韓 智，李 申，馬亞琴*，竇華亭*，龔 蕾，朱攀攀

（西南大學柑桔研究所，國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712）

橙汁模擬體系非酶褐變產(chǎn)物及評價標準

韓 智，李 申，馬亞琴*，竇華亭*，龔 蕾，朱攀攀

（西南大學柑桔研究所，國家柑桔工程技術研究中心，重慶 400712）

以橙汁中糖、氨基酸、抗壞血酸、檸檬酸為變量構建不同的非酶褐變模擬體系，通過研究體系貯藏期間3-羥基-2-吡喃酮（3-hydroxy-2-pyrone，3OH2P）、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、糠醛（furfural，2-F）3 種褐變產(chǎn)物的變化，確定褐變產(chǎn)物的可能來源；通過分析比較褐變度（A420nm）、褐變指數(shù)（browning index，BI）、總色差值（ΔE）3 種非酶褐變評價標準的相關性，確定不同評價標準是否有一致性。結果表明：果糖降解是生成5-HMF的主要途徑，3OH2P來源于抗壞血酸的降解，糖能促進2-F的生成；在含糖的模擬體系中，A420nm、BI、ΔE相互之間均呈顯著正相關（P＜0.05），這3 種評價標準具有一致性；然而在不含糖的體系中，A420nm與BI、Δ E均無顯著相關性（P＞0.05），這3 種評價標準存在差異性。

模擬體系；橙汁；非酶褐變；評價標準；相關性

橙汁是全球消費量最大的果汁飲料，也是世界上最受歡迎的飲料之一，其品質主要取決于色澤和風味，特別是色澤，直接決定了消費者的購買欲望[1]。非酶褐變是導致橙汁色澤劣變的直接原因，對非酶褐變基礎科學問題的研究有助于產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

科學評價非酶褐變程 度是研究果汁褐變相關問題的基礎。美拉德反應中間產(chǎn)物在420 nm波長處有最大吸收，常利用420 nm波長處吸光度（A420nm）確定果汁非酶褐變程度[2]。在蘋果汁[3]、梨汁[4]、香蕉汁[5]、桃汁[6]、荔枝汁[7]、龍眼汁[8]等果汁的非酶褐變評價中，A420nm得到普遍使用。然而橙汁非酶褐變產(chǎn)物復雜，僅用A420nm表示橙汁的褐變程度缺乏客觀性和科學性[9-10]。有研究[11-12]表明色差儀的色澤參數(shù)經(jīng)過公式計算而得來的褐變指數(shù)（browning index，BI）、ΔE能很好地表示橙汁褐變程度。研究A420nm、BI、ΔE這3 種評價標準的相關性對科學評價非酶褐變具有十分重要的意義。

A420nm、BI、ΔE這3種評價標準是基于顏色變化從而達到間接評價褐變的目的，這種顏色差異是由褐變產(chǎn)物濃度變化所造成的。3-羥基-2-吡喃酮（3-hydroxy-2-pyrone，3OH2P）、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、糠醛（furfural，2-F）被認為是橙汁的主要褐變產(chǎn)物[13]。已知3OH2P、2-F的形成與抗壞血酸降解相關，5-HMF則與糖降解相關[14-17]。不同褐變產(chǎn)物的具體來源、不同褐變產(chǎn)物與褐變評價標準的相關性研究對深入探究橙汁非酶褐變標準有重要意義。

通過模擬體系研究復雜食品的非酶褐變被證明是一種科學的方法，能得出有指導意義的結論[18]。本實驗通過構建不同橙汁模擬體系，對褐變產(chǎn)物的質量濃度變化、非酶褐變評價標準等內容進行分析，初步探究非酶褐變產(chǎn)物來源及不同褐變標準是否具有一致性，以期為橙汁非酶褐變的后續(xù)研究作一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果糖、葡萄糖、蔗糖、天冬氨酸、精氨酸、絲氨酸、丙氨酸、抗壞血酸、檸檬酸（均為分析純） 北京百靈威科技有限公司；磷酸二氫鉀（色譜純） 成都市科龍化工試劑廠；乙腈（色譜純） 美國Sigma公司；5-HMF、2-F標準品 美國ChromaDex公司；3OH2P（對照品） 煙臺凱博醫(yī)藥科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Ultimate 3000高效液相色譜儀 戴安（中國）有限公司；Color i5色差儀 美國Gretag Macbeth公司；TU-1901紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；FE20 pH計 梅特勒-托利多（上海）有限公司；FA2004B電子分析天平 上海精密科學儀器有限公司；SPX-150-Z 恒溫培養(yǎng)箱 上海博泰實驗設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 模擬體系的構建

