化合物中含量较高的为2-甲基-3-呋喃硫醇、3-巯基-2-戊酮、2-糠硫醇、2-噻吩硫醇、双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚、2-甲基噻吩、2-乙酰基噻唑。各类化合物总量及含硫化合物总量均随pH值的升高呈先增加后减小的趋势,在pH 5.5出现峰值。但含氮杂环化合物总量却随pH值升高而增加,而含氧杂环类总量随pH值升高而减小。采用高效液相色谱-蒸发光散射检测器及液相色谱-质谱联用分析初始pH 4.5、7.5,90 ℃,1 h反应液,发现酸性条件下风味物质形成通过半胱氨酸-Amadori降解途径进行,碱性条件下通过半胱氨酸-Amadori降解及甘氨酸-Amadori与半胱氨酸反应2 条途径进行。碱性条件下,含胺基化合物(如氨基酸、氨)的反应活性高,反应速率快,体系内形成的半胱氨酸-Amadori初期中间体含量高,但其在中、末期阶段却更多地导致类黑精及吡嗪类物质产生;而碱性条件下出现的甘氨酸-Amadori,因可与半胱氨酸结合形成较为稳定的噻唑烷衍生物,并不能促进含硫化合物的形成。

关键词:pH值;半胱氨酸;甘氨酸;美拉德反应;肉香味;半胱氨酸-Amadori;甘氨酸-Amadori

美拉德反应是食品热加工风味形成的重要途径之一,利用美拉德反应制备反应型香精是现在研究的一大热点。美拉德反应十分复杂,反应产物的风味形成与氨基酸种类、还原糖种类、温度、时间、pH值、缓冲盐种类、水分等多个因素有关[1-6]。在美拉德反应初期阶段,重要的反应为还原糖的羰基与氨基酸的氨基缩合后发生Amadori重排,形成Amadori重排物。Amadori重排物将引发一系列中、末期反应,包括经1,2-或2,3-烯醇化生成还原酮和双羰基化合物、Strecker降解产生醛等,双羰基化合物、还原酮、Strecker降解产生的醛可进一步聚合、缩合或与氨基酸反应,最终生成吡嗪、吡啶等含氮杂环化合物和类黑精等物质。

图1 “半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系生成肉香味的可能途径
Fig. 1 Possible formation pathways of meaty fi avor compounds fromcysteine-xylose-glycine system

半胱氨酸是制备热反应肉味香精的重要原料。如图1所示,半胱氨酸与还原糖反应时,初期反应首先形成较为稳定的具有环状结构的2-木糖基噻唑烷-4-羧酸(2-xylulosylthiazolidine-4-carboxylic acid,XTCA)中间体[7]。在受热条件下,XTCA可逆性地转化成半胱氨酸Amadori重排物,半胱氨酸Amadori再发生上述的一系列中、末期反应,产生挥发性风味物质和类黑素物质。XTCA中间体的形成,减缓了“半胱氨酸-还原糖”的美拉德反应[8-9],使肉香味形成中半胱氨酸的利用率降低。在实际利用美拉德反应制备肉味香精中,除了半胱氨酸,还采用其他氨基酸。尤其是甘氨酸,不仅结构最为简单,而且本身为甜味氨基酸,更为常用。有报道甘氨酸可促进半胱氨酸与还原糖之间的反应产生肉香味化合物[10]。当在半胱氨酸-木糖的反应体系中存在甘氨酸时,Maillard初级反应阶段主要有2 条途径形成肉风味物质(图1):a半胱氨酸-Amadori(经XTCA中间体转化)降解,b甘氨酸-Amadori与半胱氨酸反应。目前,有关pH值对半胱氨酸与还原糖反应风味物质影响的文献已有较多报道[11-13],但对于不同pH值条件下,“半胱氨酸-木糖-氨酸”复杂体系中肉香味形成的初始途径及pH值对肉香味形成的影响如何尚不清楚。

