基于木糖母液美拉德反应及其产物挥发性成分研究

吴凯强，王雅颖，纪丽丽，郭 健，应知伟，宋文东*

（1.浙江海洋学院 食品与医药学院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋学院 石化与能源工程学院，浙江 舟山 316022；3.浙江海洋学院海洋科学与技术学院，浙江 舟山 316022）

木糖母液[1-3]是玉米芯或蔗渣酸水解的副产物，主要有果糖、L-阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖，通常很难被分离[4-5]，虽然可以使用离子色谱法进行分离，但价格昂贵且分离效果差，限制了其在工业中的大规模使用。因此，木糖母液基本上是一种废液。而在我国北方，因大量生产木糖而产生大量木糖母液，对其的有效利用成为企业可持续发展的关键问题之一。

美拉德反应[6]在近几十年来一直是食品化学、食品工艺学、营养学、香料化学等领域的研究热点[7-10]。因为美拉德反应是加工食品色泽和浓郁芳香的各种风味的主要来源，特别是对于一些传统的加工工艺过程（如咖啡、可可豆的焙炒，饼干、面包的烘烤以及肉类食品的蒸煮[11-13]）。另外，美拉德反应对食品的营养价值也有重要的影响[14-15]，既可能由于消耗了食品中的营养成分或降低了食品的可消化性而降低食品的营养价值，也可能因在加工过程中生成抗氧化物质而增加其营养价值。

现已有研究报道利用单糖为原料进行糖焦化实验[16-18]，对于传统的烟草具有明显的增香作用。但尚未有利用木糖母液为原料进行美拉德反应的相关报道。L-谷氨酸常被用作代盐剂、营养增补剂、鲜味剂，广泛应用于烹饪和食品加工中。本实验以废弃的木糖母液为研究对象，将其与L-谷氨酸进行美拉德反应，采用正交试验确定最佳反应条件，并对其反应产物的挥发性成分采用气相色谱-质谱（gas charomatography-mass spectrometer，GC-MS）法进行分析测定，意在综合考虑各方面因素，寻找到合适的工艺条件，从而解决木糖母液闲置浪费问题，为开发一种天然的食品调味剂提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木糖母液：山东省淄博玉丰源制糖有限公司；L-谷氨酸（生化试剂）：国药集团化学试剂有限公司；其他试剂均为国产分析纯；实验用水为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

SHT型搅拌数显恒温电热套：山东鄄城华鲁电热仪器有限公司；UV1100紫外分光光度计：上海美普达公司；AR124CN 电子天平：奥豪斯仪器有限公司；SHIMADZU QP-2010 Plus 气相色谱-质谱联用仪：日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 主要工艺流程

木糖母液→稀释若干倍→调节pH→控制温度→美拉德反应→乙醚萃取挥发性物质→气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）检测挥发性成分

1.3.2 美拉德反应

L-谷氨酸标准溶液的配制：准确称取1.470 0 g的L-谷氨酸置于100 mL烧杯中，加入少量蒸馏水充分搅拌至溶解；移至100 mL容量瓶中定容，静置3 min，即得1 mol/LL-谷氨酸标准溶液。

美拉德反应：准确称取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸标准溶液，充分搅拌后，用10%NaOH调节pH值，将溶液倒入250 mL的蒸馏烧瓶中，分别在一定温度条件下蒸馏一定时间。冷却后，用紫外分光光度计在波长490 nm处测定吸光度值。

美拉德反应的程度由反应后溶液的吸光度值作为依据，以未反应的溶液作为参比溶液，测定美拉德反应后溶液在波长490 nm处的吸光度值。

1.3.3 美拉德反应产物分析

最佳工艺条件下的产物，使用SHIMADZUQP-2010Plus GC-MS进行分析，测定产物成分。

质谱条件：电离方式为电子电离（electronionization，EI）源，电离能量70 eV；离子源温度为200 ℃；四极杆温150 ℃；传输线温度为260 ℃；质量扫描范围35～550m/z，谱图检索采用Wiley9.L和Nist08.L进行检索。

1.3.4 影响美拉德反应的单因素试验

准确称取50 mL木糖母液和50 mLL-谷氨酸标准溶液，充分搅拌后，用10%NaOH分别调节pH值至4、6、8、10、12；将溶液倒入250 mL的蒸馏烧瓶中，分别在90 ℃、95 ℃、100 ℃、105 ℃、110 ℃温度下分别蒸馏1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h；冷却后，用紫外分光光度计在波长490 nm处测定吸光度值，考察反应温度、时间及pH值对美拉德反应的影响。

1.3.5 美拉德反应的正交试验设计

以反映美拉德反应程度的吸光度值为考察指标，通过单因素试验考察温度、时间、pH对美拉德反应程度的影响，初步确定影响美拉德反应各因素的范围，然后在单因素试验的基础上，采用L9（33）正交试验设计对反应条件进一步优化，其因素与水平表见表1。

表1 美拉德反应条件优化正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for Maillard reaction conditions optimization

2 结果与分析

2.1 反应温度对美拉德反应的影响

反应温度对美拉德反应程度的影响见图1。由图1可知，当温度在90 ℃时，美拉德反应程度较低，之后随着反应温度的上升，美拉德反应程度也随之上升，当温度达到105 ℃时，美拉德反应的程度最强，而在110 ℃时反应程度有较大幅度的下降。由此推断，105 ℃为美拉德反应最适温度，温度过高，L-谷氨酸经过脱氨酸、脱碳酸反应，发生分解，此时美拉德反应不能有效地进行。因此，木糖母液和L-谷氨酸在105 ℃的温度条件下反应最佳。

