美拉德反应产物抗氧化性能研究进展_王延平

食品与发酵工业　　FoodandFermentationIdustries　　Vol.24　No.170

美拉德反应产物抗氧化性能研究进展

⒇

王延平　　赵谋明　　彭志英　　　　　　　　马志玲　　　　　

(华南理工大学生物科学与工程研究中心,广州,5101)　(河北科技大学环境工程系,石家庄,050018)摘　要　本文综述了美拉德反应产物的制备以及其抗氧化性能的研究进展,并对其抗氧化作用的机理进行了讨论。

关键词　美拉德反应产物　抗氧化性能　类黑精　挥发性杂环化合物

　　氨基化合物(氨基酸,肽和蛋白质)和羰基化合物(糖类)间发生的美拉德反应(Mail-lardreaction)是食品加工和储藏过程中很重

要的反应,是引起食品、果汁类非酶褐变(nonenzymaticbrowning)的主要因素之一。从营养学角度考虑,由于反应使食品中的有效成分如氨基酸类和糖类有所损失以及引起食品的褐变等,使食品的营养价值部分降低。但是,美拉德反应是加工食品色泽(如焙烤类食品的色泽)和浓郁芳香的各种风味(特别是肉类香气的产生)的主要来源,这在食品生产上具有特殊的意义。美拉德反应产物(Maillardreactionproducts,MRPs)中含有类黑精(melanoidins),还原酮类(reductones)及一系列含N、S的挥发性杂环化合物(volatileheterocycliccompounds),研究表明这类物质具有一定的抗氧化性能,如能够防止植物油的氧化[1],在人造奶油中添加甘氨酸-葡萄糖反应产物可提高其氧化稳定性等。80年代以来,关于美拉德反应产物的抗氧化性能方面的研究在国外是非常热门的课题。因为研究表明食品工业上广泛应用的抗氧化剂BHT、BHA等可能具有致癌性,许多国家已禁止使用。MRPs是食品加工和储藏过程中自身产生的一类物质,可以认为是天然的,这在寻找和应用天然抗氧化剂的当今食品工业中是非常重要的。

[3]

[2]

羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间的美拉德反应主要以下列3个阶段进行:(1)起始阶段:醛糖与氨基化合物进行缩合反应形成席夫硷(Schiffbase),再经环化形成相应的N-取代醛糖基胺,经Amadori重排形成Amadori化合物(1-氨基-1-脱氧-2-酮糖)。(2)中间阶段:Amadori化合物在中间阶段进行的反应,主要有三条路线:一是在酸性条件下进行1,2-烯醇化反应生成羟基甲基呋喃醛或呋喃醛;二是碱性条件下进行的2,3-烯醇化反应,产生还原酮类及脱氢还原酮类;三是继续进行裂解反应形成含羰基或双羰基化合物以进行最后阶段反应,或与氨基进行Strecker分解反应产生Strecker醛类。(3)最终阶段:此阶段反应相当复杂其反应机制尚不清楚,中间阶段产物与氨基化合物进行醛基-氨基反应最终生成类黑精。美拉德反应产物除终产物类黑精外,还有一系列美拉德反应的中间体——还原酮及挥发性杂环化合物。

[4]

2　美拉德反应产物的制备

采用美拉德模式体系(Maillardmodelsystem)通过控制一定的反应条件,制备美拉德反应产物以进行抗氧化性能的研究。

Tan等[5]将氨基酸(如L-精氨酸、L-组氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、L-赖氨

