果蔬制品中的美拉德反应及其控制方法研究进展

余 雯，叶秋萍，沈清宇

(福建省亚热带植物研究所／福建省亚热带植物生理生化重点实验室，福建 厦门 361006)

果蔬制品是指使用各种物理工艺和化学工艺对新鲜水果、蔬菜进行加工和改良处理而制成的一类产品[1]。在果蔬制品的加工工艺中，技术攻关点是延长贮藏期限、保留营养组分、提升产品食用品质和商业化价值[2]。美拉德反应在多数果蔬类产品的加工和贮藏工艺中都会发生，属于非酶促类褐变反应[3]。它是自然发生的，但会产生不良影响，例如引起褐变，破坏产品外观、质地，损失营养组分，产生不愉快的气味等[4]；更严重的是，在反应的各个阶段还会生成致毒、致病性中间产物，危害人体健康[5]。消除这些负面影响对果蔬制品的产业安全和消费者健康具有重要意义，也一直是食品行业的关注热点。本文主要针对果蔬制品中美拉德反应的历程、影响因素及其控制手段进行归纳总结，以期为果蔬加工业中褐变现象的控制和有害物质的监测提供参考。

1 果蔬制品的美拉德反应历程

美拉德反应是羰基类化合物羧基端和氨基类化合物氨基端之间经缩合、聚合、分子重排而发生的一系列复杂的综合反应，最终产物为类黑素物质[6]。目前大部分相关理论认为，美拉德反应总历程主要包含初级、中级、末级三个阶段。

(1) 初级反应阶段：还原糖类的羧基端和蛋白质的氨基端缩合生成 N-葡萄糖基胺，再经阿姆德瑞(Amadori)分子重排，生成 1-氨基-1-脱氧-D-果糖(即果糖基胺)[7]。该产物在多种果蔬制品(果蔬干、果蔬汁、果蔬糕等)加工中均有存在，属于反应最初生成的中间产物，对产品的色泽和风味不会产生影响，但易分解，并推动后续反应发生。

(2) 中级反应阶段：阿姆德瑞重排产物(ARP)进一步分解，因体系pH差异分为三种情况：①当pH小于7时，果糖基胺脱胺残基、脱水生成羟甲基糠醛(HMF)，在含氮基团被保留的情况下，生成HMF薛夫碱(Schiffs)[8]；②在pH大于7且温度低于50 ℃条件下，果糖基胺脱去胺残基重排生成还原酮，还原酮类脱氢、脱水后与胺类缩合，裂解成二乙酰、乙酸、丙酮醛等小分子[9]；③在pH大于7且温度高于 50 ℃条件下，氨基酸脱羧、脱氨，与二羰基化合物发生加成反应，进一步生成含氮褐色化合物，该反应称为斯特勒克(Strecker)降解反应[10]。目前，多数观点认为该阶段受反应条件的影响较大，依据温度和 pH的差异，反应路径和产物均不相同，其中生成的醛酮类小分子化合物是下一步反应的前驱物。在该阶段破坏产品风味和色泽的产物已经初步生成。

(3) 末级反应阶段(由两类反应构成)：①醛醇缩合，即两分子醛经缩合、脱水生成不饱和醛；②中间产物聚合反应，由中间生成物(糠醛衍生物、还原酮类、斯特勒克降解和醛裂解生成的醛等)经缩合、聚合生成类黑色素[11]。类黑色素是反应的终产物，不仅造成产品色泽和风味严重受损，还会对人体肝脏、肾脏和神经系统产生不可逆损伤。

综上，美拉德反应属于非酶促褐变反应中最常见和最具代表性的一种，因其历程的复杂性和综合性，其中间产物仍备受争议，尤其是反应的最终阶段，反应机制尚未完全明确[12]。目前关于美拉德反应历程的研究集中在中间产物分离与鉴定，有害产物反应动力学模型构建与生成规律探索，产物毒理性、安全性分析等。美拉德反应历程的调控对食品加工有重要意义，在一些食品诸如咖啡、可可、烟草中，适当的调控有助于增添产品风味，满足消费者多样化需求。然而在果蔬制品加工中，美拉德反应仍以生成有毒、有害和破坏风味的化合物为主。因此，只有充分了解美拉德反应路径及其产物属性，才能从本质上找到破解上述难题的方法。

