微波加热下食品美拉德反应研究进展

许海侠 程裕东 金银哲

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海海洋大学食品热加工工程中心，上海 201306；3. 上海海洋大学食品科学与工程国家级实验教学示范中心，上海 201306)

美拉德反应(Maillard Reaction, MR)是还原糖的羰基与游离氨基酸、肽和蛋白质的胺基间的复杂反应，在食品贮藏和加工过程中自发且广泛地发生[1]，反应过程中形成的产物被称为美拉德反应产物(MRPs)，包括芳香化合物、色素化合物、晚期糖基化终产物(AGEs)和类黑素。MRPs与食物的感官接受度、营养价值以及AGEs的产生紧密相关[2]，其在加工食品的香味和活性化合物的生成过程中起到重要作用[3]。目前，游离氨基酸和羰基化合物间的反应模型已广泛研究，并且得出不同反应物(如游离氨基酸或肽)存在不同的反应机理[4-5]。热处理是影响MR反应速率和调味特性的最重要因素之一[6]。

微波加热是近几十年来应用在食品工业上的新型加热方法，被广泛应用于烹饪、焙烤和巴氏灭菌等工艺。微波加热本质上是微波辐射与极性分子和带电离子的相互作用，并导致食品基质内的分子摩擦和离子迁移[7]。微波加热快速、均匀；对物料穿透力强，且穿透速度快；可控性强，微波辐射后快速加热，停止辐射后，加热停止；对食品的营养成分、活性成分、维生素和色泽等的损害较小[8]。此外，微波作为“绿色食品加工”技术，还具有减少耗能、耗水并消除废水，促进环境保护等优点[9]。而且微波技术易于实现连续化生产，便于控制，在现代食品工业中广泛应用。

MRPs制备的传统方法有水浴、油浴和高压锅等，与微波加热相比，其具有高耗时和高耗能等缺点。然而微波加热在制备MRPs的应用中研究较少，且多集中于其产物分析和生理活性应用方面，而对于机理研究及其他方面的应用还未涉及，亟待研究。因此，文章综述微波加热下MR的研究进展，旨在为其在食品工业中的大规模开发和利用提供参考。

1 美拉德反应机理与历程

MR分为3个阶段：初始阶段，首先是糖胺缩合，然后是Amadori重排；中间阶段，包括糖脱水、碎裂以及氨基酸降解(Strecker降解)；最终阶段，包括醛醇缩合、醛胺缩合和杂环氮化合物的形成。中间阶段的化合物发生聚合反应，形成具有高分子量的棕色物质，称为类黑素，在食品加工过程中(如面包、饼干、肉)引起色泽变化。聚合反应有助于熟化和贮藏食品的硬化[10]。

2 微波加热下美拉德反应的影响因素

影响MR的因素包括糖类和氨基酸的结构[11-13]、反应温度和时间[14-16]、pH值[17-18]、水分[19]、金属离子[20]、高压[21]、加热方式[22-24]等，前者主要影响MRPs类型，后者主要是影响MR反应动力学。而对于微波加热下MR的影响因素主要有以下几类。

2.1 反应物类型与浓度

MR受反应物类型及其摩尔比的影响。低分子量化合物的反应性大于高分子量化合物，由于其空间位阻较低，容易反应。一般规律为醛糖>酮糖；五碳糖>六碳糖；单糖>双糖；碱性氨基酸>中性氨基酸>酸性氨基酸。陈艳云等[25]研究了不同类型的氨基酸、糖和反应介质对微波处理下MR的影响，符合上述规律。赵丽琴等[26]研究了微波加热下不同中性氨基酸与葡萄糖、果糖的MR，不同的酸碱性条件也会影响氨基酸的反应速率。Liang等[27]发现，在微波加热下提高糖—赖氨酸初始摩尔比可显著提高吡咯素的生成量，反应活性为乳糖>果糖>葡萄糖>蔗糖。

2.2 温度和时间

高温和较长的反应时间会导致更高的糖化程度，伴随更高水平的高分子量的中间和褐色产物的形成，更多的电子和氢供体(如羟基和吡咯基团)与蛋白黑素结合形成，提高MRPs的抗氧化能力。Nasrollahzadeh等[16]发现微波加热下的产物具有比常规加热更高的DPPH-自由基清除能力(DPPH-RS)，由于微波加热下MR速率的提高，增加了抗氧化活性产物的含量。Mowlaeifar等[28]用微波加热辅助方式获得了溶菌酶—麦芽糊精接枝物，微波加热时间增加，MR程度加深。

