葵花籽油中吡嗪类风味化合物形成机理的研究进展

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(1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西西安 710119; 2.西南大学柑桔研究所,重庆 400712; 3.中国农业科学院柑桔研究所,重庆 400712)

葵花籽油作为一种优质食用油,不饱和脂肪酸高达90%以上,易被人体消化吸收,其中富含维生素E、胡萝卜素以及铁、磷、钠、钙、钾和锌等营养元素;且其色泽清透、烹饪时易保留天然食品风味,能够较好的满足人们对食用油品质的追求,具有良好的市场[1]。

浓香葵花籽油,很大程度上满足了人们长期以来受饮食习惯和传统文化影响而对食用油香味品质的诉求。浓香葵花籽油的生产有其独特工艺,主要表现在油料高温焙炒上,而这正是浓香植物油香气产生的原因,油料在高温下脂肪氧化分解产生的醛酮类物质并不是葵花籽油主体性特征香气的来源,而是油料在高温焙炒时发生了Maillard反应[2]。吡嗪类风味化合物作为Maillard反应的重要产物,其含量高低直接决定食用油的品质[3]。其作为浓香葵花籽油的特征香气物质,对于葵花籽油香味品质起着决定性作用。目前市场上销售的葵花籽油绝大多数为压榨-浸出工艺提炼出的一级食用油,其色泽良好,但是香味平淡,尤其是加工过程中的主体特征香气不够明显,制约了葵花籽油生产工业的发展。因此,可从Maillard反应的前体物质-游离氨基酸和肽的角度探究浓香葵花籽油中主体特征性风味化合物如吡嗪类风味化合物的形成机理,但是关于肽尤其是小分子量肽和羰基化合物通过Maillard反应形成吡嗪类风味化合物这一途径的研究仅仅停留在推测阶段,还未深入探究其形成机理。

本文通过对葵花籽油中风味化合物尤其是吡嗪类风味化合物形成途径的相关研究进行综述,为食用油中风味化合物的控制提供理论依据与指导。

1 葵花籽油中风味化合物的研究

风味是葵花籽油感官品质测定的重要指标之一。葵花籽油的风味是由多种化合物协同作用形成的,主要包括醛类、酮类、杂环类、烯类、醇类、烷烃类、酯类、酸类等[4-6]。从图1[7]中可以看出,食用植物油包括葵花籽油的主要挥发性风味化合物主要来源于油脂氧化分解产生的醛酮类、萜烯类化合物以及Maillard反应生成的吡嗪类化合物[7]。

图1 油脂主要挥发性风味化合物成分图Fig.1 The major volatile flavor compounds of lipid

1.1 醛酮类化合物

醛酮类化合物通常是油脂氧化的产物。葵花籽油含有大量油酸(48%)和亚油酸(42%)[8],容易氧化生成过氧化物,而过氧化物极其不稳定,容易裂解生成醛、酮等小分子物质[9]。葵花籽在一定温度下经不同处理,其油脂氧化产生的挥发性物质中以醛酮类居多。如洪振童等[5]发现炒籽温度为190 ℃时挥发性物质以醛酮类居多,其中糠醛类物质所占比重较大,特征香气是面包香和焦糖香。周萍萍等[4]从不同烘烤条件下的葵花籽油中分离鉴定出杂环类和酯类2大类共80种挥发性物质,种类较多的化合物是醛类化合物(13种),其中所占比重较大的己醛和2,4-癸二烯醛被鉴定为亚油酸的一级氧化产物[10]。葵花籽油脂氧化生成的氢过氧化物分解后生成的挥发性物质除醛酮类化合物之外,还有烃、醇、酸、酯和呋喃等化合物,其对葵花籽油独特风味的形成也有一定贡献作用[11]。