2 果蔬制品中美拉德反应的影响因素

2.1 反应温度和时间

在果蔬制品的加工过程中，温度和时间是影响美拉德反应程度的重要因素。研究表明，反应温度越高，时间越长，反应程度越剧烈，褐变现象越严重。王鑫等[13]将蓝莓汁分别置于 4 ℃、25 ℃和 37 ℃下贮藏，定期检测其中美拉德反应的关键指示产物5-羟甲基糠醛(5-HMF)含量，实验表明，5-HMF生成量与贮藏温度呈正相关，且随着贮藏时间延长，5-HMF累积量递增，果汁最终色泽加深。Cernîşev等[14]采用不同温度干燥西红柿，将温度控制在 50 ℃以下，可有效控制产品中美拉德反应的发生，进而控制产品褐变程度。此外，热风干燥南酸枣糕时，当干燥温度升至 80 ℃时，5-HMF生成量高达500 mg·kg-1且产生极其不悦的气味[15]。将余甘子果汁置于4 ℃下贮藏，其中呋喃糠醛生成量显著降低，且随着贮藏时间延长含量增加[16]。苹果浓缩汁的加工过程中 5-HMF含量和褐变值的变化也呈现出相似规律[17]。

一般温度每变化10 ℃时，美拉德反应的速率呈现出3～5倍的差异。当温度高于30 ℃时，反应速率较快，而当温度处于20 ℃以下，反应速率明显减缓[18]。出现这种现象可能是由于温度提升导致羰胺缩合程度加剧，反应速率加快，从而更易促进高分子量的类黑素产物的生成，最终造成体系颜色加深[19—20]。在果蔬制品的加工过程中，建议将温度控制在50 ℃以下，或者采用瞬时高温处理，缩短反应时间，从而在温度和时间上对反应进行适当调控。而在果蔬制品后期的贮藏过程中，一般建议将温度控制在 20 ℃以下，一方面可以减少原料中营养组分的损失，另一方面可以延缓美拉德反应进程，以保证其贮藏期间的感官品质，延长产品货架期。因此，根据原料的差异性，开展美拉德反应的动力学研究，筛选出合适的果蔬制品加工温度和时间对提升产品品质十分必要。

2.2 反应底物

氨基类化合物(蛋白质、氨基酸类)和羰基类化合物(各种糖类)是主要反应底物，这两大类物质的种类和结构差异对美拉德反应的速率产生不同程度的影响[21]。糖类化合物的分子量越大，反应速率越慢，支链多的糖类反应速率快于支链少的糖类[22]。在温度60 ℃、pH 3.5体系内，比较葡萄糖、果糖和蔗糖与甘氨酸(1: l摩尔比)的反应速率，结果显示，果糖最初变棕色的速度更快，但80 h后被葡萄糖取代；最初消耗的果糖大于葡萄糖，但60 h后则相反；蔗糖的反应速率最慢[23]。相较于单糖，分子量大的多糖反应速率低[24—25]。因此，在果蔬制品加工过程中，选取合适的糖类添加剂可作为一种控制美拉德反应，减少有害产物的有效方法。氨基类化合物中，氨基酸、多肽、蛋白质对美拉德反应的影响程度呈递减趋势[26]。将参与美拉德反应的氨基酸按照褐变程度分高、中、低三类：第一类为高度褐变氨基酸，主要有甘氨酸、色氨酸和酪氨酸；第二类为中度褐变氨基酸，主要有脯氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸；第三类为低度褐变氨基酸，主要有组氨酸、精氨酸、谷氨酸和半胱氨酸[27—28]。

关于反应底物的研究通常集中在模拟不同氨基和羰基类化合物的反应体系，定期监测其中生成的中间产物，分析变化趋势和危害性。这些研究的优势是可通过筛选反应底物，降低反应速率，使有害产物得到适当控制。但直至目前，这方面研究多集中在氨基和羰基类化合物种类和含量的变化，而关于反应底物价键的断裂方式和缩合、聚合位点的相关研究较为不足。

2.3 pH

pH对美拉德反应的不同反应路径均会产生影响，进而影响反应产物的生成。当 pH≤3 时，美拉德反应的程度并不明显。当 pH 为 3～9之间，反应速率与 pH值大小呈正相关[29]。在强碱性条件下，食品的美拉德反应程度急速加剧，发生严重褐变，造成产品颜色加深，其原因可能是较高 pH有助于脱羧反应[30]。徐亦秀等[31]研究 pH对杨梅浊汁贮藏过程中褐变的影响表明，降低 pH可有效降低果汁的褐变速率。木瓜汁和桃汁加工过程中的美拉德反应产物也有类似变化[32—33]。综上，在果蔬制品加工和贮藏过程中，为了防止美拉德反应过快而产生的褐变，在确保产品口感正常的前提下，通过适当降低体系pH降低美拉德反应速率。值得一提的是，调节pH值虽然能抑制美拉德反应，但可能会造成其他组分的破坏，因此该方法具有一定的局限性。

