High molecular weight compounds generated by roasting barley malt are pro-oxidants in metal-catalyzed oxidations

烘焙大麥麥芽產(chǎn)生的高分子量化合物在金屬催化氧化中是促氧化劑

來(lái)源：European Food Research and Technology, Volume 242, 2016, Pages 1545-1553

《歐洲食品研究與技術(shù)》第242卷，2016年，第1545-1553頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了烘焙過(guò)程和顏色發(fā)展與大麥麥芽抗氧化活性增加相關(guān)，但烘焙也會(huì)產(chǎn)生具有促氧化作用的高分子量化合物，導(dǎo)致在鐵和銅催化的Fenton反應(yīng)體系中自由基水平增加。研究評(píng)估了三種不同烘焙程度麥芽（pilsner、melano和black）在基于Fenton的模型啤酒體系（5.8%乙醇，v/v）中的整體抗氧化和促氧化特性。黑麥芽的自由基清除能力比淺色麥芽和melano麥芽低50%，這與烘焙程度和高分子量褐變化合物的形成有關(guān)。從黑麥芽麥汁中分離的高分子量化合物（分子量范圍4×10^6至10^9 g mol^-1）在Fenton反應(yīng)中導(dǎo)致自由基增加約40%，并能加速模型啤酒中的金屬催化氧化，表現(xiàn)為溶解氧降低近11%。盡管黑麥芽能降低Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的整體自由基水平，但高分子量化合物由于鐵催化量的還原性氧化還原循環(huán)而具有相反效應(yīng)。

 

研究目的

研究目的是深入了解不同烘焙程度麥芽（pilsner、melano和black）在鐵催化Fenton assay中抗氧化和促氧化特性的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，以獲取關(guān)于烘焙麥芽對(duì)啤酒質(zhì)量影響的額外知識(shí)，特別是高分子量化合物在氧化穩(wěn)定性中的作用。

 

研究思路

研究思路是使用三種烘焙程度不同的大麥麥芽（pilsner、melano和black），通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)糖化工藝制備麥汁。然后，利用尺寸排阻色譜（SEC）分離麥汁中的高分子量化合物，并通過(guò)靜態(tài)光散射表征其分子量分布。自由基清除能力通過(guò)電子自旋共振（ESR）光譜評(píng)估，使用自旋陷阱PBN在Fenton反應(yīng)模型中檢測(cè)自由基水平。同時(shí)，通過(guò)丹麥Unisense電極測(cè)量溶解氧消耗來(lái)評(píng)估氧化穩(wěn)定性。研究比較了不同麥芽麥汁及其分離組分對(duì)自由基形成和氧消耗的影響，以揭示抗氧化和促氧化作用的平衡。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 ESR自由基信號(hào)數(shù)據(jù)：來(lái)自圖1，顯示了pilsner、melano和black麥芽麥汁在Fenton反應(yīng)中對(duì)PBN自旋加合物信號(hào)的影響。研究意義是直觀展示了不同麥芽對(duì)自由基的清除能力差異，黑麥芽信號(hào)較強(qiáng)表明其抗氧化能力較弱，為后續(xù)定量分析提供基礎(chǔ)。

 

2 麥汁含量對(duì)自旋加合物形成的影響數(shù)據(jù)：來(lái)自圖2，測(cè)量了不同麥芽麥汁含量（0-5%）對(duì)PBN自旋加合物水平的影響。研究意義是顯示所有麥芽在低濃度下均有抗氧化作用，但黑麥芽在高濃度下（>2%）出現(xiàn)促氧化趨勢(shì)，表明烘焙程度高的麥芽在特定條件下可能促進(jìn)氧化，對(duì)啤酒配方設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)價(jià)值。

 

3 麥汁在有無(wú)Fenton反應(yīng)物下的ESR信號(hào)數(shù)據(jù)：來(lái)自圖3，比較了麥芽麥汁在僅有H2O2或Fe2+條件下的自由基信號(hào)。研究意義是證實(shí)黑麥芽在存在Fe2+時(shí)顯著增加自由基信號(hào)（約三倍），表明其促氧化效應(yīng)依賴(lài)于鐵催化，揭示了金屬離子在麥芽誘導(dǎo)氧化中的關(guān)鍵作用。