1.2 萜烯类化合物

葵花籽在冷榨和微波等处理条件下所产生的相对比重较大的挥发性化合物是萜烯类物质,其中α-萜烯和β-萜烯的特征香气是松香,属于植物固有的清香[5-6]。萜烯类物质有相同的碳原子数目,是相对原子质量为136.24的同分异构体,大多数具有一个环和两个双键或者是两个环和一个双键[12]。洪振童等[5]研究发现冷榨葵花籽油中萜烯类物质所占比例最大,含量为38.96%,而在热榨葵花籽油中,随着炒籽温度的升高,萜烯类物质含量降低。陈洁等[6]研究发现在420～700 W这一微波辐射范围内,随着微波辐射程度的增加,萜烯类物质含量逐渐降低。出现这个变化趋势的原因可能是因为萜烯类物质在较高的微波程度和较高的温度条件下,很容易发生异构化[13]。

1.3 吡嗪类化合物

浓香葵花籽油在高温焙炒过程中发生Maillard反应,其生成的挥发性产物-吡嗪类化合物是葵花籽油区别于其他食用油的特征性香气物质,具有强烈的烤香和坚果味香气[5-6,14-15]。吡嗪类化合物的生成是因为在一定的温度范围内,随着温度升高,氨基酸、蛋白质、胺、肽等含氧杂环化合物与羰基化合物发生Maillard反应,产生了吡嗪类等含氮杂环化合物[14]。其对于葵花籽油特征香气的作用已有较多研究,如Wagner等[15]研究发现一些三烷基化的吡嗪类物质,如2-乙基-3,5-二甲基吡嗪和2,3-二乙基-5-甲基吡嗪,均显示出非常低的气味阈值,使得葵花籽油中的坚果香气突出,进而使得这些化合物在葵花籽油风味中发挥很重要的作用。洪振童等[5]研究发现随着微波时间的增加,杂环类化合物包括吡嗪类物质含量逐渐增加,其中2,5-二甲基吡嗪含量最高,对葵花籽油特征风味的形成贡献较大。陈洁等[6]通过研究微波焙炒对葵花籽油风味物质的影响,发现吡嗪类化合物在葵花籽油经不同微波条件处理都有检出,并且在所有检出的挥发性化合物中比例均不低,尤其吡嗪类化合物是葵花籽油在170 ℃热榨条件下产生的主要香气物质,其中2,5-二甲基吡嗪、2-甲基吡嗪、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪占杂环类化合物的35.21%,赋予了葵花籽油浓郁的烤坚果风味。由此可见,吡嗪类风味化合物是浓香葵花籽油在热加工过程中生成的主要风味物质。

葵花籽油本身具有的植物清香,热加工过程中氨基酸、蛋白质等发生的Maillard反应以及油脂氧化所产生的一系列物质共同赋予了葵花籽油独特的风味[6],其强烈的坚果烘烤香味是葵花籽油尤其是浓香葵花籽油不同于其他食用植物油的特征香气[5-6,14-15],了解该特征香气物质即吡嗪类风味化合物的形成途径对于葵花籽油的工业生产具有重要的作用,对于突破葵花籽油主体香气不明显的加工瓶颈有很好的指导意义。

2 吡嗪类风味化合物形成途径的研究

浓香葵花籽油的生产有其独特工艺,主要是采用“小路料”经过焙炒,再与“大路料”以一定比例混合,不经过常规水化脱胶、碱炼脱酸、白土脱色等工序,而是直接低温冷却过滤除去胶体和杂质,最终成为成品油[16]。油料在高温焙炒过程中,发生了Maillard反应,进而产生了吡嗪类风味化合物,这正是浓香葵花籽油香气产生的主要原因[17],因此探究浓香葵花籽油中吡嗪类风味物质的形成机理具有重要的意义。

