賴氨酸-葡萄糖模擬體系中吡咯素生成條件的研究

張瑛，袁鑫樂，王靜

（北京工商大學，北京100048）

食品加工中的熱加工技術可以極大地改變食品 的化學成分，尤其是加工過程發生的美拉德反應（maillard reaction）。在美拉德反應中，還原糖的羰基與多肽或者蛋白質以及游離型氨基酸中的氨基最終生成棕色混合物[1-2]。美拉德反應分為3個階段，包括早期、晚期和末期[3]。1984年Brownlee等科學家首次提出晚期糖基化終產物（advanced glycation end products，AGEs）的概念[4]。AGEs是指在非酶條件下發生的美拉德反應，生成一類穩定、不可逆的化合物，能夠通過膳食而進入人體[5]。AGEs會加速人體產生視網膜病變，神經病變和腎臟疾病以及與之相關的糖尿病微血管并發癥[6-7]。AGEs種類繁多，主要包括羧甲基賴氨酸（Nε-（carboxymethyl）lysine，CML）[8-10]、戊糖素（pentosidine）[11-12]、吡咯素（pyrraline）[13-14]和丙酮醛（methylgalyoxal，MG）[15]。而對吡咯素的研究相較于其他AGEs較少，因此本文將通過葡萄糖-賴氨酸模擬體系來研究吡咯素的生成規律，為食品加工工藝提供理論支持。

吡咯素最先被Nakayama等[16]在模擬體系中發現，是AGEs的主要存在形式之一，含有一個Lys殘基，其生成機理是由Lys中的氨基與美拉德反應中期產物的降解物3-脫氧葡萄糖醛酮通過化學反應生成，其性質為無熒光性、非交聯產物，屬于一種Lys衍生物。吡咯素在結構上屬于C6-吡咯化合物[17]，在體內體外的形成路徑包括多元醇路徑和美拉德反應路徑，3-脫氧葡萄糖醛酮（3-deoxyglucosone，3-DG）是吡咯素生成的重要的中間產物，既可以通過多元醇途徑的3-磷酸果酸產生，也可以通過Amadori產物降解生成[3]。有研究發現，糖尿病患者血清中的吡咯素濃度高于健康人[18]。此外，免疫學研究發現動脈粥樣硬化患者體內的吡咯素會在腎小球基底膜中積聚，最終導致腎功能衰竭[19]。因此，可以作為人類健康和AGEs定量檢測指標的吡咯素受到極大的關注。Wellner A等發現未加工的生胡蘿卜中未檢測到吡咯素的存在，而加工后的胡蘿干中吡咯素的含量高達378 mg/kg Pro[20]。Liang等報道了27種富含肽類的固體飲料中吡咯素含量為150 μg/L～760 μg/L[21]。Yu等發現在早餐谷物，面類食物和烘焙產品中，吡咯素及其結構類似物的含量高達34.8 mg/kg[22]。研究加工過程各條件對吡咯素形成的影響，對于有效控制并降低在食品加工和貯藏過程中的形成具有重要意義。

該文選用食品中常用的葡萄糖以及生成吡咯素所必需的反應物賴氨酸來構建葡萄糖-賴氨酸（glucose-lysine，Lys-Glu）模擬體系，采用高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC） 檢測吡咯素的含量，研究加熱溫度與時間、原料配比和體系pH值對吡咯素形成的影響，為食品加工過程中吡咯素的形成和抑制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

賴氨酸、葡萄糖（純度＞99%）：鄭州博研生物科技有限公司；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉（分析純）：西隴科學股份有限公司；氨水（5%）、甲醇（分析純）（純度≥99.5%）：北京化工廠；三氟乙酸（TFA）、乙腈、甲醇（色譜純）：北京百靈威科技有限公司；超純水（≥18 MΩ·cm-1）：美國 Labconco-WaterPro 超純水儀。

1.2 儀器與設備

JA5003電子天平：上海精密科學儀器有限公司；HH-2恒溫水浴鍋：金壇市杰瑞爾電器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司；OasisTMHLB 固相萃取柱（3 cc，60 mg）：沃特世科技（上海）有限公司；Starter2000 pH計：美國奧豪斯（上海）有限公司；LC－20AT高效液相色譜儀、Inertsil ODS-SP（4.6 mm×250 mm，5 μm）色譜柱：島津（中國）有限公司；UGC－24M氮吹儀：北京優晟聯合科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 加熱時間對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

