烟草热解中葡萄糖/谷氨酸固相美拉德反应研究

笔者利用TG/DTA-SPME-GC-MS研究谷氨酸对葡萄糖热解行为的影响，在获取样品质量变化信息的同时，比较谷氨酸添加前后葡萄糖热解行为的差异，以揭示谷氨酸和葡萄糖在进行固相美拉德反应过程中，各阶段热解产物相对含量随温度的变化情况。

4.4.1.1　美拉德反应

葡萄糖纯品作为样品A，在玛瑙研钵中研磨15 min以保证样品颗粒均匀；配制质量比为1︰4的谷氨酸和葡萄糖混合物作为样品B，将其在玛瑙研钵中研磨15 min以保证谷氨酸和葡萄糖混合均匀，并以此作为固相美拉德模式体系的反应物。每次在TG铂坩埚内准确称取4.00±0.05 mg样品粉末。升温程序自50℃以10℃/min升至1 000℃（保持15 min，使TG炉体内残留的有机物彻底分解、排净）。

由于样品热解时逸出产物的组成和相对含量不断变化，为获得某时间段内最真实的产物组分信息而尽量缩短吸附时间，但同时需保证SPME能够获得较好的吸附效果。最终选取2 min（即20℃的温度范围）作为SPME的吸附时间。以样品B为例，自130℃开始发生质量损失，选择130℃开始对TG逸出产物进行SPME吸附。以130～150℃的吸附过程为例:首先将SPME在GC进样口脱附6 min进样，获得空白对照实验的结果，随后将其取下待用；当TG样品温度达到125℃时将SPME在不锈钢管末端安装到位，样品130℃时推出萃取头，样品150℃时收回萃取头，并取下SPME；用蘸有乙醇的脱脂棉擦拭萃取头的外套管，待其自然晾干后卸下萃取头放入盒中，另取一萃取头装入SPME装置；重复先前的操作吸附其他温度段的逸出组分。SPME条件为:100 μm聚二甲基硅氧烷萃取头（Polydimethylsiloxane,PDMS），吸附温度60℃，吸附时间2 min，脱附时间6 min。

吸附完成后，将SPME萃取头插入GC进样口解吸5 min，利用GC-MS分析萃取头吸附到的组分。

4.4.1.2　热解行为比较

固相美拉德反应的实验中，为了研究谷氨酸添加量对葡萄糖热解行为的影响，尝试了7种质量配比（1︰1，1︰2，1︰4，1︰6，1︰8，1︰10，1︰12）的谷氨酸-葡萄糖混合物，结果表明:即使在谷氨酸和葡萄糖质量比1︰12的情况下，葡萄糖的热解起始温度同样提前至130℃。因此，为了能够明显地监测到固相美拉德反应产物的逸出规律，最终选取质量比为1︰4的谷氨酸-葡萄糖混合物作为本实验的反应物，这样可以避免因热解产物的量过低而无法检测的问题。

图4-54为样品A（葡萄糖纯品）和B（1︰4的谷氨酸-葡萄糖混合物）的热重（TG）和差热（DTA）曲线，热解的TG曲线以样品质量的百分比表示，TG和DTA曲线分别代表了样品在程序升温条件下的质量和热量变化过程。两个样品在100℃之前发生的质量损失为葡萄糖分子中部分结晶水的散失，DTA曲线在100℃前呈现出相应的吸热峰。从图中可以看出，谷氨酸添加前后葡萄糖的TG曲线发生了明显的改变:葡萄糖纯品受热后自185℃开始发生热解反应，至400℃时反应趋于平稳，其间的质量损失率为76%。而混有谷氨酸的葡萄糖在失去部分结晶水后，自130℃开始发生热解反应，较葡萄糖纯品的热解起始温度提前了55℃。至400℃时其热解反应仍在继续，130～400℃温度段内样品B的质量损失率为58%。DTA曲线显示:葡萄糖样品在热解反应前152℃附近有一个相变过程，而样品B的相变过程则发生在139℃附近。由此说明，固相美拉德模式体系的反应物常温下为固态物质，反应活性较低，在较高温度下发生相变而活性增加，使反应得以深入进行。同时值得注意的是，单独的热重曲线虽然能够表征不同样品在升温条件下发生质量损失的过程差异，但并不能说明样品发生质量损失的原因及其热解逸出产物的差异。因而有必要对其热解产物在程序升温条件下的逸出规律进行分析和研究。

