L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸模型体系Maillard反应热学性质分析

侯亚龙

(花臣香精(昆山)有限公司,上海 200235)

L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸模型体系Maillard反应热学性质分析

侯亚龙

(花臣香精(昆山)有限公司,上海 200235)

采用热重分析、同步差热分析以及差示扫描量热分析等热分析方法,对L-阿拉伯糖、L-半胱氨酸以及阿拉伯糖/半胱氨酸模型体系非水相Maillard反应热学性质进行了详细的研究。同时,采用热质联用分析方法对阿拉伯糖/半胱氨酸体系挥发性产物形成的热学特性进行了分析。结果表明:(1)L-阿拉伯糖和L-半胱氨酸混合物的降解活化能大大低于它们各自的降解活化能; (2)L-阿拉伯糖/L-半胱氨酸体系早期Maillard反应是一个吸热过程,反应的进行对温度及特定温度条件下的加热时间有依赖性;(3)大多数Maillard反应挥发性风味物质是在第二失重阶段形成, H2S也只在第二失重段产生,说明半胱氨酸Strecker降解脱H2S需要较高的反应温度,含硫化合物的形成需要H2S的参与,因而它们的产生同样需要较高反应温度条件。

阿拉伯糖/半胱氨酸模型体系;热重分析;同步差热分析;热质联用;挥发性风味物质

人们利用Maillard反应产生期望的风味物质主要是在加热条件下进行的,然而自从人们开始研究Maillard反应至今,主要研究Maillard反应的动力学和挥发性产物,也有少数学者研究非挥发性产物,在Maillard反应热力学方面却几乎无人涉及。作者利用热重-同步差示热分析(TG-SDTA)、差示扫描量热仪(DSC)、热质联用仪(TG-DTA-MS)和微量热仪(MDSC)研究Maillard反应,探讨阿拉伯糖/半胱氨酸体系水相和非水相Maillard反应热力学分析在Maillard反应产物形成机理研究方面的可用性,为Maillard反应的理论研究选择新的研究手段、建立新的分析方法,进一步补充、证实和完善Maillard反应理论体系。

1 材料与方法

1.1 材料

L-阿拉伯糖:纯度>99%,美国Sanland公司产品;L-半胱氨酸,BR级,国药集团上海试剂有限公司产品;热重-同步差示热分析仪(TG-SDTA): 851e型,瑞士Mettler-Toledo公司产品;差示扫描量热仪(DSC):NETZSCH DSC 200 PC,德国Netzsch公司产品;热质联用仪(TG-DTA-MS)、同步热分析仪NETZSCH STA 449C:德国Netzsch公司产品;ThermostarTM四极质谱仪:瑞士Balzers公司产品。

1.2 方法

1.2.1 热重-同步差示热分析(TG-SDTA) 将待测粉末状阿拉伯糖或氨基酸样品取适量置于陶瓷坩埚中,放入热重-差热分析仪,在氮气气氛中进行分析,氮气流量50 mL/min。仪器升温速率为5℃/min,从25℃升至500℃。

1.2.2 差示扫描量热分析(DSC) 将待测粉末状阿拉伯糖样品取适量置于铝坩埚中,放入DSC分析仪,氮气流量15 mL/min,起始温度为45℃,按5℃/min升至500℃,结果见图1。

1.2.3 热质联用分析(TG-DTA-MS) 将等摩尔的阿拉伯糖和L-半胱氨酸混匀放入石英研钵,仔细研磨成均匀粉末。取适量放入陶瓷坩埚,盖上陶瓷盖放入热质联用仪。样品在氩气气氛中测定,氩气流量20 mL/min,仪器升温速率10℃/min,从30℃升至280℃。

图1 L-阿拉伯糖DSC分析图Fig.1 DSC profile of L-arabinose

热分析仪和四极质谱仪耦合接口使用石英毛细管。质谱测定采用多重离子检测(MID)模式。被监测离子的选择依据是,可能产生的挥发性组分的分子离子、基峰或特征碎片离子,并注意避免重复引起的干扰。质谱正离子信号用通道电子管CH-7RON记录。

