美拉德反应产物及其在食品中的应用

食 品 化 学 第 1 页 共 7 页 美拉德反应产物及其在食品中的应用美拉德反应产物及其在食品中的应用 摘要 摘要 美拉德反应的机理及影响因素 Maillard 反应的高分子产物的研究 进展 美拉德反应与食品色泽 食品香味和食品工业上的应用 美拉德反应产 物在我们生活处处可见 如酱油 白酒 面包香精 咖啡香精 坚果香精等 非酶褐变反应受含量 水分 pH 值 温度 时间 金属离子和氧等因素影响 可利用非酶褐变反应鉴别质量是否合格 美拉德反应产物在食品中的应用广泛 本文主要介绍一部分美拉德反应产物在生活中的应用 关键词 关键词 美拉德反应 产物 影响 食品 应用 诱变作用 一 引言一 引言 1 1 美拉德反应的机理及进展美拉德反应的机理及进展 1912 年 法国化学家 Louis Maillard 发现甘氨酸和葡萄糖混合加热的时 候形成褐色物质 人们将此类反应命名为 Maillard 反应 又称为非酶褐变 non enzimic browning 这类反应不仅影响食品的色泽 而且影响食品的风 味 最近的研究发现 美拉德反应产物有清除自由基 抑制脂质氧化的作用 除此之外 产物还有抗诱变和诱发突变的作用 Maillard 反应能产生大量致香 成分 已被用于制备各类香精香料 增香剂 当使氨基酸和还原糖的种类 配 比和反应条件不同时 会产生不同风格香型的香基 由于 Maillard 反应无论从 反应还是产物 均可视作天然 这些香基被国际权威机构认定为是天然的 因 而其应用已广受各国关注 成为有机化学 食品化学 香料化学 食品工业 烟草工业等领域的研究热点 1 目前 反应条件对 Maillard 反应产物的增香效 果的影响国内已有大量报道 2 7 但是这些研究结果都具有很大程度的经验性 为了能对 Maillard 反应产物的品质进行准确的控制 还需要对其成分和形成机 理进行深入研究 Maillard 反应产物的形成是一个极其复杂的过程 迄今为止 人们只是对该反应产生小分子化合物的化学过程比较清楚 一般公认此反应可 以分成两个反应阶 三条反应路线 8 9 1 初级阶段 还原糖的羰基与氨基 酸进行缩合 缩合物迅速失去一分子水转变成希夫碱 Schiff Base 经过环 化形成相对应的 N 葡糖胺 再经过 Amadori 重排形成 1 氨基 1 脱氧 2 酮糖 食 品 化 学 第 2 页 共 7 页 2 高级阶段 从 Amadori 重排产物开始延伸两条路线 一是由 1 氨基 1 脱 氧 2 酮糖在 2 3 位置不可逆地烯醇化 二是从烯醇式 Amadori 产物在 1 2 位置烯醇化 最终都生成褐色含氮色素类黑精 3 第三条路线是 Strecker 降解 氨基酸降解成为少一个碳原子的醛类 影响美拉德反应的因素很多 美拉德反应除了受到糖类和氨基酸的影响 还受到温度 时间 pH 水分活度的影响 前者主要影响到产物种类 后者通 常是反应的动力学影响因素虽然近年来国外对 Maillard 高分子产物的成分及形 成机理做了大量的研究工作 但并没有得出一致公认的结论 学术界仍然存在 很多分歧与争论 国内在这些方面研究还几乎是空白 人们通过膜透析 凝胶柱层析等分离方法 对其提纯分级后 再运用凝胶 渗透色谱 元素分析 放射性同位素标记 紫外 可见光谱 红外光谱 核磁共 振 NMR 热裂解等分析手段对其进行表征 对 Maillard 高分子产物的结构和 形成机理有了一定的了解 Maillard 反应是一个极其复杂的反应过程 反应产物的种类多而且难以分 离 许多中间产物活性很高 极易和其他物质反应 因而难以提取 所以 Maillard 反应进度的判定一直很难统一 最近提出把 Maillard 反应中形成的 荧光性物质作为 Maillard 反应进度的一个判断依据 但是这种方法也有局限性 当反应在不适宜的条件下 低 pH 盐抑制剂存在 进行时 荧光性物质的出现 迟于褐色物质 因此两者不同步 不能作为反应进度的依据若使反应在适宜的 条件下进行 中性 pH 催化剂 荧光性物质的出现与褐色物质是同步的 可 以作为其反应进度的判断依据 所以荧光性物质能否作为反应进度的判断依据 主要和反应环境来决定 Maillard 反应在日常生活中是及其普遍的 但是人们 对其反应机理 长期以来研究得还很不彻底 目前对其反应机理最权威的解释 是食品化学家 Hodge 早年提出的三个阶段的说法 越来越多的 Maillard 反应产 物被分离鉴定出来 它们有的是对人有利的 有的是有害的 所以要对 Maillard 反应进行深入的研究 使反应向对人们有利的方向发展 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 食 品 化 学 第 3 页 共 7 页 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 二 主题部分二 主题部分 1 1 美拉德反应在食品工业中的应用美拉德反应在食品工业中的应用 1 1 美拉德反应与食品色泽 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 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 1 2 美拉德反应与食品香味 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 食 品 化 