美拉德反应的抗氧化性、褐变及荧光性

1. 美拉德反应1.1 简介美拉德反应( Maillard Reaction，MR) 是羰基化合物(尤其是还原糖)与氨基化合物(氨基酸、肽类、蛋白质等) 发生的一系列复杂的非酶促褐变反应，也被称为羰氨反应。

该反应最早由法国化学家美拉德(Maillard)于20世纪初发现,当他把甘氨酸与葡萄糖的混合物加热时，发现形成了褐色的类黑精，此类反应即被称为美拉德反应(Maillard Reaction)。

美拉德反应在近几十年来一直是食品化学、食品工艺学、营养学、香料化学等领域的研究热点。

因为美拉德反应是加工食品色泽和浓郁芳香的各种风味的主要来源，特别是对于一些传统的加工工艺过程如咖啡、可可豆的焙炒，饼干、面包的烘烤以及肉类食品的蒸煮。

另外，美拉德反应对食品的营养价值也有重要的影响，既可能由于消耗了食品中的营养成分或降低了食品的可消化性而降低食品的营养价值，也可能在加工过程中生成抗氧化物质而增加其营养价值。

对美拉德反应的机理进行深入的研究，有利于在食品贮藏与加工的过程中，控制食品的色泽、香味的变化或使其反应向着有利于色泽、香味生成的方向进行，减少营养价值的损失，增加有益产物的积累，从而提高食品的品质。

1.2 美拉德反应对食品的影响⑴色泽：一般来说，将食品加热或将食品长期贮藏就会产生类黑精褐色色素。

含有类黑精的食品有很多，如面包、烤肉、烤鱼、咖啡、麦茶等。

而酱油、豆酱等调味品中褐色色素的形成也是因为美拉德反应，这种反应也称为非酶褐变反应。

这些食品经加工后会产生非常诱人的金黄色至深褐色，增加人们的食欲。

在奶与奶制品的加工与贮藏中也会发生非酶褐变，基本过程是：酪蛋白末端氨基酸赖氨酸的氨基与乳糖（或其他糖类）的羰基发生反应，生成氨代葡萄糖胺，然后通过Amadori分子重排，再经裂解、脱水等过程而生成棕褐色物质。

但这种褐变却不是人们所期望的，而是食品厂家所要极力避免的。

在面包生产的上色工序中，色泽变化的基础物质是含有还原基的糖与含有氨基的化合物。

添加不同的氨基酸与糖类，可使面包表皮产生金黄色、黄色、明亮的褐色以及深褐色。

在生产上可用控制还原糖的量来调节褐变的程度，也可用增减氨基酸的量来控制。

另外，在焦糖色素生产工艺中也应用到美拉德反应，这种工艺是在糖质原料中加入一定量的含氨基化合物) 如氨、铵盐、氨基酸等，在125～140℃下使之进行反应生产焦糖色素。

⑵香气：天然食品香气物质的来源主要有两个方面：一是在动植物生长或加工过程中，由酶促反应形成的食品香味料，如苹果、香蕉、蔬菜中的芳香物；二是食品在蒸煮、焙烤及煎炸中产生的食品香料，即食物经加热而分解、氧化、重排或降解，形成香味前体，进而生成具有特殊风味的食品香料，一般称之为热加工食品香料，亦叫反应食品香料，如烤面包、爆花生米、炒咖啡等所形成的香气物质。

这类香气物质形成的化学机理就是美拉德反应。

酱香型白酒香味物质的产生、风格的形成，也是美拉德反应的结果。

酱香型白酒的高温大曲的制作及酿酒发酵过程，均在微酸或偏酸的条件下进行，因而Amadori化合物主要发生1,2-烯醇化，而2,3-烯醇化则较缓慢，即反应产物主要是呋喃类衍生物—糠醛类风味成分，而吡喃酮等特征组分含量则较少。

美拉德反应所产生的糠醛类、酮醛法、二羰基化合物、吡喃类及吡嗪类化合物，对酱香酒风格的形成起着决定性作用。

食品原料一般都含有还原糖、淀粉、氨基酸。

这些物质在加热中生成的香味物质与加热温度和加热时间等条件有关。

食品在加热过程中所发生的美拉德反应包括氧化、脱羧、缩合和环化反应，可产生各种香味特征的香味物质，如含氧、含氮和含硫杂环化合物，包括氧杂环的呋喃类，氮杂环的吡嗪类，含硫杂环的噻吩和噻唑类，同时也生成硫化氢和氨。

