林靜嫦，鐘先鋒，汪彩云

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東佛山 528231）

0 引言

在食品焙烤領(lǐng)域，美拉德反應(yīng)（Maillardreaction）對(duì)食品加工制作過程起著至關(guān)重要的作用，該反應(yīng)是指羰基化合物（還原性糖、酮、醛等）與氨基化合物（氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)等）經(jīng)過脫水縮合、聚合等復(fù)雜的反應(yīng)，最終產(chǎn)生具有特殊香氣且呈現(xiàn)褐色的類黑精物質(zhì)的反應(yīng)[1]。食品焙烤原料中含有較多的還原糖和蛋白質(zhì)，經(jīng)過高溫烘烤，易發(fā)生美拉德反應(yīng)產(chǎn)生類黑精等物質(zhì)，該物質(zhì)能使焙烤食品表現(xiàn)出良好的色澤、氣味和口感[2]。而加工原料中的羰基化合物和氨基化合物的種類直接影響產(chǎn)物的氣味，有的產(chǎn)物呈現(xiàn)面包烘烤味、有的產(chǎn)物呈現(xiàn)巧克力味、有的產(chǎn)物呈現(xiàn)肉制品的味道，可通過對(duì)反應(yīng)的因素條件改善餅干的風(fēng)味、通過最佳工藝參數(shù)改善優(yōu)化餅干的色澤。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有先進(jìn)的儀器設(shè)備和較為完善的方法檢測(cè)美拉德反應(yīng)產(chǎn)物種類和含量，許多學(xué)者也相繼發(fā)現(xiàn)了該反應(yīng)的部分中間產(chǎn)物有致人體患病的風(fēng)險(xiǎn)，如3-脫氧葡萄糖醛酮在人體內(nèi)積累過多可能會(huì)引起糖尿病[3]、丙烯酰胺在人體積累過多可引起癌癥的發(fā)生[4]、5-羥甲基糠醛（HFM） 攝入過多可能會(huì)引起內(nèi)臟受損甚至癌癥[5]、晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs） 與動(dòng)脈粥樣硬化和糖尿病等疾病有關(guān)[6]。通過了解有害物質(zhì)產(chǎn)生原理和作用機(jī)制，抑制有害物質(zhì)產(chǎn)生，減少有害物質(zhì)在人體的積累，進(jìn)而能降低人類患病的風(fēng)險(xiǎn)。

1 美拉德反應(yīng)機(jī)理

美拉德反應(yīng)的過程相當(dāng)復(fù)雜，反應(yīng)產(chǎn)物較多，目前為大眾所認(rèn)可的是1953年由Hodge所歸納的3個(gè)階段反應(yīng)理論，即該反應(yīng)的階段分為初始階段、中間階段和終末階段。

美拉德反應(yīng)機(jī)理示意圖見圖1。

1.1 初始階段

美拉德反應(yīng)的初始階段是游離的氨基和游離的羰基發(fā)生縮合作用，生成的最初產(chǎn)物是一種不穩(wěn)定的亞胺衍生物——席夫堿[7]，隨后席夫堿可環(huán)化成為氮代葡基胺（N-葡萄糖基胺）。在酸的催化下，氮代葡基胺會(huì)引起阿姆德瑞（Amadori）分子重排，最終形成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖。

1.2 中間階段

中間階段容易受到反應(yīng)環(huán)境的影響。Amadori分子重排形成的單果糖胺受到不同pH值的影響而發(fā)生降解。當(dāng)pH值≤7時(shí)，初始階段中的重排產(chǎn)物主要進(jìn)行1,2-烯醇化反應(yīng)，然后再進(jìn)一步脫水降解生成羥甲基糠醛（HFM）或糠醛；當(dāng)在pH值＞7且溫度較低時(shí)，主要進(jìn)行2,3-烯醇化反應(yīng)主要生成還原酮類；當(dāng)pH值＞7且較高溫時(shí)，Amadori重排物質(zhì)容易受影響而分解成醇醛類及氮氧化物等物質(zhì)。