对于吡嗪类风味物质形成的途径-Maillard反应的反应过程的具体研究已经较为成熟[18-19]。吡嗪类化合物的生成是食品中的游离氨基酸和多肽等和羰基化合物(尤其是还原糖)作为前体物质所产生的,葡萄糖降解产生了二羰基化合物,随后在碱性条件下,二羰基化合物与游离氨基酸或多肽结合,反应生成α-氨基酮,即Maillard反应过程中的Strecker反应,反应过程中生成的这些α-氨基酮经过缩合,生成了不同种类的吡嗪类化合物[20]。

2.1 基于游离氨基酸的Maillard反应生成吡嗪类风味化合物的形成途径

吡嗪类风味化合物形成的传统途径,是基于游离氨基酸和羰基化合物的Maillard反应。基于游离氨基酸的Maillard反应生成吡嗪类化合物的反应中,作为前体物质发挥作用最大的游离氨基酸是赖氨酸、精氨酸和组氨酸。宋志华等[16]通过建立氨基酸与葡萄糖的Maillard反应模型,分析发现赖氨酸、精氨酸、组氨酸对浓香葵花籽油Maillard反应风味的贡献最大,是浓香葵花籽油风味形成的主要前体物质,这三种氨基酸的反应模型体系生成的挥发性化合物中,有18种化合物是与浓香葵花籽油风味化合物相同的产物,以吡嗪类物质为主,其中2,5-二甲基吡嗪的含量最高。目前关于游离氨基酸和羰基化合物反应生成吡嗪类化合物及其反应途径的研究已经较多[21-24]。

Shibamoto等[25]发现Maillard反应中游离氨基酸和羰基化合物形成吡嗪类化合物,氨基酸和α-二羰基化合物之间发生Strecker降解反应,生成α-氨羰基化合物,生成的两个α-氨羰基化合物再通过缩合反应生成二氢吡嗪类物质,所生成的二氢吡嗪类物质又自发氧化生成相应的吡嗪类物质。

Adams等[21]通过20种不同氨基酸与1,3-二羟基丙酮的反应模型,总结了三种吡嗪类化合物生成的反应模型。一是当中间产物二氢吡嗪与羰基化合物发生反应时,形成被取代基替代的烷基吡嗪-3-烷基-2,5-二甲基吡嗪(化合物e),不需要经过氧化步骤,具体过程如图2方案1 A所示。二是3,6-二甲基-2,5-二氢吡嗪(化合物a)失去一个质子形成亲核性化合物,攻击羰基化合物后失去水,从而被3,6-二甲基-2,5-二氢吡嗪2位上的氢取代,从而形成了2位上带有酰基的吡嗪类物质-3-酰基-2,5-二甲基吡嗪(化合物j),具体过程如图2方案1B所示。三是依据Shibamoto等[26]在高温条件下对天门冬氨酸(180 ℃)、半胱氨酸(180 ℃)、天冬氨酸(180 ℃)和谷氨酰胺(110 ℃)进行热处理产生相当数量的氨,α-羟基羰基化合物如1,3-二羟基丙酮(图2k)和氨基酸在高温处理下产生的氨通过Amadori重排而不是Strecker降解产生α-氨基酮类化合物(化合物t)。故第三种反应模型如图2方案2所示,1,3-二羟基丙酮(化合物k)和醛发生缩合反应,然后氨与缩合产物(化合物q)上的氧化态的碳发生反应生成相应的氨基酮类化合物(化合物t),再与1-氨基丙醛(化合物u)缩合反应生成2-酰基-5-甲基吡嗪(化合物v)[21]。

此外,Adams等[22]在无水焙炒条件下研究抗坏血酸和氨基酸的Maillard反应,提出了α-二羰基化合物和α-氨基酸反应生成吡嗪类化合物的机理如图3所示,α-羰基化合物1或5与α-氨基酸发生Strecker降解反应生成α-氨基酮类化合物4或6或者Strecker降解醛3;然后4和6发生缩合反应形成二氢吡嗪7,7可以自动氧化生成相应烷基吡嗪类物质,或者是未被取代基取代的位置失去电子形成亲核性物质,攻击羰基化合物如3失去一分子水形成烷基吡嗪类物质9。

