美拉德反應對餅干品質及安全性的研究進展

林靜嫦，鐘先鋒，汪彩云

（佛山科學技術學院食品科學與工程學院，廣東佛山 528231）

0 引言

在食品焙烤領域，美拉德反應（Maillardreaction）對食品加工制作過程起著至關重要的作用，該反應是指羰基化合物（還原性糖、酮、醛等）與氨基化合物（氨基酸、多肽、蛋白質等）經過脫水縮合、聚合等復雜的反應，最終產生具有特殊香氣且呈現褐色的類黑精物質的反應[1]。食品焙烤原料中含有較多的還原糖和蛋白質，經過高溫烘烤，易發生美拉德反應產生類黑精等物質，該物質能使焙烤食品表現出良好的色澤、氣味和口感[2]。而加工原料中的羰基化合物和氨基化合物的種類直接影響產物的氣味，有的產物呈現面包烘烤味、有的產物呈現巧克力味、有的產物呈現肉制品的味道，可通過對反應的因素條件改善餅干的風味、通過最佳工藝參數改善優化餅干的色澤。

隨著現代科學技術的進步，有先進的儀器設備和較為完善的方法檢測美拉德反應產物種類和含量，許多學者也相繼發現了該反應的部分中間產物有致人體患病的風險，如3-脫氧葡萄糖醛酮在人體內積累過多可能會引起糖尿病[3]、丙烯酰胺在人體積累過多可引起癌癥的發生[4]、5-羥甲基糠醛（HFM） 攝入過多可能會引起內臟受損甚至癌癥[5]、晚期糖基化終產物（AGEs） 與動脈粥樣硬化和糖尿病等疾病有關[6]。通過了解有害物質產生原理和作用機制，抑制有害物質產生，減少有害物質在人體的積累，進而能降低人類患病的風險。

1 美拉德反應機理

美拉德反應的過程相當復雜，反應產物較多，目前為大眾所認可的是1953年由Hodge所歸納的3個階段反應理論，即該反應的階段分為初始階段、中間階段和終末階段。

美拉德反應機理示意圖見圖1。

1.1 初始階段

美拉德反應的初始階段是游離的氨基和游離的羰基發生縮合作用，生成的最初產物是一種不穩定的亞胺衍生物——席夫堿[7]，隨后席夫堿可環化成為氮代葡基胺（N-葡萄糖基胺）。在酸的催化下，氮代葡基胺會引起阿姆德瑞（Amadori）分子重排，最終形成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖。

1.2 中間階段

中間階段容易受到反應環境的影響。Amadori分子重排形成的單果糖胺受到不同pH值的影響而發生降解。當pH值≤7時，初始階段中的重排產物主要進行1,2-烯醇化反應，然后再進一步脫水降解生成羥甲基糠醛（HFM）或糠醛；當在pH值＞7且溫度較低時，主要進行2,3-烯醇化反應主要生成還原酮類；當pH值＞7且較高溫時，Amadori重排物質容易受影響而分解成醇醛類及氮氧化物等物質。

1.3 終末階段

最終階段包含了兩類反應：一是兩分子醛的自相縮合并進一步形成不飽和醛；二是在中期反應之后，生成物中有醛類和α-氨基酮類、二羰基化合物、還原酮類、醛醇類等進一步縮合、聚合、重排、異構化等形成黑色素或類黑精。

2 美拉德反應對餅干感官品質的影響

美拉德反應對烘焙領域起著重要的影響，餅干的香氣、色澤與制作過程時發生美拉德反應息息相關。既能提高餅干的感官品質，又可通過改變糖類和氨基酸等氨基化合物的種類，改變餅干的特征香味，進而增加餅干的種類。但隨烘烤的溫度和時間延長，反應的產物不同，導致餅干出現烘烤的焦味、顏色變深、味道變苦等不良現象。掌握餅干的加工工藝參數，可控制美拉德反應的程度，從而生產多種多樣的餅干，滿足商品多樣化的需求。

