乳制品中美拉德反应机制及控制方法研究进展

赵树静，刘宗尚，李红娟

（1.天津科技大学食品科学与工程学院，天津300457；2.上海芝然乳品科技有限公司，上海201404）

0 引 言

乳制品在满足人类的营养需求中起着重要作用，随着乳制品消费市场的扩大，常温贮存及长货架期乳制品在市场上的需求不断增加，因此，制造商通常采用提高加热程度等方法来延长乳制品的保质期，从而满足贮运条件及消费者需求。但是由于乳制品中富含蛋白质和还原糖，经过加热处理及长时间贮存后，会产生一些不良影响，例如：营养价值丧失[1]，发生褐变[2]，乳液不稳定，老化凝胶以及产生不愉快的气味等[3-4]。其中褐变即美拉德反应在很大程度上决定了乳制品的颜色，风味以及营养价值[5]。美拉德反应是羰基化合物（还原糖类）和氨基化合物（氨基酸和蛋白质）在常温或加热时发生的聚合、缩合反应，最终生成类黑精等大分子物质。除此之外，在反应过程中还会产生一些羟甲基呋喃（HMF），呋喃等对人体有害的物质[6]。因此，控制乳制品中的美拉德反应对乳制品产业安全和消费者健康具有重要意义。乳制品中发生美拉德反应的主要底物为乳清蛋白、酪蛋白、乳糖及乳糖水解产物等。乳蛋白的赖氨酸残基具有很高的美拉德反应活性[7]。因此，本文主要针对乳制品美拉德反应过程、产生的有害物质及其控制手段进行总结，归纳美拉德反应对乳制品质量和安全性的影响，及乳制品中美拉德反应的控制措施。

1 乳制品中的美拉德的反应过程

美拉德反应是牛乳在热处理过程中主要的化学变化，大致可分为三个阶段，即初级阶段、高级阶段和最终阶段[8]。初级阶段：乳糖与赖氨酸反应生成希夫碱，然后经Amadori分子重排转化为与蛋白质结合的乳糖基赖氨酸，该化合物是一种早期糖基化衍生物，可以通过各种反应进一步降解为晚期糖基化中端末产物（AGEs），并且在短时间内或不剧烈热处理条件下可以稳定存在[9]。在Amadori重排过程中，醛糖转化为酮糖。这一阶段的现象主要是赖氨酸的生物利用率降低，没有颜色变化以及风味物质的生成。

图1 美拉德反应初级阶段路线图[10]

高级阶段：高级阶段主要是Amadori化合物进行分解，Amadori化合物根据环境中p H值的不同分为不同的分解途径：酸性条件下发生1,2-烯醇化反应，生成羟基甲呋喃醛；中性条件下发生2,3-烯醇化反应，生成1-脱氧酮醛糖，进一步转化为还原酮类和脱氢还原酮类。由于乳制品pH值接近中性并且有乳糖的存在，因此乳制品中主要进行的是这条分解途径；碱性条件下Amadori化合物进行裂解生成羰基化合物。Amadori化合物的分解主要是通过烯醇化、环化作用和脱水作用进行转化。

图2 美拉德反应高级阶段路线图[10]

最终阶段：此反应阶段较为复杂，机制尚未完全明确，主要是中期阶段的反应产物与氨基化合物进行反应生成类黑精类化合物。并伴随着蛋白质交联。由于在最终阶段发生了赖氨酸损失，所以可以推测类黑精有可能与赖氨酸残基形成复合物[11]。

2 乳制品美拉德反应产生的有害物质

美拉德反应在很多加工食品中是其独特风味和色泽的主要来源，并且其产物也具有一定的抗氧化和清除自由基能力。但是从营养学的角度考虑，美拉德反应产物不仅会影响到蛋白的营养价值，还会产生一些对人体健康有潜在危害的化合物（如二羰基化合物、羟甲基糠醛、AGEs），同时也会改变加工食品的感官和功能特性，在乳制品中美拉德反应产生的有害物质主要有以下几种。

图3 美拉德反应产物的生成途径[12]

2.1 糠氨酸

糠氨酸，又名ε-N-2-呋喃甲基-L-赖氨酸，是早期美拉德反应的一种重要产物。乳制品在加工过程中，蛋白质、氨基酸、乳果糖通过美拉德反应生成ε-N-脱氧乳果糖基-L-赖氨酸，后经酸水解转化为更为稳定的糠氨酸[13]。加热温度和时间是影响糠氨酸含量的两个重要因素[14]。有研究表明糠氨酸的形成会受到加热条件的影响，例如在＞100℃的预热温度下保持60 s以上糠氨酸含量会受到预热条件的显著影响[15]。另外储藏环境也会影响糠氨酸的生成，Li等[16]测定了较高加热温度和长期储存条件下奶粉中的糠氨酸浓度为1401.4±76.7 mg/kg。因此糠氨酸在国际上常用作热处理和储存对乳制品品质影响的重要评价指标[17]。

