葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反应动力学的研究

李伶俐，曾茂茂，陈 洁，范柳萍

（江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡214122）

葡萄糖/L-半胱氨酸美拉德反应动力学的研究

李伶俐，曾茂茂，陈 洁*，范柳萍

（江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡214122）

以葡萄糖和L-半胱氨酸为反应体系，研究了反应温度对体系底物浓度变化、褐色物质生成以及pH变化的影响，并进行了动力学分析。结果表明，反应温度是影响美拉德反应的重要因素，反应底物浓度、褐色物质含量以及pH的变化速率均随着反应温度的升高而增大。在不同的反应温度条件下，反应底物葡萄糖和半胱氨酸的浓度变化符合一级动力学，褐色物质的生成和pH的变化符合零级动力学。同时研究发现，颜色物质和酸性物质的生成主要发生在美拉德反应的高级阶段，所需活化能较高，分别为164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。

美拉德，L-半胱氨酸，葡萄糖，反应温度，动力学

美拉德反应是食品中氨基化合物和羰基化合物在食品加工和储藏过程中在一定温度下发生的一系列非酶褐变反应的总称，对食品的风味、色泽、抗氧化性等品质有着至关重要的影响。葡萄糖是自然界中分布最广、最重要的还原单糖，而半胱氨酸作为一种含硫氨基酸，是形成肉味香精的重要氨基酸。许多利用美拉德反应生产肉味香精的研究报道[1-4]中反应底物都含有这两种单体，但针对二者高温下发生美拉德反应机理的研究则甚少；而我国工业上利用美拉德反应制备香精香料也多是凭借经验来决定反应条件，无法使产品质量保证始终如一。因此本文选取葡萄糖和L-半胱氨酸作为反应底物，研究在不同初始pH和反应温度条件下反应底物浓度，褐色物质含量以及pH的变化速率，建立动力学模型，有助于更加深入地研究美拉德反应的机理，进而对反应进行定量、定向控制[5]，最终使美拉德反应成为一个可控的食品化学进程，为实际的香精生产提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

葡萄糖、L-半胱氨酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、2，4-二硝基氟苯等 均为分析纯，购自国药集团。

恒温油浴锅 无锡湖景仪器厂；反应钢柱 江苏汉邦科技有限公司；梅特勒-托利多SevenEasy pH计

梅特勒-托利多仪器有限公司；UV2800紫外-可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司；Waters1525型高效液相色谱仪 美国waters公司；岛津高效液相色谱仪 日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 美拉德反应液的制备 将葡萄糖和半胱氨酸溶解于pH 7的磷酸盐缓冲溶液中，使其浓度均为0.2mol/L，反应液分别置于温度为100、110、120、130℃的油浴中反应10、20、30、60、90、120min，反应结束后立即置于冰浴中冷却终止反应。

1.2.2 分析测定方法

1.2.2.1 葡萄糖残余量的测定 采用高效液相色谱法测定反应体系中葡萄糖的残余量[6]。将美拉德反应液过氨基萃取小柱后，采用美国Waters高效液相色谱仪进行分析。色谱柱：Thermo ASP-2 Hypersil（250mm×4.6mm，5μm）氨基柱；柱温：30℃；流动相：乙腈∶水=70∶30；流速：1mL/min；检测器：示差检测器。

1.2.2.2 半胱氨酸残余量的测定 半胱氨酸浓度的测定采用吕营果[7]等人的方法，衍生后采用日本岛津高效液相色谱仪进行分析。

1.2.2.3 反应液pH的测定 反应液的pH采用梅特勒-托利多SevenEasy pH计进行测定。

1.2.2.4 反应液颜色物质的测定 美拉德反应体系褐色产物的生成量用反应液在420nm处的吸光值来表征[8-9]。将反应液稀释后采用UV2800紫外-可见分光光度计在420nm处测定吸光值，吸光值越大表明褐色产物的生成量越多。

1.2.3 美拉德反应动力学的模型研究 根据相关文献报道和预实结果分析，美拉德反应中底物浓度变化符合一级动力学[10-11]，420nm吸光值和pH变化符合零级动力学[12-13]，因此分别采用一级动力学和零级动力学模型来模拟美拉德反应过程，模型公式如下：

式中：A0和A为测试指标的初始值和时间t时的数值；K为反应速率常数；t为反应时间。

为了研究不同温度对美拉德反应速率的影响，采用Arrhennius方程来描述反应速率常数K与反应温度T的关系，公式如下：

式中：K0为温度独立影响系数；Ea为活化能；R为通用气体常数，即8.314J/（mol·K）；T为绝对温度。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对美拉德反应底物浓度变化的影响

反应温度对美拉德反应体系残余葡萄糖和半胱氨酸浓度的影响如图1和图2所示，可以看出，在不同的反应温度条件下，体系中葡萄糖和半胱氨酸浓度均随着反应时间的增加而降低。反应温度较低时，两种底物浓度下的速率较小；而随着反应温度的升高，两种底物的下降速率均有明显增大。这主要是由于开链式葡萄糖是参与美拉德反应的葡萄糖的活性形式，体系中开链式葡萄糖的含量随着温度的升高而增大，因此温度越高，反应底物的活性越大，美拉德反应越剧烈，底物浓度下降的速率就越大。

