美拉德反应在食品和生物医药产业中的应用研究进展

张翼鹏，段焰青，刘自单，宁国宝，雷 声，刘秀明，殷春雁**，李灿鹏**

(1.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650231；2.红河卫生职业学院，云南 红河 661199；3.云南大学 化学科学与工程学院，云南 昆明 650091)

1912 年，法国化学家Maillard 报道甘氨酸和葡萄糖混合共热的时候会形成褐色物质.1953 年，Hodge 等[1]把这个反应正式命名为美拉德反应（Maillard reaction，MR），因其最终产物主要是棕色的类黑素，亦被称为类黑素反应（melanoidin reaction，MR）.美拉德反应能改善食品的功能特性并使其发挥各种生物学活性，被广泛应用于食品和生物医药等多个领域.在食品工业中，美拉德反应产物（Maillard Reaction Products，MRPs）与食品颜色、食品风味、食品营养密切相关，美拉德反应复合物用于制备食品保鲜中的可食用膜或营养保健品的递呈载体；另外，基于美拉德反应产物的安全性和制备简单等特性，其在生物医药行业中应用的巨大潜力.然而，目前为止，关于美拉德反应产物在生物医药中的应用方面的综述还不多见.因此，本文就美拉德反应在食品和生物医药中的应用进行了综述，同时介绍了最新的RNA 糖基化方面的发现及潜在的意义，以期为该领域的研究人员提供一些研究动向.

1 美拉德反应概述

美拉德反应也称羰氨反应，本质上是羰氨间的缩合反应，主要指是醛、酮、还原糖的羰基与氨基酸、肽、蛋白质等含氮化合物的游离氨基之间发生的一系列反应[2].美拉德反应过程如图1 所示，通常分为3 个阶段：第1 个阶段是氨基酸和还原糖的缩合反应，若体系中有醛糖存在，则形成N–糖基化合物，然后重排形成Amadori 产物，若是有酮糖存在，则形成Heyns 重排产物；第2 个阶段从Amadori或Heyns 重排产物开始，这个过程中，糖类降解并有氨基化合物释放；第3 个阶段与风味的形成有关，氨基化合物发生脱水、分解、环化、聚合反应[3].

图1 美拉德反应过程Fig.1 Maillard reaction process

2 美拉德反应的影响因素

美拉德反应是一个极其复杂的反应，受多种因素影响.

2.1 氨基酸类型以不同类型的氨基酸为原料参与美拉德反应，其反应速率不同.胺参与的美拉德反应速率最高，其次是氨基酸，蛋白质最低[4]，表明氨基化合物的相对分子质量越大其发生美拉德反应的速率越小，为美拉德反应的调控提供了理论依据.另外，不同的氨基酸，例如亮氨酸，异亮氨酸和葡萄糖经美拉德反应产生不同的味道[5].酪氨酸、丝氨酸和丙氨酸参与美拉德反应，在相同条件下产生焦糖香气[6-7].脯氨酸参与美拉德反应生成烤面包香气.因此，加热不同胺源的反应前体会产生不同的风味，大大丰富了该类香料的种类，为研究不同类型的美拉德反应香精或香料的可控制备提供了多种可能的选择.

2.2 糖还原糖是美拉德反应必需的底物，不同类型的还原糖由于其结构不同，参与到美拉德反应中，其反应速率也不同[8].还原糖参与的美拉德反应，其应反速率依次为：单糖>二糖，五碳糖>六碳糖和醛茎化合物>酮基化合物[9].该结论可以用于美拉德反应的调控：一方面为了避免美拉德反应的发生可在食品基质中尽量减少还原糖的含量.另外一方面为了赋予香味或颜色，可以增加还原糖的含量，如在烤面包时在面团表明涂上蜂蜜就为了增加面包的色泽和香味.