选用不种的氨基酸和糖在不同的温度、时间等条件下，反应可有目的性获得含有吡嗪类、吡咯类、呋喃类等不同香型的香味料。

美拉德反应所形成的香精具天然肉类香精的逼真效果，具有调配技术无法比拟的作用。

美拉德反应技术在香精领域中的应用打破了传统的香精调配和生产工艺的范畴，是一全新的香精香料生产应用技术，其特殊的风味意义使得它尤其是在肉类香精及烟草香精中有非常好的应用。

⑶营养：美拉德反应对食品营养的影响包括降低蛋白质的营养质量、蛋白质改性以及抑制胰蛋白酶活性等。

对于粮食制品，美拉德反应无疑会使其蛋白质的生物价更低。

有人报道，200℃烘烤15min的糕点，其蛋白质的PER值由烘烤前的3.6降至2.4，若继续在130℃烘烤1h，则会进一步降至0.8，这是由于赖氨酸减少而引起的。

加热还影响胱氨酸、色氨酸、精氨酸的利用率。

奶与奶制品中的氨基酸因形成色素复合物和在斯特勒克降解反应中被破坏而造成损失。

色素复合物以及与糖结合的酪蛋白不易被酶所分解，因而降低了氮的利用率。

组成蛋白质的所有氨基酸中，赖氨酸损失是最大的。

因为它的游离氨基最易和羰基相结合。

由于赖氨酸是许多蛋白质中的限制性氨基酸，因而它的损失较大地影响了蛋白质的营养质量。

⑷抗氧化性的产生，美拉德反应中产生的褐变色素对油脂类自动氧化表现出抗氧化性，这主要是由于褐变反应中生成醛、酮等还原性中间产物⑸抗突变。

1.2 美拉德反应的影响因素⑴糖氨基结构：还原糖是美拉德反应的主要物质，五碳糖褐变速度是六碳糖的10倍，还原性单糖中五碳糖褐变速度排序为：核糖>阿拉伯糖>木糖，六碳糖则：半乳糖>甘露糖>葡萄糖。

还原性双糖分子量大，反应速度较慢。

在羰基化合物中，α-乙烯醛褐变最慢，其次是α-双糖基化合物，酮类最慢。

胺类褐变速度快于氨基酸。

在氨基酸中，碱性氨基酸速度慢，氨基酸比蛋白质慢。

⑵温度：温度20～25℃氧化即可发生美拉德反应。

一般每相差10℃，反应速度相差3～5倍。

30℃以上速度加快，高于80℃时，反应速度受温度和氧气影响小。

⑶水分：水分含量在10%～15%时，反应易发生，完全干燥的食品难以发生。

⑷pH值：当pH值在3以上时，反应随pH值增加而加快。

⑸化学试剂：酸式亚硫酸盐抑制褐变，钙盐与氨基酸结合成不溶性化合物可抑制反应。

1.4 美拉德反应的抑制消除方法美拉德反应是一个十分复杂的反应过程，中间产物众多，终产物结构十分复杂，完全抑制美拉德反应相当困难，又由于美拉德反应影响因素众多，有效抑制美拉德反应必须是多种因素协同作用的结果，一般认为可采用以下方法抑制美拉德反应：⑴使用不易褐变的原料⑵降低温度⑶降低pH 值⑷调节水分活度⑸氧气⑹使用氧化剂⑺使用酶制剂等等⑴色度反应产物的颜色由Datacolor110-TM色差计测定，表色系统由 3 个值L*、a* 和b* 组成，L* 值表示亮度；a* 值正向越大表示颜色越接近正红色，负向越大越接近绿色；b* 值正向越大表示颜色越黄，负向越大表示颜色越蓝。

测量温度20 ℃。

如图所示，随着加热时间的延长(顺时针方向)，a* 值和b* 值均先增大后减小，即体系颜色首先是黄色-棕色增加，而后随着加热时间延长体系颜色由黄色-棕色变为橘红色-棕色，继续加热体系颜色呈紫红色。