2.1 對餅干香味成分的影響

餅干的主要原料一般是面粉、糖和油脂這三大類，但這三者的香氣大相徑庭。胡喜貴等人[8]采用氣相質譜與頂空固相微萃取相結合方法測定5種不同來源的面粉共有且含量較多的香味成分有13種，分別是十一烷、正己醛、十二烷、壬醛、2,6-二叔丁基-1,4-苯醌、癸烷、十三烷、十一醛、1-甲基萘、正己醇、十三醇、2,2,5,5-四甲基-3-己炔、四甲基硅烷。劉曉君[9]研究花生油的香味物質主要是吡嗪類化合物，占總香味物質的32.89%。Violeta Ivanova-Petropulos等人[10]對芝麻油、向日葵籽油、亞麻籽油、油菜籽油、南瓜籽油的揮發性成分進行檢測，共有呋喃、酯、烷烴萜烯、吡嗪、硫化合物等97種揮發性物質。而單糖是大部分嗅感物質的前體，如酯、醇、酸、醛類等物質[11]。各種原料即使香氣成分不同，但經過調制、烘焙，原料的香氣也會發生改變。

餅干制作前后香味發生變化，是因為產生了美拉德反應，該反應改變了餅干的揮發性風味物質的種類和含量。在特定的條件下，餅干原料中的還原性糖和游離的氨基酸發生反應，生成食品風味來源的物質——醛、雜環化合物和還原酮等物質[12]，使得餅干產生特殊的香味。據江志煒等人[13]研究纈氨酸和葡萄糖的烘烤過程發生反應，會產生可可味的香氣和烘焙面包的味道。國外科研者也探究了亮氨酸、蘇氨酸與葡萄糖在加熱條件下可產生可可香味[14]。童大鵬等人[15]研究出在發生美拉德反應時，谷氨酸含量較高的烘焙食品可產生較濃的堅果香和烘烤香。而梁玲等人[16]采用氣相色譜－質譜聯用、固相微萃取和氣相色譜嗅聞法研究小麥餅干中的香味成分，結果顯示在餅干中含N的雜環化合物含量最高，是麥香味的主要來源，可可味香氣成分有2,5-二甲基吡嗪物質、烤堅果味有2,6-二甲基吡嗪物質、己醛也有青草香、苯甲醛有杏仁味[17]；低濃度的5-二甲基-4-羥基-3(2H)-呋喃酮（DMHF）有草莓味，而高濃度與糠醛[14]相類似有焦糖香[18]。因此在研發餅干時，可根據所需求的風味改變氨基化合物和還原性糖的含量及餅干的工藝參數，生產出品質高的餅干。

2.2 影響餅干的色澤

美拉德反應的最終產物是一種類黑精的物質，在烘烤過程能改變餅干表面的色澤。類黑精在烘焙食品廣泛應用，在面包皮中含量可達14.0%，在餅干中達20.2%[19]。由于各類餅干工藝參數不相同，則產生類黑精速率和也不一樣。一般情況，美拉德反應速率受溫度的影響很大，溫度越高褐變的速率越快[20]，類黑精物質主要在高溫條件下形成的。在同一溫度下，烘烤時間愈長，餅干產生的類黑精則愈多。Isil Gürsul Aktag等人[21]通過研究超高溫瞬時滅菌對乳中的美拉德反應有促進作用，所以短暫的高溫也會促使氨基酸和還原糖發生反應。劉紅[12]探究最佳工藝參數下酥性餅干的類黑精物質含量時也得出在同一時間烘烤，低溫的餅干表面顏色不足且香味沒有完全散發出來；溫度高的餅干顏色過深，出現焦味；而適中的溫度餅干相對顏色正常、香氣濃郁。劉婕等人[22]通過單因素試驗得出果糖相比果葡糖漿、葡萄糖對食品褐變品質更佳，再根據Box-behnken組合試驗設計原理得出隨果糖濃度的升高，美拉德反應產物含量出現峰值，此現象是由于果糖濃度過高，易發生焦糖化反應，因而美拉德反應強度降低。所以在食品加工過程需要通過探究食品的工藝參數，設定最佳參數值，才能生產出色澤優良的食品。