準確稱取2.923 8 g賴氨酸和3.603 2 g葡萄糖置于燒杯中，用磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer solution，PBS）（0.1 mol/L，pH=7.4）將其溶解，并定容至 200 mL，配制賴氨酸和葡萄糖濃度為0.1 mol/L的標準溶液。分別準確移取3 mL賴氨酸與葡萄糖的標準混合溶液于5 mL可密封的耐高壓高溫玻璃管中，在80℃的水浴條件下分別加熱 10、20、40、60、80 min，隨后置于冰水浴中冷卻至25℃。測定不同加熱時間下Lys-Glu模擬體系中吡咯素的生成情況。每個梯度做3次平行試驗。

1.3.2 加熱溫度對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

Lys-Glu模擬體系構建方法見1.3.1。為模擬低溫和高溫熱加工環境，試驗中采用水浴加熱和油浴加熱的兩種加熱模式。將若干裝有3 mL賴氨酸-葡萄糖模擬體系的耐高壓高溫玻璃管分別置于80、90、100、110、120℃條件下加熱40 min，然后取出置于冰水浴冷卻至室溫。測定不同加熱溫度下Lys-Glu模擬體系中吡咯素的生成情況。平行試驗同1.3.1。

1.3.3 pH值對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

準確配置 pH 值分別為 6.0、7.0、7.2、7.4、7.6、7.8的PBS緩沖溶液。后續處理同1.3.1。在80℃條件下加熱40 min后，放于冰水浴冷卻至室溫待測。探究在不同pH值的PBS緩沖溶液條件下Lys-Glu模擬體系中吡咯素生成量的變化。平行試驗同1.3.1。

1.3.4 原料配比對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

以 PBS緩沖溶液（0.1 mol/L，pH=7.4）為溶劑溶解賴氨酸和葡萄糖，準確配制不同原料比的賴氨酸-葡萄糖PBS緩沖液。保持葡萄糖的濃度為0.1 mol/L不變，改變賴氨酸的濃度分別為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mol/L。準確移取不同原料配比的反應液3 mL置于5 mL耐高溫高壓的密封玻璃管，擰緊密封，在80℃條件下加熱40 min后，放于冰水浴冷卻至室溫待測。保持賴氨酸的濃度為0.1 mol/L不變，改變葡萄糖的濃度為0.1、0.2、0.4、0.8、1.6 mol/L，準確移取不同原料配比的反應液3 mL置于5 mL耐高溫高壓的密封玻璃管，擰緊密封，在80℃條件下加熱40 min后，放于冰水浴冷卻至室溫待測。測定在不同原料配比條件下模擬體系中吡咯素生成量的變化。平行試驗同1.3.1。

1.3.5 吡咯素含量的測定（HPLC法）

先將HLB萃取柱預活化（活化程序：依次通過3 mL甲醇、3 mL水），然后將經過不同條件處理所得的反應液（3 mL）加入活化的萃取柱中，吸附完成后，取3 mL去離子水洗滌，再加入3 mL甲醇洗滌，最后加入洗脫液（5%氨水）對目標物進行洗脫，并用10 mL離心管收集洗脫液。在35℃的恒溫條件下，氮氣吹掃干燥所收集的洗脫液，并復溶于流動相（去離子水）中，0.22 μm濾膜過濾后封裝于液相小瓶，按照所建立的HPLC法測定吡咯素含量。所有樣品均需做3次平行試驗。

試驗中高效液相色譜條件根據Portero-Otin[22]做了相應的調整。具體液相色譜條件如下：

色譜柱：Inertsil ODS-SP柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相 A：0.1%TFA 水溶液，流動相 B：乙腈-水（1 ∶1，體積比）；梯度洗脫程序：在 10、30、35、40、45 min時流動相B的體積分別為0%、15%、20%、100%、0%；分析時間：45 min；流速：1.0 mL/min；進樣量：5 μL；柱溫：室溫；紫外-可見光檢測器檢測波長：297 nm。

