手性对阿拉伯糖／半胱氨酸模型体系挥发性产物形成的影响

罗昌荣侯亚龙陈正行

（1.上海烟草集团上海牡丹香精香料有限公司，上海 201210；2.花臣香精（昆山）有限公司，上海 200235；3.江南大学粮食发酵工艺及技术国家工程实验室，江苏 无锡 214122）

手性对阿拉伯糖／半胱氨酸模型体系挥发性产物形成的影响

罗昌荣1侯亚龙2陈正行3

（1.上海烟草集团上海牡丹香精香料有限公司，上海 201210；2.花臣香精（昆山）有限公司，上海 200235；3.江南大学粮食发酵工艺及技术国家工程实验室，江苏 无锡 214122）

采用HS－SPME－GC／MS分析，研究戊糖／半胱氨酸模型体系挥发性产物的形成规律。结果表明，阿拉伯糖的手性构型差异决定其反应活性；反应120 min内，D－阿拉伯糖体系更易产生阈值较低的硫醇和硫醚类风味化合物，L－阿拉伯糖则形成了更多阈值较高的醇、酚和烷烃类化合物；反应180 min后，D－和L－阿拉伯糖两反应体系中各主要挥发性产物的含量趋向一致。

阿拉伯糖／半胱氨酸模型体系；手性；固相微萃取耦合气质联用；挥发性风味物质

Maillard反应是食品科学研究领域最受关注的反应之一，对其研究主要集中在对模型体系中反应机理的阐释上。由于食品基质的复杂性、反应途径影响因素的多样性及反应活性中间体提取的困难性，使得研究真实食品体系中的Maillard反应变得十分困难。因而Maillard反应多基于模型体系进行研究。即将单一的氨基酸与糖或其碎片物质混和，在不同的热反应条件下研究反应机理。看似简单的模型体系可为阐明反应机理提供大量的Maillard反应挥发性产物。自从1953年Hodge［1］首次利用模型体系研究Maillard反应并提出了著名的Hodge反应路线图以后，模型体系成为广受研究者喜爱和应用的研究方法。Parliament等［2］总结了使用模型体系的优点：① 简单体系产生的挥发性产物比加热的食品中产生的挥发性产物在种类上要少很多；② 由于特定产物的量更大就更容易分离和鉴别；③ 如果反应物已知并且种类有限就更有可能推测其反应途径；④ 可以模拟加热食物中或生物体系内的Maillard反应从而进行监测，而其它方法无法做到。

在研究各种模型体系的挥发性产物时首先要对样品进行适当的处理，对提取和浓缩挥发、半挥发性化合物选择适当的分析手段。目前国内外最常用的分离和提取不同体系中的挥发或半挥发性产物的方法主要包括溶剂萃取法［3］、静态顶空法［4］、吹扫捕集法［5，6］、固相微萃取法以及同时蒸馏萃取法［6－8］等。顶空固相微萃取（HS－SPME）采样技术虽然1993年才出现，但已经成为分析食品挥发、半挥发性风味成分的最有发展前景的技术［9－12］，是一种快速、简便、有效、不使样品组分发生变化的分离技术，近年来深受研究者的喜爱，许多研究者［13－15］开始使用顶空固相微萃取法分析 Maillard反应产物。本试验采用HS－SPME－GC－MS法分析各模型体系的挥发、半挥发性产物。手性分子是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子，手性物质在熔点等物理性质上有差异，一些手性化合物其不同的构型具有不同的香气特征，不同的手性药物在生理活性或药效方面具有非常显著的差别。而手性物质对Miallard反应的反应活性影响尚未见报道。

本试验通过建立阿拉伯糖／半胱氨酸模型体系，通过比较D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖与半胱氨酸反应产物的差异，研究阿拉伯糖的手性构型差异对挥发性产物形成规律的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

