第一節　氨基酸的熱變化

肉類燒烤和油炸通常會超過200～300℃，有時，局部溫度會更高，以致炭化和焦化。在這樣的溫度下，肉品表層的氨基酸殘基會發生許多化學變化，如氨基酸的高溫分解、氨基酸殘基的脫氨基作用。脫氨基作用的速率和程度取決于加熱溫度的高低和加熱時間的長短、反應介質的pH值和蛋白質的性質，如蛋白質構象的局部變化和氨基附近多肽鏈的游動性。在氧和還原糖存在時，加熱溫度越高，熱敏氨基酸殘基的熱降解速度越快。

一、高溫分解

氨基酸高溫分解機制和分解產物的種類及數量決定于氨基酸的結構、分解溫度和作用時間、中間產物的穩定性和揮發性。小分子量的高溫分解產物的形成一般要經過脫羧、環化、脫氨等化學過程。

（一）色氨酸的高溫分解

在油炸漢堡包、烤牛肉、牛肉膏香精中，有許多色氨酸的衍生物存在，如氨基咔啉類（Amino-Carbolines），有些咔啉類混合物具有致突活性。單獨加熱色氨酸，100℃加熱20min不形成2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑并[4，5-b]吡啶（PhIP，2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo-[4，5-b]pyridine，CAS no： 105650-23-5）；150℃時，PhIP形成逐漸增多；在175～200℃，PhIP的形成急速加劇（圖1-1）。

300℃時，色氨酸已有大約60%被炭化，能形成含氮雜環化合物，也能形成含氮多環芳香混合物，如1-甲基-9H-吡啶并[3，4-b]吲哚（Harman）和9H-吡啶并[3，4-b]吲哚（Norharman）及其衍生物。色氨酸的炭化物更易于含氮多環芳香混合物的形成。在625℃下色氨酸高溫分解形成的含氮多環芳香化合物的產率比在300℃下的產率高。色氨酸750℃以上發生焦化，其高溫分解過程中易于形成與吲哚環有關的含氮多環芳香化合物（N-PACs），但沒有發現多環芳烴（PAHs）。

（二）天冬氨酸的高溫分解

300℃時，天冬氨酸（Asp）能形成含氮雜環化合物；超過750℃時，天冬氨酸能形成含氮多環芳香化合物和多環芳烴（圖1-2），而且天冬氨酸和脯氨酸所形成的含氮多環芳香化合物相似，卻與色氨酸所形成的含氮多環芳香化合物區別很大。天冬氨酸和脯氨酸形成含氮多環芳香化合物的途徑分兩步，首先降解成小分子量的前體物，而后合成多環化合物。天冬氨酸在625℃時大約80%被燒焦。色氨酸、天冬氨酸和脯氨酸隨著加熱溫度的提高，三環和四環含氮多環芳香化合物的產率明顯增加。

（三）脯氨酸的高溫分解

脯氨酸（Pro）高溫分解的主要產物有吡咯、吲哚、吡啶、喹啉、異喹啉和甲基吡啶。脯氨酸300℃時也能形成含氮雜環化合物；750℃以上，脯氨酸能形成含氮多環芳香化合物和多環芳烴（圖1-3）。

谷氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、鳥氨酸、亮氨酸在650～850℃下高溫分解，會有含氮多環芳香化合物和多環芳烴產生。

肉類，包括魚貝類，在燒烤、油炸等工藝過程中，有時會發生炭化或焦化，其高溫分解產物十分復雜，包括含氮雜環化合物、含氮多環芳香化合物、多環芳烴、雜環胺化合物，其中最為關注的是3，4-苯并芘，又稱苯并（a）芘（BaP）。高溫分解產物的形成決定于肉類蛋白質的性質和高溫分解條件。氨基酸的結構和性質不同，產物的形成機制和產物的種類、性質也不一樣。進一步理解肉類氨基酸高溫分解和高溫合成的機理及其產物的種類和性質，對于發展食品加工工程和改善食品安全水平是十分重要的。

二、脫酰胺作用

在中性和堿性條件下，蛋白質加熱后其多肽鏈上的氨基氮與側鏈上的羰基之間通過親核反應形成環狀酰亞胺，同時脫去氨基（圖1-4）。

谷氨酸殘基谷氨酰胺受熱200℃以上發生脫酰胺作用，生成戊二酰亞胺和氨（圖1-5）。

與比谷氨酸相比，天冬氨酸的酰胺基天冬酰胺（圖1-6）與有催化作用的氨基酸殘基相鄰更近，其脫酰胺作用更容易發生。

三、去磷酸化作用

蛋白質加熱后的去磷酸化作用，要么經磷酸絲氨酸水解而形成磷酸和絲氨酸，要么經消除作用而形成磷酸和脫氫丙氨酸（DHA），后者的活性很強，與賴氨酸反應形成賴丙氨酸（圖1-7），與組氨酸反應形成組丙氨酸（histidinoalanine），與半胱氨酸反應生成羊毛硫氨酸（lanthionine），與鳥氨酸和精氨酸反應生成鳥丙氨酸（ornithinoalanine），與氨反應生成氨基丙氨酸（aminoalanine）。

