酪蛋白美拉德产物的制备、性质及在烟草中的应用研究

摘要

美拉德(Maillard)反应是烟草特征香味形成的重要反应之一,其产物是重要的香气前体物质,反应制备的美拉德产物在烟草燃烧时产生的香气也与烟香非常协调,因此美拉德反应已成为烟草业减害增香的一项关键技术;D-柠檬烯可以抑制烟草中致癌物质的毒性,但由于易氧化和易挥发,限制了其在烟草中应用的有效性,采用美拉德产物包埋可以提高保留率,在卷烟燃吸时释放降低烟气毒害,同时美拉德产物(MRPs)可以增强烟草香气,一定程度上解决了烟草减害增香的问题。
　　 本论文制备了酪蛋白.葡萄糖美拉德产物,研究了其组成、性质和在烟草中应用的效果,主要内容如下:
　　 分析了反应参数对产物主要性质(乳化性和抗氧化性)的影响,确定了加热温度、加热时间和起始pH是主要影响因素,采用响应面法优化了制备工艺,在酪蛋白与葡萄糖质量比为0.5,底物浓度20％(w/v),起始pH12.0,102℃下油浴回流加热130分钟时,得到的产物具有较高的抗氧化性和乳化能力;HPLC和SDS-PAGE分析表明:相对分子质量的分布从几万到几百万的组分在产物中占有较高比例,中等分子量组分较少,小分子产物占有一定比例。产物主要是大分子的蛋白黑素(melanoprotein)和蛋白质与糖或糖降解产物反应生成的物质;红外光谱表明大分子的美拉德产物是蛋白质与糖降解产物交联形成的,这些交联产物含有发色团,呈现明显的棕褐色。
　　 研究了美拉德产物的溶解性、流变性质、与风味物质的相互作用和抗氧化活性,美拉德反应能够提高酪蛋白的溶解性,使酪蛋白的等电点向低pH移动,反应得到的美拉德产物是一种典型的非牛顿型流体,存在剪切变稀性质;美拉德产物与大部分风味化合物存在相互作用,加入食品能够延缓风味的释放;
　　 氨基酸分析表明美拉德反应主要发生在蛋白质游离的赖氨酸和精氨酸侧链上。反应过程中游离氨基酸和挥发性风味物质的分析结果表明在加热过程中蛋白质会部分降解成氨基酸,生成的氨基酸与糖或糖降解产物反应生成挥发性物质和其他复杂产物,蛋白质能够促进糖降解成为糖片断,片断分子参与了挥发性物质的生成,产生了酸、酮、醛和酯等物质,氨类化合物的strecker降解生成了醛和吡嗪类物质。
　　 抗氧化结果表明MRPs具有较强的还原能力、金属离子螯合能力、抑制脂质氧化能力和清除自由基能力,在低浓度时具有量效关系。在美拉德产物中分子量大于50kDa的组分是主要MRPs;超滤组分的抗氧化结果表明:分子量大于50kDa的组分具有最强的还原能力和金属离子螯合能力,小分子的产物具有最好的清除DPPH自由基的能力,而抑制脂质氧化能力是通过清除自由基和螯合金属离子的协同作用,分子量5～10kDa和30～50kDa的组分具有较强的抑制脂质氧化能力。
