第四节　肉类加工中的美拉德反应

一、美拉德反应过程

加热肉类和鱼贝类等富含蛋白质的食物，由于美拉德反应的发生，会产生色泽和风味。美拉德反应是自然界广泛存在的一种化学现象，由法国化学家Louis Camille Maillard于1912年发现，是指食物在加工储藏过程中羰基化合物和氨基化合物在一定温度下发生的一系列非酶褐变反应的总称。美拉德反应的一般反应机理分三个阶段。

（一）初始阶段

氨基酸和还原糖发生缩合反应，醛糖存在的条件下形成N-糖基胺，然后再经Amadori重排而形成1-氨基-1-脱氧-2-酮糖；酮糖存在时发生Heynes重排而形成2-氨基-2-脱氧-1-醛糖。

（二）中级阶段

分为三个途径：①Amadori重排产物1-氨基-1-脱氧-2-酮糖进行1，2-烯醇化反应，生成羟甲基糠醛化合物；②Heynes重排产物2-氨基-2-脱氧-1-醛糖发生2，3-烯醇化反应，生成糠醛化合物；③氨基酸和二羰基化合物发生缩合反应形成席夫碱（Schiff’s base），然后进行脱羧、加水反应，脱去一分子的二氧化碳，形成醛或酮类化合物，这也是美拉德反应生成风味物质的主要途径——Strecker降解。如，赖氨酸残基的非电离氨基ε-NH2-或末端α-NH2与还原糖的羰基，或与脂质氧化的次级产物发生反应。在与醛糖的反应中，形成不稳定的醛亚胺（席夫碱），进一步异构化为醛糖胺。

（三）终极阶段

即高级阶段，美拉德反应中间产物如醛类、酮类等与氨基化合物发生分子聚合，最终生成复杂的不溶性褐色聚合物——类黑素。

类黑素是分子结构未知的复杂高分子色素。在聚合作用的早期，类黑素是水溶性的，在可见光谱范围内没有特征吸收峰，它们的消光值随波长降低而以连续的无特征吸收光谱的状态增加。红外光谱、化学成分分析等试验表明，类黑素混合物中含有不饱和键、杂环结构以及一些完整的氨基酸残基等。在食品加工，特别是热处理工艺中形成的类黑素不仅直接影响着食品的风味、色泽和质地，同时可通过断开分子链清除体系中的氧和螯合金属离子，具有较强的抗氧化作用并延长食品的货架期。

二、影响美拉德反应的因素

影响美拉德反应的因素很多，美拉德反应除了受到糖类和氨基酸的影响，还受到温度、时间、水分活度、pH值等的影响，前者主要影响到产物种类，后者通常是反应的动力学影响因素。

（一）底物

1.糖类

在美拉德反应中，参与反应的糖可以是双糖、五碳糖和六碳糖。可用的双糖有乳糖和蔗糖；五碳糖有木糖、核糖和阿拉伯糖；六碳糖有葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等。反应的速度为五碳糖>己醛糖>己酮糖>双糖，开环的核糖比环状的核糖反应要快，因为开环核糖更利于Amadori产物形成。

2.氨基化合物

氨基酸的种类、结构不同会导致反应速度的很大差异，如氨基酸中的氨基在ε-位或末位比在α-位反应速度快，碱性氨基酸比酸性氨基酸的反应速度要快。氨基酸的选择对风味特征的影响很重要。含硫氨基酸对于肉类风味是必需的，要产生所需风味需要反应混合体系中含有特定的氨基酸。

（二）加工方式

美拉德反应速率受温度的影响很大，温度每变化10℃，褐变速度便相差3～5倍，温度越高反应越快。温度也是影响美拉德反应形成风味物质的一个最重要的因素。例如，对比烤肉和煮肉的感官品质，煮肉缺乏焙烤产品的特有香味。这主要是因为水煮肉的水分活度接近1.0，温度不超过100℃。而烤肉具有较低的水分活度和较高的表面温度，从而促进风味化合物的产生，所以尽管反应物相同，但烤肉却具有焙烤风味。

加热时间对于风味特征也很重要，延长美拉德反应的时间并不会使风味物质增多，但是会改变风味物质的最终平衡，从而改变了风味特征。

辐照也可以引起美拉德反应的进行。非还原性双糖——蔗糖在辐照的条件下有褐色物质形成。

（三）pH值

通常情况下，随着反应的进行pH值会降低。初始pH值大于7时，颜色物质生成很快；初始pH值低于7时，吡嗪类物质难于形成。在初始pH值低于2的强酸溶液中，氨基处于质子化状态，使N-糖基化合物（葡基胺）难以形成，从而使反应难以进行下去；初始pH值大于8时，反应速度难以控制。某些挥发性物质的形成有一个最适pH值，因此食品中pH值的一点小变化都有可能明显改变其加热后的香味特征。

