L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸模型體系Maillard反應熱學性質(zhì)分析

侯亞龍

(花臣香精(昆山)有限公司,上海 200235)

L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸模型體系Maillard反應熱學性質(zhì)分析

侯亞龍

(花臣香精(昆山)有限公司,上海 200235)

采用熱重分析、同步差熱分析以及差示掃描量熱分析等熱分析方法,對L-阿拉伯糖、L-半胱氨酸以及阿拉伯糖/半胱氨酸模型體系非水相Maillard反應熱學性質(zhì)進行了詳細的研究。同時,采用熱質(zhì)聯(lián)用分析方法對阿拉伯糖/半胱氨酸體系揮發(fā)性產(chǎn)物形成的熱學特性進行了分析。結果表明:(1)L-阿拉伯糖和L-半胱氨酸混合物的降解活化能大大低于它們各自的降解活化能; (2)L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸體系早期Maillard反應是一個吸熱過程,反應的進行對溫度及特定溫度條件下的加熱時間有依賴性;(3)大多數(shù)Maillard反應揮發(fā)性風味物質(zhì)是在第二失重階段形成, H2S也只在第二失重段產(chǎn)生,說明半胱氨酸Strecker降解脫H2S需要較高的反應溫度,含硫化合物的形成需要H2S的參與,因而它們的產(chǎn)生同樣需要較高反應溫度條件。

阿拉伯糖/半胱氨酸模型體系;熱重分析;同步差熱分析;熱質(zhì)聯(lián)用;揮發(fā)性風味物質(zhì)

人們利用Maillard反應產(chǎn)生期望的風味物質(zhì)主要是在加熱條件下進行的,然而自從人們開始研究Maillard反應至今,主要研究Maillard反應的動力學和揮發(fā)性產(chǎn)物,也有少數(shù)學者研究非揮發(fā)性產(chǎn)物,在Maillard反應熱力學方面卻幾乎無人涉及。作者利用熱重-同步差示熱分析(TG-SDTA)、差示掃描量熱儀(DSC)、熱質(zhì)聯(lián)用儀(TG-DTA-MS)和微量熱儀(MDSC)研究Maillard反應,探討阿拉伯糖/半胱氨酸體系水相和非水相Maillard反應熱力學分析在Maillard反應產(chǎn)物形成機理研究方面的可用性,為Maillard反應的理論研究選擇新的研究手段、建立新的分析方法,進一步補充、證實和完善Maillard反應理論體系。

1 材料與方法

1.1 材料

L-阿拉伯糖:純度>99%,美國Sanland公司產(chǎn)品;L-半胱氨酸,BR級,國藥集團上海試劑有限公司產(chǎn)品;熱重-同步差示熱分析儀(TG-SDTA): 851e型,瑞士Mettler-Toledo公司產(chǎn)品;差示掃描量熱儀(DSC):NETZSCH DSC 200 PC,德國Netzsch公司產(chǎn)品;熱質(zhì)聯(lián)用儀(TG-DTA-MS)、同步熱分析儀NETZSCH STA 449C:德國Netzsch公司產(chǎn)品;ThermostarTM四極質(zhì)譜儀:瑞士Balzers公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 熱重-同步差示熱分析(TG-SDTA) 將待測粉末狀阿拉伯糖或氨基酸樣品取適量置于陶瓷坩堝中,放入熱重-差熱分析儀,在氮氣氣氛中進行分析,氮氣流量50 mL/min。儀器升溫速率為5℃/min,從25℃升至500℃。

1.2.2 差示掃描量熱分析(DSC) 將待測粉末狀阿拉伯糖樣品取適量置于鋁坩堝中,放入DSC分析儀,氮氣流量15 mL/min,起始溫度為45℃,按5℃/min升至500℃,結果見圖1。

1.2.3 熱質(zhì)聯(lián)用分析(TG-DTA-MS) 將等摩爾的阿拉伯糖和L-半胱氨酸混勻放入石英研缽,仔細研磨成均勻粉末。取適量放入陶瓷坩堝,蓋上陶瓷蓋放入熱質(zhì)聯(lián)用儀。樣品在氬氣氣氛中測定,氬氣流量20 mL/min,儀器升溫速率10℃/min,從30℃升至280℃。

圖1 L-阿拉伯糖DSC分析圖Fig.1 DSC profile of L-arabinose

熱分析儀和四極質(zhì)譜儀耦合接口使用石英毛細管。質(zhì)譜測定采用多重離子檢測(MID)模式。被監(jiān)測離子的選擇依據(jù)是,可能產(chǎn)生的揮發(fā)性組分的分子離子、基峰或特征碎片離子,并注意避免重復引起的干擾。質(zhì)譜正離子信號用通道電子管CH-7RON記錄。

