美拉德反應對燕麥β葡聚糖乳化性能影響的研究

孫 濤,徐宏蕾,謝 晶,甘建紅,薛 斌,邵則淮,崔 宇

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306;3.江陰中炬生物科技有限公司,江蘇江陰 214400)

孫 濤1,2,徐宏蕾1,2,謝 晶1,2,甘建紅1,2,薛 斌1,2,邵則淮1,2,崔 宇3

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306;3.江陰中炬生物科技有限公司,江蘇江陰 214400)

通過美拉德反應對燕麥β-葡聚糖進行改性以期提高其乳化性。燕麥β-葡聚糖與L-谷氨酰胺(質量比10∶1、5∶1以及2∶1)發生美拉德反應,監測反應進程,對產物的結構進行表征,進而考察了其乳化性能及表面張力。結果表明,隨美拉德反應的進行,體系的pH減小(p<0.05),紫外吸光值和熒光吸光值增大(p<0.05),燕麥β-葡聚糖美拉德反應后,產物有β-葡聚糖特征吸收峰和氨基酸的特征吸收峰;β-葡聚糖的分子量增大,且隨L-谷氨酰胺添加比例的增加而增大。隨著反應時間和L-谷氨酰胺添加比例的增大,產物乳化活性和乳化穩定性增大(p<0.05),表面張力減小(p<0.05)。

美拉德反應,燕麥β-葡聚糖,乳化性能

燕麥β-葡聚糖是存在于燕麥胚乳和糊粉層細胞壁中的一種非淀粉多糖,具有降血糖、降血脂、增加腸道益生菌和提高免疫力等多種生理活性,由于這些優良的性能,燕麥β-葡聚糖被廣泛應用于食品工業中[1]。燕麥β-葡聚糖具有一定的乳化性[2],而乳化性良好的多糖可作為乳化劑應用于食品工業中。目前應用于食品工業中的乳化劑大多為蛋白質,而蛋白質的乳化性經常會受溫度、pH以及電解質的影響而降低,限制了其在食品工業中的應用[3],因此開發多糖類食品乳化劑具有重要意義。化學改性可以提高多糖的乳化性,如沙蒿多糖經乙酰化修飾后乳化性得以提升[4-7]。但由于化學改性常會引入一些化學試劑并經過復雜的化學反應,其安全性受到質疑[8]。美拉德反應(Maillard reaction)是羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質)間的反應[7],在美拉德反應中,蛋白質與糖類發生共價結合,能夠有效的改善產物的性能,如溶解性、乳化性等,是多糖改性的一種安全且有效的方法[9],因此期待通過美拉德反應提高燕麥β-葡聚糖的乳化性能。

L-谷氨酰胺是人體內最重要的游離氨基酸,它可以調節人體代謝,具有較高的營養價值[10]。本文通過燕麥β-葡聚糖與L-谷氨酰胺的美拉德反應制得產物,考察了反應物的比例和反應時間對產物乳化活性、乳化穩定性及表面張力的影響,為β-葡聚糖在食品中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥β-葡聚糖(90%) 西安斯諾特生物技術有限公司;L-谷氨酰胺 國藥集團化學試劑有限公司;金龍魚大豆色拉油 嘉里糧油(深圳)有限公司。

DK-S28型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;TU-1901 雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;6511型電動攪拌調速器 上海標本模型廠;Detta pH計320A/C 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司/Mettler Toledo;TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;Beta 2-8 LD plus冷凍干燥機 德國Marin Christ公司;島津RF-530Pc熒光分光光度計 日本島津公司;H1650臺式高速離心機 德國賽多利斯(Sartorius)公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 燕麥β-葡聚糖與L-谷氨酰胺的美拉德反應 取三份10 g燕麥β-葡聚糖分別與1、2、5 gL-谷氨酰胺(質量比分別為10∶1、5∶1、2∶1)溶于150 mL去離子水中,在80 ℃恒溫水浴下進行回流反應,監測反應過程的pH、紫外吸光值和熒光吸光值。用乙醇沉淀并過濾提取反應時間為6、12、18、24、30、36 h的美拉德反應產物,茚三酮法檢驗無殘留氨基酸,于-50 ℃冷凍干燥[11]。

