基于L-抗壞血酸非酶褐變反應研究進展

馮亮, 楊艷*, 劉雙雙, 譚淳, 余愛農

1 (湖北民族大學 化學與環境工程學院，湖北 恩施，445000) 2 (生物資源保護與利用湖北省重點實驗室(湖北民族大學)，湖北 恩施，445000)

非酶褐變反應是沒有酶參與的褐變反應，廣泛存在于食品的熱處理和貯存過程，可賦予食物特殊的風味，加深食物的顏色，對食品品質的評價有非常重要的影響。非酶褐變反應主要包括Maillard反應[1-2]、焦糖化反應和L-抗壞血酸(L-ascorbic acid, ASA)非酶褐變。其中Maillard反應主要是還原糖與氨基酸、蛋白質之間的反應，其本質是羰基-氨基發生一系列的復雜反應。焦糖化反應是糖類化合物(尤其是單糖)在無水條件下加熱或用稀酸溶液處理，通過脫水、縮合等多步反應最終生成褐色物質的反應[3]。L-抗壞血酸又稱維生素C，具有隱性羰基及類糖結構，它不僅自身可以發生非酶褐變，還可以與氨基酸、蛋白質發生Maillard反應[4-5]，同時L-抗壞血酸還可作為天然抗氧化劑或添加劑應用于食品的加工生產過程。L-抗 壞血酸的降解可為食物帶來特別的風味與色澤，但如果反應條件不當，也會產生一些有害物質，危害人類健康。

研究基于L-抗壞血酸的非酶褐變反應，可以更好且有效地把控食品品質，對食品的生產加工及貯存有非常重要的指導意義。本文圍繞L-抗壞血酸非酶褐變過程進行了綜述，主要從其自降解過程的特點、與氨基酸Maillard反應生成的風味物質、褐變過程和反應動力學特征等方面進行了敘述。本文旨在為食品工業中基于L-抗壞血酸的非酶褐變研究提供參考。

1 L-抗壞血酸自降解非酶褐變反應

食品加工或貯存過程，L-抗壞血酸的降解可分為有氧降解和無氧降解。在現實情況中，這兩種降解途徑可能同時存在。

1.1 L-抗壞血酸無氧降解

HUELIN[6]研究了L-抗壞血酸在不同pH水溶液中降解生成二氧化碳的含量；FINHOLT等[7]研究了L-抗壞血酸在不同pH環境下的無氧降解速率；KURATA 等[8]提出了L-抗壞血酸在酸性環境下降解生成糠醛的反應機理；SMOOT等[9]在研究葡萄柚汁中L-抗壞血酸的濃度變化時，發現在無氧條件下，L-抗壞血酸基本不會生成脫氫抗壞血酸，而是逐步降解生成糠醛；何平等[10]研究了L-抗壞血酸在注射液中的降解；VERNIN等[11]研究發現，L-抗壞血酸在無溶劑條件下加熱到300 ℃或在丙二醇中加熱到180 ℃，最終會降解生成糠醛。

L-抗壞血酸的無氧降解主要經過水解、脫羧、脫水和成環等步驟，其主要機理如圖1所示[8,10-12]。

圖1 L-抗壞血酸的無氧降解

在無氧情況下，L-抗壞血酸首先經過水解、脫羧形成戊糖，然后戊糖進一步脫水、烯醇互變生成二羰基化合物，高活性的二羰基化合物在不同的反應條件下，降解生成小分子物質或環化生成糠醛。

1.2 L-抗壞血酸有氧降解

文獻報道[13-15]，在有氧條件下，L-抗壞血酸首先氧化生成脫氫抗壞血酸，然后經水解開環生成2,3-二酮-L-古洛酸，其反應路徑如圖2所示。

圖2 L-抗壞血酸的有氧降解

早期人們研究發現，L-抗壞血酸在中性和堿性條件下降解的最終產物為草酸、乳酸等有機酸[13]。KIMOTO 等[14]對脫氫抗壞血酸的降解產物進行了分析，發現其降解產物包含2-糠酸、3-羥基-2-吡喃酮、5-甲基-3,4-二羥基戊酮等；SOLOMON等[16]研究氧氣對L-抗壞血酸降解的影響發現溶解氧對脫氫抗壞血酸的形成有著顯著影響；SAWAMURA等[17]、DEUTSCH[18]研究發現脫氫抗壞血酸和2,3-二酮-L-古洛酸是其降解中間物質，這些中間產物會進一步反應生成小分子；YUAN等[15]用HPLC檢測了L-抗壞血酸在酸性條件下的降解產物。

