美拉德反應

簡介

美拉德反應指的是含氨基的化合物和羰基化合物在常溫或加熱時發(fā)生的聚合、縮合等反應，最終生成棕色甚至是棕黑色的大分子物質類黑精或稱擬黑素，所以又被稱為羰胺反應。2

除產生類黑精外，反應還會生成還原酮、醛和雜環(huán)化合物。幾乎所有含有羰基和氨基食品在加熱條件下均能發(fā)生Maillard反應。Maillard反應能賦予食品獨特的風味和色澤，所以，Maillard反應成為食品研究的熱點，是一項與現(xiàn)代食品工業(yè)密不可分的技術。在食品烘焙、咖啡加工、肉類加工、香精生產、制酒釀造等領域廣泛應用。2

研究歷史

1908年，A.R.Ling曾發(fā)現(xiàn)甘氨酸和葡萄糖混合液共熱時會形成褐色的類黑精，并可以聞到香氣。1912年，法國科學家美拉德（1878~1936，L.C.Maillard）對該現(xiàn)象進行了報道。3

1953年，霍奇（J.E.Hodge）等人經總結歸納，把氨基化合物（如蛋白質、肽、胺、氨和氨基酸）和羰基化合物（如還原糖、脂質、醛、酮、多酚、抗壞血酸以及類固醇等）之間的一類復雜化學反應正式命名為Maillard反應（Maillard Reaction）或羰-氨反應（Amino－carbonyl Reaction）。因其最終產物主要是棕色的類黑素，且無需酶的參與所以亦被稱為類黑素反應（Melanoidin Reaction）或非酶褐變反應（Non-enzymatic Browning Reaction）。同年，Hodge提出了Maillard反應模擬體系及其反應歷程框架。1995年，Tressl等人進一步發(fā)展和修訂了Hodge的理論。隨后，Hodge等人對Maillard反應原理作了論述，提出了較完整Maillard反應原理。3

自20世紀50年代后Maillard反應一直備受關注，60年代的研究集中在對其揮發(fā)性化合物的分離與鑒定。70年代和80年代初，Maillard反應的研究重點聚焦于模擬反應系統(tǒng)、反應條件以及生成的風味化合物的分析研究。近年來，Maillard反應在中藥現(xiàn)代化和疾病生理等研究中成為新的研究熱點。Maillard反應自發(fā)現(xiàn)以來，在食品學、營養(yǎng)學、香料化學、毒理學以及中藥學研究中成為經久不衰的研究課題。 3目前，美拉德反應產物的生理活性和保健功能也引起了世界各國的高度重視，越來越多的研究結果顯示出美拉德反應與人類自身的生命活動密切相關。有關美拉德反應的研究非?；钴S，自1979年第1次美拉德反應國際大會以來，由國際美拉德協(xié)會（International Maillard Reaction Society）組織的系列會議已經開過10次，會議吸引了眾多的化學、生物學和醫(yī)學界的研究者參加。 2

反應機理

美拉德反應按其本質而言是氨羰間的加縮反應，它可以在醛、酮、還原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物與胺、氨基酸、肽、蛋白質甚至氨之間發(fā)生反應，熱反應和長時間儲藏都可以促使Maillard反應形成。其化學過程十分復雜。目前對該反應產生低分子和中分子的反應機理比較清楚，而對產生的高分子聚合物的機理仍不能滿意的解釋。食品化學家Hodge認為美拉德反應過程可以分為初期、中期和末期，每一階段又可細分為若干反應。 2

初級反應

氨基化合物中游離氨基酸與羰基化合物的游離羧基縮合形成亞胺衍生物，該產物不穩(wěn)定，隨即環(huán)化成N -葡萄糖基胺。

N-葡萄糖基胺在酸的催化下經Amadori分子重排生成有反應活性的1-氨基-1-脫氧-2 -酮糖，即單果糖胺。此外，酮糖還可與氨基化合物生成酮糖基胺，而酮糖基胺可以經過Heyenes分子重排異構成2 -氨基-2-脫氧葡萄糖。

