婴幼儿配方奶粉美拉德反应指示物研究进展

贾宏信，苏米亚，陈文亮，刘海安

乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院（上海 200436）

婴幼儿配方奶粉是母乳的最佳替代物，也是人工喂养婴儿的唯一营养来源，其营养特性对婴幼儿的生长发育至关重要[1]。为保证婴幼儿的食用安全，婴幼儿配方奶粉往往会经历较高的热处理工序，以保证其微生物安全和实现制粉，另外奶粉含水量低产品货架期较长（1.5～2年），这些因素都会对婴幼儿配方奶粉的营养价值产生影响[2-3]。其中，加工和贮存过程中的Maillard反应是婴幼儿配方乳粉加工及贮存过程中不可避免的品质劣变，该反应的发生不但会影响婴幼儿配方奶粉的营养价值，还会产生一些不利于婴幼儿健康的产物，如糠氨酸（furosine）、羟甲基糠醛（5-hydroxymethyl-2-furfuraldehyde，HMF）、糠醛（2-furaldehyde，F）、呋喃甲基酮（2-furylmethylketone，FMC）、甲基糠醛（5-methyl-2-furaldehyde，MF）、羧甲基赖氨酸（carboxymethyl lysine，CML）、羧乙基赖氨酸（carboxyethyl lysine，CEL）等[2,4-8]。就婴幼儿配方奶粉Maillard反应中前期的主要产物糠氨酸和糠醛类化合物进行综述，并对其形成过程进行分析，为婴幼儿配方奶粉加工及其贮存提供参考。

1 婴幼儿配方奶粉Maillard反应

1.1 婴幼儿配方奶粉Maillard反应过程

早在1912年，法国化学家Maillard提出美拉德反应，它是一种由羰基化合物（糖类）和氨基化合物（胺、氨基酸、肽和蛋白质）在食品加工和贮存过程中发生的非酶褐变反应[9]。Maillard反应可分为初级阶段、高级阶段和最终阶段3个阶段（图1）。初级阶段，氨基酸与还原糖缩合形成希夫碱（Schiff’s base），经环化、重排形成阿姆瑞德（Amadori）化合物。高级阶段，Amadori化合物在不同的环境中发生不同反应，主要有：Amadori化合物在酸性环境中经过1, 2-烯醇化反应生成3-脱氧酮糖；在中性环境中经过2, 3-烯醇化反应产生1-脱氧酮糖，并进一步生成还原酮类及脱氢还原酮类；在碱性环境中降解为4-脱氧酮糖。最终阶段，目前对其反应机理尚无明确的理论，仅明确其主要的产物为类黑精（melanoidins）[10-12]。婴幼儿配方奶粉的Maillard反应初期阶段，因其主要的还原糖为乳糖，且游离的赖氨酸含量较少，因此其Maillard反应主要为乳糖与蛋白质中的赖氨酸氨基基团作用形成Schiff’s base，然后经Amadori重排转化为与蛋白质结合的Amadori化合物（1-脱氧-1-氨基）乳糖赖氨酸[（1-deoxy-1-amino-）lactulosyllysine]，此化合物在热处理不剧烈或者短时期内会稳定存在，经过酸水解可以形成糠氨酸、羧甲基赖氨酸和羧乙基赖氨酸等。高级阶段，为Amadori化合物的裂解反应，3-脱氧酮糖反应生成羟甲基糠醛（HMF）、糠醛和吡咯素（pyrraline）等，1-脱氧酮糖生成β-吡喃酮（β-pyranone）和3-呋喃酮（3-furanone）等。最终阶段，Maillard反应生成类黑精，而类黑精多与蛋白质形成复合物[4-5,12]。

图1 婴幼儿配方奶粉美拉德反应

1.2 婴幼儿配方奶粉Maillard反应影响因素

对于婴幼儿配方乳粉的加工过程而言，影响乳粉Maillard反应的因素有配方中乳糖、赖氨酸含量、加工过程温度、加工时间等。婴幼儿配方奶粉中富含蛋白质和还原糖（乳糖），其加工过程需经历高温（杀菌、浓缩、喷雾干燥等），因此极易发生Maillard反应。此外，婴幼儿配方奶粉还含有丰富的脂质（多不饱和脂肪酸）、矿物质和维生素等对Maillard反应起促进作用的物质，可以进一步促进Maillard反应的发生。研究显示多不饱和脂肪酸、铁和维生素C等会增加羟自由基的形成[13-16]，赖氨酸糖基化和色氨酸氧化[16-17]。在贮存过程中，包装（气调）、贮存温度、贮存时间、产品的水分活度等也会影响婴幼儿配方乳粉的Maillard反应。虽然一般婴幼儿配方奶粉处于干燥、隔氧、避光的状态，但是Maillard反应却一直在发生。研究显示在低温干燥的食品体系中Maillard反应进展缓慢，但Maillard反应仍会引起奶粉色泽（类黑精）、气味（醛类和酮类）及营养指标赖氨酸等改变[18]。

