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茶多酚类作为呋喃抑制剂在美拉德模型系统和罐装咖啡模型的形成

摘要

本文研究了低水分模型系统中糖和氨基酸对美拉德反应中呋喃形成的影响。葡萄糖和丙氨酸是重要的呋喃前体，并且在葡萄糖/丙氨酸模型系统中通过响应面方法研究了加热温度，加热时间和葡萄糖与丙氨酸的摩尔比对呋喃形成的影响。

加热温度极大地影响了呋喃的形成。通过在151℃下加热41分钟，以呋喃与丙氨酸的摩尔比为0.83：1.00获得最大呋喃浓度。

关键词：罐装咖啡模型，呋喃，茶多酚，低水分系统模型，响应面方法

一、介绍

呋喃（C4H4O）是一种高度挥发性的化学物质（沸点=31°C;NTP1993）可在多种热处理食品中找到（VanLancker等2009;Guenther等2010;Altaki等2011），尤其是罐装或罐装产品，例如咖啡和婴儿食品。许多研究表明，呋喃可作为动物和人类的麻醉剂，并可引起动物肝脏和肾脏的损害（Kedderis和Held，1996Coli等，2009；Vranova和Ciesarova，2009）。呋喃是一种潜在的人类致癌物，可在大鼠和小鼠中诱发肝胆管癌（Ravindranath等，1984；Burka等，1991；Kedderis等，1993；Chen等，1995；Crews和Castle，2007）。Intl将呋喃分类为可能的动物和人类致癌物。癌症研究机构于1995年成立，并受到了全球关注。在美国国家毒理学计划（NTP1993）中，它还被美国卫生与公共服务部列为潜在的致癌物。为了保护人类健康，至关重要的是要了解食品热处理过程中呋喃的形成并控制其生产。

近年来，人们在研究呋喃形成机理，进行风险评估和开发检测方法方面投入了大量精力。研究表明，呋喃可通过以下多种途径在食物中形成：（і）碳水化合物（如葡萄糖，乳糖和果糖）的热降解；（ii）美拉德反应（VanLancker等2011）；（іii）某些氨基酸的热降解（例如，丙氨酸，半胱氨酸和丝氨酸；Perez和Yaylayan2004）；（iv）抗坏血酸及其衍生物的氧化；（v）不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的氧化作用（Becalski和Seaman，2005；Mariotti等，2012；Cho和Lee，2014）。在这些机制中，抗坏血酸的降解在高温加热的水模型系统中产生最高水平的呋喃（Mariotti等，2012）。但是，与糖、氨基酸和不饱和脂肪酸相比，食品中抗坏血酸的含量相对较低（Cho和Lee，2014）。因此，对于食品中的呋喃生产，碳水化合物，氨基酸和脂肪酸预计比抗坏血酸更重要。美拉德反应是食品热处理期间发生的常见化学反应，有助于食品的感官品质。还原糖的羰基和氨基酸的氨基之间的美拉德反应，被认为是主要的呋喃形成途径。据我们所知，很少有研究通过美拉德反应评估呋喃的形成或详细研究潜在前体之间的相互作用（Fan和Mastovska2006；Fan和Sokorai2008）。

最近的研究集中在减少呋喃的形成上，包括通过改变加工条件（Vervoort等2012），改变灭菌方法（Vervoort等2012）或改变加热方法（Akkarachaneeyakorn等2010;Felke等2011）。但是，大多数这些方法可能会影响食物的感官特性，包括质地，颜色和味道。最近，一些天然的抗氧化剂已经被研究出降低呋喃水平的能力，如咖啡酸、鞣花酸、酪氨酸、橄榄苦苷和维生素E（Mark等人，2006；Oral等人，2014）。Oral等人发现添加7种多酚（表皮儿茶精，绿原酸，咖啡酸，橄榄苦苷，酪醇，鞣花酸和punicalagin）可有效减少呋喃的产生，最大抑制率达到85％（Oral等人，2014）。他们还发现3种植物提取物（欧洲蔓越莓汁，橄榄厂的废水和石榴皮）影响了呋喃的形成（Oral等人，2014）。Jiang和Peterson报道，在葡萄糖/亮氨酸模型中，添加阿魏酸会降低呋喃形成的产生（Jiang和Peterson，2010年）。

茶多酚，如儿茶素、酚酸、花青素和类黄酮，是天然的抗氧化剂。儿茶素是茶多酚的主要活性物质，具有很强的抗氧化活性。茶多酚具有抑制呋喃生成的潜力。对绿茶类黄酮的能力来控制美拉德褐变进行了研究（Gerry和Theodore2007）。但是，关于降低加工咖啡中呋喃水平的研究非常有限。

顶空进样-气相色谱-质谱法是呋喃分析常用的方法（Zoller等人，2007；Sarafraz-Yazdi等人，2012）。在这项研究中，对顶空（HS）条件进行了优化，然后将其与气相色谱仪（GC）耦合以降低仪器成本。这项研究的目的是研究各种因素，包括加热温度和时间，以及反应前体的摩尔比，糖-氨基酸组合对呋喃反应的影响，对美拉德反应模型系统中呋喃的形成。研究了茶多酚对葡萄糖/丙氨酸和罐装咖啡模型中呋喃形成的抑制作用，并评估了茶多酚对罐装咖啡模型中主要芳香成分的影响。