參照橙汁基本營養(yǎng)物質組成，構建由4 種氨基酸、3 種簡單糖類、2 種酸組成的橙汁標準模擬體系，命名為M1[15]。為深入研究褐變產(chǎn)物來源及不同褐變評價標準的相關性，通過改變體系理化成分含量，構建其他5 種體系，分別命名為M2、M3、M4、M5、M6，模擬體系的具體構成如表1所示。所有模擬體系在50 ℃恒溫條件下貯藏，每10 d測定一次指標。

表1 橙汁模擬體系表Table1 Composition of model system of orange juice g/L

1.3.2 A420nm的測定

取適量待測樣品與等量丙酮混合均勻，測定420 nm波長處吸光度[2]。

1.3.3 BI、ΔE的測定

利用Color i5 色差儀測定模型溶液的色差值L*、a*、b*，并由公式（1）計算ΔE值，由（2）計算BI[6]。

1.3.4 3OH2P、5-HMF、2-F的測定

采用高效液相色譜法，色譜條件參照Shinoda等[15]的方法并稍作修改。色譜柱：WATERS C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：乙腈-5%乙酸（2∶98，V/V）；檢測波長：283 nm；流速：1.0 mL/min；柱溫：30 ℃；進樣量：20 μL。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結果與分析

2.1 非酶褐變產(chǎn)物的變化

2.1.1 模擬人體系中3OH2P的變化

圖1 模擬體系中3OH2P含量的變化Fig.1 Changes of 3OH2P content in all model systems

由圖1可知，M5（缺抗壞血酸）在整個貯藏期內均無3OH2P形成，說明抗壞血酸是生成3OH2P的必要條件?？箟难嵬ㄟ^有氧降解途徑脫氫生成脫氫抗壞血酸，然后脫水、脫羧形成酮木糖，最后脫水形成3OH2P[14]。在所有含抗壞血酸的模擬體系中，3OH2P均呈現(xiàn)先快速上升后急速下降的趨勢，這可能是因為在貯藏前期，抗壞血酸迅速降解生成3OH2P，后快速降解。然而Hsu等[16]發(fā)現(xiàn)抗壞血酸-乙醇溶液的降解產(chǎn)物3OH2P的含量隨貯藏時間累積升高，并認為3OH2P是抗壞血酸的終端產(chǎn)物。在本實驗條件下，3OH2P變化趨勢并不是Hsu等[16]描述的，其原因可能是3OH2P在酸性條件下與共存的糖、氨基酸發(fā)生相互作用。與M6（不含糖）相比，所有含糖體系在貯藏50 d后3OH2P完全降解，這說明糖及其降解產(chǎn)物在貯藏后期可能促進3OH2P的降解。

2.1.2 模擬人體系中5-HMF的變化

圖2 模擬體系中5-HMF含量的變化Fig.2 Changes of 5-HMF content in all model systems

由圖2可知，在M 6（缺少糖）中并未檢測到5-HMF，而其他體系均有5-HMF的積累，這說明在這6 種模型溶液中，糖是5-HMF生成的必要條件，抗壞血酸和氨基酸并不能生成5-HMF。5-HMF的形成可能與糖受熱降解有關，己糖（葡萄糖、果糖）經(jīng)歷脫水、裂解、異構化等化學反應，最終生成5-HMF；而蔗糖在酸性環(huán)境下水解為還原糖后再形成5-HMF[17]。

在第10～60天中，M2（含90 g/L葡萄糖）中5-HMF從0.98 mg/L增長為29.15 mg/L，而M3（含90 g/L果糖）中5-HMF從40.09 mg/L增長為495.96 mg/L。在50 ℃條件下貯藏60 d后，等量果糖、葡萄糖、蔗糖形成5-HMF能力不同，果糖為葡萄糖的17 倍，蔗糖為葡萄糖的12 倍。在酸性環(huán)境下（pH 2～6），果糖的反應活性比葡萄糖高5 倍，果糖形成呋喃果糖基陽離子的能力強于葡萄糖，且進行烯醇化反應比葡萄糖更快，更容易生成5-HMF[19-20]。

