大豆蛋白和鸡肉能够提供优质的蛋白质[1-2],并在食品加工产业里被广泛使用。蛋白质水解是食品工业中开发肉类风味香精的重要过程。在食品生产过程中,游离氨基酸和多肽可以作为重要的风味前体对食品质量产生影响：一方面其本身能够呈现一定滋味,而且还能与其他滋味成分交互作用增强或者减弱食品风味[3];另一方面可作为风味原料或前驱物直接与糖类发生美拉德反应,增强香气[4]。食品的整体香气和滋味特性直接影响消费者对食品的接受程度[5]。近年来,天然香料香精的需求处于不断上升的趋势,以蛋白酶解物、糖类等为原料通过美拉德反应制备的香精也属于天然产品的范畴[6]。肽类广泛存在于各种风味食品及热反应基料中,不同结构和长度的肽具有独特的味道特性[7]。目前已在鸡肉、酵母、蚕蛹和牛肉等蛋白水解物中分离和鉴定出许多种类的肽[8-11]。研究还发现,多种寡肽具有重要的浓厚味效果。这种风味被称为“Kokumi”,其特点是味道增强、复杂且持久[12]。此外,肽与鲜味物质的协同效应也广泛被研究者所关注,一些肽本身的鲜味可能不明显,但与谷氨酸单钠盐(monosodium glutamate,MSG)、5′-鸟苷酸二钠(disodium guanosine 5′-phosphate,GMP)、5′-肌苷酸二钠(disodium inosine 5′-phosphate,IMP)、食盐等共同存在时可以使鲜味变得更加强烈,称为鲜味增强肽[13]。
美拉德反应在影响食品的颜色、味道、香气和营养等方面发挥着关键作用[14]。但氨基酸和肽在参与美拉德反应的过程中存在差异。这是因为肽发生美拉德反应时不完全遵循典型的Strecker降解,相对于游离氨基酸来说,α-碳上没有游离羧基,从而导致脱羧失败[15]。Liu等[8]研究了鸡肉肽后发现在温和加热下产生的鸡肉肽美拉德产物的鲜味和浓厚味增加,而且分子质量小于500 Da鸡肉肽的氨基是美拉德反应的主要反应物。肖群飞等[16]在研究了鸡肉酶解物中不同氨基前体后,发现了小于1 000 Da和1 000～5 000 Da肽组分对吡嗪类化合物贡献最大。已有实验研究了不同分子质量的大豆蛋白酶解物的美拉德产物,发现了美拉德反应提高了游离氨基酸和肽的增味效果和抗氧化活性[17]。并且发现转谷氨酰胺酶交联处理后蛋白质水解物中1 000～5 000 Da的肽产量增加了21.19%,美拉德产物中肉味化合物[如2-甲基-3-呋喃硫醇、双(2-甲基-3-呋喃基)二硫化物]的含量也显著增高[18]。
由于肽结构和组成的复杂性,只有少数研究单独调查了一些大豆肽或鸡肉肽形成的美拉德产物感官特性及抗氧化活性,更多的研究集中在氨基酸-还原糖模型系统上。现有的研究缺乏针对不同蛋白质来源的大豆肽和鸡肉肽及不同分子质量肽段在美拉德反应中对气味化合物贡献的评价。为此,在本研究中,以含不同分子质量肽和游离氨基酸的大豆蛋白和鸡肉酶解物为原料,与木糖进行美拉德反应,利用感官评价比较了大豆蛋白和鸡肉酶解物中不同分子质量肽段的风味特征。然后采用气相色谱-嗅闻-质谱(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry analysis,GC-O-MS)技术对美拉德反应产物(Maillard reaction products,MRPs)中的挥发性化合物进行鉴定及定量,确定大豆蛋白和鸡肉酶解物中不同分子质量肽段对美拉德反应体系中风味的影响。采用高效液相色谱法对氨基酸、核苷酸和肽类等不挥发性化合物进行分析。
1.1 材料与试剂
大豆蛋白,安琪酵母股份有限公司;鸡胸肉购于北京市海淀区永辉超市增光路店;复合蛋白酶(Protamex,47 500 U/g)、复合风味蛋白酶(Flavourzyme,25 000 U/g),丹麦诺维信公司;2-甲基-3-庚酮、正构烷烃(C7～C30)、抑肽酶(MW=6 512 Da)、维生素B12(MW=1 355 Da)、甘氨酰-酪氨酰-精氨酸(MW=451 Da)、谷胱甘肽(MW=307 Da)、甘氨酸(MW=75 Da),美国Sigma公司;甲醇、乙腈、正己烷,色谱纯,美国Thermo Fisher公司;邻苯二甲醛(o-phthalaldehyde ,OPA)、9-芴甲基氯甲酸酯(9-fluorenylmethyl chloroformate,FMOC)、硼酸盐缓冲溶液、氨基酸混合标准品的磷酸盐缓冲液(Asp、Glu、Ser、His、Gly、Thr、Arg、Ala、Tyr、Cys、Val、Met、Phe、Ile、Leu、Lys)和核苷酸标准品(CMP、GMP、IMP、AMP、XMP),美国Agilent公司;盐酸(质量分数为36.5%)和乙醇(色谱纯),北京国药集团化学试剂有限公司;超纯水由实验室自制。
1.2 仪器与设备
