半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反應(yīng)體系色澤形成的動(dòng)力學(xué)研究

黃梅桂 張曉鳴

摘要：通過(guò)測(cè)定褐變程度D420 nm、色差值，對(duì)半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反應(yīng)體系色澤形成隨時(shí)間、溫度變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反應(yīng)體系的色澤變化進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，色澤參數(shù)D420 nm、L均符合零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，回歸方程具有較高的r2，數(shù)值在086～097之間，說(shuō)明方程擬合良好；色澤參數(shù)ΔE經(jīng)非線(xiàn)性擬合，模型符合指數(shù)方程；分析色澤變化的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，可用于該體系中給定溫度和時(shí)間下色澤的追蹤、預(yù)測(cè)及優(yōu)化控制，為研究抑制大豆肽美拉德體系中色澤的形成與控制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大豆肽；美拉德反應(yīng)；色澤形成；動(dòng)力學(xué)；活化能

中圖分類(lèi)號(hào)： TS2011文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0293-03

大豆肽來(lái)源于大豆蛋白，是大豆蛋白經(jīng)酸、堿或酶的水解作用，使肽鍵斷裂后得到的由不同氨基酸組成的低相對(duì)分子質(zhì)量短肽的總稱(chēng)。大豆肽消化吸收率高，能迅速提供能量，是食品工業(yè)的重要原料。大豆肽參與美拉德反應(yīng)可為食品提供豐富的色澤香氣和滋味。產(chǎn)物色澤是由錯(cuò)綜復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)生的多種產(chǎn)物共同呈現(xiàn)出來(lái)的，國(guó)際上諸多學(xué)者致力于研究美拉德反應(yīng)的呈色物質(zhì)，美拉德產(chǎn)物中色澤的形成與溫度和時(shí)間有著密切的聯(lián)系，因此控制溫度和時(shí)間對(duì)色澤的控制非常重要，這就需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理來(lái)建立美拉德產(chǎn)物顏色變化與時(shí)間和顏色抑制劑關(guān)系的模型，推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程，建立色澤動(dòng)力學(xué)模型將為研究美拉德過(guò)程中色澤的形成、有效控制反應(yīng)過(guò)程中顏色的變化提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

美拉德反應(yīng)的每步反應(yīng)對(duì)溫度的敏感性都不相同，溫度的高低會(huì)促使反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)沿著不同的反應(yīng)支路而生成不同的呈色呈味物質(zhì)。每一類(lèi)物質(zhì)，甚至每一類(lèi)中的每一種物質(zhì)都有可能具有它們自己的反應(yīng)活化能，由此可以認(rèn)識(shí)到溫度對(duì)美拉德反應(yīng)中化合物的形成有著重要的影響。學(xué)者們對(duì)多種體系的美拉德反應(yīng)色澤動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，Reyes等對(duì)牛奶體系褐變的形成動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，色澤的形成主要由高級(jí)階段的美拉德反應(yīng)產(chǎn)生，并隨溫度和時(shí)間顯著變化[1]。Franzen等發(fā)現(xiàn)其形成動(dòng)力學(xué)符合假零級(jí)反應(yīng)模型。本研究借助化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用數(shù)學(xué)原理重點(diǎn)研究半胱氨酸對(duì)大豆肽-木糖體系色澤的抑制過(guò)程并進(jìn)一步推導(dǎo)隨溫度時(shí)間的色澤動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程，計(jì)算其活化能，目的在于明確色澤被抑制的本質(zhì)過(guò)程，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型美拉德風(fēng)味增強(qiáng)肽、獲得高附加值的大豆新產(chǎn)品具有重要的意義。

1材料與方法

11試驗(yàn)材料

大豆肽，筆者實(shí)驗(yàn)室自制；D-木糖、L-半胱氨酸，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

12試驗(yàn)儀器

UV-1600 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)公司；WSC測(cè)色色差計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

13試驗(yàn)方法

131溫度對(duì)色澤形成的影響配制100 g/L大豆肽底物溶液，添加15%木糖（質(zhì)量含量、100%半胱氨酸，配成 10 mL 溶液，置于50 mL耐溫耐壓反應(yīng)瓶中，調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH值至65，旋緊瓶蓋使溶液置于密閉環(huán)境中以防揮發(fā)性香氣逸出，在100、110、120、130、140 ℃下反應(yīng)20、40、60、80、100、120 min。反應(yīng)結(jié)束后，為迅速猝滅反應(yīng)，冰浴冷卻至室溫，測(cè)定色澤，重復(fù)3次。

