施振华,曾茂茂,何志勇,秦 昉,邹忠爱,张志刚,陈 洁,*
(1.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122;2.江南大学食品安全国际合作联合实验室,江苏无锡 214122;3.厦门华夏学院环境与公共健康学院,福建厦门 361024;4.肉食品安全生产技术国家重点实验室,福建厦门 361100)
晚期糖基化终末产物(advanced glycation endproducts,AGEs)是一类对人体健康不利的有害物,普遍存在于肉制品、烘焙类等热加工食品中[1-2]。近年来引起了学术界以及工业界的重视。AGEs是食品或生物体系中蛋白质或游离氨基酸和核酸、脂肪、还原糖等物质发生反应的一系列终产物的总称,如羧甲基赖氨酸(CML)、羧乙基赖氨酸(CEL)、吡咯素(Pyr)等[3]。研究表明,AGEs在体内的积累能够引起糖尿病、阿尔兹海默症、心血管疾病等慢性疾病[4]。
AGEs的生成途径很多,影响因素复杂。未加工的动物源性食品中也含有AGEs,热加工或者长期存放食品能促进新AGE的生成。对于热加工食品,食品基质中的组成、各类可反应底物的含量、pH、加工方式以及是否存在具有抑制反应的抗氧化剂等都会影响AGEs生成[5]。由于真实食品体系过于复杂,而AGEs的种类太多,因此目前关于AGEs的研究大多通过建立模拟体系,以可被质谱定量检测的CML、CEL等作为标志物,讨论AGEs的形成途径、动力学特征以及反应影响因素[1,6]。
迄今为止,关于各种反应条件对AGEs生成影响的研究比较充分,如pH、温度、时间等[5]。单糖是食品加工过程中常见的配料,也是二糖或者低聚糖结构的组成单元。在美拉德反应过程中,单糖的类型对反应途径和反应产物有明显的影响。一般而言,醛糖的美拉德反应速度要高于酮糖。然而单糖作为反应底物之一,其对AGEs和它中间体生成的影响几乎没有报道。因此,为了比较不同类型的单糖对AGEs生成的影响,本实验建立了4种单糖-赖氨酸的美拉德反应模拟体系,研究了单糖的类型(葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖)和热加工时间对CML、CEL和Pyr三种AGEs生成的影响。通过比较反应体系中乙二醛(GO)、丙酮醛(MGO)和3-脱氧葡萄糖醛酮(3-DG)三种二羰基化合物以及果糖基赖氨酸(FL)的含量来探讨AGEs可能的形成途径,以期通过优化加工条件以及配方水平来降低AGEs的含量,为未来热加工食品提高安全和健康水平提供理论指导。
葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖、赖氨酸、十二水合磷酸氢二钠、二水合磷酸二氢钠 均为分析纯,购于上海国药集团化学试剂有限公司;CML标准品(纯度>98%)、CEL标准品(纯度>98%)、d4-CML同位素内标(纯度>98%)、d4-CEL同位素(纯度>98%) 美国Santa Cruz Biotechnology公司;色谱级甲醇、乙腈、甲酸、Pyr(纯度>98%)和九氟戊酸(纯度>98%) 上海百灵威试剂公司;GO(40%水溶液)、MGO(40%水溶液)、3-DG、FL、2,3-己二酮(INS)和邻苯二胺(OPD)、d4-赖氨酸同位素内标(纯度>98%) 美国Sigma-Aldrich公司;超纯水 通过Millipore Milli-Q purification system制备。
Micromass Quattro MicroTM API高效液相色谱串联三重四级杆质谱仪、ACQUITY UPLC TQD超高效液相色谱串联三重四极杆质谱联用仪、Alliance 2695高效液相色谱仪、RI-2414示差折光检测器 美国Waters公司;pH计 上海Mettler Toledo公司;UV-2800H型紫外可见分光光度计 UNICO上海仪器有限公司;DF-2型搅拌油浴锅 金坛市水北科普实验仪器厂。
