脉冲电场对甘氨酸等食品小分子化合物构效影响及机理探究

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脉冲电场技术(Pulsed electric fields,PEF)作为一种新型的非热加工技术被广泛的应用于液态食品灭菌过程中。相比于其他加工技术脉冲电场的优势在于可以实现连续低温快速灭菌过程并且加工过程中对食品营养成分造成的损失少。虽然关于脉冲电场对食品加工过程中成分影响的报道较多,但是关于脉冲电场对食品成分结构的影响报道甚少。因此本文挑选了分子量依次增大并且具有特殊官能团的氨基酸、维生素C以及植物色素作为研究对象,考察了脉冲电场对其理化性质的影响并从中提出脉冲电场对其影响的初步机理。具体研究结果如下:对比热处理过程,研究了脉冲电场处理对甘氨酸及其反应活性的影响。结果表明:热处理和脉冲电场处理均可以增加甘氨酸-铁螯合物的产率及螯合能力。此外,红外光谱谱图表明脉冲电场处理得到的甘氨酸-铁螯合物的红外谱图与热处理和脉冲电场处理的螯合物基本相同,但是脉冲电场处理后1110 cm-1处吸收峰强度更大。XRD衍射谱图表明热处理及脉冲电场处理得到的螯合物的晶体结构基本相似主要衍射峰2θ分别出现在11.1,16.7,23.8和25.7°,但是脉冲电场处理后衍射峰18.9°强度较高。通过热重分析说明脉冲电场处理与热处理得到的甘氨酸-铁螯合物具有基本相同的热稳定性质,其分解过程包括二个阶段。研究了脉冲电场对L-苯丙氨酸及反应活性的影响。结果表明:不同电场强度的脉冲电场处理可以影响苯丙氨酸-β-环糊精体系的荧光强度,β-CD-L-Phe复合物的稳定系数从对照组的147 M-1增加到了脉冲电场处理组的250 M-1。通过分子对接模拟了苯丙氨酸-β-环糊精复合物的结合构型。拉曼光谱显示脉冲处理后复合物分子在620和1207 cm-1处出现了新的吸收峰。此外,热重分析(TGA)及示差扫描热(DSC)分析结果显示,较对照组(未经脉冲电场处理),电场强度处理可以增加β-CD-L-Phe复合物在340-355℃区间内的失重率,初始分解温度(Tm)以及β-CD-L-Phe复合物的反应焓。研究了脉冲电场对维生素C结构及理化性质的影响。结果表明:随着脉冲电场强度以及处理时间的增加,维生素C与邻苯二胺反应产物荧光强度得到了加强。脉冲电场处理后的维生素C的红外光谱的振动峰发生了蓝移(3379 cm-1)并且部分吸收峰强度随着电场强度的改变而发生了改变(3300,1680及1600 cm-1)。此外,通过高效液相色谱发现相比对照组(未经脉冲电场处理),不同脉冲电场处理时间及电场强度下均可以增加维生素C相对含量,并且脉冲电场处理后的维生素C溶液的抗氧化活性(DPPH自由基清除能力和总还原能力)明显高于对照组(p<0.05)。研究了20,35,45℃温度条件下,脉冲电场对乙醇提取菠菜叶中叶绿素和类胡萝卜素的影响。结果表明:通过不同电场强度处理后的色素溶液中叶绿素a、叶绿素b以及胡萝卜素的含量均高于未经脉冲电场处理组溶液(p<0.05)。紫外-可见光谱显示通过脉冲电场处理后468,615及664 nm处的紫外吸收峰的强度有所增加。此外,随着电场强度的增加,红外光谱的吸收峰强度(1734,826,800及767 cm-1)发生了改变并且在1317 cm-1出现一个新的吸收峰。此外,X射线衍射谱图表明在低温处理条件下,脉冲电场可以导致色素的衍射峰2θ(27.3,28.3,29.8及32.7)的强度发生变化并且2θ为19.0°时,附近出现时了一个新的衍射峰;当温度升高至45℃,导致衍射峰几乎全部消失。另外,不同温度条件下脉冲电场处理后的菠菜色素溶液的DPPH自由基清除率均显著高于相同温度下未经脉冲电场处理组(p<0.05)。通过以上试验最终探讨了脉冲电场对化合物结构及性质的的作用机理。结果表明:脉冲电场可以改变甘氨基的电离过程,促进了两性离子的形成从而增加了甘氨酸与亚铁离子的结合能力。另外,脉冲电场可以改变L-苯丙氨酸分子结构中苯环的极性,促进L-苯丙氨酸与环糊精之间形成氢键,增强了反应产物的稳定性。此外,脉冲电场还可以改变维生素C的烯醇式与酮式构型之间的平衡状态。另外,脉冲电场可以促进类胡萝卜素顺式构型向反式构型的转变以及叶绿素的吡咯环中镁离子与氨基之间的相互作用。通过以上结果证明了脉冲电场可以改变具有一些弱的化学键及作用力的小分子化合物并造成相应性质的改变,其影响化合物结构及性质的主要机理为自由基理论、高能电子理论。
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