2.3 pH 值美拉德反应的不同阶段，催化其反应的酸碱环境不同，因此美拉德反应受pH 值的影响[10].研究表明，当pH 值在3～9 之间，褐变反应速率随pH 值的增大而加快[11]；当pH≤3 时，褐变反应程度略有降低，并随着pH 的降低而进一步降低，这可能是由于在酸性条件下生成的前体物质（氨基葡萄糖胺）水解所致[12].就普通的食品来说，其pH 值在7.0 附近也能发生美拉德反应，对食品的香味、色泽和口感的改善也有显著效果.虽然美拉德反应在碱性条件下反应速率较大，但是一般碱性食品较少，所以一般碱性或强碱性条件下使食品发生美拉德反应的情况较少.

2.4 反应温度和时间美拉德反应速率对反应体系的温度很敏感.研究表明随着反应温度的升高，体系中反应底物的含量增加，美拉德反应速率加快[13].然而，在过高反应温度下反应速率迅速加快，导致形成大量黑素或致癌物[14]，因此，可以推断反应温度不能太高.另一方面，如果温度太低，则反应很慢，影响芳香族风味物质的形成[15].反应时间也是影响美拉德反应的重要因素，反应时间短，产物的收率小；随着反应时间的延长，体系中产物的含量和种类也相应增加[16].目前虽然影响美拉德反应的机理还未完全清楚，但是基于反应温度和时间会影响产物的种类，从而影响其香气成分的形成，因此也可根据经验来对芳香族风味物质进行调控.

2.5 水和金属离子据报道，水质量分数在30%～75%之间有利于反应，且反应速率随水含量的增加而加快[17].此外，铜和铁可以促进褐变反应，并且发现三价铁的催化能力强于亚铁[18].食品中一定量的铁离子和铜离子虽然会促进脂肪的氧化反应，促进过氧化脂质的产生，对食品安全可能产生不利的影响，但是如果主要考虑美拉德反应对食品或药品的色泽和香味造成的正面影响，同时不是长期贮藏，也可以考虑利用该反应的发生.

2.6 亚硫酸盐在美拉德反应初期加入亚硫酸盐可有效抑制褐变反应[19]，主要原因是亚硫酸盐在与还原糖进行反应后会与氨基化合物结合，从而抑制了整个反应[20].在实际生产过程中，应根据产品需求来控制美拉德反应进程[21]，如，在葡萄酒中加入亚硫酸盐，既可以起到防腐的作用，又可以抑制美拉德反应的发生而防止其变色.

基于上述因素，我们可以总结出调控美拉德反应进程的措施：①使用相应的酶去除反应体系中某一种反应物，例如葡萄糖转化酶；或者添加钙盐与氨基酸结合，形成不溶性化合物；② 控制反应温度；③pH 调节至弱酸性或弱碱性；④ 保持食品中较低的水分含量或增加食品的湿度；⑤ 在反应初期加入亚硫酸盐.

3 美拉德反应在食品加工中的应用

3.1 美拉德反应与食品颜色美拉德反应会使面包、咖啡、红茶、啤酒、糕点和酱油等不同种类的食物产生某些深棕黑色物质[22].然而，这些风味物质的产生对食品的营养是不利的，因为它们主要来源于食物中的营养物质（例如糖、蛋白质、脂肪和核酸以及维生素）[23].此外，由于褐变作用，白色产品变色，浅色产品变暗，这在一定程度上影响某些产品（如牛奶和乳制品）的感官质量[24].

