美拉德反應產物功能特性應用研究進展

章銀良，蔡亞玲，李鑫

(1.鄭州輕工業學院 食品與生物工程學院，鄭州 450002；2.食品生產與安全河南省協同創新中心，鄭州 450001)

美拉德反應(Maillard reaction，MR)是食品熱加工、烹飪及儲存過程中只要含有氨基的氨基酸或蛋白質和含有羰基的還原糖，即可發生的一個無處不在的復雜的食品化學反應。該反應可以產生大量的無色香氣化合物、紫外吸收中間體和深棕色高分子化學物類黑素等，我們把這些產物稱為美拉德反應產物(Maillard reaction products，MRPs)。大量研究表明，MR過程中會不斷地影響食品的顏色、風味、營養價值及安全性等。該反應的存在可以使食物得到誘人的色澤、濃郁的芳香和醇厚的滋味而受到人們的大量關注。然而在得到益處的同時，有些食品在生產中因該反應的存在可能會導致食品的營養價值有所下降，如：牛奶和果汁在生產中MR會促進產品顏色加深[1]。因此，在食品工業中，合理地使用MR非常重要。

近幾年的研究發現，MRPs雖然與食品的安全性有著非常密切的聯系，但其在食品的風味、貨架期和穩定性等方面也發揮著至關重要的作用，且具有多種多樣的生物活性如抗氧化、抗菌、抗誘變、降血壓[2]和抑菌性[3]。本文主要針對MRPs在食品中的具體應用進行總結，以期為相關方面課題的研究提供一定的參考，更好地促進食品工業的快速發展。

1 MRPs對食品風味的影響

自從1914年Ruckdeschel報道了MR形成香氣的機理后，其形成香氣的化合物成為眾多研究者研究的焦點。MR是極其復雜的，其產物是焙烤食品香氣的重要組成部分，不僅能夠產生大量具有風味的化合物，而且能夠焙烤出極具適口性并且可以使消費者接受的咖啡、肉和面包等食品[4]。MRPs明顯有助于食品加工和儲存過程中風味的形成，一些研究人員因其具有良好的風味特性將其運用在食品中。國外的研究主要是為了改善食品的風味，而國內主要是利用MR嘗試制備香精香料，由于這類香精香料主要是由食物所制得的，所以對人們的健康基本上沒有什么影響，正因如此，MR在這方面發展比較迅速。目前大多數科學家對反應時間、反應底物、反應溫度以及分子量大小的MRPs的風味進行了研究。

1.1 反應時間的MRPs對食品風味的影響

Cui Chun等[5]研究脫脂花生粕與葡糖糖漿水解物在120 ℃分別反應不同的時間來研究其產物的風味特性，并運用GC-MS測定沙琪瑪中的揮發性化合物，結果發現在沙琪瑪中共存在34種揮發性化合物，主要包括醛類化學物(8種)、酮類化合物(4種)、酯類化合物(4種)、呋喃化合物(3種)和含氮的化合物(4種)。隨著MR的進行，醛的含量增加。由于醛的氣味閾值較低，所以其對食品的香氣產生了巨大的影響。這些結果表明MRPs可以作為風味增強劑來提高沙琪瑪的感官性質。李迎楠等[6]以牛肉、牛骨的酶解液和木糖為研究對象，分析了在105 ℃不同反應時間(30，45，60，75，90 min)下對MRPs風味品質的影響。結果表明：不同的反應時間，MRPs中揮發性風味物質種類及相對含量存在著明顯的差異，如相對應的反應時間下分別檢測出的揮發性風味物質42，40，43，43，41種。而105 ℃條件下反應60 min所得到的MRPs肉香味濃郁，回味悠長，這為MR的風味物質更好地在食品中的研究應用提供了一定的理論參考。

1.2 反應底物的MRPs對食品風味的影響

由于MR是不同的氨基與羰基之間發生的非酶褐變反應，所以不同的糖和氨基酸或蛋白質的種類不同，生成的產物也就不同，不同的產物所呈現出的香味也各不相同。研究表明：大多數的氨基酸和還原糖相互反應可以產生人類所能接受或令人愉悅的香氣，但是也有少部分會發出難聞的氣味，所以選擇合適的MR底物可以得到所需的特定風味物質。

