食品生物化学-9食品加工储藏中的生物化学(食品的变色作用)

第9章食品加工储藏中的生物化学（食品的变色作用）

专题篇

苏丹红事件柠檬黄事件红肉1、蛋白质的功能性质（Functionality）——一般是指使蛋白质成为人们所需要的食品特征而具有的物理化学性质，即对食品的加工、贮藏、销售过程发挥作用的那些性质，这些性质对食品的质量及风味起着重要的作用。ConceptTextTextText正确使用蛋白质，也利于食品营养成分的保持和利用。蛋白质的功能特性结构形态色、香、味2食品中的色素

人类使用色素的历史：早在公元10世纪以前，古人就开始利用植物性天然色素给食品着色，最早使用色素的是大不列颠的阿利克撒人。美洲的托尔铁克人与阿芒特克族人相继从雌性胭脂虫中提取胭脂红。我国自古就有将红曲米酿酒、酱肉、制红肠等习惯。西南一带用黄饭花、江南一带用乌饭树叶捣汁染糯米饭食用。食品中能够吸收和反射可见光波进而使食品呈现各种颜色的物质统称为食品的色素。天然色素原料成分转化产生食品着色剂食品色素来源2.1食品中的色素分类吡咯衍生物（卟啉类色素）:包括叶绿素和血红素异戊二烯衍生物：如：类胡萝卜素多酚类衍生物：花青素、花黄素酮类衍生物：红曲色素，姜黄素等醌类衍生物：虫胶色素，胭脂虫红色素按来源分类

植物色素动物色素微生物色素按溶解性质分类水溶性色素脂溶性色素食品中的色素按结构分类天然色素人工合成色素2.1.1吡咯色素

吡咯色素由四个吡咯环的α-碳原子通过次甲基相连而形成的共轭体系，也就是卟啉环。中间通过共价键或配位键与金属元素形成配合物，而呈现各种颜色。2.1.1.1叶绿素

吡咯环中间为镁原子。叶绿素对酸敏感，在酸性条件下，叶绿素中的镁原子会被氢原子代替而形成暗绿色或绿褐色的去镁叶绿素，但在碱性溶液中叶绿素会被水解为仍为鲜绿色的叶绿酸盐，且形成的绿色更为稳定，因此在蔬菜技术工艺中可用石灰水或氢氧化镁处理，以提高溶液的pH，保持蔬菜的鲜绿色。而在适当条件下叶绿素中的Mg还可以被其他元素如：Cu、Fe、Zn等取代或置换，形成的取代物的颜色仍为鲜绿色，且稳定性大为提高，尤其以叶绿素铜钠的颜色最为鲜亮。

2.1.1.2血红素

血红素吡咯环中是铁原子。肉的颜色是由两种物质血红蛋白和肌红蛋白形成的。合，而亚铁原子不被氧化，这种作用被称为氧合作用。

当动物屠宰后，由于组织供氧停止，肉中原来处于还原态的紫红色的肌红蛋白受到空气中氧气的作用，形成氧合肌红蛋白和氧合血红蛋白，肉色变的鲜红，当氧合肌红蛋白或氧合血红蛋白继续被氧化形成高铁血红素时，则肉的颜色变成棕黑色。在鲜肉中用亚硝酸盐腌制，能保持肉的鲜红色，是因为处于还原态的亚铁血红素能与NO形成亚硝基肌红蛋白和亚硝基血红蛋白，防止血红素继续被氧化成高铁血红素。血红素中的亚铁与一分子氧以配位键结2.1.2多烯色素

多烯色素是以异戊二烯残基为单位的共轭链为基础的一类色素，习惯上又称为类胡箩卜素，属于脂溶性色素，大量存在于植物体中、动物体中和微生物体中，是一类使动植物食品显现黄色和红色、橙色的脂溶性色素。类胡箩卜素能在体内转变形成VA，所以又称为VA前体。如β-胡箩卜素。类胡箩卜素分为胡箩卜素和叶黄素两大类，加工条件下会发生降解，原因主要是氧化作用，包括酶促氧化、光敏氧化和自动氧化3种历程。大多数水果和蔬菜中的类胡萝卜素在一般加工和贮藏条件下是相对稳定的。冷冻几乎不改变类胡萝卜素的含量，热烫通常可以增加类胡萝卜素的含量，油脂在挤压蒸煮和高温加热的精炼过程中，类胡萝卜素不仅会发生异构化，而且产生热降解，当有氧存在时则加速反应进行。因此，精炼油中类胡萝卜素含量往往降低。类胡萝卜素异构化时，产生一定量的顺式异构体，虽然不会影响色素的颜色，但却降低了维生素A原的活性。2.1.3酚类色素