3.2 美拉德反应与食品风味美拉德反应在形成食物风味特征（例如颜色、香气和味道）中起重要作用[25].食品中产生香味的前体物质包括脂溶性的脂类和水溶性的糖类、硫胺素、含硫化合物、氨基酸及肽类等，它们本身没有香味，但经过一系列的反应途径可转化为香味化合物.脂类物质通过脂质氧化等途径产生香气物质如醛类、酮类、醇类、羧酸、内酯、杂环化合物和脂族烃等[26].糖类物质通过焦糖化反应，糖分子裂解产生一些醛类、酮类物质[27].以上来源于脂类和糖类物质产生的醛类和酮类等羰基化合物与食品中的氨基化合物（游离氨基酸、肽类等）发生美拉德反应，产生包括醛、酮、醇、呋喃、吡啶、吡嗪、噻唑、咪唑、噻吩及含氮或硫的杂环化合物在内的一系列香味化合物[28].硫胺素是含硫、氮、氧的双杂环化合物，通过热降解可产生呋喃、噻吩、呋喃硫醇及脂肪族含硫化合等系列香气物质[29].氨基酸和肽类与羟基化合物（来源于糖类和脂类）发生美拉德反应，尤其是含硫氨基酸参与的反应，产生的噻吩类、噻唑类及许多含硫化合物有强烈的挥发性，是食物香气的重要组成部分[30].

通过控制原料，温度和加工方法，可以制备各种风味和香气不同的物质[31].例如，核糖与半胱氨酸及谷氨酸分别反应，产生猪肉烧烤味和牛肉烧烤味[32]；在100～150 ℃和180 ℃，葡萄糖和缬氨酸反应产生烧烤味和巧克力味[33]；木糖和酵母水解蛋白在90 ℃和169 ℃温度下反应，分别产生饼干味和酱油味[34].同种食品不同的加工方法产生的香气也不同，例如，煮熟的马铃薯产生125 种香气，而烤熟的马铃薯能产生250 种香气[35].美拉德反应还能用于咸味物质等一些调味料的生产[36]，目前，一些咸味物质已经广泛应用于冰冻食物、罐头、方便面、香肠和咸味零食等食品加工中[37].然而，美拉德反应形成的烷基嘧啶和吡咯等化合物也产生一些令人不悦的味道[38]，其余不同食品经美拉德反应产生的各种芳香化合物及其风味如表1 所示[39-46].因此，在食品加工中应控制好美拉德反应的条件以使反应产物有利于满足消费者的需求.

表1 不同食品经美拉德反应产生的各种芳香化合物Tab.1 Aroma compounds generated during the MR in different kinds food products

3.3 美拉德反应与食品营养在食品加工中，美拉德反应能够改善食品的功能特性，如食品风味、溶解性[47]、热稳定性[48]、粘度[49]、乳化性[50]、起泡性[51]、凝胶性[52]等，但美拉德反应也可能会导致食品营养价值下降，例如一些食物中氨基酸和矿物质的丧失[53].美拉德反应主要消耗食品原料中的氨基酸和糖类.氨基酸随一些色素复合物的形成和反应过程中的Strecker 降解而损失，且色素复合物无法在消化道中水解，从而降低了蛋白质的生物效价[54].研究结果表明，赖氨酸等必需氨基酸在美拉德的褐变反应中最容易丢失，从而降低食物的营养价值；食物经过美拉德反应后，其中的矿物质的生物利用度降低，这可能是由于金属元素和MRPs 之间形成金属螯合物所致[55].因此，在美拉德反应中，关键是通过调控反应条件，获得营养和生物活性稳定的蛋白质−多糖复合物，使其作为食品的功能性成分应用于新型功能食品的开发中.

3.4 美拉德反应复合物在食品包装和可食用膜方面的应用美拉德反应修饰的蛋白质可应用于食用膜的制作.例如，蛋清蛋白除了具有很高的营养价值外，还其具有适当的成膜能力，是可食用膜产生的基质.但是，它形成的膜的防水性能差，采用木糖对蛋清蛋白进行糖基化修饰可增强食用膜的防水性能，从而更好地用于胡桃保鲜.与对照（蛋清蛋白形成的食用膜）相比，基于蛋清蛋白与木糖美拉德反应形成的食用膜有更低的水蒸气透过性（约24%）.然而，在酸性条件下，蛋清蛋白形成的食用膜用于胡桃保鲜，与蛋清蛋白−木糖复合物形成的食品膜相比，其水蒸气透过性没有显著差异[56].报道显示，乳清分离蛋白生产的食用膜防水性能较差.在这种情况下，在湿热条件下，采用木糖对乳清分离蛋白进行糖基化修饰，从而提高其防水性能.与未经糖基化修饰的乳清分离蛋白形成的食用膜相比，糖基化导致食用膜具有更强的穿透强度和延伸强度（分别为2 倍和2.5 倍），并且水蒸气渗透率降低（24%）.有趣的是，基于糖基化的乳清分离蛋白形成的食用膜导致核桃仁的酸值降低，而未经糖基化修饰的乳清分离蛋白并未表现出明显的抑制作用[57].