132褐變程度D420 nm的測(cè)定準(zhǔn)確吸取01 mL樣品，用蒸餾水稀釋至10 mL（稀釋100倍，以蒸餾水作空白對(duì)照，在 420 nm 下測(cè)定吸光度D420 nm。

133色差值的測(cè)定定量移取2 mL美拉德反應(yīng)產(chǎn)物（Maillard reaction products，MRPs用于測(cè)定L、a、b值（分別表示亮度、紅綠值、黃藍(lán)值，以水作空白對(duì)照。測(cè)定3次并取平均值，按如下公式計(jì)算相應(yīng)參數(shù)：

[J（]總色差ΔE=[（ΔL2+（Δa2+（Δb2]1/2。[J][JY]（1

所用標(biāo)準(zhǔn)白板的三原色刺激值：紅原色刺激值（x0=7511；綠原色刺激值（y0=7919；藍(lán)原色刺激值（z0=8502。

134動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)所得的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Student-t檢驗(yàn)法和Pearson法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析，利用SPSS 130軟件進(jìn)行模型擬合，建立大豆肽-木糖-半胱氨酸（PXC體系色澤形成的動(dòng)力學(xué)方程。

2結(jié)果與分析

21美拉德反應(yīng)中D420 nm的變化

為了解釋半胱氨酸抑制大豆肽-木糖體系美拉德反應(yīng)過(guò)程中顏色形成的變化情況，采用動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)常數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。褐變指數(shù)D420 nm隨溫度（100～140 ℃變化情況如圖1所示，可以看出溫度越高，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，D420 nm越大；以D420 nm的變化對(duì)時(shí)間t作圖，通過(guò)動(dòng)力學(xué)擬合，各溫度下D420 nm隨時(shí)間t的變化均符合零級(jí)反應(yīng)（y=kt+a，具體如表1所示。Pauletti等也證實(shí)了果糖體系中色澤隨時(shí)間呈零級(jí)變化[5]。從表1還可以看出，該模型顯著性均為極顯著（P>F，達(dá)10-4級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0001，這表明擬合的回歸方程極顯著，且r2較高（均為086以上，說(shuō)明該方程擬合程度良好，可以反映出D420 nm隨溫度變化的情況。

[F（W10][TPHMG1tif][F][FL]

[F（W9][HT6H][J][WTH]表1D420 nm的動(dòng)力學(xué)方程回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)[WTB][HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W9。6W]T（℃常數(shù)項(xiàng)斜率kr2k值的95%下限k值的95%上限P>F（×10-4

[BHDG12，W6，W9。6DWW]1000048 460002 430930 20001 660003 19448endprint

[BHDW]1100071 750003 680942 10002 630004 73280

1200116 520006 50 0913 450004 200008 80772

1300188 980006 780864 940003 700009 862400

1400275 270010 130874 000005 710014 552010[HJ][BG）F][F）]

[FL（22]比較表1中PXC的D420 nm變化結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，D420 nm形成的速度加快，110 ℃時(shí)的k值是100 ℃時(shí)的151倍，120 ℃時(shí)的k值是100 ℃時(shí)的267倍，130、140 ℃ 時(shí)的k值分別為100 ℃時(shí)的279、417倍。由此可以看出，溫度對(duì)該體系下美拉德反應(yīng)D420 nm的形成影響較大，根據(jù)阿倫尼烏斯公式，反應(yīng)速率不僅與溫度有關(guān)，還與反應(yīng)的活化能有關(guān)。Buera等對(duì)多種糖（果糖、木糖、葡萄糖、乳糖等的研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)色澤形成符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)，糖的種類(lèi)不同，活化能略有差異，范圍在25～48 kJ/mol之間[6]。進(jìn)一步通過(guò)反應(yīng)速率lnk與溫度1/T線(xiàn)性回歸作圖，如圖2所示，可得方程y=-5 3904x+8444 3（r2=0958 5，并由此計(jì)算可得本體系中D420 nm的活化能為4482 kJ/mol。

[F（W10][TPHMG2tif][F]