　　 采用凝胶过滤色谱(Sephadex G-75)分离分子量大于50kDa的组分,得到了两个在220nm、280nm和420nm都有吸收的组分,分子量较大组分具有较强还原能力和金属离子螯合能力;红外光谱(FT-IR)结合酸水解单糖测定结果显示蛋白黑素主要为发色基团(糖降解产物)与蛋白质氨基基团共价结合的产物。蛋白黑素酶解产物仍然具有还原能力和清除自由基能力,胃蛋白酶酶解物比胰蛋白酶酶解物具有较高清除DPPH能力。采用SDS-PAGE和HPLC测定了分子量分布,结果表明蛋白黑素对胰蛋白酶水解有一定抗性。RP-HPLC和UPLC-MALDI-TOF-MS显示蛋白黑素和蛋白黑素酶解产物不能较好分离,产物是一系列的物质,发色团不是单一物质,结合裂解气相色谱-质谱(Pyrolysis-GC-MS)分析,发现蛋白黑素主要是酪蛋白与糖降解产物(如吡咯、呋喃和羰基化合物等)共价结合的产物,产物中存在苯环结构,热裂解生成苯酚和吲哚等苯衍生物。
　　 采用美拉德产物为壁材对D-柠檬烯进行了微胶囊化,将微胶囊水溶液添加到烟草中能够提高D-柠檬烯的保留率,裂解试验证明燃吸时能够释放进入烟气。D-柠檬烯微胶囊化能够提高稳定性,优化的工艺条件为:芯壁比0.125,壁材浓度20％(w/v),高速分散速度和时间分别为12000rpm和2min,均质压力和次数为45MPa和3次,干燥入口和出口温度分别为185℃和80℃;得到没有明显裂缝和空洞的球形微胶囊,干燥条件下存放具有较好稳定性。
　　 酪蛋白-葡萄糖MRPs裂解产物与酪蛋白-葡萄糖混合物裂解产物相比,杂环化合物增加了,生成了分子量相对较大的挥发性产物,其中多数产物是烟草香味物质,如呋喃酮具有果香,吲哚增加了烟草的白肋烟香气,邻苯二甲酸二异丁酯具有微香,能够增加烟草香气,苯甲醛具有苦杏仁的特殊香气,增强烟草自然香气,含氮杂环化合物能够增强烟草的烤香和焦甜香。美拉德产物在裂解过程中不仅裂解产生大量碱性香气物质,如吡嗪和吡啶类物质,而且还生成了许多的醇、醛、酮、酯和酸类成分,这些成分与烟草裂解成分相近,都是烟草烟气中的关键致香成分或烟草调香常用的香料。从添加MRPs的烟草热解化学成分来看,加入美拉德产物能够降低醛类物质、增加烟草的白肋烟香气、增强烟草的烤香和焦甜香、提高烟气浓度和烟气中含氮类物质,使烟气中游离烟碱浓度提高,增加烟气劲头,烟气更加丰满和协调,添加的D-柠檬烯能够释放进入卷烟烟气中,一方面缓和了烟气的刺激性,改善了余味,增加了香气,更为重要的是可以起到减害的功效。感官评析结果证明了这一结论,在烟草膨胀梗丝中添加酪蛋白-葡萄糖MRPs,可以明显提高烟草香气,提高膨胀梗丝的使用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:缩略语