本实验在不同初始pH值条件下进行“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”反应实验,通过测定反应液颜色、pH值、固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)结合气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GCMS)分析比较所形成的挥发性风味物质含量变化,并通过高效液相色谱-蒸发光散射检测器(high performance liquid chromatography-evaporative light scattering detection,HPLC-ELSD)和液相色谱-质谱(liquidchromatography-mass spectrometry,LC-MS)分析初始中间体形成情况,探讨了pH值如何对“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”复杂体系初始美拉德反应途径及肉香味的形成产生影响。本研究对于深入认识美拉德反应机理,采用美拉德反应制备热反应肉味香精具有参考性。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

L-半胱氨酸、D-(+)-木糖、L-甘氨酸(均为生化试剂),二水合磷酸二氢钠(分析纯) 国药集团北京化学试剂有限公司;C5~C23正构烷烃(色谱纯) 迪马科技有限公司;NaOH(分析纯) 天津市光复科技发展有限公司;1,2-邻二氯苯(分析纯) 北京化学试剂公司。

20 mL顶空瓶 迪马科技有限公司;手动SPME手柄、50/30 μm二乙基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/ CAR/PDMS)萃取纤维 美国Supelco公司;pH SJ-5型pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;UV-3560型紫外分光度计 日本岛津公司;PB4自动控制平行反应器系统 英国赫尔有限公司;7890A/5975C GC-MS联用仪、1100 HPLC仪 美国Agilent公司;SEDEX85 ELSD法国Sedere公司;XWK-Ⅲ无油空气泵 天津市华生分析仪器厂;LCQ Deca XP MaxLC-MS联用仪(配有电喷雾离子源) 美国Thermo Fisher公司。

1.2 方法

1.2.1 模型反应液的制备

1.2.1.1 挥发性风味物质测定[14]

分别称取0.15 mmol的L-半胱氨酸、D-(+)-木糖和L-甘氨酸于20 mL顶空瓶中,加入5 mL不同pH值(4.5、5.5、6.5、7.5)的二水合磷酸二氢钠缓冲溶液(0.2 mol/L),置于平行反应器中,140 ℃反应30 min,进行1.2.2、1.2.3节分析。每个反应体系平行做2 份样品,结果取平均值。

1.2.1.2 初始反应中间体分析

分别称取2 mmol的L-半胱氨酸、D-(+)-木糖和L-甘氨酸于20 mL顶空瓶中,加入5 mL不同pH值(4.5、5.5、6.5、7.5)的二水合磷酸二氢钠缓冲溶液(0.2 mol/L),置于平行反应器中,90 ℃反应1 h,进行1.2.4、1.2.5节分析。每个反应体系平行做2 份样品,结果取平均值。

1.2.2 SPME-GC-MS分析

萃取纤维按照使用说明事先老化。将所得反应液进行SPME,样品在水浴温度50 ℃条件下预平衡10 min,顶空吸附20 min,待GC-MS分析。

G C条件1:色谱柱H P-5 M S毛细管柱(30 m×250 μm,0.25 μm);进样口温度250 ℃;升温程序:起始温度40 ℃,保持2 min,以2 ℃/min升至100 ℃,再以4 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,以20 ℃/min升至280 ℃;载气(He)流速1.0 mL/min;不分流。

G C条件2:色谱柱D B-W A X毛细管柱(30 m×250 μm,0.25 μm);进样口温度250 ℃;升温程序:起始温度40 ℃,保持2 min,以3 ℃/min升至80 ℃,保持3 min,再以4 ℃/min升至120 ℃,保持2 min,以10 ℃/min升至230 ℃;载气(He)流速1.0 mL/min;不分流。

MS条件:电子电离源;电子能量70 eV;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;质量扫描范围40~450 u,全扫描模式。

采用内标定量,用注射器将0.2 μL的1,2-邻二氯苯(0.1 μg/μL甲醇溶液)推入进样口;然后迅速将萃取纤维插入GC-MS解吸5 min,所鉴定化合物含量按公式(1)计算,用绝对含量(ng)表示。

式中:m为鉴定化合物绝对含量/ng;ρ为1,2-邻二氯苯质量浓度/(μg/μL);V为1,2-邻二氯苯体积/μL;A为所鉴定化合物的峰面积;A0为1,2-邻二氯苯面积。

在相同的GC-MS条件下,进样C5~C23正构烷烃,保留指数按公式(2)计算:

