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橙汁褐变之谜

提到橙汁,我们往往会联想到这样的场景:炎炎夏日中,海滨沙滩上,椰树婆娑,海风习习,舒适地躺在沙滩椅上,再来一杯冰爽橙汁,顿觉酸甜可口,逍遥自在。

图片来源于网络


是的,橙汁就是这样亲民。诚如广告所言,它富含维生素C,老少皆宜,是世界上最受欢迎的果汁饮料之一。所谓何以解心中烦忧?酸甜橙汁可口!


鉴于这一“亲民果汁”在绝大多数国家的日常果汁消费中占据主导地位,消费者对橙汁的品质要求也越来越高,既需要它保留有益于健康的营养成分,又要保持果汁在感官上的吸引力。喜欢自己榨果汁的读者可能都知道,橙汁也会发生褐变,虽然不如苹果那么明显,但也会影响果汁的品相和口感。对于规模化生产的果汁制造商来说,如何在橙汁生产与储存过程中避免褐变,是一个会影响消费者体验以及购买选择的重要问题。

褐变的橙汁。图片来源于网络


深入了解橙汁褐变机制,能够有助于用天然化的工艺方法来阻止褐变,开发出更符合消费者健康需求的高颜值橙汁。美国俄亥俄州立大学(OSU)食品科学与技术系的Devin Peterson教授团队就致力于此项研究。

Devin Peterson教授。图片来源:OSU


以往的研究发现,果汁如苹果汁、葡萄汁、柠檬汁等的褐变,有酶促和非酶促化学机制。酶促褐变的原因是多酚氧化酶(PPO)催化果汁中的酚类化合物向醌类化合物转变。基于这一褐变诱因,在果汁生成工艺中倾向使用添加剂或热处理来抑制褐变,然而这类处理方式并不符合天然环保的果汁工艺需求。于是,食品化学领域学者认为,研究非酶促褐变的机制也许会更有利于优化抑制果汁褐变的加工工艺。


果汁的非酶促褐变,其化学机制很复杂,还未被充分理解认识。在橙汁以外的果汁研究中发现,美拉德(Maillard)反应抗坏血酸(ascorbic acid,也即维生素C)降解在非酶促褐变中扮演重要角色。在美拉德反应中,活性羰基化合物(RCS)产生于还原糖,是该反应的潜在中间产物,是果汁口感和色泽形成的关键因子。同时,果汁在储存时其氨基酸组成受到各种因素影响也会发生变化,所以果汁褐变中,氨基酸组成变化的影响有待研究。


基于上述研究背景,Devin Peterson团队列出其研究目标:(1)鉴定橙汁褐变中,活性羰基化合物对美拉德反应和抗坏血酸降解途径所发挥的作用。(2)鉴定氨基酸在活性羰基化合物形成和橙汁颜色变化中发挥的作用。


如何完成这两个实验目标呢?让我们一边喝着橙汁,一边细细品味这篇文章。

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他们选择的样品是市场上购买的塑料瓶装橙汁。运用紫外吸收光谱分析褐变程度,超高压液相色谱质谱联用仪(UPLC-MS)实时量化分析活性羰基化合物(RCS)、糖类、抗坏血酸、氨基酸的变化。他们还通过添加RCS、氨基酸、13C同位素标记的糖类、抗坏血酸富集橙汁样品,进行实时量化分析。


首先,他们研究了橙汁在冷藏(0 ℃)和35 ℃储存下,活性羰基成份(RCS)和颜色的变化,时间长度为8周。紫外光谱吸收分析褐变颜色表明,0 ℃下无显著褐变,35 ℃下从第1周到第4周,发生显著褐变,随后持续到第8周。0 ℃下发现所研究的8个RCS中,有4个RCS(threosone, glyoxal, methylglyoxal, acetol)1周后显著增加,达到浓度平台后,可以稳定到第8周。35 ℃下,除acetol以外的所有RCS从1到8周显著增加。


由于橙汁化学成分复杂,检验这一体系中,RCS与颜色变化的关系较为困难。为了检验这两者的直接因果关系,他们遵循二因子设计(2 fractional factorial design)方法在橙汁样品中加入购买的RCS标准品(下图)。结果显示4个RCS(threosone, glyoxal, methylglyoxal, acetol)在橙汁褐变中占据80%影响。并发现acetol 和3-deoxyglucosone在橙汁褐变中是关键作用因子。

Pareto图主影响和二因子设计分析橙汁中RCS变化。图片来源:Food Chem.


其次,他们研究了橙汁褐变过程中,抗坏血酸和主要还原糖的量化作用(下图)。此过程使用了同位素示踪剂,详细分析化合物的代谢路径。他们将同位素标记的抗坏血酸、葡萄糖和果糖分别单独定量加入橙汁中,这些前体加入后形成了前述的4个重要RCS(threosone, glyoxal, methylglyoxal, acetol)。4个RCS可以基于果汁内部固有数量和储存中形成数量计算出。研究发现抗坏血酸、葡萄糖和果糖3个RCS前体中,果糖的转化贡献率最高


在橙汁储存中,减少果糖也许有助于抑制RCS的形成,进而抑制褐变。同时,RCS也是影响橙汁风味的物质,其减少也会改变橙汁的风味特征。如此看来,橙汁褐变过程中涉及葡萄糖和果糖的美拉德反应机制在之前的研究中被低估了。

葡萄糖、果糖和抗坏血酸对橙汁中RCS的量化影响。图片来源:Food Chem.


最后,Devin Peterson团队研究了氨基酸组成在橙汁褐变中扮演的角色,以及和RCS形成的关系。8周储存时间段内,橙汁中18种氨基酸被量化分析。相比对照果汁,总氨基酸组成经历了10%的损失。单个氨基酸在储存中的变化又各有不同。其中,谷氨酸和色氨酸最不稳定,在储存中损失最大,损失率分别高达100%和70%。


在果汁样品中,加入标准氨基酸后进行实验。外加色氨酸和谷氨酸(下图)相对于橙汁内源量有4倍比例高,随着储存时间的延长,影响RCS组成,进而影响橙汁颜色变化。氨基酸添加诱导RCS组成的显著变化,这证实了橙汁褐变中氨基酸扮演的重要角色。

添加谷氨酸和色氨酸橙汁同对照组橙汁储存中褐变紫外吸收情况。图片来源:Food Chem.


综上,Devin Peterson团队的研究支持美拉德反应是橙汁褐变的主要机制。果糖是RCS的主要前体,与橙汁棕色生成存在因果关系。褐变的主要RCS是化合物3-deoxyglucosone和acetol,而glyoxal 和 methylglyoxal通过协同作用间接发挥作用。另外,氨基酸可以改变RCS的数量和组成影响褐变形成。


文章看完了,趁着鲜榨橙汁还没褐变“黑化”,赶紧把橙汁一口闷了吧。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Mechanisms non-enzymatic browning in orange juice during storage

Laurianne Paravisini, Devin G. Peterson

Food Chem., 2019, 289, 320–327, DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.03.049


(本文由水村山郭供稿)


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