影響Maillard反應初始階段因素實驗教學探討

文 宋越冬 山東理工大學農業工程與食品科學學院

食品化學是食品科學與工程專業課之一，是一門強理論重實驗的課程。在山東理工大學（以下稱我校）影響Maillard反應初始階段因素為食品化學新開實驗課，課內課時4，本實驗的開設旨在鞏固學生對Maillard反應原理的掌握，提高綜合分析和解決褐變問題的能力，并培養學生初步開展研究性實驗的意識。Maillard在其初始階段，反應進程會受到反應物種類、反應條件等因素影響，從而使得反應產物、產量和進程不同。為了讓實驗準確地反應實驗原理、確保在教學課時內完成教學目標，教師需要對實驗方案做統籌分析、精確設計，最終形成一套科學嚴謹、安全系數高、符合我校學生學情的教學方法。現就該設計做一總結，以期為工科院校食品科學與工程專業開設本實驗提供可借鑒經驗。

1.選擇具有代表性的反應物 讓實驗結論全面反映實驗原理

Maillard是還原糖和蛋白質和氨基酸之間的反應，反應物不同，反應速度和反應產物不同。因此，反應物要有代表性和全面性，這就要求實驗指導老師要充分理解實驗原理，選擇出符合科學規律的反應物。對于糖類，采用還原糖，并用非還原糖作為對照；還原糖的結構上要有差異，在多次預備實驗基礎上最終選擇半乳糖、葡萄糖、果糖作為反應物，用非還原蔗糖作對照。氨基酸既要考慮酸性、中性和堿性氨基酸對反應的影響。同時，要考慮到氨基位置的差異；綜合多因素后選擇賴氨酸、谷氨酸和甘氨酸，分別代表堿性、酸性和中性氨基酸，同時也能驗證不同位置的氨基對反應的影響性。實踐證明，這樣的設計，可以很好地驗證反應物對Maillard反應的影響，驗證了設計的合理性。

2.根據實驗室設備情況 設計反應條件

反應體系的酸堿度和溫度，對Maillard反應的進程、產物和反應速率都有影響，因此設計合理有效的反應條件，則更能體現科學規律。在反應體系酸堿度方面，設計三種pH值，分別是酸性（pH〈3）、中性（6〈pH〈7.2）和堿性（pH〉9） 。而反應溫度方面分別是室溫（25℃-30℃）、90℃水浴和120℃電熱恒溫箱恒溫。該設計方法是在充分考慮實驗室現有設備，并易于學生操作的綜合前體下得出地。高溫可使得Maillard反應加速，較為理想的方法是采用油浴將溫度升到烘焙常用溫度150℃，但因為本科生的實驗樣本量大，普通油浴鍋滿足不了實驗需求，選擇實驗室常規設備—電熱恒溫箱，將溫度設定為120℃而非150℃是考慮到實驗安全性問題。上述的實驗設計，在實踐操作中，學生可以在兩課時內完成實驗處理，為后續測定預留出必要的時間，使得實驗能在教學計劃課時內順利完成。

3.設計要有辯證觀 構建可行性強并易于操作的實驗方案

Maillard反應初期階段，除了受溫度、反應物、酸堿度和反應時間的影響外，還會受抑制劑影響，抑制劑的加入能顯著降低Maillard反應速率。實驗中采用加入2%的Na2S2O3作為抑制劑，但在預實驗中卻出現，在近紫外區測吸光度時，該處理卻比對照吸光度高，這顯然違背實驗事實。后續研究發現，在實驗設定的比色波長區段內Na2S2O3具有較高的吸光度，所以在最終實驗方案中，該處理不測近紫外區（285nm）吸光度，只做5-羥甲基糠醛（HMF）含量測定。實驗證明，調整后的實驗方案，實驗結論更加精準，更符合實驗事實。

在實驗時間階段設定了三個時長（30、60、90min），在溫度處理上采用水浴（90℃）和電熱恒溫箱恒溫（120℃）處理，實驗結束時不同處理間因為蒸發造成最終體積不同，并引起反應體系中物質濃度的差異，所以在實驗中增加一個步驟：用蒸餾水補足體積到跟空白相同（12mL）。實踐證明，本步驟能有效降低因加熱造成實驗誤差，讓實驗得出結論能更精準反應Maillard反應的實質。