式中:tn和t(n+1)分别为碳数为n、n+1的正构烷烃保留时间/min;ti是保留时间在tn和t(n+1)之间的第i个化合物的保留时间/min。

1.2.3 波长420 nm的紫外吸收、pH值分析

取1.2.1.1节所得反应液1 mL,用去离子水稀释50 倍,于波长420 nm处测定吸光度来表示产物的褐变程度;用pH计测反应液的pH值。

1.2.4 HPLC分析

HPLC条件:Waters Xbridge Amide色谱柱(4.6 mm× 150 mm,3.5 μm);流动相:10 mmol/L甲酸铵-乙腈溶液(25∶75,V/V),等度洗脱,流速0.5 mL/min;运行时间10 min;柱温40 ℃。

ELSD检测:蒸发管温度40 ℃;雾化气(空气)流速3.5 mL/min,增益5。

1.2.5 LC-MS分析

L C条件:Wa t e r s X b r i d g e A m i d e色谱柱(4.6 mm×150 mm,3.5 μm);流动相:10 mmol/L甲酸铵-乙腈溶液(25∶75,V/V),等度洗脱,流速500 μL/min;运行时间20 min;柱温40 ℃;进样0.5 μL。

MS条件:电喷雾离子源,正离子模式;电喷雾电压4 500 V;毛细管温度350 ℃;鞘气流速55 arb;清扫气流速20 arb;峰宽1.5;二级碰撞能量24%;质谱扫描范围50~400 u。数据使用Xcalibur软件处理。

2 结果与分析

2.1 反应产物基本特性比较

波长420 nm处吸光度用于表示美拉德反应末期阶段形成的高分子质量的产物如类黑素的含量,而pH值的变化与氨基的消耗和有机酸(甲酸、乙酸)的形成有关,消耗的氨基越多及生成的有机酸量越大,pH值下降越多[15]。由表1可知,随着初始pH值从4.5升高到7.5,反应液的颜色从淡黄色逐渐变为橘红色;波长420 nm处吸光度逐渐增大;pH值下降量增大。这些现象表明,随着初始pH值的升高,反应速度加快,氨基酸的消耗量增加,生成的类黑素等褐色物质和有机酸的积累量增多。对于风味特征而言,随着初始pH值的升高,肉香味逐渐变淡,而爆米花味、焦糊味和坚果味逐渐增强。

表1 140 ℃不同初始pH值条件下所得反应产物的颜色、吸光度、pH值变化及风味特征
Table 1 Color, UV absorbance, and aroma characteristics of the MRPs derived from cysteine-xylose-glycine reacted at different initial pH values and 140 ℃

2.2 不同初始pH值条件下反应产物挥发性风味物质比较

为了确保鉴定结果的准确性,实验中采用极性、弱极性双柱定性,通过NIST 11标准质谱库检索及核对保留指数对检测到的化合物进行鉴定,结果见表2。共鉴定出98 种化合物,弱极性柱和极性柱分别鉴定出48 种和81 种。由表2可知,反应产物主要以含硫化合物为主(71种),包括硫醇及二硫醚类、噻吩类、噻唑类等;另还包括21 种含氮杂环,3 种含氧杂环及3 种其他类化合物。

图2 140 ℃条件下各类物质总量(A)和含量较高化合物(B)随pH值变化
Fig. 2 Comparison of the quantities of the major compounds formed at different initial pH values and 140 ℃

如图2A所示,所鉴定的化合物总量中含硫类所占比例最大,其次是含氮杂环类、含氧杂环类。含硫化合物中主要以硫醇、硫醚类为主,其次是噻吩类、噻唑类;而含氮杂环类主要以吡嗪类为主,含氧杂环均为呋喃类,见表2。如图2B所示,属于硫醇硫醚类的2-甲基-3-呋喃硫醇、3-巯基-2-戊酮、2-糠硫醇、2-噻吩硫醇和双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚及属于噻吩类的2-甲基噻吩和属于噻唑类的2-乙酰基噻唑在含硫化合物中含量较高,糠醛在含氧杂环中含量较高(占所鉴定出含氧杂环的60.03%~100%),它也是其他杂环化合物如糠硫醇的重要前体物质。

