食品风味化学（第二版） 课件 第六章 美拉德反应

美拉德反应第六章概述美拉德反应是食品中氨基化合物（胺、氨基酸、肽和蛋白质）和羰基化合物（还原糖类）发生的一系列层层叠叠的反应，它在食品加工和储藏过程中极其普遍，其结果是形成各种风味物质，同时发生褐变反应，它是食品色泽和香味产生的主要来源之一。概述美拉德反应机制初级反应阶段——风味前体物的形成ARP或HRP的形成还原糖的羰基与氨基之间进行加成，加成产物迅速失去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，醛糖经Amadori重排转变成活性中间体1-氨基-1-脱氧-2-酮糖。酮糖经Heyns重排转变成活性中间体2-氨基-2-脱氧-1-醛糖。美拉德反应机制初级反应阶段——风味前体物的形成ARP或HRP的降解ARP或HRP经过烯醇化与逆Michael反应失去氨基酸（或氨基）形成1-脱氧糖酮、3-脱氧糖酮和4-脱氧糖酮，脱氧位置的选择性和反应体系pH以及反应物氨基酸氨基的碱性有关。在中性、弱碱性条件或氨基碱性较强（如脯氨酸的二级氨基）时形成1-脱氧糖酮和4-脱氧糖酮。在酸性条件或氨基碱性较弱时形成3-脱氧糖酮。初级美拉德反应不会产生香味，也不引起褐变，其产物是极重要的非挥发性香味前体物。美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成脱氧糖酮脱水形成呋喃型、吡喃型化合物美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成脱氧糖酮脱水形成呋喃型、吡喃型化合物美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成碳水化合物裂解美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成碳水化合物裂解美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸的Strecker降解美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸的Strecker降解美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸的Strecker降解美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸碎片和碳水化合物碎片的缩合反应美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸碎片和碳水化合物碎片的缩合反应美拉德反应机制高级反应阶段——风味物质的形成氨基酸碎片和碳水化合物碎片的缩合反应美拉德反应机制反应末期阶段——类黑素的形成美拉德反应第三阶段形成类黑素（一类大分子化合物）。美拉德反应高级阶段产生的众多活性中间体，如葡萄酮醛、3-脱氧糖酮、3,4-二脱氧糖酮、羟甲基呋喃、还原酮类、不饱和醛亚胺等等，又可继续与氨基酸反应，最终都生成类黑素——褐色含氮色素，此过程包括醇醛缩合、醛氨聚合、杂环化反应等。褐变前体物质主要是乙二醛、甘油醛、丙酮醛等二羰基化合物以及呋喃、吡咯等五元杂环类物质，因此，碳水化合物裂解与脱水反应在褐变反应中起主要作用。褐变反应的机制目前还不十分清楚，但能够明确的是，在碱性条件下碳水化合物裂解与褐变显著加强。影响美拉德反应的因素加热温度的影响氨基酸100℃180℃缬氨酸苏氨酸亮氨酸天门冬氨酸脯氨酸苯丙氨酸甘氨酸谷氨酸黑麦面包巧克力果香、甜巧克力烤甜香、糖香爆米花香清香气、类玫瑰花香焦糖味焦糖、苦杏仁味沁鼻巧克力烧煳味烧糊干酪烧煳的糖烤面包类紫丁香焦煳的糖烧煳的糖影响美拉德反应的因素加热温度的影响在一定的时间范围内（比如4h），反应体系温度升高10℃，美拉德反应速度会加倍。但过高的温度又会使氨基酸和糖类遭到破坏，甚至产生致癌物质。因此通常控制温度在180℃以下，以100～150℃为佳。同时，美拉德反应非常复杂，包括很多反应步骤，是一个反应网络，每步反应对温度的敏感性都不相同，温度的高低会促使反应网络沿着不同的反应支路而生成不同的风味。影响美拉德反应的因素加热时间的影响影响美拉德反应的因素加热时间的影响反应温度与反应时间经常存在一定的依存性，提高温度可以提高反应速率从而缩短产物达到最大值的时间。