水溶性维生素的化学反应与降解过程

L-抗坏血酸（AA）呈强极性，易溶于水，不溶于非极性溶剂，酸性和还原性与2，3-烯二醇结构有关。抗坏血酸的酸性是C₃位上羟基电离的结果（pK_a1=4.04，25℃），C-2位羟基的二级电离要弱得多（pK_a2=11.4）。AA经过双电子氧化和氢解离转化为脱氢抗坏血酸（DHAA）（图7-10）。

L-异抗坏血酸在C-5位上羟基取向不同，是AA的光学异构体，D-抗坏血酸是AA在C-4位的光学异构体，有着与抗坏血酸相似的化学性质，然而这些化合物没有维生素C活性。L-异抗坏血酸与AA都有还原性和抗氧化活性，常常被作为食品添加剂使用，可以抑制水果和蔬菜的酶促褐变。

AA广泛存在于水果和蔬菜中（表7-7），肉类制品中含量很少，主要是以还原性的形式存在。食品中DHAA的天然浓度远低于AA，其实际浓度则决定于AA氧化速率和DHAA本身水解成2，3-二酮古洛糖酸的速率。在某些动物组织中有DHAA还原酶和抗坏血酸自由基还原酶，正是这些酶能使抗坏血酸反复循环作用并保持低含量的DHAA。

表7-7 抗坏血酸在一些植物产品中的含量 单位：mg/100g可食部分

图7-10 L-抗坏血酸、L-脱氢抗坏血酸及其异构体的结构

AA氧化反应既可以通过两步单电子转移，也可通过一步双电子反应而实现（图7-11），在以上过程中未检测到半脱氢抗坏血酸中间体的存在。单电子氧化物的第一步是转移一个电子形成半脱氢抗坏血酸自由基，再失去一个电子就生成脱氢抗坏血酸，该产物的内酯桥式结构非常易水解，故很不稳定，在不可逆地水解生成2，3-二酮古洛糖酸后，也失去了活性。

图7-11 L-抗坏血酸的单电子序列氧化反应

除了2，3-二酮古洛糖酸外，其他各物质皆具维生素C活性

AA对氧化反应高度敏感，尤其在受金属离子如Cu²⁺和Fe³⁺催化时。热和光同样能加速该反应过程，而pH、氧浓度和水分活度等因素对反应速度的影响强烈。由于DHAA很容易水解，因而抗坏血酸氧化为DHAA是氧化降解过程中一个必经的、通常也是速度限制步骤。

AA一个常被人们忽视的性质是，当它在低浓度和高氧浓度时可起到助氧化剂的作用。此作用可能是由抗坏血酸作为媒介所产生的羟自由基或其他活性物质所引起。在食品化学的大多数领域内，该作用的重要性并不大。

抗坏血酸在水中易溶。当水果与蔬菜在漂洗时，抗坏血酸从新鲜切口和破损的表皮大量流失。其化学降解过程如前所述，AA首先氧化为DHAA，之后水解为2，3-二酮古洛糖酸，若再次氧化脱水会产生高不饱和产物和多聚物。pH、氧浓度和微量金属催化剂等因素强烈影响抗坏血酸的氧化速率。

pH与抗坏血酸氧化降解的关系是非线性的，原因在于不同离子状态的AA对氧化物的敏感性也各不相同，全质子态（AH₂）＜单质子态（AH^-）＜抗坏血酸根（A^2-）。在大多数食品中，pH对抗坏血酸氧化的影响主要由AH₂和AH^-的相对浓度所控制（pK_a1=4.04，25℃）；当pH≥8时，体系中存在着足够浓度的A^2-（pK_a2=11.4，25℃），氧化速度提高。

抗坏血酸氧化降解的速度通常被视为AH^-、分子氧和金属离子浓度的一级反应。在中性pH和无金属离子参与（非催化氧化反应）的条件下，抗坏血酸缓慢氧化。曾报道在中性pH抗坏血酸的自发非催化氧化的一级速度常数为5.87×10^-4s^-1。然而，最近证实在空气饱和的pH7溶液中AA氧化的速度常数为6×10^-7s^-1，显然比以前报道的要小得多。从这个差别可以推测，pH7时抗坏血酸的自发氧化可以忽略不计，而食品或试验溶液中的痕量金属能加快抗坏血酸的氧化降解。金属离子催化抗坏血酸的氧化速度与溶解氧气分压成正比（在40～100kPa范围），在氧气分压低于20kPa时，AA氧化速率与氧气分压无关。金属螯合物催化的AA氧化也与氧气浓度无关。影响金属离子催化AA氧化速率的因素有：金属离子氧化价态和是否生成螯合物。Cu²⁺的催化能力是Fe³⁺的80倍，Fe³⁺与EDTA的螯合物催化能力是游离Fe³⁺的四分之一。抗坏血酸氧化速率可按下式表示：

-d[TA]/dt=k_cat×[AH^-]×[Cu²⁺或Fe³⁺]