所鉴定的化合物总量、含硫类总量、硫醇及二硫醚类总量在pH 4.5~7.5范围的变化趋势一致,均为先增后减,在pH 5.5含量最大,且在初始pH 4.5和pH 5.5体系中的总量远大于pH 6.5和pH 7.5;噻吩类在pH 4.5体系中的总量较小,在pH 5.5、6.5、7.5体系中的含量相近;而噻唑类的总量随pH值的升高而增加。初始pH 4.5~7.5变化时,含氮杂环化合物随pH值的升高含量显著增加;含氧杂环类总量在pH 4.5~7.5随pH值的升高而减小。在含量高的化合物中,3-巯基-2-戊酮、2-噻吩硫醇和糠醛均随pH值的升高而减少,但在酸性较强的pH 4.5和pH 5.5体系中的含量远大于pH 6.5和pH 7.5,2-糠硫醇、双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚和2-甲基噻吩的含量在pH 4.5~5.5之间呈现增加,pH 6.5~7.5有下降的趋势,总之,在pH 5.5含量最大,而2-乙酰基噻唑的含量随pH值的升高而增加,且在pH 7.5(碱性)条件下含量急剧增加。

2.3 初始中间体分析

在90 ℃条件下反应1 h制备反应液,对比分析初始pH值为酸性(pH 4.5)和碱性(pH 7.5)时反应初期中间体的形成状况。选择90 ℃反应1 h,是因为此温度条件下初始中间体(XTCA、半胱氨酸-Amadori和甘氨酸-Amadori)的降解速率较慢,且在1 h后有一定的积累量,容易被检测到。

表2 140 ℃不同pH值条件下“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系的GC-MS联用分析鉴定结果
Table 2 Analytical results of the MRPs by GC-MS under different pH conditions at 140 ℃

续表2

续表2

注:—.未检出。

图3 90 ℃反应1 h条件下“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”反应液的HPLC-ELSD谱图(a、b)、LC-MS总离子流色谱图(c、d)、3 个中间体质谱图(e、f、g)
Fig. 3 HPLC-ELSD Chromatograms and LC-MS total ion current chromatograms of the MRPs at 90 ℃ for 1 h and mass spectra of three intermediates

ELSD为通用型检测器,其线性和稳定性较好,由图3a、b可知,ELSD检测时未检测到甘氨酸-Amadori。质谱检测器灵敏,具有较好的定性能力,LC-MS联用分析主要用于鉴定初始中间体,特别检测到了甘氨酸-Amadori,但木糖由于在电喷雾质谱中很难离子化,未检测到。如图3e~g所示,根据文献[16-17],由准分子离子峰[M+H]、[M+H-H2O]、[M+H-2H2O]推断确认其结构。

比较pH 4.5和pH 7.5的检测结果,发现原料木糖、半胱氨酸在pH 4.5体系的含量均大于pH 7.5,而初期中间体XTCA、半胱氨酸-Amadori、和甘氨酸-Amadori在pH 4.5体系的含量均小于pH 7.5,可以得出在碱性(pH 7.5)条件下,初期反应阶段木糖与半胱氨酸、木糖与甘氨酸的结合速度均比酸性条件(pH 4.5)快,原料消耗较多,从而美拉德反应程度较高,这与2.1节对不同初始pH值时反应产物特性的分析比较结果相一致。此外,当pH 7.5时,除了XTCA、半胱氨酸-Amadori,还检测到较高含量的甘氨酸-Amadori,表明此时甘氨酸-Amadori在美拉德反应中的作用也较大;而在pH 4.5时,甘氨酸-Amadori含量很低,主要是半胱氨酸-Amadori发挥作用引发中、末期美拉德反应。

