葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反應動力學的研究

李伶俐，曾茂茂，陳 潔，范柳萍

（江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學食品學院，江蘇無錫214122）

葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反應動力學的研究

李伶俐，曾茂茂，陳 潔*，范柳萍

（江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學食品學院，江蘇無錫214122）

以葡萄糖和L-半胱氨酸為反應體系，研究了反應溫度對體系底物濃度變化、褐色物質生成以及pH變化的影響，并進行了動力學分析。結果表明，反應溫度是影響美拉德反應的重要因素，反應底物濃度、褐色物質含量以及pH的變化速率均隨著反應溫度的升高而增大。在不同的反應溫度條件下，反應底物葡萄糖和半胱氨酸的濃度變化符合一級動力學，褐色物質的生成和pH的變化符合零級動力學。同時研究發現，顏色物質和酸性物質的生成主要發生在美拉德反應的高級階段，所需活化能較高，分別為164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。

美拉德，L-半胱氨酸，葡萄糖，反應溫度，動力學

美拉德反應是食品中氨基化合物和羰基化合物在食品加工和儲藏過程中在一定溫度下發生的一系列非酶褐變反應的總稱，對食品的風味、色澤、抗氧化性等品質有著至關重要的影響。葡萄糖是自然界中分布最廣、最重要的還原單糖，而半胱氨酸作為一種含硫氨基酸，是形成肉味香精的重要氨基酸。許多利用美拉德反應生產肉味香精的研究報道[1-4]中反應底物都含有這兩種單體，但針對二者高溫下發生美拉德反應機理的研究則甚少；而我國工業上利用美拉德反應制備香精香料也多是憑借經驗來決定反應條件，無法使產品質量保證始終如一。因此本文選取葡萄糖和L-半胱氨酸作為反應底物，研究在不同初始pH和反應溫度條件下反應底物濃度，褐色物質含量以及pH的變化速率，建立動力學模型，有助于更加深入地研究美拉德反應的機理，進而對反應進行定量、定向控制[5]，最終使美拉德反應成為一個可控的食品化學進程，為實際的香精生產提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

葡萄糖、L-半胱氨酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、2，4-二硝基氟苯等 均為分析純，購自國藥集團。

恒溫油浴鍋 無錫湖景儀器廠；反應鋼柱 江蘇漢邦科技有限公司；梅特勒-托利多SevenEasy pH計

梅特勒-托利多儀器有限公司；UV2800紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；Waters1525型高效液相色譜儀 美國waters公司；島津高效液相色譜儀 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 美拉德反應液的制備 將葡萄糖和半胱氨酸溶解于pH 7的磷酸鹽緩沖溶液中，使其濃度均為0.2mol/L，反應液分別置于溫度為100、110、120、130℃的油浴中反應10、20、30、60、90、120min，反應結束后立即置于冰浴中冷卻終止反應。

1.2.2 分析測定方法

1.2.2.1 葡萄糖殘余量的測定 采用高效液相色譜法測定反應體系中葡萄糖的殘余量[6]。將美拉德反應液過氨基萃取小柱后，采用美國Waters高效液相色譜儀進行分析。色譜柱：Thermo ASP-2 Hypersil（250mm×4.6mm，5μm）氨基柱；柱溫：30℃；流動相：乙腈∶水=70∶30；流速：1mL/min；檢測器：示差檢測器。

1.2.2.2 半胱氨酸殘余量的測定 半胱氨酸濃度的測定采用呂營果[7]等人的方法，衍生后采用日本島津高效液相色譜儀進行分析。

1.2.2.3 反應液pH的測定 反應液的pH采用梅特勒-托利多SevenEasy pH計進行測定。

1.2.2.4 反應液顏色物質的測定 美拉德反應體系褐色產物的生成量用反應液在420nm處的吸光值來表征[8-9]。將反應液稀釋后采用UV2800紫外-可見分光光度計在420nm處測定吸光值，吸光值越大表明褐色產物的生成量越多。

1.2.3 美拉德反應動力學的模型研究 根據相關文獻報道和預實結果分析，美拉德反應中底物濃度變化符合一級動力學[10-11]，420nm吸光值和pH變化符合零級動力學[12-13]，因此分別采用一級動力學和零級動力學模型來模擬美拉德反應過程，模型公式如下：

式中：A0和A為測試指標的初始值和時間t時的數值；K為反應速率常數；t為反應時間。

為了研究不同溫度對美拉德反應速率的影響，采用Arrhennius方程來描述反應速率常數K與反應溫度T的關系，公式如下：

式中：K0為溫度獨立影響系數；Ea為活化能；R為通用氣體常數，即8.314J/（mol·K）；T為絕對溫度。

2 結果與討論

2.1 反應溫度對美拉德反應底物濃度變化的影響

反應溫度對美拉德反應體系殘余葡萄糖和半胱氨酸濃度的影響如圖1和圖2所示，可以看出，在不同的反應溫度條件下，體系中葡萄糖和半胱氨酸濃度均隨著反應時間的增加而降低。反應溫度較低時，兩種底物濃度下的速率較小；而隨著反應溫度的升高，兩種底物的下降速率均有明顯增大。這主要是由于開鏈式葡萄糖是參與美拉德反應的葡萄糖的活性形式，體系中開鏈式葡萄糖的含量隨著溫度的升高而增大，因此溫度越高，反應底物的活性越大，美拉德反應越劇烈，底物濃度下降的速率就越大。

