美拉德反应在食品中的应用

美拉德反应在食品中的应用

美德反应主要是指复杂的反应，包括氨基化合物（氨基酸、化合物和蛋白质）和氨基酸（脾脏）。美拉德反应在食品加工中广泛存在,并影响着食品品质,如在果汁和罐头行业,由美拉德反应引起的褐变会导致食品颜色变暗,商品价值降低。目前世界公认的美拉德反应机理是Hodge提出的,其过程至今不清楚。近年来有关美拉德反应的很多研究成果,都是Hodge的美拉德反应历程中未表示出来的,尤其是与食品工业密切相关的一些研究成果,如风味物质形成的动力学模型,美拉德反应产物的抗氧化作用以及影响美拉德反应的因素等。本文基于近年来美拉德反应的最新研究成果,就美拉德反应机理,动力学模型,挥发性物质的形成以及美拉德反应产物中有害物质对食品安全的影响进行综述。1amadori重排产物的形成机制美拉德反应是一种在食品加工中广泛存在的非酶褐变反应,是还原糖与氨基酸、蛋白质之间的复杂反应,又称为羰氨反应。美拉德反应历程如图1所示。鉴于美拉德反应的复杂性和反应产物的多样性,许多研究领域的科学家都致力于研究其反应途径。Hodge的美拉德反应历程中,Amadori重排产物对各中间产物的形成具有极其重要的作用。Treel等利用13C标记糖类,他们认为Amadori产物及其双羰基衍生物能够同时经历烯醇化反应和反醛醇裂解反应,从而生成活性更大的C2,C3,C4,C5糖片段,如甘油醛、二酮等。然而,近来有学者质疑Amadori重排产物的核心地位,特别是对颜色形成过程中的核心中间产物提出了新的反应途径。Huber和Ledl从加热的Amadori产物中分离到关键中间产物1-脱氧葡萄糖醛酮和3-脱氧葡萄糖醛酮。Martins等利用葡萄糖-甘氨酸体系研究动力学模型,发现颜色形成的核心中间产物是3-葡萄糖醛酮,它是由1,2-稀胺酮得来的,同时也是Amadori化合物的前体物质。还有一些研究认为美拉德反应中Amadori重排是可逆反应,然而其机制至今未被揭示。从上述研究可以看出,对美拉德反应机理的研究虽然很多,但是由于其反应过程的复杂性,反应机理及路径尚未破解。2酯化反应条件的确定目前对美拉德反应动力学模型的研究主要集中在褐色物质、挥发性物质的形成以及糖类降解反应速率与温度的关系确立几个方面。该模型研究主要以美拉德反应机理为基础,通过大量实验获取相关数据,然后运用数学建模方法,推导出模型方程。2.1简单动态模型2.1.1amadori产物的动力学模型Yaylayan等对Amadori产物的合成和动力学进行研究,发现美拉德反应的动力学非常复杂,即使在第1步生成Amadori产物,但由于Schiff碱很难定量测定,所以很难建立Amadori产物动力学模型。先前的大部分研究主要基于糖和氨基酸的消耗,而且动力学模型建立过程中,忽略了Schiff碱的逆反应;之后的研究表明,蛋白质/糖体系中Schiff碱的逆反应是不能忽略的。Higgins和Bunn认为Schiff碱的形成是反应的定速步骤,在充分考虑Schiff碱的逆反应后,提出美拉德早期反应的基本动力学模型(式1),即:Schiff碱的形成是二级反应,Amadori产物的形成是一级反应。式中,A———氨基酸;S———还原糖;AS———Schiff碱;AR———Amadori产物。2.1.2混合糖-氨基酸反应模型Leong等人对上述模型进行验证,并进行更深入的研究。他们通过非线性回归实验获得S(IV)浓度随时间变化的速率表达式(式4)。经实验证实,反应速率不取决于S(IV)的量,类黑素生成量(M)随时间变化关系式(式5),褐变指数(A470)与类黑素生成量(M)成正比(式6)。