3 讨 论

3.1 反应初始pH值对风味化合物形成的影响

图2B所示的8 种化合物是“半胱氨酸-还原糖”反应形成的主要风味化合物,如Chen Yong等[18]在pH 5.0和pH 8.5的半胱氨酸和核糖体系中也检测出2-甲基-3-呋喃硫醇、3-巯基-2-戊酮、2-糠硫醇、2-噻吩硫醇、2-甲基噻吩、2-乙酰基噻唑和糠醛为主要化合物。Hofmann等[19]在半胱氨酸和鼠李糖或葡萄糖的模型反应中检测出具有肉香味的3-巯基-2-戊酮和2-甲基-3-呋喃硫醇及具有咖啡香味的2-糠硫醇。Moon[20]和Gasser[21]等在牛肉汤和鸡汤也都曾发现2-甲基-3-呋喃硫醇、2-糠硫醇和3-巯基-2-戊酮、2-甲基噻吩和双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚。Grosch[22]对煮牛肉中的挥发性香味成分进行风味重组和缺省实验,发现对煮牛肉整体风味贡献较大的化合物主要是2-糠硫醇、3-巯基-2-戊酮、2-甲基-3-呋喃硫醇。由于这8 种化合物是“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系的重要风味物质,pH值变化时它们在含量上的差异导致了总体风味特征的变化。此外,本实验检测到的含氮杂环化合物,如2,5-甲基吡嗪、2,6-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪和甲基吡嗪,在煮牛肉体系中曾被检测到[19,22],在半胱氨酸和核糖体系中也曾被鉴定出[18]

3.1.1 对含硫化合物的影响

“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系中含硫化合物在pH 4.5和pH 5.5时的总量远大于pH 6.5和pH 7.5,这与pH值对“半胱氨酸-还原糖”体系的影响趋势一致[18]。此外,2-甲基-3-呋喃硫醇和3-巯基-2-戊酮的含量在pH 4.5~7.5之间均随pH值的升高而减少,Hofmann等[23]对不同pH值条件下半胱氨酸和核糖反应所产生的2-甲基-3-呋喃硫醇进行定量分析也发现它有此趋势。Madruga等[24]发现3-巯基-2-戊酮在不同pH值的煮肉体系中含量也随pH值升高而减小。2-糠硫醇随pH值的升高先增后减,在pH 5.5达到最大值,这与吕玉等[25]比较不同pH值(4.5~7.0)在半胱氨酸和木糖反应体系中2-糠硫醇的变化趋势一致。双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚在pH 4.5和pH 5.5的体系含量相近,均大于pH 6.5和pH 7.5,这与Meynier等[12]研究不同初始pH值半胱氨酸和核糖体系所得结论一致。2-甲基噻吩和二氢-2-甲基-3(2H)-噻吩在pH 5.5体系中的含量大于pH 4.5,这与Madruga等[24]研究不同pH值对煮肉体系挥发性化合物的影响所得结果一致。而2-乙酰基噻唑含量随pH值的升高明显增加,在噻唑类中所占的比例不断增加,在煮肉体系也检测出2-乙酰基噻唑的含量有此趋势[24],它拥有坚果味、爆米花气味[26]

3.1.2 对含氮、含氧杂环化合物的影响

含氮杂环化合物以吡嗪为主,在“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”体系中检测到的含量相对较少,但在随pH值的升高(pH 4.5~7.5)含量逐渐增多。据文献[27-29]报道,半胱氨酸和葡萄糖的体系中一般仅产生少量的含氮杂环化合物,是因为反应体系含有半胱氨酸,而半胱氨酸降解释放出的硫化氢具有较强的反应活性[30]。Shu等[31]在“半胱氨酸+呋喃酮”的体系中研究pH值的变化对风味物质的影响,发现吡嗪仅在pH 7.1被检测到,在pH 5.1和pH 2.2没有检测到,认为半胱氨酸降解产生的氨在pH 7.1时活性较高,因此检测到含氮杂环化合物。

含氧杂环中糠醛是含量最高的化合物,其总量随pH值的升高而减少,主要是由于在酸性条件下Amadori化合物易于1,2-烯醇化进而环化形成糠醛,这与文献[8]报道一致。

3.2 反应液初始pH值的影响机制分析

从对pH 4.5和pH 7.5反应液中所含初期美拉德反应中间体及原料半胱氨酸、木糖进行分析看,pH值 升高,半胱氨酸、甘氨酸的氨基反应活性增大,与木糖的结合速度加快,从而氨基酸消耗增多,并导致pH 7.5时体系内存在半胱氨酸-Amadori和甘氨酸-Amadori两个中间体;初期反应的加快同时促进了中、末期反应的加快,从而体系pH值下降量增大,波长420 nm吸收增大(类黑精增多)。

