《食品科学》：丙氨酸和丁二酮Maillard反应形成烷基吡嗪化合物动力学分析

美拉德反应是食品热加工或长期贮藏后香气和色泽至关重要的来源。烷基吡嗪作为挥发性美拉德反应产物其中一类独特的风味物质，具有烤香、咖啡香、肉香、炒芝麻香、坚果香、花生香等强烈的芳香特征。烷基吡嗪既可单独使用，也可与其他香气产生叠加效果，使香味更加丰富多彩。对咖啡和面包等烘焙食品，葵花籽油等粮油产品，醋类、酒类和酱类等发酵制品的风味品质评价都具有重要指导性意见。一直是香精香料学、食品加工工艺学、食品化学等领域研究热点。

在美拉德反应中二羰基化合物是烷基吡嗪生成的关键前体。另有研究指出乙偶姻是烷基吡嗪生成的重要前体物质之一，2,3-丁二酮（2,3-BD）又为乙偶姻的下游物质。因此，福建农林大学食品科学学院的林珮璇、张宏婧、陈继承*选以2,3-BD为美拉德反应羰基化合物来源，构建丙氨酸（alanine，Ala）-2,3-BD反应体系，通过高效液相色谱（HPLC）法研究反应温度、时间、pH值对烷基类吡嗪化合物生成规律的影响，并通过数学拟合构建动力学模型，确定烷基类吡嗪化合物的表观活化能，以期为深入探讨吡嗪类化合物反应机理提供参考。

1、烷基吡嗪化合物生成随反应时间变化的关系

由图1A观察到，TriMP随反应时间变化趋势与总含量相似，反应10 h后含量趋于稳定（P＞0.05）。DMPs反应8 h后含量增长也趋于平缓，其中2,6-DMP在体系反应中生成量最小，在2～12 h之间，质量浓度从1.28 mg/L上升至2.01 mg/L；2,5-DMP随时间的延长稳步增长，质量浓度最高达13.74 mg/mL；不同的是，2,3-DMP的增长速率在反应后段（12 h）含量略有下降。

如图1B所示，乙基类吡嗪化合物较甲基类吡嗪化合物总生成量大，且随时间的延长显著增加（P＜0.05）。图1B中明显观察到EP具有较大的生成量。EP是吡嗪环的2-位经甲基单取代而来，Yu Ainong等在L-抗坏血酸和L-谷氨酸反应体系研究中曾指出此类乙基吡嗪类化合物是来自抗坏血酸降解产生的丁二酮，与本实验结果具有共通性，2,3-BD为吡嗪类化合物生成直接创造了前体物质条件。

2、烷基吡嗪化合物生成随反应温度变化的关系

如图2所示，在60～120 ℃，反应4 h，体系鉴定得到烷基吡嗪种类齐全且具有显著差异（P＜0.05）。由图2A可知，甲基类吡嗪含量随温度变化显著（P＜0.05），在100 ℃条件下总质量浓度达到最高值42.95 mg/L，随温度的递增含量出现了回落。TriMP、TMP和2,3-DMP随温度变化趋势均与总含量表现相似。其中TriMP和2,3-DMP在100 ℃温度范围内呈现上升趋势，且生成量达到最高分别为8.87 mg/L和6.89 mg/L。TMP生成表现略有差别，在90 ℃时达到最高生成量（15.84 mg/L）随后呈下降趋势，但在120 ℃条件下仍有22.6%的检出率，在所有甲基类吡嗪中具有较高的检出比例。

如图2B所示，乙基类吡嗪化合物随温度变化呈现正相关性（P＜0.05）。其中EP和E-5-MP随温度升高均呈较大幅度增加，最高质量浓度分别达到42.12 mg/L和18.64 mg/L。E-3-MP随温度变化最为平缓，60～120 ℃含量仅增加了27.8%，与时间变化趋势相同。但在低温条件下，E-5-MP在体系中的生成比例低于E-3-MP，说明E-5-MP的生成需要一定温度条件驱动才有利于激发。对体系中烷基类吡嗪总体而言，乙基类吡嗪化合物总质量浓度较甲基类吡嗪化合物质量浓度高33.32 mg/L，这主要归因于EP对总含量的贡献。