1.2.2 反應過程監測及結果表征

1.2.2.1 反應過程檢測 在反應過程中用pH計、雙光束紫外可見分光光度計和熒光光度計監測體系的pH、紫外-可見吸光光度值以及熒光值的變化,熒光值測定發射波長:420 nm,激發波長337 nm。

1.2.2.2 紅外表征 用傅里葉變換紅外光譜儀對產物進行表征,采用KBr壓片法,測定的波數范圍500～4000 cm-1,分辨率2 cm-1。

1.2.2.3 分子量 分子量的測定用凝膠色譜法。色譜條件:色譜柱為Shodex OH Pak SB-803HQ,流動相為0.71%的Na2SO4(含有0.02%疊氮鈉),檢測器為示差折光檢測器,柱溫為35 ℃,流速為0.5 mL·min-1,進樣量為100 μL。標準品為葡聚糖。

1.2.3 乳化性能測定

1.2.3.1 乳化活性及乳化穩定性 分別取質量分數為1%的燕麥β-葡聚糖及不同反應時間產物水溶液100 mL,在室溫下加入100 mL色拉油,于高速分散器中以2000 r/min的轉速乳化2 min,2000 r/min離心10 min,記錄乳化層體積,三次重復,計算平均值[12]。

乳化活性EC(%)=被乳化層高度(mL)/離心管中液體總體積(mL)×100

式(1)

將上述乳化樣品,置于80 ℃水浴中保溫30 min,再用自來水冷卻15 min,于1300 r/min離心5 min。

乳化穩定性ES(%)=保持乳化狀態的液層高度(mL)/最初乳化層的高度(mL)×100

式(2)

1.2.3.2 表面張力 用最大氣泡法測定燕麥β-葡聚糖及其美拉德反應產物的表面張力[13],室溫25 ℃,超級恒溫水浴鍋恒溫30 ℃,常壓。

1.3 數據處理

實驗最少重復3次,所有數據用SPSS 17.0軟件處理,得到的結果表示為平均值±標準誤差,并使用Origin8.5軟件進行作圖。

2 結果與討論

2.1 結構表征

2.1.1 pH 圖1為不同比例燕麥β-葡聚糖與L-谷氨酰胺美拉德反應過程中體系pH的變化。反應初始階段三種比例的反應物體系pH呈弱酸性,反應比例為10∶1的體系pH最高,5∶1的體系次之,2∶1的體系pH最低。隨著反應的進行,三個體系的pH不斷下降,這是由于在美拉德反應的過程中產生了甲酸和乙酸等酸類物質,而反應過程中羰基與堿性的氨基不斷縮合也是導致體系pH下降的原因之一[14]。其中反應比例為2∶1的體系pH下降最快,說明其反應速率最快;5∶1的體系次之;10∶1的體系pH下降最慢(p<0.05),反應速率最慢,這是由于在反應體系中,增加了L-谷氨酰胺的量,使分子間的碰撞幾率增大,反應速率增大,積累了更多的酸性物質[15]。在反應時間進行到36 h左右變化平緩,這是由于隨反應進程的加深,產生的甲酸和乙酸等酸性物質積累量增多,使得反應逐漸平緩。

圖1 美拉德反應過程pH的變化Fig.1 The pH change during Maillard reaction

2.1.2 紫外-可見吸收 美拉德反應的過程中,糖會發生易構和脫水,產生糠醛類物質,在290 nm左右有特征吸收[16]。全波段紫外-可見分光光度掃描發現產物在295 nm處有最大吸收峰。圖2為三種比例反應體系反應過程中在波長295 nm吸光光度值的變化。在反應初始階段,體系吸光值上升平緩,在反應進行到14 h后吸光值增大速率加快。L-谷氨酰胺添加比例增大,紫外-可見吸光光度值增大速率加快(p<0.05),說明體系反應速率增大,pH的變化也能說明反應速率隨L-谷氨酰胺添加比例的增加而增大。

圖2 美拉德反應過程中295 nm處紫外-可見吸光值Fig.2 The UV-vis absorbance at 295 nm during Maillard reaction

