第四節　肉類加工中的美拉德反應

一、美拉德反應過程

加熱肉類和魚貝類等富含蛋白質的食物，由于美拉德反應的發生，會產生色澤和風味。美拉德反應是自然界廣泛存在的一種化學現象，由法國化學家Louis Camille Maillard于1912年發現，是指食物在加工儲藏過程中羰基化合物和氨基化合物在一定溫度下發生的一系列非酶褐變反應的總稱。美拉德反應的一般反應機理分三個階段。

（一）初始階段

氨基酸和還原糖發生縮合反應，醛糖存在的條件下形成N-糖基胺，然后再經Amadori重排而形成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖；酮糖存在時發生Heynes重排而形成2-氨基-2-脫氧-1-醛糖。

（二）中級階段

分為三個途徑：①Amadori重排產物1-氨基-1-脫氧-2-酮糖進行1，2-烯醇化反應，生成羥甲基糠醛化合物；②Heynes重排產物2-氨基-2-脫氧-1-醛糖發生2，3-烯醇化反應，生成糠醛化合物；③氨基酸和二羰基化合物發生縮合反應形成席夫堿（Schiff’s base），然后進行脫羧、加水反應，脫去一分子的二氧化碳，形成醛或酮類化合物，這也是美拉德反應生成風味物質的主要途徑——Strecker降解。如，賴氨酸殘基的非電離氨基ε-NH2-或末端α-NH2與還原糖的羰基，或與脂質氧化的次級產物發生反應。在與醛糖的反應中，形成不穩定的醛亞胺（席夫堿），進一步異構化為醛糖胺。

（三）終極階段

即高級階段，美拉德反應中間產物如醛類、酮類等與氨基化合物發生分子聚合，最終生成復雜的不溶性褐色聚合物——類黑素。

類黑素是分子結構未知的復雜高分子色素。在聚合作用的早期，類黑素是水溶性的，在可見光譜范圍內沒有特征吸收峰，它們的消光值隨波長降低而以連續的無特征吸收光譜的狀態增加。紅外光譜、化學成分分析等試驗表明，類黑素混合物中含有不飽和鍵、雜環結構以及一些完整的氨基酸殘基等。在食品加工，特別是熱處理工藝中形成的類黑素不僅直接影響著食品的風味、色澤和質地，同時可通過斷開分子鏈清除體系中的氧和螯合金屬離子，具有較強的抗氧化作用并延長食品的貨架期。

二、影響美拉德反應的因素

影響美拉德反應的因素很多，美拉德反應除了受到糖類和氨基酸的影響，還受到溫度、時間、水分活度、pH值等的影響，前者主要影響到產物種類，后者通常是反應的動力學影響因素。

（一）底物

1.糖類

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。可用的雙糖有乳糖和蔗糖；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，開環的核糖比環狀的核糖反應要快，因為開環核糖更利于Amadori產物形成。

2.氨基化合物

氨基酸的種類、結構不同會導致反應速度的很大差異，如氨基酸中的氨基在ε-位或末位比在α-位反應速度快，堿性氨基酸比酸性氨基酸的反應速度要快。氨基酸的選擇對風味特征的影響很重要。含硫氨基酸對于肉類風味是必需的，要產生所需風味需要反應混合體系中含有特定的氨基酸。

（二）加工方式

美拉德反應速率受溫度的影響很大，溫度每變化10℃，褐變速度便相差3～5倍，溫度越高反應越快。溫度也是影響美拉德反應形成風味物質的一個最重要的因素。例如，對比烤肉和煮肉的感官品質，煮肉缺乏焙烤產品的特有香味。這主要是因為水煮肉的水分活度接近1.0，溫度不超過100℃。而烤肉具有較低的水分活度和較高的表面溫度，從而促進風味化合物的產生，所以盡管反應物相同，但烤肉卻具有焙烤風味。

加熱時間對于風味特征也很重要，延長美拉德反應的時間并不會使風味物質增多，但是會改變風味物質的最終平衡，從而改變了風味特征。

輻照也可以引起美拉德反應的進行。非還原性雙糖——蔗糖在輻照的條件下有褐色物質形成。

（三）pH值

通常情況下，隨著反應的進行pH值會降低。初始pH值大于7時，顏色物質生成很快；初始pH值低于7時，吡嗪類物質難于形成。在初始pH值低于2的強酸溶液中，氨基處于質子化狀態，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；初始pH值大于8時，反應速度難以控制。某些揮發性物質的形成有一個最適pH值，因此食品中pH值的一點小變化都有可能明顯改變其加熱后的香味特征。