2.3 微波功率

微波功率增加，MR反应程度增加。谢欢[29]发现蛋清蛋白与葡萄糖在不同的微波加热条件下发生MR，随着微波功率的增加，产生的类黑素增加。且微波加热处理后MRPs的乳化性质、抗氧化性均增加。微波功率越高，加热时间越长，抗氧化能力越高。但长时间高功率下产生的羧甲基赖氨酸和丙烯酰胺等有害产物高于短时间低功率下产生的。所以适当提高微波功率对MR影响较为关键。

2.4 反应体系中的pH值

pH值影响MR的多种反应途径，导致反应速率变化。pH>7时会加速反应，pH<7时会抑制反应。Yeo等[30]考察了微波加热下不同pH的D-葡萄糖/L-半胱氨酸的模型，随着pH的增加，MRPs褐变度增加，挥发性产物总量增加。

2.5 含水量

水作为反应媒介，其量与MR紧密相关。张开诚[31]用葡萄糖和半胱氨酸在微波中反应，在无水的样品中没有色素形成，增加含水量(0%～40%)，色素含量增加，当含水量为14%时色素含量最大，之后随含水量的增加而减少，这是由于含水量过高引起反应物被稀释。当含水率为11%时，风味物质含量最高，之后随含水量的增加而减少。因此在使用微波加热食品时，保证含水量10%～15%为最佳，水分过高、过低均会减缓MR速率。

2.6 介电损耗

介电损耗是指将电磁能转变为热能的能力，影响食品对微波能量的吸收，从而影响MR程度。在微波加热下，增加反应体系的介电损耗对MR不同阶段的提升有促进作用。Zhang等[32]使用不同的反应溶剂(水、水与甘油)来验证微波加热下介电损耗对MR不同阶段的影响，发现增加介电损耗有助于促进微波加热下MR的进行。

2.7 反应介质和电解质的影响

3 微波加热下的美拉德反应产物分析方法

MRPs的分离提纯方法有固相萃取、超滤、膜透析、超速离心、层析法、电泳等，最常用的是薄层层析色谱和超滤。由于MRPs含量少且极不稳定，先进的分析表征手段对MRPs的生成机理、成分分析起重要作用。目前常用的MRPs分析表征方法有紫外光谱法、体积排阻色谱、荧光光谱法、红外光谱法、流动注射分析法、核磁共振、放射性同位素标记、凝胶渗透色谱(GPC)、气相色谱—质谱(GC-MS)以及液相色谱—质谱联用法(LC-MS)、酶联免疫法等。

随着GC-MS、LC-MS和各种质谱等分析手段的运用及优化，关于MRPs的成分和性质的研究更加深入，但在微波加热下的MR研究还有待深入。有关微波加热下美拉德反应产物的分析方法总结如表1所示。

表1 微波加热下美拉德反应产物的分析方法

因MR过程较复杂，产物类型较多，为了更方便、高效地探究MR的反应程度，多检测不同阶段的特征产物。为了更全面地评判MR的益害，生理活性物质和有害物质的检测也成为主要关注点。微波加热下MRPs的特征物质与检测方法见表2。

表2 微波加热下美拉德反应产物的特征物质与检测方法

目前，关于MR研究的热点集中于MRPs的成分分析、控制其反应阶段的条件及毒理的病源性研究。综上，色谱与质谱联用法的样品处理简单，重现性高，适用于MRPs定性和定量分析。光谱法适用于MR的阶段性研究及产物结构分析。

4 微波加热下的美拉德反应产物

MRPs一般具有香味，分为以下4类：① 含氮杂环化合物，如吡嗪、吡喃、吡啶等；② 环状烯醇类化合物，如麦芽酚等；③ 多羰基化合物，如丙酮等；④ 单羰基化合物，如Ssrecher醛类。除以上挥发性香味物质外，还包括类黑素和其他抗氧化性物质。当延长加热时间或升高温度时，MRPs的色度增加，碳氮比、不饱和度、化学芳香性也随之增加[44]。

