美拉德反应对饼干品质及安全性的研究进展

林静嫦，钟先锋，汪彩云

（佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山 528231）

0 引言

在食品焙烤领域，美拉德反应（Maillardreaction）对食品加工制作过程起着至关重要的作用，该反应是指羰基化合物（还原性糖、酮、醛等）与氨基化合物（氨基酸、多肽、蛋白质等）经过脱水缩合、聚合等复杂的反应，最终产生具有特殊香气且呈现褐色的类黑精物质的反应[1]。食品焙烤原料中含有较多的还原糖和蛋白质，经过高温烘烤，易发生美拉德反应产生类黑精等物质，该物质能使焙烤食品表现出良好的色泽、气味和口感[2]。而加工原料中的羰基化合物和氨基化合物的种类直接影响产物的气味，有的产物呈现面包烘烤味、有的产物呈现巧克力味、有的产物呈现肉制品的味道，可通过对反应的因素条件改善饼干的风味、通过最佳工艺参数改善优化饼干的色泽。

随着现代科学技术的进步，有先进的仪器设备和较为完善的方法检测美拉德反应产物种类和含量，许多学者也相继发现了该反应的部分中间产物有致人体患病的风险，如3-脱氧葡萄糖醛酮在人体内积累过多可能会引起糖尿病[3]、丙烯酰胺在人体积累过多可引起癌症的发生[4]、5-羟甲基糠醛（HFM） 摄入过多可能会引起内脏受损甚至癌症[5]、晚期糖基化终产物（AGEs） 与动脉粥样硬化和糖尿病等疾病有关[6]。通过了解有害物质产生原理和作用机制，抑制有害物质产生，减少有害物质在人体的积累，进而能降低人类患病的风险。

1 美拉德反应机理

美拉德反应的过程相当复杂，反应产物较多，目前为大众所认可的是1953年由Hodge所归纳的3个阶段反应理论，即该反应的阶段分为初始阶段、中间阶段和终末阶段。

美拉德反应机理示意图见图1。

1.1 初始阶段

美拉德反应的初始阶段是游离的氨基和游离的羰基发生缩合作用，生成的最初产物是一种不稳定的亚胺衍生物——席夫碱[7]，随后席夫碱可环化成为氮代葡基胺（N-葡萄糖基胺）。在酸的催化下，氮代葡基胺会引起阿姆德瑞（Amadori）分子重排，最终形成1-氨基-1-脱氧-2-酮糖。

1.2 中间阶段

中间阶段容易受到反应环境的影响。Amadori分子重排形成的单果糖胺受到不同pH值的影响而发生降解。当pH值≤7时，初始阶段中的重排产物主要进行1,2-烯醇化反应，然后再进一步脱水降解生成羟甲基糠醛（HFM）或糠醛；当在pH值＞7且温度较低时，主要进行2,3-烯醇化反应主要生成还原酮类；当pH值＞7且较高温时，Amadori重排物质容易受影响而分解成醇醛类及氮氧化物等物质。

1.3 终末阶段

最终阶段包含了两类反应：一是两分子醛的自相缩合并进一步形成不饱和醛；二是在中期反应之后，生成物中有醛类和α-氨基酮类、二羰基化合物、还原酮类、醛醇类等进一步缩合、聚合、重排、异构化等形成黑色素或类黑精。

2 美拉德反应对饼干感官品质的影响

美拉德反应对烘焙领域起着重要的影响，饼干的香气、色泽与制作过程时发生美拉德反应息息相关。既能提高饼干的感官品质，又可通过改变糖类和氨基酸等氨基化合物的种类，改变饼干的特征香味，进而增加饼干的种类。但随烘烤的温度和时间延长，反应的产物不同，导致饼干出现烘烤的焦味、颜色变深、味道变苦等不良现象。掌握饼干的加工工艺参数，可控制美拉德反应的程度，从而生产多种多样的饼干，满足商品多样化的需求。

