許海俠 程裕東 金銀哲

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海海洋大學食品熱加工工程中心，上海 201306；3. 上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海 201306)

美拉德反應(Maillard Reaction, MR)是還原糖的羰基與游離氨基酸、肽和蛋白質(zhì)的胺基間的復雜反應，在食品貯藏和加工過程中自發(fā)且廣泛地發(fā)生[1]，反應過程中形成的產(chǎn)物被稱為美拉德反應產(chǎn)物(MRPs)，包括芳香化合物、色素化合物、晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)和類黑素。MRPs與食物的感官接受度、營養(yǎng)價值以及AGEs的產(chǎn)生緊密相關(guān)[2]，其在加工食品的香味和活性化合物的生成過程中起到重要作用[3]。目前，游離氨基酸和羰基化合物間的反應模型已廣泛研究，并且得出不同反應物(如游離氨基酸或肽)存在不同的反應機理[4-5]。熱處理是影響MR反應速率和調(diào)味特性的最重要因素之一[6]。

微波加熱是近幾十年來應用在食品工業(yè)上的新型加熱方法，被廣泛應用于烹飪、焙烤和巴氏滅菌等工藝。微波加熱本質(zhì)上是微波輻射與極性分子和帶電離子的相互作用，并導致食品基質(zhì)內(nèi)的分子摩擦和離子遷移[7]。微波加熱快速、均勻；對物料穿透力強，且穿透速度快；可控性強，微波輻射后快速加熱，停止輻射后，加熱停止；對食品的營養(yǎng)成分、活性成分、維生素和色澤等的損害較小[8]。此外，微波作為“綠色食品加工”技術(shù)，還具有減少耗能、耗水并消除廢水，促進環(huán)境保護等優(yōu)點[9]。而且微波技術(shù)易于實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，便于控制，在現(xiàn)代食品工業(yè)中廣泛應用。

MRPs制備的傳統(tǒng)方法有水浴、油浴和高壓鍋等，與微波加熱相比，其具有高耗時和高耗能等缺點。然而微波加熱在制備MRPs的應用中研究較少，且多集中于其產(chǎn)物分析和生理活性應用方面，而對于機理研究及其他方面的應用還未涉及，亟待研究。因此，文章綜述微波加熱下MR的研究進展，旨在為其在食品工業(yè)中的大規(guī)模開發(fā)和利用提供參考。

1 美拉德反應機理與歷程

MR分為3個階段：初始階段，首先是糖胺縮合，然后是Amadori重排；中間階段，包括糖脫水、碎裂以及氨基酸降解(Strecker降解)；最終階段，包括醛醇縮合、醛胺縮合和雜環(huán)氮化合物的形成。中間階段的化合物發(fā)生聚合反應，形成具有高分子量的棕色物質(zhì)，稱為類黑素，在食品加工過程中(如面包、餅干、肉)引起色澤變化。聚合反應有助于熟化和貯藏食品的硬化[10]。

2 微波加熱下美拉德反應的影響因素

影響MR的因素包括糖類和氨基酸的結(jié)構(gòu)[11-13]、反應溫度和時間[14-16]、pH值[17-18]、水分[19]、金屬離子[20]、高壓[21]、加熱方式[22-24]等，前者主要影響MRPs類型，后者主要是影響MR反應動力學。而對于微波加熱下MR的影響因素主要有以下幾類。

2.1 反應物類型與濃度

MR受反應物類型及其摩爾比的影響。低分子量化合物的反應性大于高分子量化合物，由于其空間位阻較低，容易反應。一般規(guī)律為醛糖>酮糖；五碳糖>六碳糖；單糖>雙糖；堿性氨基酸>中性氨基酸>酸性氨基酸。陳艷云等[25]研究了不同類型的氨基酸、糖和反應介質(zhì)對微波處理下MR的影響，符合上述規(guī)律。趙麗琴等[26]研究了微波加熱下不同中性氨基酸與葡萄糖、果糖的MR，不同的酸堿性條件也會影響氨基酸的反應速率。Liang等[27]發(fā)現(xiàn)，在微波加熱下提高糖—賴氨酸初始摩爾比可顯著提高吡咯素的生成量，反應活性為乳糖>果糖>葡萄糖>蔗糖。