PHS-3D功能型pH计,上海三信仪表厂;732型阳离子交换树脂柱,江苏苏青集团;SS-7型高速低温离心机,日本Hitachi公司;LB-32型冷冻干燥机,美国Thermo Fisher公司;Mini Pellicon型切向流超滤系统、5 000 Da和1 000 Da 超滤膜包,德国Millipore公司;固相微萃取纤维头(50/30 μm CAR/DVB/PDMS),美国Supelco公司;7890A-7000型气相色谱-质谱联用仪(配有EI离子源和NIST 17.0数据处理系统)、DB-WAX色谱毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)、1200型高效液相色谱系统、Zorbax Eclipse-AAA型色谱柱(150 mm×4.6 mm×5 μm)、Zorbax Eclipse XDB-C18型色谱柱(250 mm×4.6 mm×5.0 μm)、TSK GLSW 2000型 (300 mm×7.8 mm×5 μm),美国Agilent公司;ODP4型嗅闻仪,德国Gerstel公司。
1.3 实验方法
1.3.1 蛋白酶解物的制备
根据文献及前期实验优化对大豆蛋白和鸡胸肉进行酶解[1-2]。用粉碎机将100 g的大豆蛋白(含水率7%,蛋白质质量分数83.4%,脂肪质量分数5.7%)和100 g的鸡胸肉(含水率69%,蛋白质质量分数15.6%,脂肪质量分数7.8%)分别粉碎之后过40目筛,放置于-20 ℃下保存备用。使用时先在95 ℃加热10 min,冷却后按m(蛋白)∶m(H2O)=1∶3加入去离子水,用1 mol/L NaOH或HCl溶液调节pH值至6.5,分别将复合蛋白酶Protamex以900 U/g、复合风味蛋白酶Flavourzyme以300 U/g的比例加入蛋白中,50 ℃水浴酶解4 h。酶解结束后,将酶解液于95 ℃加热10 min灭酶,然后以7 500 r/min转速在4 ℃下离心10 min。收集上清液放置冷冻干燥机中并在-58 ℃下冷冻干燥24 h后备用。大豆蛋白酶解物和鸡肉酶解物分别命名为SH和CH。
1.3.2 不同分子质量肽段的超滤分离
取20 g酶解物溶解到1 L超纯水中。采用切向流超滤系统进行分离,溶液依次通过5 000 Da、1 000 Da分子超滤膜包分级分离,分别合并多级超滤液和透出液,制得大于5 000 Da、1 000～5 000 Da、小于1 000 Da的粗组分肽段,放置冷冻干燥机中并在-58 ℃下冷冻干燥24 h后备用。大豆肽样品分别命名为SH-1(大于5 000 Da)、SH-2(1 000～5 000 Da)、SH-3(小于1 000 Da);鸡肉肽样品分别命名为CH-1(大于5 000 Da)、CH-2(1 000～5 000 Da)、CH-3(小于1 000 Da)。
将20 g的酶解物溶解在6 mol/L HCl溶液中并在110 ℃下水解24 h。反复加水蒸发以尽可能去除HCl,再用6 mol/L NaOH溶液调节pH值至7。水解液通过732型阳离子交换树脂柱去除NaCl[19],将流出物旋蒸后冷冻干燥,得到游离氨基酸产物(FAA),将其储存在-20 ℃备用。
1.3.3 美拉德反应产物的制备
将各粗组分肽段和FAA各1.5 g分别溶于30 mL超纯水中,分别加入0.3 g木糖,用磷酸盐缓冲液调整溶液的pH值至7.4,在高压反应釜中于130 ℃下反应90 min。反应完毕后立即用冰水冷却至室温,将得到的大豆肽美拉德反应产物分别命名为SHX-1、SHX-2、SHX-3;大豆氨基酸美拉德反应产物命名为SHX-A;鸡肉肽美拉德反应产物分别命名为CHX-1、CHX-2、CHX-3;鸡肉氨基酸美拉德反应产物命名为CHX-A;大豆酶解物美拉德反应产物命名为SHX;鸡肉酶解物美拉德反应产物命名为CHX。每个反应体系平行进行3组测定。
1.3.4 感官评价
感官评价小组由12名人员(6名男性、6名女性)组成。评价前用标准溶液进行培训,品尝标准品：甜味(35 mmol/L蔗糖水溶液)、酸味(1.5 mmol/L 酒石酸水溶液)、咸味(40 mmol/L NaCl水溶液)、鲜味(10 mmol/L味精水溶液)、苦味(15 mmol/L 奎宁水溶液)。嗅闻标准品：肉味(体积分数为1%的2-甲基-3-呋喃硫醇水溶液)、烤香味(体积分数为1%的2,5-二甲基吡嗪水溶液)。感官评价小组对样品分别进行品尝和嗅闻后开始具体的感官评分,并按照0～10分进行打分(0～2分,很弱;3～4分,弱;5～6分,中等;7～8分,强;9～10分,很强)。
1.3.5 挥发性化合物的鉴定
1.3.5.1 挥发性化合物的提取