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 本课题国内外研究进展

1.2.1 美拉德反应产物在烟草减害增香方面的应用

1.2.2 美拉德反应研究进展

1.2.3 D-柠檬烯功能性及稳定化研究进展

1.3 本课题的研究内容

参考文献

第二章 酪蛋白美拉德产物的制备

2.1 前言

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.3.1 常规成分分析

2.3.2 样品的制备

2.3.3 褐变程度的测定

2.3.4 中间产物的测定

2.3.5 乳化活力的测定

2.3.6 还原力的测定

2.3.7 聚丙烯酰胺凝胶电泳

2.3.8 分子量分布测定

2.3.9 响应面试验

2.3.10 单糖的测定

2.3.11 邻苯二甲醛法测定游离氨基基团

2.3.12 游离氨基酸测定

2.3.13 数据处理

2.4 结果与讨论

2.4.1 酪蛋白基本组成

2.4.2 乳化能力的比较

2.4.3 还原力的比较

2.4.4 反应条件的确定

2.4.5 相关性分析

2.4.6 最佳反应条件的确定

2.4.7 反应中单糖的变化

2.4.8 反应过程中游离氨基基团的变化

2.4.9 反应过程中游离氨基酸的变化

2.4.10 美拉德产物的分子量分布

2.5 本章小结

参考文献

第三章 美拉德产物的组成与理化性质

3.1 前言

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.3.1 样品的制备

3.3.2 体系pH和吸光度的测定

3.3.3 溶解性的测定

3.3.4 超滤

3.3.5 总糖的测定

3.3.6 氨基酸组成分析

3.3.7 流变性质的测定

3.3.8 红外光谱分析

3.3.9 美拉德产物与风味物质的相互作用

3.3.10 SDS-PAGE

3.3.11 气相色谱-质谱联用分析美拉德产物中挥发性组分

3.3.12 数据处理

3.4 结果与讨论

3.4.1 反应过程中体系物理指标的变化

3.4.2 美拉德产物中不同分子量组分组成

3.4.3 美拉德产物各组分总糖含量

3.4.4 美拉德产物的红外光谱分析

3.4.5 美拉德产物氨基酸组成分析

3.4.6 美拉德产物的溶解性

3.4.7 美拉德产物的流变性质

3.4.8 美拉德产物与风味物质的相互作用

3.4.9 美拉德反应时间对蛋白质分子量的影响

3.4.10 反应中挥发性物质的变化

3.5 本章小结

参考文献

第四章 美拉德产物及其酶解物的抗氧化性分析

4.1 前言

4.2 实验材料

4.3 实验方法

4.3.1 美拉德产物的制备

4.3.2 超滤

4.3.3 凝胶柱层析

4.3.4 HPGPC

4.3.5 红外光谱分析

4.3.6 圆二色性测定

4.3.7 单糖的测定

4.3.8 抗氧化活性测定

4.3.9 酶法水解

4.3.10 HPLC

4.3.11 分子量测定

4.3.12 LC-MS

4.3.13 数据处理

4.4 结果与讨论

4.4.1 美拉德产物的抗氧化活性

4.4.2 不同分子量组分的抗氧化活性比较

4.4.3 大分子美拉德产物的凝胶过滤色谱分离

4.4.4 HPGPC分析ME1组分

4.4.5 美拉德产物ME1的结构

4.4.6 大分子美拉德产物的二级结构

4.4.7 酶解产物的HPLC分析

4.4.8 美拉德产物ME1酶解物的分子量分布

4.4.8 酶解产物抗氧化活性的比较

4.4.9 ME1水解物的构成

4.5 本章小结

参考文献

第五章 美拉德产物为壁材对D-柠檬烯的微胶囊化

5.1 前言

5.2 实验材料

5.3 实验方法

5.3.1 美拉德产物的制备

5.3.2 微胶囊的制备

5.3.3 微胶囊化产率的测定

5.3.4 微胶囊化效率的测定

5.3.5 D-柠檬烯的测定

5.3.6 表面D-柠檬烯的测定

5.3.7 微胶囊中壁材的测定

5.3.8 D-柠檬烯的保留率的测定

5.3.9 扫描电镜测定

5.3.10 微胶囊贮存稳定性的测定

5.3.11 热性质测定

5.3.12 数据处理

5.4 结果与讨论

5.4.1 微胶囊化工艺参数对微胶囊的影响

5.4.2 贮存稳定性

5.4.3 微胶囊的外观结构

5.4.4 微胶囊的玻璃化相变温度

5.4.5 微胶囊的热失重

5.5 本章小结

参考文献

第六章 美拉德产物在烟草中的应用

6.1 前言

6.2 实验材料

6.3 实验方法

6.3.1 美拉德产物和D-柠檬烯微胶囊的制备

6.3.2 烟草样品的制备

6.3.3 烟草样品感官分析

6.3.4 裂解气相色谱-质谱分析

6.3.5 卷烟烟气常规分析

6.3.6 热重分析

6.3.7 电子鼻测定卷烟样品

6.3.8 数据处理

6.4 结果与讨论

6.4.1 添加美拉德产物和D-柠檬烯对烟草梗丝感官质量的影响

6.4.2 添加MRPs对卷烟烟气常规成分影响

6.4.3 烟草梗丝裂解产物的比较

6.4.4 美拉德反应底物及其产物的裂解成分

6.4.5 几种物质裂解成分的比较

6.4.6 美拉德产物的热分解

6.4.7 电子鼻测定添加美拉德产物卷烟

6.5 本章小结

参考文献

主要结论

论文创新点

攻读博士期间发表的论文成果

致谢

附录