2 結果與討論

2.1 阿拉伯糖及阿拉伯糖/半胱氨酸模型體系的熱力學特性

圖2的TG曲線表明,L-阿拉伯糖的第一個失重階段出現(xiàn)在161.1～263.8℃范圍,失質(zhì)量為20%;DSC曲線表明,在此溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個大的吸熱峰,峰溫167.1℃,峰值-3.19 mW/mg,隨后在194.2℃附近的小溫度范圍出現(xiàn)了一些小的吸熱峰,峰值在-0.69 mW/mg左右,說明此時有一系列反應發(fā)生。263.8～500℃結束時樣品失重60.5%,此段出現(xiàn)一個放熱峰,峰溫313℃,峰值0.42 mW/mg,說明此時樣品的熱反應已由吸熱反應轉變?yōu)榉艧岱磻?/p>

值得注意的現(xiàn)象是,阿拉伯糖沒有像核糖一樣先出現(xiàn)熔融峰再失重,而是熔融的同時就開始失重,失重起始溫度明顯高于核糖,在相同分析時間內(nèi)核糖的失質(zhì)量(86%)也高于阿拉伯糖(80.5%);第一失重段結束后,核糖出現(xiàn)了大量的小吸熱峰,而阿拉伯糖小峰的數(shù)量很少;核糖的放熱峰出現(xiàn)在295.3℃,而阿拉伯糖313℃時才出現(xiàn)放熱峰,比核糖出現(xiàn)的晚,說明阿拉伯糖的熱降解所需活化能高于核糖。以上分析說明核糖和阿拉伯糖由于分子立體結構差異導致熱力學特性出現(xiàn)明顯差異。

圖2 L-阿拉伯糖TG-SDTA分析Fig.2 TG-SDTA profile of L-arabinose

圖3的DTA曲線顯示L-半胱氨酸的熔融峰出現(xiàn)在185.2℃,吸熱量不大,最大吸熱峰出現(xiàn)在230.4℃;TG曲線顯示,L-半胱氨酸在198.4～241.7℃范圍明顯失重,質(zhì)量損失達74%,而最大吸熱峰在此溫度區(qū)間出現(xiàn),峰值為1.58μV/mg,說明L-半胱氨酸降解需大量吸熱;DTG曲線顯示, 224.8℃時L-半胱氨酸最大損失速率達到48.07%/min,表明L-半胱氨酸的降解速度非常快,降解形成大量的揮發(fā)性化合物。

對比圖4和圖2不難看出,阿拉伯糖與半胱氨酸混合樣品,失重起始溫度大大降低,117.7～179.9℃為第一失重段,失質(zhì)量為2 5%,并在143.7℃出現(xiàn)最大吸熱峰。阿拉伯糖在30～280℃范圍共失重24.5%,而經(jīng)與半胱氨酸混合后的樣品失重卻高達56.6%,說明糖與氨基酸混合后不僅降低了降解所需的活化能而且大大增加了揮發(fā)物的產(chǎn)量,這與核糖/半胱氨酸混合物的實驗結果一致。圖4的DTG曲線分析結果顯示在139.7℃出現(xiàn)第一失重峰,峰值為7.44%/min,第二失重峰出現(xiàn)在220.7℃,峰值13.78%/min,說明第二失重段產(chǎn)生揮發(fā)性化合物的速度大大高于第一失重段。第二失重段過后的失重速度基本穩(wěn)定在1.6%/min。從圖4的DTG曲線情況看,Maillard反應中后期,阿拉伯糖/半胱氨酸混合物產(chǎn)生揮發(fā)性化合物的速度非常高。

曾有文獻報道利用裂解氣相色譜/二級質(zhì)譜聯(lián)用研究模型體系的Maillard反應[1],對裂解產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物進行了分析研究,但未有Maillard反應熱力學特征同產(chǎn)物分析相結合的研究報道。

熱力學分析檢測的過程相當于程序升溫裂解的過程,Yaylayan和Keyhani[2]的研究表明裂解條件下的Maillard反應途徑類似于水相體系的。基于此,通過熱質(zhì)聯(lián)用分析Maillard反應產(chǎn)物生成的熱力學特征,并推測水相體系Maillard反應的熱力學特性。

圖3 半胱氨酸TG-DTA-DTG分析圖Fig.3 TG-DTA-DTG profile of L-cysteine

圖4 L-阿拉伯糖/半胱氨酸體系TG-DTA-DTG分析Fig.4 TG-DTA-DTG profile of L-arabinose/L-cysteine system

