美拉德产物中HMF和4-MeI的形成机理与反应过程控制研究

In order to detail the mechanism on the formation and reducing of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) and 4-methylimidazole (4-MeI) in the Maillard reaction, glucose, 13C labeled in different C atom, will be used to react with free ammonia, primary amine and secondary amine, respectively. Containing 13C labeled Maillard reaction intermediate products (13C MRIPs), such as imide, N-(1-deoxy-D-fructos-1-yl) amine and dicarbonyl compounds, will be isolated and purified. Then, the degradation of 13C MRIPs will be monitored using tandem mass spectrum (MS/MS) and nuclear magnetic resonance (NMR) to investigate the mechanism on the formation of HMF and 4-MeI, and the difference of the Maillard reactions induced by glucose with free ammonia, primary amine and secondary amine, respectively. According to our early research, such as the polar moment accelerating electron transfer to promote the Maillard reaction, physical and chemical means will be used to change the reaction system to clear the changes of the 13C MRIPs. At last, a proposed mechanism on the formation and reducing of HMF and 4-MeI in the Maillard reaction will be suggested. The aim of the present work is improving the safety and functional activity of the Maillard reaction products, and providing a proposed theory in basic science of food processing.

本课题以葡萄糖-胺（氨）类物质的美拉德反应体系为研究对象，以13C标记碳链上不同C原子的葡萄糖为起始反应物，分离亚胺、N-脱氧果糖基氨基酸、二羰基化合物、5-羟甲基糠醛（HMF）和4-甲基咪唑（4-MeI）等所有含13C标记的美拉德反应中间产物，监测各产物在反应过程中经历的途径；探索形成HMF和4-MeI的决定性前体化合物以及前体化合物衍生为HMF和4-MeI的机理,研究游离氨、伯胺和仲胺之间经美拉德反应形成HMF和4-MeI的差异性。根据电场极矩诱导美拉德反应过程中电子转移等前期研究结果，运用物理与化学等具体技术调节和改变反应体系的环境，研究HMF和4-MeI的前体化合物降解形成HMF和4-MeI的过程机理。建立一套系统的葡萄糖-胺（氨）类物质美拉德反应体系的研究方法，为提高美拉德反应产物的安全性和功能性研究提供技术基础，为食品加工学基础领域的研究奠定理论基础。

美拉德反应是食品加工中呈香呈色的主要原因，在食品中广泛存在。近年研究发现美拉德反应除提供色香味外，还产生丙烯酰胺、5-羟甲基糠醛（HMF）、4-甲基咪唑（4-MeI）等对人体有害的化学物质。如面包中HMF含量为3.2-220mg/kg；干果中HMF含量为25-2900mg/kg；焦糖色素中HMF含量为9.5g/kg，4-MeI 含量为7~200ppm；咖啡中HMF含量大于420mg/L，4-MeI 含量为0.4~1.5 ppm；酱油中4-MeI 含量为0.3~3.0 ppm。因此，减少或去除因美拉德反应产生的有害物质是食品加工与安全急需解决的问题。.本项目按计划书要求超额完成预期任务。在建立HMF和4-MeI检测分析方法的同时，系统研究了HMF和4-MeI的形成及降解机理。在此基础上，利用物理和化学法调控HMF和4-MeI的形成，揭示了不同方法的调控机制。主要简述：HMF的形成主要是通过3-脱氧葡萄糖（3-DG）脱水环化而成，其与中间产物2,5-二 -(四-羟丁基)-吡嗪的形成有竞争关系；4-MeI形成的主要前体物质为丙酮醛（MGO），其在有甲醛和无甲醛参与反应的情况下形成路径略有不同。利用超临界萃取可去除焦糖色素中的HMF达到为86.98%。研究了超声场、含氮官能团和糖蜜提取物对中间产物二羰基化合物的影响，结果为：超声场可诱导长链二羰基化合物3-DG的产生，但3-DG没有降解生成短链二羰基化合物，原因是长时间超声作用使3-DG生成了更多的有机酸和类黑精；美拉德产物形成与官能团氨基结构相关，其中精氨酸的胍基可减少体系中MGO的生成，机制为精氨酸中的胍基能与葡萄糖分子发生分子内多重阿玛多瑞重排反应，导致MGO的生成路径受到抑制；糖蜜提取物能抑制MGO的形成是由于这些物质具有强抗氧化活性，能清除美拉德反应中产生的自由基，抑制氧化反应的进行，使MGO和乙二醛（GO）含量减少。二价金属离子可抑制4-MeI的形成，机理是二价离子能与还原糖及其Heyenes重排产物等前体物形成复合物，抑制4-MeI前体物MGO的形成；亚硫酸根可以加速烯二醇化合物的1，2-烯醇-醛互变反应生成醛糖，促进醛糖C3-β-消去反应生成二羰基化合物3-DG进一步降解产生MGO，即增加了体系中4-MeI。本课题的研究可为企业和科研机构在相关领域的研究或应用提供理论依据。