D－阿拉伯糖：纯度＞99%，美国Sigma公司；

L－半胱氨酸：BR级，国药集团上海试剂有限公司；

L－阿拉伯糖：纯度＞99%，美国Sanland公司；

氯化钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠：均为AR级，国药集团上海试剂有限公司。

磁力搅拌器：C－MAG HS 4，德国IKA公司；

分析天平：AL204型，瑞士Mettler Toledo公司；

p H计：DELTA 320，瑞士Mettler Toledo公司；

控温油浴：HE－4，德国Julabo公司；

气相色谱仪／质谱仪：Finnigan GC2000／Finnigan Trace MS，美国Finnigan公司；

纤维萃取头：75μm CAR／PDMS，美国Supelco公司；

耐压反应管：中国科学院有机化学所定制。

1.2 方法

1.2.1 反应液的制备 称取D－阿拉伯糖和L－阿拉伯糖，分别与L－半胱氨酸等摩尔溶于0.2 mol／L的p H 5磷酸盐缓冲溶液中形成浓度为0.2 mol／L的溶液，分别将这两种溶液装入5个具螺旋口的耐压反应管中，拧紧螺旋盖。在精度为±0.02℃ 油浴中120 ℃分别反应20，40，60，120，180 min后，立即取出反应管，迅速放入冰水浴冷却至室温以下，冷却后的反应样品放入4℃冰箱备用。

1.2.2 顶空固相微萃取（HS－SPME） 分别移取8 m L 1.2.1反应液加入15 m L顶空瓶，用氯化钠饱和，放入磁力搅拌子，封好顶空瓶盖后，置于恒温磁力搅拌器上40℃恒温，待瓶内溶液温度稳定后，插入萃取头，恒温吸附挥发性风味物质40 min。萃取完成后将萃取头插入气相色谱仪进样口，250℃解吸4 min。

1.2.3 气相色谱－质谱联用法

（1）色谱条件：DB－5（60 m×0.32 mm×0.25μm）毛细管柱，进样口温度250℃，载气为氦气（纯度99.999%），氦气流速1.2 m L／min，分流比10∶1，升温程序为40℃保持2 min，然后以3℃／min升至200℃，接着以5℃／min升至250℃，在250℃保持5 min。

（2）质谱条件：质谱电离方式为EI，电子能量70 e V，灯丝发射电流20μA，离子肼温度200℃，传输线温度250℃。全扫描，m／z33～495。

（3）数据处理：数据处理由Xcalibur软件系统完成，未知化合物采用计算机及手动两种方式相结合进行检索，正反匹配度均大于800的结果给予采用。

2 结果与讨论

2.1 阿拉伯糖的手性结构对Maillard反应挥发性产物影响

图1 0.2 M的D－阿拉伯糖模型体系不同反应时间挥发性产物总离子流图Figure 1 Total ion chromatogram of volatiles formed from 0.2 M D－arabinose model system during aging

比较图1和图2可知，D－阿拉伯糖和L－阿拉伯糖体系在反应中前期（20～120 min）的挥发性产物有较为明显的差异，挥发性产物的出峰位置、出峰物质的个数及各出峰物质的峰高均有较明显差别，但这种差别随反应时间的延长是逐渐减小的；而180 min的挥发性产物，无论是挥发性产物的出峰位置、出峰物质个数还是出峰物质的峰高均无明显差异。对各时间段内挥发性产物总峰面积作图（图3），比较发现，D－阿拉伯糖体系挥发物总量的变化趋势明显不同于L－阿拉伯糖体系的。D－阿拉伯糖体系在40～60 min内挥发性产物量增加不大，而其它时间段变化较为明显；而L－阿拉伯糖在20～60 min挥发性产物量增加较大，60～120 min内增幅却不大。二者在反应初期（20 min内）和后期（120～180 min）的挥发物总峰面积相差不多。说明反应20～120 min，二者的反应性存在差别，经过180 min反应后二者对挥发物总量的贡献度一致。

图2 0.2 M的L－阿拉伯糖模型体系不同反应时间挥发性产物总离子流图Figure 2 Total ion chromatogram of volatiles formed from 0.2 M L－arabinose model system during aging

图3 不同反应时间D－、L－阿拉伯糖挥发物总峰面积比较Figure 3 Comparison of total peak areas of volatiles produced in the D－，L－arabinose model systems during aging