采用固相微萃取法对挥发性化合物进行吸附。取10 mL美拉德反应产物置于20 mL的顶空瓶中,加1 μL 2-甲基-3-庚酮(ρ=0.816 μg/μL)作为内标,加盖密封置于45 ℃水浴锅中平衡25 min。然后将固相微萃取纤维头(50/30 μm CAR/DVB/PDMS)插入顶空瓶中于45 ℃吸附40 min后再插入气相色谱进样口,250 ℃下进样,解析5 min。
1.3.5.2 GC-O-MS分析条件
气相色谱条件。起始温度40 ℃,保持3 min,然后以5 ℃/min速率升温到200 ℃,再以10 ℃/min速率升温到230 ℃保持5 min,载气为超纯氦气,流量为1 mL/min,进样模式为不分流。
质谱条件。电子轰击(EI) 离子源,电子能量70 eV,离子源温度为230 ℃,四极杆温度为150 ℃,扫描模式为全扫模式,质量扫描范围m/z为40～500 u。实验人员在嗅闻口记录所闻到的香味特征和强度。
嗅闻仪条件。ODP4型嗅闻仪传输线温度250 ℃,嗅闻口温度200 ℃,并且用氮气吹入超纯水瓶中以提高嗅闻人员嗅闻时的灵敏度和舒适度。3个小组成员在嗅闻前都经过培训,以便熟悉各种气味。每个小组成员快速准确记录从嗅闻口中感受到的流出物的气味特征和时间。
1.3.5.3 定性与定量分析
通过将未知挥发性化合物的质谱数据与谱库中的标准化合物进行比对,然后将未知挥发性化合物的RI值和气味特征与文献的RI值和气味特征比较进一步确认,以此对未知挥发性化合物进行定性分析。正构烷烃(C7～C30)用于测定每种化合物的RI值,使用等式(1)计算RI值[5]。
(1)
式(1)中,RI代表保留指数,N代表低级烷烃的碳数,n代表两种正构烷烃的碳数之差,tR,a代表未知化合物的保留时间,tR,N代表低级烷烃的保留时间,tR(N+n)代表高级烷烃的保留时间。
由于同一种检测器对不同物质具有不同的响应值,即使两种物质的含量相等,在检测器上得到的信号往往是不相同的。为了使峰面积能真正反映物质的质量,就要对峰面积进行矫正,因此在定量计算时引入相对校正因子。相对校正因子见式(2)。
(2)
式(2)中,f为相对校正因子;fi为i物质的绝对校正因子;fs为内标物质的绝对校正因子;wi为物质的质量浓度;Ai为i物质的峰面积;ws为内标物质的质量浓度;As为s物质的峰面积。
半定量分析以添加的2-甲基-3-庚酮为内标物,通过内标物的峰面积与未知挥发性化合物的峰面积比值计算各物质的相对质量浓度,浓度计算见式(3)。
(3)
式(3)中,f代表相对校正因子,wi、ws分别代表未知挥发性化合物和内标物的相对质量浓度,ng/g;Ai、As分别代表未知挥发性化合物色谱峰面积和内标物色谱峰面积。
1.3.5.4 相对气味活性值的计算
相对OAV(relative odor activity value,rOAV)是指水中每种气味化合物的相对质量浓度与其各自的气味阈值之比。当rOAV大于1时,认为该化合物是重要的气味活性物质。rOAV的计算公式见式(4)。
(4)
式(4)中,wi是美拉德产物中气味化合物的相对质量浓度,OTi是该气味化合物的气味阈值。本研究中使用的气味化合物的阈值取自文献[20]。
1.3.6 氨基酸含量、核苷酸含量及肽分布的测定
氨基酸、核苷酸、肽分布分析按照文献[9]方法。
使用1200型高效液相色谱系统,采用柱前衍生法对样品中16种游离氨基酸(Asp、Glu、Ser、His、Gly、Thr、Arg、Ala、Tyr、Cys、Val、Met、Phe、Ile、Leu、Lys)进行定量分析。色谱柱为Zorbax Eclipse-AAA型,水相为用磷酸调整pH值为7.8的0.04 mol/L NaH2PO4水溶液,有机相为V(甲醇)∶V(乙腈)∶V(水)=45∶45∶10。梯度洗脱程序见文献[9]。进样量为1 μL,流速为1 mL/min,紫外检测波长为338 nm。采用外标法定量,将氨基酸混合标准品(1 nmol/μL)用0.1 mol/L HCl溶液稀释,配制成不同浓度(0.125、0.250、0.500、0.750、1.000 nmol/μL)的混合标准品作标准曲线。
采用高效液相色谱法测量样品中核苷酸含量,色谱柱为Agilent Eclipse XDB-C18型,流动相为用磷酸调整pH值为3.8的20 mmol/L KH2PO4水溶液,进样量为1 μL,流速为1 mL/min。并通过5′-核苷酸标准品依次稀释5个质量浓度梯度(400、200、100、50、25 mg/L)作标准曲线进行定量。
为了确定肽分布变化情况,采用高效液相色谱法对其进行测定。色谱柱为TSKgel G2000 SWXL型,流动相为用甲酸调整pH值为3.0的φ=20%乙腈水溶液,流速为0.5 mL/min。测定馏分于220 nm波长处的吸光度。使用质量浓度均为2 mg/mL的抑肽酶、维生素B12、甘氨酰-酪氨酰-精氨酸、谷胱甘肽、甘氨酸作肽分布标准曲线。
