調(diào)香筆記(4)——硫化物在蔬菜和蘑菇香氣中的作用

在食物金字塔的底部是蔬菜，它應(yīng)該是所有食品中最經(jīng)常食用的，尤其是生的和未加工的形式。蔬菜和蘑菇是豐富的生物活性化合物的來源，可以在植物中實(shí)現(xiàn)各種功能，從防止食草動(dòng)物和作為天然殺蟲劑，到促進(jìn)人類營(yíng)養(yǎng)健康的功能。許多這些化合物的結(jié)構(gòu)中都含有硫。從食品生產(chǎn)者的角度來看，了解其中一些具有風(fēng)味屬性是極其重要的。揮發(fā)性硫化合物通常是強(qiáng)大的氣味，在許多蔬菜中，主要屬于十字花科和蔥科，硫化合物決定了它們特定的味道。有趣的是，在蔬菜中形成揮發(fā)性硫化合物的一些途徑也在選定的食用蘑菇中發(fā)現(xiàn)。最重要的具有氣味活性的有機(jī)硫化合物可分為異硫氰酸酯、腈、環(huán)硫腈類、硫醇、硫化物和聚硫化物，以及其他的，如含硫羰基化合物和酯、r-L-半胱氨酸亞砜，最后是在香菇或松露中發(fā)現(xiàn)的雜環(huán)硫化合物。本文綜述了它們的前體和生物合成，以及它們的感官特性和在選定的工藝過程中的變化。

十字花科蔬菜

前言

蔬菜的攝入在維持人體內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)橹参锝M織中存在著生物活性化合物。硫是保證植物和人類可持續(xù)發(fā)展的基本元素。來自植物的氨基酸，如蛋氨酸和半胱氨酸，是人類飲食中硫的主要來源。蔬菜含有維生素、多酚、纖維和微量營(yíng)養(yǎng)素，是日常飲食所必需的，有助于預(yù)防慢性疾病[2,3]。含硫化合物通常存在于蕓苔屬蔬菜中，如西蘭花、卷心菜和花椰菜，或蔥屬蔬菜中，如大蒜、韭菜和洋蔥。有機(jī)硫化合物的結(jié)構(gòu)是以硫原子與氰酸酯基團(tuán)或碳原子以鏈或環(huán)的形式結(jié)合為基礎(chǔ)的。存在于蔥屬植物中的生物活性化合物是烷基半胱氨酸亞砜;硫-烷基半胱氨酸;硫代亞磺酸酯;二烯丙基二硫;單硫化物、二硫化物和三硫化物;而對(duì)于十字花科蔬菜，最大的一組是硫代葡萄糖苷(GLSs)，它們的分解產(chǎn)生異硫氰酸酯(ITCs)[4]。GLSs在植物中同樣重要的作用是它們的自我保護(hù)策略。食物保護(hù)的第一種機(jī)制是通過釋放ITCs來驅(qū)除害蟲，而昆蟲天敵的吸引力則與丁腈[5]的作用有關(guān)。根據(jù)GLSs降解的條件，如附加輔助因子和蛋白質(zhì)的存在、金屬離子的存在或pH值，有可能獲得其他重新排列的產(chǎn)物，即環(huán)硫腈類、腈、惡唑烷-2-硫酮和硫氰酸酯[6]。揮發(fā)性硫化合物對(duì)上文討論的蕓苔屬和蔥屬蔬菜的特有香氣有重要貢獻(xiàn)，通常是它們的主要?dú)馕吨?。這使它們成為一組非常獨(dú)特的植物代謝物，從風(fēng)味化學(xué)和分析角度來看都很有趣，因?yàn)樗鼈兊亩鄻有?、低氣味閾值、不穩(wěn)定性和反應(yīng)性。

雖然蘑菇類風(fēng)味通常與8碳不飽和醇和酮有關(guān)(主要是1-辛烯-3-醇、3-辛酮、1-辛烯-3-酮)，但硫化合物也是一些蘑菇的重要成分，特別是香菇和松露，本文將對(duì)此進(jìn)行討論。與香菇不同的是，由于價(jià)格昂貴，松露被用作食物調(diào)味品而不是蔬菜。雜環(huán)有機(jī)硫化合物提供燃燒的，硫磺，洋蔥樣，橡膠樣和松露樣的氣味[7,8]。雖然人們食用蘑菇主要是為了它們的感官特征，特別是香氣，但它們也是有價(jià)值的生物活性化合物的寶貴來源。香菇是一種低能量密度的食物，提供與營(yíng)養(yǎng)相關(guān)的B族維生素和礦物質(zhì);它們可能是維生素D2的適當(dāng)來源，食用它們有一些藥用價(jià)值，如提高免疫力。松露是膳食纖維、必需氨基酸、金屬和麥角硫因的寶貴來源，有許多促進(jìn)健康的特性，特別是抗氧化、抗炎、抗菌性能、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤性能和抗抑郁性能。