（四）水分活度

水分含量在10%～15%时，反应容易发生，完全干燥的食品难以发生美拉德反应。若用美拉德反应制备肉类香精，水分活度在0.65～0.75最适宜，水分活度小于0.30或大于0.75反应很慢。

（五）金属离子

金属离子对美拉德反应的影响在很大程度上依赖于金属离子的类型，而且在反应的不同阶段，其影响程度不同。铁离子和亚铁离子能促进美拉德反应，且三价铁离子的催化能力比二价亚铁离子的强；钙离子和镁离子能减缓美拉德反应；钾离子和钠离子对美拉德反应影响不大。

（六）盐类

具有缓冲作用的盐类及其浓度也可能影响反应速度。缓冲盐对美拉德反应的影响各不相同，通常认为磷酸盐是最好的催化剂。磷酸盐对反应速率的影响取决于pH值，pH值在5～7时催化效果最好。

三、食品加工中的常见美拉德反应及其影响

大多食品的色、香和味，基本都是发生美拉德反应的结果。烘、烤、煎、炸等食品加工过程中发生的美拉德反应有利于食品的颜色和香味物质的形成。而在其他的一些食品加工过程中（如巴氏消毒、灭菌等）发生的美拉德反应对食品品质是不利的。除此之外，大量研究表明，美拉德反应产物具有良好的抗氧化性。但同时，美拉德反应会造成氨基酸消耗和糖及蛋白质损失，从而致使食品营养价值下降，甚至会产生有害物质。

（一）美拉德反应与食品色泽

美拉德反应最早就是由于葡萄糖和甘氨酸反应产生褐色物质而引起重视的，反应产生的褐色物质是食品色泽的重要来源之一。颜色的变化是一种极其重要的并且是表示美拉德反应程度的显著标志。颜色变化过程主要是形成不饱和灰色含氮聚合物或者多聚物，并由浅黄向黑灰色发展，这一过程主要取决于食物的类型或者反应的程度。褐变对于一些食品来说是必不可少的，如烤制食品，但在烤制过程中随着美拉德反应产物的积累，色泽不断加深，因此在加工过程中，可以通过控制美拉德反应的底物及条件来达到合适的褐变程度。

（二）美拉德反应与食品风味

食品加热过程中，高温使其中的蛋白质分解产生游离氨基酸并与糖分发生美拉德反应，从而产生风味物质。研究发现，风味化合物主要在美拉德反应的中、末级阶段形成。美拉德反应可产生适宜或不适宜的风味，如2-H-4羟基-5-甲基-呋喃-3-酮有烤肉的焦香味，可作为风味和甜味增强剂；而某些吡嗪类及醛类等是食品高火味及焦煳味的主要成分。因此可以通过选择氨基酸和糖类、控制反应条件，有目的地形成不同的香味。例如，烤牛肉风味形成，美拉德反应模型体系中底物最优配比为牛肉酶解液20g、葡萄糖1.0g、甘氨酸0.8g、硫胺素0.3g，最佳反应条件为120℃、pH 7.5、反应90min。该模型体系形成的肉香纯正，烤牛肉风味浓郁。

美拉德反应是生产肉味香精的主要反应，其反应基质主要是氨基酸和还原糖，其中损失最多的是半胱氨酸和核糖。肉类香气的主要成分是呋喃、呋喃酮、吡嗪、吡咯、噻吩、噻唑、咪唑、吡啶以及硫化氢和氨等含氧、氮、硫的杂环化合物和其他含硫化合物，碱性条件有利于含氮、硫、氧等杂环化合物的形成。并非所有的美拉德反应产物都可以产生香味，只有相对分子量小于200的化合物才会有牛肉味。有研究表明，参与美拉德反应的肽分子量在2000～5000U最好，也有研究发现，参与美拉德反应的肽分子量在1000～5000U的具有增强风味的作用。

（三）美拉德反应产物的抗氧化性

自20世纪80年代以来，美拉德产物（MRPs）的抗氧化性引起了广泛的关注。美拉德反应过程中生成醛、酮等还原性物质，它们有一定的抗氧化能力，尤其是防止食品中油脂的氧化作用较为显著，如葡萄糖与赖氨酸共存，经焙烤后着色，对稳定油脂的氧化有较好作用。