Maillard初級反應產物不會引起食品色澤和香味的變化，但其產物是不揮發(fā)性香味物質的前體成分。 2

中級階段

在此階段Amadori化合物通過3條不同的反應路線： 一是在酸性（pH小于或等于7）條件下烯醇式與酮式的互變異構，之后在酸的作用下，3-C上的羥基脫水，形成碳正離子，碳正離子發(fā)生分子內重排，通過失去N上的質子而形成Schiffs堿，然后經過烯醇式和酮式的重排得到3-脫氧奧蘇糖。34-碳之間會發(fā)生消去反應形成烯鍵，最后5-C上的羥基與2-羰基發(fā)生半縮酮反應而成環(huán)，消去一分子水形成羥甲基糖醛（HMF）。

二是堿性條件下進行 2，3-烯醇化反應，產生還原酮類及脫氫還原酮類；

三是繼續(xù)進行裂解反應形成含羰基或二羰基化合物，或與氨基進一步氧化降解，在Strecker降解中，α-氨基酸與α-二羰基化合物反應，失去一分子CO2降解成為少一個碳原子的醛類及烯醇胺，各種特殊醛類是造成食品不同香氣的因素之一。2

最終階段

該階段主要為醛類和胺類在低溫下聚合成為高分子的類黑精或稱類黑素。此階段反應相當復雜，其反應機制尚不清楚。除類黑精外，還會生成一系列美拉德反應的中間體還原酮、醛類及揮發(fā)性雜環(huán)化合物。主要有Strecker降解產物氨基酮，而氨基酮經異構為烯胺醇則再經環(huán)化形成吡嗪類化合物。 2

影響因素

Maillard反應機制相當復雜，不僅與參加反應的糖類的羰基化合物及氨基酸等氨基化合物種類有關，而且還與溫度及反應時間、水分活度和pH、金屬離子和化學試劑、輻照等外界因子有關。了解這些因素對Maillard反應的影響，有助于我們控制食品褐變，對食品工業(yè)具有重大的現(xiàn)實意義。 2

氨基酸和糖的種類

糖是Maillard反應中必不可少的一類物質。有資料表明，單糖和ARP （Amadori Rearrangement Product）的呋喃或吡喃糖比其它形式的糖更能脫水。環(huán)狀ARP脫水后隨著溫度的升高形成共軛產物，再經過專一的再環(huán)化，可形成5、6、7環(huán)雜環(huán)化合物，而許多雜環(huán)類化合物本身就是風味物質。有研究者認為隨著環(huán)狀結構的增大，Maillard反應速度急劇降低。所以，在食品加工中可以人為的添加適量的糖，使形成誘人的風味、色澤。2

在美拉德反應中，參與反應的糖可以是雙糖、五碳糖和六碳糖?？捎玫碾p糖有乳糖和蔗糖；五碳糖有木糖、核糖和阿拉伯糖；六碳糖有葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等。反應的速度為五碳糖 > 己醛糖 > 己酮糖 > 雙糖，開環(huán)的核糖比環(huán)狀的核糖反應要快，因為開環(huán)核糖更利于Amadori產物形成。有研究表明，Gly、Ala、Tyr、Asp等氨基酸于180℃和等量葡萄糖反應可產生焦糖香氣；而Val能產生巧克力香氣；His、Lys、Pro可產生烤面包香味；Phe則能產生一種特殊的紫羅蘭香氣；L－精氨酸能產生烤蔗糖香氣、香味；L－蛋氨酸能產生土豆香氣、香味；L－谷氨酸能產生奶油糖果香氣、香味；L－亮氨酸能產生烤干酪香氣、香味；L－異亮氨酸能產生烤干酪香味。因此在加工過程中，我們可以利用氨基酸的這種性質，將其和葡萄糖直接加入食品并熱處理，使食品產生宜人的風味和色澤，以提高營養(yǎng)和改善食品的風味。 2

