大蒜绿色素的生成,结构及绿变机理研究

摘要：

大蒜(Allium sativum L.)为百合科葱属植物,因其独特的气味和口感被用作食品调味剂,并被加工成蒜粉,蒜泥,蒜粒等多种产品.然而大蒜加工过程中的绿变问题影响产品品质,降低了大蒜的利用率,降低了其经济价值.与此同时,大蒜的绿变特性可用来生产具有独特口味和色泽的腊八蒜.因此,研究大蒜绿变机理和大蒜绿色素的性质,对防止大蒜加工过程中的绿变,避免经济损失以及提高腊八蒜的品质等都具有重要的现实意义.本论文探究了氨基酸对大蒜绿变的影响,绿色素的性质及绿色素分解变化机理.建立8种氨基酸分别与蒜氨酸,异蒜氨酸和蒜氨酸酶的反应模型,利用UPLC-ESI-Q-TOF-MS对模型中的关键生成物进行检测,结合密度泛函理论,研究了氨基酸R基对色素前体物质生成的影响.建立氨基酸与硫代亚磺酸酯反应的模型,结合ATR-FTIR检测和化学计量学方法,研究大蒜中的氨基酸在大蒜绿色素生成和降解过程中的作用,探究了不同氨基酸生成色素在绿变反应过程中的变化规律.结合ATR-FTIR和FT-NIR,研究了绿色素在分解过程中结构的变化,探究不同p H条件下绿色素分解变化机理.主要研究结果如下:(1)利用高分辨质谱提供的准确分子量,鉴定绿变反应模型中生成的色素前体物质.发现在精氨酸和赖氨酸参与的反应模型中,只生成一种对应的N-(3,4-二甲基)吡咯类化合物,分别为2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)-5-胍基戊酸(PP-252)和6-氨基-2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)己酸(PP-224).结合DFT实验结果表明,N-(3,4-二甲基)吡咯类化合物是由α-NH_2与3,4-二甲基丁二胺S-氧化物反应生成,精氨酸和赖氨酸R基中的伯胺并未参与反应.在丙氨酸,酪氨酸,甘氨酸和谷氨酸分别参与的反应模型中观察到色素前体物质2-(3,4-二甲基-1H-吡咯基)丙酸(PP-167),2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)-3-(4-羟苯基)丙酸(PP-259),2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)乙酸(PP-153)和2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)戊二酸(PP-225).当氨基酸的R基中有羟基或羧基这类比较活泼的基团时,距离α-碳越近,反应生成的N-(3,4-二甲基)吡咯类化合物越不稳定难以检测到.同时每个反应模型均生成类色素前体物质(2-(3,4-二甲基-1H-吡咯-1-基)丙烯酸.绿变反应模型中,λ_(max)值在575～590 nm之间的蓝色素,反应24 h时生成色素的数量和吸光度值较反应4 h明显增加.DFT实验结果表明,在蓝色素形成过程中,色素前体物质PP-167,PP-225,PP-252和PP-224的最活跃的位点是C1位,PP-153和PP-259中反应活跃部位是C4位.(2)在氨基酸与硫代亚磺酸酯反应模型中,同一反应时间下生成色素的中红外光谱大致相同,部分存在差异.由谷氨酸,缬氨酸,异亮氨酸,γ-氨基丁酸或亮氨酸分别与硫代亚磺酸酯反应生成的色素FTIR光图谱中,在1721 cm~(-1)处有特征峰;由精氨酸,天冬酰胺或谷氨酰胺分别生成的色素FTIR光谱图中,在1675 cm~(-1)处出现了独有的吸收峰;仅在酪氨酸参与反应生成的色素FTIR光谱中,在1515 cm~(-1)处出现吸收峰;而由组氨酸或苯丙氨酸参与生成的色素在1494 cm~(-1)处有特征峰.通过Savitzky-Golay一阶导数等预处理后,选取1750～900 cm~(-1)这一波段结合PCA模型,对不同色素进行判别,能有效区分色素类别,并能表明对应反应时间下大蒜绿变生成色素所在组别.FTIR光谱数据表明,在蒜泥绿变反应过程中,形成的色素在1068和1024 cm~(-1)处的特征峰变化最为显著,此处的特征峰归因于O=C-O-H和C-N键的伸缩振动.(3)通过UV-vis,ATR-FTIR和FT-NIR等多种分析方法,研究了大蒜绿色素在降解过程中结构的变化.从UV-vis光谱中可以看出,与p H 6.5相比,酸性环境(p H 5.0)抑制了蓝色素的分解,碱性条件(p H 8.0)加速了蓝色素的分解.FTIR光谱数据表明,色素的降解与C=O,C=O-O-,C=N,C-N,O=COCH,=C-O-C-,COOH和N-H键有关,FT-NIR光谱进一步证实了色素的降解与N-H(5170 cm~(-1))和O=CH(4871 cm~(-1))有关.吡咯环中的C-N键和羧基中的O-H键会断裂,并逐渐形成COO~-,N-H,C=O,=C-O-C-等化学键.主成分分析法能够将色素的ATR-FTIR和FT-NIR光谱数据为两组,一组为色素样品在p H 5.0条件下反应的光谱数据,另一组为色素样品在p H 6.5和8.0条件下的光谱反应数据.通过分析FTIR和FT-NIR光谱数据,证明在不同p H环境下大蒜绿色素的分解途径是不同的.