H.Jing发现酪蛋白-糖的MRPs能清除自由基，其中酪蛋白-核糖的反应产物可清除羟基自由基，酪蛋白-葡萄糖或果糖的反应产物只能清除二苯代苦味酰肼（DPPH）自由基。不同氨基酸与糖类的MRPs对冷藏的牛排脂质氧化有不同的抑制作用，木糖-赖氨酸、木糖-色氨酸、二羟基丙酮-组氨酸和二羟基丙酮-色氨酸的MRPs对牛排脂质氧化有较好的抑制作用。

MRPs的抗氧化研究报道很多，而将其作为有效的抗氧化剂应用于食品中还存在许多问题。这主要在于缺少有抗氧化活性的MRPs的特殊结构和对其抗氧化机理的研究。早期研究认为，MRPs中间体——还原酮类化合物的还原能力及MRPs的螯合金属离子的特性与其抗氧化能力有关；近年来研究表明，MRPs具有很强的消除活性氧的能力，也有认为MRPs的中间体——还原酮类化合物通过供氢原子而终止自由基反应链，并发现MRPs具有络合金属离子和还原过氧化物的特性。

（四）美拉德反应降低食品营养价值

美拉德反应后，有些营养成分损失，有些营养成分变得不易消化。因此，食品加工储藏过程中发生美拉德反应后，其营养价值有所下降，主要表现在以下方面。

首先是氨基酸的损失。赖氨酸占肉类蛋白质的7%～9%，占鱼贝类蛋白质的10%～11%。当一种氨基酸或一部分蛋白质参与美拉德反应时，显然会造成氨基酸的损失，这种破坏对必需氨基酸来说显得特别重要，其中以含有游离ε-氨基的赖氨酸最为敏感，因而最容易损失。

其次是糖和蛋白质损失。从美拉德反应历程中可知，可溶性糖在美拉德反应过程中大量损失；蛋白质上氨基如果参与了美拉德反应，其溶解度也会降低。由此，人体对氮源和碳源的利用率也随之降低。

另外，研究发现食品发生美拉德反应后，食品中矿物质元素的生物有效性也有所下降。Whitelaw等将65ZnCl2、甘氨酸、D-亮氨酸、L-赖氨酸、L-谷氨酸同D-葡萄糖结合并进行热处理，产生美拉德反应后，用透析的方法制得高分子（6～8kU）的65Zn化合物，然后进行动物实验，与对照相比，用上述方法制备出的美拉德反应产物结合锌的生物有效性大大降低。

（五）美拉德反应产生有害成分

美拉德反应产物除了能赋予食物特殊香气以及诱人的色泽外，其中某些成分还具有潜在的危害性。如今人们关注的热点是如何实现美拉德反应定向控制，即利用美拉德反应产生所需要的色泽香气，同时又最大限度降低有害物质的生成。

研究表明，食物中氨基酸和蛋白质通过美拉德反应生成了能引起突变和致畸的杂环胺物质。许多研究表明，反应底物和反应条件影响杂环胺化合物种类和数量的形成。在130℃下，丙氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型、苏氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型、甘氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型这3种模型体系更容易生成2-氨基-3，4-二甲基咪唑并[4，5-f]喹啉（MeIQ），其次是2-氨基-3，4，8-三甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（4，8-DiMeIQx）和2-氨基-3，7，8-三甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（7，8-DiMeIQx），而加热3h均未检出2-氨基-3-甲基咪唑并[4，5-f]喹啉（IQ）和2-氨基-3-甲基咪唑并[4，5-f]喹喔啉（MeIQx）类杂环胺。研究认为，与其他2个模型相比，丙氨酸-肌酸酐-葡萄糖模型形成的杂环胺相对较少。有关肉类中其他前体物质模型的建立，或关于复杂模型体系有待进一步深入研究。

目前对美拉德反应产生有害成分研究较为清楚的是丙烯酰胺。国际癌症研究机构已将丙烯酰胺列为潜在的人类致癌物。Capuano和Fogliano报道了丙烯酰胺的毒性，人体暴露在高浓度的丙烯酰胺下会引起神经损伤。因此食品中存在丙烯酰胺的问题引起了全球的关注。食品中丙烯酰胺主要产生于高温状况下，一般来说，食品在120℃下加热即会产生丙烯酰胺。此外，由美拉德反应产生的典型产物D-糖胺可以损伤DNA；美拉德反应产物对胶原蛋白的结构有负面作用，这将影响到人体的老化和糖尿病的形成。