1　美拉德反应的历程

⒇收稿时间:1997-05-08,改回时间:1997-11-03第24卷　第1期　　王延平等:美拉德反应产物抗氧化性能研究进展

71

酸和L-缬氨酸)和D-葡萄糖分别配成1.5mol/L的水溶液,等体积混合并分别调节不同的pH值,在90℃加热2～

7h制备

MRPs。反应时间较长的MRPs表现出较强的对苹果多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)的抑制作用,同时,在高pH值下得到的MRPs的抑制效果要高于在较低pH值下的MRPs。Eiserich等溶解0.05molL-半胱氨酸和0.05molD-葡萄糖于30ml去离子水中,用6NHCl或6NNaOH调节不同的pH值(2,5,7,9),最后用去离子水定容50ml,然后在700W微波炉照射15min,且每间隔4min转动90度以使照射均匀。反应产物分别溶于100ml去离子水并调节pH值为8,以用于MRPs中挥发性抗氧化物质的研究。Bedinghaus等[8]将0.2mol还原糖和0.2mol氨基酸溶解在100ml二次水中,在100℃加热回流20h,反应产物保存在2～4℃条件下,以应用于MRPs在肉排中抗氧化性能的研究。Yen等[9,10]将0.1mol的糖(如D-木糖)和0.2mol氨基酸(如L-赖氨酸单盐酸盐)溶解在100ml0.1mol/L的磷酸钾缓冲液中(pH=9),在油浴上100℃加热回流1～5h。反应产物应用于MRPs抗诱变、抗氧化及清除活性氧等方面的研究。Smith等

[11]

[6,7]

下进行时,两性的氨基酸此时呈阴离子状态而有利于氨基反应。

3　美拉德反应产物的抗氧化作用

近年来研究表明,MRPs具有一定的抗氧化能力,Bedinghaus和Ockerman制备了不同氨基酸与糖类的MRPs,并研究了其对于冷藏的加工牛排脂类氧化的抑制作用,结果表明,不同来源的MRPs具有很好的抑制脂类氧化作用,并指出大多数脂类氧化发生在冷藏的前5d。木糖-赖氨酸、木糖-色氨酸、二羟基丙酮-组氨酸和二羟基丙酮-色氨酸的MRPs对脂类氧化具有较好的抑制作用,说明MRPs的抗氧化性能与其反应物的性质有关。Smith等[11]研究了水解蛋清产物-葡萄糖的MRPs对烹饪牛排在冷藏过程中的抗氧化作用,表明0.5%或1.0%的MRPs对4℃下冷藏的牛排在4～8d内有很好的抑制脂类氧化作用,另一方面,在香肠中添加由组氨酸-葡萄糖或酶水解血蛋白产物-葡萄糖反应的MRPs可以大大提高香肠在冷冻过程的氧化稳定性,也可抑制烹饪牛排的氧化酸败。木糖、葡萄糖、果糖与氨基酸的MRPs也能很好的抑制亚油酸的氧化[10]。

Yen等

[9,10,12,13]

[8]

以蛋清水解物为氨基化合物来源与一

定量葡萄糖,在pH9.0下于121℃一个大气压下反应1h,反应产物应用于肉排抗氧化方面研究。

总之,美拉德反应是十分复杂的化学过程,反应历程、反应产物的性质及结构不仅受到氨基酸及糖种类、性质的重要影响,而且还与反应时的水分、pH值、反应的温度和时间等有关。美拉德反应中温度是一个非常重要的因素,随反应温度的升高,美拉德反应的速度大为加快,同时,温度较高时,可产生许多香味物质。从制备MRPs时严格控制反应溶液体积可以看出水分控制的重要性。pH值也是一个重要因素,美拉德反应一般随pH的升高而加剧,可能是在碱性条件通过制备木糖(xylose)

-赖氨酸MRPs系统研究了其抗氧化及清除活性氧的性能。随着制备反应时间的增长,产物的抗氧化能力显著增加,而产物经脱色处理,MRPs抗氧化能力则显著下降,这可能与类黑精的量或聚合度有关。Lingnert等

[14]

指出,MRPs抗氧化性能与其颜色成正

比,并且在pH7～9之间最佳。Yamaguchi等[15]将由木糖-甘氨酸的MRPs经SephadexG-15分离出低分子量的类黑精,再进一步用SephadexG-50、SephadexG-100分离,其中一部分类黑精的抗氧化能力在亚油酸中超过BHA、没食子酸丙酯等。Hayase认为MRPs抗氧化性能可能是由[16]

