不同種類氨基酸和糖的美拉德反應

1、1美拉德反應概述美拉德反應又稱羰氨反應，指含有氨基的化合物和含有羰基的化合物之間經(jīng) 縮合、聚合而生成類黑精的反應。此反應最初是由法國化學家美拉德于1912年 在將甘氨酸與葡萄糖混合共熱時發(fā)現(xiàn)的，故稱為美拉德反應。由于產(chǎn)物是棕色的， 也被稱為褐變反應。反應物中羰基化合物包括醛、酮、還原糖，氨基化合物包括 氨基酸、蛋白質(zhì)、胺、肽。反應的結(jié)果使食品顏色加深并賦予食品一定的風味， 如：面包外皮的金黃色、紅燒肉的褐色以及它們濃郁的香味。和焦糖化反應（caramelization）相比，美拉德反應發(fā)生在較低的溫度和較稀 的溶液中。研究證明，美拉德反應的程度與溫度、時間、系統(tǒng)中的組分、水的活 度、以及pH有

2、關(guān)。當美拉德反應溫度提高或加熱時間增加時，表現(xiàn)為色度增加， 碳氮比、不飽和度、化學芳香性也隨之增加。在單糖中，五碳糖（如核糖）比六 碳糖（如葡萄糖）更容易反應；單糖比雙糖（如乳糖）較容易反應；在所有的氨 基酸中，賴氨酸（lysine）參與美拉德反應，可獲得更深的色澤。而半胱氨酸 （cysteine）反應，獲得最淺的色澤?？傊?，富含賴氨酸蛋白質(zhì)的食品，如奶蛋 白易于產(chǎn)生褐變反應。糖類對氨基酸化合物的比例變化也會影響色素的發(fā)生量。 例如，葡萄糖和甘氨酸體系，含水65%，于65C儲存時，當葡萄糖對甘氨酸比 值從10:1或2:1減至1:1或1:5時，即甘氨酸比重大幅增加時，色素形成迅速增 加。如果要防

3、止食品中美拉德反應的生成，就必須除去其中之一，即除去高碳水 化合物食物中的氨基酸化合物，或者高蛋白食品中的還原糖。在高水分活度的食 品中，反應物稀釋后分散于高水分活度的介質(zhì)中，并不容易發(fā)生美拉德反應；在 低水分活度的食品中，盡管反應物濃度增加，但反應物流動轉(zhuǎn)移受限制。所以， 美拉德反應在中等程度水分活度的食品中最容易發(fā)生，具有實用價值的是在干的 和中等水分的食品中。pH對美拉德反應的影響并不十分明顯。一般隨著pH的 升高，色澤相對加深。在糖類和甘氨酸系統(tǒng)中，不同糖品在不同pH時，色度產(chǎn) 生依次為：pH6時：木糖果糖葡萄糖乳糖麥芽糖；pH6時：木糖葡萄糖果糖乳糖麥芽糖。在日常生活中，也經(jīng)常接觸到

4、美拉德反應。面食烘烤產(chǎn)生棕黃色和香味，就 是面團中糖類和氨基酸或蛋白質(zhì)反應的結(jié)果，這也是食用香料合成的途徑之一?，F(xiàn)今市場大量肉類香精的合成，均離不了美拉德反應，但美拉德反應在有些場合 是有害的。例如淀粉糖生產(chǎn)，如有少量蛋白質(zhì)存在，就會因美拉德反應使糖漿產(chǎn) 生棕色，影響質(zhì)量。所以，淀粉糖生產(chǎn)用原料淀粉，其蛋白質(zhì)含量有嚴格規(guī)定， 即食品工業(yè)用為0.5%，醫(yī)藥用為0.35%。2氨基酸和糖種類對美拉德反應風味的影響2.1美拉德反應對食品風味的影響通過控制原材料、溫度及加工方法，可制備各種不同風味、香味的物質(zhì)，比 如：核糖分別與半胱氨酸及谷胱甘肽反應后會分別產(chǎn)生烤豬肉香味和烤牛肉香 味。相同的反應物在不

5、同的溫度下反應后，產(chǎn)生的風味也不一樣，比如：葡萄糖 和纈氨酸分別在100C、150及180C溫度條件下反應，會分別產(chǎn)生烤面包香味 和巧克力香味；木糖和酵母水解蛋白分別在90C及160C反應會分別產(chǎn)生餅干香 味和醬肉香味。加工方法不同，同種食物產(chǎn)生的香氣也不同，比如:土豆經(jīng)水煮可 產(chǎn)生125種香氣，而經(jīng)烘烤可產(chǎn)生250種香氣；大麥經(jīng)水煮可產(chǎn)生75種香氣，經(jīng) 烘烤可產(chǎn)生150種香氣。可見利用美拉德反應可以生產(chǎn)各種不同的香精。目前，主要用于生產(chǎn)肉類香 精。肉中的還原糖主要是葡萄糖和核糖，在加工過程中它們和肉中的氨基酸、肽、 蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應形成風味物質(zhì)。這些風味物質(zhì)主要是含氮、硫、氧的雜環(huán) 化合