通过放射性同位素标记14C葡萄糖,发现不同分子质量的类黑素具有相近的有效吸光系数(E)。早期的美拉德反应动力学研究中,往往仅用一种还原糖与氨基酸直接混合。在食品中,真实情况往往是含有多种还原糖与氨基酸,因此混合糖类-氨基酸模型动力学研究也在研究中。Mundt等将葡萄糖、果糖和甘氨酸混合,综合Davie的3步模型和Wedzicha的果糖-甘氨酸模型,建立混合糖-氨基酸反应模型(如图3所示)。假设这2个反应拥有相同的中间体I,通过实验数据分析推算褐变指数随时间的变化规律与Leong等人的结论相类似(式7);混合体系的类黑素摩尔消光系数为(1073±4)mol-1·L·cm-1,这与葡萄糖-甘氨酸体系[(955±45)mol-1·L·cm-1]相近,但却是果糖-甘氨酸体系[(478±18)mol-1·L·cm-1]的2倍。2.2美拉德反应动力学建模虽然由简单的动力学模型(如零级、一级或二级反应)可以对褐色物质的形成、还原糖的降解进行建模,但是由于美拉德反应机制的复杂性,使其很难用简单反应模型来确定反应过程中各化合物的变化。采用多响应建模,可同时兼顾反应物、中间产物和终产物的变化,因此研究人员开始尝试用此途径来研究。Martins等应用多响应模型研究葡萄糖-甘氨酸体系美拉德反应机制,反应途径如图4所示。反应过程中产生的有机酸会导致体系的pH值下降,从而在一定程度上抑制反应速率。其实验结果显示反应速率常数与温度呈Arrhenius关系。Brands和VanBoekel利用多响应建模方法研究单糖与酪蛋白反应过程中的反应途径,他们认为在反应体系中主要有3个反应路径:一是酮糖与醛糖的异构化,二是糖发生降解,三是糖降解产物与蛋白质上的赖氨酸的ε-氨基反应。反应模型见图5。以上研究表明美拉德反应是一系列复杂反应的交叉,动力学模型对更好地解释美拉德反应机理及其过程有着重要的意义,对于有效控制美拉德反应至关重要。动力学建模将向多响应建模方向发展。目前还没有统一的动力学模型能够完全解释美拉德反应的全过程。3初始ph值对美拉德反应挥发性产物的分离和合成的影响美拉德反应能够产生赋予食品风味的挥发性杂环化合物,这类物质主要是一些含氧、氮或硫的杂环化合物,包括含氧杂环的呋喃类,含氮杂环的吡嗪类,含硫杂环的噻吩和噻唑类。选用不同种类的糖和氨基酸,控制相应的反应条件,可以针对性地获得某种挥发性杂环美拉德反应产物(MRPs)。风味物质的形成取决于:1)糖和氨基酸的种类;2)反应条件:温度、时间、pH值和水分含量等。其主要形成路径及反应速率见图6。在影响反应速率的各因素中,pH对风味物质的影响最大。由于美拉德反应羰氨缩合后,糖通过反醇醛、烯醇化和脱水反应进行降解,这些反应都受到碱催化,所以美拉德反应速率随介质pH的升高而提高。已有研究表明,吡嗪的形成是氨基亲核进攻羰基,通过加成和脱水反应来完成,而羰基和氨基随着体系氢离子浓度的变化进行不同程度的质子化,因此体系pH值对吡嗪类物质的生成起决定性的作用。孙丽平等研究pH和加热时间对美拉德反应挥发性产物的影响,结果表明体系初始pH对挥发性产物种类有着重要的影响。对初始pH9的体系加热240min产生的挥发性产物最多可检测到26种,其中吡嗪类物质占总产物相对质量的70%以上,而在pH5的体系中只能检测出15种物质,且未发现吡嗪类物质的存在,该体系中主要产物为呋喃类物质,占总产物的80%以上。对于加热时间而言,其对反应产物的影响具有普遍性规律,即一般加热4h后产物总量达到最大。