式中 [TA]—总抗坏血酸的浓度。

在pH7.0的磷酸缓冲液（20℃）中，Cu²⁺、Fe³⁺和Fe³⁺-EDTA螯合物的催化常数k_cat分别为880，42和10（mol/L）^-1·s^-1。必须指出，在简单溶液中，这些催化常数的相对值和绝对值不同于在实际食品体系中的相应值，这是因为金属离子可能与其他组分（如氨基酸）结合或参与其他反应，其中某些反应可能生成活泼的自由基或活性氧，它们会加速AA的氧化。

AA的氧化反应可能由抗坏血酸单阴离子、金属离子和氧气构成的三元复合物或各种单电子氧化反应所诱发（图7-12）。AH^-生成A^-及A^-生成DHAA的单电子氧化途径可能有多种，表7-8中罗列了有关的氧化剂的还原电位（反应性），有助于理解一些维生素，包括抗坏血酸、α-生育酚和核黄素等维生素在抗氧化功能中的相互关系。

图7-12 抗坏血酸氧化与无氧降解反应历程

粗线表示的结构为抗坏血酸活性的主要来源。缩写：AH₂，完全质子化的抗坏血酸；AH^-，抗坏血酸单阴离子；AH^·；半脱氢抗坏血酸自由基；A，脱氢抗坏血酸；FA，2-糠酸；F，2-糠醛；DKG，二酮古洛糖酸；DP，3-脱氧戊酮糖；X，木酮糖；Mⁿ⁺，金属催化剂；HO₂˙，过氧化羟基自由基

表7-8 部分自由基和抗氧化剂的还原电位[以最高氧化性（顶行）至最高还原性排列；氧化还原对中每个氧化态可从其还原态夺取一个电子或一个氢原子]

续表

注：*抗坏血酸^-˙，半脱氢抗坏血酸自由基；PUFA，多不饱和脂肪酸自由基；PUFA-H，多不饱和脂肪酸，两个烯丙基氢；RO˙，脂肪族烷氧基自由基；∆E°′为标准单电子还原电位（mV）。

在AA氧化降解过程中，碱性介质有利于DHAA内酯水解产生2，3-酮古洛糖酸，DHAA在pH2.5～5.5的酸性系统中最稳定，pH大于5.5其稳定性很差，随pH的增加愈加不稳定。23℃时，在pH分别为7.2和6.6介质中，DHAA半衰期分别为100min和230min。随温度升高DHAA水解加剧并与氧无关。值得注意的是在进行分析测试时，AA不可避免被氧化成DHAA，会使结果产生偏差。

虽然由Khan和Martell提出的三元络合物理论显然是一个AA氧化的精确模型，但最近的发现扩展了对反应机理的认识。Scarpa等观察到，在金属催化抗坏血酸单阴离子氧化的速度决定步骤中形成了超氧化物（O^2-˙）：

随后的反应步骤包括超氧化物作为一种促进剂有效地使抗坏血酸氧化生成脱氢抗坏血酸反应总速度增加一倍：

如图7-12所示，通过两个抗坏血酸自由基的反应，也可使反应终止，如：

对于大多数食品，AA的无氧降解（Anaerobicdegredation）不是它损失的主要原因。然而在罐装浓缩番茄汁贮存阶段，无论在有氧还是无氧条件下，无氧氧化都是AA损失的主要途径，原因在于微量金属元素的催化作用，可以测得AA氧化速率与铜的浓度成正比。

对于AA的无氧降解机理尚未得到彻底了解。目前认为，无需先氧化成DHAA，1，4-内酯桥式结构会直接断裂，接着烯醇-酮式异构化（图7-12）。在pH3～4，无氧降解可达到最大速率，这意味着此pH会影响内酯的开环及抗坏血酸单阴离子的浓度。从贮存在28℃的橘汁原汁中总抗坏血酸的活化能变化可推测无氧降解的机理和食品组分影响的复杂性。葡萄柚与柑橘性质相似，然而罐装葡萄柚汁在贮存期总抗坏血酸降解的Arrhenius关系在同一温度范围（4～50℃）是线性的，可以认为无氧氧化主要遵循一个简单的机制。对于如此相似的产品，存在动力学和/或机制上的巨大差异的原因仍是一个谜。

罐装和瓶装时都会有残余氧气，此时抗环血酸的降解会同时遵循有氧与无氧降解两种机制。绝大多数情况下，无氧降解的速率常数比有氧降解的速率常数小2～3个数量级。

无论按何种途径降解，AA内酯环的裂开不可逆地破坏了抗坏血酸的活性。尽管这些产物缺乏营养作用，但会参与非酶褐变，其最终产物是风味化合物或风味的前体物质。

已成功鉴定的AA降解的产物达50多种，这些物质的生成机理与含量受到温度、pH、水分活度、氧和金属催化剂的浓度及活性氧种类的影响。分解产物主要包括：聚合过程的中间产物，C₅和C₆不饱和羧酸，五个碳或更小的裂解化合物。在中性pH，AA的热降解产生甲醛。在酸性及中性溶液中AA分解的主要产物有L-木糖醛酮、草酸、L-苏氨酸、酒石酸、糠醛和糠酸以及各种羰基化合物和其他不饱和化合物。在碱性条件下AA降解更快。DHAA及其生成的二羰基化合物与氨基酸一起参与Strecker降解。产物可能是二聚、三聚和四聚物，有的会带红色或黄色。在AA无氧降解中继脱羰基之后形成的失水中间产物是棕色的3，4-二羟基-5-甲基-2（5H）呋喃酮，这种化合物或其他不饱和产物的进一步聚合产生类黑素（含氮聚合物）或焦糖类色素（无氮聚合物）。虽然橘汁以及类似饮料中AA的非酶褐变是一个非常复杂的过程，但是AA对褐变的影响已被充分地证实。