1.3 終末階段

最終階段包含了兩類反應(yīng)：一是兩分子醛的自相縮合并進(jìn)一步形成不飽和醛；二是在中期反應(yīng)之后，生成物中有醛類和α-氨基酮類、二羰基化合物、還原酮類、醛醇類等進(jìn)一步縮合、聚合、重排、異構(gòu)化等形成黑色素或類黑精。

2 美拉德反應(yīng)對(duì)餅干感官品質(zhì)的影響

美拉德反應(yīng)對(duì)烘焙領(lǐng)域起著重要的影響，餅干的香氣、色澤與制作過程時(shí)發(fā)生美拉德反應(yīng)息息相關(guān)。既能提高餅干的感官品質(zhì)，又可通過改變糖類和氨基酸等氨基化合物的種類，改變餅干的特征香味，進(jìn)而增加餅干的種類。但隨烘烤的溫度和時(shí)間延長，反應(yīng)的產(chǎn)物不同，導(dǎo)致餅干出現(xiàn)烘烤的焦味、顏色變深、味道變苦等不良現(xiàn)象。掌握餅干的加工工藝參數(shù)，可控制美拉德反應(yīng)的程度，從而生產(chǎn)多種多樣的餅干，滿足商品多樣化的需求。

2.1 對(duì)餅干香味成分的影響

餅干的主要原料一般是面粉、糖和油脂這三大類，但這三者的香氣大相徑庭。胡喜貴等人[8]采用氣相質(zhì)譜與頂空固相微萃取相結(jié)合方法測(cè)定5種不同來源的面粉共有且含量較多的香味成分有13種，分別是十一烷、正己醛、十二烷、壬醛、2,6-二叔丁基-1,4-苯醌、癸烷、十三烷、十一醛、1-甲基萘、正己醇、十三醇、2,2,5,5-四甲基-3-己炔、四甲基硅烷。劉曉君[9]研究花生油的香味物質(zhì)主要是吡嗪類化合物，占總香味物質(zhì)的32.89%。Violeta Ivanova-Petropulos等人[10]對(duì)芝麻油、向日葵籽油、亞麻籽油、油菜籽油、南瓜籽油的揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測(cè)，共有呋喃、酯、烷烴萜烯、吡嗪、硫化合物等97種揮發(fā)性物質(zhì)。而單糖是大部分嗅感物質(zhì)的前體，如酯、醇、酸、醛類等物質(zhì)[11]。各種原料即使香氣成分不同，但經(jīng)過調(diào)制、烘焙，原料的香氣也會(huì)發(fā)生改變。

餅干制作前后香味發(fā)生變化，是因?yàn)楫a(chǎn)生了美拉德反應(yīng)，該反應(yīng)改變了餅干的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量。在特定的條件下，餅干原料中的還原性糖和游離的氨基酸發(fā)生反應(yīng)，生成食品風(fēng)味來源的物質(zhì)——醛、雜環(huán)化合物和還原酮等物質(zhì)[12]，使得餅干產(chǎn)生特殊的香味。據(jù)江志煒等人[13]研究纈氨酸和葡萄糖的烘烤過程發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生可可味的香氣和烘焙面包的味道。國外科研者也探究了亮氨酸、蘇氨酸與葡萄糖在加熱條件下可產(chǎn)生可可香味[14]。童大鵬等人[15]研究出在發(fā)生美拉德反應(yīng)時(shí)，谷氨酸含量較高的烘焙食品可產(chǎn)生較濃的堅(jiān)果香和烘烤香。而梁玲等人[16]采用氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用、固相微萃取和氣相色譜嗅聞法研究小麥餅干中的香味成分，結(jié)果顯示在餅干中含N的雜環(huán)化合物含量最高，是麥香味的主要來源，可可味香氣成分有2,5-二甲基吡嗪物質(zhì)、烤堅(jiān)果味有2,6-二甲基吡嗪物質(zhì)、己醛也有青草香、苯甲醛有杏仁味[17]；低濃度的5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮（DMHF）有草莓味，而高濃度與糠醛[14]相類似有焦糖香[18]。因此在研發(fā)餅干時(shí)，可根據(jù)所需求的風(fēng)味改變氨基化合物和還原性糖的含量及餅干的工藝參數(shù)，生產(chǎn)出品質(zhì)高的餅干。