2.1.3 熒光強度 在反應初期,產物經脫水、重排會產生熒光物質[17],熒光物質可以作為美拉德反應的指示劑靈敏的反映出反應進程[18]。三種美拉德體系反應過程中熒光值的變化見圖3。可見在反應0～10 h,體系熒光吸光值增幅較小,而后增幅逐漸變大。L-谷氨酰胺添加比例增大,紫外吸光光度值增大速率加快(p<0.05),說明體系反應速率增大,這與pH以及紫外吸光度的變化表現出相同的規律。

圖3 美拉德反應產物熒光吸光值Fig.3 The fluorescence absorbance change during Maillard reaction

2.1.4 紅外光譜表征 圖4是燕麥β-葡聚糖美拉德產物的紅外光譜圖。燕麥β-葡聚糖及其產物的紅外吸收光譜圖中均包含糖類特征吸收峰[19],它們是2933 cm-1處的糖類化合物C-H伸縮振動、1410 cm-1處的糖類化合物C-H彎曲振動[20]以及3410 cm-1處的糖類化合物O-H伸縮振動[21]。L-谷氨酰胺在1623 cm-1和1515 cm-1附近處產生的吸收峰分別歸因于酰胺(C=O)[19]和自由氨基(-NH2)。燕麥β-葡聚糖在1643 cm-1附近處產生的吸收峰歸因于糖類化合物C=O鍵,而產物在1627 cm-1附近處產生的吸收峰則歸因于C=N伸縮振動。以上結果表明,產物保留了燕麥β-葡聚糖的原有結構,并在羰基上鍵合了含有氨基的基團[22]。

圖4 燕麥β-葡聚糖美拉德反應產物的紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of Maillard reaction derivatives

2.1.5 分子量及分子量分布 GPC測定結果表明,燕麥β-葡聚糖的分子量為119051 Da,36 h反應物質量比10∶1、5∶1和2∶1制得的產物的分子量分別為169399、225849、275479 Da。由此可見,美拉德反應后,燕麥β-葡聚糖的分子量有所增大,并且隨著L-谷氨酰胺添加比例的增大而增大,這可能由于在美拉德反應過程中,L-谷氨酰氨分子鍵合到燕麥β-葡聚糖分子,使產物分子量增大;當L-谷氨酰胺的添加比例增大,在反應中結合到燕麥β-葡聚糖分子鏈上的氨基酸分子隨之增多,使分子量增大[23]。

2.2 乳化活性及乳化穩定性

圖5 產物乳化活性及乳化穩定性Fig.5 EC and ES change during Maillard reaction

2.2.1 產物乳化活性(EC)及乳化穩定性(ES) 在食品體系中,互不相融的兩個液態相由于極性不同,在界面上存在著較大的表面張力,無法形成穩定的分散體系。食品乳化劑分子中存在著親水基團和親油基團,具有表面活性和乳化增溶性。當乳化劑分散到食品體系中時,可以使互不相容的兩相界面上的表面張力降低,形成穩定的乳濁液體系。圖5分別是三種反應體系中燕麥β-葡聚糖產物乳化活性和乳化穩定性的變化,可以看出,燕麥β-葡聚糖的乳化活性和乳化穩定性隨著反應的進行而增大(p<0.05)。多糖的改性可以引入水溶性集團,增加多糖的水溶性和親水性,有利于多糖在溶液中向油水界面的快速移動,并增大多糖表面的水化層厚度,從而提升多糖的乳化性[24]。隨著反應的進行,L-谷氨酰胺不斷的以共價結合的方式締合到β-葡聚糖分子鏈上,使得產物分子上含有的水溶性集團不斷增多,產物水溶性增強,極性增大,乳化性增強。

2.2.2 三種不同比例反應體系燕麥β-葡聚糖美拉德產物的乳化活性及乳化穩定性 圖中吐溫(Tween)為陽性對照。由圖6可見,燕麥β-葡聚糖自身具有一定的乳化性,但其乳化活性和乳化穩定性均不高,而與L-谷氨酰胺發生美拉德反應后的產物乳化性能得到提升,這可能是由于L-谷氨酰胺通過美拉德反應連接到燕麥β-葡聚糖分子鏈上后,使產物的親水基團增多,乳化性增強[25]。2∶1體系產物乳化活性和乳化穩定性相比于其他兩種產物為最強,分別是59.57%和48.73%,5∶1體系產物次之,10∶1體系產物的乳化活性和乳化穩定性均為最弱(p<0.05)。這是由于當L-谷氨酰胺加入的比例增大,燕麥β-葡聚糖分子鏈上結合的氨基酸分子數量增大,從而使產物的極性基團增多,極性增大;而鍵合到β-葡聚糖分子上的L-谷氨酰胺分子數量增多導致產物分子鏈上的側鏈基團增多,分子構象擴張,有利于產物分子包裹在液滴表面,使分散系中液滴尺寸維持較小[5],乳化性增強。