某些糖和糖醇能保护抗坏血酸免受氧化降解，这可能是由于它们能结合金属离子从而降低了后者的催化活性。这些发现对实际食品的重要性还有待于研究和确定。

众所周知，AA不仅是必需的营养素，而且它良好的还原性和抗氧化性使之成为广泛使用的食品添加剂。在酶的章节中已提到抗坏血酸能抑制酶促褐变，它的其他功能包括：面包改良剂中的还原作用：保护一些易氧化的化合物（如叶酸），清除自由基和氧；阻止亚硝胺的生成和还原金属离子。

抗坏血酸的抗氧化作用是多方面的，它抑制脂肪氧化的机理包括：①清除单重态氧；②还原以氧和碳为中心的自由基，同时形成较少活性的半脱氢抗坏血酸自由基或DHAA；③优先氧化抗坏血酸同时除去氧；④使其它抗氧化剂再生，如还原生育酚自由基。

AA是一种强极性化合物，因此基本上不溶于油。然而当它分散于油中或乳状液中时却是一种很有效的抗氧化剂。抗坏血酸与生育酚的结合在油基体系中特别有效，而α-生育酚与抗坏血酸棕榈酸酯结合在O/W乳状液中更为有效。抗坏血酸棕榈酸酯与α-生育酚或其他抗氧化剂具有协同作用。

以氧化还原反应为基础建立的化学法测定AA受到多种干扰，结果不会令人满意。高效液相色谱法能够有效地分离AA、DHAA、异抗坏血酸，并精确定量，所以已成为广泛使用的方法。

（一）硫胺素（Thiamin）

硫胺素是取代的嘧啶环和嘿唑环由亚甲基相联而成的一类化合物，各种结构的硫胺素（图7-13）均具有维生素B₁活性。

图7-13 各种形式硫胺素的结构

它们均具有维生素B₁的活性

硫胺素具有特别的酸碱性，嘧啶环N¹位上质子电离（pK_a14.8），生成硫胺素游离碱。在碱性范围再失一个质子（表观pK_a9.2）生成硫胺素假碱（图7-14）。硫胺素假碱打开唑环生成硫醇式结构。硫胺素的另一特征是唑环的季铵盐氮在任何pH都保持阳离子状态，是典型的强碱。在酸性介质中质子化硫胺素比游离碱、硫胺素假碱和硫醇式硫胺素要稳定得多（表7-9）。

硫胺素降解一般遵循一级动力学反应机制。由于几种降解机制同时存在，因此，某些食品中硫胺素的热降解损失随温度而变化的Arrhenius关系不呈线性。

图7-14 硫胺素离子化和降解的主要途径

表7-9 硫胺素和硫胺素焦磷酸盐的热稳定性比较（0.1mmol/L磷酸缓冲液，265℃）

注：k为一级反应速率常数，t_1/2为达到50%热降解时所需时间。

在低水分活度和室温时，硫胺素极为稳定。水分活度为0.1～0.65的早餐谷物制品在37℃以下时，硫胺素的损失几乎为零（图7-15）。在45℃时，其中硫胺素加速降解，水分活度增加至0.4或更高时（单分子水层时水分活度为0.24），硫胺素的降解更快，硫胺素降解的最高峰值出现在水分活度为0.5～0.65（图7-16）。在类似的模拟体系中，当a_w从0.65增加至0.85，硫胺素降解速度下降。

表7-10 食品中硫胺素在热处理过程中的代表性降解速度（在参考温度100℃时的半衰期）和硫胺素损失的活化能

注：水分活度估计为0.98～0.99，半衰期和活化能数值分别为1和2位有效整数。

图7-15 水分活度和温度对脱水模型食品体系模拟早餐谷类产品中硫胺素保留率的影响

保留率百分数数值适用于8个月的贮藏期

图7-16 水分活度对贮藏于45℃时脱水食品体系模拟早餐谷类产品中硫胺素降解的一级反应速率常数的影响

很多鱼及甲壳类在捕获后体内的硫胺素不太稳定，这主要是因为有硫胺素酶（Thiaminases）存在。然而，至少有一部分硫胺素活性的损失是因为血红素蛋白质（肌红蛋白和血红蛋白）的作用而造成的，它们是硫胺素降解的热稳定非酶催化剂。在金枪鱼、猪肉和牛肉中促使硫胺素降解的血红素蛋白质是加热变性后的肌红蛋白，这一非酶降解过程只改变了硫胺素的维生素活性而未裂解它的结构。

