儿茶素经共价糖加合物调控美拉德反应并增强抗氧化能力：从模型体系到复杂食品基质的化学洞察

《Food Chemistry》：Evaluation of the effect of catechin on the Maillard reaction based on model systems: a chemical insight

　　

儿茶素通过形成共价糖加合物抑制美拉德反应（Maillard reaction，MR）。儿茶素-糖加合物有助于增强抗氧化能力。儿茶素显著降低褐变和 furosine 形成。抑制作用和抗氧化作用在复杂食品基质中持续存在。苹果多酚有效降低真实食品体系中的美拉德褐变。

该研究由 Rosa Nappi、Maria Laura Alfieri、Alessandra Napolitano 和 Lucia Panzella 完成，论文发表在《Food Chemistry》。研究背景是：美拉德反应（Maillard reaction，MR）是食品热加工和非酶褐变中复杂而关键的化学过程，还原糖与氨基酸、肽或蛋白质中的亲核氨基反应，生成包括类黑精（melanoidins）在内的多种产物，影响食品风味、色泽和香气，并可能具有抗氧化、抗菌等生物活性。但 MR 也会导致必需氨基酸降解、蛋白质消化性下降，并形成丙烯酰胺（acrylamide）和高级糖基化终产物（advanced glycation end-products，AGEs）等毒性或致突变物。控制 MR 的策略包括降低加工温度、缩短加热时间、预处理、调节 pH 及改变糖和胺组分；使用功能配料干扰 MR 关键中间体尤其受到关注。酚类化合物广泛存在于果蔬中，可通过自由基清除、捕获羰基及与氨基反应等方式影响 MR，但酚类与不同 MR 前体的系统反应、对中间体和产物演化的影响仍缺乏系统评价；酚类参与 MR 是否解释类黑精的抗氧化特性也不清楚。因此，研究人员在 MR 模拟条件下系统研究儿茶素及相关化合物与还原糖、氨基酸或蛋白质的反应，并扩展至复杂食品基质，同时评估抗氧化特性，以提供化学证据。

关键技术方法：建立儿茶素-葡萄糖-赖氨酸盐酸盐等摩尔模型体系，于 120 °C 反应 30 min，并改变温度、时间、酚类、糖和氨基酸种类；采用液相色谱-紫外-质谱联用（LC-UV-MS）监测底物消耗与产物，制备高效液相色谱（HPLC）分离，¹H NMR、¹³C NMR 及 2D NMR 鉴定结构；用 DPPH 和铁还原/抗氧化能力（FRAP）法评估抗氧化；将体系扩展至蛋清、牛奶、面粉、Red Delicious 苹果（RDA）和 Jeanne Renard 苹果（JRA）粉末及 crème br?lée，并进行 RGB 比色和感官评价，统计采用 t 检验。JRA 苹果粉由 INRAE（UR1268）BIA Research Unit，PRP team 提供，RDA 等购自当地超市。

3.1 系统考察儿茶素对美拉德反应的影响：通过儿茶素、葡萄糖和赖氨酸盐酸盐等摩尔混合物在 120 °C 加热 30 min 并与对照比较，研究人员发现含儿茶素样品颜色更浅，420 nm 吸光度降低 22 ± 1%。儿茶素单独加热时消耗小于 1%，但在 Cat-Glu-Lys 混合物中消耗 68 ± 2%。LC-UV-MS 显示产物 1 和 2 的 [M-H]^? 为 m/z 451.14，符合儿茶素-葡萄糖加合物；产物 I 的 [M-H]^? 为 m/z 417.17，初步归属为儿茶素-赖氨酸缩合物，分子式为 C₂₁H₂₆N₂O₇。无氨基酸时儿茶素仅消耗 5% 且加合物痕量；无葡萄糖时消耗 10% 且仅形成 I；室温下无产物；对照葡萄糖-赖氨酸中检测到 furosine，而 Cat-Glu-Lys 中 furosine 信号消失。儿茶素浓度降至 1/5 时，furosine 信号减少 48%，加合物形成约 2%；降至 1/10 时仍检测到产物 1，产率约 0.1%。使用 Ac-L-Lys-OMe 时反应较慢但仍形成加合物，无盐酸赖氨酸时反应更快但加合物更少。结论是儿茶素可在 MR 早期通过共价捕获糖和中间体抑制褐变及 furosine 形成。

3.2 儿茶素-葡萄糖加合物 1 和 2 的分离与结构表征：通过制备 HPLC 分离得到纯产物 1 和 2，分离产率分别为 7% 和 3% w/w，实际形成产率分别为 9% 和 4% w/w。¹H NMR、¹³C NMR 和 HMBC 等 2D NMR 显示葡萄糖 H-1 与儿茶素 C-6/C-8 相关，且无半缩醛/缩醛碳信号，证明糖与儿茶素 A 环之间形成 C-糖苷键。结合保留时间比较，产物 1 和 2 分别鉴定为 catechin-8-C-β-D-glucopyranoside 和 catechin-6-C-β-D-glucopyranoside。机制上，儿茶素 A 环 6/8 位亲核加到葡萄糖-赖氨酸早期形成的亚胺上，随后环化并消除氨基酸；直接与葡萄糖开链醛式反应在所用条件下较不利。产物 1 和 2 仅占儿茶素消耗的 13%，提示其余儿茶素进一步反应生成不可色谱产物。表儿茶素表现类似反应；槲皮素干扰 MR 较弱；绿原酸（chlorogenic acid，CGA）因缺乏亲核间苯二酚 A 环而完全不能抑制褐变。