利用熱質(zhì)聯(lián)用儀分析揮發(fā)性產(chǎn)物,首先要選擇具有代表性的特征產(chǎn)物。Amadori化合物形成過程及降解過程會產(chǎn)生H2O;半胱氨酸的Strecker降解會產(chǎn)生H2S、CO2、NH3等;糖的降解會形成小分子化合物,如乙酸、2,3-丁二酮、羥基丙酮、3-甲基-2-丁酮(及其同分異構體2-戊酮)等;戊糖降解的特征產(chǎn)物糠醛;戊糖/半胱氨酸模型體系的特征性產(chǎn)物3-巰基-2-戊酮、1-甲硫基-2-丁酮、2-甲基-3-呋喃硫醇及其二聚物雙(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚等[3];低水分活度高溫Maillard反應的特征化合物烷基吡嗪、吡啶、烷基噻唑等。

根據(jù)以上化合物的標準質(zhì)譜圖選擇相應的分子離子峰及特征離子碎片,在進行熱力學分析的同時監(jiān)測這些離子的產(chǎn)生情況,從而推測Maillard反應進程及產(chǎn)物形成條件。

作者選擇進行監(jiān)測的特征離子及其對應的化合物見表1。可以看出許多帶有乙酰基的化合物都有m/z=43的離子碎片,因此m/z=43的離子流豐度可能是多個化合物離子流豐度的疊加,該離子只具參考價值,需根據(jù)其它離子來共同確定反應產(chǎn)生的化合物;糠醛的特征離子m/z=95和m/z=96的豐度比值為1∶1,因此糠醛的鑒定很容易。吡啶的分子離子為m/z=79,而吡啶衍生物也具有該離子碎片,因此該離子可作為吡啶類化合物出現(xiàn)的依據(jù);m/z=122和m/z=127的情況類似于m/z= 79,僅根據(jù)它們不能鑒別特定化合物,但可作為某些化合物產(chǎn)生的參考依據(jù)。2-甲基-3-呋喃硫醇的特征離子m/z為113、114豐度比為1∶4.2,雙(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚的特征離子m/z=113、226豐度比為1∶0.67,當檢測到的離子流中同時存在m/z為113、114、226時,認為體系中可能產(chǎn)生了前述兩種化合物,若只存在其中的兩個離子則可根據(jù)豐度比來鑒別化合物。m/z為44為CO2的分子離子;H2S的分子離子為m/z為34;H2O的特征離子為m/z為17、18,二者的豐度比1∶4.7;NH3的分子離子為m/z17。

表1 熱質(zhì)聯(lián)用過程中監(jiān)測的特征離子Tab.1 Characteristic ion detected in the process of TG-DTA-MS

2.2 阿拉伯糖/半胱氨酸體系揮發(fā)性化合物熱力學特性的熱質(zhì)聯(lián)用分析

圖5～圖8的阿拉伯糖/半胱氨酸模型體系離子流圖表明,該體系在143℃時出峰的離子有m/z為17和18,二者豐度比為1∶3.9,m/z為17的比例高于在純水中H2O的相應豐度比1∶4.7,與核糖/半胱氨酸體系一樣,此時m/z為17來自于H2O和少量N H3,但阿拉伯糖的氨與水的比例似乎比核糖高;根據(jù)圖4的DTA曲線可知,143.7℃有一個大的吸熱峰,并且TG曲線表明體系失重起始于117℃,而m/z為17和18的出峰起始溫度也在117.7℃,說明開始體系失重是由反應物脫水造成的。隨后m/z為95和96在124℃開始出峰,并在147℃達到最大值,m/z為95、96豐度比為1∶1,這說明體系在124℃開始產(chǎn)生糠醛,并且糠醛的產(chǎn)量在147℃時達到最大值,在220℃糠醛再次出峰,但峰強度大大小于147℃的,說明糠醛的形成分兩個階段,第一階段產(chǎn)量大大高于第二階段,這與水相體系糠醛的形成規(guī)律基本一致。

從產(chǎn)物生成的順序來看,體系第一階段失重主要是由于脫水和乙酰基化合物、糠醛的產(chǎn)生造成的,然后有少量脫氨、脫羧形成的NH3、CO2,大部分揮發(fā)性風味物質(zhì)是在第二失重階段形成,產(chǎn)物生成量最大的溫區(qū)為223℃附近,圖4的DTA曲線顯示224.7℃有一個吸熱峰出現(xiàn),說明這些揮發(fā)性化合物的形成是吸熱反應,因此要形成這些化合物必須要達到一定的溫度,這也解釋了為什么反應型香精的生產(chǎn)都要在較高溫度條件下進行。

圖5 熱質(zhì)聯(lián)用L-阿拉伯糖/半胱氨酸體系揮發(fā)性產(chǎn)物離子流圖(Ⅰ)Fig.5 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

圖6 熱質(zhì)聯(lián)用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反應產(chǎn)物離子流圖(Ⅱ)Fig.6 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