酚类色素是一类水溶性色素，有花青素、花黄素、儿茶素和鞣质四大类。花青素多以糖苷的形式存在于生物体中，其基本结构为2-苯基并吡喃。花黄素主要指类黄酮及其衍生物，其基本结构为2-苯并吡喃酮。花青素是一种水溶性色素，可以随着细胞液的酸碱改变颜色。细胞液呈酸性则偏红，细胞液呈碱性则偏蓝。光可增加花青素含量；高温会使花青素降解。

原花色素无色，结构与花青素相似，在食品处理和加工过程中可转变成有颜色的物质。主要存在于苹果、梨、柯拉果、可可豆、葡萄、莲、高梁、荔枝、沙枣、蔓越桔、山楂属浆果和其他果实中。原花青素的主要生物功能具有很强的抗氧化活性。抗癌清除自由基。抑菌及抗病毒作用。

影响花青素呈色的因素（1）pH花青素分子中的O为四价，是碱性，而苯基上的酚羟基具有酸性，从而使花青素分子具有两性，在不同pH介质中呈现不同的颜色，如矢车菊色素：pH<3.0为红色，→pH8.5呈紫色，→pH11呈蓝色。（2）结构不同花青素的区别主要为苯基上的取代不一样，并直接影响花青素的呈色，羟基越多，颜色越深（蓝色），甲氧基越多，颜色越浅（红色）。（3）金属盐花青素与金属盐呈灰紫色，因此含有花青素的蔬菜在加工时要尽量避免与金属容器的接触。（4）二氧化硫二氧化硫能于花青素形成发生加成反应，使花青素褪色。（5）在光、热作用下花青素很快变成褐色，在氧或氧化剂的作用下褪色，在糖苷酶的作用下也褪色。3食品原料色素的消解和变色3.1食品中叶绿素的变化

高温影响，在烹制植物食品时，由于温度不当，会使绿叶菜食物组织的叶绿蛋白变性，细胞中有机酸被释放，镁被脱出，生成黄褐色或黑色的脱镁叶绿素。叶绿素对酸性介质也不稳定。

在酸性介质中，分子中的镁可被H+置换形成脱镁叶绿素，由本来的绿色转变成黄色。此反应可因加热而加剧。例如炒菠菜时，加盖则易使之变黄，开盖可保持绿色，这是因为开盖菠菜中的挥发性酸挥发出去而不能置换叶绿素中的镁。若在碱性中加热，叶绿素则分解成叶绿醇、叶绿酸和甲醇，绿色较稳定，其钠盐也为绿色。如果镁被铜或钾取代，则生成更稳定的绿色盐。此法常用于蔬菜加工中的染色。另外，在腌菜时，可先浸以石灰水以保持其绿色。烹煮绿色蔬莱时，先将菜用弱碱液处理可保持绿色。再则，绿叶中含有叶绿素分解酶，能把叶绿素分解成甲基叶绿酸，使绿色消失，所以通常在蔬菜加工中，采用热烫法杀酶，同时也可使与叶绿素结合的蛋白质凝固而达到保持叶绿素绿色的目的。3.2食品中的类胡卜素的变化

食品中的类胡卜素对酸碱不敏感；对常温也不敏感。在加热反应时，虾、蟹甲壳的类胡萝卜素氧化分解成红色或黄色；类胡萝卜素有对光敏感的特点，是由于含多双键结构，分子的酮环和异戊二烯结构（CH2=C(CH3)CH=CH2）在hυ氧化作用发生异构化的5.6-环氧型结构，也使食物材料的类胡萝卜素变淡、消解；如新鲜的黄玉米颜色变淡；仓储中新面粉由于类胡萝卜素氧化作用变白，以及在面粉增白工艺中添加的过氧化苯甲酰(BPO)剂量不当时，也会破坏面粉中极微量的VE、VK等，同时，BPO还可使类胡萝卜素不饱和的双键处发生氧化，使面粉变白，失去原有的色香味，并将面粉的脂肪酸分解成低级的醛、酮物质。水果，蔬菜色素消解变化也与光照有关。3.3食品中花青素类色素的变化