四、pH值對氨基酸熱變化的影響

（一）常見反應

在中性和偏堿性條件下，肌肉蛋白質能夠獲得良好的提取性和加工特性，如凝膠特性。淡水魚魚糜制造過程中采用的pH漂變技術（pH shift），或酸堿變換技術（pH 3.5和pH 11之間變換），可提高魚糜品質。在堿性條件和50℃下，半胱氨酸、絲氨酸和磷酸絲氨酸、蘇氨酸的活性氨基酸殘基，通過β-消除反應，可轉換成脫氫丙氨酸。

在堿性條件下，胱氨酸殘基則發生二硫鍵破壞并釋放二價硫離子和單體硫（圖1-8）。由于碳陰離子與一個質子發生重組反應，可形成L-半胱氨酸和D-半胱氨酸。外消旋作用的速率取決于蛋白質和氨基酸殘基的性質。在一定的溫度和pH值下，一般說來，蛋白質中氨基酸殘基的外消旋作用速率比游離氨基酸要快得多。

在堿性條件下，精氨酸殘基裂解為鳥氨酸。

（二）松花蛋加工中賴丙氨酸的形成

松花蛋加工過程中，pH值逐漸上升，至皮蛋成熟，蛋白的pH值可達11.30，蛋黃的pH值可達10.40。加工廠為了延長松花蛋的貨架期，往往需要長時間高溫加熱。這樣，就會形成大量的賴丙氨酸（LAL）。LAL的形成規律與pH值的變化趨勢是一致的。腌制前期，蛋白的pH值迅速上升，LAL的含量也隨之急劇增加；腌制后期蛋白的pH值增速放緩，LAL的含量也呈現緩慢增加的趨勢。研究指出，賴丙氨酸對人體健康有潛在的危害。首先，LAL會導致食品中必需氨基酸含量的下降，同時伴隨著某些特定氨基酸的外消旋化，降低蛋白質的消化率，進而降低食品的營養價值；其次，LAL會螯合金屬離子，鈍化金屬酶或使其失去活性；最重要的是，LAL會特異性地導致白鼠腎細胞巨大癥，給大鼠投喂堿處理的蛋白質（含LAL）會導致腎細胞細胞核和細胞質的擴大，以及干擾DNA的合成和有絲分裂，直至腎小管細胞壞死。目前已有將LAL作為嬰幼兒配方奶粉的一個質量指標，以避免LAL對嬰幼兒造成的傷害。堿性條件下氨基酸殘基會發生有害反應，這種反應可被親核基團所抑制，如通過酰化或通過與氨基酸殘基競爭脫氫丙氨酸雙鍵的化合物。研究發現，通過添加巰基化合物、亞硫酸鈉、糖類、有機酸、生物胺、二甲基亞砜等可以抑制食品中LAL的生成，同時蛋白質經乙酸酐和琥珀酸酐酰化也起到抑制賴氨酸的破壞和降低LAL生成的作用。

松花蛋加熱20min后，硫胺素幾乎完全分解。加熱不新鮮的雞蛋（蛋清pH 9.5，儲藏期間，由于逸出二氧化碳，pH值逐漸升高，至10天左右可達9.0～9.7），也會使硫胺素大量分解。肉類和魚貝類經燒烤、油炸、水煮和罐制加工后，硫胺素會隨肉汁的流失而流失，一般損失20%～70%。硫胺素及其降解產物也會參與美拉德反應。

五、脫氨基作用

肉類在油炸、燒烤、煮制和煙熏過程中，會產生許多典型的風味物質。許多研究表明，經由美拉德反應可形成許多獨特的風味物質，特別是一些氨基酸的產物，如半胱氨酸、蛋氨酸和脯氨酸的產物。油炸肉類時，有時在肉表面掛糊（或不同濃度的飴糖、蜂蜜）。這些原料中的天冬氨酸與還原糖的美拉德反應產物及其后續產物經脫氨基作用可形成丙烯酰胺（圖1-9）。半胱氨酸和蛋氨酸與葡萄糖反應，也能形成丙烯酰胺。

賴氨酸殘基遇有過氧化物酶或H2O2，會發生氧化脫氨基作用、羥醛縮合和醛亞胺縮合，進而使小分子蛋白質之間發生交聯，形成大分子蛋白質。