食品中其他成分亦会影响硫胺素的降解。硫胺素与单宁生成非生物活性的加成物而失活。各种黄酮类化合物能改变硫胺素，但是由黄酮类氧化产生的硫胺素二硫化物仍然具有硫胺素活性。在遇热或有亚硫酸盐存在时，蛋白质和碳水化合物能降低硫胺素的降解速度，部分原因是蛋白质与硫胺素的硫醇（Thiol）形式生成混合二硫化合物，此反应能延缓硫胺素的进一步降解。水净化剂次氯酸盐会导致硫胺素的快速降解。

pH对硫胺素产生较为敏感的影响。在pH＜6的酸性条件下，硫胺素热降解较为缓慢，亚甲基桥断裂产生嘧啶与唑。在pH6～7硫胺素降解加快，唑环破坏程度亦增加，在pH8时硫胺素分解产物中已无唑环。硫胺素的分解或重排产生含硫化合物，这些化合物可能是肉类风味的来源之一。

亚硫酸氢根会加速硫胺素分解。亚硫酸氢盐分解硫胺素类似于在pH≤6时硫胺素的分解，不过前者导致嘧啶被磺化。发生这类反应的pH范围很宽，pH6时反应速率最大，所以美国在富含硫胺素的食品中禁止使用亚硫酸氢盐。

由于硫胺素的嘧啶环上含有伯胺基，因此，它在中等水分活度以及中性和碱性pH时降解速度最快。

食品中的硫胺素几乎能被完全吸收和利用。在动物试验中的硫胺素二硫化合物只有90%的硫胺素活性。

食品中硫胺素可采用热酸萃取，然后再用荧光或高效液相色谱检测。

（二）核黄素（Riboflavin）

核黄素的母体结构为7，8-二甲基-10（1′-核糖醇基）异咯嗪，所有具有该结构生物活性的衍生物都采用核黄素这个名称，也被称为维生素B₂（图7-17）。

图7-17 核黄素、单核苷黄酮和黄酮腺嘌呤二核苷酸结构

核糖醇支链5′位磷酸化的产物是黄素单核苷酸（FMN），若再连接5′-腺苷单磷酸就是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。在许多与黄素有关的酶中FMN和FAD是辅酶，催化各种氧化-还原过程。在食品和消化系统中的磷酸酶的作用下，这些酶的FMN和FAD能转变成核黄素。在生物原料中，不到10%的FAD在8α位上与酶蛋白质的氨基酸残基形成共价键。

核黄素与其他黄素的化学性质是相当复杂的，每种黄素都具有数种氧化态和离子态。核黄素作为游离维生素和辅酶的组分时在3种化学形态之间进行氧化还原循环（图7-18），它们包括天然的黄色黄酮醌（完全氧化态）、黄素半醌（可随pH变为红色或蓝色）及五色的黄素氢醌。三者之间每步转化都会失去一个电子或获得一个H⁺。黄素半醌N⁵的pK_a为8.4，而黄素氢醌N¹的pK_a为6.2。

图7-18 黄素的氧化还原特性

表7-11在新鲜母乳和牛乳中核黄素化合物的分布

如表7-11所示，FAD和游离核黄素占牛乳和母乳中总黄素的80%。在含量较少的核黄素形式中，最令人感兴趣的是10-羟乙基黄素，它是细菌黄素代谢的产物。已知10-羟乙基黄素是哺乳动物核黄素激酶的抑制剂，它可抑制核黄素吸收至组织中。其他含量较少的衍生物（如光黄素）也会起拮抗剂的作用。因而，食品既含有如核黄素、FAD和FMN一类具有维生素活性的黄素，但也含有对核黄素转运和代谢起拮抗作用的物质。这说明为了精确评估食品的营养性质，需要对核黄素和其他维生素的各种形式作彻底分析。

核黄素在酸性介质中有非常好的稳定性，在中性pH稍不稳定，在碱性条件下迅速分解。在光的照射下核黄素会分解成非生物活性的光黄素和光色素及一系列自由基（图7-19）。核黄素光解生成超氧化物和核黄素自由基，氧气与核黄素自由基反应生成过氧化自由基和其他许多产物，光照导致牛乳产生异味的原因与核黄素的光化学变化有关。据推测光诱导甲硫氨酸的脱羧反应和脱氨基反应生成甲硫基乙醛，至少是产生牛乳异味的部分机制，与此同时，牛乳脂也慢慢氧化。

图7-19 核黄素经光化学转变为光色素和光黄素

关于天然各种形态的核黄素的生物利用率尚未被彻底了解，共价键合的FAD辅酶的小鼠试验显示很低的生物利用率。

黄素醌化合物是强荧光物质，因此可采用荧光法测定食品中核黄素的含量。采用高效液相色谱法能有效分离各种核黄素成分，并分别定量。

（三）烟酸（Niacin）

烟酸是一类具有类似维生素活性的3-羧酸吡啶及其衍生物的总称（图7-20）。

图7-20 烟酸、烟酰胺和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）的结构

在NAD和NADP中，由于在嘧啶环的C-4位接受一个H而发生还原反应

烟酸的辅酶形式是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADP），NAD和NADP能在很多脱氢酶反应中起辅酶作用。烟酸不受光的影响，在食品加工时亦无热损失。在酸性或碱性条件下受热时烟酰胺能转化为烟酸，但是维生素活性没有损失，所以烟酸或许是最稳定的维生素。烟酸广泛存在于蔬菜和动物来源的食品中，高蛋白膳食者可减少对烟酸的需求，因为色氨酸可代谢为烟酰胺。