二、材料和方法

2.1试剂和化学药品

呋喃（99％）购自TCIDevelopmentCo.，Ltd.（中国上海）。甲醇获自永达化学试剂公司（中国天津）。分析级葡萄糖，d-果糖，蔗糖，麦芽糖，甘氨酸，l-丙氨酸，l-半胱氨酸，l-赖氨酸和l-谷氨酸购自SolarbioScienceandTechnologyCo.，Ltd.（中国北京）。茶多酚购自原野生物技术有限公司（中国上海）。雀巢咖啡和脱脂奶粉由雀巢（中国）有限公司（中国北京）提供。大豆卵磷脂购自北京宏瑞晶晟有限公司（中国）。白砂糖是从泰安的一家超市购买的。所有溶液均用超纯水制备。

2.2呋喃分析

使用自动HS进样器和配备HP-PLOT/Q毛细管柱（内径30mtimes;0.32mm，膜厚20micro;m的Shimadzu（日本京都））2010GC分析呋喃；美国加利福尼亚州圣克拉拉市安捷伦）和火焰离子化检测器（根据FDA发布的呋喃定量的官方方法（FDA2004年））。由于呋喃的沸点低，通常使用顶空进样。将反应物置于顶部空间小瓶中，并将小瓶用卷边盖密封。然后通过GC通过顶空进样器检测生成的呋喃。回路温度设定为110℃，传输线温度设定为130℃。进样时间为1.2s，进样量为1.0mL。在30秒内将烤箱中的小瓶加压至0.2MPa。氮气用作载气，以恒定流速1.0mL/min.不分流进样的进样口温度为200°C，检测器温度为250°C。烤箱温度最初在50°C下保持1分钟，然后以10°C/min的速率升至200°C，并在此温度下保持12分钟。

使用Shimadzu2010HS-气相色谱-质谱（HS-GC-MS）和DB-WAX石英毛细管柱（30mtimes;0.25mm，0）对罐装咖啡模型中的主要挥发性芳族成分进行分析。25micro;m；安捷伦）。HS-GC-MS的静态顶空分析仪条件与HS-GC的相同。氦气用作载体气体以1.0mL/min的恒定流速流动，压力为GC分析的53.6kPa。进样量为1.0mL。烤箱温度程序最初在50°C下保持1分钟，然后以5°C/min的速度升至200°C，并在此温度下保持12分钟。质谱条件如下：电离能为70eV的电子电离，传输线温度为200°C，离子源温度为200°C，检测器电压为0.1kV，质量扫描范围为m/z25至200。

2.3美拉德反应低水分模型系统的制备

要准备美拉德反应的低水分模型系统，精确称量57.5mg糖与氨基酸的混合物（糖与氨基酸的摩尔比为1.0：1.0），并将其转移到20mLHS小瓶中。然后，加入100micro;L超纯水，并用压接盖密封小瓶。在150°C的烤箱中加热30分钟后，将样品在冰箱中lt;4°C冷却20分钟。然后在分析之前将样品在室温下放置30分钟。所有分析均重复三次。选择产生最多呋喃的模型系统进行后续实验。

2.4单因素实验

在葡萄糖/丙氨酸模型系统中，研究了加热温度，加热时间和葡萄糖与丙氨酸的摩尔比对呋喃形成的影响。为了研究加热温度的影响，将葡萄糖和丙氨酸的混合物在90、100、110、120、130、140、150或160°C下加热相同的时间。冷却后，通过HS-GC测定样品中的呋喃水平。接下来，为研究加热时间对呋喃形成的影响，将葡萄糖和丙氨酸混合物在150°C下加热5、10、15、20、25、30、35、40或45分钟，然后进行分析。最后，在150°C加热40分钟的条件下研究了葡萄糖与丙氨酸的不同摩尔比（0.6：1.0、0.8：1.0、1.0：1.0、1.2：1.0和1.4：1.0）。分析样品后，确定了呋喃形成所需的葡萄糖与丙氨酸的最佳摩尔比。

2.5响应面方法

基于单因素实验的结果（模型系统在150°C加热40分钟，葡萄糖与丙氨酸的摩尔比为0.8：1.0），设计了响应面方法实验。选择呋喃含量作为响应变量。加热温度（X1），加热时间（X2）和糖与氨基酸的摩尔比（X3）用作自变量。使用Design-Expert软件（版本8.0.5b，美国明尼苏达州明尼阿波利斯的Stat-EaseInc.）获得变量和交互变量的相应系数。对于葡萄糖/丙氨酸低水分模型系统，独立变量的实际水平和编码水平如表1所示。呋喃形成的二阶多项式为Y=beta;0 beta;1X1 beta;2X2 beta;3X3 beta;11X12 beta;22X22 beta;33X32 beta;12X1X2 beta;13X1X3 beta;23X2X3.在此等式中，Y为呋喃含量，beta;0为常数，beta;i，beta;ii和beta;ij分别为线性，二次和叉积系数。