（四）水分活度

水分含量在10%～15%時，反應容易發生，完全干燥的食品難以發生美拉德反應。若用美拉德反應制備肉類香精，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。

（五）金屬離子

金屬離子對美拉德反應的影響在很大程度上依賴于金屬離子的類型，而且在反應的不同階段，其影響程度不同。鐵離子和亞鐵離子能促進美拉德反應，且三價鐵離子的催化能力比二價亞鐵離子的強；鈣離子和鎂離子能減緩美拉德反應；鉀離子和鈉離子對美拉德反應影響不大。

（六）鹽類

具有緩沖作用的鹽類及其濃度也可能影響反應速度。緩沖鹽對美拉德反應的影響各不相同，通常認為磷酸鹽是最好的催化劑。磷酸鹽對反應速率的影響取決于pH值，pH值在5～7時催化效果最好。

三、食品加工中的常見美拉德反應及其影響

大多食品的色、香和味，基本都是發生美拉德反應的結果。烘、烤、煎、炸等食品加工過程中發生的美拉德反應有利于食品的顏色和香味物質的形成。而在其他的一些食品加工過程中（如巴氏消毒、滅菌等）發生的美拉德反應對食品品質是不利的。除此之外，大量研究表明，美拉德反應產物具有良好的抗氧化性。但同時，美拉德反應會造成氨基酸消耗和糖及蛋白質損失，從而致使食品營養價值下降，甚至會產生有害物質。

（一）美拉德反應與食品色澤

美拉德反應最早就是由于葡萄糖和甘氨酸反應產生褐色物質而引起重視的，反應產生的褐色物質是食品色澤的重要來源之一。顏色的變化是一種極其重要的并且是表示美拉德反應程度的顯著標志。顏色變化過程主要是形成不飽和灰色含氮聚合物或者多聚物，并由淺黃向黑灰色發展，這一過程主要取決于食物的類型或者反應的程度。褐變對于一些食品來說是必不可少的，如烤制食品，但在烤制過程中隨著美拉德反應產物的積累，色澤不斷加深，因此在加工過程中，可以通過控制美拉德反應的底物及條件來達到合適的褐變程度。

（二）美拉德反應與食品風味

食品加熱過程中，高溫使其中的蛋白質分解產生游離氨基酸并與糖分發生美拉德反應，從而產生風味物質。研究發現，風味化合物主要在美拉德反應的中、末級階段形成。美拉德反應可產生適宜或不適宜的風味，如2-H-4羥基-5-甲基-呋喃-3-酮有烤肉的焦香味，可作為風味和甜味增強劑；而某些吡嗪類及醛類等是食品高火味及焦煳味的主要成分。因此可以通過選擇氨基酸和糖類、控制反應條件，有目的地形成不同的香味。例如，烤牛肉風味形成，美拉德反應模型體系中底物最優配比為牛肉酶解液20g、葡萄糖1.0g、甘氨酸0.8g、硫胺素0.3g，最佳反應條件為120℃、pH 7.5、反應90min。該模型體系形成的肉香純正，烤牛肉風味濃郁。

美拉德反應是生產肉味香精的主要反應，其反應基質主要是氨基酸和還原糖，其中損失最多的是半胱氨酸和核糖。肉類香氣的主要成分是呋喃、呋喃酮、吡嗪、吡咯、噻吩、噻唑、咪唑、吡啶以及硫化氫和氨等含氧、氮、硫的雜環化合物和其他含硫化合物，堿性條件有利于含氮、硫、氧等雜環化合物的形成。并非所有的美拉德反應產物都可以產生香味，只有相對分子量小于200的化合物才會有牛肉味。有研究表明，參與美拉德反應的肽分子量在2000～5000U最好，也有研究發現，參與美拉德反應的肽分子量在1000～5000U的具有增強風味的作用。

（三）美拉德反應產物的抗氧化性

自20世紀80年代以來，美拉德產物（MRPs）的抗氧化性引起了廣泛的關注。美拉德反應過程中生成醛、酮等還原性物質，它們有一定的抗氧化能力，尤其是防止食品中油脂的氧化作用較為顯著，如葡萄糖與賴氨酸共存，經焙烤后著色，對穩定油脂的氧化有較好作用。