溫度和反應時間

溫度是美拉德反應當中最重要的影響因素之一。一般情況下，Maillard反應速度隨溫度的上升而加快，香味物質也主要在較高溫度下反應形成的。一些低分子量的雜環(huán)化合物在高溫下易于形成。其中吡喃環(huán)對熱敏感，開環(huán)后使產物結合增加，然后再環(huán)化，從而形成新的碳環(huán)或雜環(huán)化合物，大多數(shù)是含有6、7、8個原子的芳香族化合物，如苯、呋喃、噻唑、咪咯、吡咯、吡啶等。烯醇胺或 α-氨基酸在高溫下也可縮合成吡嗪類化合物。 2

若溫度過高，時間過長，不僅使食品中營養(yǎng)成分氨基酸和糖類遭到破壞，而且可能產生致癌物質，隨加工溫度的升高，其含量也越高。如花生、油脂等物料的焦化，以及在制作咸味香精膏體，如雞肉，牛肉，豆醬等膏體時都可能產生致癌物質，對食品安全造成影響；若溫度過低，反應比較緩慢，同時也會影響呈香風味物質的形成，達不到成品的風味效果。所以，在香物香料的生產中如何控制反應溫度和時間，使反應中生成更多的特征香味成分，及在食品加工處理中預測并提供有效的控制點為避免生成致癌物質，是近階段研究的一大熱點。2

水分活度和pH

美拉德反應的強度很大程度上取決于介質的水合作用，為達到最大的反應活性，一般要求食品水分含量在10%以上，通常為15%為好。在一定范圍內（10～25%），Maillard反應速度隨水分的增加有上升趨勢，完全干燥的食品難以發(fā)生Maillard反應。一般Maillard反應隨著pH（3～10）上升呈上升趨勢，在偏酸性環(huán)境中，美拉德反應會被抑制，反應速率降低，吡嗪類物質難于形成。在強酸環(huán)境下，氨基處于質子化狀態(tài)，使 N-糖基化合物（葡基胺）難以形成，從而使反應難以進行下去。另外，在強酸條件下N-葡萄糖胺容易被水解，而葡萄糖胺是Maillard特征風味形成的前體物質，這就導致呈香達不到預期效果；在偏堿性環(huán)境下，美拉德反應加速，反應物質生成得很快，速度很難控制，原因在于氨基酸是一類兩性離子，它在堿性介質中呈陰離子，此時氨基反應活性較強，易發(fā)生褐變反應。若用Maillard反應制備肉類香精，水分活度在0.65～0.75最適宜，水分活度小于0.30或大于0.75反應很慢。2

金屬離子和化學試劑

金屬鐵離子和亞鐵離子能加速反應進度。銅能催化還原酮的氧化，而鈣鎂離子則對反應有一定的抑制作用。研究表明，鈣鹽與氨基酸結合生成不溶性化合物。Leonard研究發(fā)現(xiàn)，在磷酸鹽緩沖溶液中，隨著緩沖液濃度的增加，甘氨酸減少，色素增多，這可能是因為磷酸鹽影響醛糖的穩(wěn)定性，加速Maillard反應。2

輻射對Maillard反應的影響

輻射也可以影響Maillard反應的進行，X射線、γ射線輻射滅菌是食品加工過程中的常用手段。非還原雙糖、蔗糖在加熱的條件下不產生褐色色素，但是在輻射的條件下有褐色物質形成，它表明在輻射的情況下，蔗糖也出現(xiàn)了還原性。 [2] 在輻射時，糖類參與反應的速度為蔗糖 > 果糖、阿拉伯糖、木糖 > 葡萄糖，但是在熱反應中，糖類參與反應的速度是戊醛糖 > 庚醛糖 > 己酮糖 > 雙糖。這可能是因為輻射釋放出來的能量使糖苷鍵斷裂，從而釋放出羰基，進一步與氨基化合物發(fā)生反應。2