72

食品与发酵工业　　FoodandFermentationIdustries　　Vol.24　No.1

于美拉德反应的终产物-类黑精具有很强的

消除活性氧的能力。Tan等[5]通过研究MRPs对PPO强的抑制作用指出,可能是MRPs中类黑精结构中的还原酮部分具有还原和螯合特性,通过还原PPO中的Cu而阻止褐变;或是类黑精可阻止氧与PPO接触而起到抑制作用。另一方面,木糖-赖氨酸的MRPs的还原能力随制备过程中加热时间增长而下降,与抗氧化能力表现出相反的结果,可能是加热过程中还原性物质的分解所至,这也表明MRPs的抗氧化能力不仅仅取决于其还原能力而与其它因素如供氢能力、螯合金属离子、钝化自由基或消除活性氧有关。

Eiserich和Shibamoto详细研究了MRPs中挥发性杂环化合物的抗氧化性能,这类化合物主要是噻吩(thiophene),噻唑(thiazole),唑(oxazole),呋喃(furane),和吡嗪(pyrazine)等含S、N的杂环化合物。通过二氯甲烷介质中抑制庚醛氧化为庚酸对各种MRPs抗氧化性能进行评价。噻吩抑制庚醛被氧化为庚酸的能力较差,但如果噻吩C2被烷基(如甲基-,乙基-或丁基-)取代后可大大增强其抗氧化能力,烷基碳链的长度对其抗氧化能力没有影响,其原因可能是烷基为有效的供电子基,取代使杂芳环碳原子上的π电子密度增加;如果噻吩分子中C2被吸电子基——乙酰基取代,使噻吩的抗氧化能力降低。对于噻唑类化合物如4,5-二甲基噻唑和2,4,5-三甲基噻唑具有相同的抗氧化能力,说明噻唑杂环C2甲基取代对其抗氧化性能基本没有影响,只是增加其浓度时可延长抗氧化时间;物(如4,5-二甲基

唑类取代的化合唑和2,4,5-三甲基

[6,7]

两个氮原子从四个碳原子上拉π电子以补充其不足,而唑,噻唑,呋喃电子分布在五个原子上,使碳原子上电子过剩。五元杂环化合物碳原子上π电子密度有助于自由基的亲电加成,即表现出较强的抗氧化性能;而缺少π电子的吡嗪不能进行亲电加成,可解释吡嗪无抗氧化能力。

(1)呋喃　(2)唑　(3)噻吩　(4)吡嗪图1　五元和六元杂环化合物上π电子密度

另一类硫醇类杂环化合物如2-甲基-3-呋喃硫醇,2-噻吩硫醇和糖醛硫醇是烹饪肉类制品芳香风味的重要来源,并能增加各种烹饪食品的氧化稳定性。应用这类化合物抑制富脂类食品的氧化作用在食品工业上是很有意义的课题[18]。芳香硫醇化合物的抗氧化机理有几个模型:亲核的硫醇基团作为一个一电子还原剂消除过氧和烷氧自由基;还可以通过二电子还原作用分解氢过氧化物而形成硫化物;五元杂芳环可消除活性自由基,直接连接的硫醇基团对芳环强的抗氧化能力非常重要。Taylor等[19]认为通过加热处理牛奶而增加其氧化稳定性,这直接与增加“活性”-SH的含量有关。Murphy[20]也认为,硫醇类化合物如半胱氨酸和谷氨甘肽是自由基的清除者并且在生物体内作为抗氧化剂。

美拉德反应产物中具有抗氧化性能的挥发性化合物存在于很多食品中,如噻吩和唑类化合物存在于焙烤类食品、饮料(咖啡、可可、花生)及肉制品[21,22]