王旭等[7]在氨基酸對MRPs呈香特性的研究進展中介紹了不同種類氨基酸的MRPs的呈香特性是不同的，如：半胱氨酸和核糖是制備肉味香精最常用的底物；脯氨酸和葡萄糖在酸性條件下可以產生花香氣味。分別從模型體系和真實食物兩個方向闡述了氨基酸對MRPs呈香特性的影響，對預測MRPs呈香特性提供了很大的幫助。錢敏等[8]利用3種氨基酸(半胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸)和2種還原糖(木糖、葡萄糖)作為反應底物，在一定的反應條件下，模擬MR制備香精，并對其香氣成分進行了綜合分析。結果表明：由半胱氨酸參與的反應，其產物中有雞肉味；甘氨酸則產生焦糖風味，該產物的風味十分豐富，且該風味更易被人們所接受；而谷氨酸的參與會使反應產物產生苦杏仁等異味。MR過程中，氨基酸種類越多，反應后的產物風味就越豐富，由3種氨基酸共同參與的反應產物，風味物質最多并且最好。

1.3 反應溫度的MRPs對食品風味的影響

MR是一個極其復雜的化學反應，受溫度、水分活度、時間和初始pH值的影響較大。在這些因素中，溫度是影響MR速率和食品風味特征的最主要因素[9]。

肖作兵等[10]采用GC-MS來分析不同氧化溫度(60～180 ℃)處理條件下濃香雞油進行的雞脂-MR的香氣。通過對雞脂-MRPs中含有的氧化合物進行分析可知醛類和醇類含量隨溫度的升高而增加，得出氧化溫度在100 ℃時產物的風味較佳的結論。由于雞骨蛋白經酶解后可以生成小分子肽和氨基酸，易于與還原糖發生MR，因此鄭曉杰等[11]研究了不同溫度(60，80，100 ℃)下雞骨酶解液-木糖MRPs揮發性風味成分的變化規律，得出溫度是影響雞骨酶解液MRPs揮發性風味成分的一個重要因素，隨著溫度的升高，雞骨酶解液MRPs中揮發性風味成分明顯增加。該研究還表明：雞骨酶解液MRPs中醛、酮、酯類化合物增加，且鑒定出酸類物質和雜環類化合物，其中3-乙基呋喃、2，6-甲基吡嗪等雜環類化合物對產物整體肉香風味形成有著重要的貢獻。

1.4 分子量大小的MRPs的風味特征

劉平等[12]為分析不同分子量分布的美拉德產物在清湯中的呈味特性，利用超濾及葡聚糖凝膠色譜技術將美拉德產物分為小于1000 u，1000～5000 u和大于5000 u 3種不同的分子量大小。結果表明：不同分子量段的MRPs均不同程度地提升了清湯的鮮味、醇厚味和持續性，其中1000～5000 u 的美拉德產物增強風味的效果最顯著，其次是小于1000 u 的產物。該研究可運用在開發不同產品風味增強劑的基料。

目前，MR的探索與研究主要集中在影響MR的因素和條件的優化上，對其香氣成分的研究較少。相信隨著反應機理和應用研究的不斷深入，利用MR生產天然綠色的天然風味物質一定會實現。

2 MRPs的抗氧化性能

近十幾年來，抗氧化作用因在醫療、保健和食品保鮮等領域內占有越來越重要的地位而引起人們的普遍關注。大量的研究表明：MRPs具有多種多樣的生物活性，能夠清除自由基，具有一定的還原力和金屬離子螯合力等。其中，某些產物的抗氧化活性甚至可以和常用的食品添加劑相媲美[13]。因此，目前對MRPs的抗氧化活性的研究成為眾多研究者的摯愛。但其抗氧化活性受很多因素的影響，如不同的加工方式和反應體系得出的產物具有不同的抗氧化活性。

2.1 加工方式對MRPs抗氧化性能的影響

食品的加工過程中會發生MR，而不同的加工方式會對MR產生一定的影響。日常生活中，對食品進行的加工方式最常見的是普通加熱方式。隨著社會生活的不斷提高，微波加熱在快節奏的生活中越來越常見。微波加熱和普通加熱相比，前者不僅可以大大縮短加熱時間、降低生產成本，而且可以提高產率和產品的保藏性[14]。

董樂[15]以DPPH自由基清除率為指標，研究了2種氨基酸(脯氨酸和L-賴氨酸)與葡萄糖在不同反應條件下微波加熱MRPs的抗氧化活性，由于微波爐的輸出功率大、微波發射次數多，所以反應物溫度上升得也比較快，使得較低功率(800 W)和較短時間(5 min)下MR即可達到和普通加熱相同的抗氧化效果。這一研究結果與魯偉、張凌燕等對精氨酸與葡萄糖MRPs抗氧化活性的研究條件一致[16,17]。顧宗珠等[18]以香菇酶解液和葡萄糖為底物制備的MRPs，相同的微波功率(800 W)條件下，僅僅加熱4 min即可得到理想的MRPs。

2.2 反應體系對MRPs抗氧化性能的影響

報道，目前對MR的研究較多地集中在模擬體系、半模擬體系以及溶劑體系中。而不同的反應體系對MRPs的抗氧化活性是不同的，因此對不同的反應體系下MRPs的研究是非常有必要的。

