半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反应体系色泽形成的动力学研究

黄梅桂 张晓鸣

摘要：通过测定褐变程度D420 nm、色差值，对半胱氨酸抑制大豆肽美拉德反应体系色泽形成随时间、温度变化的动力学过程进行研究，对大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反应体系的色泽变化进行回归分析。结果表明，色泽参数D420 nm、L均符合零级反应动力学，回归方程具有较高的r2，数值在086～097之间，说明方程拟合良好；色泽参数ΔE经非线性拟合，模型符合指数方程；分析色泽变化的动力学关系，可用于该体系中给定温度和时间下色泽的追踪、预测及优化控制，为研究抑制大豆肽美拉德体系中色泽的形成与控制提供理论依据。

关键词：大豆肽；美拉德反应；色泽形成；动力学；活化能

中图分类号： TS2011文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0293-03

大豆肽来源于大豆蛋白，是大豆蛋白经酸、碱或酶的水解作用，使肽键断裂后得到的由不同氨基酸组成的低相对分子质量短肽的总称。大豆肽消化吸收率高，能迅速提供能量，是食品工业的重要原料。大豆肽参与美拉德反应可为食品提供丰富的色泽香气和滋味。产物色泽是由错综复杂的反应产生的多种产物共同呈现出来的，国际上诸多学者致力于研究美拉德反应的呈色物质，美拉德产物中色泽的形成与温度和时间有着密切的联系，因此控制温度和时间对色泽的控制非常重要，这就需要对试验数据进行理论分析，采用化学反应动力学原理来建立美拉德产物颜色变化与时间和颜色抑制剂关系的模型，推导其动力学方程，建立色泽动力学模型将为研究美拉德过程中色泽的形成、有效控制反应过程中颜色的变化提供强有力的理论依据。

美拉德反应的每步反应对温度的敏感性都不相同，温度的高低会促使反应网络沿着不同的反应支路而生成不同的呈色呈味物质。每一类物质，甚至每一类中的每一种物质都有可能具有它们自己的反应活化能，由此可以认识到温度对美拉德反应中化合物的形成有着重要的影响。学者们对多种体系的美拉德反应色泽动力学进行了研究，Reyes等对牛奶体系褐变的形成动力学研究发现，色泽的形成主要由高级阶段的美拉德反应产生，并随温度和时间显著变化[1]。Franzen等发现其形成动力学符合假零级反应模型。本研究借助化学反应动力学理论，应用数学原理重点研究半胱氨酸对大豆肽-木糖体系色泽的抑制过程并进一步推导随温度时间的色泽动力学变化过程，计算其活化能，目的在于明确色泽被抑制的本质过程，对于开发新型美拉德风味增强肽、获得高附加值的大豆新产品具有重要的意义。

1材料与方法

11试验材料

大豆肽，笔者实验室自制；D-木糖、L-半胱氨酸，购自国药集团化学试剂有限公司。

12试验仪器

UV-1600 紫外可见分光光度计，上海美谱达公司；WSC测色色差计，上海精密科学仪器有限公司。

13试验方法

131温度对色泽形成的影响配制100 g/L大豆肽底物溶液，添加15%木糖（质量含量、100%半胱氨酸，配成 10 mL 溶液，置于50 mL耐温耐压反应瓶中，调节反应液的pH值至65，旋紧瓶盖使溶液置于密闭环境中以防挥发性香气逸出，在100、110、120、130、140 ℃下反应20、40、60、80、100、120 min。反应结束后，为迅速猝灭反应，冰浴冷却至室温，测定色泽，重复3次。

132褐变程度D420 nm的测定准确吸取01 mL样品，用蒸馏水稀释至10 mL（稀释100倍，以蒸馏水作空白对照，在 420 nm 下测定吸光度D420 nm。

133色差值的测定定量移取2 mL美拉德反应产物（Maillard reaction products，MRPs用于测定L、a、b值（分别表示亮度、红绿值、黄蓝值，以水作空白对照。测定3次并取平均值，按如下公式计算相应参数：

[J（]总色差ΔE=[（ΔL2+（Δa2+（Δb2]1/2。[J][JY]（1

所用标准白板的三原色刺激值：红原色刺激值（x0=7511；绿原色刺激值（y0=7919；蓝原色刺激值（z0=8502。

134动力学参数的计算和统计分析根据所得的动力学试验数据，采用Student-t检验法和Pearson法对各参数进行显著性和相关性分析，利用SPSS 130软件进行模型拟合，建立大豆肽-木糖-半胱氨酸（PXC体系色泽形成的动力学方程。

2结果与分析

21美拉德反应中D420 nm的变化

为了解释半胱氨酸抑制大豆肽-木糖体系美拉德反应过程中颜色形成的变化情况，采用动力学模型和动力学常数进行说明。褐变指数D420 nm随温度（100～140 ℃变化情况如图1所示，可以看出温度越高，随着反应时间的延长，D420 nm越大；以D420 nm的变化对时间t作图，通过动力学拟合，各温度下D420 nm随时间t的变化均符合零级反应（y=kt+a，具体如表1所示。Pauletti等也证实了果糖体系中色泽随时间呈零级变化[5]。从表1还可以看出，该模型显著性均为极显著（P>F，达10-4级，远远小于0001，这表明拟合的回归方程极显著，且r2较高（均为086以上，说明该方程拟合程度良好，可以反映出D420 nm随温度变化的情况。