2.1 对饼干香味成分的影响

饼干的主要原料一般是面粉、糖和油脂这三大类，但这三者的香气大相径庭。胡喜贵等人[8]采用气相质谱与顶空固相微萃取相结合方法测定5种不同来源的面粉共有且含量较多的香味成分有13种，分别是十一烷、正己醛、十二烷、壬醛、2,6-二叔丁基-1,4-苯醌、癸烷、十三烷、十一醛、1-甲基萘、正己醇、十三醇、2,2,5,5-四甲基-3-己炔、四甲基硅烷。刘晓君[9]研究花生油的香味物质主要是吡嗪类化合物，占总香味物质的32.89%。Violeta Ivanova-Petropulos等人[10]对芝麻油、向日葵籽油、亚麻籽油、油菜籽油、南瓜籽油的挥发性成分进行检测，共有呋喃、酯、烷烃萜烯、吡嗪、硫化合物等97种挥发性物质。而单糖是大部分嗅感物质的前体，如酯、醇、酸、醛类等物质[11]。各种原料即使香气成分不同，但经过调制、烘焙，原料的香气也会发生改变。

饼干制作前后香味发生变化，是因为产生了美拉德反应，该反应改变了饼干的挥发性风味物质的种类和含量。在特定的条件下，饼干原料中的还原性糖和游离的氨基酸发生反应，生成食品风味来源的物质——醛、杂环化合物和还原酮等物质[12]，使得饼干产生特殊的香味。据江志炜等人[13]研究缬氨酸和葡萄糖的烘烤过程发生反应，会产生可可味的香气和烘焙面包的味道。国外科研者也探究了亮氨酸、苏氨酸与葡萄糖在加热条件下可产生可可香味[14]。童大鹏等人[15]研究出在发生美拉德反应时，谷氨酸含量较高的烘焙食品可产生较浓的坚果香和烘烤香。而梁玲等人[16]采用气相色谱－质谱联用、固相微萃取和气相色谱嗅闻法研究小麦饼干中的香味成分，结果显示在饼干中含N的杂环化合物含量最高，是麦香味的主要来源，可可味香气成分有2,5-二甲基吡嗪物质、烤坚果味有2,6-二甲基吡嗪物质、己醛也有青草香、苯甲醛有杏仁味[17]；低浓度的5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮（DMHF）有草莓味，而高浓度与糠醛[14]相类似有焦糖香[18]。因此在研发饼干时，可根据所需求的风味改变氨基化合物和还原性糖的含量及饼干的工艺参数，生产出品质高的饼干。

2.2 影响饼干的色泽

美拉德反应的最终产物是一种类黑精的物质，在烘烤过程能改变饼干表面的色泽。类黑精在烘焙食品广泛应用，在面包皮中含量可达14.0%，在饼干中达20.2%[19]。由于各类饼干工艺参数不相同，则产生类黑精速率和也不一样。一般情况，美拉德反应速率受温度的影响很大，温度越高褐变的速率越快[20]，类黑精物质主要在高温条件下形成的。在同一温度下，烘烤时间愈长，饼干产生的类黑精则愈多。Isil Gürsul Aktag等人[21]通过研究超高温瞬时灭菌对乳中的美拉德反应有促进作用，所以短暂的高温也会促使氨基酸和还原糖发生反应。刘红[12]探究最佳工艺参数下酥性饼干的类黑精物质含量时也得出在同一时间烘烤，低温的饼干表面颜色不足且香味没有完全散发出来；温度高的饼干颜色过深，出现焦味；而适中的温度饼干相对颜色正常、香气浓郁。刘婕等人[22]通过单因素试验得出果糖相比果葡糖浆、葡萄糖对食品褐变品质更佳，再根据Box-behnken组合试验设计原理得出随果糖浓度的升高，美拉德反应产物含量出现峰值，此现象是由于果糖浓度过高，易发生焦糖化反应，因而美拉德反应强度降低。所以在食品加工过程需要通过探究食品的工艺参数，设定最佳参数值，才能生产出色泽优良的食品。