2 结果与讨论

2.1 阿拉伯糖及阿拉伯糖/半胱氨酸模型体系的热力学特性

图2的TG曲线表明,L-阿拉伯糖的第一个失重阶段出现在161.1～263.8℃范围,失质量为20%;DSC曲线表明,在此温度范围内出现了一个大的吸热峰,峰温167.1℃,峰值-3.19 mW/mg,随后在194.2℃附近的小温度范围出现了一些小的吸热峰,峰值在-0.69 mW/mg左右,说明此时有一系列反应发生。263.8～500℃结束时样品失重60.5%,此段出现一个放热峰,峰温313℃,峰值0.42 mW/mg,说明此时样品的热反应已由吸热反应转变为放热反应。

值得注意的现象是,阿拉伯糖没有像核糖一样先出现熔融峰再失重,而是熔融的同时就开始失重,失重起始温度明显高于核糖,在相同分析时间内核糖的失质量(86%)也高于阿拉伯糖(80.5%);第一失重段结束后,核糖出现了大量的小吸热峰,而阿拉伯糖小峰的数量很少;核糖的放热峰出现在295.3℃,而阿拉伯糖313℃时才出现放热峰,比核糖出现的晚,说明阿拉伯糖的热降解所需活化能高于核糖。以上分析说明核糖和阿拉伯糖由于分子立体结构差异导致热力学特性出现明显差异。

图2 L-阿拉伯糖TG-SDTA分析Fig.2 TG-SDTA profile of L-arabinose

图3的DTA曲线显示L-半胱氨酸的熔融峰出现在185.2℃,吸热量不大,最大吸热峰出现在230.4℃;TG曲线显示,L-半胱氨酸在198.4～241.7℃范围明显失重,质量损失达74%,而最大吸热峰在此温度区间出现,峰值为1.58μV/mg,说明L-半胱氨酸降解需大量吸热;DTG曲线显示, 224.8℃时L-半胱氨酸最大损失速率达到48.07%/min,表明L-半胱氨酸的降解速度非常快,降解形成大量的挥发性化合物。

对比图4和图2不难看出,阿拉伯糖与半胱氨酸混合样品,失重起始温度大大降低,117.7～179.9℃为第一失重段,失质量为2 5%,并在143.7℃出现最大吸热峰。阿拉伯糖在30～280℃范围共失重24.5%,而经与半胱氨酸混合后的样品失重却高达56.6%,说明糖与氨基酸混合后不仅降低了降解所需的活化能而且大大增加了挥发物的产量,这与核糖/半胱氨酸混合物的实验结果一致。图4的DTG曲线分析结果显示在139.7℃出现第一失重峰,峰值为7.44%/min,第二失重峰出现在220.7℃,峰值13.78%/min,说明第二失重段产生挥发性化合物的速度大大高于第一失重段。第二失重段过后的失重速度基本稳定在1.6%/min。从图4的DTG曲线情况看,Maillard反应中后期,阿拉伯糖/半胱氨酸混合物产生挥发性化合物的速度非常高。

曾有文献报道利用裂解气相色谱/二级质谱联用研究模型体系的Maillard反应[1],对裂解产生的挥发性产物进行了分析研究,但未有Maillard反应热力学特征同产物分析相结合的研究报道。

热力学分析检测的过程相当于程序升温裂解的过程,Yaylayan和Keyhani[2]的研究表明裂解条件下的Maillard反应途径类似于水相体系的。基于此,通过热质联用分析Maillard反应产物生成的热力学特征,并推测水相体系Maillard反应的热力学特性。

图3 半胱氨酸TG-DTA-DTG分析图Fig.3 TG-DTA-DTG profile of L-cysteine

图4 L-阿拉伯糖/半胱氨酸体系TG-DTA-DTG分析Fig.4 TG-DTA-DTG profile of L-arabinose/L-cysteine system

利用热质联用仪分析挥发性产物,首先要选择具有代表性的特征产物。Amadori化合物形成过程及降解过程会产生H2O;半胱氨酸的Strecker降解会产生H2S、CO2、NH3等;糖的降解会形成小分子化合物,如乙酸、2,3-丁二酮、羟基丙酮、3-甲基-2-丁酮(及其同分异构体2-戊酮)等;戊糖降解的特征产物糠醛;戊糖/半胱氨酸模型体系的特征性产物3-巯基-2-戊酮、1-甲硫基-2-丁酮、2-甲基-3-呋喃硫醇及其二聚物双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚等[3];低水分活度高温Maillard反应的特征化合物烷基吡嗪、吡啶、烷基噻唑等。