1.4 数据处理
使用Agilent Mass hunter B.07.00处理数据,使用Origin 2021软件作图和Microsoft Excel 2019进行统计分析,采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析和显著性分析,显著性分析采用Duncan检验。
2.1 感官评价结果
感官评价是香气分析的重要组成部分。样品整体香气和感官特性由雷达图显示,见图1。
图1 不同分子质量大豆蛋白和鸡肉酶解物的美拉德反应产物的感官评价结果
肽和氨基酸的美拉德反应产物在基本的肉味、焦煳味和鲜味上差异较大,而在浓厚味、苦味和酸味上差异较小。由于蛋白质的酶解产生了肽和游离氨基酸,增加了美拉德反应的底物,从而改善了美拉德反应产物的香气及滋味。比起鸡肉组CHX,大豆组SHX稍显苦味,这可能是因为大豆的美拉德反应产物中含有更多的苦味氨基酸,如亮氨酸和苯丙氨酸。SHX-1显示相对较弱的鲜味和肉香味,焦煳味和苦味突出,CHX-2有着较强的爆米花味和鲜味,而SHX-3、CHX-3表现最强的肉香味、更好的鲜味和浓厚味,其主要原因是大量的小于1 000 Da的肽与还原糖在高温的美拉德反应中产生了良好的风味[21]。CHX-A的鲜味十分突出,同时含有较强的硫黄味,这可能与其主要是游离氨基酸组成有关。SHX-1的焦煳味和苦味得分最高,苦味可能是因为大量苦味氨基酸或疏水性氨基酸组成了大分子肽段的原因[22]。感官评价结果表明：比起游离氨基酸,肽在美拉德反应风味形成中发挥更加重要的作用,这与先前的研究结果一致[7,23]。而且小于1 000 Da的肽在美拉德反应中鲜味和肉香味属性比起大于1 000 Da的肽明显增强。结果表明,美拉德反应产物的感官属性受到游离氨基酸和肽分子质量大小的影响[19,22]。
2.2 挥发性化合物的鉴定结果
蛋白酶解物中的肽和游离氨基酸等都是重要的风味前体,可以与还原糖发生美拉德反应产生肉香味物质。通过GC-O-MS从美拉德反应产物中总共鉴定出了69种挥发性化合物,结果见表1。其中在大豆肽中SHX-1(大于5 000 Da)有63种、SHX-2(1 000～5 000 Da)有59种、SHX-3(小于1 000 Da)有55种、SHX-A(FAA)有36种;在鸡肉肽中CHX-1(大于5 000 Da)有54种、CHX-2(1 000～5 000 Da)有56种、CHX-3(小于1 000 Da)有52种、CHX-A(FAA)有39种,包括吡嗪类、呋喃类、吡咯类、噻吩类、噻唑类、醛类、酮类、酯类和酸类等。
表1 不同分子质量大豆蛋白和鸡肉酶解物的美拉德反应产物中挥发性化合物
续表1
续表1
同行不同字母表示不同样品中气味化合物含量具有显著性差异(P<0.05);“—”表示未检出;*表示rOAV大于1,可认为该化合物是较为重要的气味活性物质;化合物香气特征的描述来源于GC-O嗅闻结果或The good scents company气味网站;鉴定方式中RI指根据文献报道或标样的RI值确定,MS为质谱法,O为嗅闻法。
吡嗪类和吡咯类因其具有坚果香和爆米花香的特点,所以在加热食品中是贡献烤肉香味的独特香气化合物[24]。美拉德反应是导致形成许多重要的含氮杂环化合物的主要反应[8,17]。本研究中肽美拉德反应产物中均有大量的吡嗪类物质生成,包含吡嗪(坚果香)、2,3-二甲基吡嗪(爆米花香)、2,5-二甲基吡嗪(烤可可香)、2,6-二甲基吡嗪(烤坚果香)、5-甲基-2-乙基吡嗪(爆米花香)、三甲基吡嗪(烤土豆香)和2-甲酰基吡咯(咖啡香),其中2,5(6)-二甲基吡嗪的平均浓度[(637.74±8.61)ng/g和(543.16±10.32)ng/g)]最高。有研究表明,在美拉德反应中丰富的游离氨基酸和肽有助于吡嗪的形成,尤其是在干燥条件下高温加工食品时[25]。表1显示了大豆肽和鸡肉肽中吡嗪类化合物的含量变化。从表1里可以看出,SHX-3和CHX-3分别在各自的大豆肽组和鸡肉肽组里的吡嗪类化合物的含量最高。总的来说,小于1 000 Da的肽美拉德反应后生成的气味活性物质的数量不是最多的,但却有更多的吡嗪类化合物生成。实验结果说明,小于1 000 Da的低分子质量肽在美拉德反应过程中促进了吡嗪类化合物的生成。即使与大豆肽组中吡嗪类化合物含量最丰富的SHX-3样品相比,鸡肉肽组中CHX-3的吡嗪[(664.75±9.85)ng/g)]、2,5-二甲基吡嗪[(888.24±12.37)ng/g]、2,6-二甲基吡嗪[(786.25±10.38)ng/g]和6-甲基-2-乙基吡嗪[(375.35±4.77)ng/g]的含量更高。可见,小于1 000 Da的鸡肉肽可能更易促进吡嗪类化合物的生成。有研究报道,氨基酸(例如谷氨酰胺和天冬酰胺)的脱氨基得到的氨可以与羰基化合物相互作用促进吡嗪的产生[26]。因此,推测在小于1 000 Da的鸡肉肽中可能富含谷氨酰胺或天冬酰胺的肽,由此产生更多的吡嗪类化合物。本研究团队的研究已经证明,由于酰胺基的高反应活性,低分子质量肽(大于500 Da)被认为是产生吡嗪的最重要贡献者。从定量结果可知,以完全水解的氨基酸为反应物的美拉德反应系统中吡嗪类化合物的生成量最低[8]。这也证明了肽在美拉德反应过程中对生成吡嗪类化合物的影响非常重要。本研究鉴定了3种吡咯化合物,包括1-(2-呋喃甲基)-1H-吡咯、2-乙酰基吡咯和2-甲酰基吡咯。它们在CHX-2中的含量高于其他样品。