2.6罐装咖啡模型的制备

为制备罐装咖啡模型，准备了5个20毫升HS小瓶，其中雀巢咖啡粉300.0mg，白砂糖300.0mg，脱脂奶粉90.0mg，大豆卵磷脂3.0mg。加入12.0、30.0、48.0、66.0或84.0mg的茶多酚，用卷曲盖密封。为了模拟罐装咖啡生产中的杀菌过程，将样品在120℃下加热10分钟，最后将样品在低于4℃的冰盒中冷却20分钟，然后在室温下保存30分钟，进行分析。

2.7统计分析

通过单向方差分析来分析数据，并使用邓肯检验进行多次比较。使用SAS9.3（SASInst。，Cary，NC，U.S.A.).

三、结果和讨论

3.1优化HS条件

HS进样的热平衡温度是一个重要因素，可能会影响呋喃向HS中的扩散速率，从而影响HS小瓶中的呋喃数量。为了获得强呋喃信号，研究了不同的热平衡温度（30、40、50、60、70和80°C）。在50°C的热平衡温度下检测到的呋喃浓度高于其他热平衡温度（图S1A）。热平衡时间与呋喃在液体和HS之间的扩散程度密切相关。热平衡在50°C的热平衡温度下测试了10、15、20、25、30和35分钟的振动时间。结果表明，呋喃峰面积随着热平衡时间从10分钟增加到30分钟而增加，然后随着热平衡时间进一步增加到35分钟而保持相对恒定（图S1B）。因此，在随后的实验中，选择50°C和30分钟作为HS的热平衡条件。在这种情况下,满意的线性范围为0.01-800micro;g/g，HS-GC方法得到的相关系数为0.9992。检测限(LOD,S/N=3)为4.0ng/g，定量限(LOQ)为13.2ng/g。回收率为89.4%，相对标准偏差为4.7%。HS-GC方法的LOD确实低于GC/MS(Nie等2013)，为0.2ng/g。然而，高水平的呋喃通常是在食物中形成的。该方法可用于测定呋喃的含量。

3.2低水分模型系统中前体对呋喃形成的影响

在这项研究中，选择了在各种食品中发现的主要糖（葡萄糖，d-果糖，蔗糖，麦芽糖）和氨基酸（甘氨酸，l-丙氨酸，l-半胱氨酸，l-赖氨酸，l-谷氨酸）作为前体，制备了20种低水分模型系统，以探讨每种前体对通过美拉德反应形成呋喃的影响（图1）。

葡萄糖/丙氨酸，果糖/丙氨酸，葡萄糖/甘氨酸和果糖/甘氨酸低水分模型系统中的呋喃水平高于其他 16 种模型系统中的呋喃水平。对于丙氨酸，在美拉德反应的低水分模型系统中，在相同条件下，呋喃的含量高于其他 4 个氨基酸。这些结果表明，葡萄糖，果糖，丙氨酸和甘氨酸是呋喃形成的主要前体，而丙氨酸是氨基酸中最重要的前体。这可能是因为乙醛是呋喃的重要中间体，很容易从丙氨酸中产生，这将成为进一步研究的主题。因此，确定食品中的丙氨酸含量很重要，如果需要，在热处理之前应采取措施降低其含量。此外，葡萄糖/丙氨酸低水分模型系统中的呋喃形成高于果糖/丙氨酸模型系统中的呋喃形成。因此，葡萄糖/丙氨酸低水分模型系统用于后续实验。

3.3加热温度，加热时间和前驱体摩尔比对呋喃形成的影响

在 90 至 160°C 的温度下进行实验，以研究加热温度对呋喃形成的影响。当加热温度低于 110°C 时，葡萄糖/丙氨酸模型系统中会形成低浓度的呋喃（图 S2A）。然后，当加热温度从 110 升高到 150°C 时，尤其是在 120 到 150°C 之间时，呋喃水平显着增加。当将混合物在150°C 加热时，最高呋喃水平为 36.7 mg / L，该浓度比在 120°C 加热时的浓度高 930％。当温度进一步升高时，没有观察到呋喃水平的明显变化。根据以上结果，我们可以得出结论，较高的加热温度是葡萄糖/丙氨酸低水分模型系统中呋喃形成的主要因素。因此，为确保食

品安全，应在低于 120°C 的温度下进行热处理。

在 150°C 下，还研究了加热时间对呋喃形成的影响。呋喃浓度从当加热时间从 15 分钟增加到 40 分钟时为 11.5 至 43.1 mg / L，当模型系统在 150°C 下加热 40 分钟时达到最高水平（图 S2B）。随着加热时间的增加，呋喃浓度几乎保持恒定。

最后，评估了美拉德模型系统中葡萄糖与丙氨酸的摩尔比对呋喃形成的影响（图 S2C）。当葡萄糖与丙氨酸的摩尔比为 0.8：1.0 时，呋喃水平最高。因此，选择该摩尔比用于随后的实验。

3.4 RSM 分析

根据上述单因素实验的结果，确定了葡萄糖/丙氨酸低水分模型

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