1.2.1 模拟体系的制备 葡萄糖-赖氨酸(Glu-Lys)模拟体系:准确称取1.80 g的葡萄糖(100 mmol/L)和1.46 g的赖氨酸(100 mmol/L)定容于100 mL的磷酸盐缓冲溶液(100 mmol/L,pH=7.0)中,充分混匀溶解后得Glu-Lys溶液。分别取5 mL溶液于120 ℃的油浴中加热20、40、60、80、100、120 min。随后立即置于冰水浴中冷却,并将反应液放于-20 ℃保存。半乳糖-赖氨酸(Gla-Lys)、果糖-赖氨酸(Fru-Lys)、山梨糖-赖氨酸(Sor-Lys)的模拟体系分别按照上述方法制备,其用量和浓度与Glu-Lys体系一致。
1.2.2 反应体系pH及颜色变化的测定 参照李菁等[7]的方法,通过pH和吸光度的变化评价模拟体系中美拉德反应的程度。在-20 ℃保存之前,取不同反应时间的溶液,用pH计测定溶液pH。超纯水将反应液稀释一定倍数后,用紫外可见分光光度计测定其在294 nm波长处和420 nm波长处的吸光度。
1.2.3 葡萄糖、半乳糖、果糖和山梨糖四种单糖的测定 参照高娃等[8]的方法,取不同反应时间的溶液稀释10倍,过0.22 μm滤膜。HPLC条件:色谱柱为Waters公司的Sugar-PAK I分析柱(300 mm×6.5 mm,10 μm),柱温为60 ℃。流动相为超纯水,流速为0.4 mL/min,检测器为示差折光检测器。葡萄糖、半乳糖、果糖和山梨糖四种单糖的测定采用外标法进行定量,以不同单糖标准品的浓度为横坐标,以不同单糖标准品的峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。
1.2.4 赖氨酸和果糖基赖氨酸(FL)的测定 参照Nguyen等[6]的方法,取不同反应时间的溶液稀释至合适倍数,取稀释后的溶液200 μL,加入200 ng/mL的d4-Lysine溶液作为内标,混合液过0.22 μm滤膜。UPLC条件:色谱柱为XSelectTMHSS T3(150 mm×4.6 mm,5 μm),柱温为35 ℃。流动相A相为甲醇,B相为0.1%的甲酸水溶液,流速为0.2 mL/min,梯度洗脱条件:0 min,1% A;5 min,8% A;5.5 min,100% A;6.5 min,100% A;7 min,1% A;运行时间:10 min。MS/MS条件:采用多反应监测模式(MRM)下的电喷雾正离子模式(ESI+),离子源温度为110 ℃,脱溶剂温度为400 ℃。其中MRM模式设置为Lysine:m/z 147→m/z 88;d4-LysineL:m/z 151→m/z 88;FL:m/z 309→m/z 225。其中,赖氨酸的测定采用内标法进行定量,以赖氨酸标准品的浓度为横坐标,以赖氨酸峰面积与其同位素内标峰面积的比值为纵坐标,绘制标准曲线;FL测定采用外标法进行定量,以FL标准品的浓度为横坐标,以FL标准品的峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。
1.2.5α-二羰基化合物的测定 参照Zhang等[9]的方法,取10倍稀释后的反应液200 μL,加入100 μL的INS溶液作为内标,再加入100 μL的OPD溶液作为衍生试剂。充分混合后置于4 ℃冰箱避光衍生12 h。随后将衍生后的溶液过0.22 μm滤膜,进样分析。HPLC条件:色谱柱为X-Bridege C18(100 mm×2.1 mm,3.5 μm),柱温为35 ℃。流动相A相为甲醇,B相为0.1%的甲酸水溶液,流速为0.3 mL/min,梯度洗脱条件:0 min,30% A;5 min,90% A;8 min,100% A;9 min,100% A;10 min,30% A;运行时间:15 min。MS/MS条件:采用多反应监测模式(MRM)下的电喷雾正离子模式(ESI+),离子源温度为110 ℃,脱溶剂温度为400 ℃。其中MRM模式设置为GO:m/z 131→m/z 77;MGO:m/z 145→m/z 77;INS:m/z 187→m/z 77;3-DG:m/z 235→m/z 199。GO、MGO和3-DG三种α-二羰基化合物的测定采用内标法进行定量,以不同的α-二羰基化合物标准品的浓度为横坐标,以其相应的标准品峰面积与内标INS峰面积的比值为纵坐标,绘制标准曲线。