呋喃硫醇类、噻吩类和噻唑类等含硫化合物具有低气味阈值。根据赵健等[27]的说法,含硫杂环化合物可以通过半胱氨酸的热降解与羰基化合物相互作用生成。相较于含肽的样品,含游离氨基酸的SHX-A和CHX-A的美拉德反应系统中二甲基砜[(17.23±1.15)ng/g和(25.47±2.68)ng/g,洋葱味]、二甲基三硫醚[(10.28±1.31)ng/g和(8.42±1.02)ng/g,硫黄味]、2-噻吩甲醛[(29.57±2.48)ng/g和(37.90±3.72)ng/g,硫黄味]、3-甲硫基丙醛[(48.26±2.04)ng/g和(67.49±3.50)ng/g,熟土豆香]和2-乙酰基噻唑[(29.47±1.34)ng/g和(70.45±3.54)ng/g,烤肉香]的平均含量更高,说明游离氨基酸更容易生成含硫化合物。在鉴定的5种噻吩类化合物中,2-噻吩硫醇在所有样品中均被发现。2-乙酰基噻吩和2-噻吩甲醛的含量在CHX-A中高于其他的样品。而在SHX-1中则只检测到最低含量的噻吩类化合物。2-乙酰基噻吩已在烘焙咖啡中被鉴定为核糖和半胱氨酸的热反应产物[27]。噻唑类化合物可能是含硫氨基酸与碳水化合物或羰基化合物相互作用的结果。在所有样品中共发现了4种噻唑。其中CHX-A中的噻唑含量最高,其次是SHX-A,这与它们的游离氨基酸的含量有关。感官评价结果也证实了这一点,在CHX-A感知到的较强的硫黄味归因于含量较高的含硫化合物。肽本身也参与含硫挥发性化合物的过程,通过降解成含硫氨基酸,如半胱氨酸或甲硫氨酸产生含硫化合物[28]。尤其是SHX-3和CHX-3系统中2-甲基-3-呋喃硫醇、2-甲基-3-甲硫基呋喃及糠硫醇分别最高达到了(121.97±0.98)、(17.59±2.52)、(83.55±1.61)ng/g。这说明小于1 000 Da的肽可以很活跃地参与产生这类含硫化合物的反应。有研究表明以2-甲基-3-呋喃硫醇为代表的呋喃硫醇类化合物对肉香气具有重要的贡献[24]。
呋喃和酮可能由单独的还原糖的热降解或在某些氨基酸的热降解下形成。在氨基酸样品SHX-A和CHX-A的中,糠醛的含量最高,达到了(134.20±4.66)ng/g和(218.15±7.66)ng/g,在嗅闻端口同时感知到明显的焦糖味。糠醛是戊糖美拉德反应中的重要产物,在较低的pH值下可由 Amadori重排产物通过1,2-烯醇化形成[28]。除大豆肽之外的其他样品中未检测到5-甲基呋喃醛。2-甲基呋喃在SHX(-1、-2)和CHX(-1、-2)中占主导地位,在其他样品中未检测到。2-丁酮[(130.62±2.67)ng/g,甜香]、2,3-丁二酮[(171.52±5.62)ng/g,黄油香]、2,3-戊二酮[(115.44±2.53)ng/g,黄油香]和1-羟基-2-丙酮[(98.52±5.44)ng/g,黄油香]等一些具有奶油味的酮类主要在大豆肽的组分中存在,其中大于5 000 Da的大豆肽含量最高,其次是 1 000～5 000 Da。在美拉德反应中,还原糖的断裂生成的C3、C4的骨架能够提供生成杂环化合物的重要中间产物[28],同时脂质氧化和降解有利于酮的生成[29]。大于5 000 Da的大豆肽中酮类化合物含量高可能与其含有更加丰富的脂质有关。尽管在大豆肽中发现更多的酮类,但是在嗅闻端口处嗅闻到这些酮类化合物气味强度却很低。这可能是因为部分酮的气味阈值较高的原因,因此在美拉德反应中其更重要的作用是作为杂环化合物的中间产物[28]。