美拉德反應各個影響因素控制

美拉德反應的褐變初期是食品加工過程產生風味物質中間體所必須的，但它對食品的保藏，品質不利，這也是從事食品行業(yè)科研人員所必須研究去考慮的。為防止褐變可采用以下方法：（1）隔氧法 以阻止由于與氧接觸所發(fā)生的氧化反應；（2）降低溫度 Maillard反應是一個吸熱反應，隨著溫度的增加，反應速率也隨之加快。一般溫度每升高10℃，反應速度提高3～5倍。有研究表明，在100℃得到的甘氨酸和葡萄糖色度，在56℃下要求反應250小時才能達到這個色度。因此，食品冷藏或低溫貯藏有利于抑制食品的褐變。（3）降低pH值和調節(jié)水分活度 在酸性條件下（pH < 3.0）美拉德反應中的羰氨縮合是一個可逆過程，因為羰氨縮合過程中封閉了游離氨基酸，反應體系pH下降，因此堿性條件有利于反應的進行。（4）添加酶或化學物質 在干蛋白粉儲藏過程中由于賴氨酸與葡萄糖發(fā)生褐變導致成品失色，若預先添加葡萄糖氧化酶于蛋白粉中，使葡萄糖氧化成酸則可防止褐變。 2

反應產物生物應用

抗氧化作用

科學研究表明，癌癥、衰老或其它疾病大都與過量自由基的產生有關聯(lián)。研究清除自由基、抗氧化可以有效克服其所帶來的危害，所以抗氧化被保健品、化妝品企業(yè)列為主要的研發(fā)方向之一，也是市場最重要的功能性訴求之一。眾多的研究資料表明，美拉德反應產物具有抗氧化活性。但是其抗氧化能力受多重因素的影響，如美拉德反應的底物、反應的溫度、反應時間、pH等。4

抑菌作用

美拉德反應產物的抑菌作用已經被研究的較多。有學者研究了沙蠶美拉德反應產物的水溶液對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、綠膿桿菌、蠟質芽抱桿菌、水稻紋枯菌、黃瓜枯萎病菌、白菜絲核菌和黑曲霉菌的體外抑制效果。結果顯示沙蠶與葡萄糖的美拉德反應產物沒有明顯抑菌效果，但是沙蠶與蔗糖的美拉德反應產物對大腸桿菌和蠟質芽抱桿菌有很強的抑制效果，對其它的幾種菌也表現(xiàn)出一定的抑菌效果；另有研究發(fā)現(xiàn)，聚酞胺纖維素和木糖發(fā)生反應的美拉德反應產物不管是對革蘭氏陽性細菌還是革蘭氏陰性細菌如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌都表現(xiàn)出很強的抑制效果；還有報道稱，美拉德反應產物可以抑制嗜熱微生物——敏捷氣熱菌的生長。因此，美拉德反應有望被應用于食品的保藏。4

抗過敏作用

過敏，也稱變態(tài)反應，指的是身體的免疫應答超出了正常范圍，對無害物質進行攻擊。過敏反應會對身體健康造成一定的傷害，尤其是當免疫系統(tǒng)對正常的身體組織和器官進行攻擊和破壞時。含有氨基酸或蛋白質和糖等組分的食品在適宜的條件下發(fā)生美拉德反應，反應的產物能減少食品的抗原性，并可能對引起過敏反應的關鍵位點進行修飾。研究表明，核糖參與的美拉德反應產物具有顯著的抗過敏作用。因此，特定的美拉德反應可以用于對一些強致敏性食物成分進行改性，使它們的致敏性降低或消除。這一特性將使得美拉德反應在一些強致敏性食品的加工中具有廣泛的應用前景。4

抗突變作用

一些研究資料還表明，美拉德反應產物具有抗突變作用。突變是指生物體、病毒或染色體外DNA基因組核苷酸序列的改變，有學者將焙烤可可豆的美拉德反應產物用于沙門氏菌，研究了該美拉德反應產物的抗菌，抗突變和清除自由基作用，結果表明，該美拉德反應產物確有抗菌，清除自由基及抗突變作用。這種抗突變作用可能與美拉德反應產物類黑精中的活性物質有一定的聯(lián)系，它可以消除自由基、鈍化抑制酶活力。4