图1 反应温度对美拉德反应程度的影响Fig.1 Effect of reaction temperature on the Maillard reaction

2.2 反应时间对美拉德反应的影响

反应时间对美拉德反应程度的影响见图2。由图2可知，反应初期美拉德反应褐变程度随时间的增加而增加，当时间达到2.5 h时，美拉德反应的程度最强，之后木糖母液褐变程度有所下降，这可能是因为反应底物浓度的减少或L-谷氨酸在长时间高温下发生分解造成的。因此，综合香味、色差、舒适感等方面进行综合评价认为，在2.5 h时，美拉德反应的效果最佳。

图2 反应时间对美拉德反应程度的影响Fig.2 Effect of reaction time on the Maillard reaction

2.3 pH对美拉德反应的影响

pH对美拉德反应程度的影响见图3。由图3可知，当pH值为4时，美拉德反应的程度较低，之后随着pH值的增加，美拉德反应程度也随之增加，在pH值为10时，木糖母液美拉德反应的程度最强，之后随着pH的增加，反应程度有较大幅度的下降。美拉德反应一般随pH的升高而加剧，酸性介质中，美拉德反应受到抑制，碱性介质中则加强。羧氨缩合是一个可逆的过程。在酸性条件下，葡糖氨重排，产物较易质子化，另外，酸性时羧氨缩合产物很容易水解。羧氨缩合过程封闭了游离的氨基，反应体系pH值就下降，所以碱性条件下有利于羧氨反应。因此当pH值为10时，美拉德反应的程度最佳。

图3 p H对美拉德反应程度的影响Fig.3 Effect p H on the Maillard reaction

2.4 美拉德反应条件优化正交试验

在单因素试验的基础上，采用正交试验对美拉德反应条件进行优化，结果与分析见表2，方差分析见表3。

由表2可知，对美拉德反应程度影响的主次关系为B＞C＞A，即反应时间＞pH值＞反应温度。根据正交试验得到的最佳条件为A2B3C3，即反应温度为105 ℃，反应时间为3.0 h，pH值为12。在此最佳反应条件下进行验证试验，吸光度值为1.910，说明美拉德反应褐变程度最强。

由表3可知，反应温度、时间及pH值对结果影响均不显著（P＞0.05）。

表2 美拉德反应条件优化正交试验结果与分析Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for Maillard reaction conditions optimization

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 木糖母液美拉德反应产物GC-MS分析

木糖母液美拉德反应产物通过GC-MS检测，所得可能的挥发性成分总离子流色谱图如图4所示，各主要组分鉴定结果见表4。美拉德反应一般可以分成2个反应阶段，3条反应路线。初级美拉德反应不引起褐色变化，也不产生食品香味。其中关键的一步是Amadori重排，其产物是极重要的不挥发性的香味前驱物。高级美拉德反应包括3条主要反应路线，而每条反应路线生成的中间产物及以后发生的变化都相当复杂，但最终都会产生其反应路线特征性的几类香气物质，目前已报道的美拉德反应产物中挥发性香味物质包括醇类、醛类、酮类、酸类、酯类、酚类、烯类、呋喃类以及吡咯、吡啶、吡嗪等氮杂环化合物。

图4 美拉德反应产物主要挥发性成分的GC-MS总离子流色谱图Fig.4 Total ion chromatograms of main volatile contents of Maillard reaction products by GC-MS

表4 美拉德反应产物挥发性成分分析Table 4 The main volatile contents analysis of Maillard reaction products

经GC-MS分析共鉴定出91种化合物，其中主要包括表4所列出的43种物质，这主要包括醇、酮、酸、酯及醚5大类。被检出的成分中醋酸乙酯含量最高，占20.38%；其次是丁基异氰酸乙酸酯，占10.16%。此外还有微量的糠醛，四氢糖醇具有相同的苦杏仁香味。

从已鉴定出的结果看，反应在产生特征香气以外，还形成了以下几种致香物质：二丁基硫醚为青叶香气，这香气多用于配制葱蒜类、花果型及果香型香精；乙酸乙酯、钛酸二乙酯、醋酸乙酯、丁基异氰酸乙酸酯主要香气特征是清甜的水果香气，可以起到协调叶组配方的香气，减少杂气作用；此外，1,1-二乙氧基乙烷、醋酸、乙醇都具有挥发性的香味并且都是食品行业中常用的调味剂或香精。

3 结论

影响木糖母液美拉德反应的因素多而复杂，其中pH值、反应时间、反应温度等因素对美拉德反应的完成程度和产物的香气有重要影响。本研究在单因素试验的条件下，通过正交试验，确定木糖母液美拉德反应的最佳工艺条件为反应温度105 ℃、反应时间3.0 h、pH值12。最终通过对产物进行GC-MS分析以确定木糖母液美拉德反应产物中的致香组分，结果表明，含有的丁基异氰酸乙酸酯、醋酸、醋酸乙酯、二丁基硫醚、1,1-二乙氧基乙烷、钛酸二乙酯等都是常用的香精和调味剂。

综上所述，本研究通过对木糖母液美拉德反应最佳工艺条件的确定以及挥发性成分的分析，最终得出木糖母液美拉德反应产物挥发性成分主要有醇，酮，酸，酯及醚五大类，其中多种挥发性物质为常用的食品添加剂，为木糖母液生产一种新型的食品调味剂增加了理论依据，提供了木糖母液综合利用的一种新思路。

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