由于在花青素中的金属离子可生成多种颜色的配位体。因此在果蔬罐头中常发生多种颜色变化，导致罐头食品变色。还有试验认为，在面粉中加入过量的碱形成的黄色物质，也属于此类色素。不仅如此，花青素也对光热表现不稳定，在hυ作用下可导致食物的花青素沉淀消失。3.4动物食品色素的变化动物肌肉呈红色，这是由肌肉细胞中的肌红蛋白（70％～80％）和微血管中的血红蛋白（20％～30％）构成的。肉食材料在充氧、缺氧过程颜色变化是可逆的，而氧化还原一般是不可逆的。根据Mohler(1974)提出的亚硝盐在腌肉中的变化机理,可促使酶系统活力将高铁氧化肌红蛋白(mmb)还原成鲜红色(mbO2)。作为刚刚屠宰的动物胴体颜色(mb)并不好看，还需经过短时发酵,才能成鲜红色的氧合肌红蛋白(mbO2)。虽然CO2

储存肉制品可以阻止微生物生长，但不能阻断氧化反应发生，肉制品的褐变形成似乎更快。当动物屠宰放血后，肌肉的颜色稍呈暗红色，这是由于机体对肌肉组织的供氧停止，肌肉中的肌红蛋白处于还原状态的缘故。新鲜肉存放在空气中时，由鲜红色逐渐变成褐色，这是由于肌红蛋白和血红蛋白与氧结合形成了鲜红色的氧合肌红蛋白和氧合血红蛋白，并进一步形成棕褐色的高铁肌红蛋白和高铁血红蛋白的缘故。褐变：一些食品在加工、贮存过程中，或受到机械损伤时，颜色变褐，有的还出现红、蓝、绿、黄等色泽，这种颜色变化统称为褐变。根据食品褐变反应的机理，褐变分为酶促褐变和非酶促褐变两大类。非酶促褐变又可分为:

美拉德（Maillard）反应焦糖化反应抗坏血酸反应4食品的褐变

4.1酶促褐变酶促褐变—酶促褐变一般发生于水果、蔬菜等新鲜植物性食物。如上述的削皮的苹果和桃、去皮的香蕉、马铃薯片等，以及这些食品受机械损伤（如压伤、虫咬、磨浆）或处于异常环境（如受冻。受热等），在有氧情况下，经酶的催化，氧化而呈褐色，这种褐变称酶促褐变。催化产生酶促褐变的酶类：主要是酚酶，其次是抗坏血酸氧化酶和过氧化物酶类等氧化酶类。

4.1.1酚酶及其作用酚酶的系统命名是邻二酚。从植物来源分离得到的酚酶是寡聚体，每个亚基含有一个铜离子作为辅基，以氧为受氢体，是一种末端氧化酶。酚酶催化两类反应：一类是羟基化作用，产生酚的邻羟基化；第二类是氧化作用，使邻二酚氧化为邻醌。所以酚酶可能是一种复合体酶，一种是酚羟化酶，又称甲酚酶；另一种是多元酚氧化酚（PPO），又叫儿茶酚酶。因而酚酶可分别催化酚的羟基化作用和氧化作用。

植物组织中含有酚类物质，在完整的细胞中作为呼吸作用中质子H”的传递物质，在酚与醌之间保持着动态平衡，因此，褐变不会发生。但当组织、细胞受损时，氧气进入，酚类在酚酶作用下氧化为邻醌，转而又快速地通过聚合作用形成褐色素或黑色素。醌的形成需要酶促和氧气，当醌形成后，以后的反应就能自动地进行了。（1）酚酶作用的机理邻二酚和一元酚：是酚酶最丰富的底物。在酚酶作用下，反应最快的是邻羟基结构的酚类，对位二酚类也可氧化，但间位二酚不能被氧化，间位二酚对酚酶还有抑制作用。可作为酚酶底物的还有其他一些结构比较复杂的酚类衍生物，如花青素、黄酮类、鞣质等。红茶加工过程中鲜叶中的儿茶素经过酶促氧化，缩合生成茶黄素和茶红素等有色物质，它们是构成红茶色泽的主要成分。氨基酸及类似的含氮化合物：与邻二酚作用可产生颜色很深的复合物。其机理是酚类物质先经酶促氧化形成相应的醌，然后醌和氨基发生非酶的羰氨缩合反应。白洋葱、大蒜、大葱等在加工中出现的粉红色就属于这类型的变化。绿原酸：许多水果，特别是桃、苹果等褐变的关键物质。（2）酚酶作用的底物4.1.2