1.4 統計分析方法

采用SPSS Statistics 17.0軟件進行各因素及其交互作用與模型的顯著性統計分析，Design Expert軟件進行響應面法優化模擬體系中吡咯素的生成條件，所有樣品進行3次重復測定。

2 結果與分析

2.1 繪制吡咯素標準曲線

參照1.3.5的試驗條件，選取ODS色譜柱為固定相，流動相A為0.1%TFA水溶液，流動相B為乙腈-水（體積比，1∶1），對吡咯素標準溶液進行液相分析見圖1。

圖1 吡咯素標樣的色譜圖和標準曲線圖Fig.1 Chromatogram（a）and standard curve（b）of pyrraline

如圖1a和圖1b所示，吡咯素保留時間為21.690 min。在吡咯素濃度為 5×10-7mol/L～2×10-3mol/L的范圍之內，摩爾濃度與峰面積間線性趨勢良好，回歸方程為：Y=4.55×109X-4 140.41，R2=0.999 9。

2.2 加熱時間對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

通過單因素試驗探究加熱時間對吡咯素生成的影響見圖2。

圖2 加熱時間對模擬體系中吡咯素生成的影響Fig.2 Effect of heating time on the formation of pyrraline in model system

如圖2所示，當反應時間為40 min時模擬體系中吡咯素的生成量達到最大為1.24 μmol/L。從整個結果圖展現的趨勢來看，吡咯素生成量隨著加熱時間的延長，呈現出先升高后降低的趨勢，即模擬體系中吡咯素生成擁有最適加熱時間。加熱時間短，吡咯素生成量低，可能是吡咯素生成模擬體系賴氨酸-葡萄糖反應不徹底所導致。加熱時間長，吡咯素生成量依然不高，原因可能是加熱時間太長導致已經生成的吡咯素變成其他物質。經過顯著性試驗分析后發現，加熱時間為40、60 min時吡咯素生成量無顯著性差異，根據節約試驗成本的原則，試驗選定40 min作為加熱時間。在后續優化生成條件試驗中也選取40 min作為加熱時間。

2.3 加熱溫度對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

參照1.3.2的方法對不同加熱溫度下吡咯素的生成量進行檢測，結果如圖3所示。

圖3 加熱溫度對Lys-Glu模擬體系中吡咯素生成的影響Fig.3 Effect of heating temperature on the formation of pyrraline in model system

由圖3可知，在其他條件一定的情況下（加熱時間設為40 min），在加熱溫度為80℃～90℃條件下反應后，Lys-Glu模擬體系中吡咯素生成量無明顯變化；而當溫度提高到100℃時，Lys-Glu體系中吡咯素生成量出現一個顯著轉折，吡咯素的生成量達到最大為1.52 μmol/L，賴氨酸和葡萄糖快速反應生成較多吡咯素；原因可能是當反應模擬體系溫度在100℃以下時，相對于涉及吡咯素損失的反應，吡咯素的生成反應占主導地位，而當模擬體系加熱溫度超過100℃時，吡咯素損失的反應占據了主導地位。而在更高溫度（110、120℃）條件下，生成產物顏色加深，吡咯素生成量增多，結合前人的研究分析發現高溫會促進美拉德反應，使得吡咯素含量增加。因此試驗選擇100℃為最優的吡咯素生成溫度。

2.4 緩沖液pH值對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

pH值對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響見圖4。

圖4 PBS緩沖液pH值對模擬體系中吡咯素生成的影響Fig.4 Effect of the pH on the formation of pyrraline in model system

如圖4所示，反應體系的pH值為7.4時，模擬體系中吡咯素的生成量達到最大為1.09 μmol/L。隨著PBS緩沖液pH值從偏酸性（6～7）到中性的逐步增加，Lys-Glu模擬體系中吡咯素生成量呈現增加趨勢，并且在pH=7.4時達到最大，而隨著pH值的進一步增加吡咯素生成量呈現出減少的趨勢。從Lys-Glu模擬體系中吡咯素生成量的變化規律可以看出，酸性與堿性會抑制吡咯素的生成，而偏中性的環境會加速吡咯素的生成。反應液的pH值除了影響反應速度，還會影響美拉德反應速率的關鍵性步驟，即Amadori重排和Heyns重排。有研究表明，pH值對賴氨酸的活性形式也有影響，pH值升高會使賴氨酸發生脫質子化反應，而脫質子化的賴氨酸具有更高的反應活性，在25℃條件下，pH=6.8時賴氨酸的脫質子化程度（0.018 6%）大約是pH=5.9時（0.002 3%）的8倍[24]。