1.2.6 AGEs的测定 参照Zhang等[10]的方法,取稀释后的反应液100 μL,加入50 μL的d4-CML溶液和50 μL的d4-CEL溶液作为内标。充分混合后过0.22 μm滤膜,进样分析。HPLC条件:色谱柱为X-Bridege C18(100 mm×2.1 mm,3.5 μm),柱温为35 ℃。流动相A相为乙腈,B相为5 mmol/L的九氟戊酸水溶液,流速为0.3 mL/min,梯度洗脱条件:0 min,5% A;5 min,60% A;7 min,100% A;9 min,100% A;10 min,5% A;运行时间:20 min。MS/MS条件:采用多反应监测模式(MRM)下的电喷雾正离子模式(ESI+),离子源温度为110 ℃,脱溶剂温度为400 ℃。其中MRM模式设置为CML:m/z 205→m/z 84;CML-d4:m/z 209→m/z 88;CEL:m/z 219→m/z 84;CEL-d4:m/z 223→m/z 88;Pyr:m/z 255→m/z 175。其中,CML和CEL的测定采用内标法进行定量,以CML和CEL标准品的浓度为横坐标,以其标准品峰面积与相应同位素内标峰面积的比值为纵坐标,绘制标准曲线;Pyr的测定采用外标法进行定量,以Pyr标准品的浓度为横坐标,以Pyr标准品的峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。
每个实验重复3次,结果表示为平均值±标准偏差。采用Origin 9.0软件进行作图。MassLynx V4.1软件用于液质参数的控制以及数据的采集和分析。
为了测定体系中AGEs和α-二羰基化合物的含量,本实验在参考Zhang等[9-10]研究的基础上分别建立了两种液质联用(HPLC-MS/MS)方法用于同步测定三种AGEs(CML、CEL和Pyr)和三种α-二羰基化合物(GO、MGO和3-DG)。图1显示了AGEs及α-二羰基化合物的LC-MS/MS谱图,各化合物在MRM模式下都具有较好的峰型。
图1 AGEs和α-二羰基化合物的液质定量离子流图
为了进一步研究方法的准确性,本实验对该方法从线性回归分析、定量限(LOQ)、检测限(LOD)、加标回收率以及精密度等方面进行考察,结果如表1和表2所示。从表1可以看出,3种AGEs和3种α-二羰基化合物的标准曲线线性关系良好,其相关系数均大于0.99。3种AGEs的LOD值为5.77~6.88 ng/g,LOQ值为8.65~10.31 ng/g;3种α-二羰基化合物的LOD值为5.72~9.88 ng/g,LOQ值为9.16~12.34 ng/g。仪器的LOD值以及LOQ值表明体系中目标物上样浓度在该范围之上均可以满足定量分析的要求。表2反应了两种液质联用法的日内精密度数据以及不同浓度的加标回收率数据。从表2可以看出,3种AGEs和3种α-二羰基化合物日内精密度均在1.50%~9.13%之间,其不同浓度的加标回收率均在85%~110%之间。加标回收率以及日内精密度数据均表明本实验所建立的两种方法适合同步定量分析当前体系中AGEs和α-二羰基化合物的含量。
表1 液质联用法的标准曲线方程、线性范围、R2、LOD值和LOQ值Table 1 Standard curves,linear range,R2,LOD and LOQ of the LC-MS/MS method
表2 液质联用法的回收率和精密度Table 2 Recovery and precision of the LC-MS/MS method
图2反应了4种单糖-赖氨酸体系pH随加热时间的延长而变化的情况。由图2可知,糖的类型和反应时间对反应体系pH有着明显的影响。相比较酮糖体系(Fru-Lys和Sor-Lys),醛糖体系(Gla-Lys和Glu-Lys)的pH下降更为明显。引起体系pH下降的原因一方面可能是赖氨酸作为碱性氨基酸,在反应过程中随着氨基的消耗使体系pH下降;另一方面,糖的降解会形成甲酸、乙酸等有机酸,从而引起体系pH的下降。Carline等[11]研究表明,醛糖和酮糖体系中甲酸和乙酸生成量差别并不明显,因此赖氨酸的消耗可能是引起体系间pH差异的主要原因。