6、物以及其他的含硫化合物，其中包括呋喃、毗嗪、毗咯、噻吩、噻唑、咪唑、 毗啶以及環(huán)烯硫化物。另外，在美拉德反應的中間產(chǎn)物中有一些二羰基化合物， 它們可以進一步和脂質(zhì)以及硫胺素的降解產(chǎn)物反應，生成具有肉香味的化合物。 目前在制備肉味香味料時通常采用含硫的氨基酸如胱氨酸、半胱氨酸以及肽類， 含硫氨基酸發(fā)生美拉德反應經(jīng)過斯特勒克爾降解會產(chǎn)生硫化氫和氨，為大量雜 環(huán)風味物質(zhì)的形成提供前體物質(zhì)。同時通過斯特勒克爾降解可產(chǎn)生氨基酮,2分 子的氨基酮縮合會產(chǎn)生1分子二氫毗嗪，經(jīng)過氧化生成毗嗪。烷基毗嗪是一種重 要的香味呈味物質(zhì)。2.2 氨基酸種類對美拉德反應風味的影響對牛肉加熱前后浸出物中氨基酸組分分析，加熱

7、后有變化的主要是甘氨酸、 丙氨酸、半胱氨酸、谷氨酸等，這些氨基酸在加熱過程中與糖反應產(chǎn)生肉香味物 質(zhì)。毗嗪類是加熱滲出物特別重要的一組揮發(fā)性成分，約占50%。另外從生成 的重要揮發(fā)性肉味化合物結(jié)構(gòu)分析，牛肉中含硫氨基酸、半胱氨酸和胱氨酸以及 谷胱甘肽等，是產(chǎn)生牛肉香氣不可少的前體化合物。半胱氨酸產(chǎn)生強烈的肉香味，胱氨酸味道差，蛋氨酸產(chǎn)生土豆樣風味，谷胱 氨酸產(chǎn)生出較好的肉味。當加熱半胱氨酸與還原糖的混合物時，便得到一種刺激 性“生”味，如有其他氨基酸混合物存在的話，可得到更完全和完美的風味，蛋 白水解物對此很合適。據(jù)國外研究，當這些不同口感的氨基酸和葡萄糖，在 1:1和180C美拉德反應后，能

8、產(chǎn)生各種新的風味，見表1。表1氨基酸種類對美拉德反應風味的影響氨基酸種類甜苦甘鮮美拉德反應風味甘氨酸+焦糖丙氨酸+焦糖纈氨酸+巧克力亮氨酸+烤乳酪異亮氨酸+烤乳酪脯氨酸+烤面包羥脯氨酸+薄脆餅蛋氨酸+烤土豆苯丙氨酸+紫羅蘭天冬氨酸+焦糖谷氨酸+太妃糖組氨酸+玉米面包賴氨酸+新鮮面包精氨酸+烤糊的糖2.3還原糖種類對美拉德反應的影響從發(fā)生美拉德反應速度上看，糖的結(jié)構(gòu)和種類不同導致反應發(fā)生的速度也 不同。一般而言，醛的反應速度要大于酮，尤其是a、P不飽和醛反應及a -雙羰 基化合物；五碳糖的反應速度大于六碳糖；單糖的反應速度要大于雙糖；還原糖 含量和褐變速度成正比關(guān)系。對于反應來說，多糖是無效的，

9、雙糖主要指蔗糖和麥芽糖，其產(chǎn)生的風味差， 單糖具有還原力，包括戊糖和己糖。研究標明，單糖中戊糖的反應性比己糖強， 且戊糖中核糖反應性最強，其次是阿拉伯糖、木糖。由于葡萄糖和木糖廉價易得， 反應性好，所以常用葡萄糖和木糖作為美拉德反應原料。2.4氨基酸和糖種類對食品風味的影響有研究表明，Gly、Ala、Tyr、Asp等氨基酸于180C和等量葡萄糖反應可產(chǎn) 生焦糖香氣；而Val能產(chǎn)生巧克力香氣；His、Lys、Pro可產(chǎn)生烤面包香味；Phe 則能產(chǎn)生一種特殊的紫羅蘭香氣（見表2）。因此在加工過程中，我們可以利用氨 基酸的這種性質(zhì)，將其和葡萄糖直接加人食品并熱處理，使食品產(chǎn)生宜人的風味 和色澤，以提