壳聚糖经半纤维素木糖、甘露糖和葡萄糖醛酸糖基化修饰，形成的壳聚糖膜，其抗张强度有所提高[58].大豆分离蛋白经羧甲基纤维素糖基化修饰形成的可食用膜，具有较高的机械性能，并且对水的敏感性降低[59].此外，酪蛋白经麦芽糖糊精糖基化修饰制成的薄膜具有更高的亲水性和可塑性，且对酸腐蚀的敏感性增强[60].在一项研究中，基于美拉德反应的壳聚糖−葡萄糖复合物被用作包衣材料，以延长新鲜收获葡萄的采后寿命，基于该复合物的涂层降低了葡萄呼吸速率和衰变，抑制了体重减轻和抗坏血酸的变质，并提高了葡萄的质感和感官特征[61].与单独使用壳聚糖或葡萄糖相比，使用基于美拉德反应的壳聚糖−葡萄糖复合物作为防腐剂时，香菇具有更好的储藏品质[62].

富含美拉德反应复合物的食品可产生过氧化氢（H2O2），在食品工业中，H2O2作为一种抗菌化合物可广泛用于包装材料的净化.在一项研究中，首先赖氨酸经核糖糖基化修饰产生的复合物能够有效抑制大肠杆菌的生长.将该复合物掺入聚乙酸乙烯酯中，使其分散在低密度聚乙烯膜上，所得膜产生约100 μmol/L 的H2O2，使大肠杆菌数量减少至10−5以下.这些发现可为美拉德反应复合物在抗菌药物包装系统中的应用开辟新视野[63].因此，基于美拉德反应复合物产生的薄膜和涂料是水果、蔬菜和其他食品的保鲜，延长收获后质量和保质期的有效策略.

4 美拉德反应在生物医药产业中的应用研究

4.1 美拉德反应复合物用作营养保健品的递呈系统蛋白质广泛应用于包裹并递送各种生物活性分子，然而，在递送过程中，蛋白质对高温、pH 和离子强度的改变非常敏感，容易聚合并沉淀.此外，基于蛋白质的递呈载体可能被消化道中的酶水解，导致药物释放，降低吸收效果[64].基于美拉德反应的蛋白质−多糖复合物由于具有较好的溶解性、乳化活性（在界面处提供了粘弹层）、抗氧化能力以及对抗离子强度、pH 变化和高温的稳定性，目前已被广泛应用于递送生物活性化合物（表2）.例如，用乳清分离蛋白与甜菜果胶经美拉德反应的复合物乳状液包封β–胡萝卜素，明显抑制了β–胡萝卜素的降解[65].另外，牛血清蛋白−右旋糖酐复合物乳状液用于保护姜黄素，在含有20%体积分数的乳状液中，将生物活性物—姜黄素以12 mg/mL的量封装，在酸性条件下，姜黄素的降解明显降低，而且乳化液可以提高姜黄素在小鼠体内的生物利用度和吸收率[66].因此，基于美拉德反应的蛋白质–多糖复合物作为一种有前景的载体，有望改善亲脂性保健食品和其它生物活性成分的生物利用度，广泛用于生产食品和医药用途的多功能产品.