4.設計方案要充分考慮學情 做必要的輔助講解

教育從來不是一蹴而就的，要遵從循序漸進原則，實驗教學也同樣如此。在本實驗中，HMF是Maillard反應初始階段的反應產物之一，是反應速率的重要指標，其含量測定方法是利用其跟對氨基甲苯和巴比妥酸在酸性條件下的顯色反應，需要用到分光光度計。然而，在本實驗時，我校學生沒有學過分光光度計的使用。盡管分光光度計工作原理、操作方法不是本實驗的教學目標，然而如果不講解，學生實際操作中會出現諸多原則性錯誤。因此，在授課時教師對實驗步驟做了合理調整，具體為：在學生將樣品做處理后（即樣品進行加熱時），這個時段會有一個等待時間，最短反應時間為30min，利用這個空擋，教師講解分光光度計工作原理，具體包括波長選擇原理、顯色劑用量選擇原理，講解操作規范及操作，讓每個學生進行實際操作。實踐證明，該方法彌補了學生知識缺陷，并為后續其它相關實驗打下較好的操作基礎。

5.將數據分析方法融合于實驗教學中 以培養學生研究問題、分析問題的能力

教育教學是一個系統工程，實驗教學不只是讓學生了解原理、掌握操作技術，更應該讓學生學會實驗設計的基礎原理、理解并掌握實驗數據分析方法，方能得出科學合理的實驗結論。這些技能的獲得是一個漸變的過程，這就要求實驗指導教師在上課時候要因勢利導、由簡到繁教授給學生。在本實驗中，設置了六個因素，每個因素設計三個水平并重復三次，樣本量較大。面對近百個實驗數據，對于剛讀大二的學生而言會感覺無從下手。那么，如何讓學生從紛雜的數據中得出正確結論？為了解決這個問題，指導教師在實驗步驟講解時，要強調單因素實驗設計原則，在實驗報告環節講解數據處理的一般方法、重復實驗數據是否具有可信性以及是否采用原則；在實驗過程中，及時查驗各組實驗數據、指出偏離實驗規律的處理、分析誤差產生的原因及補救措施，并給學生預留出補測數據的時間。實踐證明，這些教學方法的實施，可以有效提高學生分析復雜實驗數據的能力，有利于學生養成正確的科學實驗觀，并為后續其它實驗分析數據打下必要的基礎。

6.充分利用教學課時 培養學生辯證思維能力 增強學生創新意識

教育從來不是只局限于課堂時間，也從來不是僅為課堂服務，教育的目的是要塑造具有創新人格的學生。因此，教師要利用一切可能的機會培養學生的創新能力，同時有意識地培養學生辯證思維觀。具體到本實驗，教師在實驗操作完成之后的總結階段，要有意識的引導學生思考Maillard反應跟人類生活與健康關系，指出雖然Maillard反應是烘焙類食品香氣的主要來源，但是Maillard反應產物會對人體健康產生危害性即晚期糖基化終末產物（AGEs）及其危害性問題。現有研究證明，AGEs在人體內的積累會加劇人體的氧化應激反應和組織損傷等變化，是導致人體患腎病、心腦血管疾病、糖尿病和神經性疾病等的主要原因之一，特別是對中老年人作用更加明顯。教師要充分利用教學課時，讓學生了解AGEs對人體危害的嚴重性，并引導學生思考怎么降低晚期糖基化問題，啟發學生從本實驗的結論中是否可以找到有效途徑？即從烘焙原料、加工方式等方面創出低AGEs的產品：比如，用蕎麥等雜糧代替部分面粉、無糖或低糖措施、較低溫度、微酸環境等；同時跟學生強調，食品糧油加工車間常年對學生開放，歡迎同學們到實驗室開展大學生創新實驗。通過這些方法，在加深學生對美拉德反應原理的理解之外，還能增強學生的創新意識，并能提高學生辯證思維能力，為培養學生科研思維打下了必要基礎。

結語

影響Maillard反應初始階段因素實驗是一個兼具設計性和綜合性的實驗，其集反應物類型、溫度、時間、酸堿度、抑制劑等諸多因素于一體，將設計和綜合較好地融合在一起，是一個可以充分調動學生思維能力、動手能力的實驗。在本實驗中，學生不但掌握了影響Maillard反應的六大因素，了解了紫外分光光度計工作原理、掌握了使用方法，更在實驗數據處理階段初步掌握了科研設計的基本原理；在完成實驗教學計劃外，本實驗還可以讓學生根據實驗結論，得出抑制Maillard反應的基本方法，從而拓展思維，找到降低AGEs的基本途徑，這對提高學生創新創業能力具有較好的促進作用。本實驗從原料的選擇、實驗環節的構建以及實驗數據的處理等方面都做到了合理設計。因此，本實驗方法實用性強，具有可推廣性，可以提高學生的實驗綜合操作能力和創新能力，本方法能為工科院校食品專業開設本實驗提供可借鑒依據。