从风味形成看,含硫化合物的总量在pH 4.5和pH 5.5体系远大于pH 6.5和pH 7.5,而含氮杂环化合物的总量在pH 6.5和pH 7.5体系大于pH 4.5和pH 5.5,这与“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”复杂体系在初始阶段的肉香味形成途径有所差异有关。由本实验对初期中间体的分析结果可知,在酸性条件下,甘氨酸-Amadori形成的很少,肉香味主要通过半胱氨酸-Amadori的降解途径形成,此时甘氨酸的作用主要是促进半胱氨酸-Amadori通过1,2-烯醇化发生降解反应,其降解产生的硫化氢与体系内还原酮、双羰基化合物、醛等活性物作用,并联动性地使XTCA转化成半胱氨酸-Amadori的速度加快[13]。pH 5.5是形成XTCA及半胱氨酸-Amadori的较佳条件,因此pH 5.5时产生的含硫化合物含量最高[32]。当酸性较强时(pH 4.5),XTCA不稳定,从而使半胱氨酸-Amadori形成量减少。但随着pH值的升高,甘氨酸的氨基反应活性增强,初期阶段不仅形成半胱氨酸-Amadori(XTCA转化而成),甘氨酸与木糖反应也生成了甘氨酸-Amadori。在pH 6.5和pH 7.5时,含硫化合物的含量显著降低,主要原因是,pH值升高后尤其处于碱性条件时,Amadori降解产生的氨或体系内的胺基类化合物的活性增强,体系内还原酮、双羰基化合物、醛等活性物不仅可与半胱氨酸-Amadori降解产生的硫化氢作用,还可与氨或体系内的胺基类化合物作用,导致形成的含硫化合物减少、吡嗪类含氮杂环化合物增多,出现烤香味;另外,半胱氨酸-Amadori或甘氨酸-Amadori降解产生的氨或体系内的其他含胺基化合物的活性增强后,也易于与Amadori降解产生的还原酮、双羰基化合物及Strecker降解醛等活性中间体发生复杂反应,形成类黑精物质,从而导致波长420 nm吸收值增大。形成的甘氨酸-Amadori未利于含硫化合物的形成,是因为体系内存在的甘氨酸-Amadori相对较少,在剩余的半胱氨酸存在条件下,甘氨酸-Amadori可均被半胱氨酸结合形成较为稳定的噻唑烷类衍生物[33],此噻唑烷类衍生物的生成将抑制美拉德反应形成含硫化合物。

含氧杂环化合物的含量随pH值的升高而减少,主要由于糠醛的原因。糠醛是含氧杂环化合物中含量较高的化合物,它由半胱氨酸-Amadori经1,2-烯醇化形成3-脱氧邻酮醛糖经脱水而成,而3-脱氧邻酮醛糖易在pH值不大于5.0的体系中形成。

4 结 论

从基本反应特性看,“半胱氨酸-木糖-甘氨酸”复杂体系由反应初始pH 4.5升高到pH 7.5,褐变反应加快,pH值下降增多,说明pH值升高后美拉德反应加快;但反应产物气味逐渐出现焦糊味和烤香气味,这与“半胱氨酸-木糖”简单体系随pH值的变化趋势相似。

从各类化合物生成看,反应初始pH 4.5升高到pH 7.5,所鉴定的化合物总量、含硫类总量、硫醇及二硫醚类总量的变化趋势一致,均为先增后减,在pH 5.5最大;含氮杂环类总量随pH值的升高而增大;含氧杂环类总量随pH值的升高而减小。主要化合物如2-甲基-3-呋喃硫醇和3-巯基-2-戊酮的含量随pH值的升高而减少,2-糠硫醇随pH值的升高先增后减,在pH 5.5最大。