咖啡豆中含有相当多的葫芦巴碱（Trigonelline）或N-甲基烟酸，在缓和的酸性条件下焙炒咖啡豆，葫芦巴碱脱甲基生成烟酸，可使咖啡中烟酸含量和活性增加30倍。其他豆科植物中也有较低浓度的葫芦巴碱。NAD和NADP的还原态NADH和NADPH在胃酸中不稳定，所以生物利用率很低。食品中键合态烟酸的量的多少直接影响烟酸的生物利用率。碱萃取法测定总烟酸量远高于小鼠生物检测法或直接测定游离烟酸的结果，原因在于碱处理可释放出游离烟酸。(www.xing528.com)

高效液相色谱法可分别检测食品中的烟酸及烟酰胺，也能测定食品中各个游离和结合形式的烟酸。

（四）维生素B₆

维生素B₆的基本结构（图7-21）是2-甲基-3-羟基-5-羟基甲基吡啶，各种形式维生素B₆的差别在于4位上一碳取代基的不同结构，吡哆醇（PN）、吡哆醛（PL）和吡哆胺（PM）的取代基分别是醇、醛和胺。若在5′-羟基上磷酸化，这三种基本形式生成相应的5′-磷酸吡哆醇（PNP）、5′-磷酸吡哆醛（PLP）、和5′-磷酸吡哆胺（PMP）。PLP及PMP的功能是氨基酸、碳水化合物、脂质代谢和神经传导等100多种酶反应的辅酶。吡哆醇一词已不再用作维生素B₆的通称。与吡哆醇一样，术语吡哆醛也不再使用。

图7-21 维生素B₆类的结构

在大多数水果、蔬菜和谷类中，维生素B₆以吡哆醇-5′-β-D-葡萄糖苷的形式存在，约占维生素B₆总量的5%～75%。吡哆醇葡萄糖苷只有被β-葡萄糖苷酶水解之后才具有营养活性作用。

维生素B₆化合物显示了复杂的离子化形式（表7-12），吡啶氮呈碱性（pK_a=8）而3-羟基呈酸性（pK_a=3.5～5.0），因此在中性pH时维生素B₆的吡啶体系主要以两性离子形式存在。维生素B₆化合物的净电荷数取决于pH。PM和PMP的4′-氨基（pK_a≈10.5）及PLP和PMP的5′-磷酸酯（pK_a＜2.5，～6和～12）也为这些维生素B₆形式提供了电荷。

食品中存在各种维生素B₆，但是它们的含量变化很大。PN葡萄糖苷只存在于植物制品中，肌肉与器官组织中PLP和PMP占优势（超过维生素B₆总量的80%），还有少量未磷酸化的维生素B₆。经反复冷冻-解冻或均质处理的生植物组织会释放出磷酸酯酶和β-葡萄糖苷酶，它们催化去磷酸化和去糖基化反应，从而改变了维生素B₆的形式，类似的变化也发生在动物组织中。吡哆醇盐酸盐有良好的稳定性，可用于食品的强化和营养补充。

表7-12 维生素B₆类物质的pK_a值

注：ND，未检出。

PLP和PL易与氨基酸、肽或蛋白质的中性氨基生成席夫碱（图7-22）。由于PLP的磷酸根阻止了分子内半缩醛的生成（图7-23），羰基处于有反应能力的形态，所以PLP的席夫碱比PL更为稳定。在饭后胃酸环境中维生素B₆席夫碱会完全解离。PLP在大多数依赖维生素B₆的酶反应中的辅酶作用包括一个羰-胺缩合反应。

图7-22 从吡哆醛（PL）和吡哆胺（PM）形成的席夫碱结构

PLP和PMP也发生类似反应

PLP或PL与氨基化合物形成的席夫碱能进一步重排为多种环状结构，例如，半胱氨酸与PL或PLP形式的席夫碱中巯基再进攻席夫碱4′-碳，生成环状的四氢噻唑衍生物（图7-24）。组氨酸、色氨酸及组胺与色胺，亦会与PL或PLP分别通过咪唑和吲哚侧链反应生成类似的环状复合物。

食品的热加工和贮存会影响维生素B₆的含量。如同其他水溶性维生素，食品与水接触会导致维生素B₆的沥滤和损失。化学变化包括维生素B₆各种形式之间的转变、热和光降解、与蛋白质、肽或氨基酸的不可逆复合。

维生素B₆化合物的相互转变主要通过非酶转氨作用实现，例如肉类和乳制品在加热时PM和PMP成倍增加。这种转氨基作用对营养无影响。在中等水分活度（a_w=0.6）食品体系贮存时亦发生类似的转氨基作用。在食品加工过程中含硫氨基酸与PL会发生非酶H₂S和甲硫醇消去反应，这是食品风味的重要来源，生成的黑色硫化亚铁会使罐装食品变色。

