茶葉加工中美拉德反應對品質形成與安全的影響分析

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(1.安徽省農業科學院茶葉研究所,安徽黃山 245000;2.安徽農業大學,茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室,安徽合肥 230036)

美拉德反應廣泛存在于熱加工食品中,對品質的形成具有重要的作用,在烘焙食品、中藥等領域已有廣泛的應用[1-2]。茶葉作為重要的農產熱加工食品,在熱加工過程中美拉德反應對其色香味品質的形成具有重要作用,但現階段關于美拉德反應對茶葉作用的機制還不明確,相關研究較少。同時,隨著美拉德反應在食品加工中研究的深入,其產物的功能性與安全性越來越受到人們的關注。因而,本文重點闡述美拉德反應對茶葉品質形成的作用及其產物的功能性與安全性,以期為美拉德反應在茶葉中的應用與研究提供參考意義。

1 美拉德反應概況

美拉德反應,又稱非酶褐變(non-enzimic browning)。1912年法國化學家Maillard進行甘氨酸和葡萄糖混合加熱時形成褐色物質,由此首次發現褐變反應。1953年Hodge等[3]正式將該反應命名為美拉德反應,其主要是氨基化合物和羰基化合物之間發生的非酶促反應,也稱為羰氨反應。由于美拉德反應在食品加工中廣泛存在,對食品風味品質形成及安全等有重要影響。自發現至八十年代,美拉德反應的研究主要集中于化學、營養學、食品色香味、食品加工等方面,八十年代后美拉德反應的中間體與產物及其抗氧化生物活性功能等逐漸成為研究熱點,近些年除了美拉德反應對食品品質的影響研究外,多數研究集中于美拉德反應與人類健康的關系[4-5]。

美拉德反應機制比較復雜,現有研究表明,美拉德反應包括三個階段:第一階段,還原糖的羰基和氨基酸或蛋白質中的自由氨基縮合生成席夫堿,后經環化反應而生成N-取代葡萄糖胺,再經Amadori重排得到1-氨基-1-脫氧-2-酮糖,此為香味的重要前體物質;第二階段,Amadori產物反應有3條路徑,與pH和溫度有很大關系:pH≤7時,主要發生1,2-烯醇化反應,生成糠醛(furfural)或羥甲基糠醛(hydromethyl furfural,HMF);pH>7且溫度較低時,主要發生2,3-烯醇化反應,形成還原酮類(reductones);pH>7且溫度較高時,易發生裂解反應,產生高活性中間體,中間體繼續反應形成醛類和α-氨基酮類,即Strecker降解反應;第三階段,主要是中間階段產物與胺類發生醛基-氨基等反應,包括環化、降解、重排、異構和進一步縮合等一系列反應,最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質,統稱為類黑素(mlanoidin)[6]。溫度、pH、反應時間及反應底物等是影響美拉德反應重要因素,在美拉德反應過程中溫度和pH與其反應路徑有很大關系。同時,不同的反應底物其反應速率差異較大,五碳糖褐變速度是六碳糖的10倍[7]。不同種類的氨基酸在美拉德反應中可產生不同的風味物質,增加氨基酸濃度可以提高美拉德反應速率[8]。

2 美拉德反應對茶葉品質形成的作用

2.1 美拉德反應對茶葉香氣形成的作用

香氣是茶葉的重要品質特征因子之一,對茶葉的風味構成具有關鍵性作用。目前從各種茶葉中分離的香氣物質已達700多種,包括醇類、醛類、酮類、酯類、內酯類、酸類、酚類、雜環化合物、含硫化合物、含氮化合物、碳氫化合物等十余大類化合物,其中又以醇類、酯類、酮類、醛類和碳水化合物為主[9-10]。按茶葉香氣組分的結構特點可分為四類:萜烯類及其衍生物,代表物質有香葉醇、芳樟醇及其氧化物、丁香烯、α-法尼烯、橙花叔醇等;脂肪類及其衍生物,代表物質有順-3-己烯醇(青葉醇)、反-2-己烯醛(青葉醛)、己酸-順-3-己烯酯、β-紫羅酮等;芳香族衍生物,代表物質有苯甲醇、苯甲醛、苯乙醛、苯乙醇、水楊酸甲酯、苯甲酸甲酯等;含氮、氧等雜環類及其他化合物,如吲哚、吡嗪類、吡喃類、吡啶類及其衍生物等[11-13]。