H.Jing發現酪蛋白-糖的MRPs能清除自由基，其中酪蛋白-核糖的反應產物可清除羥基自由基，酪蛋白-葡萄糖或果糖的反應產物只能清除二苯代苦味酰肼（DPPH）自由基。不同氨基酸與糖類的MRPs對冷藏的牛排脂質氧化有不同的抑制作用，木糖-賴氨酸、木糖-色氨酸、二羥基丙酮-組氨酸和二羥基丙酮-色氨酸的MRPs對牛排脂質氧化有較好的抑制作用。

MRPs的抗氧化研究報道很多，而將其作為有效的抗氧化劑應用于食品中還存在許多問題。這主要在于缺少有抗氧化活性的MRPs的特殊結構和對其抗氧化機理的研究。早期研究認為，MRPs中間體——還原酮類化合物的還原能力及MRPs的螯合金屬離子的特性與其抗氧化能力有關；近年來研究表明，MRPs具有很強的消除活性氧的能力，也有認為MRPs的中間體——還原酮類化合物通過供氫原子而終止自由基反應鏈，并發現MRPs具有絡合金屬離子和還原過氧化物的特性。

（四）美拉德反應降低食品營養價值

美拉德反應后，有些營養成分損失，有些營養成分變得不易消化。因此，食品加工儲藏過程中發生美拉德反應后，其營養價值有所下降，主要表現在以下方面。

首先是氨基酸的損失。賴氨酸占肉類蛋白質的7%～9%，占魚貝類蛋白質的10%～11%。當一種氨基酸或一部分蛋白質參與美拉德反應時，顯然會造成氨基酸的損失，這種破壞對必需氨基酸來說顯得特別重要，其中以含有游離ε-氨基的賴氨酸最為敏感，因而最容易損失。

其次是糖和蛋白質損失。從美拉德反應歷程中可知，可溶性糖在美拉德反應過程中大量損失；蛋白質上氨基如果參與了美拉德反應，其溶解度也會降低。由此，人體對氮源和碳源的利用率也隨之降低。

另外，研究發現食品發生美拉德反應后，食品中礦物質元素的生物有效性也有所下降。Whitelaw等將65ZnCl2、甘氨酸、D-亮氨酸、L-賴氨酸、L-谷氨酸同D-葡萄糖結合并進行熱處理，產生美拉德反應后，用透析的方法制得高分子（6～8kU）的65Zn化合物，然后進行動物實驗，與對照相比，用上述方法制備出的美拉德反應產物結合鋅的生物有效性大大降低。

（五）美拉德反應產生有害成分

美拉德反應產物除了能賦予食物特殊香氣以及誘人的色澤外，其中某些成分還具有潛在的危害性。如今人們關注的熱點是如何實現美拉德反應定向控制，即利用美拉德反應產生所需要的色澤香氣，同時又最大限度降低有害物質的生成。

研究表明，食物中氨基酸和蛋白質通過美拉德反應生成了能引起突變和致畸的雜環胺物質。許多研究表明，反應底物和反應條件影響雜環胺化合物種類和數量的形成。在130℃下，丙氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型、蘇氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型、甘氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型這3種模型體系更容易生成2-氨基-3，4-二甲基咪唑并[4，5-f]喹啉（MeIQ），其次是2-氨基-3，4，8-三甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（4，8-DiMeIQx）和2-氨基-3，7，8-三甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（7，8-DiMeIQx），而加熱3h均未檢出2-氨基-3-甲基咪唑并[4，5-f]喹啉（IQ）和2-氨基-3-甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（MeIQx）類雜環胺。研究認為，與其他2個模型相比，丙氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型形成的雜環胺相對較少。有關肉類中其他前體物質模型的建立，或關于復雜模型體系有待進一步深入研究。

目前對美拉德反應產生有害成分研究較為清楚的是丙烯酰胺。國際癌癥研究機構已將丙烯酰胺列為潛在的人類致癌物。Capuano和Fogliano報道了丙烯酰胺的毒性，人體暴露在高濃度的丙烯酰胺下會引起神經損傷。因此食品中存在丙烯酰胺的問題引起了全球的關注。食品中丙烯酰胺主要產生于高溫狀況下，一般來說，食品在120℃下加熱即會產生丙烯酰胺。此外，由美拉德反應產生的典型產物D-糖胺可以損傷DNA；美拉德反應產物對膠原蛋白的結構有負面作用，這將影響到人體的老化和糖尿病的形成。