在15种醛中,在嗅闻端口处被主要感知到的是己醛(青草香)、庚醛(干草香)、癸醛(柑橘香)、(E)-2-辛烯醛(黄瓜香)、3-甲基丁醛(麦芽香)、2-甲基丁醛(可可香)、苯甲醛(杏仁香)和苯乙醛(山楂香)。低感知阈值使它们即使在微量时也显示出特殊的香气[30]。青草香的己醛在大于5 000 Da的肽中是重要的醛类之一,它常见于蛋白质酶解物脂质氧化和降解的过程中[29]。在所有的美拉德反应产物中,游离氨基酸的样品中主要发现了甲基丙醛(麦芽香)、3-甲基丁醛(麦芽香)、2-甲基丁醛(可可香)、苯甲醛(杏仁香)、苯乙醛(山楂香),它们在样品中浓度最高达到了(67.38±3.24)、(403.17±8.75)、(348.53±14.53)、(87.53±1.32)ng/g和(278.22±1.60)ng/g。甲基丙醛、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、苯甲醛和苯乙醛是由前驱物缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸通过美拉德反应中Strecker降解形成的[31]。(E)-2-辛烯醛主要存在于在小于1 000 Da的肽中,其主要呈脂肪香气,并有黄瓜和鸡肉香味,在SHX-3和CHX-3分别达到了(73.27±1.09)ng/g和(86.75±3.52)ng/g。
在小于5 000 Da的肽中鉴定出了乙酸,它通过美拉德反应和糖降解产生的。例如,D-果糖可在高温下降解为乙酸和其他碳水化合物片段。然而在本研究中乙酸只存在大于5 000 Da的样品中,推测是在酶解过程产生了乙酸。酯类化合物具有典型的水果特征,其主要是有机酸和醇类物质通过酯化反应生成。在8个样品中共检测到3种酯类化合物,即苯乙酸乙酯(果香)、2-壬烯酸甲酯(果香)、亚油酸乙酯(脂肪香)。
2.2.1 挥发性化合物的分析
吡嗪[(358.81±9.66)ng/g和(664.75±9.85)ng/g,坚果香]、5-甲基-2-乙基吡嗪[(119.64±2.65)ng/g和(325.61±8.67)ng/g,爆米花香]、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪[(158.24±4.29)ng/g和(1 394.72±9.94)ng/g,坚果香]、三甲基吡嗪[(145.22±7.82)ng/g和(627.68±10.67)ng/g,烤土豆香]、吡啶[(33.03±1.19)ng/g和(76.42±2.66)ng/g,烤香]、2-乙酰基吡咯[(13.46±1.50)ng/g和(58.63±3.50)ng/g,烤坚果香]、2-甲基-3-(甲基二硫代)呋喃[(21.35±0.57)ng/g和(24.65±1.05)ng/g,烤肉香]、糠硫醇[(83.55±1.61)ng/g和(37.58±1.03)ng/g,烤肉香]、2(5H)-呋喃酮[(15.82±2.07)ng/g和(78.29±2.85)ng/g,黄油香]、(E)-2-辛烯醛[(73.27±1.09)ng/g和(86.75±3.52)ng/g,黄瓜香]和苯乙醛[(168.26±2.40)ng/g和(266.58±1.62)ng/g,山楂香]对小于1 000 Da的肽的组分分类有很大的影响。这些化合物主要是具有坚果味和烘烤味的吡嗪类化合物,提供了肉香味的是硫醇,提供了黄油味和果香的是呋喃酮和苯乙醛。这些化合物是低分子质量肽中的主要挥发性化合物,在低分子质量肽的美拉德反应体系中已被多次报道[8,23,26,28]。
SHX-2和CHX-2的气味特征受到以下多种挥发性化合物的影响,2-甲酰基吡咯[(55.61±1.81)ng/g和(121.75±5.21)ng/g,咖啡香]、糠硫醇[(34.68±0.94)ng/g和(71.65±1.52)ng/g,烤肉香]、2-甲基二氢-3(2H)-噻吩酮[(20.41±1.22) ng/g和(70.58±3.15)ng/g,洋葱味]、2-甲基呋喃[(86.84±2.51)ng/g和(81.62±4.20)ng/g,巧克力香]、糠醇[(101.48±8.20)ng/g和(78.65±2.98)ng/g,药香]、2-丁酮[(119.52±2.47)ng/g和(187.66±7.84)ng/g,甜香]、正丁醇[(56.72±2.09)ng/g和(67.82±3.55)ng/g,香酯香]、1-辛烯-3-醇[(53.74±0.97)ng/g和(93.23±2.56)ng/g,蘑菇香]和(E)-2-壬烯醛[(87.49±2.62)ng/g和(135.08±4.25)ng/g,黄瓜香]。在SHX-2和CHX-2中,这些化合物的含量显著高于SHX-3和CHX-3,其中许多化合物已在小于1 000 Da的肽美拉德反应产物中被报道[8,26],表明1 000～5 000 Da的肽和小于1 000 Da的肽在美拉德反应产物方面的相似性。
在FAA组(SHX-A和CHX-A)中,因为当肽组分被完全水解成游离氨基酸,大部分挥发性化合物都会消失。因此,只有少数挥发性化合物是显著高于肽组分的,其中包括：噻唑[(73.18±2.81)ng/g和(82.29±1.74)ng/g,坚果香]、2-噻吩甲醛[(29.57±2.48)ng/g和(37.90±3.72)ng/g,硫黄味]和4-甲基-5-羟乙基噻唑[(34.85±1.07)ng/g和(56.81±1.64)ng/g,熟牛肉香]。在每种样品中具有不同含量的化合物可能有助于区分不同分子质量的样品。