茶葉香氣的形成與茶樹品種、加工工藝都有重要的關系,是茶鮮葉在加工過程中內含物質發生復雜化學反應產生的,特別是茶葉干燥烘焙過程中美拉德反應產生的揮發性物質,對茶葉香氣構成具有重要作用[14-16]。項雷文等[117]在探討烏龍茶品質形成影響因素時,認為美拉德反應是烏龍茶優良品質形成的主因,對烏龍茶優雅香氣的形成起重要作用。張秀秀[18]通過研究不同氨基酸、還原糖及其復配對普洱生茶品質的影響,指出外源糖處理茶樣中,可溶性氨基酸含量顯著降低,證實了美拉德反應的發生。同時,添加外源物處理后,普洱茶樣香氣成分以酯類物質、萜烯醇類化合物和含氮類物質為主。姚江等[19]通過研究復火工藝中美拉德反應與茶葉香氣形成的關系得出:葡萄糖和NH3與美拉德反應吡嗪類產物生成具有重要的關系,葡萄糖在NH3參與下合成吡嗪類物質,茶葉中的NH3主要來源于兒茶素氧化氨基酸。

2.2 美拉德反應對茶葉色澤形成的作用

茶葉色澤是消費者對茶葉評判的第一直觀因素,潤度是茶葉色澤評判的重要因子之一,潤度好的茶代表著茶的品相相對較好。在加工過程中茶葉色澤形成有多種因素,其中干燥過程中美拉德反應產生的物質對茶葉色澤的形成具有重要作用,特別是發酵茶的干茶色澤,在烘焙過程中色澤變化較大[20-21]。陳泉賓等[22]在研究烘焙工藝對烏龍茶美拉德反應產物的影響中,指出隨溫度的提高和時間的延長,美拉德反應進入后期,褐變程度增大,終產物類黑素含量增多,烏龍茶在烘焙過程中干茶外形色澤從烏間黃綠慢慢轉變到烏褐,葉底色澤從黃綠到黑色,逐漸加深。

類黑素是美拉德反應后期的一種不溶于水的大分子高聚物,生成量取決于還原糖和氨基酸的濃度,同時受多因素的影響,主要呈現黑色[23-24]。在茶葉加工過程中長時間的烘焙,美拉德終產物類黑素的積累對干茶色澤的形成具有重要作用,最后形成黑褐色[25]。

2.3 美拉德反應對茶葉滋味形成的作用

茶葉滋味是茶葉品質評價的最重要因子,其滋味的構成成分也比較復雜,主要的滋味物質有糖類、氨基酸、兒茶素、咖啡堿等[26-27]。美拉德反應是還原糖和氨基酸在一定條件下的反應,在茶葉加工干燥中該反應劇烈,需要消耗一部分還原糖和氨基酸,同時生產新的產物,因而對茶葉的滋味形成具有重要的影響[28-29]。黃建琴[30]通過研究美拉德反應產物優化紅茶品質指出:在紅茶加工過程中適量添加美拉德反應產物,可明顯提高紅茶中滋味物質茶黃素、氨基酸、水浸出物的含量,提升紅茶的滋味。

3 茶葉中美拉德反應產物特性分析

茶葉中美拉德反應主要發生在干燥過程中,由于茶葉內含氨基酸和糖種類較多及不同茶葉干燥溫度和時間差異較大,因而生成的美拉德反應產物種類較多,結構復雜[31]。在茶葉研究中已發現的美拉德產物有呋喃、吡啶、吡咯、吡嗪及中間產物5-羥甲基糠醛、丙烯酰胺和末端產物類黑素及晚期糖基化末端產物等,這些美拉德產物功能特性與健康的關系十分密切[32-33]。

3.1 茶葉中類黑素的特性分析

類黑素是美拉德反應后期形成的一類結構復雜、分子量較大棕褐色物質,在茶葉加工中廣泛存在,尤其是經過長時間焙火提香的茶葉[20]。研究已表明:類黑素的生成除了影響茶葉的色澤和風味品質外,這類物質還具有一定的抗氧化、抗誘變和消除活性氧等多種功能[34-36]。類黑素對多價金屬離子具有螯合性,從而影響這些離子的生物活性,其抗氧化能力相當于2,6-二叔丁基對甲酚(BHT)和叔丁基羥基茴香醚(BHA),有較高的安全效能和較好的性價比[37-38]。同時類黑素對Trp-P-1、Trp-P-2、Glu-P-l、Glu-P-2、IQ、Me IQ、Me IQx等變異原性物質也顯示很強抗變異原活性[39-40]。雖然類黑素與食品加工和人體健康的關系十分密切,但因其種類和結構太過復雜,目前對其形成機理及種類、結構都沒有研究清楚。