圖6 不同比例美拉德反應產物乳化活性及乳化穩定性比較Fig.6 EC and ES of different proportion Maillard reaction derivatives

2.3 表面張力

在食品體系中,互不相融的兩個液態相界面表面張力較大,無法形成穩定的乳濁液體系。表面活性劑可通過結合到乳濁液體系的親水或疏水位點來減少界面的表面張力[3],而相界面表面張力越低,乳狀液的形成越容易,乳狀液體系越穩定,表現出的乳化性越強[12]。圖7為燕麥β-葡聚糖及其與L-谷氨酰胺美拉德反應產物表面張力隨濃度的變化,蒸餾水的表面張力γ=71.18 mn·m-1。由圖可見,燕麥β-葡聚糖及其產物的表面張力隨濃度的變大而減小(p<0.05),燕麥β-葡聚糖的表面張力較大,而10∶1、5∶1、2∶1體系產物的表面張力依次減小,這是由于發生美拉德反應后,L-谷氨酰胺鍵合到燕麥β-葡聚糖分子上,產物的親水基團數量增大,極性增大,表面張力減小。

圖7 美拉德反應產物表面張力隨濃度的變化Fig.7 Surface tension of Maillard reaction derivatives

3 結論

產物中含有燕麥β-葡聚糖和L-谷氨酰胺的特征吸收峰;且隨著L-谷氨酰胺添加比例增大,產物的分子量增大,說明美拉德反應后,L-谷氨酰胺鍵合到燕麥β-葡聚糖分子上,并且隨著氨基酸添加比例增大,產物中結合的L-谷氨酰氨分子數量增大。

隨反應的進行以及L-谷氨酰胺添加比例的增大,β-葡聚糖分子上鍵合的L-谷氨酰胺數量增大,產物極性基團增多,水溶性和極性增大,在溶液中迅速向水油界面移動,并使產物表面水化層增厚,表面張力減小,表現出更強乳化活性和乳化穩定性,可以期待產物應作為乳化劑用于食品中以提高體系的穩定性。

美拉德反應可以作為β-葡聚糖的改性手段,提高其乳化性。

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Influence of Maillard reaction on emulsifying properties of oatβ-glucan

SUN Tao1,2,XU Hong-lei1,2,XIE Jing1,2,GAN Jian-hong1,2,XUE Bin1,2,SHAO Ze-huai1,2,CUI Yu3

(1.College of Food Science & Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic-Product Processing & Preservation,Shanghai 201306,China;3.Jiangyin Zhongju Biotechnology Co.,Ltd,Jiangyin 214400，China)

The aim of this paper is to improve the emulsifying property of oatβ-glucan through Maillard reaction. The Maillard reaction was occurred by heating oatβ-glucan andL-glutamine(the mass ratio was 10∶1,5∶1,and 2∶1). The reaction process was monitored. The oatβ-glucan Maillard reaction products were prepared,and their structure was characterized. Emulsifying properties and surface tension ofβ-glucan Maillard reaction products were evaluated. The results showed that the pH decreased(p<0.05),UV-vis absorbance and the fluorescence intensity increased during the reaction(p<0.05). The products had the characteristic absorption peaks ofβ-glucan and amino acids after Maillard reaction. The molecular weights of theβ-glucan increased after Maillard reaction, and the molecular weights of theβ-glucan increases with the increase of the proportion ofL-glutamine. The emulsion capability and emulsion stability of products increased and the surface tension of products decreased with the increasing of reaction time and the amount ofL-glutamine(p<0.05).

Maillard reaction;oatβ-glucan;emulsifying property

2017-01-16

孫濤(1970-),女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的開發，E-mail:taosun@shou.edu.cn。

國家自然科學基金面上項目(31571914);上海市科委(14dz1205101)。

TS202.3

A

1002-0306(2017)15-0015-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.004