学 第 4 页 共 7 页 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 肉味香精生产的主要原理是基于对肉类物质在加热过程中产生风味物质的 反应的模拟 利用前体物质制备肉味香精主要是以糖类和含硫氨基酸如半胱氨 酸为基础 通过加热时所发生的反应 主要包括脂肪酸的氧化 分解 糖和氨 基酸的热降解 羰氨反应以及各种生成物的二次或三次反应等 它们形成的肉 味香气成分包括了数百种化合物 以这些物质为基础 通过调和可制成具有各 种不同特征的肉味香料 肉味香精的原料大多数来自天然物质而且其生产过程 如酶解 加热等也近似于天然过程 所以所制得的香精也可视为天然香精 国 外一些研究机构将参加反应的原料 可能发生的反应类型 可能产生的中间体 等条件输入计算机 借助计算机来发现可能生成的各种香味物质 三十多年来 人们应用上述方法 使食品香味的研究和生产有了快速的发展 目前国外市场 上出售的各类巧克力香精 面包香精 咖啡香精 坚果香精 如胡桃 杏仁 榛子等 及肉类香精都是美拉德反应的产物 1 3 美拉德反应与食品 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 食 品 化 学 第 5 页 共 7 页 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 赖氨酸的营养损失是最大的 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 应用美拉德反应 不添加任何化学试剂 在控制的条件下 使蛋白质 糖 类发生羰氨缩合作用 生成蛋白质糖类共价化合物 该化合物比原来蛋白质的 功能性质得到极大的改善 无毒 且具有较强的乳化活力和较大的抵抗外界环 境变化的能力 扩大了蛋白质在食品和医药方面的用途 Kitabatake 等以葡萄 糖酸或 6 0 半乳糖 D 葡萄糖酸作为糖基供体 在键合试剂存在的条件下 对乳球蛋白的氨基进行了糖基化 合成的糖基化蛋白在较低的离子强度或天然 乳球蛋白的等电点 pH 仍表现出较高的溶解性 同时 糖基化也提高了蛋白质 的热稳定性 并且 随着糖基化程度的提高 糖基化蛋白质的功能特性也随之 提高 另外 美拉德反应的终产物类黑精具有很强的抑制胰蛋白酶的作用 在 胰蛋白酶溶液里加入类黑精 发现在类黑精的浓度为 1ug ml 时也具有阻碍作 用 现已知道 胰蛋白酶在胰脏产生 若此酶被抑制 就会引起胰脏功能的昂 进 促进胰岛素的分泌 含有类黑精的豆酱可作为促进胰岛素分泌的食品 有 待用于糖尿病的预防和改善 2 2 美拉德反应产物的抗氧化能力美拉德反应产物的抗氧化能力 近年来研究表明 美拉德反应产物具有一定的抗氧化能力 Bedinghaus 等 制备了不同氨基酸与糖类的美拉德反应产物 并研究了其对于冷藏的加工牛排 脂类氧化的抑制作用 结果表明 不同来源的美拉德反应产物具有很好的抑制 脂类氧化作用 大多数脂类氧化发生在冷藏的前 5d 木糖 赖氨酸 木糖 色氨 酸 二羟基丙酮 组氨酸和二羟基丙酮 色氨酸的美拉德反应产物对脂类氧化具 有较好的抑制作用 smith 等 10 研究了水解蛋清产物葡萄糖的美拉德反应产物 对烹饪牛排在冷藏过程中的抗氧化作用 表明 0 5 或 1 0 的美拉德反应产 食 品 化 学 第 6 页 共 7 页 物对 4 下冷藏的牛排在 4 8d 内有很好的抑制脂类氧化作用 另一方面 在 香肠中添加由组氨酸葡萄糖或酶水解血蛋白产物葡萄糖的美拉德反应产物可以 大大提高香肠在冷冻过程中的氧化稳定性 也可抑制烹饪牛排的氧化酸败 木 糖 葡萄糖 果糖与氨基酸的美拉德反应产物也能很好地抑制亚油酸的氧化 3 3 美拉德反应产物的抗突变作用美拉德反应产物的抗突变作用 有关美拉德反应在食品卫生领域的研究主要集中在美拉德反应产物对 2 氨 基 3 甲基咪唑 4 5 f 喹啉 IQ 3 氨基 1 4 二甲基 5H 吡啶 4 3 b 吲哚 Trp P 1 和 2 氨基 6 甲基二吡啶 1 2 a 3 2 d 咪唑 Grg P 1 等变异原性物质的抗突变作用 抗突变是指抗某一种或几种化学诱变剂的 诱变作用 从而预示着可能有抗诱变剂致癌作用的功效 最近的研究显示 除 了常量和微量营养素以及一些致突变致癌物外 人类的食品中含有大量的抗突 变物 美拉德反应产物就是其中的一种 例如从酱油 黑啤酒 焦糖 糖蜜中 分离出来的类黑精都具有很强的抗诱变活性 由于美拉德反应赋予中国白酒多种斯特雷克醛类 还原酮类及含氧 含氮 含硫杂环化合物 包括含氧杂环呋喃 吡喃类 含氮杂环吡嗪类 含硫杂环噻 吩 噻唑类 这些物质的积累 在各种条件的作用或催化下 最终将生成类黑 精色素 褐色含氮色素等高分子色素 而使白酒或中间产物显色 三 总结三 总结 综上所述 美拉德反应对食品在加工与贮藏中的影响既有人们所期望的 也有人们所不期望的 这些都必须引起食品工程技术人员足够的重视 食品工 程技术人员的研究任务就是要在正反两方面影响之间找到一个最佳平衡点 例 如 在谷物类制品的烘烤中既得到最佳的风味 又减少营养成分的损失 在奶 制品的生产中既减少或避免其发生褐变 又增加产品中抗氧化物质的积累 对 美拉德反应逐渐深入的研究 不仅有助于传统的食品加工工艺 如焙炒 烘烤 蒸煮等 还将有利于微波食品 挤压膨化食品等新兴食品的开发 不同香型白 酒因美拉德反应产物的种类及含量而存在差异 因而在碱性条件下加热后其褐 变程度更存在明