圖7 熱質(zhì)聯(lián)用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反應產(chǎn)物離子流圖(Ⅲ)Fig.7 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

圖8 熱質(zhì)聯(lián)用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反應產(chǎn)物離子流圖(Ⅳ)Fig.8 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

3 結 論

從阿拉伯糖/半胱氨酸體系中典型揮發(fā)性產(chǎn)物糠醛的形成規(guī)律發(fā)現(xiàn),采用熱質(zhì)聯(lián)用法研究Maillard反應可以為水相體系Maillard反應熱力學性質(zhì)的研究提供參考。

阿拉伯糖、半胱氨酸及阿拉伯糖/半胱氨酸體系的熱分析圖譜比較發(fā)現(xiàn),阿拉伯糖與半胱氨酸混合物的降解溫度明顯低于阿拉伯糖、半胱氨酸各自的降解溫度,說明阿拉伯糖與半胱氨酸結合形成Amadori化合物后降解活化能大大低于阿拉伯糖及半胱氨酸單獨的降解活化能。

阿拉伯糖/半胱氨酸體系的DTA曲線表明,早期Maillard反應是一個吸熱過程,反應的發(fā)生需要吸收一定的熱量,因此反應必定對溫度或特定溫度條件下的加熱時間有依賴性,這符合以往Maillard反應研究者在研究反應產(chǎn)物的基礎上提出的Maillard反應對溫度、加熱時間具依賴性的結論。因此欲控制Maillard反應的進行可通過控制適當?shù)臏囟葪l件來達到目的。

阿拉伯糖/半胱氨酸體系離子流圖表明,各體系第一階段失重主要是由于Amadori化合物形成時脫水造成的,還有少部分失重是由于Amadori化合物降解形成了乙酰基化合物、糠醛以及脫氨、脫羧形成了NH3、CO2等化合物;大部分Maillard反應揮發(fā)性風味物質(zhì)是在第二失重階段形成,H2S也只在第二失重段出現(xiàn),說明半胱氨酸Strecker降解脫H2S需要較高的反應溫度,體系中含硫化合物由于需要H2S的參與才能形成,因此體系中含硫化合物的形成對溫度有依賴性。

[1]Andrzej Wnorowski.Applications of Py-GC/MS to the study of Maillard reaction:mechanistic and food quality aspects [D].Montreal:McGill University,2003.

[2]Yaylayan V A,Keyhani A.The Origin of 2,3-pentanedione and 2,3-butanedione in D-glucose/L-alanine Maillard Model System[J].J Agric Food Chem,1999,47,3280-3284.

[3]侯亞龍,陳正行,羅昌榮,等.戊糖的立體異構性對戊糖/半胱氨酸反應體系風味物質(zhì)形成的影響[J].食品與生物技術學報,2006,25(6):63-69.

HOU Ya-long,CHEN Zheng-xing,LUO Chang-rong,et al.Effect of pentose stereo-isomerization on the formation of volatiles in the reaction system of pentose/cysteine[J].Journal of food science and biotechnology,2006,25(6):63-69.

(責任編輯:朱明)

Thermal Properties of Maillard Reaction on L-Arabinose/L-Cysteine Model System

HOU Ya-long
(Frutarom Flavors(Kun Shan)Co.,Ltd.,Shanghai 200235,China)

The thermal properties of D-ribose,L-cysteine and Maillard reaction of non-aqueous phase ribose/cysteine model system were detailed investigated through thermal analysis methods such as thermal gravity,simultaneous differential thermal analysis and differential scanning calorimetry.The thermal behavior of the formation of volatiles in the reaction of ribose/cysteine was alsostudied by thermalgravity-massspectrometry.Itshowed thatthedegradation temperature of L-arabinose and cysteine,respectively,were higher than that of their mixed counterparts.The earlier reaction of L-arabinose/cysteine was an endothermonic process and it must be depend on the reaction temperature and reaction duration under specific temperature. Most of volatile compounds produced in the second phase of weight loss and hydrogen sulfide also occurred in this period.It shown that Strecker degradation of cysteine into hydrogen sulfide required more higher reaction temperature.Furthermore,sulfurous compounds could generate as a result of the formation of hydrogen sulfide.Hence,the formation of sulfurous compounds hadstrong temperature dependence.

arabinose/cysteine model system,thermal gravity analysis,simultaneous differential thermal analysis,thermal gravity-mass spectrometry,volatile compounds

TS 264.3

:A

1673-1689(2010)01-0071-06

2009-03-10

上海市引進技術的吸收和創(chuàng)新項目(04-202)。

侯亞龍(1971-),女,四川綿陽人,工學博士,高級工程師,主要從事新型香精香料產(chǎn)品研發(fā)和香精香料緩釋研究。Email:helen.frutarom@gmail.com