2.1.3 模擬體系中2-F的變化

圖3 模擬體系中2-F含量的變化Fig.3 Changes of 2-F content in all model systems

由圖3可知，M5（缺少抗壞血酸）在前30 d并無2-F生成，但隨后顯著升高（P＜0.05）。在10～30 d貯藏期內，與標準模擬體系（M1）相比，移除糖類（M6）后，2-F含量在貯藏10、20、30 d時分別下降了41%、52%、64%，這說明糖的存在能促進2-F的生成。從圖3中M2、M3、M4可以看出，不同種類糖促進2-F生成的能力不同，其能力大小為蔗糖＞葡萄糖＞果糖。M5中并不存在抗壞血酸降解反應，因此30 d后形成2-F最可能與貯藏后期生成的醛糖酸有關。已有研究[21-24]表明橙汁及其模擬體系中抗壞血酸的降解是生成2-F的主要途徑；戊糖、醛糖酸的降解也是形成2-F的途徑之一；2-F還可以與氨基化合物繼續(xù)反應并參與美拉德后期反應，最終生成黑色素。

2.2 非酶褐變評價標準的變化

2.2.1 A420nm的變化

圖4 模擬體系A42200nnmm的變化Fig.4 Changes of A420nmin all model systems

通過對圖4分析得出，在相同貯藏時間內M 3（含90 g/L果糖）的褐變度均顯著高于其他模擬體系（P＜0.05）；M1～M5的褐變度隨貯藏時間延長顯著上升（P＜0.05）；M6（缺糖）的褐變度隨時間變化不顯著，呈現(xiàn)先升后降趨勢。

貯藏60 d后，M2（含90 g/L葡萄糖）、M3（含90 g/L果糖）、M4（含90 g/L蔗糖）的褐變度分別為M1的105%、209%、186%，這表明等量葡萄糖、果糖、蔗糖在非酶褐變中的貢獻率不同，貢獻率由大到小為果糖＞蔗糖＞葡萄糖。將M5（缺抗壞血酸）與M1（標準模擬體系）對比，發(fā)現(xiàn)移除抗壞血酸能使褐變度降低30%～50%，說明抗壞血酸降解是非酶褐變主要來源之一。

2.2.2 Δ E的變化

表2 模擬體系ΔE變化情況Table2 Changes of total color difference in all model systems

由表2可以看出，在相同貯藏時間內，M3（含90 g/L果糖）、M4（含90 g/L蔗糖）的ΔE均顯著高于其他4 種模擬體系（P＜0.05），而M5（缺抗壞血酸）的ΔE顯著低于其他體系（P＜0.05）。這表明在貯藏過程中M3、M4發(fā)生非酶褐變所產(chǎn)生的色澤變化是最大的，而M5（缺抗壞血酸）產(chǎn)生非酶褐變導致的色澤變化是最不明顯的。Limbo等[25]用ΔE=1.5作為視覺能否分辨的界限，當ΔE＜1.5時，色澤的變化在視覺上是無法察覺的。在所有模擬體系中，僅有M5（缺抗壞血酸）在前40 d貯藏期內色澤變化不易察覺，其他所有體系在觀測期內色澤變化均明顯。

2.2.3 褐變評價標準相關性分析

表3 不同模擬體系褐變評價標準相關性分析Table3 Correlation analysis of browning evaluation criteria in different model systems

由表3可知，除M6（缺糖）外，其他所有含糖體系的A420nm與BI、ΔE均顯著相關（P＜0.05）。BI與ΔE在所有模擬體系中均具有極顯著相關性（P＜0.01）。在M6中，A420nm與BI、A420nm與ΔE無顯著相關性（P＞0.05），這可能與A420nm的評價原理相關。A420nm與美拉德反應中期產(chǎn)物質量濃度呈正比，糖是參與美拉德反應的重要底物之一，與其他體系相比，M6缺少糖，因此在此體系中可能并未累積美拉德反應產(chǎn)物。而A420nm的變化可能與抗壞血酸降解、氨基酸脫水縮合的產(chǎn)物相關，這表明用A420nm表示非酶褐變程度存在一定的局限性。ΔE與BI在所有體系中均表現(xiàn)為極顯著性相關，可能是因為ΔE和BI均是通過色差儀L*、a*、b*值計算得來，其測定原理一致，因此在不同體系中均具有極顯著相關性。

由相關性分析可知，在含糖橙汁模擬體系中，這3 種褐變評價指標具有相同的評價效果。但是，由于褐變評價原理不同，在缺少糖的模擬體系中，A420nm與BI、Δ E評價結果不同。