2.2 溫度和時間

高溫和較長的反應時間會導致更高的糖化程度，伴隨更高水平的高分子量的中間和褐色產(chǎn)物的形成，更多的電子和氫供體(如羥基和吡咯基團)與蛋白黑素結(jié)合形成，提高MRPs的抗氧化能力。Nasrollahzadeh等[16]發(fā)現(xiàn)微波加熱下的產(chǎn)物具有比常規(guī)加熱更高的DPPH-自由基清除能力(DPPH-RS)，由于微波加熱下MR速率的提高，增加了抗氧化活性產(chǎn)物的含量。Mowlaeifar等[28]用微波加熱輔助方式獲得了溶菌酶—麥芽糊精接枝物，微波加熱時間增加，MR程度加深。

2.3 微波功率

微波功率增加，MR反應程度增加。謝歡[29]發(fā)現(xiàn)蛋清蛋白與葡萄糖在不同的微波加熱條件下發(fā)生MR，隨著微波功率的增加，產(chǎn)生的類黑素增加。且微波加熱處理后MRPs的乳化性質(zhì)、抗氧化性均增加。微波功率越高，加熱時間越長，抗氧化能力越高。但長時間高功率下產(chǎn)生的羧甲基賴氨酸和丙烯酰胺等有害產(chǎn)物高于短時間低功率下產(chǎn)生的。所以適當提高微波功率對MR影響較為關(guān)鍵。

2.4 反應體系中的pH值

pH值影響MR的多種反應途徑，導致反應速率變化。pH>7時會加速反應，pH<7時會抑制反應。Yeo等[30]考察了微波加熱下不同pH的D-葡萄糖/L-半胱氨酸的模型，隨著pH的增加，MRPs褐變度增加，揮發(fā)性產(chǎn)物總量增加。

2.5 含水量

水作為反應媒介，其量與MR緊密相關(guān)。張開誠[31]用葡萄糖和半胱氨酸在微波中反應，在無水的樣品中沒有色素形成，增加含水量(0%～40%)，色素含量增加，當含水量為14%時色素含量最大，之后隨含水量的增加而減少，這是由于含水量過高引起反應物被稀釋。當含水率為11%時，風味物質(zhì)含量最高，之后隨含水量的增加而減少。因此在使用微波加熱食品時，保證含水量10%～15%為最佳，水分過高、過低均會減緩MR速率。

2.6 介電損耗

介電損耗是指將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰Γ绊懯称穼ξ⒉芰康奈?，從而影響MR程度。在微波加熱下，增加反應體系的介電損耗對MR不同階段的提升有促進作用。Zhang等[32]使用不同的反應溶劑(水、水與甘油)來驗證微波加熱下介電損耗對MR不同階段的影響，發(fā)現(xiàn)增加介電損耗有助于促進微波加熱下MR的進行。

2.7 反應介質(zhì)和電解質(zhì)的影響

3 微波加熱下的美拉德反應產(chǎn)物分析方法

MRPs的分離提純方法有固相萃取、超濾、膜透析、超速離心、層析法、電泳等，最常用的是薄層層析色譜和超濾。由于MRPs含量少且極不穩(wěn)定，先進的分析表征手段對MRPs的生成機理、成分分析起重要作用。目前常用的MRPs分析表征方法有紫外光譜法、體積排阻色譜、熒光光譜法、紅外光譜法、流動注射分析法、核磁共振、放射性同位素標記、凝膠滲透色譜(GPC)、氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)以及液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)、酶聯(lián)免疫法等。

隨著GC-MS、LC-MS和各種質(zhì)譜等分析手段的運用及優(yōu)化，關(guān)于MRPs的成分和性質(zhì)的研究更加深入，但在微波加熱下的MR研究還有待深入。有關(guān)微波加熱下美拉德反應產(chǎn)物的分析方法總結(jié)如表1所示。