2.5 不同底物濃度對Lys-Glu模擬體系中吡咯素形成的影響

保持Lys-Glu模擬體系中賴氨酸濃度（0.1 mol/L）不變，改變葡萄糖濃度時吡咯素生成量的變化規律如圖5所示。

圖5 葡萄糖濃度對模擬體系中吡咯素生成的影響Fig.5 Effect of concentration of glucose on the formation of pyrraline in model system

食品原料中Glu含量對美拉德反應中AGEs生成有著極為重要的影響。分析圖5可知，隨著模擬體系中葡萄糖濃度從0.1 mol/L增加到0.4 mol/L，吡咯素的生成量從0.5 μmol/L增加到3.8 μmol/L，達到最大值，而隨著模擬體系中葡萄糖濃度的繼續增加，吡咯素生成量開始降低，并有趨于平衡的趨勢。呈現這一趨勢的可能原因在于，當反應體系中賴氨酸的濃度一定時，隨著Glu與Lys二者濃度比例的增加，會使體系中各成分碰撞的機會提高，從而促進反應的進程。

保持Lys-Glu模擬體系中葡萄糖濃度（0.1 mol/L）不變，改變賴氨酸濃度時吡咯素生成量的變化規律如圖6所示。

圖6 賴氨酸濃度對模擬體系中吡咯素生成的影響Fig.6 Effect of the concentration of the lysine on the formation of pyrraline in model system

由圖6可知，模擬體系中葡萄糖濃度保持不變時，隨著模擬體系中賴氨酸濃度由0.1 mol/L增加到0.6 mol/L，吡咯素的生成量從1.24 mmol/L增加到1.75 mmol/L，并達到最大值，而當賴氨酸濃度繼續增大時，吡咯素生成量有達到平衡的趨勢。

2.6 響應面法優化吡咯素生成條件

綜合考慮上訴單因素試驗結果考慮，在賴氨酸濃度為0.6 mol/L，pH值為7.4的試驗條件下，設計試驗選擇加熱時間（X1）、加熱溫度（X2）和葡萄糖濃度（X3）為考察因素，以吡咯素生成量（Y）作為試驗指標。通過Design Expert8.0.6.1.分析軟件，同Box-Behnken設計法設計響應面試驗優化吡咯素提取工藝。試驗因素水平及編碼見表1，其中1、0、-1分別代表著自變量的高、中、低水平。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Response surface experiment factors and levels

2.7 吡咯素生成條件優化回歸模型建立及方差分析

響應值（Y）取作吡咯素生產量，X1、X2、X3分別代表三因素：加熱時間、加熱溫度、原料中葡萄糖濃度，用Design Expert8.0.6.1分析軟件中的Box-Behnken模型設計方案，分別對影響三因素作試驗分析，試驗結果如表2所示。

表2 響應面分析方案及結果Table 2 Response surface analysis scheme and results

將表2所得的試驗數據采用Design Expert 8.0.6.1軟件進行統計分析，統計分析結果如表3所示。對響應值和各因素的編碼值進行回歸擬合，得到回歸方程：

Y=4.45-0.57X1+0.22X2-0.61X3+0.42X1X2+0.082X1X3+0.022X2X3-1.44X12-0.47X22-0.52X32

表3 回歸模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance

式中：X1為加熱時間；X2為加熱溫度；X3為葡萄糖濃度。回歸模型方差分析見表3。通過表3可知，模型的顯著水平P＜0.000 1＜0.01，表示回歸方程模型具有極高顯著性，同時模型F值為29.38，也說明模型具有顯著性；X12對吡咯素生成影響極顯著，X1、X2、X3、X1X2、X22、X32對吡咯素生成影響顯著。通過比較時間、溫度和葡萄糖濃度P值大小（依次為0.000 5、0.048 8、0.000 3），得到三因素對吡咯素生成影響程度由大到小為：葡萄糖濃度、加熱時間、加熱溫度；失擬項P檢驗值為0.367 3＞0.05，不顯著；擬合模型的修正相關系數平方：R2=0.974 2，R2adj=0.941 1，說明該分析模型與實際操作的擬合程度高，無其他因素的顯著影響，試驗誤差較小，可用其代替真實試驗點進行分析和預測。