根据以上化合物的标准质谱图选择相应的分子离子峰及特征离子碎片,在进行热力学分析的同时监测这些离子的产生情况,从而推测Maillard反应进程及产物形成条件。

作者选择进行监测的特征离子及其对应的化合物见表1。可以看出许多带有乙酰基的化合物都有m/z=43的离子碎片,因此m/z=43的离子流丰度可能是多个化合物离子流丰度的叠加,该离子只具参考价值,需根据其它离子来共同确定反应产生的化合物;糠醛的特征离子m/z=95和m/z=96的丰度比值为1∶1,因此糠醛的鉴定很容易。吡啶的分子离子为m/z=79,而吡啶衍生物也具有该离子碎片,因此该离子可作为吡啶类化合物出现的依据;m/z=122和m/z=127的情况类似于m/z= 79,仅根据它们不能鉴别特定化合物,但可作为某些化合物产生的参考依据。2-甲基-3-呋喃硫醇的特征离子m/z为113、114丰度比为1∶4.2,双(2-甲基-3-呋喃基)二硫醚的特征离子m/z=113、226丰度比为1∶0.67,当检测到的离子流中同时存在m/z为113、114、226时,认为体系中可能产生了前述两种化合物,若只存在其中的两个离子则可根据丰度比来鉴别化合物。m/z为44为CO2的分子离子;H2S的分子离子为m/z为34;H2O的特征离子为m/z为17、18,二者的丰度比1∶4.7;NH3的分子离子为m/z17。

表1 热质联用过程中监测的特征离子Tab.1 Characteristic ion detected in the process of TG-DTA-MS

2.2 阿拉伯糖/半胱氨酸体系挥发性化合物热力学特性的热质联用分析

图5～图8的阿拉伯糖/半胱氨酸模型体系离子流图表明,该体系在143℃时出峰的离子有m/z为17和18,二者丰度比为1∶3.9,m/z为17的比例高于在纯水中H2O的相应丰度比1∶4.7,与核糖/半胱氨酸体系一样,此时m/z为17来自于H2O和少量N H3,但阿拉伯糖的氨与水的比例似乎比核糖高;根据图4的DTA曲线可知,143.7℃有一个大的吸热峰,并且TG曲线表明体系失重起始于117℃,而m/z为17和18的出峰起始温度也在117.7℃,说明开始体系失重是由反应物脱水造成的。随后m/z为95和96在124℃开始出峰,并在147℃达到最大值,m/z为95、96丰度比为1∶1,这说明体系在124℃开始产生糠醛,并且糠醛的产量在147℃时达到最大值,在220℃糠醛再次出峰,但峰强度大大小于147℃的,说明糠醛的形成分两个阶段,第一阶段产量大大高于第二阶段,这与水相体系糠醛的形成规律基本一致。

从产物生成的顺序来看,体系第一阶段失重主要是由于脱水和乙酰基化合物、糠醛的产生造成的,然后有少量脱氨、脱羧形成的NH3、CO2,大部分挥发性风味物质是在第二失重阶段形成,产物生成量最大的温区为223℃附近,图4的DTA曲线显示224.7℃有一个吸热峰出现,说明这些挥发性化合物的形成是吸热反应,因此要形成这些化合物必须要达到一定的温度,这也解释了为什么反应型香精的生产都要在较高温度条件下进行。

图5 热质联用L-阿拉伯糖/半胱氨酸体系挥发性产物离子流图(Ⅰ)Fig.5 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

图6 热质联用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反应产物离子流图(Ⅱ)Fig.6 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

图7 热质联用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反应产物离子流图(Ⅲ)Fig.7 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

图8 热质联用L-阿拉伯糖/半胱氨酸反应产物离子流图(Ⅳ)Fig.8 Ion current chromatograms of the formed volatiles of arabinose/cysteine sample