图2 不同体系中pH随加热时间的变化
反应物颜色变化可以反映美拉德反应的程度,实验采用294 nm和420 nm波长处的吸光度变化反映美拉德反应的程度,前者是无荧光的褐色素前体物的形成,后者是反应末期褐色素的形成[12]。图3反应了4种单糖-赖氨酸体系中波长294和420 nm处的吸光度随加热时间的延长而变化的情况。由图3可知,随着加热时间的延长,四个体系的褐色素前体物及褐色素的含量都明显上升。在反应结束时,褐色素前体物的含量由高到低为:Gla-Lys>Glu-Lys>Sor-Lys>Fru-Lys。随着反应时间的增长,美拉德反应进入最后阶段,褐变程度加深,形成了类黑精等色素物质(图3b)。
图3 不同体系中褐色素前体物(a)及褐变程度(b)随加热时间的变化
图4反应了4种单糖-赖氨酸体系中底物单糖和赖氨酸的含量随加热时间的延长而变化的情况。由图4(a)可知,所有体系中赖氨酸的含量都随着反应时间的增加而减少。两个醛糖体系中赖氨酸的损失没有明显差别,但是均高于酮糖体系。在反应120 min后,Glu-Lys和Gla-Lys体系中赖氨酸的损失高达26.65%、28.95%,而Fru-Lys和Sor-Lys体系中赖氨酸的损失仅为11.47%、14.90%。醛糖和酮糖的赖氨酸损失差异与体系颜色变动的顺序类似。
图4 不同体系中赖氨酸(a)和糖(b)的含量随加热时间的变化
由图4(b)可知,在相同的反应时间内,所有单糖-赖氨酸体系中单糖的损失均要高于赖氨酸的损失。在反应120 min后,Glu-Lys、Gla-Lys、Fru-Lys和Sor-Lys体系中单糖的损失分别达到了80.50%、76.20%、75.05%、81.65%。
一般来说,赖氨酸含量的变化反应了美拉德反应的进程。随着反应的进行,体系中赖氨酸与单糖共价结合生成席夫碱化合物,然后席夫碱进一步通过重排、缩合、交联等反应生成最终产物,如类黑精等[13]。反应体系中单糖的损失远高于赖氨酸的损失,这意味着单糖可能发生了其他反应。为了探讨单糖与赖氨酸的损失差异,进一步测定了糖的异构化反应,即Glu-Lys体系中果糖的含量以及Fru-Lys体系中葡萄糖的含量。图4(b)结果显示,两个体系中经异构化生成的糖的含量并不高,在反应结束时,Glu-Lys体系中果糖的含量为6.64%,Fru-Lys体系中葡萄糖的含量为5.28%。上述结果暗示,单糖可能进一步参与到了美拉德反应后期类黑精等的生成中,具体途径还有待于进一步研究。
在糖-赖氨酸简单模拟体系中,AGEs的生成一般而言可能存在4种途径,即a. 美拉德反应途径:美拉德反应生成席夫碱和Amadori产物,随后,这些Amadori产物经过一系列复杂反应(脱水和重排反应),生成一些高活性的二羰基化合物,包括GO、MGO、3-DG等,这些二羰基化合物进一步与氨基酸残基发生反应,生成稳定且不可逆的AGEs,如CML、CEL和Pyr;b. AGEs美拉德旁路反应:即席夫碱氧化碎裂后生成二羰基化合物,然后进一步反应生成AGEs;c. AGEs也可以直接通过Amadori产物的重排生成[14];d. FL途径:FL是美拉德反应早期阶段所形成的另一种中间体,它可以通过氧化途径或非氧化途径形成AGEs[15]。为了探讨不同单糖在单糖-赖氨酸模拟体系中各个可能途径及其差异,实验分别测试了体系中GO、MGO、3-DG和FL的生成量随加热时间的变化,结果见图5所示。
图5 不同体系中GO(a)、MGO(b)、3-DG(c)和FL(d)的生成量随加热时间的变化