1.5 美拉德反应的研究方法美拉德反应自年被法国化学家发现以来，由于其在食品、医药领域中的重要影响，引起了各国化学家的兴趣。

但由于食品的组分太复杂，要完全搞清楚美拉德反应的机理，仍是一件难事。

为了研究美拉德反应的机理，人们通常用简单的几个原料，如某种氨基酸和糖类进行模拟反应，再研究反应的产物组成及生成途径。

但至今，人们只是对该反应产生低分子量物质的化学过程比较清楚，而对该反应产生的高分子聚合物的研究尚属空白。

另外，食品化学家近年来将动力学模型引入对美拉德反应的研究中。

运用这种方法的优点在于不需要考虑美拉德反应复杂的反应过程，而只需要研究反应物、产物的质量平衡以及特征中间体的生成与损失来建立动力学模型，从而预测反应的速率控制点。

2. 美拉德反应的原理美拉德反应化学，美拉德反应按其本质而言是氨羰间的加缩反应，它可以在醛、酮、还原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物与胺、氨基酸、肽、蛋白质甚至氨之间发生反应，其化学过程十分复杂。

关于美拉德反应的反应过程，一般可分为三个反应阶段、三条反应路线。

2.1 初级美拉德反应阶段还原糖的羰基与氨基之间进行加成，加成后失去一分子水而转化为希夫碱，经Amadori 重排为1-氨基-1-脱氧-2-酮糖，称谓阿马多利化合物，它不产生食品香味，是极其重要的不挥发性的香味前驱物质。

2.2 高级美拉德反应阶段高级的美拉德反应包括下列的三条反应路线。

2.2.1 还原酮路线由阿马多利化合物在2～3 位下不可逆烯醇化，从C1消去胺基生成甲基二羰基中间体，进一步生成5-羟基麦芽酚或甲基醛类、酮醛类、二羰基化合物等裂解产物。

2.2.2 Osulose 路线阿马多利化合物在1～2 位置上烯醇化，消去C3上的羟基，水解成3-脱氧己酮糖，然后脱水生成糠醛类风味成份。

2.2.3 Strecker 降解α-氨基酸和α-二羰基化合物反应，失去一分子CO2而降解成为少一个碳原子的醛类及烯醇胺。

烯醇胺进一步缩合、脱氢而生成吡嗪衍生物经过高级反应阶段，美拉德反应产物可分为三大类：(1)吡喃类衍生物与酮醛类；(2)呋喃类衍生物；(3)醛及吡嗪类衍生物。

这些化合物是各类食品中极为重要的风味成份。

2.3 最终反应阶段在最终反应阶段，由高级美拉德反应阶段形成的众多活性中间体，如葡萄糖酮醛、3-脱氧O sulose(3-DG)、3,4-二脱氧Osulose (3,4-二DG)、HMF、还原酮类、不饱和醛亚胺等等，又可继续与氨基酸反应，最终都生成类黑精色素——褐色含氮色素，此过程包括醇醛缩合、醛氨聚合、环化合反应等。

最终反应阶段的反应途径尚未清楚，生成的色素称为黑色素(类黑精类物质),无特定分子结构，是分子量相当高的含氮含氧化合物，有着各种各样的构成单位。

但是，褐色色素不是由单一构成单位重复构成，而是由不同构成单位构成的非常复杂的结构。

3.美拉德反应的抗氧化性与褐变及荧光性的关系褐变是MR最显著的特征，早期对MR 的研究主要是在色度和吸光度方面，用360～490nm 区间的特征吸收峰表征类黑素物质产生的速率和积累程度。

随着对MR 研究的深入，1942 年Pearce 和Thistle 首先发现MRPs 具有一定的荧光吸收特性，并用以表征食品储存期间的变质［2］。

目前，对于MRPs 中呈现褐色或荧光吸收特性的具体物质，除了少数结构被揭示外，大量仍未知。

一些研究指出MR 中荧光吸收现象先于褐变，所以，一般认为荧光吸收物质是大分子褐色物质的前体物［3］。

色素物质、荧光吸收物质的产生需要一个诱导期，而荧光物质所需要的诱导时间较短。

一般将荧光物质作为美拉德反应的指示剂，其可以灵敏地反映美拉德反应的早期过程［4］的复杂性和不稳定性，人们尚不完全清楚美拉德反应产物中具有抗氧化活性的是何物质。