硫化物作為代謝物，由于其分子量、穩(wěn)定性、極性和揮發(fā)性的差異，具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。它們存在于食物中，在工藝過程和儲(chǔ)存過程中，可能由于酶和化學(xué)反應(yīng)而形成或改變。由于加熱、煙熏、烹調(diào)、油炸或烘烤，許多復(fù)雜的反應(yīng)，即氧化、降解、水解、脫水、縮合和脫羧，都可能發(fā)生。食物中的揮發(fā)性硫化合物(VSCs)可根據(jù)其官能團(tuán)分為幾類(表1)[11]。硫醇(硫醇)組成了一個(gè)具有抗氧化性能的廣泛基團(tuán)，被標(biāo)記為巰基官能團(tuán)[12]的一部分。甲硫醇代表母體化合物，由于容易氧化成硫化物(二甲基硫化物，二甲基二硫化物和二甲基三硫化物)[13]。進(jìn)一步氧化硫化物可產(chǎn)生亞砜或砜。硫化合物的種類與硫原子承受不同氧化態(tài)的能力有關(guān)，在硫化物中為- 2，在亞砜中為0，在砜中為+2。除了上述硫代葡萄糖苷分解產(chǎn)生的硫化合物外，一個(gè)重要的基團(tuán)是含硫雜環(huán)化合物。具有煙熏、含硫和烘烤香氣的噻吩是在熱加工過程中產(chǎn)生的，特別是當(dāng)高濃度的半胱氨酸[15]充分利用了硫的生物利用率時(shí)。噻唑啉和噻唑是在美拉德反應(yīng)的熱反應(yīng)過程中形成的。噻唑與食物[16]中烘烤的香氣有關(guān)。2-乙?；?2-噻唑啉是一種重要的香味化合物，檢測(cè)閾值較低，僅為1 ppm，有一種令人愉快的類似爆米花的、烘烤過的堅(jiān)果香氣[17]。

表1 精選食品中由酶和化學(xué)反應(yīng)(主要是熱反應(yīng))形成的硫關(guān)鍵氣味

硫化合物存在于諸如食物這樣的復(fù)雜基質(zhì)中，由于它們的濃度往往低于十億分之一，因此在分析方面是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于感官檢測(cè)閾值較低，VSCs主要負(fù)責(zé)食物香氣的產(chǎn)生。二烯丙基二硫化物(DADS)是大蒜的香氣關(guān)鍵化合物，異硫氰酸烯丙基引起典型的芥末風(fēng)味。然而，并不是所有的硫化合物都是蔬菜香氣的關(guān)鍵呈香物質(zhì);其中一些負(fù)責(zé)整體味道的感官具有細(xì)微差別。此外，風(fēng)味感官?zèng)_擊依賴于特定食物[27]特定的氣味閾值和含量水平。然而，硫化合物對(duì)食物香氣的產(chǎn)生有重要影響，這也是因?yàn)樗鼈兪鞘澄镏袃H次于酯類的第二大揮發(fā)性成分(圖1)。硫化合物可以分為許多不同的類別，包括異硫氰酸酯、腈類、環(huán)硫腈類、硫化物、聚硫化物和硫醇，以及大量的雜類化合物。

圖1 根據(jù)基于文獻(xiàn)[28]的揮發(fā)性化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中食品揮發(fā)性化合物。

本研究的主要目的是總結(jié)和強(qiáng)調(diào)硫化合物在蔬菜和蘑菇香氣創(chuàng)造中的基本功能。雖然主要關(guān)注的是蔬菜作為硫芳香化合物的來源(主要是蔥屬和蕓苔屬)，但蘑菇也包括在綜述中，因?yàn)樗鼈兊囊恍]發(fā)物特征與蔥屬蔬菜共享，部分形成芳香化合物的途徑。綜述了硫類芳香化合物及其前驅(qū)體的形成，以及它們作為關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)的作用。我們將討論食品加工，即烹飪、烘烤、冷凍和油炸對(duì)硫化合物的影響。除了它們的香氣，硫化合物在創(chuàng)造蔬菜的風(fēng)味方面也至關(guān)重要，尤其是蕓苔屬蔬菜;然而，目前的綜述僅集中在含硫芳香化合物方面。