2.2 糠醛化合物

糠醛化合物是中期的美拉德反应产物，在富含碳水化合物的饮品中广泛存在，并且在一些食品中含量变化较大，例如婴儿牛奶、果汁、蜂蜜等[18]。Jorge等[19]测定了两种不同婴儿配方奶粉中糠醛化合物的含量，发现在储藏期间糠醛化合物的含量会增加，并且在37℃下储藏更为明显。糠醛的形成随加工和储藏条件的变化而变化，尤其是取决于温度和p H值[20]。糠醛化合物主要有两种生成途径：一种是在酸性条件下，Amadori产物经1,2-烯醇化、脱水和脱氨基反应，形成羟甲基糠醛或糠醛；第二种是乳糖发生异构化或降解而形成[21]。糠醛化合物主要包括HMF、2-糠醛（F）、2-呋喃基甲基酮（2-FMC）和5-甲基-2-糠醛（MF）。其中HMF在牛乳及乳制品中常作为热诱导的标记物，并且高浓度的HMF具有细胞毒性，可以刺激眼睛、上呼吸道、皮肤和黏膜。

2.3 晚期糖基化终端末产物

AGEs用于表示蛋白质上积累的非酶糖基化产物。它的结构复杂，化学性质稳定，通常在美拉德反应的最后阶段产生。主要包括Nε-羧甲基-L-赖氨酸（CML）、Nε-羧乙基-L-赖氨酸（CEL）、吡咯素和戊糖素等。AGEs通常分为三类：（1）有荧光性和交联结构（如戊糖素）；（2）无荧光性和交联结构（如甲基已二醛）；（3）无荧光无交联结构（如吡咯素，CML和CEL）[22]。其中CML是最具有特点的AGEs之一，常被用做食品中AGEs的标志物之一[23]。有研究表明AGEs会对人体健康产生一定的影响，人体摄入高含量的AGEs后，血液和尿液中的AGEs水平也会相对升高，从而增加患糖尿病及其并发症的风险[24]。

3 乳制品中美拉德反应的控制措施

一些还原剂、氧化剂和含硫氨基酸能够抑制食品中美拉德反应的进行。还原剂主要包括亚硫酸盐（亚硫酸钠和亚硫酸氢钠），其抑制机理主要是有机物颜色是由含共轭双键系统的生色团、发色团引起的，亚硫酸盐可以与共轭双键生成加成物，从而抑制美拉德反应的发生，但亚硫酸氢钠可能会引起哮喘者过敏，存在一些不安全因素。食品中常用的抗氧化剂主要是一些酚类化合物，例如：丁基羟基茴香醚（BHA）、二丁基羟基甲苯（BHT）、特丁基对苯二酚（TBHQ）和生育酚等，但是有研究表明BHA和BHT可能具有致癌作用，在许多国家已经被禁止使用[25]。因此使用一些天然的抗氧化物是控制美拉德反应程度的有效途径之一。含硫氨基酸主要包括蛋氨酸和半胱氨酸等，常浩祥等[26]在研究抑制剂对低乳糖牦牛乳美拉德反应的抑制效果中发现蛋氨酸和半胱氨酸对其美拉德反应产物的抑制效果较为明显。表儿茶素是一种在绿茶，可可和葡萄中发现的多酚化合物，可以通过捕获α-二羰基来阻止美拉德反应进一步进行[27-28]。因为多酚类物质属于天然化合物，所以不同来源的植物多酚用作美拉德反应的抑制剂越来越得到关注，同时还发现一些其他的天然化合物例如氨基酸、维生素、肽的衍生物等可以通过靶向反应位点，中间产物等来抑制美拉德反应[29]。Antonio Dario Troise等[30]在超高温牛乳中加入包封在脂质涂层内的抗坏血酸，减弱了美拉德反应的发生。在果糖胺氧化酶中也被发现可以抑制美拉德反应的发生，果糖胺是通过葡萄糖与氨基酸或蛋白质的氨基缩合形成的Amadori产物，在食品加热的过程中能够形成，是AGEs的前体。果糖胺氧化酶可以催化果糖胺的氧化脱糖反应，是控制乳制品中美拉德反应的一种潜在抑制剂[31]。研究发现果糖胺氧化酶能降低大多数游离氨基酸的糖基化反应，能够有效降低低乳糖牛奶产品中的HMF含量[32-33]。