2.2.4 褐變產(chǎn)物與褐變指標相關性分析

表4 標準模擬體系（M1）褐變產(chǎn)物與褐變評價指標相關性Table4 Correlation analysis between browning products and evaluation criteria in standard model system (M1)

如表4所示，3OH2P與3 種褐變評價指標均無顯著相關性（P＞0.05），而5-HMF、2-F與3 種褐變評價標準均呈極顯著正相關（P＜0.01）。由此可知，相比于3OH2P，5-HMF和2-F能更好地反映非酶褐變程度，可能是導致橙汁發(fā)生褐變現(xiàn)象的主要產(chǎn)物，可作為橙汁褐變指示物。

3 結 論

通過模擬體系研究發(fā)現(xiàn)5-HMF主要來源于果糖的降解，抗壞血酸和氨基酸的降解并不產(chǎn)生5-HMF；3OH2P來源于抗壞血酸降解，糖和氨基酸的降解并不生成3OH2P；2-F主要來源于抗壞血酸的降解，糖能夠促進2-F的生成。研究還發(fā)現(xiàn)等量果糖、葡萄糖、蔗糖對非酶褐變貢獻不同，從大到小為果糖＞蔗糖＞葡萄糖，這表明橙汁中果糖相對含量越高，橙汁可能越容易褐變。

通過對不同褐變評價標準的相關性分析發(fā)現(xiàn)，A420nm、ΔE、BI在含糖的模擬體系中均呈顯著正相關（P＜0.05），表明它們具有一致性；而在不含糖體系中，A420nm與ΔE、A420nm與BI均無顯著相關性（P＞0.05），表明它們具有差異性。在利用模擬體系研究橙汁非酶褐變問題時，應使用不同評價標準對褐變程度進行評價，以此驗證研究結果的科學性。另外，在標準模擬體系中，5-HMF、2-F與3 種評價標準均極顯著正相關（P＜0.01），說明5-HMF、2-F可能是引起橙汁褐變的關鍵產(chǎn)物，可考慮作為非酶褐變指示物。

[1] WIBOWO S, GRAUWET T, SANTIAGO J S, et al. Quality changes of pasteurised orange juice during storage: a kinetic study of specifi c parameters and their relation to colour instability[J]. Food Chemistry, 2015, 187: 140-151.

[2] VALDRAMIDIS V P, CULLEN P J, TIWARI B K, et al. Quantitative modelling approaches for ascorbic acid degradation and non-enzymatic browning of orange juice during ultrasound processing[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 96(3): 449-454.

[3] 郭善廣, 仇農(nóng)學. 蘋果濃縮汁非酶褐變動力學及影響因素[J]. 食品科學, 2010, 31(23): 79-83.

[4] 徐芹. 碭山酥梨果汁褐變機理及控制技術研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學, 2008.

[5] 劉小玲, 張文燦, 姜元欣, 等. 香蕉全果原汁貯藏期間的非酶褐變分析[J]. 食品科學, 2010, 31(18): 411-415.

[6] 阮衛(wèi)紅, 鄧放明, 畢金峰, 等. 桃汁熱處理過程中非酶褐變動力學研究[J]. 食品科學, 2014, 35(1): 50-55. doi: 10.7506/spkx1002-6630-201401010.

[7] 萬鵬, 劉亮, 潘思軼, 等. 熱處理對荔枝果汁品質的影響[J]. 食品科學, 2010, 31(7): 22-27.

[8] 劉暢. 內源因子對龍眼汁非酶褐變影響研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學, 2008.

[9] MATIACEVICH S, PILARBUERA M. A critical evaluation of fl uorescence as a potential marker for the Maillard reaction[J]. Food Chemistry, 2006, 95(3): 423-43 0.

[10] 黎婕, 陳中, 林偉鋒, 等. 分光光度法分析柚子果肉汁的非酶褐變[J].食品工業(yè)科技, 2012, 33(21): 90-92; 95.

[11] KOCA N, BURDURLU H S, KARADENIZ F. Kinetics of nonenzymatic browning reaction in citrus juice c oncentrates during storage[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2004, 27(6): 353-360.

[12] WANG Siyuan, LIN Tiantian, MAN Guowei, et al. Effects of antibrowning combinations of ascorbic acid, citric acid, nitrogen an d carbon dioxide on the quality of banana smoothies[J]. Food and Bioprocess Technology, 2014, 7(1): 161-173.