2.2 影響餅干的色澤

美拉德反應(yīng)的最終產(chǎn)物是一種類黑精的物質(zhì)，在烘烤過程能改變餅干表面的色澤。類黑精在烘焙食品廣泛應(yīng)用，在面包皮中含量可達(dá)14.0%，在餅干中達(dá)20.2%[19]。由于各類餅干工藝參數(shù)不相同，則產(chǎn)生類黑精速率和也不一樣。一般情況，美拉德反應(yīng)速率受溫度的影響很大，溫度越高褐變的速率越快[20]，類黑精物質(zhì)主要在高溫條件下形成的。在同一溫度下，烘烤時(shí)間愈長，餅干產(chǎn)生的類黑精則愈多。Isil Gürsul Aktag等人[21]通過研究超高溫瞬時(shí)滅菌對(duì)乳中的美拉德反應(yīng)有促進(jìn)作用，所以短暫的高溫也會(huì)促使氨基酸和還原糖發(fā)生反應(yīng)。劉紅[12]探究最佳工藝參數(shù)下酥性餅干的類黑精物質(zhì)含量時(shí)也得出在同一時(shí)間烘烤，低溫的餅干表面顏色不足且香味沒有完全散發(fā)出來；溫度高的餅干顏色過深，出現(xiàn)焦味；而適中的溫度餅干相對(duì)顏色正常、香氣濃郁。劉婕等人[22]通過單因素試驗(yàn)得出果糖相比果葡糖漿、葡萄糖對(duì)食品褐變品質(zhì)更佳，再根據(jù)Box-behnken組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理得出隨果糖濃度的升高，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量出現(xiàn)峰值，此現(xiàn)象是由于果糖濃度過高，易發(fā)生焦糖化反應(yīng)，因而美拉德反應(yīng)強(qiáng)度降低。所以在食品加工過程需要通過探究食品的工藝參數(shù)，設(shè)定最佳參數(shù)值，才能生產(chǎn)出色澤優(yōu)良的食品。

3 美拉德反應(yīng)的有害產(chǎn)物對(duì)人體健康的影響

目前，研究美拉德反應(yīng)的有害物質(zhì)主要是AGEs，中間產(chǎn)物及副產(chǎn)物有丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮、丙酮醛等物質(zhì)。

丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮和丙酮醛的結(jié)構(gòu)式見圖2。

美拉德反應(yīng)最終階段的生成物——類黑精也是晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs） 之一，AGEs普遍存在于日常的食物當(dāng)中，巧克力、烘焙食品、飲料等食品均能檢測(cè)出AGEs[23]，若在人體中積累過量，已經(jīng)被證實(shí)會(huì)引起人體疾病甚至引起癌癥的發(fā)生。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在制作餅干時(shí)加入咖啡渣中具有抗氧化性的膳食纖維可使餅干成品中的AGEs含量降低6倍[24]。Huang Junqing等人[25]也通過試驗(yàn)探究發(fā)生玉米麩皮阿魏酸化低聚糖會(huì)影響AGEs的生成。

