食品中的美拉德反应及其影响

1、食品中的美拉德反应及其影响摘要:探讨了食品中发生的美拉德反应途径、底物、温度、水分活度、pH和金属离子等影响因素,同时讨论了抗菌性、抗氧化性和乳化性等食品功能性以及蛋白质的糖基化、溶解性和风味特性的修饰改进,并介绍了其对生物活性体的影响性以及丙烯酰胺等有害物质的生成与消除,丰富了食品化学理论并对食品加工生产应用有很好的指导意义。        美拉德反应(Maillard reaction) 又称羰氨反应(Amino-carbonyl reaction) ,是指羰基化合物(醛、酮、还原糖)与氨基化合物(氨基酸、蛋白质、胺、肽

2、)经缩合、聚合反应生成高分子量聚合物一类黑素(Melanoidin) 的反应 , 由法国化学家Maillard 于1912年在将甘氨酸与葡萄糖的混合液共热时发现的,反应产物为棕色聚合物,因此,该反应又称“褐变反应(Browning reaction) ”,属非酶褐变反应(Non -enzymatic browning reaction) 。1 Maillard反应机理美拉德反应可分成3个反应阶段,即初期( The early stage) 、中期( The advanced stage)和末期( The final stage)。1.1 初期阶段还原糖的羰基和氨基酸的自由氨基(-NH2)缩合生

3、成可逆的亚胺衍生物-薛夫碱( Schiffs base),由于该物质不稳定即刻环化成N-葡萄糖基胺(N-substituted glycosylamine)。N-葡萄糖基胺可在酸的催化下经过Amadori重排和Heys重排作用形成有反应活性的1-氨基-1-脱氧-2-酮糖(1-amino-1- deoxy-2-ketose) ,即酮糖基胺。这一阶段基本上无色素或风味物质形成。1.2 中期阶段当pH<7时,果糖基胺进1, 2-烯醇化反应,脱水生成羟甲基糠醛( hydroxymethylfurfural HMF) ,HMF的积累与褐变速度密切相关。当pH7时存在两个反应: 一是发生2, 3-烯

4、醇化形成还原酮( reductones)和二羰基化合物;二是发生裂解反应生成二乙酰、乙酸、丙酮醛等。这些产物都为高活性的中间体,还原酮可进一步脱水并与胺类物质缩合生成类黑素。氨基酸在二羰基化合物存在下可发生脱羧、脱氨作用成为少1个碳的醛,氨基则转移到二羰基化合物上形成-氨基酮,该反应也称为斯特勒克(Strecher)降解反应。 1.3 末期阶段该阶段通常是醛类物质与氨基化合物反应或吡咯、呋喃类的缩聚和Heyns反应生成高分子量的褐色色素4/4/类黑素(Melanoidins)或将导致蛋白质的交联。类黑素也可由低分子量的发色基团通过赖氨酸的- NH2或精氨酸与无色高分子量物质如蛋白质交

5、联, 聚合形成高分子量的有色物质（Hofmann) ;同时Hofmann认为类黑素可被分为分子量低于1000Da 和达到100000Da 二类有色物质。总之,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。类黑素本身有较高的安全性,不存在细胞毒素效应。2 Maillard反应的影响因素2.1 底物2.1.1糖类Jing发现核糖与酪蛋白的反应速度大于葡萄糖和果糖, 即五碳糖比六碳糖更易发生Maillard反应,且单糖比双糖(如乳糖)也更易反应。Kenji等研究壳聚糖发生的Ma

6、illard反应时,发现葡萄糖的反应速度快于纤维二糖,醛的反应速度要大于酮。2.1.2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-位或末位比在-位反应速度快 ,碱性氨基酸比酸性氨基酸的反应速度要快。2.2 温度    Maillard反应受温度的影响很大, 温度每变化10,褐变速度便相差35倍;同时Yu-Ting等在-聚赖氨酸(-polylysine,-PL)-葡聚糖的反应中,发现在温度大于80时反应速度较快,小于60时反应速度较慢。2.3 水分活度和pHSandra 等发现饼干面团在105135下,0.040.4的Aw 条件下将

7、不会对其褐变产生影响。Laura等对-乳球蛋白和葡聚糖的Maillard反应研究发现, Aw = 0.65、55时比Aw = 0.44、60的褐变速度快;且pH39范围内Maillard反应速度会随pH上升而增加,当然这主要是稀酸条件下Schiffs base环化产物极易水解所引起的缘故。由此可知,一定范围条件下,Maillard褐变反应速度与水分活度和pH都呈正相关影响。2、4 金属离子Cammerer等的研究指出铁离子能促进Maillard反应,且三价铁离子的催化能力比二价亚铁离子的强。2、5 亚硫酸盐反应物的羰基可以和含亚硫酸根的亚硫酸钠(Na2SO3 )或亚硫酸氢钠(NaHSO3)等结