[13] BHARATE S S, BHARATE S B. Non-enzymatic browning in citrus juice: chemical markers, their detection and ways to improve product quality[J]. Journal of Food Science and Technology, 2014, 51(10): 2271-2288.

[14] YUAN Jianping, CHEN Feng. Degradation of ascorbic acid in aqueous solution[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1998, 46(12): 5078-5082.

[15] SHINODA Y, MURATA M, HOMMA S, et al. Browning and decomposed products of model orange juice[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2004, 68(3): 529-536.

[16] HSU H, TSAI Y, FU C, et al. Degradation of ascorbic acid in ethanolic solutions[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, 60(42): 10696-10701.

[17] 張玉玉, 宋弋, 李全宏. 食品中糠醛和5-羥甲基糠醛的產(chǎn)生機理、含量檢測及安全性評價研究進展[J]. 食品科學, 2012, 33(5): 275-280.

[18] 韓希鳳, 李書啟. 利用模擬體系研究大棗濃縮汁的非酶褐變機制[J].食品工業(yè)科技, 2015, 36(7): 105-108; 117.

[19] PEREZ LOCAS C, YAYLAYAN V A. Isotope labeling studies on the formation of 5-(hydroxymethyl)-2-furaldehyde (HMF) from sucrose by pyrolysis-GC/MS[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(15): 6717-6723.

[20] 張玉玉, 張興, 章慧鶯, 等. 3 種單糖模擬體系中5-羥甲基糠醛的形成動力學分析[J]. 食品科學, 2014, 35(17): 41-47. doi: 10.7506/ spkx1002-6630-201417009.

[21] KANNER J, HAREL S, FISHBEIN Y, et al. Furfural accumulation in stored orange juice concentrates[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1981, 29(5): 948-949.

[22] LI Zhongfu, SAWAMURA M, YANO H. Effect of oxygen on the browning and formation of furfural in Yuzu juice[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1989, 53(7): 1979-1981.

[23] HUYGHUES-DESPOINTES A, YAYLAYAN V A. Retro-aldol and redox reactions of Amadori compounds: mechanistic studies with variously labeled D-[13C] glucose[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1996, 44(3): 672-681.

[24] SHINODA Y, KOMURA H, HOMMA S, et al. Browning of model orange juice solution: factors affecting the formation of decomposition products[J]. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2005, 69(11): 2129-2137.

[25] LIMBO S, PIERGIOVANNI L. Shelf life of minimally processed potatoes. Part 1. Effects of high oxygen partial pressures in combination with ascorbic and citric acids on enzymatic browning[J]. Postharvest Biology and Technology, 2006, 39(3): 254-264.

Reaction Products and Evaluation Criteria of Non-Enzymatic Browning in Model Orange Juice

HAN Zhi, LI Shen, MA Yaqin*, DOU Huating*, GONG Lei, ZHU Panpan
(National Citrus Engineering Research Center, Citrus Research Institute, Southwest University, Chongqing 400712, China)

A model solution of orange juice containing sugars, amino acids, ascorbic acid and citric acid was prepared. The formation of non-enzymatic browning reaction products including 3-hydroxy-2-pyrone（3OH2P), 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) and furfural (2-F) was examined during storage, and meanwhile the correlation analysis of browning evaluation criteria including absorbance value at 420 nm (A420nm), browning index (BI) and total color difference(ΔE) were also measured. The results indicated that 5-HMF and 3OH2P mainly derived from fructose and ascorbic acid, respectively, while the formation of 2-F was stimulated by sugars. Signifi cant positive correlations (P ＜ 0.05) were found among A420nm, BI and Δ E in system containing sugars, but no signifi cant relationship (P ＞ 0.05) was found in system lacking sugars.

model system; orange juice; non-enzymatic browning; evaluation criteria; correlation analysis

TS255.44 ；TS201.2

A

1002-6630（2015）22-0117-05

10.7506/spkx1002-6630-201522021

2015-05-27

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項（CARS-27-05B）；中央高校基本科研業(yè)務費專項（XDJK2015B004）

韓智（1990—），男，碩士研究生，研究方向為食品化學與營養(yǎng)。E-mail：han2299@126.com

*通信作者：馬亞琴（1978—），女，副研究員，博士，研究方向為食品科學。E-mail：myaya211@163.com

竇華亭（1961—），男，研究員，博士，研究方向為食品科學。E-mail：hdou33880@yahoo.com