丙烯酰胺早被列為2A類致癌物，許多國內(nèi)外學(xué)者也研究表明丙烯酰胺可以使人的神經(jīng)中毒、基因突變有致癌的危險(xiǎn)，還會(huì)對(duì)人體器官造成損傷。在美拉德反應(yīng)中，丙烯酰胺的前體物質(zhì)是還原性糖與天冬酰胺（Asn），是在特定的環(huán)境下經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)所形成的[26]。在餅干加工過程中，根據(jù)丙烯酰胺的反應(yīng)條件結(jié)合餅干的生產(chǎn)參數(shù)可抑制其生成，直接通過控制反應(yīng)物的量，來減少丙烯酰胺的生成，以蔗糖替代還原性糖、添加天冬酰胺的催化劑等方式控制2種反應(yīng)物的含量；也可通過降低面團(tuán)的pH值來降低丙烯酰胺生成速度，如增添檸檬酸或乳酸等[27]，由于在強(qiáng)酸條件下氨基容易被質(zhì)子化，阻止了與羰基化合物反應(yīng)形成葡基胺[28]，所以餅干的褐變不明顯，可減少有害物質(zhì)的生成。Antonio Dario Troise等人[29]發(fā)現(xiàn)菜籽壓榨餅堿性提取物能降低曲奇餅干中的丙烯酰胺，檢測(cè)結(jié)果丙烯酰胺的濃度減少至39.6%。若生產(chǎn)餅干的過程難以改變?cè)镜纳a(chǎn)參數(shù)，可通過添加抑制丙烯酰胺在人體作用的物質(zhì)，緩解丙烯酰胺對(duì)人體的損傷。目前，檢測(cè)丙烯酰胺的技術(shù)還有待研究，Lei Qin等人[30]在海產(chǎn)品熱加工方面提出同位素稀釋結(jié)合HPLC-MS/MS法檢測(cè)HAM和丙烯酰胺，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)效率高、結(jié)果準(zhǔn)確。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)檢測(cè)烘焙食品中的丙烯酰胺提供了理論依據(jù)。

丙酮醛也被列為3A類致癌物，是中間階段的反應(yīng)產(chǎn)物，當(dāng)在pH值＞7且溫度較高時(shí)，Amadori重排產(chǎn)物（ARP） 易轉(zhuǎn)化為此類物質(zhì)。同時(shí)3-脫氧葡萄糖醛酮（3-DG） 和丙酮醛是AGEs的前體，對(duì)人體的糖尿病有著相關(guān)聯(lián)系。經(jīng)陳燕玲等人[31]研究丙酮醛在人的腎小管上皮細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn)，丙酮醛增強(qiáng)組織細(xì)胞的氧化應(yīng)激，造成細(xì)胞受損。劉紅[12]探究在烘烤過程中如何減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微波法替代傳統(tǒng)烘烤，能將餅干中丙烯酰胺、丙酮醛和3-DG的含量分別降低了38.1%，60.5%，33.2%。

目前，除了以上丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮、丙酮醛、AGEs這4類物質(zhì)外，還有雜環(huán)胺（HCAs）、5-羥甲基糠醛（5-HMF）[32]等物質(zhì)已被證實(shí)為有害物質(zhì)，也還有許多未被發(fā)現(xiàn)且普遍存在于烘焙、煎炸等食品當(dāng)中，所以未來仍需繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)美拉德反應(yīng)有害物質(zhì)的研究。

4 結(jié)語

美拉德反應(yīng)在食品焙烤領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，也是食品焙烤研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。美拉德反應(yīng)不僅改變了食品的色香味，而且其部分產(chǎn)物對(duì)人體的健康有一定的益處。例如，殼聚糖-單糖作為天然防腐劑，可減少人工合成防腐劑的使用[33]。Mariela Patrignani等人[34]通過對(duì)小鼠進(jìn)行餅干喂養(yǎng)的對(duì)照試驗(yàn)檢測(cè)小鼠血液的抗氧化活性物質(zhì)及體重，發(fā)現(xiàn)美拉德反應(yīng)物MPR具有抗氧化性，與膳食纖維的作用相類似不易被腸道所吸收[35]；還有部分反應(yīng)產(chǎn)物也可調(diào)節(jié)人體腸道微生物[36]等。作為一把雙刃劍的美拉德反應(yīng)，其有害產(chǎn)物不容忽視。人們?nèi)粘ｏ嬍撑c美拉德反應(yīng)息息相關(guān)，為了讓人們健康安全，未來可從美拉德反應(yīng)機(jī)制及各階段反應(yīng)條件、反應(yīng)物和生成物的種類等方向進(jìn)行焙烤食品的色香味和安全性的研究。