表1 微波加熱下美拉德反應產(chǎn)物的分析方法

因MR過程較復雜，產(chǎn)物類型較多，為了更方便、高效地探究MR的反應程度，多檢測不同階段的特征產(chǎn)物。為了更全面地評判MR的益害，生理活性物質(zhì)和有害物質(zhì)的檢測也成為主要關(guān)注點。微波加熱下MRPs的特征物質(zhì)與檢測方法見表2。

表2 微波加熱下美拉德反應產(chǎn)物的特征物質(zhì)與檢測方法

目前，關(guān)于MR研究的熱點集中于MRPs的成分分析、控制其反應階段的條件及毒理的病源性研究。綜上，色譜與質(zhì)譜聯(lián)用法的樣品處理簡單，重現(xiàn)性高，適用于MRPs定性和定量分析。光譜法適用于MR的階段性研究及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析。

4 微波加熱下的美拉德反應產(chǎn)物

MRPs一般具有香味，分為以下4類：① 含氮雜環(huán)化合物，如吡嗪、吡喃、吡啶等；② 環(huán)狀烯醇類化合物，如麥芽酚等；③ 多羰基化合物，如丙酮等；④ 單羰基化合物，如Ssrecher醛類。除以上揮發(fā)性香味物質(zhì)外，還包括類黑素和其他抗氧化性物質(zhì)。當延長加熱時間或升高溫度時，MRPs的色度增加，碳氮比、不飽和度、化學芳香性也隨之增加[44]。

微波加熱下MR不同階段產(chǎn)物的含量和類型與傳統(tǒng)加熱相比也有所不同。楊立強[45]發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，加熱時間的延長，所有MR的早期產(chǎn)物濃度升高。段鄧樂[33]研究表明，微波加熱比水浴加熱下的游離氨基減少更多，早期反應程度更高。Yeo等[30]分離分析微波輻射的D-葡萄糖/L-半胱氨酸MRPs中的揮發(fā)性雜環(huán)化合物，發(fā)現(xiàn)隨著pH的增加，產(chǎn)生的揮發(fā)物總量增加。肖桂明等[46]發(fā)現(xiàn)微波加熱下不同溫度對賴氨酸與葡萄糖MRPs主要為具有烘烤香味的吡嗪類化合物。趙麗琴等[26]研究了不同中性氨基酸與葡萄糖、果糖在微波加熱下的MR，發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，丙氨酸、蘇氨酸MRPs中吡嗪類化合物種類最多。劉紅[39]發(fā)現(xiàn)微波烘烤餅干中的揮發(fā)性成分多于傳統(tǒng)烤箱焙烤。胡軍等[47]發(fā)現(xiàn)微波能加快MR，兩種加熱方式下同樣體系的最終產(chǎn)物成分類似，但含量不同。傳統(tǒng)加熱MRPs抗氧化性明顯低于微波加熱[48]。劉志華等[49]發(fā)現(xiàn)微波加熱時間對抗氧化物質(zhì)含量作用不明顯，但微波加熱比油浴下MRPs抗氧化性更強。劉紅[39]分別在最優(yōu)的傳統(tǒng)焙烤與微波焙烤下測定有害物的生成量，發(fā)現(xiàn)微波焙烤下的生成量少于傳統(tǒng)焙烤的。綜上，微波加熱下的美拉德反應揮發(fā)性特征香味物質(zhì)與傳統(tǒng)加熱相似，但種類更豐富。

微波加熱下的MRPs含量高于傳統(tǒng)加熱的，揮發(fā)性成分種類增加，各種生物活性增加，其產(chǎn)生的機理有待深入研究。而MRPs具有抗誘變[50]、抗腫瘤[51]、抗增殖[52]、降血壓[53]等作用，對防治疾病、提升人類健康有重要意義。