3、反应pH值对烷基吡嗪化合物生成影响

由表2可知，当反应溶液pH值小于6时，除EP外体系中未检测出其他类吡嗪；当反应溶液pH值大于6时，吡嗪检出种类明显丰富且含量有所增加，与前人结论一致。在pH 6的溶液中开始达到3种乙基类吡嗪检出的条件，但甲基类吡嗪仍有部分缺失。本研究中，在pH 8～9溶液中，目标烷基类吡嗪化合物得到完全检出，值得注意的是，仅TMP和E-3-MP含量上具有显著差异（P＜0.05），但在pH 9时，吡嗪总质量分数显著增加至31.52 mg/L（P＜0.05），与前期研究发现一致趋势。结果证明，碱性条件下更有利于吡嗪化合物的生成，碱性条件下可能有利于促进氨基和羰氨的反应性，使美拉德反应发生更剧烈从而促进吡嗪的生成。

4、动力学研究

从图3、表3可以看出，反应温度越高，反应时间越长，产生的烷基类吡嗪也越多，这与前期研究具有一致性。图3A显示DMPs的形成较好地拟合了一级动力学模型，速率常数k在60、80、90 ℃条件下分别为0.038 64、0.054 32、0.060 21 mmol/（L·h），并且R2均大于0.9。如图3B、C所示，在60 ℃条件下反应2 h，TriMP平均产量从0.020 19 mmol/L提高到0.084 03 mmol/L（120 ℃条件下反应12 h），TMP从0.018 53 mmol/L 提高到0.174 1 mmol/L，在不同时间下TMP随反应温度升高的浓度变化较TriMP高。与DMPs不同，具有3个甲基取代位点和4个甲基取代位点的TriMP和TMP生成均较好的符合零级动力学模型，与前期研究一致。

如图3D所示，EP的生成同DMPs遵循一级反应动力学，在不同时间下随温度的升高，EP表现出较高的生成量。在60 ℃条件下反应2 h，平均产量从0.098 18 mmol/L提高到0.414 49 mmol/L （120 ℃条件下反应12 h）。EP速率常数k分别为0.051 28、0.088 26、0.113 01 mmol/（L·h），相应R 2 值为0.975 4、0.995 8和0.961 4，具有较好地拟合效果，且具有最高的活化能（26.5036 kJ/mol）。此外2 种甲基取代的乙基类吡嗪化合物均遵循零级动力学模型（图3E和图3F），且具有较好的拟合效果（R 2 介于0.986 4～0.999 9之间）。

结论

总体而言，较高的反应温度和较长的反应时间有利于吡嗪类化合物的生成，但过长的时间以及过高温度加速了美拉德反应进程，推进物质的转化，可能更多生成了诸如类黑精等产物，从而在反应后段观察到TriMP、TMP和2,3-DMP出现含量降低的现象。烷基类吡嗪的形成具有碱催化效应，碱性条件下可能更有利于氨基和羰氨的反应性，使美拉德反应发生更剧烈从而促进吡嗪的生成，在pH 9的条件下吡嗪总量高达（31.52±1.35） mg/L。不同烷基吡嗪的生成过程中具有不同的生成速率，尽管烷基吡嗪在不同时间随温度变化生成浓度不同，但仍有部分吡嗪的生成动力学具有一定相似性。除DMPs和EP遵循一级动力学模型，其他吡嗪与零级动力学模型具有更好的拟合效果。3种甲基类吡嗪和乙基类吡嗪中的E-3-MP表观活化能具有一定相近性，此外E-5-MP所需的活化能最低，与吡嗪生成途径α-二羰基化合物缩合与氧化及其对温度敏感性密切相关。本研究结果为进一步明确吡嗪类化合物生成规律和反应机理提供参考。

本文《丙氨酸和丁二酮Maillard反应形成烷基吡嗪化合物动力学分析》来源于《食品科学》2022年43卷2期41-47页，作者：林珮璇，张宏婧，陈继承。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20201225-294。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网。

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