微波加热下MR不同阶段产物的含量和类型与传统加热相比也有所不同。杨立强[45]发现随着温度的升高，加热时间的延长，所有MR的早期产物浓度升高。段邓乐[33]研究表明，微波加热比水浴加热下的游离氨基减少更多，早期反应程度更高。Yeo等[30]分离分析微波辐射的D-葡萄糖/L-半胱氨酸MRPs中的挥发性杂环化合物，发现随着pH的增加，产生的挥发物总量增加。肖桂明等[46]发现微波加热下不同温度对赖氨酸与葡萄糖MRPs主要为具有烘烤香味的吡嗪类化合物。赵丽琴等[26]研究了不同中性氨基酸与葡萄糖、果糖在微波加热下的MR，发现在酸性条件下，丙氨酸、苏氨酸MRPs中吡嗪类化合物种类最多。刘红[39]发现微波烘烤饼干中的挥发性成分多于传统烤箱焙烤。胡军等[47]发现微波能加快MR，两种加热方式下同样体系的最终产物成分类似，但含量不同。传统加热MRPs抗氧化性明显低于微波加热[48]。刘志华等[49]发现微波加热时间对抗氧化物质含量作用不明显，但微波加热比油浴下MRPs抗氧化性更强。刘红[39]分别在最优的传统焙烤与微波焙烤下测定有害物的生成量，发现微波焙烤下的生成量少于传统焙烤的。综上，微波加热下的美拉德反应挥发性特征香味物质与传统加热相似，但种类更丰富。

微波加热下的MRPs含量高于传统加热的，挥发性成分种类增加，各种生物活性增加，其产生的机理有待深入研究。而MRPs具有抗诱变[50]、抗肿瘤[51]、抗增殖[52]、降血压[53]等作用，对防治疾病、提升人类健康有重要意义。

5 微波加热下的美拉德反应在食品中的应用

5.1 增强食品风味和色泽

微波加热下的MR时间短且易制得，可在短时间内产生大量棕色物质，且产生的挥发性成分较多，可应用于增强食品色香味。张开诚[31]利用MR原理增强微波食品风味的方法，制备了食品褐变剂，主要包括：① 氨基酸类，如天冬氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸；② 还原糖类，如葡萄糖、果糖；③ 介质，如低级醇和多元醇(甘油、丙醇、乙醇等)；④ MR促进剂，如聚乙烯吡咯烷酮；⑤ pH调节剂，如碳酸钠等，可促进食品产生理想的色泽。

5.2 制备香精

食用香精已被广泛应用于肉类加工食品和其他食品中。张开诚[54]以鸭骨为原料，经胰蛋白酶酶解作用得到鸭骨酶解液，在微波加热下发生MR制备鸭味香精，所得鸭味香精风味良好、香气醇厚。

5.3 制备食用薄膜

Kamboj等[55]采用33个全因子设计，对玉米纤维胶(CFG)与壳聚糖(CH)的微波辅助MR进行了优化和表征。通过MR制得的薄膜(F21)具有坚韧、柔韧、耐水性和抗菌性。这种通过MR制得的薄膜在食品和药品中具有很高的潜力，拓宽了微波加热下MR的应用范围。

5.4 改善性质

微波加热下的MRPs的生理活性高于传统加热的，可更好地应用于改善食品的性质，提高其活性，在食品、医药、化妆品行业有很好的应用前景。Nooshkam等[56]使用微波加热将乳糖异构化，乳清蛋白水解成体外抗氧化肽，在微波下与乳糖或乳果糖缀合发生MR，缀合增加了抗氧化物活性并改善了肽的发泡和乳化性质，扩大了乳清蛋白衍生肽技术的应用范畴。除潜在的生物活性外，MRPs还可抵抗热诱导的去稳定化和分解，与乳果糖缀合的乳清肽可获得更高的模拟胃消化率，可用于提高蛋白质和基于肽的食物的生物利用度。Laguerre等[43]发现微波加热时间对婴儿奶粉的MRPs有影响，在微波加热特定功率高且加热时间少的条件下，羧甲基赖氨酸的形成和营养物变质可达最小化，同时孢子被破坏。杨楠等[40]考察了热风、红外辐射和微波辐射3种加工方式对油茶籽油美拉德产物抗氧化性的影响，得出微波比热风效果更佳。

微波加热下的MR在食品中的应用多集中于其独特色泽、香味、生物活性方面的研究，其产物多应用于食品、医药等行业，有关其他方面的应用还有待深入和拓宽。

6 结论与展望

微波加热下的美拉德反应产物可改善食品表面色泽，比传统加热显色更快，其反应产物的挥发性成分含量增多，可增加食物的香味，其反应产物各种生物活性提高，对疾病治疗、提高人类健康有重要意义。

目前，对美拉德反应产物的小分子物质研究已取得了一定进展，但对中期产物和最终产物的产生机理、结构和性质尚不完全清楚。故如何定性、定量地确定中期产物和终产物类黑精等的组成、分子结构及其抗突变和抗氧化的机理等仍是今后研究的重点。后续需深入研究微波加热对美拉德反应产物的影响机理，补充和完善微波对美拉德反应影响的基础理论。寻找微波加热下美拉德反应产物有益和有害间的最佳平衡点，建立微波食品品质优化和安全调控机制。