3 结 论

从阿拉伯糖/半胱氨酸体系中典型挥发性产物糠醛的形成规律发现,采用热质联用法研究Maillard反应可以为水相体系Maillard反应热力学性质的研究提供参考。

阿拉伯糖、半胱氨酸及阿拉伯糖/半胱氨酸体系的热分析图谱比较发现,阿拉伯糖与半胱氨酸混合物的降解温度明显低于阿拉伯糖、半胱氨酸各自的降解温度,说明阿拉伯糖与半胱氨酸结合形成Amadori化合物后降解活化能大大低于阿拉伯糖及半胱氨酸单独的降解活化能。

阿拉伯糖/半胱氨酸体系的DTA曲线表明,早期Maillard反应是一个吸热过程,反应的发生需要吸收一定的热量,因此反应必定对温度或特定温度条件下的加热时间有依赖性,这符合以往Maillard反应研究者在研究反应产物的基础上提出的Maillard反应对温度、加热时间具依赖性的结论。因此欲控制Maillard反应的进行可通过控制适当的温度条件来达到目的。

阿拉伯糖/半胱氨酸体系离子流图表明,各体系第一阶段失重主要是由于Amadori化合物形成时脱水造成的,还有少部分失重是由于Amadori化合物降解形成了乙酰基化合物、糠醛以及脱氨、脱羧形成了NH3、CO2等化合物;大部分Maillard反应挥发性风味物质是在第二失重阶段形成,H2S也只在第二失重段出现,说明半胱氨酸Strecker降解脱H2S需要较高的反应温度,体系中含硫化合物由于需要H2S的参与才能形成,因此体系中含硫化合物的形成对温度有依赖性。

[1]Andrzej Wnorowski.Applications of Py-GC/MS to the study of Maillard reaction:mechanistic and food quality aspects [D].Montreal:McGill University,2003.

[2]Yaylayan V A,Keyhani A.The Origin of 2,3-pentanedione and 2,3-butanedione in D-glucose/L-alanine Maillard Model System[J].J Agric Food Chem,1999,47,3280-3284.

[3]侯亚龙,陈正行,罗昌荣,等.戊糖的立体异构性对戊糖/半胱氨酸反应体系风味物质形成的影响[J].食品与生物技术学报,2006,25(6):63-69.

HOU Ya-long,CHEN Zheng-xing,LUO Chang-rong,et al.Effect of pentose stereo-isomerization on the formation of volatiles in the reaction system of pentose/cysteine[J].Journal of food science and biotechnology,2006,25(6):63-69.

(责任编辑:朱明)

Thermal Properties of Maillard Reaction on L-Arabinose/L-Cysteine Model System

HOU Ya-long
(Frutarom Flavors(Kun Shan)Co.,Ltd.,Shanghai 200235,China)

The thermal properties of D-ribose,L-cysteine and Maillard reaction of non-aqueous phase ribose/cysteine model system were detailed investigated through thermal analysis methods such as thermal gravity,simultaneous differential thermal analysis and differential scanning calorimetry.The thermal behavior of the formation of volatiles in the reaction of ribose/cysteine was alsostudied by thermalgravity-massspectrometry.Itshowed thatthedegradation temperature of L-arabinose and cysteine,respectively,were higher than that of their mixed counterparts.The earlier reaction of L-arabinose/cysteine was an endothermonic process and it must be depend on the reaction temperature and reaction duration under specific temperature. Most of volatile compounds produced in the second phase of weight loss and hydrogen sulfide also occurred in this period.It shown that Strecker degradation of cysteine into hydrogen sulfide required more higher reaction temperature.Furthermore,sulfurous compounds could generate as a result of the formation of hydrogen sulfide.Hence,the formation of sulfurous compounds hadstrong temperature dependence.

arabinose/cysteine model system,thermal gravity analysis,simultaneous differential thermal analysis,thermal gravity-mass spectrometry,volatile compounds

TS 264.3

:A

1673-1689(2010)01-0071-06

2009-03-10

上海市引进技术的吸收和创新项目(04-202)。

侯亚龙(1971-),女,四川绵阳人,工学博士,高级工程师,主要从事新型香精香料产品研发和香精香料缓释研究。Email:helen.frutarom@gmail.com