抗坏血酸氧化酶

抗坏血酸氧化酶催化抗坏血酸的氧化，其作用产物脱氢抗坏血酸经脱羧形成羟基糠醛后可聚合形成黑色素。抗坏血酸氧化酶广泛存在于水果、蔬菜的细胞中。4.1.3

过氧化物酶

过氧化物酶类可催化酚类化合物的氧化，引起褐变，也可将抗坏血酸间接氧化。4.1.4酶促褐变的控制食品发生酶促褐变，必须具备3个条件：

酚类物质、氧和氧化酶类。这3个条件缺一不可。酶促褐变的程度主要取决于酚类的含量。比较有效的是抑制氧化酶类的活性，其次是防止与氧接触。常用的控制酶促褐变的方法1、热处理法短时高温处理可使食物中所有的酶都失去活性，是最广泛使用的控制酶促褐变的方法。90～95℃加热7s可使大部分氧化酶类失活。2、酸处理法多数酚酶的最适pH为6～7，在pH3．0以下，酚酶几乎完全失去活性。一般多采用柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸以及其他有机酸的混合液降低pH。3、SO2及亚硫酸盐处理

SO2及亚硫酸盐是酚酶的强抑制剂，广泛应用于食品工业中。4、驱氧法

将去皮切开的水果、蔬菜用清水、糖水或盐水浸渍；或用真空将糖水、盐水渗入组织内部，驱除空气；也可用浓度较高的抗坏血酸浸泡，以达到除氧目的。

5、底物改性利用甲基转移酶，将邻二羟基化合物进行甲基化，生成甲基取代衍生物，可有效防止褐变。6、添加底物类似物竞争性抑制酶活性

在食品加工过程中，可用酚酶底物类似物如肉桂酸、对位香豆酸、阿魏酸等酚酸竞争性地抑制酚酶活性，从而控制酶促褐变。4.1.5酶促褐变在天然食品和加工食品中的作用

红茶的制作、葡萄干、枣的晒制酶促褐变是其中有益的过程，如将鲜茶叶变成红茶的发酵过程涉及到多酚氧化酶PPO作为主要反应的催化剂。果汁生产水果蔬菜的运输和处理期间的损伤，或当将其以块状、片状暴露于空气中，或在装罐、干制、冷冻之前，以果肉状态处于空气中时，褐变就会发生。当食品在冻结后解冻时，酶促褐变非常迅速。未烫漂的蘑菇，干制后再复水时，也迅速变黑。酶促脱色在甜菜糖和甘蔗糖的制造上也是不利的，它不仅可影响到终产品的色泽，而且所形成的聚合物使糖结晶发生困难并降低产量。4.2非酶促褐变非酶促褐变主要有：羰氨反应、焦糖化作用和抗坏血酸的自动氧化作用。

羰氨反应——指食品体系中含有氨基的化合物与含有羰基的化合物之间发生反应而使食品颜色加深的反应。葡萄糖与甘氨酸溶液共热时，即形成褐色色素，称为类黑精，后来就把胺、氨基酸、蛋白质与糖、醛、酮之间的这类反应统称为Maillard反应，又称碳（基）氨（基）反应。4.2.1羰氨反应(法国化学家Maillard，1912年)（1）羰氨反应机理初始阶段中间阶段终了阶段1）初始阶段：包括羰氨缩合和分子重排两种作用。②分子重排

①羰氨缩合

还原糖的羰基与氨基之间进行加成，加成物迅速失去1分子水转变为希夫碱(Shiffbase)，再经环化形成相应的N-取代的醛基胺，经Amadori重排转成有反应活性的1-氨基-1-脱氧-2-酮糖。2）中间阶段

Strecker（斯特勒克）降解作用在氨基酮糖和氨基醛糖等重要的不挥发性香味前驱物形成之后，美拉德反应变得更为复杂，经历还原酮路线、还原型葡糖醛酮和糠醛路线、Strecker降解三条反应路线，产生还原酮、糠醛（HMF）和不饱和羰基化合物等，这些不同的化合物依次反应，开始形成无氮及含氮褐色可溶性化合物。糠醛路线还原型葡糖醛酮路线3）终了阶段包括两类反应：一类是两分子醛经缩合脱水生成更不稳定的不饱和醛的醇醛缩合反应。