1.3 L-抗壞血酸降解動力學研究

關于L-抗壞血酸的動力學研究，學者們一般認為L-抗壞血酸在溶液中首先電離出質子，然后再降解生成各種無色活性中間體，最后各種高活性物質相互縮合生成褐色大分子。不同反應條件下L-抗壞血酸的自降解動力學特征見表1。

表1 不同條件下L-抗壞血酸的自降解動力學

2 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應

L-抗壞血酸因為具有潛在的羰基組分且與人們生活息息相關，因此近些年來，研究基于L-抗壞血酸的Maillard反應成為了另一研究熱點。

2.1 L-抗壞血酸與氨基酸非酶褐變

L-抗壞血酸與氨基酸發生Maillard反應，反應底物首先會發生裂解生成小分子化合物，這些小分子化合物沒有顏色但具有很高的反應活性。這些高活性化合物易與其他小分子醛酮或含氮、硫化合物發生反應，生成揮發性物質，而這些揮發性物質進一步反應生成褐色大分子化合物。

2.1.1 無色中間體的生成

Maillard反應的前期反應會生成一些含共軛結構的小分子化合物，這些化合物在紫外區294 nm處有特殊吸收峰[26]。對于無色中間體的檢測，大多采用紫外-可見光分光光度法進行分析檢測。無色中間體的系列研究如表2所示。

表2 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應無色中間體的生成

鄧啟輝等[27-28]研究了不同pH條件下，L-抗壞血酸與L-脯氨酸、L-丙氨酸的反應，發現當體系溶液pH為5～6時，無色中間體的吸光度值達到最大；ZHOU等[5，29-30]研究了不同質量濃度的L-抗壞血酸/L-谷氨酸、L-天冬氨酸在堿性環境中的反應，發現L-抗壞血酸濃度的影響更大；唐樂攀[31]研究了L-抗 壞血酸與L-半胱氨酸的反應；李亞[32]研究了不同pH值下(4.5、 6.8、8.0、9.5)L-抗壞血酸與甘氨酸的反應，發現不同pH值對褐變影響較大，之后她又研究了L-抗壞血酸與L-蘇氨酸、L-色氨酸以及3種堿性氨基酸的反應；余科[33]用過量濃度法研究了L-抗壞血酸與甘氨酸的反應。

2.1.2 褐色物質的生成

褐色物質的生成主要發生在L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應后期，其產物也是采用紫外-可見光分光光度法進行檢測。褐色物質的系列研究如表3所示。

表3 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應褐色物質的生成

李任強等[34]研究了L-抗壞血酸與堿性氨基酸、芳香族氨基酸的Maillard反應；鄧啟輝等[27-28]研究發現當體系pH為5～6時，褐色物質有最大吸光度值；較高濃度的L-抗壞血酸與L-谷氨酸、L-天冬氨酸在堿性條件下更有利于褐色物質的生成[5,29-30]；唐樂攀[31]的研究發現，L-抗壞血酸與L-半胱氨酸反應生成的褐色物質在較高溫度時速率較大；李亞[32]發現L-抗壞血酸與甘氨酸在pH值為4.5時，生成褐色物質速率最快，同時她發現L-蘇氨酸與L-色氨酸對反應溫度和時間較為敏感；余科[33]的研究發現酸性環境更有利于褐色物質的生成。

2.2 L-抗壞血酸與氨基酸Maillard反應風味物質研究

關于L-抗壞血酸/氨基酸Mailalrd反應，一般認為在加熱條件下，L-抗壞血酸首先降解生成乙醛、丙酮醛、丙酮醇、1,2-二羰基和1,3-二羰基等一系列小分子化合物[35-36]，如圖3所示。

圖3 L-抗壞血酸的降解

對于L-抗壞血酸降解反應生成揮發性小分子化合物主要利用固相微萃取-氣相色譜-質譜技術進行分析檢測。這些小分子化合物反應活性高，與氨基酸降解生成的小分子物質(一般為—NH2)進一步反應生成揮發性物質。如與不含硫氨基酸反應主要生成吡嗪及吡嗪類衍生物；與含硫氨基酸反應生成的揮發性物質比較復雜，此時不僅有吡嗪及吡嗪類衍生物，還會有噻唑及噻唑類衍生物或噻吩類化合物生成。