[F（W10][TPHMG1tif][F][FL]

[F（W9][HT6H][J][WTH]表1D420 nm的动力学方程回归系数及显著性检验[WTB][HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W9。6W]T（℃常数项斜率kr2k值的95%下限k值的95%上限P>F（×10-4

[BHDG12，W6，W9。6DWW]1000048 460002 430930 20001 660003 19448endprint

[BHDW]1100071 750003 680942 10002 630004 73280

1200116 520006 50 0913 450004 200008 80772

1300188 980006 780864 940003 700009 862400

1400275 270010 130874 000005 710014 552010[HJ][BG）F][F）]

[FL（22]比较表1中PXC的D420 nm变化结果可以看出，随着温度的升高，D420 nm形成的速度加快，110 ℃时的k值是100 ℃时的151倍，120 ℃时的k值是100 ℃时的267倍，130、140 ℃ 时的k值分别为100 ℃时的279、417倍。由此可以看出，温度对该体系下美拉德反应D420 nm的形成影响较大，根据阿伦尼乌斯公式，反应速率不仅与温度有关，还与反应的活化能有关。Buera等对多种糖（果糖、木糖、葡萄糖、乳糖等的研究发现，反应色泽形成符合零级动力学，糖的种类不同，活化能略有差异，范围在25～48 kJ/mol之间[6]。进一步通过反应速率lnk与温度1/T线性回归作图，如图2所示，可得方程y=-5 3904x+8444 3（r2=0958 5，并由此计算可得本体系中D420 nm的活化能为4482 kJ/mol。

[F（W10][TPHMG2tif][F]

22美拉德反应中L的变化

颜色变化可以用不同的色泽指标来衡量，色度空间L、a、b值可以直观反映美拉德反应过程中色泽的三维变化，将色差值与褐变指数结合起来分析能从不同角度更方便全面地表达可见的色泽变化。PXC体系中亮度L值随温度变化结果如图3所示，L值表示样品的明暗程度，L值降低表明颜色变暗[7]。可以看出，随着温度的升高、时间的延长，L呈明显下降趋势，且温度越高，降低幅度越大。经拟合，PXC体系中L值随温度的变化符合零级反应，显著性水平均为极显著（P<0001，详细拟合参数如表2所示。色泽形成的动力学规律与文献报道有差异，反应级数也与文献报道不完全吻合，这是由美拉德反应的复杂性所决定的。美拉德反应产生的最终色泽受反应体系自身组成及温度、pH值、水分活度等多个因素的影响而发生复杂变化，如eller等研究发现，在葡萄糖-甘氨酸体系中色泽的形成符合一级动力学模式[7]；van Boekel却发现，只有pH值发生极小改变时色泽形成却符合二级动力学模式[8]；Morales发现，酪蛋白-葡萄糖体系中的色泽形成受温度影响极大，符合零级反应[9]。

[F（W11][TPHMG3tif；S+2mm][F]

通过反应速率lnk与温度1/T线性回归，所得直线满足 y=-3 0223x+ 6060 1，且具有较高的r2（0965 3，如图4所示。根据阿伦尼乌斯公式计算，其活化能为 2511 kJ/mol，L的活化能值低，表明反应中L的变化受温度影响大。

23美拉德反应中ΔE的变化

总色差ΔE随温度变化情况如图5所示，在各温度下，ΔE随着时间的延长呈增大趋势；但随着温度的升高， ΔE的变化[FL]

[F（W8][HT6H][J][WTH]表2L的动力学方程回归系数及显著性检验趋势较复杂，而且从散点图上可以发现，在130、140 ℃高温下，ΔE数值偏差较大，增大规律也不十分明显。这可能是因为ΔE是综合亮度、红绿、黄蓝值体现在整个色度空间的色泽，具有色泽的空间性，因而呈现出比较复杂的变化情况。

ΔE值随温度变化趋势比较复杂[10-11]，Buera等研究了葡萄糖和二甘肽、三甘肽体系中的色泽动力学形成，结果表明，色泽的形成为混合级数型，表现出2种速率常数[6]。在本体系中通过非线性拟合，得到1条显著性极高的拟合曲线（达10-9级，详细参数如表3所示，该曲线为复合指数式方程 y=exp[a+b/（x+c]，方程r2较高，这表明所得模型可以较好地反映美拉德反应过程中总色差的变化，可以根据实际情况对美拉德反应的色泽进行监控。

[F（W9][HT6H][J][WTH]表3ΔE的动力学方程回归系数及显著性检验

3结论

对大豆肽-木糖-半胱氨酸美拉德反应体系的色泽变化进行回归分析，结果表明，色泽参数D420 nm、L均符合零级反应动力学，回归方程具有较高的r2，在086～097之间，说明方程拟合良好。色泽参数ΔE经非线性拟合，模型符合指数方程。分析色泽变化的动力学关系，可用于该体系中给定温度和时间下色泽的追踪、预测及优化控制，从而为研究抑制美拉德色泽的形成与控制提供理论依据endprint