图5反应了4种单糖-赖氨酸体系中间体的含量随加热时间的延长而变化的情况。由图5可知,反应时间对中间体的生成有明显的影响。所有体系中GO和3-DG的含量在20~120 min内随着反应的进行而逐渐下降。Glu-Lys、Gla-Lys、Fru-Lys和Sor-Lys体系中GO在20 min时的生成量分别为(215.18±5.57)、(404.86±60.22)、(262.48±19.35)、(505.07±36.40) μmol/L,而3-DG在20 min时的生成量分别为(594.91±66.99)、(383.99±27.56)、(257.14±27.87)、(308.63±33.58) μmol/L。这表明体系中GO和3-DG在反应前20 min内大量生成,随后其消耗速率大于生成速率,因此体系中GO和3-DG的含量开始下降。所有体系中MGO的生成趋势基本一致。其中Glu-Lys、Gla-Lys和Fru-Lys体系MGO的含量在20~100 min内随着反应时间的增加而增加,而在100~120 min内其含量逐渐下降。在100 min时,Glu-Lys、Gla-Lys和Fru-Lys体系中MGO达到最大生成量,分别为(466.35±47.51)、(410.47±43.34)、(473.85±17.42) μmol/L。Sor-Lys体系中MGO的含量在20~80 min呈上升趋势,在80~120 min内呈先下降后上升的趋势,其MGO的最大生成量为(475.90±40.23) μmol/L。Glu-Lys、Gla-Lys和Sor-Lys三个体系中FL生成规律都呈现出先上升后下降的趋势,其含量分别在60、40、60 min时达到最大值,最大值分别为(117.53±1.61)、(100.35±4.47)、(46.77±2.50) μmol/L。而Fru-Lys体系中FL的含量在20~120 min内持续上升,在120 min时生成量达到(50.55±1.09) μmol/L。
上述结果中4种单糖-赖氨酸反应模拟体系中α-二羰基化合物的生成量均明显高于FL,暗示,在当前研究体系下α-二羰基化合物是生成AGEs的主要途径。本研究中GO和MGO在反应初期(20 min)就已经大量生成,而MGO的含量在反应120 min时基本趋于稳定,该结果与黄启瑞等[16]的研究结果一致。但本研究中α-二羰基化合物的生成量均明显高于FL的结果与Han等[15]的研究有一定差异,他们的研究结果中GO生成相对比较慢,且在反应过程中也存在着最大值,且FL的含量要远高于GO,这可能是由于反应体系处理不一样而引起反应机制的不同。
图6反应了4种单糖-赖氨酸体系AGEs的含量随加热时间的延长而变化的情况。由图6可知,单糖的类型对CML生成量有一定的影响,在反应结束时体系中 CML的含量为Fru-Lys>Sor-Lys>Glu-Lys>Gla-Lys。这一趋势与CML的中间体GO相似。虽然体系中GO含量随着反应的进行而快速下降,但是反应进行到40 min后酮糖体系GO的含量均高于醛糖体系。这进一步验证了在当前研究体系中CML主要通过GO途径生成。Glu-Lys、Gla-Lys和Fru-Lys体系中CML的含量在20~100 min内逐渐上升,随后开始下降,其在100 min时的生成量分别为(284.63±37.59)、(256.76±24.82)、(309.51±31.71) μmol/L。而Sor-Lys体系中CML的含量在80 min时达到最大值,其值为(306.76±6.11) μmol/L。这与Nguyend等[6]研究结论一致,CML有一定的热不稳定性,糖-酪蛋白体系中CML的含量在130 ℃下加热25 min后开始下降。不同体系中CEL的生成规律如图6(b)所示。Glu-Lys和Gla-Lys体系中CEL的含量在20~100 min内一直上升,在100 min时分别达到了(454.11±54.12)、(418.49±34.67) μmol/L;在120 min时,其含量又分别下降到了(439.69±18.97)、(395.76±41.45) μmol/L。Fru-Lys和Sor-Lys体系中CEL的含量在20~120 min内一直上升,在120 min时分别达到了(468.52±20.19)、(489.85±13.43) μmol/L。这与MGO的变化趋势相似,在20 min时醛糖体系中MGO含量要高于酮糖体系,而在120 min时酮糖体系中MGO的含量更高。这表明MGO可能是CEL的主要中间体,加热时间的延长促使体系中MGO与赖氨酸进一步反应生成CEL。