保護心血管健康

有學者研究了牛奶蛋白在美拉德反應和發(fā)酵的雙重作用下對心血管疾病的預防作用。以牛奶蛋白如濃縮乳清蛋白，酪蛋白酸鈉和乳糖發(fā)生反應制備美拉德反應產物，再經發(fā)酵得到的水解產物具有很強的DPPH自由基清除能力，其抗氧化活性遠遠高于未經任何處理的牛奶蛋白，而且發(fā)酵可以使美拉德反應產物的作用得到增強。同時，他們還驚喜地發(fā)現(xiàn)美拉德反應產物具有抗血栓形活性和抑制經甲基戊二酸單酞輔酶A還原酶（HMGR）活性。多項指標均表明，美拉德反應產物及其發(fā)酵水解液可以有效地降低心血管疾病的風險。這一結論將為美拉德反應產物用于預防心血管疾病的保健食品的開發(fā)提供了理論基礎。4

食品應用

食品色澤

食品經加熱處理后或長時間貯藏后，都會產生不同程度的類黑精色素。比如面包、烤肉、熏肉、烤魚、咖啡、茶以及醬油、豆醬等調味品中都有美拉德反應產生，因為這一大類反應沒有酶的參與，故又稱非酶褐變。這些食品經加工后會產生非常誘人的金黃色至深褐色，增加人們的食欲。2

食品風味

食品香味的來源主要有三個方面： 一是食品本身固有的香味，如蔥蒜、芫荽本身就有一種特有的香味。二是食品原料在加工過程中由于酶促反應形成的風味。三是食品在蒸煮、焙烤及油炸過程中產生的食品香味，也即食品經過了熱分解、氧化、重排或降解形成的香味前體，然后形成特殊的食品風味。如爆米花、烤面包、烤肉等食品所形成的香味。 2

食品營養(yǎng)

美拉德反應對食品營養(yǎng)的影響包括降低蛋白質的營養(yǎng)質量、蛋白質改性以及抑制胰蛋白酶活性等。對于糧食制品，美拉德反應無疑會使其蛋白質的生物價更低。2

中藥應用

Maillard反應可能普遍存在于中藥加熱提取或加工炮制過程中，是引起內在成分變化的共性途徑。某些中藥在加工前后氨基酸含量有很大變化，據(jù)推測可能發(fā)生了Maillard反應。加工過程產生的Maillard產物的生物活性，肯定對中藥功效的改變有影響，但目前化學家卻忽視了對該影響的研究，對此也引起其他中醫(yī)藥研究者的重視。中藥是一個復雜體系，發(fā)揮作用的有效成分除藥材本身已有的成分外，加工炮制、制劑工藝過程中內在成分之間會發(fā)生復雜的化學反應，以及所形成的反應產物都會直接或間接影響中藥整體功效的發(fā)揮。研究這些反應的特點，對于闡明中藥功效和確定活性成分具有重要意義。3

Maillard產物的功能主要包括：抗氧化、抗突變、抗癌、抗衰老、抗自由基，從而能提高對細胞的保護作用，這些已被證實。Maillard產物的抗突變性與其抗氧化活性和還原能力有良好的相關性。紅參抗腫瘤的效果優(yōu)于白參，這與Maillard反應產物抗氧化、抗突變的結論相應。有的研究認為，其抗突變機理是清除致突變自由基和通過與致突變化學物結合而減少其致突變毒性。而且，Maillard產物保護髓系樹突狀細胞（MDC）抵抗氧嘧啶損傷實驗，證實Maillard產物的細胞保護功能。Maillard反應能生成一氧化碳、堿、黃酮類等。組成不同、作用器官不同，藥性也不盡相同。因此，深入研究Maillard反應產物必將會完善中藥材的加工與炮制理論。3

煙草應用

Science雜志2009年報道吸食低煙堿香煙不會降低有關疾病的發(fā)病率，而吸入的焦油量升高，則會增加患病的機率。因此，低焦煙的生產成為卷煙制造商十分關心的問題。但一旦降低煙氣中焦油含量，會致使煙味不足和香味減弱。開發(fā)低焦油且能彌補香味的損失和提高煙氣香味質量至關重要。而Maillard反應能產生煙草協(xié)調香味，對提高香煙的特征香氣、掩蓋雜氣、減輕刺激、改善余味有較明顯的作用。因此Maillard反應在降低煙草尼古丁含量和增香中的應用研究廣受關注。 3