5 微波加熱下的美拉德反應在食品中的應用

5.1 增強食品風味和色澤

微波加熱下的MR時間短且易制得，可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量棕色物質(zhì)，且產(chǎn)生的揮發(fā)性成分較多，可應用于增強食品色香味。張開誠[31]利用MR原理增強微波食品風味的方法，制備了食品褐變劑，主要包括：① 氨基酸類，如天冬氨酸、谷氨酰胺、賴氨酸；② 還原糖類，如葡萄糖、果糖；③ 介質(zhì)，如低級醇和多元醇(甘油、丙醇、乙醇等)；④ MR促進劑，如聚乙烯吡咯烷酮；⑤ pH調(diào)節(jié)劑，如碳酸鈉等，可促進食品產(chǎn)生理想的色澤。

5.2 制備香精

食用香精已被廣泛應用于肉類加工食品和其他食品中。張開誠[54]以鴨骨為原料，經(jīng)胰蛋白酶酶解作用得到鴨骨酶解液，在微波加熱下發(fā)生MR制備鴨味香精，所得鴨味香精風味良好、香氣醇厚。

5.3 制備食用薄膜

Kamboj等[55]采用33個全因子設(shè)計，對玉米纖維膠(CFG)與殼聚糖(CH)的微波輔助MR進行了優(yōu)化和表征。通過MR制得的薄膜(F21)具有堅韌、柔韌、耐水性和抗菌性。這種通過MR制得的薄膜在食品和藥品中具有很高的潛力，拓寬了微波加熱下MR的應用范圍。

5.4 改善性質(zhì)

微波加熱下的MRPs的生理活性高于傳統(tǒng)加熱的，可更好地應用于改善食品的性質(zhì)，提高其活性，在食品、醫(yī)藥、化妝品行業(yè)有很好的應用前景。Nooshkam等[56]使用微波加熱將乳糖異構(gòu)化，乳清蛋白水解成體外抗氧化肽，在微波下與乳糖或乳果糖綴合發(fā)生MR，綴合增加了抗氧化物活性并改善了肽的發(fā)泡和乳化性質(zhì)，擴大了乳清蛋白衍生肽技術(shù)的應用范疇。除潛在的生物活性外，MRPs還可抵抗熱誘導的去穩(wěn)定化和分解，與乳果糖綴合的乳清肽可獲得更高的模擬胃消化率，可用于提高蛋白質(zhì)和基于肽的食物的生物利用度。Laguerre等[43]發(fā)現(xiàn)微波加熱時間對嬰兒奶粉的MRPs有影響，在微波加熱特定功率高且加熱時間少的條件下，羧甲基賴氨酸的形成和營養(yǎng)物變質(zhì)可達最小化，同時孢子被破壞。楊楠等[40]考察了熱風、紅外輻射和微波輻射3種加工方式對油茶籽油美拉德產(chǎn)物抗氧化性的影響，得出微波比熱風效果更佳。

微波加熱下的MR在食品中的應用多集中于其獨特色澤、香味、生物活性方面的研究，其產(chǎn)物多應用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)，有關(guān)其他方面的應用還有待深入和拓寬。

6 結(jié)論與展望

微波加熱下的美拉德反應產(chǎn)物可改善食品表面色澤，比傳統(tǒng)加熱顯色更快，其反應產(chǎn)物的揮發(fā)性成分含量增多，可增加食物的香味，其反應產(chǎn)物各種生物活性提高，對疾病治療、提高人類健康有重要意義。

目前，對美拉德反應產(chǎn)物的小分子物質(zhì)研究已取得了一定進展，但對中期產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的產(chǎn)生機理、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)尚不完全清楚。故如何定性、定量地確定中期產(chǎn)物和終產(chǎn)物類黑精等的組成、分子結(jié)構(gòu)及其抗突變和抗氧化的機理等仍是今后研究的重點。后續(xù)需深入研究微波加熱對美拉德反應產(chǎn)物的影響機理，補充和完善微波對美拉德反應影響的基礎(chǔ)理論。尋找微波加熱下美拉德反應產(chǎn)物有益和有害間的最佳平衡點，建立微波食品品質(zhì)優(yōu)化和安全調(diào)控機制。