2.4 水分含量

反应原料的水分含量对美拉德反应程度有显著影响，水分含量极低或极高均能使反应速率下降[34]。罗昌荣等[35]研究发现，番茄粉含水量为 3.22%，其美拉德反应速率常数显著降低，贮藏一个月后，褐变度增加不明显。在枣浆制备枣粉的工艺流程中，枣浆含水量会显著影响成品的糠氨酸、5-HMF生成量，含水量＞70%时，两种物质与含水量呈负相关；当含水量为 80%时，两种物质的生成量分别为18.67 mg·kg-1、 4.06 mg·kg-1，含水量为 70%和 66%时，两种物质含量分别达最高[36]。牛奶粉的含水量为 10%～15%时，美拉德反应速率随水分增加而加快；但当水含量为0或大于90%时，反应速率则十分缓慢[37]。水分含量对美拉德反应的影响是由于体系中的自由水和结晶水在反应中的转化导致能量的消耗，从而使反应中各个阶段的路径发生变化[38]。最新的研究表明，水分含量对美拉德反应的影响与温度存在交互作用。因此，控制果蔬制品的水分含量，对延缓美拉德反应速率有积极作用。

2.5 压力

压力会影响化学反应平衡和反应速率，对果蔬制品中的美拉德反应速率也有不同程度的影响[39]。Moreno等[40]发现，压力对美拉德反应不同阶段的影响不同，这种影响与体系的pH有紧密联系。pH＜8.0时，压力对美拉德反应的初始阶段没有显著影响，能延缓中期和末期阶段的反应速率。pH＞8.0时，初期阶段产物和中期阶段产物的生成速率加快，表明压力从初始阶段开始加速美拉德反应。刘恩芬等[41]的实验具有相似性结果。采用不同压力和次数处理红枣汁，随着处理压力增加，褐变程度呈先增后减的现象，在160 MPa条件下，样品褐变指数增加最显著，红枣汁色泽最深[42]。在铁棍山药汁的物理稳定性实验中，也发现类似的现象[43]。因此，为了控制美拉德反应，在一些果蔬制品的均质加工工艺中，压力参数的调节也常被作为参考因素，如采用瞬时高压工艺处理。不过，美拉德反应路径复杂，受多种外界环境因素影响，且相互之间有交互、协同作用。在果蔬制品加工过程中，需要综合考虑不同因素对各阶段的影响，才能使反应得到有效控制。

2.6 金属离子

金属阳离子对美拉德反应有促进或抑制作用，其影响程度因离子带电量不同而呈现差异[44]。在荔枝汁褐变的影响因素研究中，添加 Fe2+和高浓度Cu2+的荔枝汁褐变程度更显著，美拉德反应速率更快，而添加Mg2+和Sn2+的荔枝汁美拉德反应速率呈现小幅度下降[45]。梨汁和莲藕汁的美拉德反应与此类似[46]。CaCl2浸泡的马铃薯片油炸后褐变色泽得到有效改善，生成的丙烯酰胺含量降低31.91%[47]。吴惠玲等[48]的研究表明，Fe3+、Fe2+能加快美拉德反应，其中 Fe3+的体系反应速率大于 Fe2+；Ca2+、Mg2+能降低美拉德反应速率，其中Mg2+的抑制作用强于 Ca2+，对美拉德反应速率的影响较大。美拉德反应的中间产物还会与金属离子生成螯合物，造成体系颜色加深，其中最终阶段生成的类黑素化合物是其代表；有些离子可与中间产物的基团结合，发生氧化或还原反应，有效促进或阻断后续反应发生[49—50]。因此，在果蔬制品加工中，采用有抑制作用的金属离子溶液浸泡原料对调控美拉德反应有积极作用。