速炸牛肉中2-乙酰基-2-噻唑啉的产率在100℃加热10min后达到最高，加热时间越长，其含量明显降低。当反应温度较低时，2-乙酰基-2-噻唑啉产率上升的速度也较慢。影响美拉德反应的因素体系组分的影响气味物质FD因子葡萄糖鼠李糖核糖2-呋喃硫醇1,0245124,0965-乙酰-2,3-二氢-1,4-噻嗪1,0245121,0245-甲基2-呋喃硫醇<12,048<13-巯基-2-戊酮5121282,0483-巯基-2-丁酮512325124-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮51265,5361282-(1-巯基乙基)呋喃256<1<12-乙酰-2-噻唑啉1282562563-羟基-6-甲基-2（2H）-吡喃酮<116,384<13-羟基-4,5-二甲基-2(5H)-呋喃酮16128642-甲基-3-呋喃硫醇<1<11,0244-羟基-5-甲基-3（2H）-呋喃酮<1<12564-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-噻吩酮128<1<1影响美拉德反应的因素体系组分的影响糖的类型对风味特性有一定的影响，但是氨基酸在这方面起的作用更为重要。含硫氨基酸对肉类和咖啡风味的形成是必需的；缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸对巧克力风味的形成是必需的；甲硫氨酸对土豆风味的形成是必不可少的；脯氨酸、天门冬氨酸、苯丙氨酸等氨基酸具有清香和烤香味。影响美拉德反应的因素水分活度的影响化合物FD因子水热干热2,3-丁二酮16162-乙酰基-1-吡啶6416,3842-丙酰基-1-吡咯啉165122-乙酰基-3,4,5,6-四氢吡啶4,0962,0484-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮<18,1922-乙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶4,0962,0482-丙酰基-3,4,5,6-四氢吡啶1281282-丙酰基-1,4,5,6-四氢吡啶128128影响美拉德反应的因素pH值的影响风味化合物产量（mg）pH2.4pH4.7pH7.03-羟基-2-戊酮2,4-己二酮2-乙酰基噻唑3,5-二甲基-1,2,4-三硫醇噻吩酮16.564.37.533.710127.231.914.150.71048.24.324.733.923.7美拉德反应风味物质形成动力学吡嗪对水溶液体系（pH10、加热温度120～140℃）以及高压对吡嗪形成（水相和非水相溶剂）的影响所做的两种研究也发现在加热过程中，吡嗪的形成呈线性关系，遵循零级反应规律。水分活度（aw）和pH对吡嗪的形成有很大影响。当aw增加到0.75前吡嗪随着aw的升高线性增加；在aw0.75～0.84范围内，根据吡嗪种类的不同，其含量或下降或不变。aw在0.75左右达到最大反应速度，这与根据反应物消耗和色素形成测定的美拉德反应速度是一致的。aw每增加0.1个单位，吡嗪生成速率平均增加1.37倍。吡嗪和2-甲基吡嗪的生成速度和pH值（5～9）同样呈线性关系。美拉德反应风味物质形成动力学含氧杂环化合物化合物Ea(kcal/mol)化合物Ea(kcal/mol)糠醛5-甲基糠醛羟甲基糠醛异戊醛35.237.028.1192-乙酰呋喃2(H)2(OH)-6-甲基吡喃酮2-乙酰基-1-吡咯啉苯乙醛36.230.71422美拉德反应风味物质形成动力学含硫化合物2-乙酰噻吩的Ea值最高，在22到33kcal/mol之间；甲硫醛和二甲基二硫化物的Ea值在15到27kcal/mol之间，这和整体美拉德反应的Ea值一致。在半胱氨酸和谷胱甘肽的水相模型体系（pH3、5、7、9）加热（80～110℃）时，两种前体反应时硫化氢的释放都遵循一级反应动力学（r2值0.955～0.999），且释放的速率随pH增加而增加。硫化氢形成的活化能在半胱氨酸体系中为29.4～31.8kcal/mol，在谷胱甘肽体系中为18.8～30.8kcal/mol。这些数据表明，硫化氢在谷胱甘肽体系中比在半胱氨酸体系中释放更快。