3.1 多酚对乳制品美拉德反应的影响

多酚类物质存在于大多数植物性食品中，并且具有很多生物活性，例如清除自由基、降低心血管疾病的发病率、抗癌、抗衰老、抗炎症等。应用于乳制品中的天然多酚主要包括：表儿茶素、表儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯等[34]。有许多研究表明多酚类物质可以干预和抑制乳制品中美拉德反应的进行从而减少有害产物的生成，例如：表儿茶素和表没食子儿茶素没食子酸酯可以降低UHT牛奶在加工过程中美拉德褐变荧光和颜色变化[35]；表儿茶素可以抑制UHT牛奶中美拉德芳香化合物的热生成[36]，还可以减少脱脂奶粉在加工和储藏过程中陈旧香气的生成[37]。在乳糖水解牛乳中，当在乳糖水解脱脂乳及全脂乳中添加绿茶提取物后，牛乳中的乳脂沉降和物理稳定性均有所改善，并且对于美拉德反应的发生也有一定的抑制作用[38]。也有研究发现在加工乳中添加表没食子儿茶素子酸酯可以95%抑制Strecker醛（Strecker醛类由α-二羰基和氨基酸的α-氨基反应形成，容易在热加工食品和饮料中积累）的形成，并且在储存期间由蛋白质引起的游离氨基酸的释放也相应降低[39]。表没食子儿茶素没食子酸酯对Strecker醛抑制有两种机理：即表没食子儿茶素没食子酸酯可以抑制蛋白质的分解或氨基酸与蛋白质可以与表没食子儿茶素没食子酸酯进行结合。表没食子儿茶素没食子酸酯能与膜蛋白巯基共价结合，形成分子间交联的蛋白聚集体。蛋白质与提取物之间的结合可能会降低美拉德反应的形成。虽然多酚提取物可以抑制乳制品美拉德反应进程，但添加量过高会影响产品风味。例如：在牛乳中添加0.1%的表儿茶素能够抑制美拉德反应且对产品风味无显著影响，但当添加量为0.2%时产品就会产生不受欢迎的苦味[36]。

虽然有多项研究表明多酚可以抑制或减少美拉德反应的发生，但是由于多酚种类繁多，所以多酚抑制美拉德反应的机理尚不明确，因此研究多酚对于美拉德反应产物的影响机理及生成条件还有待深入研究。

3.2 其他因素对乳制品美拉德反应的影响

温度、时间、水分含量、p H值以及反应物的性质（乳糖和氨基酸等）也会影响乳制品中美拉德反应的发生[1,40]。了解这些因素可以控制美拉德产品的产量、质量和功能。Lotte Bach Larsen等[41]对脱脂和全脂超高温灭菌乳在不同温度下（10、20、30、40、50℃）贮藏24周后的美拉德相关质量参数进行了研究，发现在30℃下储存24周，40℃下储存6周后牛奶颜色显著变化，说明了将牛奶的储存温度保持在30℃下的重要性。WPC80中的美拉德反应同粉末的相对湿度显著相关。当乳清蛋白粉末中的水分活度为0.50～0.80时，美拉德反应速率较高[42]。乳糖含量对乳清蛋白粉的美拉德反应程度至关重要，在乳清蛋白粉中蛋白质与乳糖发生缩合，生成稳定的Amadori产物（ε-N-脱氧乳果糖基-L-赖氨酸），随后反应生成席夫碱，在之后会发生不可逆的Amadori重排，较高的乳糖含量会加速蛋白聚集，并且也会使粉末的功能特性发生变化，降低乳糖含量可以降低蛋白质的乳糖糖基化水平，从而限制蛋白质的聚集和褐变速度。使用膜分离技术将乳清蛋白粉中的乳糖含量由1.56%降低到0.26%后成功限制了乳清蛋白的老化限度[43]。

4 展 望

乳制品的美拉德反应极大的影响了乳制品的质量，在很大程度上决定了牛乳的颜色、风味及营养价值，并且也会产生一些有害的副产物从而对人体健康产生一定影响，因此深入了解乳制品中的美拉德反应历程、有害物质及探索其控制美拉德反应程度的方法，对于优化加工条件，控制产品质量具有重要意义。

虽然目前对于入乳制品美拉德反应的研究有一定的进展，但是对于中期和末期美拉德反应产物的生成机理、结构和性质尚不完全明确，如何定性定量的确定其反应机理、结构和性质等仍然是以后研究的重点。除此之外，如何减少或抑制美拉德有害产物的生成仍然是研究热点，可以重点探索多酚对于乳制品中美拉德反应的抑制效果及干预机制，从而为相关乳制品加工及美拉德产物的控制起到指导作用。