2.2.2 气味活性化合物的偏最小二乘回归分析
rOAV用于确定某一种气味化合物是否为关键气味活性化合物。由表1可看出,总共鉴定出29种气味活性化合物的rOAV>1。它们可以被认为是大豆蛋白肽和鸡肉肽中的气味活性化合物。通过偏最小二乘回归(PLSR)分析气味活性化合物的rOAV和感官评价结果之间的关系图,结果见图2。
图2 PLSR分析得分和相关载荷
因子1和因子2的贡献率分别为62.1%和20.9%。8个样品被分为明显划分为单独的类别,结果见图2(a),表明不同类别之间存在很大差异。相关负荷图见图2(b),气味活性化合物被坐标划分为4组,同1组中的属性密切正相关。感官评价和大多数气味活性化合物位于R2=50%和R2=100%之间,表明PLSR可以充分考虑上述变量。爆米花味、鲜味、咸味和酸味分布在y轴的左侧。而基本的肉味、浓厚味、焦煳味和苦味分布在y轴的右侧,这表明这些感官特征与爆米花味、鲜味、咸味和酸味呈负相关。此外,咸味和鲜味有着重要的相互作用。同样,基本的肉味与浓厚味、焦煳味和苦味有着密切的相互作用。从图2(b)可以得出,小于1 000 Da的肽与基本的肉味和浓厚味密切相关,而大于5 000 Da的肽与苦味和焦煳味密切相关,这与2.1节里的感官评价结果一致。以前的研究证明了美拉德反应中产生的吡嗪的重要性。本研究共鉴定出了2,3-二甲基吡嗪、6-甲基-2-乙基吡嗪、三甲基吡嗪、2,5-二甲基-3-乙基吡嗪4种相关化合物。从图2(b)中可得,2,3-二甲基吡嗪和三甲基吡嗪与基本的肉味、浓厚味以及小于1 000 Da(SHX-3和CHX-3)的样品密切相关,而6-甲基-2-乙基吡嗪和2,5-二甲基-3-乙基吡嗪与爆米花味呈正相关。2-甲基-3-呋喃硫醇、糠硫醇、2-噻吩甲醇、2-甲基-3-甲硫基呋喃和2-甲基-3-(甲基二硫代)呋喃是美拉德反应中贡献肉香味的重要气味活性化合物。2-甲基-3-呋喃硫醇、2-甲基-3-甲硫基呋喃和2-甲基-3-(甲基二硫代)呋喃分布在y轴的右侧,结果见图2(b),说明它们与基本的肉味和浓厚味有着密切的关系。此外,苯乙醛、(E)-2-辛烯醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛也是重要的美拉德反应产物。苯乙醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛分布在鲜味附近,这意味着它们有可能促进对鲜味的感知。2,3-丁二酮、2,3-戊二酮和1-辛烯-3-酮具有黄油和蘑菇香气,并聚集在x轴的右侧,这意味着它们也许与焦煳味有一定的关系,此外,(E,E)-2,4-癸二烯醛、1-辛烯-3-醇、己醛、壬醛和庚醛对SHX-1和CHX-1的香气更为重要。根据rOAV计算结果,得出2-甲基-3-(甲基二硫代)呋喃的rOAV最高。其中CHX-3中的rOAV最高达到2 465。
2.3 氨基酸含量、核苷酸含量及肽分布的变化
氨基酸、核苷酸、肽类属于主要的不挥发性化合物,同时也参与美拉德反应产生挥发性化合物。分析了氨基酸含量、核苷酸含量及肽分布的变化,结果见图3。
图3 不同分子质量大豆蛋白和鸡肉酶解物美拉德反应前后氨基酸含量、总游离氨基酸含量的比例、核苷酸含量、肽分布的变化
美拉德反应前后各样品中16种氨基酸(TAA)总含量的变化见图3(a)。除了完全水解的FAA组外,大多数氨基酸仍以肽形式存在。在还原糖与肽的热反应过程中,肽会发生两种化学变化。一方面,肽降解成更小的部分和氨基酸,另一方面,肽可以直接与糖或其降解产物反应形成风味化合物[31]。TAA含量均发生了不同程度的下降,是因为肽在热反应过程中降解成氨基酸,氨基酸通过Strecker降解和热降解形成挥发性化合物,或是糖与氨基酸之间的交联形成非挥发性化合物[8,25-26]。
由图3(b)可见美拉德反应前后各样品中16种游离氨基酸的变化。有报道说在美拉德反应中,游离氨基酸的含量随着温度的升高而显著下降,这可能归因于氨基酸与糖或其降解产物之间的相互作用(交联作用)[32]。SHX-A和CHX-A这两种氨基酸样品在反应过程中游离氨基酸被大量消耗,因此含量显著下降,说明在极少量肽存在的情况下,美拉德反应中游离氨基酸主要参与美拉德产物的生成,此时游离氨基酸的交联作用起主要作用。出乎意料的是,SHX-2和CHX-2的反应后游离氨基酸/反应前游离氨基酸分别为1.07和1.13。本研究表明,1 000～5 000 Da中的游离氨基酸并没有大量减少,反而增多了一些。这说明在美拉德反应中1 000～5 000 Da的肽不仅以肽的形式参与反应,同时也降解成游离的氨基酸参加了反应,可能在1 000～5 000 Da肽美拉德反应中肽的降解反应强于肽与还原糖中的羰基交联。SHX-3和CHX-3的游离氨基酸减少,表明交联过程在小于1 000 Da的肽与木糖的美拉德反应中占主导地位。