图1 反应体系葡萄糖浓度随反应温度和反应时间的变化

图2 反应体系半胱氨酸浓度随反应温度和反应时间的变化

2.2 反应温度对美拉德反应体系420nm吸光值和pH变化的影响

反应温度对美拉德反应体系中褐色物质的生成和pH变化的影响如图3和图4所示，可以看出，420nm吸光值在不同的反应温度条件下均随着反应时间的增加而增大。当反应条件为100℃、120min时，420nm吸光值为0.3465；而在相同反应时间条件下，当反应温度分别为110、120、130℃时，420nm吸光值则分别为2.12、5.99、18.34，可见反应温度越高，420nm吸光值增加得越快，表明生成了更多的颜色物质。

图3 反应体系420nm吸光值随反应温度和反应时间的变化

图4 反应体系pH随反应温度和反应时间的变化

美拉德反应过程中，不同反应温度条件下体系的pH也随着反应时间的增加而下降。当反应温度为100℃时，体系的pH变化不明显，说明在反应温度较低的时候，产生的酸性物质较少；而在反应温度较高时，pH变化则较大，说明在较高的反应温度条件下，体系在高级美拉德阶段产生了较多的酸性化合物，这与侯亚龙[14]等人的研究结果是一致的。

表1 不同反应温度条件下各反应动力学参数

2.3 不同反应温度条件下反应动力学模型分析

将不同反应温度下美拉德反应体系中葡萄糖和半胱氨酸浓度、420nm吸光值和pH的数值分别代入式（1）和式（2）中，通过SAS回归分析，得到不同反应温度条件下反应体系指标变化的特性参数，结果如表1所示。

表1显示，各方程均具有较高的决定系数（R2>0.92）。同时研究发现，两种底物的反应速率常数均随着反应温度的升高而增大。反应温度较低时，葡萄糖浓度下降较快，主要是由于葡萄糖除与半胱氨酸发生美拉德反应外，自身还会发生异构化反应及降解反应等[5,13]；而随着反应温度的增加，半胱氨酸下降速率逐渐大于葡萄糖，说明在高温条件下半胱氨酸易发生Strecker降解反应，使得半胱氨酸浓度快速降低。420nm吸光值和pH的变化速率随着反应温度的升高也有明显增大，说明温度是影响葡萄糖-半胱氨酸反应体系的重要因素。

将不同反应温度条件下底物浓度变化、420nm吸光值和pH变化反应速率K及反应绝对温度T代入式（3），得到不同反应温度条件下各反应活化能，如表2所示。

表2 美拉德反应体系各反应活化能

从表2可以看出，葡萄糖的活化能最低，为87.85kJ/mol；半胱氨酸活化能大于葡萄糖，为120.96 kJ/mol。而颜色物质则主要在高级美拉德反应阶段生成，所需活化能最高，为164.77kJ/mol，这与Ajandouz[15]等人的研究结果是一致的。

3 结论

反应温度是影响美拉德反应的重要因素。当反应温度较低时，美拉德反应较为缓慢，葡萄糖和半胱氨酸浓度的下降速率较小，颜色物质的生成及pH的下降也较慢；而随着反应温度的升高，各反应速率均迅速提高，反应加速。通过动力学分析可以看出，底物浓度的变化速率符合一级动力学，褐色物质的生成和pH的变化则符合零级动力学。在初始pH7条件下，葡萄糖和半胱氨酸反应活化能分别为87.85kJ/mol和120.96kJ/mol，420nm吸光值和终pH变化活化能分别为164.77kJ/mol和149.17kJ/mol。这一结论有助于更加深入的研究美拉德反应的机理，使美拉德反应成为一个可控的化学进程，同时也为反应型香精的工业化生产提供一定的理论基础。

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Kinetics of Maillard reaction in glucose/L-cysteine model systems

LI Ling-li，ZENG Mao-mao，CHEN Jie*，FAN Liu-ping（State Key Laboratory of Food Science and Technology,School of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122,China）

Kinetics of substrate concentration，color development and pH change were studied in glucose/L-cysteine model systems under different reaction conditions of temperature.The result indicated that temperature play a crucial role on the maillard reaction.The rate of substrate concentration change，color development and pH change increased when increasing the temperature.Under different reaction conditions，the loss of glucose and L-cystine concentration followed first-ordered kinetics；color development and pH change followed zero-order kinetics.Brown pigments and acid compounds generated on the advanced stage of maillard reaction which were found with high activation energy of 164.77kJ/mol and 149.17kJ/mol，respectively.

Maillard；L-cysteine；glucose；reaction temperature；kinetics

TS201.2

A

1002-0306（2011）10-0073-03

2010－09－13 * 通讯联系人

李伶俐（1985-），女，硕士在读，研究方向：食品蛋白质功能。

食品科学与技术国家重点实验室自由探索课题（SKLF-TS-200804）；教育部新世纪优秀人才计划（NCET-07-0377）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）资助项目（BK2009614）；国家级科技计划项目（星火计划）（2008GA690137）。