3.2 茶葉中呋喃類物質的特性分析

茶葉中呋喃是經過高溫加工產生的一類極容易揮發雜環化合物,在茶葉沖泡飲用過程中廣泛存在于茶葉香氣中[8，41]。1995年國際癌癥機構把呋喃劃分為“可能致癌物”,同時,歐洲食品安全委員會(EFSA)已經證實呋喃對小鼠和大鼠具有明顯的致癌性,而且有證據表明呋喃引起的致癌性還具有可遺傳性[42],Elif Karacaoglu等[43]、Perez Loca等[44]研究發現,呋喃對雄性生殖系統具有毒害性,雖然還沒有研究表明它對人體會造成相同的傷害,但是這一研究結果足以引起重視。同時呋喃是具有芳香特性的五元雜環化合物,六個π電子非定域分布在五個環上原子上使碳原子上電子過剩,由于碳原子上π電子密度的提高而有助于自由基的親電加成,即表現出較強的抗氧化性能[45]。所以在功能特性方面具有雙面性,起作用的機制還有待深入研究。

3.3 茶葉中晚期糖基化末端產物的安全性分析

晚期糖基化末端產物(advanced glycation end products,AGEs)是廣泛存在于綠茶中的一類美拉德反應產物,李鳳麗[46]在中國及日本采購并調查了43種市售綠茶中AGEs代表性產物羧甲基賴氨酸(N-(carboxymethyl)lysine,CML)和羧乙基賴氨酸(N-(carboxyethyl)lysine,CEL),發現綠茶中CML和CEL普遍存在。目前AGEs是研究較清楚的美拉德反應產物,具有促氧化能力及與細胞表面受體結合促進炎癥發生的能力,同時它們還可以與蛋白質交聯,改變蛋白質的結構和功能[47]。大量研究表明,體內AGEs的積累與人體的很多疾病,如糖尿病、腎病(尿毒癥)、心血管疾病、衰老和老年癡呆癥等都有著十分密切的關系[48-50]。

3.4 茶葉中丙烯酰胺的安全性分析

丙烯酰胺(acrylamide,AA)是茶鮮葉在加工中高溫受熱生成的一種美拉德產物,尤其是干燥過程中易生成。王彬[32]通過研究殺青、揉捻、干燥等工藝對綠茶丙烯酰胺生成的影響,得出綠茶加工中對丙烯酰胺含量生成的影響因素主要為干燥溫度、揉捻時間、殺青溫度。Liu Jie等[51]采用液相色譜-串聯質譜法檢測了紅茶、綠茶、青茶、白茶、普洱茶、黃茶中AA含量,白茶中未檢測到AA,紅茶、烏龍茶、黃茶含有較低的AA(<20 ng/g),普洱熟茶、烘焙普洱生茶、綠茶中含有較高含量的AA(46～94 ng/g)。Mizukami等[52]利用氣相色譜-串聯質譜測定了82種綠茶中AA含量,表明在還原糖存在條件下,天冬酰胺含量是影響AA形成的顯著因素。現有的研究已表明丙烯酞胺形成于天冬酞胺和還原糖的縮合反應,是美拉德反應的第一階段產物,它能氧化成環氧丙烯酰胺,后者具有烷基化作用,可與DNA上的鳥嘌呤或其他大分子物質結合,對神經、基因和生殖系統產生損傷,并有潛在的致癌性[53-54]。

3.5 茶葉中5-羥甲基糠醛的安全性分析

5-羥甲基糠醛是美拉德反應中重要產物之一,茶葉加工過程中會自然地形成5-羥甲基糠醛。現已證實5-羥甲基糠醛經過代謝形成活性中間體5-硫代甲氧基糠醛,與細胞核中的DNA、RNA和蛋白質等重要物質發生相互作用,可能對這些大分子物質造成結構性損害,從而具有致毒性和致突變性,已開展的大鼠實驗也證實了5-羥甲基糠醛具有誘發并促進大鼠的結腸癌和引起中毒性腎損害作用[55-56]。

4 結語與展望

美拉德反應作為食品領域研究的重要課題,經過一個世紀的研究,其產物的生物學特性及對食品品質形成的重要作用已有較深入的認知,但因美拉德反應的復雜性,要明確每個步驟中間體變化及產物生成依然困難,同時產物生物學特性的機體生理和病理相關研究及產物對食品品質形成的決定性作用,還有待深入研究。特別是在茶葉制作相關方面的美拉德反應研究更有待深入加強,因為美拉德反應對茶葉的品質形成具有重要作用,同時其產物的安全性也需要深入認知,最近幾年市場上關于美拉德反應產物在茶葉中的檢出及對人體健康影響的報道逐漸增多,引發了消費者喝茶對健康的擔憂,但事實美拉德反應在烘焙食品中一直廣泛存在,其產物的生物功能特性及安全性都存在[8,33,53],因而如何從科學的角度闡釋茶葉中美拉德反應對安全飲用的影響,還有待深入研究。同時,茶葉中美拉德反應對茶葉品質形成的重要作用及茶葉生產中美拉德產物的積累過程也有待深入研究,這將有利于茶葉的健康品飲及運用美拉德反應提升茶葉品質。