图2 不同氨基酸与1,3-二羟基丙酮的反应模型Fig.2 The reaction model of different amino acids and 1,3-dihydroxyacetone注:a～v为反应模型中涉及到的化合物编码。

图3 α-氨基酸和α-二羰基化合物反应生成吡嗪类化合物的反应模型Fig.3 The pyrazine compounds formed in the model reaction between α-amino acids and α-dicarbonyl compounds 注:1～9为反应模型中涉及到的化合物编码。

2.2 基于肽的Maillard反应生成吡嗪类风味化合物的形成途径

吡嗪类风味化合物作为葵花籽油尤其是浓香葵花籽油的特征性风味物质,其形成的传统途径是基于游离氨基酸和羰基化合物的Maillard反应,但是一般食品中游离氨基酸相对于肽和蛋白质的含量较少。近年来,有学者提出肽尤其是二肽和多肽对于吡嗪类风味化合物形成的贡献显著高于其对应的游离氨基酸[27-28]。构建与葵花籽油风味体系接近或一致的Maillard风味模型,从肽的角度研究吡嗪类风味化合物的形成机理,有望在工业化生产中对葵花籽油中风味化合物的控制提供参考。

2.2.1 多肽的种类对Maillard反应生成吡嗪类化合物的影响 由于葵花籽油的体系非常复杂,因此构建与葵花籽油风味体系接近或一致的Maillard风味模拟模型至关重要,尤其是反应前体物质-多肽的选择,对于吡嗪类风味化合物的形成起着决定性作用。肽尤其是二肽对吡嗪类化合物形成的贡献远远高于对应的游离氨基酸。Ho等[28]研究多肽和相应的游离氨基酸对吡嗪类风味化合物的贡献大小:二肽≥三肽≥对应的游离氨基酸;而四肽、五肽和其他大分子量多肽对吡嗪类风味化合物的贡献大小也主要取决于小分量的肽,因为其在反应的过程中降解为小分子的肽,如四肽在反应过程中主要降解为二肽,因此构建模拟模型时,所选择的多肽不同,对Maillard反应产物有不同的影响。

另外,Maillard反应所生成产物的种类与组成多肽的氨基酸种类密切相关。目前在Maillard反应中研究较多的肽为谷胱甘肽和甘氨酸等多肽化合物等[29-33]。Oh等[34]发现Pro-Gly或Gly-Pro二肽与葡萄糖的Maillard风味模型在反应体系中都产生了吡嗪和吡咯风味化合物,且Gly-Pro二肽与葡萄糖模型产生的风味化合物的含量显著大于Pro-Gly二肽;此外Pro-Gly或Gly-Pro与葡萄糖模型在温度130 ℃主要产生吡咯,而在180 ℃的条件下产生吡咯和吡嗪类风味化合物的含量大致相同。Rizzi[35]通过比较Val-Gly 二肽、Leu-Gly二肽与葡萄糖反应,结果发现相比Leu-Gly二肽,以Val-Gly二肽作为前体合成的产物中甲基吡嗪含量更多。

2.2.2 肽的结构对Maillard反应生成吡嗪类化合物的影响 环二肽(Diketopiperazines,DKPs)是肽在美拉德反应中生成的特殊产物[33]。研究发现,在Maillard反应过程中,一些具有简单结构的多肽,可以发生分子内环化,如二肽Val-Ala可以通过分子内环化为Val-Ala,三肽Pro-Gly-Gly 也可以环化为Pro-Gly;分子内环化的程度则表示了Maillard

图4 二肽和羰基化合物反应生成吡嗪类风味化合物的推测途径Fig.4 The hypothetical formation mechanism from the reaction of dipeptides and dicarbonyl compound 注:a～g为反应途径中涉及到的化合物编码。