另一类反应是经过中期反应后，产物中有糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮类、由Strecker（斯特勒克）降解和糖裂解所产生的醛类等，这些产物进一步随机缩合、聚合形成复杂的高分子有色物质，称为类黑精或黑色素等。羰氨反应机理（2）羰氨反应与食品生产咖啡风味调味料羰氨反应乳品生产酱油豆酱酱香型白酒烘焙制品（3）影响美拉德反应的因素1）温度温度升高，美拉德反应趋于强烈；2）还原糖（葡糖糖、果糖）含量含量越多，美拉德反应越强烈；3）pH值pH值呈碱性，可加快美拉德反应的进程。4）糖的种类果糖发生美拉德反应最强，葡萄糖次之，故中性的葡萄糖浆、转化糖浆、蜂蜜极易发生美拉德反应；非还原性的蔗糖不起美拉德反应，呈色作用以焦糖化为主，但在面包类发酵制品中由于酵母分泌的转化酶的作用，使部分蔗糖在面团发酵过程中转化成了葡萄糖和果糖，而参与美拉德反应。4.2.2

焦糖化作用焦糖化作用——糖类在没有含氨基化合物存在的情况下加热到其熔点以上时，也会变为黑褐色的物质，这种作用称为焦糖化作用。在受强热的情况下，糖类生成两类物质：一类是糖的脱水产物，即焦糖或称酱色；一类是裂解产物，是一些挥发性的醛、酮类物质，可进一步缩合、聚合形成粘稠状的黑褐色物质。

蔗糖形成焦糖（酱色）的过程可分为3个阶段：第一阶段：由蔗糖熔融开始，经一段时间起泡，蔗糖脱去一分子水生成异蔗糖酐，起泡暂时停止。第二阶段：继续加热，随后即发生第二次起泡现象，这是形成焦糖的第二阶段，持续时间较第一次长，在此期间失水量达9％，形成产物为焦糖酐，可溶于水及乙醇，味苦。第三阶段：第二次起泡结束后进入第三阶段，进一步脱水形成焦糖烯，可溶于水。若再继续加热，则生成高分子质量的难溶性深色物质，称为焦糖素，其结构还不清楚，但具有羰基、羧基、羟基和酚羟基等官能团。4.2.3抗坏血酸氧化作用

抗坏血酸属于还原酮类化合物，易与氨类化合物产生羰氨反应，其自动氧化产物中的醛基、酮基等可随机缩合、聚合形成褐色物质。抗坏血酸的褐变主要取决于pH和抗坏血酸的浓度。在中性或碱性溶液中脱氢抗坏血酸的生成速度较快，反应也不易可逆进行；在pH低于5．0时，抗坏血酸氧化速度较慢，而且反应可逆，但在pH2．0～3．5范围内，褐变作用与pH成反相关。4.2.4非酶促褐变对食品质量的影响

（1）氨基酸因形成色素和在Strecker（斯特勒克）降解反应中被破坏而损失；（2）色素以及与糖结合的蛋白质不易被酶所分解，故氮的利用率低，尤其是赖氨酸在非酶促褐变中最易损失，从而降低蛋白质的营养效价；（3）水果加工品中维生素C也因氧化褐变而减少，奶粉和脱脂大豆粉中加糖贮存时，蛋白质的溶解度也随着褐变而降低。（4）食品褐变反应会生成醒、酮等还原性物质，可防止食品氧化，尤其对防止食品中油脂的氧化较为显著。（5）非酶促褐变的产物中有一些是呈味物质，它们能赋予食品以优或劣的气味和风味。（6）由于非酶促褐变过程中伴随有CO的产生，会造成罐装食品出现不正常的现象，如粉末酱油、奶等装罐密封，发生非酶促褐变后会出现“胖听”现象。非酶褐变产生有害成分

目前对非酶褐变产生的有害成分研究较为清楚只有丙烯酰胺。丙烯酰胺（acrylanmide)是制造塑料的化工原料，为己知的一种致癌物，并能引起神经损伤。因此食品中丙烯酞胺的问题引起了全球的关注。从目前所报道的数据看，几乎所有的食品都含有丙烯酰胺。对200多种煎、炸或烤等高温加工处理的碳水化合物食品进行的多次重复检测结果表明，热加工碳水化合物食品可产生高过饮水限量数千万倍的丙烯酰胺。食品中丙烯酰胺主要产生于高温，经120℃加工的食品即会产生丙烯酰胺。热加工食品中形成丙烯酰胺的机理尚未完全阐明。目前认为，丙烯酰胺主要通过美拉德反应产生，反应机制可能是：氨基酸与还原糖反应产生席夫碱，后者经过几步反应产生丙烯酰胺，2002年6月25日世界卫生组织（WHO）和联合国粮农组织（FAO）联合紧急召开了食品中丙烯酰胺污染专家咨询会议，对食品中丙烯酰胺的食用安全性进行了探讨。2005年2月，联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）联合食品添加剂专家委员会（JECFA）第64次会议根据近两年来的新资料，对食品中的丙烯酰胺进行了系统的危险性评估。