2. 揮發(fā)性硫化物的前體

2.1 氨基酸

構(gòu)成每個(gè)生命體的蛋白質(zhì)由20種標(biāo)準(zhǔn)的或典型的氨基酸組成——脂肪族氨基酸，它們是最常見的，芳香的和雜環(huán)的。其中9種必須通過飲食提供，因?yàn)樗鼈儾荒茉谌梭w有機(jī)體[29]中產(chǎn)生。氨基酸控制營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，參與調(diào)節(jié)血壓，可作為燃料和生物合成材料的替代來源，并作為抗氧化劑和保護(hù)劑顯示出至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)其結(jié)構(gòu)中含有硫時(shí)[30,31,32]。

結(jié)構(gòu)中含有巰基的氨基酸——即含硫氨基酸(SAAs)——由半胱氨酸和蛋氨酸[33]表示。植物中半胱氨酸的主要功能是維持從環(huán)境中獲得的無機(jī)硫水平。這種氨基酸是關(guān)鍵生物分子生物合成所需的唯一硫化物供體，特別是抗氧化劑(谷胱甘肽)、輔助因子、維生素或防御化合物(硫代葡萄糖苷酸、硫苷、植物抗毒素)。蛋氨酸屬于必需氨基酸，它決定了生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)(生長(zhǎng)素、油菜素內(nèi)酯和細(xì)胞分裂素)[34]的發(fā)育，并可能負(fù)責(zé)其生物合成。它也是生物合成肉堿、半胱氨酸、卵磷脂、?；撬岷土字闹匾绑w。含硫氨基酸，如蛋氨酸和半胱氨酸，是伴隨植物源食物而來的人類飲食中硫的主要來源。據(jù)估計(jì)，從植物產(chǎn)品中獲得的約70%的硫積累在氨基酸[1]中。然而，洋蔥科和十字花科蔬菜在氨基酸中積累的硫含量較低，有利于特殊的代謝物(圖2)。

圖2    基于文獻(xiàn)[35]的選定蔬菜中硫的分布。

2.2. 硫配糖體

硫代葡萄糖苷是氨基酸衍生的次級(jí)代謝物，包含一個(gè)硫酸鹽和一個(gè)硫葡萄糖部分(圖3)。它們來自特定的氨基酸結(jié)構(gòu)，決定了它們的分類為脂肪族(通常來自蛋氨酸)，芳香族(苯丙氨酸和酪氨酸衍生)，或吲哚?；?來自色氨酸)。GLSs的生物合成包括三個(gè)階段:(i)長(zhǎng)鏈氨基酸的合成;(ii)所有硫代葡萄糖苷常見的葡聚糖添加物和;(iii)側(cè)鏈修飾[36]。在側(cè)鏈延伸過程中，甲硫氨酸可以先被拉長(zhǎng)成單體，然后是二聚體，最后是三聚體-甲硫氨酸。葡萄糖酮部分的形成始于氨基酸轉(zhuǎn)化為肟。肟形成的起始點(diǎn)是酪氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸(有潛在的鏈延伸)和色氨酸。這將生成基本類型的側(cè)鏈，如表2所示。肟通過酸-硝基化合物被氧化，它作為硫醇供體的受體(最好是半胱氨酸)。葡萄糖的活化形式(UDPG，尿苷二磷酸葡萄糖)在s -糖基化過程中被合并形成脫硫硫苷，并在3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸鹽存在的情況下轉(zhuǎn)移到硫苷中[36,37]。關(guān)于GLS生物合成的詳細(xì)描述，可以參考[38]中的全面綜述。

圖3    硫配醣體的結(jié)構(gòu)；R表示側(cè)鏈

硫配糖體鹽(GLSs)是存在于16個(gè)雙子葉科植物中的天然化合物。如上所述，大量的GLSs存在于十字花科植物中，盡管它們也大量存在于卡帕科和加勒比科植物中。到2012年，大約有132種天然硫配糖體鹽被記錄在案。植物中硫配糖體的含量取決于植物的器官、種類和蔬菜的發(fā)育階段，例如，西蘭花苗的蘿卜硫苷濃度是成熟西蘭花的10-100倍。