2.2.1 模擬體系

目前研究中對模擬體系MRPs的抗氧化活性研究較多。Zhang Ru等[19]通過在蘆丁中加入賴氨酸，蘆丁在加熱過程中釋放出鼠李糖和葡萄糖與賴氨酸相互作用，發生MR，可以使體外自由基清除活性和HepG2細胞的氧化應激作用增強，研究得出賴氨酸MRPs可以增加蘆丁的抗氧化活性。Vhangani Lusani Norah等[20]在不同的反應溫度和時間下，以果糖-賴氨酸和核糖-賴氨酸模擬MRPs的抗氧化活性，以DPPH自由基、過氧化氫自由基、羥基自由基清除率以及還原力為測定指標來衡量其抗氧化活性，MRPs通過電子轉移、氫原子供體和間接金屬鰲合作用顯示其抗氧化活性，得出核糖-賴氨酸比果糖-賴氨酸模擬體系的抗氧化活性更高。Zhang Y等[21]采用木糖、葡萄糖和不同的氨基酸(甘氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺和半胱氨酸)模擬MR來制備MRPs，考察不同的反應條件對褐變、熒光特性和抗氧化活性的影響，結果表明糖類和氨基酸不同其抗氧化活性也不相同，大部分的MRPs都具有一定的抗氧化活性，隨著反應時間的增加，其抗氧化活性增強，還發現其抗氧化能力與褐變成正比，但與熒光強度的變化沒有明顯的聯系。Yilmaz Y等[22]利用組氨酸與葡萄糖在水溶液里進行不同時間和溫度的MR，通過測定藻紅蛋白對氧自由基的吸收能力來測定其產物的抗氧化活性，研究發現在100 ℃加熱30 min其產物沒有抗氧化活性，120 ℃分別加熱10，20，30 min的產物具有極其顯著的抗氧化活性，然而在120 ℃加熱30 min以上產物對自由基的清除活性降低，其可能是因為MRPs早期反應階段抗氧化活性退化。因此，為了更好地利用MRPs的抗氧化活性，合理地控制其反應條件尤為重要。

2.2.2 半模擬體系

目前對MR的研究多集中在模擬體系而對半模擬體系的研究比較少。2016年章銀良等[23]研究了4種不同品種的魚肉(鰱魚、草魚、鯽魚和鯉魚)蛋白和D-木糖半模擬體系進行MR，恒溫油浴加熱制備MRPs，以DPPH自由基清除率作為MRPs的抗氧化活性測定指標。研究結果表明：鯽魚蛋白-D-木糖組合對DPPH自由基的清除率最高，MRPs的抗氧化活性最強。Limsuwanmanee Jutaporn等[24]研究了在100 ℃、pH為12的條件下加熱120 min得到的黃貂魚的非蛋白氮部分與糖(葡萄糖、半乳糖和果糖)模擬體系MRPs的抗氧化活性。結果表明：經過熱處理的黃貂魚非蛋白氮-糖反應所產生的MRPs具有抗氧化活性，尤其與果糖的反應得到的產物還原力、自由基清除率和對活性氧種類的清除活性明顯比單一的非蛋白氮要高，但是該產物不利于金屬鰲合作用。黃貂魚非蛋白氮和糖發生的MRPs能夠作為初級或二級抗氧化劑，可以作為一種新型的抗氧化劑運用在食品工業中。

2.2.3 溶劑體系

在目前的相關文獻中，研究MRPs的抗氧化活性多集中在以水為溶劑的模擬體系，而對非水體系MRPs的抗氧化活性研究較少。章銀良等[25]采用甘氨酸-葡萄糖模擬MR，以甲醇作為溶劑，以DPPH自由基清除率作為抗氧化活性的測定指標。該實驗通過與純水體系中MRPs抗氧化活性的對比，確定最佳甲醇體積分數。結果表明：在40%甲醇濃度下，MRPs對DPPH自由基清除率最高，抗氧化活性最強。該研究以甲醇作為非水體系的溶劑，考察MRPs在甲醇體系中抗氧化活性的變化，為開發天然MRPs抗氧化劑提供依據和參考。張莎莎等[26]以3種醇(甲醇、乙醇、丙醇)為溶劑，木糖-甘氨酸為模擬反應的底物，在4 ℃下避光反應15天，以去離子水做對比，比較不同醇溶液對MR體系抗氧化能力的影響。以ABTS和DPPH自由基作為評價指標，結果發現3種醇的加入均會促進反應的發生。雖然3種醇對木糖-甘氨酸美拉德反應體系的各個指標的影響趨勢相同，但各個指標值的變化均高于水(p<0.05)。