反应中肽键断裂的难易程度[36-38]。肽的氨基酸组成序列与Maillard反应中的活性和产物密切相关,比如赖氨酸二肽有两种结构(N端为赖氨酸的二肽(Lys-X)和C端为赖氨酸的二肽(X-Lys)),其赖氨酸二肽在Maillard反应中的活性显著不同。Templier等[38]发现在对称或几乎对称的二肽反应体系中,如Met-Leu与Leu-Met或Val-Thr与Thr-Leu,复杂的DKPs只是由其中的一种二肽组成,说明了氨基酸C端和N端位置的重要性。

在Maillard反应中,α-氨基酮是游离氨基酸和羰基化合物生成吡嗪类风味化合物的重要中间产物,Strecker降解反应中的脱羧和亚胺水解是产生α-氨基酮的途径,但是这些反应在没有羧基自由基的肽和羰基化合物的反应体系中是不可能发生的。因此,在肽和羰基化合物的Maillard反应中,α-氨基酮的产生途径与游离氨基酸和羰基化合物的Maillard反应途径不同[20,26]。以二肽为Maillard反应的前体物质研究吡嗪类风味化合物的形成途径,在国外已有报道,但是其反应途径仅仅是依据游离氨基酸的Maillard反应推测出来的[27]。N端为赖氨酸的二肽和羰基化合物通过Maillard反应形成吡嗪类风味化合物，已有相应的研究主要侧重于比较不同种类的羰基化合物以及不同氨基酸序列的二肽形成吡嗪类风味化合物的差异,对于吡嗪类风味化合物的形成机制尚未进行深入探讨[27,39]。研究者依据游离氨基酸和羰基化合物的Maillard反应途径,提出了二肽和α-羰基化合物形成吡嗪类风味化合物的推测途径如图4。二肽(化合物b)和羰基化合物(化合物a)生成亚胺(化合物c);其次亚胺的α位点去质子化,1,5-H转移发生烯醇化反应生成4-羟基-2-氮杂二烯(化合物d),4-羟基-2-氮杂二烯的亚胺基水解生成α-氨基酮(化合物f),进而生成吡嗪类风味化合物(化合物g)[27]。此反应途径为吡嗪类风味化合物的形成机理提供了参考,但是推测的反应途径没有对不同结构的二肽在Maillard反应中氨基N的具体反应位点进行追踪。由于二肽的氨基酸序列顺序不同,在Maillard反应中氨基N的反应位点不同,因此,不同结构的二肽和葡萄糖的Maillard反应途径也不同。若不从二肽的结构角度深入探究吡嗪类风味化合物的形成机理,则很难依据特定的机理对葵花籽油中吡嗪类风味化合物制定有针对性的控制措施。

3 讨论

随着人们对食品营养、风味和色泽等的要求不断提高,食品是否具有一定风味特色成为其是否能适应市场需求的关键。目前市场销售的葵花籽油大多是压榨-浸出工艺提炼的一级食用油,存在香味不够浓郁的问题,主要是特征性风味物质产生机理和底物不明确导致的[40-42]。针对葵花籽油中特征性风味化合物-吡嗪类风味物质形成机理的探究过程中所存在的问题,提出了以下几个建议:

生成吡嗪类风味物质的前体物质-肽尤其是小分子量多肽具有不同的结构,这些结构的不同导致其在Maillard反应中具有不同的活性。可通过探究不同结构的多肽在Maillard反应模型中的含量来明确其活性,从而为Maillard反应机制的探究提供参考。

稳定同位素示踪技术在化学和分子生物学领域应用较广[43-44],但在食品风味领域,尤其在风味化合物形成机理的探究方面应用较少,如Lee等[45]利用碳水化合物模块标记技术(CAMOLA)和同位素标记的方法,通过分析被标记和未被标记的碳骨架探究含硫化合物的形成途径。因此,探究吡嗪类风味物质的形成机理,可以引入CAMOLA和稳定同位素示踪技术等对同位素进行监测,分析其形成途径。