圖1 反應體系葡萄糖濃度隨反應溫度和反應時間的變化

圖2 反應體系半胱氨酸濃度隨反應溫度和反應時間的變化

2.2 反應溫度對美拉德反應體系420nm吸光值和pH變化的影響

反應溫度對美拉德反應體系中褐色物質的生成和pH變化的影響如圖3和圖4所示，可以看出，420nm吸光值在不同的反應溫度條件下均隨著反應時間的增加而增大。當反應條件為100℃、120min時，420nm吸光值為0.3465；而在相同反應時間條件下，當反應溫度分別為110、120、130℃時，420nm吸光值則分別為2.12、5.99、18.34，可見反應溫度越高，420nm吸光值增加得越快，表明生成了更多的顏色物質。

圖3 反應體系420nm吸光值隨反應溫度和反應時間的變化

圖4 反應體系pH隨反應溫度和反應時間的變化

美拉德反應過程中，不同反應溫度條件下體系的pH也隨著反應時間的增加而下降。當反應溫度為100℃時，體系的pH變化不明顯，說明在反應溫度較低的時候，產生的酸性物質較少；而在反應溫度較高時，pH變化則較大，說明在較高的反應溫度條件下，體系在高級美拉德階段產生了較多的酸性化合物，這與侯亞龍[14]等人的研究結果是一致的。

表1 不同反應溫度條件下各反應動力學參數

2.3 不同反應溫度條件下反應動力學模型分析

將不同反應溫度下美拉德反應體系中葡萄糖和半胱氨酸濃度、420nm吸光值和pH的數值分別代入式（1）和式（2）中，通過SAS回歸分析，得到不同反應溫度條件下反應體系指標變化的特性參數，結果如表1所示。

表1顯示，各方程均具有較高的決定系數（R2>0.92）。同時研究發現，兩種底物的反應速率常數均隨著反應溫度的升高而增大。反應溫度較低時，葡萄糖濃度下降較快，主要是由于葡萄糖除與半胱氨酸發生美拉德反應外，自身還會發生異構化反應及降解反應等[5,13]；而隨著反應溫度的增加，半胱氨酸下降速率逐漸大于葡萄糖，說明在高溫條件下半胱氨酸易發生Strecker降解反應，使得半胱氨酸濃度快速降低。420nm吸光值和pH的變化速率隨著反應溫度的升高也有明顯增大，說明溫度是影響葡萄糖-半胱氨酸反應體系的重要因素。

將不同反應溫度條件下底物濃度變化、420nm吸光值和pH變化反應速率K及反應絕對溫度T代入式（3），得到不同反應溫度條件下各反應活化能，如表2所示。

表2 美拉德反應體系各反應活化能

從表2可以看出，葡萄糖的活化能最低，為87.85kJ/mol；半胱氨酸活化能大于葡萄糖，為120.96 kJ/mol。而顏色物質則主要在高級美拉德反應階段生成，所需活化能最高，為164.77kJ/mol，這與Ajandouz[15]等人的研究結果是一致的。

3 結論

反應溫度是影響美拉德反應的重要因素。當反應溫度較低時，美拉德反應較為緩慢，葡萄糖和半胱氨酸濃度的下降速率較小，顏色物質的生成及pH的下降也較慢；而隨著反應溫度的升高，各反應速率均迅速提高，反應加速。通過動力學分析可以看出，底物濃度的變化速率符合一級動力學，褐色物質的生成和pH的變化則符合零級動力學。在初始pH7條件下，葡萄糖和半胱氨酸反應活化能分別為87.85kJ/mol和120.96kJ/mol，420nm吸光值和終pH變化活化能分別為164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。這一結論有助于更加深入的研究美拉德反應的機理，使美拉德反應成為一個可控的化學進程，同時也為反應型香精的工業化生產提供一定的理論基礎。

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[15]Ajandouz E H,Desseaux V,Tazi S,et al.Effects of temperature and pH on the kinetics of caramelisation protein cross-linking andmaillardreactionsinaqueousmodelsystems[J].Food Chemistry，2008,107(3):1244-1252.

Kinetics of Maillard reaction in glucose/L-cysteine model systems

LI Ling-li，ZENG Mao-mao，CHEN Jie*，FAN Liu-ping（State Key Laboratory of Food Science and Technology,School of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122,China）

Kinetics of substrate concentration，color development and pH change were studied in glucose/L-cysteine model systems under different reaction conditions of temperature.The result indicated that temperature play a crucial role on the maillard reaction.The rate of substrate concentration change，color development and pH change increased when increasing the temperature.Under different reaction conditions，the loss of glucose and L-cystine concentration followed first-ordered kinetics；color development and pH change followed zero-order kinetics.Brown pigments and acid compounds generated on the advanced stage of maillard reaction which were found with high activation energy of 164.77kJ/mol and 149.17kJ/mol，respectively.

Maillard；L-cysteine；glucose；reaction temperature；kinetics

TS201.2

A

1002-0306（2011）10-0073-03

2010－09－13 * 通訊聯系人

李伶俐（1985-），女，碩士在讀，研究方向：食品蛋白質功能。

食品科學與技術國家重點實驗室自由探索課題（SKLF-TS-200804）；教育部新世紀優秀人才計劃（NCET-07-0377）；江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）資助項目（BK2009614）；國家級科技計劃項目（星火計劃）（2008GA690137）。