 

4 高分子量化合物分離和分子量數(shù)據(jù)：來(lái)自圖4，通過(guò)SEC和光散射顯示了黑麥芽麥汁中高分子量化合物的色譜圖和分子量分布（范圍4×10^6至10^9 g mol^-1）。研究意義是直接證明了烘焙過(guò)程中形成的高分子量褐變化合物（如類(lèi)黑精）的存在，為其促氧化活性提供結(jié)構(gòu)依據(jù)。

 

5 高分子量組分對(duì)自由基形成的影響數(shù)據(jù)：來(lái)自圖5，顯示了黑麥芽分離的HMW組分（F1-F6）在Fenton反應(yīng)中對(duì)自旋加合物水平的影響。研究意義是組分F3（顏色最深）導(dǎo)致自由基增加約40%，明確證實(shí)高分子量化合物是促氧化劑，通過(guò)還原Fe3+來(lái)促進(jìn)自由基生成，影響啤酒氧化穩(wěn)定性。

 

6 EBC顏色數(shù)據(jù)：來(lái)自表1，列出了黑麥芽HMW組分的顏色值（如F3為59.0 EBC）。研究意義是顏色強(qiáng)度與促氧化活性相關(guān)，表明褐變程度高的組分更具反應(yīng)性，為快速評(píng)估麥芽氧化潛力提供簡(jiǎn)單指標(biāo)。

 

7 氧攝取數(shù)據(jù)：來(lái)自表2，測(cè)量了麥芽麥汁和HMW組分在Fe2+存在下的氧消耗百分比（如黑麥芽為12.2%）。研究意義是氧消耗增加表明氧化反應(yīng)加速，黑麥芽和HMW組分（如F3為10.5%）促進(jìn)氧消耗，驗(yàn)證了其在啤酒模型中加速金屬催化氧化的作用。

 

結(jié)論

1 烘焙程度影響麥芽的抗氧化和促氧化平衡，黑麥芽由于形成高分子量褐變化合物，整體自由基清除能力較低。

2 高分子量化合物（如類(lèi)黑精）在鐵存在下通過(guò)還原Fe3+為Fe2+而發(fā)揮促氧化作用，增加自由基生成和氧消耗。

3 研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在啤酒生產(chǎn)中控制麥芽烘焙度和金屬離子對(duì)氧化穩(wěn)定性的重要性，高分子量化合物可作為促氧化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（具體為Clark型氧微傳感器連接PA2000 Picoammeter儀器）測(cè)量的溶解氧數(shù)據(jù)具有重要研究意義。這些數(shù)據(jù)來(lái)自表2，顯示了在模型啤酒體系（5.8%乙醇）中，添加麥芽麥汁或HMW組分后氧消耗的實(shí)時(shí)變化。測(cè)量原理是電極檢測(cè)溶液中溶解氧的濃度變化，通過(guò)校準(zhǔn)后量化氧攝取百分比。意義在于：首先，氧消耗直接反映了氧化反應(yīng)的速率，黑麥芽導(dǎo)致最高氧攝取（12.2%），表明其促氧化效應(yīng)加速了Fenton反應(yīng)中的氧消耗過(guò)程，這與ESR檢測(cè)的自由基增加一致，驗(yàn)證了高分子量化合物通過(guò)鐵還原機(jī)制促進(jìn)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。其次，Unisense電極的高靈敏度（picoampere級(jí)別）和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力提供了動(dòng)態(tài)氧化數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)方法的延遲，準(zhǔn)確捕捉了麥芽組分對(duì)氧化穩(wěn)定性的瞬時(shí)影響。例如，HMW組分F3引起10.5%氧消耗，證實(shí)了這些化合物在啤酒老化中充當(dāng)氧化催化劑。此外，該方法模擬了啤酒真實(shí)儲(chǔ)存條件，結(jié)果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為優(yōu)化麥芽選擇和控制釀造工藝以延長(zhǎng)啤酒貨架期提供了關(guān)鍵依據(jù)。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)強(qiáng)化了高分子量化合物的促氧化角色，突出了在食品體系中監(jiān)測(cè)氧消耗的重要性。