10、高營養(yǎng)和改善食品的風味。糖是Maillard反應中必不可少的一類物質(zhì)。有資料表明，單糖和 ARP（Amadori重排產(chǎn)物）的吠喃糖或毗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(chǎn)物，再經(jīng)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(zhì)。有研究者認為隨著環(huán)狀 結(jié)構(gòu)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。表2等量葡萄糖與氨基酸混合物加熱產(chǎn)生的香氣氨基酸Strecker 醛類100 150C180 C甘氨酸甲醛焦糖燒糊的糖丙氨酸乙醛甜焦糖燒糊的糖氨基丁酸丙醛焦糖燒糊的糖纈

11、氨酸異丁醛焦糖、槭樹汁味沁鼻的巧克力香亮氨酸異戊醛果香、黑麥面包干酪的焦香異亮氨酸2一甲基丁醛果香、霉腐味干酪的焦香絲氨酸2一羥基乙醛淡槭樹汁味糖的焦香蘇氨酸2一羥基丙醛淡槭樹汁味焦香苯丙氨酸a 甲基苯甲醛花香、玫瑰、紫羅蘭紫羅蘭、丁香、焦糖酪氨酸焦糖糖的焦香蛋氨酸甲硫基丙醛土豆、卷心菜味土豆、卷心菜味半胱氨酸肉香、臭雞蛋味、煨雞 味脯氨酸谷樣香烘烤香羥脯氨酸組氨酸面包香黃油精氨酸面包香、黃油、爆玉米香、烘烤土豆燒糊的糖賴氨酸面包香、炸土豆焦香天門冬氨酸硬糖焦糖谷氨酸焦香、舊的木香糖的焦香、雞香色氨酸巧克力糖的焦香3糖氨種類對美拉德產(chǎn)物抗氧化性的影響為了防止食品，特別是含油食品氧化變質(zhì)，一般均

12、使用國家批準使用的抗氧 化劑，如BHA、BHT等。隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高，人們對化學合成抗 氧劑的疑慮日益增加，所以科技人員一直在研發(fā)低毒、無毒的天然抗氧劑，如茶 多酚、迷迭香、甘草黃酮、天然Vc等。這些天然提取物雖然安全性好，在抗氧 化性能方面，能達到食物保鮮的要求，但其生產(chǎn)成本比化學合成的要高，難以在 價格上與合成抗氧劑相競爭。因而，研究利用食物原料，合成廉價的抗氧劑，來 取代合成抗氧劑，已成為國內(nèi)外競相研發(fā)的熱點。由于食品級氨基酸和糖類安全 可靠，且來源廣泛，因而利用氨基酸和糖類獲得具有抗氧化作用的美拉德反應產(chǎn) 物（MRPs），引起了國內(nèi)外科技工作者的濃厚興趣。常用食品抗氧劑，其功

13、能和作用主要是抑制和消除自由基的生成；螯合食品 中有催化氧化作用的金屬離子，使其失去活性；清除和吸收食品中的氧，分解氫 過氧化物等。作為美拉德反應的氨基酸，自身有一定的防腐抗氧功能。例如，半胱氨酸常 常用來作為果汁的防褐變劑，因半胱氨酸有巰基，能產(chǎn)生還原作用。有些加工食 品含有微量銅、鋅等金屬離子，能促進含油食品的氧化；而甘氨酸、丙氨酸等氨 基酸，能和金屬離子螯合，而使其失活，但只能局限在一定的水平，尚達不到代 替抗氧劑的程度。但某些氨基酸和糖類美拉德反應的產(chǎn)物，能達到和化學合成抗 氧劑BHA、BHT同樣的水平。國外研究表明，美拉德反應分成幾個復雜的步驟，包括形成葡基胺，生成呈 味羰基化合物、

14、含氮有色物類黑精、羰胺聚合物、雜環(huán)化合物等。其中，類黑精 具有螯合金屬抗氧化活性，可在面包和咖啡中發(fā)現(xiàn)它，但尚未能對純的類黑精進 行分離和定性。美拉德反應生成物（MRPs）是一個復合物，其抗氧化作用是破 壞自由基鏈和延緩其生成；還原過氧化物和鈍化自由基，絡(luò)合重金屬。添加MRPs 于高脂類食品中的研究結(jié)果表明，如以脂類被氧化發(fā)生的2,3-辛烷二酮濃度表 示，當不添加MRPs時，則3d后辛烷二酮含量達0.5mg/kg；如加入0.18的MRPs， 則辛烷二酮濃度為0.04 mg/kg；當添加MRPs0.72%時，則辛烷二酮發(fā)生量降至 0.01 mg/kg以下?？傊?，MRPs能抑制脂類的氧化，用較高濃度的MRPs能獲得 較低濃度的脂類氧化物。當用果糖、葡萄糖、木糖和六種不同氨基酸制取MRPs時，測定其抗氧化性 能，其比值如表3所示。從表3可知，不同的糖和不同的氨基酸發(fā)生美拉德反應， 獲得不同抗氧化活性的MR