2.2 D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖反应20 min挥发性产物比较

对比表1、表2可知，反应20 min后，L－阿拉伯糖体系的挥发性产物种类比D－阿拉伯糖体系的略多，从挥发物总峰面积来看二者基本没有差别；从产物的相对百分含量来看，在排序靠前的化合物中，D－阿拉伯糖体系的2－甲基－3－呋喃硫醇和双（2－甲基－3－呋喃基）二硫醚的百分含量很高，分别占挥发物总量的第一和第三位，而L－阿拉伯糖体系中这两种化合物的百分含量分别占第三和第一位；D－阿拉伯糖体系中柠檬烯的百分含量排第二，而其在L－阿拉伯糖体系中的百分含量排在第9位；从烷烃类化合物在两种体系的百分含量来看，L－阿拉伯糖体系中的烷烃比例明显高于D－阿拉伯糖体系中的；D－阿拉伯糖体系中糠醛、糠硫醇、3－巯基－2－戊酮的总峰面积及百分含量均高于L－阿拉伯糖体系的，L－阿拉伯糖体系中2，4－二叔丁基酚、丁基羟基甲苯、薄荷醇、2－己基己醇等醇类化合物的量均高于D－阿拉伯糖体系的，由于硫醇类风味化合物的阈值低，而醇、酚类化合物的阈值高，使得短反应时间内D－阿拉伯糖对产物的风味贡献度明显强于L－阿拉伯糖。

2.3 D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖反应40 min挥发性产物比较

40 min挥发性产物比较发现，D－阿拉伯糖体系的双（2－甲基－3－呋喃基）二硫醚和2－甲基－3－呋喃硫醇的百分含量为17.33%和17.22%，L－阿拉伯糖体系的为13.47%和10.06%，两种化合物在两种体系中的百分含量均比20 min的上升较多，并且成为排名1、2的化合物。在D－阿拉伯糖体系中排名前十的其它化合物依序为柠檬烯、糠醛、糠硫醇、2，4－二叔丁基酚、3－巯基－2－戊酮、2－甲基呋喃、薄荷醇、双（2－糠基）二硫醚；L－阿拉伯糖体系中的为柠檬烯、2，4－二叔丁基酚、糠醛、糠硫醇、丁基羟基甲苯、双（2－糠基）二硫醚、十八烷、薄荷醇。从排名顺序及百分含量来看，L－阿拉伯糖体系中的醇类及烷烃类化合物比D－阿拉伯糖体系的高，而硫醇、硫醚的含量较低。

2.4 D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖反应60 min挥发性产物比较

由表1可以看出，两种体系的60 min产物中硫醇、硫醚类化合物的百分含量继续上升，D－阿拉伯糖体系中排名前十的化合物依序为双（2－甲基－3－呋喃基）二硫醚、2－甲基－3－呋喃硫醇、糠硫醇、糠醛、3－巯基－2－戊酮、2，4－二叔丁基酚、2－甲基－3－呋喃基2－氧－3－戊基二硫醚、双（2－糠基）二硫醚、2－甲基噻吩、薄荷醇；L－阿拉伯糖体系的为双（2－甲基－3－呋喃基）二硫醚、柠檬烯、2－甲基－3－呋喃硫醇、糠硫醇、糠醛、2，4－二叔丁基酚、3－巯基－2－戊酮、柠檬醛、双（2－糠基）二硫醚、十六烷。从这个比较可以发现D－阿拉伯糖体系产物中少数几种肉类特征风味化合物含量很高，导致产物整体风味带有强烈肉香的同时也有较强的硫味，而L－阿拉伯糖体系产物中2－甲基－3－呋喃硫醇及其二硫醚的含量比D－阿拉伯糖体系的低了很多，且总挥发物量较大，有柠檬烯、柠檬醛、酚类等化合物冲淡了硫味，使得产物的整体风味较D－阿拉伯糖的柔和。

2.5 D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖反应120 min挥发性产物比较

反应120 min后，D－阿拉伯糖与L－阿拉伯糖模型体系产物中排名1、2的化合物，2－甲基－3－呋喃硫醇、双（2－甲基－3－呋喃基）二硫醚在D－阿拉伯糖体系中的百分含量为12.95%和11.57%，二 者 在 L－阿 拉 伯 糖 体 系 中 的 为14.56%和15.31%，首次超过D－阿拉伯糖体系的。其它排序在前的化合物，如2－甲基呋喃、糠硫醇、双（2－糠基）二硫醚等化合物的百分含量也首次超过D－阿拉伯糖体系。观察这些化合物随反应时间的变化规律发现，在D－阿拉伯糖体系中（除2－甲基呋喃外）这些化合物的百分含量都是随反应时间延长而增加，在60 min时达到最大值，随后减少；在L－阿拉伯糖体系中，它们同样是随反应时间延长而增加，但达到最大百分含量是在120 min。这说明D－阿拉伯糖形成这些化合物的速度较快，峰值出现在60 min，而L－阿拉伯糖形成它们的速度则相对较慢，峰值出现在120 min。