表2 美拉德反应复合物在营养保健品递呈系统中的应用Tab.2 Applications of Maillard conjugates in nutraceutical delivery systems

4.2 美拉德反应复合物在生物医药中的应用由于美拉德反应复合物具有出色的抗氧化[72]和抗微生物[73]活性等，近年来，科研人员一直尝试开发具有生物活性的美拉德反应复合物，以用于生物医学领域.据报道，目前大多数在临床上应用的核磁共振成像设备（MRI）的探头均含有顺磁钆，这是一种公认的高风险金属，会对疾病（如肾原性系统纤维化）产生严重的副作用[74].甘氨酸和葡萄糖经美拉德反应生成黑素，然后添加入Fe3+生成富含Fe3+的黑素螯合物，该螯合物具有生物降解性和生物相容性，并对MRI 探头产生特殊作用.有趣的是，将这种黑素螯合物作用于患有肝癌的小鼠模型，能够观察到更多的肿瘤细胞（和普通MRI 探头对比）[75].因此，Fe3+–黑素螯合物可能作为多功能造影剂用于治疗诊断学中.美拉德反应复合物也用于生物医药的其它领域.例如，伤口在愈合过程中容易受细菌的感染而加重，目前，医学上利用具有杀菌作用的伤口敷料来解决此问题[76].在一项研究中，利用葡萄糖/果糖与精氨酸溶液在pH 为10.7，100 ℃条件下加热60 min 制备得到美拉德反应复合物，该复合物和聚己内酯（PCL）在电纺作用下生成纳米纤维薄膜.该复合物保证了薄膜具有湿润度、机动性和孔隙度，这些特性是伤口吸收渗出液和营养物质，以及进行气体交换所必需的.这种功能化薄膜抑制了金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生长，并且对人的成纤维细胞没有毒性[77]，表明这种纤维薄膜在临床上可能较好地用于伤口愈合的敷料.当然，和美拉德反应复合物在食品工业中的应用，其在生物医药中的研究或应用还较少，也是今后研发的一个方向.

4.3 糖基化（美拉德反应）最新的可能性生物体中的糖基化主要发生在蛋白质或脂肪成分上，而利用美拉德反应把糖与蛋白质或脂肪结合从而改善食品成分的风味或色泽，是目前为止食品改性方面开展最多的研发之一[78].最近，Flynn 等[79]首次报道了生物体中RNA 的糖基化，颠覆了以往的认知,或为生物化学领域打开了全新的大门.众所周知，人类的动物性食品或植物性食品中也存在大量的RNA，那RNA 也是否会和蛋白质和脂肪一样能发生美拉德反应呢？RNA 上的糖链又能否进一步与蛋白发生美拉德反应？如果可能，人工制备的糖基化RNA 的美拉德反应产物能否改善食品的风味和色泽呢？而基于RNA 重要的生理功能，那人工制备的糖基化RNA 有是否会有新的生物学功能？这一系列的问题有待今后的研究者去研究和探索.

5 展望

美拉德反应复合物能够有效改善食品的功能特性并使其发挥各种重要的生物学功能，在食品和医药行业显示出巨大的应用潜力，但对美拉德反应各个阶段的反应机理研究还不够透彻，尤其是高级阶段产生的各类未知结构的化合物.研究显示美拉德反应中可能形成一些有害物物质[80]，如羟甲基赖氨酸可能导致糖尿病和心血管疾病，丙烯酰胺是标准的致癌物质[81]，美拉德反应的高级阶段产物可能导致糖尿病和老年痴呆等疾病[78].因此，美拉德反应复合物用作食品保鲜、营养保健品或医用产品时，应有效控制反应进程，避免有害产物的生成.另外，随着人们对保健养生意识的提高，开发出既有独特风味、又有营养保健功能的产品是消费者的追求，因此，美拉德反应复合物的消化性、毒性，以及抗氧化、抗菌、降血压、抗肿瘤等生物活性研究成为下一步研究的热点.另外，RNA 的糖基化也是将来生物医学或食品研究的另外一个热点.