图6 不同体系中CML(a)、CEL(b)和Pyr(c)的生成量随加热时间的变化
与CML和CEL相比,体系中的Pyr含量明显较少。反应结束时,Glu-Lys、Gla-Lys、Fru-Lys和Sor-Lys体系中Pyr的含量分别为(50.67±1.29)、(49.92±3.46)、(38.95±3.75)、(75.18±8.09) μmol/L。Liang等[17]研究也发现,温度对Pyr的生成有着显著的影响。对于葡萄糖-赖氨酸、果糖-赖氨酸、蔗糖-赖氨酸体系,其Pyr含量在60~120 ℃下生成量较低,随着温度进一步提高,其含量才有明显上升。
将底物消耗、反应物颜色变动、中间体生成以及最终AGEs生成结合起来分析可以发现,赖氨酸损失与反应物颜色变动趋势基本一致,醛糖大于酮糖。这表明醛糖参于美拉德反应的程度要高于酮糖,但是单糖的类型对AGEs生成的影响并不遵从这一规律。在反应结束时,Fru-Lys和Sor-Lys两个酮糖体系中CML和CEL的含量均要高于Glu-Lys和Gla-Lys两个醛糖体系。另外,在当前研究条件下,酮糖体系中CML含量在20~120 min内一直高于醛糖体系。这和体系中GO含量的变化趋势相类似。GO是生成CML的主要中间体,酮糖体系中GO含量在40~120 min内一直高于醛糖体系(图5a)。由图6(b)可知,CEL的含量在20~80 min时快速生成,随后在80~120 min含量变化较小。如Sor-Lys体系CEL的含量由20 min的(149.91±6.87) μmol/L上升到80 min的(450.34±6.8721.61) μmol/L,随后达到了120 min的(489.85±13.43) μmol/L。所有体系中Pyr的生成量远低于CML和CEL的生成量。在20~120 min内,Sor-Lys体系中Pyr的含量一直高于Glu-Lys、Gla-Lys和Fru-Lys体系。随着加热的进行,Sor-Lys体系中Pyr的含量由20 min的(32.29±2.89) μmol/L上升到120 min的(75.18±8.09) μmol/L。虽然醛糖参于美拉德反应的程度要高于酮糖,但是其对AGEs生成的影响却各不相同。这主要是因为AGEs生成途径复杂,它既可以通过美拉德反应生成,也可以由α-二羰基化合物与赖氨酸反应而生成。这表明未来控制AGEs需要从途径着手,重点控制中间体α-二羰基化合物的生成。
本文研究了单糖的类型和加热时间对体系中AGEs生成的影响。结果表明,在当前研究条件下,醛糖体系中pH的下降程度和颜色的增加程度均要高于酮糖体系。Glu-Lys、Gla-Lys、Fru-Lys和Sor-Lys体系中赖氨酸在加热120 min时的损失分别为26.65%、28.95%、11.47%、14.90%。所有单糖体系中单糖在加热120 min时的损失均达到75%以上,而单糖的异构化程度低于10%,这表明单糖除了参于美拉德反应之外,还通过氧化降解等途径产生损失。
所有体系中GO的含量在20~120 min内一直呈下降趋势,这表明GO在反应前20 min内大量生成。所有体系在20~120 min内MGO和3-DG的含量远高于FL的含量,推测在当前条件下α-二羰基化合物可能是形成AGEs的主要中间体。在反应结束时,酮糖体系的的CML和CEL含量均要高于醛糖体系,Sor-Lys体系在120 min时CML和CEL的生成量分别达到了(283.18±18.83)、(489.85±13.43) μmol/L。而所有体系中Pyr的生成量均要远低于CML和CEL的生成量,其中Sor-Lys体系Pyr生成量最高,在120 min时达到了(75.18±8.09) μmol/L。在美拉德反应过程中,醛糖体系pH下降、颜色增加、赖氨酸损失的程度均高于酮糖体系。但是,反应结束时酮糖体系CML和CEL以及中间体GO和MGO的含量均高于醛糖体系,这表明单糖的类型对美拉德反应和AGEs生成的影响各不相同。本研究为探讨美拉德反应过程中AGEs的生成途径提供了实验依据,为通过改变加工条件来降低真实食品体系中AGEs的含量提供了理论支持。