图7-23 吡哆醛半内缩醛的形成

图7-24 吡哆醛（PL）与半胱氨酸形成的席夫碱和四氢噻唑复合物

维生素B₆能发生光诱导降解，光的波长与反应速率之间的关系尚未清楚，推测为自由基诱发氧化反应使PL和PM变成无营养价值的4-吡哆酸，PLP和PMP变成4-吡哆酸-5′-磷酸。由于在起始阶段无需氧的参与，所以PLP、PMP和PM的光化学降解速率及产物得率在有氧和无氧时无明显差异。水分含量低时PL光化学降解速率与PL浓度呈一级动力学关系，快于PM和PN的降解速度，温度对该反应的影响很大，而水分活度只有轻微的影响（表7-13）。

表7-13 温度、水分活度和光强度对脱水模型食品体系中吡哆醛降解的影响

注：①一级反应速率常数；

②达50%降解时所需时间。

表7-14 pH和温度对水溶液中吡哆醛和吡哆胺降解的影响

注：在pH4～7、40℃或60℃下保温至140d，未发现吡哆醇有显著降解。

①一级反应速率常数；

②达50%降解时所需时间。

影响维生素B₆非光化学降解速度的因素包括维生素B₆的形态、温度、溶液的pH（表7-14）和其他反应物（如蛋白质、氨基酸和还原糖）。在低pH条件下（如0.1mol/L HCl）所有形式的维生素B₆都很稳定，这是萃取维生素B₆的条件。在pH4～7，40℃或60℃贮存PN140天亦无损失；pH7时PM损失最大，pH5时PL损失最大。PL和PM在上述条件下降解遵循一级动力学反应。在pH7.2的缓冲液中和110～145℃下PL、PN和PM的降解分别遵循二级、一级半和假一级反应动力学。花椰菜泥中维生素B₆的热降解并不遵循一级动力学。造成研究结果差别的原因尚不清楚。

浓缩乳和非强化的婴儿配方乳的工业杀菌使40%～60%天然存在的维生素B₆损失，而加入的PN在类似的热加工过程中都没有或几乎没有遭到破坏。因此，在采用新配方和加工方法时，有必要充分彻底地评价食品的营养质量。

膳食中PL、PN、PM、PLP和PMP（在有PNP存在时）能被有效吸收且起维生素B₆的功能。PL、PLP、PM和PMP的席夫碱在胃的酸性条件下能解离并显示出高生物利用率。

利用微生物学方法测定所得的PM偏低，反相高效液相色谱（或离子交换色谱）可以分别测定各种形态的维生素B₆。

（五）叶酸（Folate）

叶酸是指具有与喋酰基-L-谷氨酸类似的化学结构和营养活性物质的一类喋啶衍生物总称（图7-25）。叶酸的喋啶部分被空气氧化，其双键处于完全共轭的状态，所有的叶酸盐含有类似酰胺（N³和C⁴之间）的结构，并存在共振现象（图7-26）。

天然存在的叶酸较少。植物、动物和微生物来源的叶酸盐主要形态是5，6，7，8-四氢叶酸盐的聚谷氨酰基形式，其中喋啶环状体系中的两个双键被还原。尚有少量的7，8-二氢叶酸盐存在于自然界。在代谢中，四氢叶酸盐是单碳转化反应的调节剂，即以一个碳为单位的转化、氧化和还原反应，此类反应解释了活细胞中有叶酸存在时产生的各类单碳取代基。单碳取代可作用于N⁵或N¹⁰位上（主要以甲基或甲酰基形式），或以亚甲基（—CH₂—）或次甲基（—CH=）形式在N⁵和N¹⁰间桥连。

图7-25 叶酸的结构

图7-26 叶酸喋啶环上3，4-酰胺位的共振结构式

所示为叶酸喋啶体系的完全氧化式；H₄叶酸和H₂叶酸遵循同一模式

大多数天然状态的叶酸存在于动植物来源的食品中，它们都含有一个以γ肽键连接的由5～7个谷氨酸组成的侧链。食品中80%叶酸盐以聚谷氨酰叶酸盐的形式存在。几乎所有形式的叶酸盐在哺乳动物及人体内显示维生素活性。

叶酸盐随着pH的改变有不同的离子构型。

叶酸盐的谷氨酰基的α-碳与四氢叶酸盐的喋啶C⁶是不对称碳，都有两种构型，谷氨酸部分必须为L型才具维生素活性，对于四氢叶酸，C⁶还必须为6S型。用化学还原法制得的四氢叶酸盐的C⁶是外消旋碳，（6R+6S）外消旋四氢叶酸盐只有50%的营养价值，酶法还原的四氢叶酸盐都是6S构象，是人和动物所需的维生素活性物质。

几种四氢叶酸盐的稳定性顺序如下：5-甲酰基四氢叶酸盐＞5-甲基四氢叶酸盐＞10-甲酰基四氢叶酸盐≥四氢叶酸盐。叶酸盐的稳定性与聚合氨酰基链长无关，只取决于喋啶环的化学性质。

所有的叶酸盐都会遭受氧化降解，而抗坏血酸与硫醇等还原剂能清除氧和自由基，所以可从多方面保护叶酸盐。除氧气外，食品中其余的氧化剂亦会影响叶酸盐的稳定性。例如，用于抗微生物的次氯酸盐会氧化裂解叶酸、二氢和四氢叶酸成无营养活性产物，或将其他形式的叶酸盐转化成只有部分营养活性的产物。尽管其反应机制尚未明确，但光可促进叶酸裂解。