唑)较没有被取代的具有更强的抗氧化能力;烷基吡嗪没有抗氧化性。

在这类五元和六元杂环化合物中,六个π电子非定域分布于环上,由于杂原子的存在,使π电子密度分配不均。图中表明唑,噻唑,呋喃和吡嗪的π电子密度[17]。吡嗪中,其含量与加工方第24卷　第1期　　李璇等:脂肪与心血管疾病相互关系的最新进展及对食品工业的指导意义73

式有关。微波加热美拉德反应产物的唑、噻

[23～25]

唑类物质含量较普通加热方式要高。单一的挥发性物质的抗氧化能力要低于a-生育酚或BHA,但它们之间的联合效果可与一些已知的抗氧化剂相媲美。

4　结束语

美拉德反应产物的抗氧化性能是近年来国外食品营养学、食品化学领域研究的新课题,早期研究认为MRPs的抗氧化性能与类黑精及美拉德反应中间产物还原酮等有关。近年来研究表明MRPs中的挥发性杂环化合物在其抗氧化性能方面有重要作用,但对于MRPs的抗氧化机理目前仍不十分清楚,仍需进一步研究。

参　考　文　献

1　HodgeJEandRistCE.J.Am.Chem.

:316Soc.,1953,75

2　FranzkeCandIwainskyH.Dtsch.Lebensm.Rundsch.,1954,50:251

3　FrankelEN.J.Sci.FoodAgric.,1991,54:495

4　O’BrienJ,MorrisseyPA.CriticalRe-viewsinFoodScienceandNutrition,19,28(3):211

5　TanBKandHarrisNO.FoodChem.,1995,53:267

6　EiserichJPandShinamotoT.J.Agric.FoodChem.,1994,42:1060

7　EiserichJP,MackuCandShibamotoT.J.Agric.FoodChem.,1992,40:1982

8　BedinghausAJandOckermanHW.J.FoodSci.,1995,60:992

9　YenGCandHsiehPP.J.Sci.FoodA-:425gric.,1995,67

10　YenGC,TsaiLCandLiiJD.Food.

:127Chem.Toxic.,1992,30

11　SmithJSandAlfawazM.J.FoodSci.,1995,60:234

12　YenGCandLiiJD.J.Agric.Food

:1034Chem.,1992,40

13　YenGC,ChauCFandLiiJD.J.Agric.

:771FoodChem.,1993,41

14　LingnertHandErikssonCE.J.Food

:161Proc.Preserv.,1980,4

15　YamaguchiN,KoyamaYandFujimaki

:429M.Prog.FoodNutr.Sci.,1981,5

16　HayaseF,HirashimaS,OkamotoGetal.

:3383Agric.Biol.Chem.,19,53

17　MahantiMK.IndianJ.Chem.,1977,15B:168

18　MacLeodGandAmesJM.Chem.Ind.,1986,175

19　TaylorMJandRichardsonT.J.DairySci.,1980,63:1783

20　MurphyME,ScholichHandSiesH.Eur.J.Biochem.,1992,210:139

21　MagaJA.J.Agric.FoodChem.,1978,26:1049

22　LeeM-H,HoC-T,ChangSS.J.Agric.FoodChem.,1981,29:684

23　YeoHCH,ShibamotoT.TrendsFoodSci.&Technol.,1991,2(12):329

24　YeoHCH,ShibamotoT.J.Agric.FoodChem.,1991,39:370

25　YeoHCH,ShibamotoT.J.Agric.FoodChem.,1991,39:948

ProgressofStudiesonAntioxidativeActivityof

MaillardReactionProducts

WangYanping　　ZhaoMouming　　PengZhiying

(TheResearchCenterofBiologicalScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,

Guangzhou,5101)

MaZhiling

(Dept.ofEnvironmentEng.,HebeiUniversityofScience&Technology,Shijiazhuang,050018)

ABSTRACT　ThepreparationofMaillardreactionproducts(MRPs),theantioxidativeactiv-ityofMRPsweresummarizedandthemechanismsofantioxidativeactionofMRPsweredis-cussed.Keyword　Maillardreactionproducts,antioxidativeactivity,melanoidins,volatilehetero-cycliccompounds