3 美拉德反应的有害产物对人体健康的影响

目前，研究美拉德反应的有害物质主要是AGEs，中间产物及副产物有丙烯酰胺、3-脱氧葡萄糖醛酮、丙酮醛等物质。

丙烯酰胺、3-脱氧葡萄糖醛酮和丙酮醛的结构式见图2。

美拉德反应最终阶段的生成物——类黑精也是晚期糖基化终产物（AGEs） 之一，AGEs普遍存在于日常的食物当中，巧克力、烘焙食品、饮料等食品均能检测出AGEs[23]，若在人体中积累过量，已经被证实会引起人体疾病甚至引起癌症的发生。有学者研究发现，在制作饼干时加入咖啡渣中具有抗氧化性的膳食纤维可使饼干成品中的AGEs含量降低6倍[24]。Huang Junqing等人[25]也通过试验探究发生玉米麸皮阿魏酸化低聚糖会影响AGEs的生成。

丙烯酰胺早被列为2A类致癌物，许多国内外学者也研究表明丙烯酰胺可以使人的神经中毒、基因突变有致癌的危险，还会对人体器官造成损伤。在美拉德反应中，丙烯酰胺的前体物质是还原性糖与天冬酰胺（Asn），是在特定的环境下经过复杂的反应所形成的[26]。在饼干加工过程中，根据丙烯酰胺的反应条件结合饼干的生产参数可抑制其生成，直接通过控制反应物的量，来减少丙烯酰胺的生成，以蔗糖替代还原性糖、添加天冬酰胺的催化剂等方式控制2种反应物的含量；也可通过降低面团的pH值来降低丙烯酰胺生成速度，如增添柠檬酸或乳酸等[27]，由于在强酸条件下氨基容易被质子化，阻止了与羰基化合物反应形成葡基胺[28]，所以饼干的褐变不明显，可减少有害物质的生成。Antonio Dario Troise等人[29]发现菜籽压榨饼碱性提取物能降低曲奇饼干中的丙烯酰胺，检测结果丙烯酰胺的浓度减少至39.6%。若生产饼干的过程难以改变原本的生产参数，可通过添加抑制丙烯酰胺在人体作用的物质，缓解丙烯酰胺对人体的损伤。目前，检测丙烯酰胺的技术还有待研究，Lei Qin等人[30]在海产品热加工方面提出同位素稀释结合HPLC-MS/MS法检测HAM和丙烯酰胺，经试验验证检测效率高、结果准确。这项技术对检测烘焙食品中的丙烯酰胺提供了理论依据。

丙酮醛也被列为3A类致癌物，是中间阶段的反应产物，当在pH值＞7且温度较高时，Amadori重排产物（ARP） 易转化为此类物质。同时3-脱氧葡萄糖醛酮（3-DG） 和丙酮醛是AGEs的前体，对人体的糖尿病有着相关联系。经陈燕玲等人[31]研究丙酮醛在人的肾小管上皮细胞进行试验，丙酮醛增强组织细胞的氧化应激，造成细胞受损。刘红[12]探究在烘烤过程中如何减少有害物质的产生，经过试验发现微波法替代传统烘烤，能将饼干中丙烯酰胺、丙酮醛和3-DG的含量分别降低了38.1%，60.5%，33.2%。

目前，除了以上丙烯酰胺、3-脱氧葡萄糖醛酮、丙酮醛、AGEs这4类物质外，还有杂环胺（HCAs）、5-羟甲基糠醛（5-HMF）[32]等物质已被证实为有害物质，也还有许多未被发现且普遍存在于烘焙、煎炸等食品当中，所以未来仍需继续加强对美拉德反应有害物质的研究。

4 结语

美拉德反应在食品焙烤领域应用十分广泛，也是食品焙烤研究的一个重点课题。美拉德反应不仅改变了食品的色香味，而且其部分产物对人体的健康有一定的益处。例如，壳聚糖-单糖作为天然防腐剂，可减少人工合成防腐剂的使用[33]。Mariela Patrignani等人[34]通过对小鼠进行饼干喂养的对照试验检测小鼠血液的抗氧化活性物质及体重，发现美拉德反应物MPR具有抗氧化性，与膳食纤维的作用相类似不易被肠道所吸收[35]；还有部分反应产物也可调节人体肠道微生物[36]等。作为一把双刃剑的美拉德反应，其有害产物不容忽视。人们日常饮食与美拉德反应息息相关，为了让人们健康安全，未来可从美拉德反应机制及各阶段反应条件、反应物和生成物的种类等方向进行焙烤食品的色香味和安全性的研究。