2 婴幼儿奶粉中糠氨酸

2.1 婴幼儿奶粉中糠氨酸水平

乳制品中的糠氨酸，是乳蛋白质在高温条件下与还原糖（乳糖等）发生“Maillard”反应所产生的系列产物之一。糠氨酸[ε-N-（2-呋喃甲基）-L-赖氨酸]由Erbersdobler 等[19]于1966年发现其化学性质稳定，是Maillard反应早期产物Amadori化合物（1-脱氧-1-氨基）乳糖赖氨酸的酸水解产物[20]。多年来，糠氨酸已成为乳品加工过程热处理类型和强度、配方、贮存对乳品质量影响的指示物[11,20]，如我国农业行业标准NY/T 939—2016《巴氏杀菌乳和UHT灭菌君如中复原乳的鉴定》就使用糠氨酸水平来区分巴氏杀菌乳、UHT杀菌乳等[21]。婴幼儿奶粉实际加工过程中，相比于巴氏杀菌乳和UHT杀菌乳具有更高的热处理工序，因此其糠氨酸水平可能会更高。表1数据显示：婴儿配方奶粉中糠氨酸水平范围为55～1 937 mg/100 g蛋白，且多数研究显示糠氨酸含量在300 mg/100 g蛋白以上；较大婴儿配方奶粉糠氨酸水平范围为141～1 467 mg/100 g蛋白，且多数研究显示含量在600 mg/100 g蛋白以上[2,22-30]。数据显示较大婴儿配方奶粉糠氨酸水平高于婴儿配方奶粉。对于这一现象，其可能是因为两者的配方组成不同导致的，如婴儿配方奶粉含有的蛋白质较低，但乳清蛋白含量较高，以及两者的矿物质含量、脂肪含量也存在差异。刘斌等[6]通过分析婴儿配方奶粉和较大婴儿配方奶粉在生产加工过程中糠氨酸含量的差异也发现，同一生产线下生产的婴儿配方奶粉的糠氨酸含量显著低于较大婴儿配方奶粉。

表1 婴幼儿配方奶粉中糠氨酸含量

2.2 加工工艺及配方组成对婴幼儿奶粉糠氨酸的影响

婴幼儿配方奶粉中蛋白质含量为0.43～0.96 g/100 kJ，碳水化合物含量为1.8～3.6 g/100 kJ，且碳水化合物主要为乳糖，以及婴幼儿配方奶粉在加工制造过程中需经历灭菌、浓缩、喷雾干燥、流化床二次干燥等热加工工序，这些都会导致糠氨酸的生成，另外随着奶粉贮存时间的延长，糠氨酸含量也会随之增高。根据奶粉生产工序的受热程度，一般认为浓缩和喷雾干燥2道序会造成糠氨酸大量升高，因此这2道工序也是控制婴幼儿奶粉糠氨酸的关键工序。如刘斌等[6]研究显示，婴儿配方奶粉的糠氨酸水平在原料乳、杀菌、浓缩、硫化床二次干燥和包装5道工序内，糠氨酸的最高值出现在浓缩工序。Contreras-Calderón等[23]研究显示在配料（除植物油外）、植物油混合、喷雾干燥3道工序中，糠氨酸的最高值出现在喷雾干燥工序。研究提示，在婴幼儿奶粉生产过程中，热加工工序（主要为浓缩工序和喷雾干燥工序）为控制婴幼儿奶粉的关键控制点，在实际生产婴幼儿配方奶粉时需对这些热处理工序进行优化与控制。除了加工工艺对婴幼儿配方奶粉糠氨酸含量的影响外，奶粉配方本身也会影响其糠氨酸的生成。研究显示，配方糖类成分及含量、蛋白质种类及金属离子的种类等都会影响糠氨酸的生成[23-24]，如：当配方中的乳糖部分被麦芽糊精替换后，其糠氨酸水平会显著下降；乳清蛋白被部分水解乳清蛋白替换时，其糠氨酸水平也显示出显著降低[23]。