22美拉德反應(yīng)中L的變化

顏色變化可以用不同的色澤指標(biāo)來(lái)衡量，色度空間L、a、b值可以直觀反映美拉德反應(yīng)過(guò)程中色澤的三維變化，將色差值與褐變指數(shù)結(jié)合起來(lái)分析能從不同角度更方便全面地表達(dá)可見(jiàn)的色澤變化。PXC體系中亮度L值隨溫度變化結(jié)果如圖3所示，L值表示樣品的明暗程度，L值降低表明顏色變暗[7]?？梢钥闯?，隨著溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)，L呈明顯下降趨勢(shì)，且溫度越高，降低幅度越大。經(jīng)擬合，PXC體系中L值隨溫度的變化符合零級(jí)反應(yīng)，顯著性水平均為極顯著（P<0001，詳細(xì)擬合參數(shù)如表2所示。色澤形成的動(dòng)力學(xué)規(guī)律與文獻(xiàn)報(bào)道有差異，反應(yīng)級(jí)數(shù)也與文獻(xiàn)報(bào)道不完全吻合，這是由美拉德反應(yīng)的復(fù)雜性所決定的。美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的最終色澤受反應(yīng)體系自身組成及溫度、pH值、水分活度等多個(gè)因素的影響而發(fā)生復(fù)雜變化，如eller等研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄糖-甘氨酸體系中色澤的形成符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模式[7]；van Boekel卻發(fā)現(xiàn)，只有pH值發(fā)生極小改變時(shí)色澤形成卻符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模式[8]；Morales發(fā)現(xiàn)，酪蛋白-葡萄糖體系中的色澤形成受溫度影響極大，符合零級(jí)反應(yīng)[9]。

[F（W11][TPHMG3tif；S+2mm][F]

通過(guò)反應(yīng)速率lnk與溫度1/T線(xiàn)性回歸，所得直線(xiàn)滿(mǎn)足 y=-3 0223x+ 6060 1，且具有較高的r2（0965 3，如圖4所示。根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算，其活化能為 2511 kJ/mol，L的活化能值低，表明反應(yīng)中L的變化受溫度影響大。

23美拉德反應(yīng)中ΔE的變化

總色差ΔE隨溫度變化情況如圖5所示，在各溫度下，ΔE隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)；但隨著溫度的升高， ΔE的變化[FL]

[F（W8][HT6H][J][WTH]表2L的動(dòng)力學(xué)方程回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)趨勢(shì)較復(fù)雜，而且從散點(diǎn)圖上可以發(fā)現(xiàn)，在130、140 ℃高溫下，ΔE數(shù)值偏差較大，增大規(guī)律也不十分明顯。這可能是因?yàn)棣是綜合亮度、紅綠、黃藍(lán)值體現(xiàn)在整個(gè)色度空間的色澤，具有色澤的空間性，因而呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的變化情況。

ΔE值隨溫度變化趨勢(shì)比較復(fù)雜[10-11]，Buera等研究了葡萄糖和二甘肽、三甘肽體系中的色澤動(dòng)力學(xué)形成，結(jié)果表明，色澤的形成為混合級(jí)數(shù)型，表現(xiàn)出2種速率常數(shù)[6]。在本體系中通過(guò)非線(xiàn)性擬合，得到1條顯著性極高的擬合曲線(xiàn)（達(dá)10-9級(jí)，詳細(xì)參數(shù)如表3所示，該曲線(xiàn)為復(fù)合指數(shù)式方程 y=exp[a+b/（x+c]，方程r2較高，這表明所得模型可以較好地反映美拉德反應(yīng)過(guò)程中總色差的變化，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)美拉德反應(yīng)的色澤進(jìn)行監(jiān)控。

[F（W9][HT6H][J][WTH]表3ΔE的動(dòng)力學(xué)方程回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

3結(jié)論

對(duì)大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反應(yīng)體系的色澤變化進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明，色澤參數(shù)D420 nm、L均符合零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，回歸方程具有較高的r2，在086～097之間，說(shuō)明方程擬合良好。色澤參數(shù)ΔE經(jīng)非線(xiàn)性擬合，模型符合指數(shù)方程。分析色澤變化的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，可用于該體系中給定溫度和時(shí)間下色澤的追蹤、預(yù)測(cè)及優(yōu)化控制，從而為研究抑制美拉德色澤的形成與控制提供理論依據(jù)endprint