3 MRPs的防腐保鮮作用

在食品加工保藏過程中，抑制細菌生長、防止食品腐敗變質是必不可少的環節。隨著生活水平的不斷提高，人們安全意識的不斷增強，人們更多地追求天然、無公害的食品。為了防止食物腐敗變質，延長食品的貨架期，防腐劑成為食品加工過程中必須添加的成分。生活中最常見的防腐方法有化學防腐和物理滅菌，但這兩種方法運用在食品中都對人體存在一定的危害。化學防腐劑用來抑菌可能會給人體帶來副作用，在人體內長期積累具有一定的毒性；而物理滅菌可能會破壞食品的營養成分。因此開發天然的防腐劑在食品行業具有廣闊的應用前景，而MRPs中的一些中間產物被證明具有良好的抗菌性能。

3.1 MRPs對革蘭氏陽性菌的影響

為研究MRPs對常見的革蘭氏陽性食品致病菌(金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌)的抑制效果，陳金斌等[31]以花蟹肉酶解多肽與木糖為MR底物，通過單因素和正交實驗進行優化，獲得抑菌效果最佳的MRPs，即：木糖與花蟹肉酶解多肽質量比為2∶1，反應溫度為120 ℃，反應時間為120 min。對蠟狀芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC值均為15 mg/mL，枯草芽孢桿菌的MIC值為20 mg/mL。該研究表明蟹肉酶解多肽與木糖的MRPs因其良好的抑菌性能，具有開發成新型抗菌性食品添加劑的潛能。Hjorleifur Einarsson等為研究MRPs對枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用，分別以組氨酸-葡萄糖和精氨酸-木糖不同的組合回流得到MRPs，運用部分純化透析將MRPs分子量截留在1000，抑菌效果隨不同的MRPs和不同類型的細菌而不同。隨著MRPs濃度的增加，分子量高的(大于1000 u)抑菌效果好。董志儉等[32]通過將殼聚糖改性，來研究不同條件下MRPs對金黃色葡萄球菌的抑制效果，得出最佳的抑菌條件為:殼聚糖∶果糖配比1∶1，反應溫度121 ℃，反應體系初始pH 5.0，反應物濃度2%，此時，殼聚糖MRPs的抑菌效果明顯比殼聚糖本身要強。

3.2 MRPs對革蘭氏陰性菌的影響

Li Ming等[33]以氨基與羰基的質量比為1∶1的殼聚糖與葡萄糖和麥芽糖進行MR，用醇沉法提取MR衍生物CG(低聚殼聚糖和葡萄糖)和CM(低聚殼聚糖和麥芽糖)，研究其對大腸桿菌、銅綠假單胞菌和副溶血性弧菌的抑菌活性。結果表明：CG和CM的抑菌效果比單一的低聚殼聚糖要好，CG比CM的抑菌活性高，還可以得出與單糖進行MR制得的殼聚糖衍生物具有更好的生物活性這樣一個結論。該研究為制備天然、安全、有效的防腐劑提供了一個很好的途徑。為了證實MR是否能夠提高黃鯽蛋白抗菌液對副溶血弧菌的抑菌效果，阮關強等[34]利用黃鯽蛋白抗菌液和葡萄糖進行MR，在單因素的基礎上采用響應面分析法確定最佳的抑菌條件為：3%的葡萄糖，初始pH為9.0，并在120 ℃加熱100 min。該實驗表明MR可以提高黃鯽蛋白抗菌液的抑菌活性。Trang Vu Thu等首次報道了氨基還原酮而不是類黑精對幽門螺桿菌(共24株，其中19株臨床分離株，5株同基因突變株)的抑菌性。研究發現：即便在酸性條件下，氨基還原酮在有效的劑量范圍內具有不同的殺菌活性。研究體內氨基還原酮對幽門螺桿菌的抑制機理，能夠為食品工業研發出健康、安全和高品質的食品開創一個新的途徑。

對比歸納近幾年國內外MRPs的抑菌效果可以發現革蘭氏陽性菌對抑制物質的敏感性更強，即MRPs對革蘭氏陽性菌的抑制作用強于陰性。

4 前景與展望

MRPs作為食品加工和儲藏過程中自身產生的一類物質，可以認為是天然的，這在尋找和應用天然食品增味劑、抗氧化劑和防腐劑的當今食品行業中具有非常重要的意義。因此，深入研究MR和MRPs的反應機理和條件，控制有害物質的生成，運用高新檢測技術與分析方法如高效液相色譜、氣相色譜、質譜、紅外等更進一步地分離、純化及鑒定MRPs，保證食品的質量與安全在食品工業中具有重要的現實意義。利用MR生產天然、綠色以及具有保健作用的天然食品添加劑，不僅在食品工業，而且在煙草行業和醫療行業均具有非常廣闊的應用前景。

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