从满足人们的营养需求来看，叶酸是最缺乏的维生素之一，这与不合理的膳食结构、食品加工（或家庭食品制作）中的损失以及膳食中叶酸不完全的生物利用率有关。

食品中天然叶酸盐的主要形式是5-甲基-四氢叶酸盐，经氧化降解会转化为两种产物（图7-27），其中之一暂定为5-甲基-5，6-二氢叶酸盐（5-甲基二氢叶酸），该化合物易被巯基或抗坏血酸盐等弱还原剂还原至5-甲基-四氢叶酸盐，因此仍保持维生素活性。若在酸性介质中，5-甲基-二氢叶酸盐在C⁹-C¹⁰键处断裂，失去维生素活性。另一产物的图谱数据虽然与喋呤环重排产生的吡嗪-s-三嗪较为一致，但仍暂定为4a-羟基-5-甲基-四氢叶酸盐。

某些动物产品，如肝脏中10-甲酰基-四氢叶酸盐可占到全部叶酸盐的1/3，其中喋啶环的氧化降解产生10-甲酰基-叶酸（仍保留维生素活性），或喋呤与N-甲酰基-p-氨基苯酰基谷氨酸盐（失去营养活性）（图7-28）。相比之下，5-甲酰基-四氢叶酸盐显示出极好的热稳定性和氧化稳定性。

叶酸通常是最稳定的形式，它耐氧化，仅在酸性介质中稳定性会下降。四氢叶酸盐是该维生素最不稳定的形式。它的最高稳定性出现在pH8～12及pH1～2，最低稳定性出现在pH4～6。然而，即使在合适的pH范围，四氢叶酸仍然很不稳定。N⁵位上有取代的四氢叶酸盐比未取代时稳定得多，这可能是N⁵位上取代基的空间占位阻碍了喋啶环的氧化。甲酰基的稳定作用大于甲基，在低浓度氧环境中热加工时，5-甲基-四氢叶酸盐和叶酸的稳定性相似。5-甲基-四氢叶酸盐的氧化速度与溶解浓度的关系符合假一级动力学。在抗坏血酸、亚铁离子和还原糖存在时的厌氧环境，能提高叶酸和5-甲基-四氢叶酸盐的稳定性。磷酸缓冲液会加速叶酸盐的氧化降解，加入柠檬酸可以抑制此降解作用，因为磷酸缓冲液中的杂质Cu²⁺能催化叶酸盐的氧化降解。0.1mmol/L Cu²⁺可使5-甲基-四氢叶酸盐在有氧水溶液中的氧化速度增加20倍，同样量的Fe³⁺仅能增加其氧化速度2倍。

食品中其他活性组分会加速叶酸盐的降解。溶解的SO₂会导致叶酸盐的还原性分裂，而亚硝酸盐会使5-甲基-四氢叶酸盐和四氢叶酸盐氧化降解。亚硝酸盐与叶酸作用生成10-亚硝基-叶酸，这是一种弱的致癌剂。次氯酸盐也会造成叶酸的严重损失。

图7-27 5-甲基-四氢叶酸的氧化降解机制

图7-28 10-甲酰基一四氢叶酸的氧化降解机制

叶酸盐经喋酰聚谷氨酸酶水解除去聚谷氨酰基后，在肠内被吸收。食品中天然叶酸盐的生物利用率平均约50%或更少。聚谷氨酰基叶酸盐生物利用率是单谷氨酰基叶酸盐的70%。生物利用率不完全的原因如下：①食品基质通过非共价键与叶酸盐结合；②四氢叶酸在胃酸中降解；③肠内缺少专用酶将叶酸盐的谷氨酰基形式转化为单谷氨酰基形式，亦有可能是该酶活性被食品中其他组分抑制。另一方面许多水果、蔬菜和肉类经过均质、冷冻（解冻）及其他处理时细胞破损，释放出水解酶促使聚谷氨酰基叶酸盐解聚，从而提高了生物利用率。

微生物生长法是一种测定叶酸盐总量较好的方法，此外高效液相色谱和竞争结合放射标记法都是很有效的方法，但样品的预处理步骤比较繁琐。

（六）维生素B₁₂

维生素B₁₂是具有氰钴胺素类似活性化合物的总称。金属离子被4个吡咯环上的四个氮螯合，二甲基苯并咪唑上的氮与钴形成第五个配位共价键，钴的第六个配位键上的基团可能是氰基、5′-脱氧腺苷基、甲基、水、羟基或其他配基（如亚硝基、氨基或亚硫酸根），见图7-29。

图7-29 维生素B₁₂的各种结构

维生素B₁₂的合成产品是氰钴胺素，它是一种红色结晶，非常稳定，已商品化，可用于食品的强化及营养补充。甲基氰钴胺素与5′-脱氧腺苷钴胺素是维生素B₁₂的辅酶形式，前者的功能是作为甲硫氨酸合成酶的辅酶从5′-甲基四氢叶酸盐转移一个甲基，而后者是甲基丙二酰辅酶A变位酶催化重排反应的辅酶。氰钴胺素只能由细菌合成，豆类的根瘤细菌能产生维生素B₁₂，然而很少能进入种子。大多数植物性食品中并不存在维生素B₁₂，它主要集中于动物组织中，见表7-15。