2.8 吡咯素生成優化工藝的響應面分析

響應面圖能夠比較直觀地反映在食品加工過程各因素及各因素的相互作用對吡咯素生成量的影響。應用Design Expert 8.0.6.1軟件中的Box-Behnken模型進行分析，將影響吡咯素生成量三因素的其中一個因素設定為零，可得到另外兩個因素對吡咯素生成量的影響結果，其對應的響應面與等高線曲線如圖7～圖9所示。

圖7 加熱溫度和加熱時間對吡咯素生成量影響效果的響應面和等高線Fig.7 Response surface and contour of the effect of heating temperature and time on the content of pyrraline production

從圖7a可知，加熱時間對應的響應值的曲線陡峭，表明對吡咯素的生成量影響較大，而反應溫度對應的響應值的曲線相對平緩，表明反應溫度對吡咯素的生成量的影響不大。圖7b中加熱時間和溫度的等高線形狀扁平，表明加熱溫度和時間的交互作用對吡咯素的生成量的影響較大。

圖8 葡萄糖濃度和加熱時間對吡咯素生成量影響的響應面和等高線Fig.8 Response surface and contours of glucose concentration and heating time on the content of pyrraline production

從圖8a可以看出，加熱時間對應的響應值的曲線相對較陡，而葡萄糖濃度對應的響應值的曲線較平緩，表明加熱時間對吡咯素的生成量影響較大。圖8b中反應時間和葡萄糖濃度的等高線形狀扁平，表明加熱時間和葡萄糖濃度的交互作用對吡咯素的生成量的影響較大。

圖9 葡萄糖濃度和加熱溫度對吡咯素生成量影響效果的響應面和等高線Fig.9 Response surface and contours of the effect of glucose concentration and heating temperature on the content of pyrraline production

從圖9a可以看出，葡萄糖濃度對應的響應值的曲線陡峭，說明對吡咯素的生成量影響較大，而加熱溫度對應的響應值的曲線相對平緩，表明加熱溫度對吡咯素的生成量的影響不大。圖9b中加熱溫度和葡萄糖濃度的等高線近似圓形，表明加熱溫度和時間的交互作用對吡咯素的生成量的影響較小。

2.9 對模擬體系中吡咯素生成最優條件的驗證

為確定提取吡咯素的最佳工藝參數，通過Design Expert 8.0.6.1.軟件中Numerical對擬合的回歸方程進行分析，得出模擬體系中吡咯素的最佳生成條件是：加熱時間49.2 min、加熱溫度110℃、葡萄糖濃度0.534 mol/L，在此最優生成條件下可得到最大吡咯素生成量4.71 μmol/L，考慮到食品加工實際操作過程的多種因素，取生成方案為加熱時間50 min、加熱溫度110℃、葡萄糖濃度為0.5 mol/L進行驗證，得到的吡咯素的生成量為4.69 μmol/L，相對誤差較小，說明響應面分析具有良好的實際參考性。

3 結論

目前，如何降低食品加工過程中產生的伴生危害物已經越來越成為國內外食品行業關注的重點。在單因素試驗基礎上，采用高效液相色譜儀法測定食品加工模型Lys-Glu體系所產生的的吡咯素生成量，對其生成條件進行分析，利用Design Expert8.0.6.1.軟件響應面分析法建立數學模型對吡咯素生成條件進行優化。結果表明，加熱時間、反應溫度以及葡萄糖濃度對模擬體系中吡咯素的生成均有顯著的影響，影響大小為葡萄糖濃度＞加熱時間＞加熱溫度。綜合實際因素得到利于吡咯素生成的方案為：加熱時間50 min、加熱溫度110℃、葡萄糖濃度為0.5 mol/L，為降低加工過程中吡咯素生成提供了理論支持。