3 果蔬制品中美拉德反应的控制手段

3.1 化学方法

果蔬制品生产中控制美拉德反应的化学方法是指添加一定剂量化学抑制剂控制反应的技术手段[51]，是当前运用较为广泛的控制手段之一。该方法通过化学还原剂与反应物的共轭双键发生加成作用，或采用氧化剂氧化破坏共轭双键，阻断后续反应路径，可以使发生体系达到减色效果[52]。闰公昕等[53]研究表明，沙棘酒添加维生素C和EDTA-2Na后美拉德反应产物5-HMF含量明显下降，色泽也显著改善。Du等[54]在苹果汁中加入植酸，置于室温下贮藏6个月，其褐变度显著下降。阿魏酸对美拉德反应产物有一定影响，当其浓度为2.5mg·mL-1时，美拉德初级阶段反应产物被明显地抑制，且最终生成的类黑素化合物抑制率可达70%[55]。一些含硫化合物褐变抑制剂也可直接添加或与其他抑制剂共同添加于果蔬制品中用以抑制褐变[56—57]。化学方法的主要优点是经济成本低，见效快，缺点是存在食品安全问题，一些化学抑制剂，尤其是传统使用的含硫类化学抑制剂有毒副作用，且添加剂量过高，还会破坏产品风味。因此，在实践生产中筛选出符合国家食品安全标准的抑制剂并确定各种化学抑制剂的安全性和使用剂量是关键。

3.2 物理工艺技术

受限于化学抑制剂带来的食品安全隐患，物理工艺技术逐渐被开发运用于果蔬加工中控制美拉德反应。在干燥工艺中，使用真空微波和远红外辐射干燥处理番茄片，不仅能有效抑制产品中的美拉德反应，还能较好地保持番茄片的外观色泽，减少番茄红素和维生素 C流失[58]。Michalska等[59]采用真空冷冻干燥工艺处理李子干，发现美拉德反应的早期产物和中间产物生成量均得到有效控制，尤其对阿姆德瑞重排产物的抑制效果十分显著。喷雾干燥也被广泛运用于果蔬制品加工，它能使原料的组分粒子发生分离，从而导致粒子在不同反应组分之间的分配比例不同，这种分离过程可能会改变美拉德反应的动力学，进而对反应进行控制[60]。因此，改进干燥工艺，优化参数配置对控制美拉德反应，降低褐变率有重要意义。

此外，在实际生产中，选用合适的包装材料，避免引入能加速美拉德反应的金属离子也是关键[61]。采用不同材质的包装瓶贮藏橙汁，在4 ℃和22 ℃下进行贮藏112 d，结果显示包装材料对橙汁颜色有一定影响，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)包装的橙汁褐变度低于低密度聚乙烯和高密度聚乙烯包装材料[62]。温度是影响反应最重要的因素之一，在果蔬饮料的杀菌工艺中，常采用紫外消毒或超高压低温等非热技术来避免高温杀菌，或通过吸附树脂和膜过滤等工艺去除中间产物来控制反应。

综上，物理工艺主要通过改变外部条件和移除前驱物调控反应。与化学方法相比，物理工艺在食品安全性方面更具优越性，对加工设备的要求更严格，生产成本也更高。因此，生产商出于对产品经济、品质和食用安全性的综合考虑，通常使用物理和化学两种方法保证产品的褐变品质。

4 展望

果蔬制品的美拉德反应对产品的外观、风味及营养价值有重要影响，其致毒、致病性产物会损害人体健康。利用各种工艺、技术控制美拉德反应，有助于延长果蔬制品货架期，提升产品商业价值。当前关于美拉德反应的研究已取得一定进展，但仍存在较多盲点。为提升果蔬制品品质，加快果蔬加工产业发展，未来应加强以下几方面研究：(1) 深入探索美拉德反应机理，通过模拟不同反应底物和环境，定期监测各阶段中间产物的变化规律，尤其应加强对末级阶段的研究，对类黑素产物开展分离、鉴定和毒理性分析；提升检测手段，引入高精密度检测仪器，从分子层面分析中间产物的结构和构象变化，对现有反应理论做进一步阐述和补充。(2) 在化学抑制剂研究方面，着重开发安全性高、毒副作用小、抑制效果显著的新型绿色抑制剂替代传统抑制剂，采用多种复合抑制剂，优化复配参数，提升抗褐变效果；研究化学抑制剂的抑制机理，分析不同抑制剂对反应各阶段中间产物的阻断作用和干预机制。(3) 在研究物理工艺技术抑制方面，应进一步优化工艺参数，改造工艺设备，开发节能型新设备，或与化学抑制方法结合，减少工艺消耗。此外，还可尝试应用生物技术控制美拉德反应，例如在果酒和果蔬饮料加工生产中引入微生物和酶技术，通过去除反应前驱物或降解有害的中间产物以达到控制反应的目的 。