表7-15 食品中维生素B₁₂的分布

在常见的食品加工、保藏和贮存条件下，维生素B₁₂的损失很少。

添加于早餐谷物中的氰钴胺素在加工中损失约17%，在常温贮存12个月又损失17%。经高温短时杀菌（HTST）的液体乳可保留96%的维生素B₁₂，若采用超高温杀菌，则保留90%，这种乳贮存90d后维生素B₁₂的损失达到50%。在中性pH长时间加热时，食品中维生素B₁₂的损失严重。

维生素B₁₂辅酶经光化学降解产生水合钴胺素，后者虽然仍保持维生素B₁₂活性，但是会干扰对B₁₂的代谢和功能的研究。pH4～7时维生素B₁₂的稳定性最高。酸水解使其丢失核苷酸，当酸作用的条件变得激烈时，其他键也会断裂。酸或碱能使酰胺水解生成非生物活性的维生素B₁₂羧酸衍生物。由于维生素B₁₂分子太复杂，以及它在食品中的浓度太低，所以其降解机制尚未彻底了解。

人们从蛋中吸收维生素B₁₂时其吸收率相当于直接摄入钴胺素的一半，与此相似，从鱼和各种肉摄入的维生素B₁₂的生物利用率也在此水平。某些个体由于消化不良，无法使食品充分释放出氰钴胺素，会患上维生素B₁₂缺乏症。

食品中维生素B₁₂的检测主要采用微生物生长法或放射配基结合法。高效液相色谱无法检测食品中含量很低的维生素B₁₂。

（七）泛酸（Pantothenic Acid）

泛酸或D-N-（2，4-二羟基-3，3-二甲基-丁酰基）-β-丙氨酸（也被称为维生素B₅）是水溶性维生素。

泛酸广泛存在于肉、谷物、蛋、乳和很多新鲜蔬菜中（表7-16）。作为辅酶A（图7-30）的一部分，它参与许多代谢反应，因此是所有生物体的必需营养素。

表7-16 一些食品中泛酸的含量

图7-30 泛酸的各种结构

在许多食品和大多数生物物质中，泛酸以辅酶A的形式存在，而且多半是与各种有机酸形成硫酯衍生物。有关食品中泛酸以辅酶A或游离形式存在所占的比例数据还不完全，已知牛肉和豌豆中游离泛酸占总量的50%。辅酶A在小肠内被碱性磷酸酯酶和酰胺酶作用，转变为游离泛酸，经载体输送，在肠部被吸收。

合成的泛酸被用于食品强化。由于泛酸钙的稳定性和不易潮解，因此它通常是该维生素的补充形式。动物饲料中往往添加泛酸。泛酸在pH5～7的水溶液中最稳定，低水分活度的食品中泛酸也相当稳定。烹饪和热加工中也会有一定损失，但从组织中沥滤是泛酸损失的主要原因。泛酸热降解遵循一级动力学机制，在pH4～6范围，速度常数随pH降低而增加。

膳食中泛酸在人体内的生物利用率约为51%，然而，没有证据显示这会导致严重的营养问题。

（八）生物素（Biotin）

生物素是带有双环的水溶性维生素，在羧基化和转羧基化反应中起着辅酶的功能。D-生物素和生物胞素（Biocytin，ε-N-biotinyl-L-lysine）是两种天然的生物素（图7-31）。生物素的环状结构可能有8种异构体，D-生物素是其中唯一的天然具有生物活性的形式。食物中无论是游离态生物素还是与蛋白质结合的生物胞素都有生物活性。

图7-31 生物素和生物胞素的结构

生物素对于热、光和氧气非常稳定。很高或很低pH会导致生物素分解，其原因是由于生物素环上酰胺键的水解。高锰酸钾或过氧化氢会使生物素中硫氧化为亚砜或砜，而亚硝酸能与生物素生成亚硝基脲衍生物，破坏它的生物活性。生物素环上的羰基也可能与胺反应。添加于低水分活度谷物食品中的生物素在贮存时损失很少。人乳中的生物素浓度在室温下一周内，5℃下一个月内，或-20℃（或更低温度）下一年半内保持不变。

正常膳食中的生物素含量足够满足人体需要（表7-17），肠内细菌合成的生物素虽不多但也为人类提供了一种额外来源。食品中的生物素大多是以与蛋白质相结合的形式存在，胰液中生物素酶和肠黏膜能分解与蛋白质结合的生物素，释放出具有生物活性的游离生物素。

表7-17 一些食品中生物素的含量

鸡蛋中的清蛋白含有能与生物素结合的抗生物素蛋白，后者会完全阻断生物素的吸收。抗生物素蛋白是糖蛋白的四聚体，每个亚基可结合一个生物素，此种结合非常牢固（解离常数约为10^-15mol/L），难以消化。因此，不能持续食用生鸡蛋以免造成生物素缺乏症。