3.3 时间和温度对儿茶素抑制美拉德反应能力的影响：通过改变加热时间和温度，研究人员发现 120 °C 加热 60 min 时儿茶素完全消耗，产物 1 和 2 形成产率降至 5% 和 3%；儿茶素单独加热 1 h 仅消耗 20%。180 °C、30 min 时儿茶素完全消耗，1 和 2 仍可检测但量更少；200 °C 时儿茶素完全消耗但未检测到可色谱的儿茶素衍生产物。结果表明 120 °C、30 min 最适合检测和表征儿茶素衍生产物并评估其对 MR 进程的影响。

3.4 不同糖和氨基酸模型体系中儿茶素对美拉德反应的影响：通过替换糖和氨基酸，研究人员发现果糖体系中儿茶素消耗 36%，未检测到儿茶素-糖加合物，但仍检测到儿茶素-赖氨酸加合物；半乳糖体系中消耗 89% 并形成糖加合物；麦芽糖和乳糖体系中儿茶素消耗分别为 64% 和 62%，形成糖加合物；蔗糖体系中消耗 45%，无糖加合物但仍有氨基酸加合物。以精氨酸、组氨酸和脯氨酸替代赖氨酸时，儿茶素消耗分别为 98%、96% 和 58%，均形成儿茶素-葡萄糖加合物和儿茶素-氨基酸加合物。结论是儿茶素可参与糖来源和氨基酸来源的反应途径，消耗程度和产物分布随糖/氨基酸不同而变化。

3.5 儿茶素-糖-氨基酸反应混合物的抗氧化特性：通过 DPPH 和 FRAP 分析，研究人员发现含儿茶素混合物均具有显著抗氧化能力。对照葡萄糖-赖氨酸的 EC₅₀ 为 0.400 ± 0.005 mg/mL，儿茶素对照为 0.016 ± 0.001 mg/mL。含儿茶素混合物的实验 EC₅₀ 接近基于初始儿茶素含量预期的值，而非基于 LC-UV-MS 测得的残余儿茶素计算的理论值，说明反应中形成的儿茶素相关产物贡献抗氧化能力。分离得到的 1 和 2 的 EC₅₀ 分别为 79 ± 2 μM 与儿茶素 55 ± 1 μM 同一数量级；连续加入 DPPH 时，1 和 2 的消耗略高于儿茶素。残余儿茶素越少，抗氧化能力相对预期增加越大；蔗糖和果糖体系中增加最小。FRAP 结果相似，实验 Trolox 当量显著高于基于残余儿茶素的理论值。结论是儿茶素参与 MR 并未降低其抗氧化能力，反而通过加合物等产物增强体系抗氧化能力。

3.6 儿茶素在食品模型中对美拉德反应进程的影响：通过将赖氨酸替换为蛋清，或将赖氨酸和葡萄糖替换为牛奶或牛奶加面粉，并在 180 °C 加热 30 min，研究发现含儿茶素样品的 RGB 值更高、FRAP 还原能力更强，表明褐变降低且抗氧化增强。苹果 RDA 含儿茶素 0.11 ± 0.01%、表儿茶素 0.02 ± 0.01% w/w 干重，在 120 °C、30 min 下二者完全消耗，furosine 信号较对照降低约 80%；槲皮素消耗 56%，其糖苷、根皮素和根皮苷完全消耗，CGA 仅消耗约 13%，但未检测到儿茶素/表儿茶素-葡萄糖加合物。富含表儿茶素的 JRA 苹果（0.8 ± 0.1% w/w 干重）中检测到表儿茶素-葡萄糖加合物；JRA-Glu-Lys 在 470 nm 的吸光度较对照低 3.5 倍，抗氧化能力较葡萄糖-赖氨酸或苹果单独体系增加约 20–25%。在 crème br?lée 中，加入苹果后 RGB 为 102 ± 2，高于对照 70 ± 2；感官评价中颜色评分 8.1 ± 0.4、外观评分 7.7 ± 0.8，高于对照 6.1 ± 1.7 和 5.6 ± 1.9；其他感官属性无显著差异，总体喜好仍较高。结论是苹果多酚可有效降低真实食品体系中的 MR 褐变并改善视觉感官。

讨论部分总结：儿茶素通过形成共价糖加合物主动干扰 MR 早期阶段，这些加合物及相关产物贡献抗氧化能力；该效应不仅在简化模型体系中观察到，也在复杂食品基质中观察到，但所有导致褐变降低的具体机制尚未建立。研究结论翻译：总体而言，本研究结果表明，儿茶素通过形成与还原糖及其产物的共价加合物，主动干扰 MR 早期阶段。除抑制作用外，儿茶素参与反应生成产物，这些产物对体系总体抗氧化能力有显著贡献。重要的是，这些效应不仅在简化模型体系中观察到，也在复杂食品基质中观察到，尽管本研究未确定导致褐变降低的所有具体机制。因此，这些发现为酚类化合物参与和调控 MR 化学的能力提供了机制见解，同时突出其对热加工食品体系抗氧化特性的潜在贡献。这些效应是否转化为特定不良或潜在有害 MR 产物形成减少以及营养或生物功能改善，仍有待通过针对性实验确定。鉴于富含多酚的苹果基质获得的有希望结果，未来研究将考察其他富含多酚提取物，包括来自苹果渣等农食副产物的提取物，作为控制 MR 的可持续且可能具有成本效益的纯酚类化合物替代品。进一步研究决定酚类衍生 MR 产物形成的因素，对于确定其在食品加工中的潜在功能和技术相关性也很重要。