续表1

续表1

续表1

主要挥发性产物中区别最大的是柠檬烯，其在D－、L－阿拉伯糖体系中分别为9.25%和0.13%，柠檬烯在D－阿拉伯糖体系中随反应时间的变化规律是20 min时百分含量最大，随反应时间延长而减少，至120 min时量再次增多，在180 min又骤减；在L－阿拉伯糖体系中则是20 min时量很小，随反应时间延长量增加，到60 min时达到最大值，随后减少，说明在两种体系中柠檬烯形成的速度不同，在D－阿拉伯糖体系中形成快，由于其形成后很快被还原或转化为其它产物，因此量逐渐减少，但由于体系中的糖并未被完全反应掉，因此当其减少到一定程度，体系中的残糖继续反应形成柠檬烯；糠醛在两种体系中的百分含量变化类似柠檬烯，在D－阿拉伯糖中20 min时的糠醛百分含量最大，随反应时间延长其百分含量逐渐下降，而在L－阿拉伯糖体系中40 min时糠醛百分含量最高，随后随反应时间延长而降低，同样说明D－阿拉伯糖体系形成糠醛的速度快于L－阿拉伯糖。

2.6 D－阿拉伯糖、L－阿拉伯糖反应180 min挥发性产物比较

反应180 min后，两反应体系中各主要化合物的百分含量趋向一致，说明反应180 min后两种阿拉伯糖对风味的贡献趋向一致。两种体系排名前十的化合物均占各自总挥发物的49%，而反应120 min时两体系中排名前十的化合物均占各自总挥发物的59%，说明随着反应时间的延长，反应体系中所形成的挥发性化合物的种类在增加，原来一些相对含量比较小的化合物组分含量随着反应的进行也在增加，所形成的挥发性化合物种类也在增加，造成主要的挥发性化合物的含量比重逐渐下降。

以上结果表明，D－、L－阿拉伯糖的结构差异导致其与L－半胱氨酸进行Maillard反应时，120 min前反应活性存在明显差异，180 min后趋向一致。180 min反应时间（120 min除外）内L－阿拉伯糖体系的挥发性产物总量均高于D－阿拉伯糖体系且产物风味柔和，而D－阿拉伯糖在自然界中少见，人工生产成本较高，因此实际生产中可选用L－阿拉伯糖。

表2 L－阿拉伯糖模型体系不同反应时间产物分析+Table 2 Analysis of products formed in the L－arabinose model system during aging

续表2

续表2

续表2

3 结论

D－、L－阿拉伯糖的结构差异导致其120 min前反应活性差别明显。D－阿拉伯糖体系易产生阈值较低的硫醇和硫醚类风味物质，L－阿拉伯糖则形成了更多阈值较高的烯烃、醇、酚及烷烃类化合物；从挥发性产物的形成规律来看，D－阿拉伯糖的 Maillard反应速度高于L－阿拉伯糖，反应时间≤60 min时，D－阿拉伯糖体系产物中肉类特征风味物质含量高于L－阿拉伯糖体系的，而反应120 min后，L－阿拉伯糖体系中的肉类特征风味物质含量较高。反应180 min后，两反应体系中主要挥发性产物的百分含量趋向一致。

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Effects of chirality of arabinose on formation of volatile flavor compounds in arabinose／cysteine model systems

LUO Chang－rong1HOU Ya－long2CHEN Zheng－xing3

（1.Peony Flavor ＆Fragrance Co.，Ltd.of Shanghai Tobacco Group，Shanghai，201210，China；2.Frutarom Flavors（Kun Shan）Co.，Ltd.，Shanghai，200235，China；3.National Engineering Laboratory for Cereals Fermentation Technology，Wuxi，Jiangsu214122，China）

The formation rules of volatile compounds in arabinose／cysteine systems were investigated originally using headspace－solid phase microextraction coupled with gas chromatography－mass spectrometry analysis.The studies revealed that the chirality of arabinose influenced its reactivity.Within 120 min，D－arabinose／cysteine system favored to the formation of volatiles such as thiols and sulfides.While more alcohols，phenols and alkanes generated in L－arabinose／cysteine system.After 3 hours of reaction，the percentage of each main flavor compound tended to identical.

arabinose／cysteine model system；chirality；SPME／GC／MS；volatile flavor compounds

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.002

上海市引进技术的吸收与创新项目（编号：04－20－2）

罗昌荣（1970－），男，上海烟草集团高级工程师。E－mail：luocr＠sh.tobacco.com.cn

2011－11－01