半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反應體系色澤形成的動力學研究

黃梅桂 張曉鳴

摘要：通過測定褐變程度D420 nm、色差值，對半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反應體系色澤形成隨時間、溫度變化的動力學過程進行研究，對大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反應體系的色澤變化進行回歸分析。結(jié)果表明，色澤參數(shù)D420 nm、L均符合零級反應動力學，回歸方程具有較高的r2，數(shù)值在086～097之間，說明方程擬合良好；色澤參數(shù)ΔE經(jīng)非線性擬合，模型符合指數(shù)方程；分析色澤變化的動力學關系，可用于該體系中給定溫度和時間下色澤的追蹤、預測及優(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)。

關鍵詞：大豆肽；美拉德反應；色澤形成；動力學；活化能

中圖分類號： TS2011文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0293-03

大豆肽來源于大豆蛋白，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分子質(zhì)量短肽的總稱。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可為食品提供豐富的色澤香氣和滋味。產(chǎn)物色澤是由錯綜復雜的反應產(chǎn)生的多種產(chǎn)物共同呈現(xiàn)出來的，國際上諸多學者致力于研究美拉德反應的呈色物質(zhì)，美拉德產(chǎn)物中色澤的形成與溫度和時間有著密切的聯(lián)系，因此控制溫度和時間對色澤的控制非常重要，這就需要對試驗數(shù)據(jù)進行理論分析，采用化學反應動力學原理來建立美拉德產(chǎn)物顏色變化與時間和顏色抑制劑關系的模型，推導其動力學方程，建立色澤動力學模型將為研究美拉德過程中色澤的形成、有效控制反應過程中顏色的變化提供強有力的理論依據(jù)。

美拉德反應的每步反應對溫度的敏感性都不相同，溫度的高低會促使反應網(wǎng)絡沿著不同的反應支路而生成不同的呈色呈味物質(zhì)。每一類物質(zhì)，甚至每一類中的每一種物質(zhì)都有可能具有它們自己的反應活化能，由此可以認識到溫度對美拉德反應中化合物的形成有著重要的影響。學者們對多種體系的美拉德反應色澤動力學進行了研究，Reyes等對牛奶體系褐變的形成動力學研究發(fā)現(xiàn)，色澤的形成主要由高級階段的美拉德反應產(chǎn)生，并隨溫度和時間顯著變化[1]。Franzen等發(fā)現(xiàn)其形成動力學符合假零級反應模型。本研究借助化學反應動力學理論，應用數(shù)學原理重點研究半胱氨酸對大豆肽-木糖體系色澤的抑制過程并進一步推導隨溫度時間的色澤動力學變化過程，計算其活化能，目的在于明確色澤被抑制的本質(zhì)過程，對于開發(fā)新型美拉德風味增強肽、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試驗材料

大豆肽，筆者實驗室自制；D-木糖、L-半胱氨酸，購自國藥集團化學試劑有限公司。

12試驗儀器

UV-1600 紫外可見分光光度計，上海美譜達公司；WSC測色色差計，上海精密科學儀器有限公司。

13試驗方法

131溫度對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耐溫耐壓反應瓶中，調(diào)節(jié)反應液的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20、40、60、80、100、120 min。反應結(jié)束后，為迅速猝滅反應，冰浴冷卻至室溫，測定色澤，重復3次。

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

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

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

所用標準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；藍原色刺激值（z0=8502。

134動力學參數(shù)的計算和統(tǒng)計分析根據(jù)所得的動力學試驗數(shù)據(jù)，采用Student-t檢驗法和Pearson法對各參數(shù)進行顯著性和相關性分析，利用SPSS 130軟件進行模型擬合，建立大豆肽-木糖-半胱氨酸（PXC體系色澤形成的動力學方程。