8、合形成加成化合物,并与氨基化合物缩合,使该缩合产物不能再进一步生成Schiffs base和N-葡萄糖基胺。此外,亚硫酸根还能与中间产物中的羰基结合形成加成化合物使其褐变活性远低于氨基化合物和还原糖所形成的中间产物。因此,亚硫酸盐抑制Maillard反应褐变产生的机理主要是其捕获了具有强褐变活性的中间体,同时消耗氧和降低pH以间接地阻断Maillard反应的发生。3Ma illa rd反应对食品加工性能的影响蛋白质与糖类物质通过Maillard反应的羰氨缩合作用,可对蛋白质的溶解性能、乳化性能和抗氧化性能产生一定的影响。3.1 溶解性Chung等通过壳聚糖-多糖的Maillard反应来增加壳聚

9、糖的水溶性,特别是在中性或碱性溶液中的溶解性能。且pH一定时,壳聚糖-葡萄糖胺衍生物的溶解性比酸溶性的壳聚糖更好。同时壳聚糖葡萄糖胺尚具有较强的金属离子螯合性。赵希荣在利用壳聚糖作为氨基供应体与含醛基的葡萄糖间发生Maillard反应的研究中,得到了较大水溶解性和较强抗氧化能力的反应产物。Katayama等用葡萄糖与鱼肉肌原纤维蛋白质进行美拉德反应,发现在溶液中的肌原纤维蛋白质与葡萄糖以118 (ww)混合,在温度50、相对湿度5%95%条件下发生反应。结果表明,相对湿度5%和35%时的反应产物在低离子强度溶液中的溶解性可显著提高,接近在高离子强度溶液中溶解性。但相对湿度65%下的反应产物在低

10、离子强度溶液中的溶解性会减弱,相对湿度达到95%时其溶解性几乎丧失。因此,美拉德反应可改变肌原纤维在低离子强度下的溶解性,且相对湿度和葡萄糖浓度是降低肌球蛋白热变性的重要因素。Saeki在研究低离子强度下,鱼肉蛋白质与还原糖发生糖基化反应使肌球蛋白水溶性增大的同时,肌动蛋白对肌原纤维细丝的成形能力下降,并将以其单体形式存在于低离子强度的溶液中。相关研究已发现,鲤鱼和贝类肌肉蛋白质在糖基化反应中分别有效利用了赖氨酸在69%和73%时,其肌动蛋白的等电点分别从4.98和5.03降到4.17和4.29,由此便可得到97%和83%的溶解性能。此外, Saeki在0.05mol /L低离子浓度溶液中利用

11、鱼肉肌原纤维蛋白质与海藻酸盐的糖基化反应,仅消耗肌原纤维蛋白质中4%的赖氨酸便可将其蛋白质溶解性提高到76%。同样Takeda等将鱼肉鱼糜平均聚合度为6的藻胶低聚糖山梨醇按照111混合后,经冷冻干燥并在温度60、相对湿度5%95%条件下,通过美拉德反应将低聚糖转接到肌原纤维蛋白上。结果表明,反应随着相对湿度加大而增加,在相对湿度65%和95%时,结合到蛋白质的低聚糖量可达150g/mg。该糖基化反应尚可改变蛋白质的溶解性,特别是在相对湿度35%的反应产物有较好的水溶性和在室温下有较高的稳定性,这种糖基化反应也将作为加工过程中抑制蛋白质变性的有效手段。3.2 乳化性能Beatriz等通过研究发现

12、,利用蛋白质- 多糖的Maillard型糖基化反应可使原本在酸性或盐溶液中丧失乳化性能的-乳球蛋白(- LG)具有乳化性能,且随Maillard 反应产物(MPRs)的降解而减弱。Yu-Ting等发现特别在中性或碱性(pH710)条件下,-聚赖氨酸- 葡聚糖的乳化性能比现有市售的乳化剂好,其乳化性能不会因高盐浓度而下降,但会随pH的降低而减弱。日本学者Takano等选用紫菜聚糖对大豆分离蛋白进行不同条件下的Maillard反应,其中pH4.5下反应的生成物可pH2.08.0广谱范围内具有较好的水溶性及乳化性能。另外,在pH6.3下的反应生成物,除有上一产物较好的水溶性和乳化性能外,还表现出比大

13、豆分离蛋白更耐受胰蛋白酶抑制剂的能力。而且这两种反应产物在体系中添加Ca2+和Mg2+情况下也不会凝聚,因此可作为稳定剂用于大豆分离蛋白的饮品中。3.3 抗氧化性能Qingping经研究指出Maillard反应产物(MRPs)中的高分子量(Mw >3500)部分如类黑素具有清除自由基的抗氧化作用并与420nm的光吸收值相关; H.J ing 15 发现酪蛋白- 糖的Maillard反应产物(MRPs)同样能清除自由基,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;万素英等利用木糖与甘氨基酸或赖氨酸经Maillard反应可分别得到具抗氧化活性的产物,即甘氨酸-木糖反应物摩尔比11的水溶液(pH5)于90油浴加热6h,其Maillard反应产物可表现