由图3(c)可见美拉德反应前后各模型系统中样品中的5′-核苷酸含量,例如5′-GMP[SH：(40.7±1.3)mg/L,CH：(156.2±8.3)mg/L]、5′-IMP[SH：(31.6±1.5)mg/L,CH：(172.3±9.4)mg/L]、5′-CMP[SH：(12.1±1.05)mg/L,CH：(62.1±7.3)mg/L]、5′-AMP[SH：(57.8±1.25)mg/L,CH：(112.7±7.4)mg/L]和5′-XMP[SH：(34.1±1.7)mg/L,CH：(98.2±6.5)mg/L],它们在美拉德反应后呈现明显下降的趋势,例如5′-GMP[SHX：(25.4±2.57)mg/L,CHX：(84.0±4.5)mg/L]、5′-IMP[SHX：(17.8±1.06)mg/L,CHX：(73.3±6.3)mg/L]、5′-CMP[SHX：(6.2±0.4)mg/L,CHX：(31.6±5.7)mg/L]、5′-AMP[SHX：(40.6±1.72)mg/L,CHX：(62.5±5.2)mg/L]和5′-XMP[SHX：(23.5±2.9)mg/L,CHX：(71±4.1)mg/L]。
由图3(d)可见美拉德反应前后肽的分布的差异。在本研究中,在SHX-1和CHX-1中大于5 000 Da的肽分别减少了49.8%和32.8%,而小于5 000 Da的肽明显增加,表明大于5 000 Da的肽数量在美拉德反应中剧烈减少,并降解成更低分子质量的肽。之前的研究报道了通过还原糖和1 000～5 000 Da的肽之间的反应制备的美拉德肽不仅影响基本的口感品质,而且还增强“kokumi”,即一种满口感、持久性和连续性的感觉[7]。在SHX-2观察到1 000～5 000 Da的肽百分比仍然最高,其次是CHX-3。而在SHX-3和CHX-3中小于1 000 Da的肽分别降低到68.1%和72.1%,大于1 000 Da 的肽分别增加了31.9%和27.9%。这表明小于1 000 Da的肽更加容易发生交联和聚合现象,从而使大于1 000 Da的肽有增加的趋势。
目前,美拉德反应的研究主要集中在反应条件优化分析以及在寡肽/氨基酸-还原糖模型系统上,本研究以不同分子质量肽、氨基酸和葡萄糖为原料,研究了大豆蛋白和鸡肉酶解物中不同分子质量的肽和氨基酸对挥发性和非挥发性化合物形成的贡献。根据感官评价结果,肽和氨基酸的美拉德反应产物在基本的肉味、焦煳味和鲜味上差异较大。相比游离氨基酸,肽在美拉德反应风味形成中发挥更加重要的作用。同时,肽分子质量的大小也影响了美拉德反应产物的感官特性。研究结果发现,肽美拉德反应产物一方面产生更多的吡嗪和呋喃硫醇类气味活性化合物增强了肉香味,另一方面,通过产生小分子肽和游离氨基酸的方式增加口感。小于1 000 Da的肽可以贡献大量含氮和含硫化合物,如吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、5-甲基-2-乙基吡嗪、三甲基吡嗪、2-甲酰基吡咯、2-甲基-3-甲硫基呋喃、糠硫醇、2-乙酰基噻吩和2-噻吩甲醛等。大于5 000 Da的肽更容易通过美拉德反应降解为更低分子质量的肽和游离氨基酸。游离氨基酸促进了含硫化合物生成的反应,同时参与Strecker降解生成甲基丙醛、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛和苯乙醛以贡献香气。结合rOAV和PLSR,可以更清晰地分析样品的气味活性化合物和感官评价结果的联系。因此,这项研究工作的重要发现一定程度上揭示了大豆蛋白和鸡肉不同分子质量的肽及氨基酸的风味特征差异。除了气味化合物和非挥发性化合物的分析外,有关不同分子质量的肽关键气味活性化合物的形成还需要进一步考虑,以便优化肉香味物质的生产,提高产品质量。
引用格式：汤龙,宋焕禄,王丽金.不同分子质量大豆蛋白和鸡肉酶解物的美拉德反应产物风味特征分析[J].食品科学技术学报,2023,41(3)：148-162.
TANG Long,SONG Huanlu,WANG Lijin.Flavor characterizations of Maillard reaction products of enzymatical hydrolysates of soybean and chicken with different molecular weights[J].Journal of Food Science and Technology,2023,41(3)：148-162.