2結(jié)果與分析

21美拉德反應中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過程中顏色形成的變化情況，采用動力學模型和動力學常數(shù)進行說明。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，隨著反應時間的延長，D420 nm越大；以D420 nm的變化對時間t作圖，通過動力學擬合，各溫度下D420 nm隨時間t的變化均符合零級反應（y=kt+a，具體如表1所示。Pauletti等也證實了果糖體系中色澤隨時間呈零級變化[5]。從表1還可以看出，該模型顯著性均為極顯著（P>F，達10-4級，遠遠小于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的動力學方程回歸系數(shù)及顯著性檢驗[WTB][HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W9。6W]T（℃常數(shù)項斜率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 ℃時的k值是100 ℃時的151倍，120 ℃時的k值是100 ℃時的267倍，130、140 ℃ 時的k值分別為100 ℃時的279、417倍。由此可以看出，溫度對該體系下美拉德反應D420 nm的形成影響較大，根據(jù)阿倫尼烏斯公式，反應速率不僅與溫度有關，還與反應的活化能有關。Buera等對多種糖（果糖、木糖、葡萄糖、乳糖等的研究發(fā)現(xiàn)，反應色澤形成符合零級動力學，糖的種類不同，活化能略有差異，范圍在25～48 kJ/mol之間[6]。進一步通過反應速率lnk與溫度1/T線性回歸作圖，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美拉德反應中L的變化

顏色變化可以用不同的色澤指標來衡量，色度空間L、a、b值可以直觀反映美拉德反應過程中色澤的三維變化，將色差值與褐變指數(shù)結(jié)合起來分析能從不同角度更方便全面地表達可見的色澤變化。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]。可以看出，隨著溫度的升高、時間的延長，L呈明顯下降趨勢，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反應，顯著性水平均為極顯著（P<0001，詳細擬合參數(shù)如表2所示。色澤形成的動力學規(guī)律與文獻報道有差異，反應級數(shù)也與文獻報道不完全吻合，這是由美拉德反應的復雜性所決定的。美拉德反應產(chǎn)生的最終色澤受反應體系自身組成及溫度、pH值、水分活度等多個因素的影響而發(fā)生復雜變化，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動力學模式[7]；van Boekel卻發(fā)現(xiàn)，只有pH值發(fā)生極小改變時色澤形成卻符合二級動力學模式[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，符合零級反應[9]。

[F（W11][TPHMG3tif；S+2mm][F]

通過反應速率lnk與溫度1/T線性回歸，所得直線滿足 y=-3 0223x+ 6060 1，且具有較高的r2（0965 3，如圖4所示。根據(jù)阿倫尼烏斯公式計算，其活化能為 2511 kJ/mol，L的活化能值低，表明反應中L的變化受溫度影響大。

23美拉德反應中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隨著時間的延長呈增大趨勢；但隨著溫度的升高， ΔE的變化[FL]

[F（W8][HT6H][J][WTH]表2L的動力學方程回歸系數(shù)及顯著性檢驗趨勢較復雜，而且從散點圖上可以發(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。這可能是因為ΔE是綜合亮度、紅綠、黃藍值體現(xiàn)在整個色度空間的色澤，具有色澤的空間性，因而呈現(xiàn)出比較復雜的變化情況。

ΔE值隨溫度變化趨勢比較復雜[10-11]，Buera等研究了葡萄糖和二甘肽、三甘肽體系中的色澤動力學形成，結(jié)果表明，色澤的形成為混合級數(shù)型，表現(xiàn)出2種速率常數(shù)[6]。在本體系中通過非線性擬合，得到1條顯著性極高的擬合曲線（達10-9級，詳細參數(shù)如表3所示，該曲線為復合指數(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過程中總色差的變化，可以根據(jù)實際情況對美拉德反應的色澤進行監(jiān)控。

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

3結(jié)論

對大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反應體系的色澤變化進行回歸分析，結(jié)果表明，色澤參數(shù)D420 nm、L均符合零級反應動力學，回歸方程具有較高的r2，在086～097之間，說明方程擬合良好。色澤參數(shù)ΔE經(jīng)非線性擬合，模型符合指數(shù)方程。分析色澤變化的動力學關系，可用于該體系中給定溫度和時間下色澤的追蹤、預測及優(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