美拉德反应形成的风味物质羰基化合物羰基化合物形成的主要途径是Strecker降解。这个反应发生在二羰基化合物和游离氨基酸之间。二羰基化合物包括邻位上有羰基（羰基被一个双键隔开）或共轭双键。这些典型的羰基化合物是美拉德反应的中间体，它们也可能是食物中的一种普通成分（如维生素C），或是酶促褐变的最终产物，或是脂类氧化的产物。美拉德反应形成的风味物质含氮杂环化合物烷基吡嗪一般具有烘烤的，类似坚果的风味特性。甲氧基吡嗪通常具有粗糙的、蔬菜的风味性质。2-异丁基-3-甲氧基吡嗪有一种新鲜的切青椒的风味。2-丙酮基吡嗪有烘烤味或烧烤味。2-甲酸基吡咯有甜玉米风味。2-乙酰基吡咯有焦糖的风味。1-丙酮基吡咯有甜面包或蘑菇风味。3-甲基嘧啶就具有清新气味。3-甲基-4-乙基嘧啶具有甜味和坚果风味。美拉德反应形成的风味物质含氧杂环化合物呋喃酮和吡喃酮都是焦糖化和美拉德反应风味中的含氧杂环化合物。这类化合物通常呈现的风味特征为似焦糖、甜味、水果味、黄油香、坚果味或烧焦味。参与褐变反应的碳水化合物缩合物在构成比例和绝对量上都占主导地位。麦芽酚和4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮的五碳类似物拥有与它们相似的气味特征。甲基环戊烯醇酮（商品名）有典型的枫木香味。一些相近的化合物如3-乙基-2-羟基-2-环戊烯-1-酮也在风味工业中广泛应用，有类似的效果（焦糖、坚果、枫木和奶糖调味料）。美拉德反应形成的风味物质含硫杂环化合物通过美拉德反应生成了许多含硫的杂环化合物，包括糠基硫醇、噻吩、二硫醇、二噻烷、三硫醇、三噻烷、四噻烷、噻唑、噻唑啉等。通过美拉德反应产生的主要含硫杂环化合物是噻唑和噻吩。带有烘烤气味的2-糠基硫醇是烘焙咖啡、白面包皮或爆米花的关键香气成分。2-甲基-3-呋喃硫醇带有煮熟肉的香气。烷基噻唑具有清新的、坚果风味、烧烤风味、蔬菜味或者肉味。三甲基噻唑具有可可、坚果风味。2-异丁基噻唑具有一种强烈的、清新的番茄叶子的气味。2,4-二甲基-5-乙烯基噻唑有一种类似坚果的气味2-乙酰基噻唑则有一种坚果、谷物味和爆米花的风味。美拉德反应形成的风味物质含氧多杂原子杂环化合物噁唑呈现的是清新、甜味、花香味或类似蔬菜味。例如，4-甲基-5-丙基噁唑拥有绿色蔬菜香味。噁唑环上有4或5个碳长的烷基链、并且在第2和第4个C上没有烷基链的噁唑却具有明显的熏肉脂肪风味（例如5-丁基噁唑）。当甲基或乙基基团取代在C2上（例如2-乙基-5-丁基噁唑）时，肉类脂肪风味减少了，而甜的花香风味则突出了。当甲基或乙基取代在C4上时，花香风味更加明显。2-异丙基-4,5,5-三甲基-3-噁唑啉呈现类似朗姆酒的香味，而2-异丙基-4,5-二乙基-3-噁唑啉呈现典型的可可风味。美拉德反应的应用肉类香精肉类香精主要是以糖类和含硫氨基酸如半胱氨酸为基础，通过加热时发生的一系列反应合成的，这些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次级反应等。通过生成的肉味香气成分可调和制成各种不同特征的肉味香料。在熟肉类加工行业，为了获得更好的风味和口感，往往需要添加各种肉类香精，如牛肉香精、猪肉香精、鸡肉香精等。例如，用半胱氨酸盐酸盐和葡萄糖、核糖混合加热，再和大豆蛋白水解物及次黄嘌呤核苷酸混合加热，能产生牛肉香味。肉类风味有很多因素组成，诸如脂类、肽类、氨基酸类、糖类等。在肉制品中，半胱氨酸、甲硫氨酸等含硫氨基酸发挥着重要的作用。美拉德反应的应用烟用香精PhillipMorris公司用含量为74%的果糖同天门冬酰胺、异戊醛、氢氧化铵一起加热,稀释后用于重组烟丝，烟味足而无粗糙感；用氢氧化铵处理过的碱性水解蛋白和富含果糖的玉米糖浆一起加热到100℃历经2.5小时，经水稀释后用于卷烟,吸味更为平衡而少粗糙感；利用脯氨酸、高级脂肪酸、葡萄糖和蜂蜜等物质的组合发生美拉德反应，产物呈褐红色均匀液体，加入烟丝能使卷烟的烟香味更加透发，杂气和刺激性减轻；将含有一个羟基的氨基酸在100℃处理时，可得到能改变主流烟气的香味混合物。例如以5.25g丝氨酸溶解在50mL水中在200℃处理1h可生成吡嗪类香味物，用以处理过滤嘴可使侧流烟气有愉快的香气。美拉德反应的应用抗氧化剂在美拉德反应产物中，类黑精具有螯合金属抗氧化活性。美拉德反应产物是一个复杂体