Wang等研究2-乙酰基呋喃和2,5-二甲基-4-羟基-3[2H]-呋喃酮(DMHF)的形成途径,其将[13C6]葡萄糖和[12C6]葡萄糖按1∶1混合后与不同种类氨基酸反应,结果DMHF的形成途径相对单一,葡萄糖碳骨架保持完整;而2-乙酰基呋喃的形成就复杂很多,在甘氨酸存在的条件下,它是由葡萄糖的[C-5]单元与甘氨酸的醛基结合。对于其它氨基酸,2-乙酰基呋喃可以是完整的葡萄糖碳骨架,也可以是糖降解后的片段重组。该实验证实1-脱氧酮糖(1-deoxyosone)和1,4-二脱氧酮糖(1,4-dideoxyosone)分别是DMHF和2-乙酰基呋喃的葡萄糖降解产物。值得注意的是,风味物质的形成机制模型一般采用糖和氨基酸直接反应,很少有糖和蛋白质或多肽混合反应来研究。如果蛋白质和多肽缺乏游离的氨基酸,那么Strecker反应就不能发生,从而不能形成风味物质。一般的热处理不能使蛋白质或多肽降解释放出游离氨基酸,而在奶制品中,往往因为美拉德反应而产生不愉快的风味物质,这主要是热加工过程产生了糖降解产物,它可以和赖氨酸残基上的ε-氨基反应,同时也可以和其它氨基酸(如精氨酸和色氨酸)的侧链反应产生风味物质。4美拉德反应产物自20世纪80年代以来,美拉德反应产物(MRPs)的抗氧化性引起广泛关注,但是很少关注它对食品安全带来的负面影响。美拉德反应产物(MRPs)除最终产物类黑素外,还有一系列的美拉德反应中间体———还原酮及挥发性杂环化合物。随着仪器分析手段的提高,对有害成分的研究报道越来越多。4.1美拉德反应中间产物schiff碱和葡萄糖加热处理的反应目前对美拉德反应中产生的有害成分研究较为透彻的是丙烯酰胺,丙烯酰胺会导致神经、基因和生殖系统损伤,并具有潜在的致癌性。由天冬酰胺参与的美拉德反应是食品中产生丙烯酰胺的重要途径之一,被称为天冬酰胺途径。当美拉德反应产生中间产物Schiff碱后,可能有两种形成丙烯酰胺的途径:1)天冬酰胺在羰基化合物存在下通过Strecker降解脱羧脱氨后形成丙烯酰胺;2)由Schiff碱经过分子内环化、脱羧形成中间产物偶氮甲碱叶拉德内鎓盐,之后再经重排形成A-madori产物,这一产物的C-N键在高温下断裂生成丙烯酰胺。美拉德褐变产生的有害成分受热处理温度和时间的影响十分显著。实验发现,相同浓度的天冬酰胺和葡萄糖加热处理,120℃时开始产生丙烯酰胺;随着温度的升高,丙烯酰胺产生量增加,至170℃左右达到最高。加热时间对丙烯酰胺也有较大影响。4.2丙烯酰胺和天冬酰胺反应动物实验表明,5-羟甲基糠醛损害老鼠的DNA,诱发并促进大鼠的结肠癌,还可引起中毒性肾损害;5-羟甲基糠醛经体内代谢可转变成5-硫代甲氧基糠醛,后者被证实在大鼠体内具有遗传毒性。另外,还有研究显示5-羟甲基糠醛(HMF)能与天冬酰胺反应生成丙烯酰胺,而且天冬酰胺-HMF体系比天冬酰胺-葡萄糖体系反应更有效,反应过程中生成的中间产物3-氨基丙酰胺被认为形成丙烯酰胺的关键中间物。Hiramoto等研究发现葡萄糖-甘氨酸反应体系产生的MRPs对鼠伤寒沙门氏菌TA100的DNA超螺旋结构有破坏作用,并且能够使该基因发生突变。通过HPLC分析,发现其主要影响物质是4-羟基-2-羟甲基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮(HHMF),它是美拉德反应产物中的芳香成分。该物质在pH7.4时对DNA链的破坏作用比pH4.4和pH9.4时都强,此外反应体系中铁离子的存在也会增强其对DNA链的破坏作用。4.3土壤中羟基化合物的分布美拉德反应产生的呋喃具有致癌性和可遗传性。欧洲食品安全委员会(EFSA)已经证实呋喃对小鼠和大鼠具有明显的致癌性,而且有证据表明呋喃引起的致癌性还是可遗传的。另外有报道称,食物中的氨基酸和蛋白质与糖反应生成了能引起突变和致畸的杂环胺物质。