硫配糖體鹽是一種非揮發(fā)性化合物，它的味道與十字花科蔬菜有關(guān)。雖然硫配糖體是無氣味的，但它的味道影響了蕓苔屬蔬菜的特色風(fēng)味。人們普遍認(rèn)為苦味與植物[40]中這些含硫化合物的存在有關(guān)。然而，目前專注于純化合物的感官評(píng)估和評(píng)估其對(duì)整體風(fēng)味貢獻(xiàn)影響的研究有限。由于小組成員的個(gè)人能力(非品嘗者、苦盲者)、數(shù)量有限，或缺乏可用于味覺測(cè)試的合適和純粹的標(biāo)準(zhǔn)，硫配糖體的感官評(píng)估存在問題。這些原因?qū)е麓蠖鄶?shù)被研究的硫配糖體[41]缺乏味覺描述。已有的研究表明，對(duì)硫配糖體苦味的感知存在差異。對(duì)四種硫配糖體的味覺評(píng)估表明，大多數(shù)味覺小組成員(71%的辛酸苷和79%的葡聚糖)品嘗出了苦味。然而，就葡萄糖蕓苔素和前甲狀腺腫素而言，分別只有21%和9%的小組成員表示有苦味。硫配糖體的苦味可以通過應(yīng)用脫苦工藝來降低，如選擇性育種、無苦味品種或定制生長(zhǎng)條件[42]。

表2    硫代葡萄糖苷側(cè)鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)[43,44]。

根據(jù)科學(xué)文獻(xiàn)，苦味的重要性在于含有甜味的植物成分，如糖和氨基酸。就第一種觀點(diǎn)而言，十字花科蔬菜的苦味可以通過含有游離糖(如果糖、半乳糖、葡萄糖或蔗糖)的甜味來減輕。蔬菜的游離糖與硫配糖鹽的比例不同;較高的比率值會(huì)產(chǎn)生理想的消費(fèi)者偏好。氨基酸，如丙氨酸、脯氨酸、絲氨酸和蘇氨酸，會(huì)產(chǎn)生甜味，而亮氨酸和纈氨酸會(huì)產(chǎn)生苦味[42]。一些研究表明，甜味氨基酸的含量與減少苦味的影響之間存在關(guān)聯(lián)。然而，蔬菜中氨基酸水平與硫配醣體含量之間的相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。

這部分硫代葡萄糖苷由不變的β-D-巰基硫糖苷-N-羥基硫酸鹽和側(cè)鏈組成，每個(gè)硫代葡萄糖苷的側(cè)鏈?zhǔn)遣煌?，因?yàn)樗前朔N氨基酸中的一種的衍生物(圖3)。根據(jù)側(cè)鏈形成的氨基酸，硫代葡萄糖苷被分為脂肪族(Ala, Leu, Ile, Met, Val)，芳香族(Phe, Tyr)和吲哚族(Trp) 葡萄糖苷;然而，側(cè)鏈通常受到許多修飾，如酰基化、去飽和、伸長(zhǎng)、糖基化、羥基化和O-甲基化[43]。所選硫代葡萄糖苷的側(cè)鏈品種如表2所示。硫配糖體鹽的側(cè)鏈決定了硫配醣體鹽經(jīng)酶降解或熱降解后釋放的揮發(fā)性化合物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。

黑芥子酶催化硫配糖體的分解。為了啟動(dòng)水解反應(yīng)，必須破壞植物組織(咀嚼、切、壓、切)，因?yàn)榱蚺涮求w鹽存在于細(xì)胞質(zhì)中，而酶則儲(chǔ)存在液泡中。水解降解的第一階段是β-D-葡萄糖分子的裂解，得到一種不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，稱為苷元。苷元會(huì)發(fā)生自發(fā)的洛森重排反應(yīng)，導(dǎo)致硫酸鹽離子的分離，并取決于以下所述的許多因素(如pH值、Fe2+離子的存在或特殊蛋白質(zhì))，獲得各種芳香硫揮發(fā)性化合物，如環(huán)硫腈類、異硫氰酸酯、丁腈、惡唑烷-2-硫酮和硫氰酸酯[6,38,45]。

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