2.2.1L-抗壞血酸與不含硫氨基酸的Maillard反應

學者對L-抗壞血酸與不含硫氨基酸的Maillard反應路徑研究如圖4所示[36-37]。

圖4 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應中吡嗪類化合物的形成

ADAMS等[38]研究了L-抗壞血酸與多種氨基酸反應生成吡嗪的反應；YU等[39-40]對比研究了不同pH條件下L-抗壞血酸與L-丙氨酸的反應，還研究了L-抗壞血酸與L-絲氨酸、L-蘇氨酸的反應，發現揮發性物質大多為烷基吡嗪，另外還有一些呋喃類和醛類化合物；TAN等[41]對比研究了L-抗壞血酸與L-谷氨酸、L-天冬氨酸Maillard反應，提出了吡嗪可能的生成機理，并用同位素標記法進行研究[36]；李亞[32]發現溶液的pH值對揮發性物質種類與形成有顯著影響；ZHOU等[29]報道過量的L-抗壞血酸會促進揮發性物質的生成。

2.2.2L-抗壞血酸與含硫氨基酸Maillard反應

YU等[42]報道了L-抗壞血酸與L-半胱氨酸的反應，發現揮發性物質主要為噻吩、噻唑、吡嗪、噻吩并噻吩類及噻吩酮；LUO等[43]研究了尿素對L-抗壞血酸與L-蛋氨酸反應的影響，劉應煊等[44-45]研究了肌肽和尿素對L-抗壞血酸和L-半胱氨酸反應的影響；YU等[35]使用13C標記的L-抗壞血酸與L-半胱氨酸反應，提出了含硫香味化合物的形成機理；YANG等[46]研究了不同pH條件下L-抗壞血酸與L-蛋氨酸Maillard反應形成香味化合物的機制；譚志偉等[47]研究了水分含量對L-抗壞血酸與L-半胱氨酸Maillard反應形成揮發性物質的影響。L-抗壞血酸與含硫氨基酸(主要為L-半胱氨酸)Maillard反應，硫化合物的生成如圖5所示。

圖5 L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應硫化物的形成

2.3 L-抗壞血酸與氨基酸反應動力學

L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應的動力學研究，可以讓人們更好地預測與把控食品質量。研究者主要對底物消耗、無色中間體和褐色物質的生成動力學特征進行了研究。L-抗壞血酸/氨基酸Maillard反應動力學研究模型如圖6所示。

圖6 L-抗壞血酸/氨酸酸動力學模型

一般認為L-抗壞血酸和氨基酸經第一步降解分別生成中間產物，其中L-抗壞血酸的中間產物可以進一步反應生成無色中間體，而氨基酸的中間產物需要與L-抗壞血酸的中間產物共同反應生成無色中間體，這些無色中間體在反應的最后階段發生一系列復雜反應，最終生成褐變產物。研究發現氨基酸自降解褐變較難發生，一般忽略不計。L-抗壞血酸/氨基酸反應動力學研究如表4所示。

表4 L-抗壞血酸/氨基酸反應動力學

研究發現[30-32]，底物的消耗大多遵循一級動力學特征，總體表現為二級動力學特征，而揮發性物質的生成動力學較為復雜，無色中間體和褐色物質的生成符合零級或準零級反應動力學特征。用經典過量濃度法研究基于L-抗壞血酸與氨基酸Maillard反應動力學表明[33,48-49]，褐色物質的生成也符合零級動力學特征。同時研究發現L-抗壞血酸/氨基酸反應中褐色物質的生成需經過一個誘導期，在誘導期內主要生成物為無色中間體。

3 L-抗壞血酸非酶褐變反應產物對食品的影響

3.1 積極影響

非酶褐變反應，尤其是Maillard反應在食品中廣泛存在，其產物具有抗氧化作用[27-28]。抗氧化物主要為類黑精，其為Maillard反應后期形成的一類結構復雜、聚合度不等的高分子混合物。研究表明，類黑精具有抗氧化、抗菌、抗腫瘤、降血糖等生物活性。除了抗氧化作用外，Maillard反應還可以改善食品的品質[50]。

3.2 消極影響

2002年，人們首次報道了丙烯酰胺的形成機理，認為在食品熱加工過程中，食品中的天冬酰胺與羰基化合物發生Maillard反應也會形成丙烯酰胺。而丙烯酰胺具有潛在的致癌風險，同時具有神經毒性、基因毒性和生殖毒性。另外，在食品熱加工過程中，伴隨著Maillard反應的發生，會生成5-羥甲基糠醛。在一些動物模型和體外細胞模型實驗中發現，5-羥甲基糠醛在體內和體外會轉化成磺酸氧甲基糠醛和5-氯甲基糠醛，而這兩種物質同時也具有強致癌性和基因毒性。Maillard反應的后期也會形成晚期糖基化末端產物，研究發現它們與糖尿病以及各種腎臟、血管疾病等都有著一定的聯系。

關于L-抗壞血酸參與的Maillard反應，需待食品研究工作者做進一步的研究與探討，完善Maillard反應在食品工業中的應用價值。