美拉德反应产生的典型产物D-糖胺可以损伤DNA。Wijewickreme等发现葡萄糖-赖氨酸和果糖-赖氨酸反应体系中,当MRPs质量浓度大于0.01mg/mL时会引起PM2噬菌体DNA链的破坏。Hiramoto等从咖啡中提取MRPs,分离得到的羟基醌化合物对DNA链有破坏作用。Tadatoshi研究显示,一些MRPs的前体物质,如D-葡萄糖氨基化合物的水溶液中可以形成破坏DNA链的2,5-双-二氢核黄素物质和一些碳原子为中心的自由基。Moon和Shibamoto报道食品中通过美拉德反应形成致癌物4(5)-甲基咪唑,其研究了几种美拉德反应体系产生4(5)-甲基咪唑的情况,如D-葡萄糖/NH3,L-鼠李糖/NH3,丙酮醛/NH3,丙酮醛/甲醛/NH3体系。在D-葡萄糖/NH3体系中4(5)-甲基咪唑含量范围为0.49~0.71mg/mL;在L-鼠李糖/NH3体系中4(5)-甲基咪唑的上限稍高一些,为0.91mg/mL;在丙酮醛/NH3体系中,其含量达到5.70mg/mL,远远高于前两个体系。其主要原因可能是丙酮醛是4(5)-甲基咪唑的重要前体物质,氨解丙酮醛(葡萄糖降解产物之一)形成甲酰胺,后者会与2-aminopropanal(α-氨基-羰基中间产物)反应形成4(5)-甲基咪唑。在市售可乐饮料中检测到4(5)-甲基咪唑的含量在0.30~0.36μg/mL范围。5美拉德反应动力学模型美拉德反应在食品加工过程中广泛存在,其对产品的风味、颜色、营养价值都有着重要影响。正如之前提及的,美拉德反应由众多连续或平行的反应组成。对于控制美拉德反应的进程,动力学模型非常重要。美拉德反应的影响因素及中间产物众多,终产物组成与结构十分复杂,使得简单动力学模型(零级、一级、二级反应)难以全面解释反应机理。针对在建模过程中存在的问题,提出了以下几条解决途径:1小分子化合物聚合过程的机制和动力学随着现代检测技术的不断发展,气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、红外检测、核磁共振检测、质谱分析等高效精密检测技术在食品研究中的应用越来越广泛。美拉德反应过程中,食品内部结构与化学物质间的相互作用和影响十分复杂,小分子化合物聚合转变过程的机制和动力学是分析研究的关键点。充分运用现代检测手段,使实时监测美拉德反应过程的各成分变化成为可能,并有望进一步明确美拉德反应的机理及途径,同时为建立准确的动力学模型提供实验数据。2食品链的应用可引入新的模型目前建立的美拉德反应动力学模型都基于各自不同的假设和基础理论。利用多项式拟合的方法,用实验数据建立变化趋势模型。这种模型建立方法虽然简便易行,但难以对体系内部作出全面的解释,当成分和过程参数超出最初实验设计范围时,该模型便不再适用了。特别是这种建模对试验样本的需求量随着研究因素的增加而成指数增加,这对过程复杂且影响因素众多的美拉德反应来说,显然是十分困难的。因此非常有必要引入人工神经网络、模糊理论等新的模型参数识别方法,提高模型结构和参数的辨识度,确认是否需要重新考虑模型假说和结构,或者是否需要添加试验样本,以增加参数的可靠性。此外,还可以将已知的食品链的相关知识用统一的描述方法进行编码,将实验数据、专家知识以及包括决策树学习方法在内的推理机制有机地结合起来。Baudrit等曾运用动态贝叶斯网络(DBNs)等方法,在建模时显示使用专家知识后,即使只有较少的实验数据也可实现对软质乳酪成熟过程中的微生物和物理化学动力学进行较好的预测。3模型结构的不确定性不确定性在食品处理过程中常起到不可忽视的作用,有时甚