煙草在調制、陳化、加工、保存及燃吸中常常發(fā)生Maillard反應，其反應產物對煙草的顏色、香味起著主要作用。自20世紀70年代以來，美國、日本、西德都已出現(xiàn)過以棕色化反應產物作為煙草增香劑的專利、文獻。最初，大多是以純氨基酸和還原糖或其他羰基化物（如異戊醛、丁二酮等）作為反應原料，以多元醇作為溶劑進行反應的，后來發(fā)展了以多種氨基酸、天然蛋白質代替單一氨基酸來進行棕色化反應的文獻報道。有研究表明，用多種氨基酸的混合物與糖反應的產物效果好于單一氨基酸的反應產物，它對提高白肋煙的質量有較明顯的作用。大量的研究顯示，Maillard反應產物可以作為一種天然的抗氧化劑。通過不同條件的優(yōu)化所獲得的Maillard反應產物可以在對煙草增香的同時，有效清除煙氣中出現(xiàn)的自由基，達到卷煙產品降焦減害的目的。具有抗氧化作用的Maillard反應產物在煙草中將具有良好的應用前景。 3

釀酒工藝應用

中國白酒傳統(tǒng)生產工藝為美拉德反應提供相關條件的經典之作，只是不同香型的不同生產工藝所控制的條件使酒體中美拉德反應產物的種類和含量各不相同。

美拉德反應能產生一系列包括酮、醛、醇及呋喃、吡喃、吡啶、噻吩、吡咯、吡嗪等雜環(huán)化合物在內的香味物質。它們不僅是酒體香和味的微量物質，同時也是其他香味物質的前驅物質。美拉德反應產物的種類和含量以醬香型白酒為最，次之是兼香和濃香，清香型白酒種類少，含量低。就同一香型而言，其種類尤其含量的差異則形成了自身的個性和風格。6

分析方法

Maillard反應產物極其復雜，前期對其成分的理論研究較少，導致在應用中更多停留在“經驗”性上，即更多依靠感官（色、香和味）來定性，使其機理研究有一定難度。經過科研工作者長期不懈的努力，至今，已發(fā)展了多種Maillard產物分離提純和表征方法。分離提純方法有：薄層層析、超濾、凝膠柱層析、膜透析、超速離心、固相萃取、電泳等方法，其中薄層層析色譜和超濾最為常用。 3

薄層層析色譜是快速分離和定性分析少量物質的一項重要實驗技術，常用于Maillard產物的分離和半定性分析。 [3] 膜透析法是分離提純Maillard產物的一種簡便而有效的方法。采用膜透析法能有效地將體系中未反應的原料和小分子產物除去，從而可以得到Maillard大分子產物。采用不同截留分子量的透析膜對Maillard大分子產物進行透析，可以選擇性地得到不同分子量的產物，這樣能更準確地對其成分和結構進行分析。3

Maillard產物含量少且極不穩(wěn)定，各種先進的現(xiàn)代分析表征手段的引入對其形成機理、成分、分子結構乃至效用和性質的研究起了重要的作用。已經用于Maillard產物分析表征的手段有：氣相色譜－質譜（GC-MS）以及液相色譜－質譜聯(lián)用法（LC-MS）、體積排阻色譜，流動注射分析法、發(fā)光光譜分析法、紫外光譜法、熒光光譜法、凝膠電泳、放射性同位素標記、紅外、凝膠滲透色譜（GPC）、元素分析（EA）、核磁共振等，這些方法都比較常用。近年來GC-MS、LC-MS、串聯(lián)質譜和傅立葉變換離子回旋共振質譜等先進分析手段的引進，使得對Maillard產物的成分和性質研究更進一步深入。3

展望

人們對美拉德反應已經有了較為深入的認識，但是其反應相當復雜，對其反應機理和各中間產物的了解還不太清楚。而由于美拉德反應對食品、機體的生理和病理過程密切相關，越來越多的結果表明它作為與人類自身密切相關的課題具有重要的研究意義。因此，需要在這個領域開展大量的研究，不斷挖掘其潛能，以便于開拓其應用的領域。 2