2.3 贮存条件对婴幼儿奶粉糠氨酸的影响

婴幼儿配方奶粉一般具有较长的货架期，因为Maillard反应在贮存过程中会持续发生，因此其糠氨酸也会持续发生。研究显示奶粉的包装、贮存温度、贮存时间等都会影响奶粉中糠氨酸的含量，而且其含量一般随贮存温度升高而升高，随贮存时间延长而升高[28-29]。Guerra-Hernández等[28]研究婴儿配方奶粉分别在氮气和氧气环境中，温度在20 ℃和55 ℃条件下储存90 d的糠氨酸含量变化，结果显示糠氨酸的含量随着贮存延长而提高，且同种温度下氮气气调下糠氨酸的水平会升得更高，同种气调条件下温度越高糠氨酸的水平会升得越高。Ferrer等[29]发现气调（二氧化碳和氮气气调，残氧≤3%）后的婴儿配方奶粉20 ℃或37 ℃储存24个月，婴幼儿配方奶粉的糠氨酸含量曾现增高趋势，且37 ℃下相比于20 ℃增高更加明显，如婴儿配方奶粉货架期跟踪至24个月，糠氨酸含量从0个月的161.5 mg/100 g蛋白，20 ℃下增高至647 mg/100 g蛋白，37 ℃下增高至863 mg/100 g蛋白。这些研究说明在贮存过程中温度和时间是影响婴幼儿奶粉糠氨酸生成的主要因素，但同时其还受包装（气调）方式的影响，提示婴幼儿配方奶粉的生产加工和货架期设定需要考虑气调方式及产品的存放环境。

3 婴幼儿奶粉中糠醛类化合物（Furfurals）

3.1 婴幼儿奶粉中糠醛类化合物的水平

乳制品中的糠醛类化合物主要有HMF、F、FMC和MF，其中HMF和F为检出频率和检出量最高的2种糠醛类化合物，而FMC和MF的检出频率和检出量都较低[3,26]。由图1所示，乳制品中的HMF来源途径分为2种：一种为乳糖异构化和降解，称为游离羟甲基糠醛；另一种为Maillard反应中乳糖与蛋白质中的氨基酸发生Amadori重排生Amadori产物，通过酸水解Amadori产物而生成羟甲基糠醛，称为结合羟甲基糠醛[31]。Berg等[32]的研究显示，牛乳中HMF的主要来源为乳糖的异构化与降解而不是Maillard反应。为了区分不同来源的5-HMF，研究者将不经过水解而直接测定的糠醛化合物称为游离糠醛化合物，水解后由糖、Amadori产物生成的所有糠醛化合物称为总糠醛化合物[33]。婴幼儿配方粉中F-HMF（游离羟甲基糠醛）含量范围为6～1 412 μg/100 g，总羟甲基糠醛（T-HMF）含量范围为0～2 925 μg/100 g，F-F（游离糠醛）含量范围为0～128 μg/100 g，T-F（总糠醛）含量范围为6～256 μg/100 g[2-3,28,30,34-42]。数据说明婴幼儿配方粉中糠醛类化合物在不同产品中差异大，同时也说明非Maillard反应产生的糠醛也大量存在于婴幼儿配方中，实际跟踪婴幼儿Maillard反应产物糠醛类化合物含量水平时，需同时考虑用游离糠醛化合物和总糠醛化合物这2类糠醛化合物含量水平评估。婴幼儿配方奶粉与不同品类乳制品糠醛类化合物含量的对比为巴氏杀菌牛奶＜超高温牛奶＜原味发酵牛奶＜婴儿奶粉＜成人奶粉＜复原奶粉＜炭烧发酵乳＜复原酸奶[34]。