从反应机制分析看,pH值升高尤其是在碱性条件下,半胱氨酸、甘氨酸的氨基活性较高,在初期阶段与木糖的结合速度加快,因此除了形成半胱氨酸-Amadori,还检测到甘氨酸-Amadori。初期反应速度的加快,使氨基的消耗增多,并连锁性导致中、末期美拉德反应速度加快,使形成的类黑精增多,有机酸积累增多,pH值下降较多。由于碱性条件下,Amadori降解产生的氨的活性增强,导致吡嗪类含氮杂环风味物质含量上升,含硫化合物含量下降。由于甘氨酸-Amadori可与半胱氨酸结合形成较为稳定的噻唑烷衍生物,对美拉德反应产生有一定抑制作用,因而碱性条件下甘氨酸-Amadori的出现,并未促进含硫化合物的形成。

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Effect of pH on the Formation of Meaty Flavor Compounds in Cysteine-Xylose-Glycine Reaction System

HOU Li, LIANG Jingjing, ZHAO Jian, ZHAO Mengyao, XIAO Qunfei, FAN Mengdie, XIE Jianchun*
(Beijing Laboratory for Food Quality and Safety, Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health, Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Abstract:Maillard reaction products (MRPs) were prepared from a complex reaction system containing cysteine, xylose, and glycine under different initial pH values (4.5‒7.5) and investigated for the measurement of absorbance at 420 nm and the fi nal pH values, and the analysis of volatile compounds by solid phase micro extraction (SPME) and gas chromatographymass spectrometry (GC-MS). It turned out that the greater the initial pH value was, the greater the degree of browning was and the more significantly the final pH values decreased. The most predominant flavor compounds identified were sulfur-containing compounds, followed by nitrogen-containing heterocyclic compounds and oxygen-containing heterocyclic compounds. The abundant sulfur-containing compounds were 2-methyl-3-furanthiol, 3-mercapto-2-pentanone, 2-furfurylthiol, 2-thiophenethiol, and bis(2-methyl-3-furyl) disulfide, 2-methylthiophene, and 2-acetylthiazole. With the increase in initial pH value, both the total content of volatile compounds and the content of sulfur-containing compounds identified firstly increased and then decreased, reaching a peak at pH 5.5. However, the content of nitrogen-containing heterocyclic compounds increased gradually, and the content of oxygen-containing heterocyclic compounds decreased. Further, the MRPs from reaction at 90 ℃ for 1 h at an initial pH of 4.5 or 7.5 were analyzed by high performance liquid chromatography with evaporated light scattering detection (HPLC-ELSD) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). It was concluded that the pathway to develop volatile fi avors at an acidic initial pH differed from that under a basic initial pH. For the former, the pathway involved cysteine-Amadori degradation, while for the latter it involved bothcysteine-Amadori degradation and the reaction of glycine-Amadori with cysteine. Since at a basic initial pH, the compounds with an amino group (such as amino acids, and ammonia) were more active, the Maillard reaction became faster, which led to greater amount of cysteine-Amadoris intermediates during the early stage of the reaction and consequently the generation of more melanoidins and pyrazine compounds during the middle and late stages of the reaction. However, the emergence of glycine-Amadori under a basic initial pH could not facilitate the production of sulfur-containing compounds, since glycine-Amadoris could react with cysteine to form stable thiazolidine derivatives, which can cause the Maillard reaction to develop sulfur fi avor compounds.

Key words:pH; cysteine; glycine; Maillard reaction; meaty fi avor; cysteine-Amadori; glycine-Amadori

收稿日期:2016-06-29

基金项目:国家自然科学基金面上项目(31371838;31671895);北京市自然科学基金项目(6172004)

作者简介:侯莉(1990—),女,硕士研究生,研究方向为食品风味化学。E-mail:1369730318@qq.com

*通信作者:谢建春(1967—),女,教授,博士,研究方向为食品风味化学、热反应肉味香精。E-mail:xjchun@th.btbu.edu.cn

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201708021

中图分类号:TQ656.1

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)08-0129-10

引文格式:

侯莉, 梁晶晶, 赵健, 等. pH值对半胱氨酸-木糖-甘氨酸体系肉香味形成的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(8): 129-138.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201708021. http://www.spkx.net.cn

HOU Li, LIANG Jingjing, ZHAO Jian, et al. Effect of pH on the formation of meaty fi avor compounds in cysteine-xyloseglycine reaction system[J]. Food Science, 2017, 38(8): 129-138. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201708021. http://www.spkx.net.cn