图4-54　样品A和B的热重（TG）和差热（DTA）曲线

4.4.1.3　美拉德反应机理研究

（1）葡萄糖纯品的热解逸出产物分析

图4-55为10℃/min升温条件下葡萄糖纯品热解时不同温度段逸出产物经GC-MS检测得到的总离子流色谱图（TIC）。采用划分温度段取样的方法，利用TG-SPME-GC-MS分析了葡萄糖纯品在180～400℃温度范围内的热解产物。图中的1号色谱峰是由SPME在GC进样口进样时带入了少量空气造成的。从图4-55中可以发现，葡萄糖的热解产物较少，自始至终表现为某几种主产物的逸出，与快速升温（热裂解，升温速率>200℃/sec）得到的裂解产物有着明显的区别。推测其可能的原因:快速升温条件下，样品温度迅速升高，葡萄糖分子多表现为碳链的断裂和重新组合；快速升温使裂解产物在短时间内大量产生，在高温环境下产物间发生二次或多次反应，致使最终产物过于复杂。与热裂解技术不同的是，TG提供的是慢速升温条件，从而使样品的热解产物在较长时间内缓慢逸出，明显减少了二次产物的生成。通过分析葡萄糖热解产物的结构差异，不难发现:除了葡萄糖本体（或立体异构体，色谱图中的4号峰）的迁移外，其他热解产物均为葡萄糖分子经过分子内脱水后环化得到的。图4-55中4号峰和5号峰的峰形较宽，尤其在280～300℃温度段表现得最为明显。这种宽峰的出现可能与三个因素有关:进样口的升温程序、样品在SPME萃取头上的吸附量和色谱柱固定相的性质。进样口之所以设置了升温程序，而非采用固定的温度，是为了防止SPME吸附到的产物在GC进样口发生热裂解。

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图4-55　葡萄糖热解反应中不同温度段热解逸出产物的总离子流色谱图（TIC）比较

（2）美拉德模式体系热解产物的逸出规律分析

图4-56是通过谷氨酸-葡萄糖固相美拉德模式体系得到的GC-MS总离子流色谱图，图中比较了该反应在不同温度段逸出产物的组成和相对含量的差异。从图4-56中可以看出:自130℃开始，随温度的增加，谷氨酸与葡萄糖的美拉德反应产物不断改变，并且较图4-55中单独葡萄糖的热解产物复杂了许多。葡萄糖（或其立体异构体）和1,6-脱水-呋喃葡萄糖两种化合物分别对应于图4-55中的4、5号色谱峰和图4-56中的6、7号色谱峰，图4-56中两者色谱峰的峰宽明显变窄，峰强度和峰面积降低，说明了谷氨酸-葡萄糖体系中葡萄糖单独热解的产物量明显减少。由此推测，谷氨酸-葡萄糖的共热解过程中，部分葡萄糖会与谷氨酸结合并进一步发生美拉德反应，多余的葡萄糖会进行单独的热解，这就导致了葡萄糖热解产物量的减少。

将表4-20中的热解产物分析结果与图4-56对比后可知，谷氨酸-葡萄糖固相美拉德反应的初期（130～170℃）主要表现为葡萄糖单独热解产物的逸出，说明谷氨酸的加入在导致葡萄糖热解反应起始温度前移的同时，几乎没有影响到葡萄糖初期热解主产物（表4-20中的4、6和7号化合物）的生成。而从170℃开始，含氮热解产物大量生成，包括2-吡咯烷酮、4-甲基噁唑、2-亚胺基哌啶、L-焦谷氨酸甲酯、乙酰胺吡咯烷酮、1-丁氧基-3-（二甲胺基）苯、5-甲基-1H-吡咯-2-甲醛、正十一胺等。逸出各组分相对含量随温度的变化规律如表4-20所示，这将为谷氨酸-葡萄糖固相美拉德反应机理和食品烘制过程的研究提供更加可靠的依据。

图4-56　固相美拉德反应中不同温度段热解逸出产物的总离子流色谱图比较

表4-20　热解产物相对含量随温度的变化情况

续表

注:（1）10号化合物在谱库中检索的匹配度为91%，5号化合物的检索匹配度小于85%，其他化合物的检索匹配度均大于95%；（2）温度值代表了相应的温度段，如130℃表示130～150℃的温度段。

4.4.1.4　结论

针对无溶剂条件下的固相美拉德反应，利用热重-固相微萃取-气相色谱-质谱联用系统，建立了谷氨酸-葡萄糖固相美拉德模式体系。按照划分温度段取样的方法，比较了葡萄糖纯品和谷氨酸-葡萄糖体系的热解行为差异，发现了谷氨酸和葡萄糖在进行固相美拉德反应过程中，各阶段热解逸出产物相对含量随温度的变化情况，并揭示了特定热解产物的逸出规律。结果表明:第一，即使在谷氨酸和葡萄糖质量比为1︰12的情况下，谷氨酸的加入同样能够使美拉德体系的热解起始温度提前55℃；第二，在谷氨酸-葡萄糖质量比为1︰4的固相美拉德模式体系中，热解反应的初期（130～170℃）主要表现为葡萄糖单独热解产物的逸出，其初期热解产物的量明显少于葡萄糖纯品的；第三，含氮化合物自170℃开始产生，包括2-吡咯烷酮、4-甲基噁唑、L-焦谷氨酸甲酯、乙酰胺吡咯烷酮、2-亚胺基哌啶、1-丁氧基-3-（二甲胺基）苯、5-甲基-1H-吡咯-2-甲醛、正十一胺等，而其反应机理尚有待进一步的研究。