表2 婴幼儿配方奶粉中糠醛类化合物含量

3.2 加工工艺及配方组成对婴幼儿配方奶粉糠醛类化合物的影响

基于婴幼儿配方奶粉加工工艺需要经历多个热处理过程及糠醛类化合物有两个生成路径。研究显示[3,6]，在加工过程中，婴幼儿配方奶粉中糠醛类化合物主要出现在热处理较强的浓缩和喷雾干燥工序。如Shen等[3]依据乳粉加工工艺流程详细分析婴幼儿配方奶粉加工过程中各阶段料液/物料（原料乳、净化乳、巴氏杀菌乳、均质乳、浓缩乳、喷雾干燥粉）的糠醛类化合物的含量，结果显示F-HMF和T-HMF从巴氏杀菌乳开始含量快速上升，且在喷雾干燥阶段达到最高；而F-F主要在喷雾干燥工序产生，T-F从均质工序含量快速上升，且在浓缩、喷雾干燥阶段达到最高。结果显示婴幼儿加工过程中糠醛类化合物主要产生于热加工过程中，如巴氏杀菌、浓缩及喷雾干燥工序，同时也说明婴幼儿奶粉中存在非Maillard反应糠醛类化合物，其该类化合物也受加工工艺的影响。进一步研究显示，配方组成的不同也会影响糠醛类化合物的生成，如：刘斌等[6]的研究显示，较大婴儿配方奶粉相对于婴儿配方奶粉具有更高的HMF含量；Ferrer等[42]通过对比分析较大婴儿配方（碳水化合物54%，其中乳糖32.4%，麦芽糊精21.6%）和婴儿配方奶粉（碳水化合物（乳糖）55%）发现，较大婴儿配方奶粉中HMF和F的含量都高于婴儿配方奶粉。研究说明，加工工艺（加工过程热处理强度）、产品配方（特别是乳糖）组成等都会影响婴幼儿配方中糠醛类化合物的生成。但研究显示，婴幼儿配方中添加DHA不会对产品糠醛类化合物含量造成影响，也不会影响其贮存期糠醛类化合物含量[38]。

3.3 贮存条件对婴幼儿配方奶粉糠醛类化合物的影响

类似于糠氨酸，贮存过程中影响糠醛类化合物的因素主要有贮存时间、贮存温度和包装形式。且糠醛类化合物的变化趋势一般也表现为随着时间的延长而升高。另外，因为Maillard反应是一个动态变化过程，及糠醛类化合物还会进一步反应产生终端Maillard产物，因此在婴幼儿配方奶粉考察期，糠醛类化合物最高值并不一定出现在研究考察的末期，如：Albala´- Hurtado等[40]研究显示，婴幼儿配方奶粉和婴幼儿配方奶中的F-HMF、T-HMF、F-F和T-F在考察期都随贮存期的延长（0～9个月）而增高，且在不同贮存温度下（20，30和37 ℃），贮存温度越高HMF和F的升幅越大；Ferrer等[39]通过跟踪20 ℃和37 ℃下奶粉的整个货架期（24个月）发现，婴幼儿配方奶粉的糠醛类化合物含量在货架期内存在一定波动，如婴儿配方奶粉F-HMF的含量在37 ℃下第18个月高于第15和第21个月，T-HMF的含量第15个月高于18个月，F-F只有在第18个月有检出等。一般而言，婴幼儿配方奶粉为充氮或充氮和二氧化碳密闭保存，且产品处于隔氧、避光状态，有利于婴幼儿配方奶粉货架期品质的稳定，但是婴幼儿配方奶粉在食用时会打开包装破坏这一密闭环境，造成配方内Maillard反应加速，影响产品的品质。如Chavez-Servin等[35]详细分析20款婴幼儿配方奶粉开口后在室温（25 ℃）条件下贮存70 d的T-HMF和T-F含量变化，结果发现奶粉开口后Maillard反应会得到增强。

4 结语与展望

婴幼儿配方奶粉在加工及贮存过程中会发生Maillard反应，并形成一些不利于婴幼儿健康的Maillard产物，特别是糠氨酸和糠醛类化合物。这些化合物的形成不但与产品配方、加工工艺相关，且与产品后期的贮存条件（温度、时间、包装形式等）相关。因此为了婴幼儿健康，需对婴幼儿配方奶粉的Maillard反应足够重视，并研究相关控制措施。根据Maillard反应的具体影响因素，今后需重点关注婴幼配方奶粉的热加工工艺和贮存条件，并解决如下问题：研究配方组成（特别是蛋白、碳水化合物）与婴幼儿配方奶粉Maillard反应产物的量化关系，确认配方优化技术路线；重点研究杀菌、浓缩和喷雾干燥工序与Maillard产物的量化关系，并建立相关工艺关键控制措施；开展Maillard产物与婴幼儿健康的相关关系研究，为婴幼儿配方乳粉相关指标的控制提供参考依据，以促进婴幼儿配方乳粉的健康发展。