3 美拉德反應的有害產物對人體健康的影響

目前，研究美拉德反應的有害物質主要是AGEs，中間產物及副產物有丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮、丙酮醛等物質。

丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮和丙酮醛的結構式見圖2。

美拉德反應最終階段的生成物——類黑精也是晚期糖基化終產物（AGEs） 之一，AGEs普遍存在于日常的食物當中，巧克力、烘焙食品、飲料等食品均能檢測出AGEs[23]，若在人體中積累過量，已經被證實會引起人體疾病甚至引起癌癥的發生。有學者研究發現，在制作餅干時加入咖啡渣中具有抗氧化性的膳食纖維可使餅干成品中的AGEs含量降低6倍[24]。Huang Junqing等人[25]也通過試驗探究發生玉米麩皮阿魏酸化低聚糖會影響AGEs的生成。

丙烯酰胺早被列為2A類致癌物，許多國內外學者也研究表明丙烯酰胺可以使人的神經中毒、基因突變有致癌的危險，還會對人體器官造成損傷。在美拉德反應中，丙烯酰胺的前體物質是還原性糖與天冬酰胺（Asn），是在特定的環境下經過復雜的反應所形成的[26]。在餅干加工過程中，根據丙烯酰胺的反應條件結合餅干的生產參數可抑制其生成，直接通過控制反應物的量，來減少丙烯酰胺的生成，以蔗糖替代還原性糖、添加天冬酰胺的催化劑等方式控制2種反應物的含量；也可通過降低面團的pH值來降低丙烯酰胺生成速度，如增添檸檬酸或乳酸等[27]，由于在強酸條件下氨基容易被質子化，阻止了與羰基化合物反應形成葡基胺[28]，所以餅干的褐變不明顯，可減少有害物質的生成。Antonio Dario Troise等人[29]發現菜籽壓榨餅堿性提取物能降低曲奇餅干中的丙烯酰胺，檢測結果丙烯酰胺的濃度減少至39.6%。若生產餅干的過程難以改變原本的生產參數，可通過添加抑制丙烯酰胺在人體作用的物質，緩解丙烯酰胺對人體的損傷。目前，檢測丙烯酰胺的技術還有待研究，Lei Qin等人[30]在海產品熱加工方面提出同位素稀釋結合HPLC-MS/MS法檢測HAM和丙烯酰胺，經試驗驗證檢測效率高、結果準確。這項技術對檢測烘焙食品中的丙烯酰胺提供了理論依據。

丙酮醛也被列為3A類致癌物，是中間階段的反應產物，當在pH值＞7且溫度較高時，Amadori重排產物（ARP） 易轉化為此類物質。同時3-脫氧葡萄糖醛酮（3-DG） 和丙酮醛是AGEs的前體，對人體的糖尿病有著相關聯系。經陳燕玲等人[31]研究丙酮醛在人的腎小管上皮細胞進行試驗，丙酮醛增強組織細胞的氧化應激，造成細胞受損。劉紅[12]探究在烘烤過程中如何減少有害物質的產生，經過試驗發現微波法替代傳統烘烤，能將餅干中丙烯酰胺、丙酮醛和3-DG的含量分別降低了38.1%，60.5%，33.2%。

目前，除了以上丙烯酰胺、3-脫氧葡萄糖醛酮、丙酮醛、AGEs這4類物質外，還有雜環胺（HCAs）、5-羥甲基糠醛（5-HMF）[32]等物質已被證實為有害物質，也還有許多未被發現且普遍存在于烘焙、煎炸等食品當中，所以未來仍需繼續加強對美拉德反應有害物質的研究。

4 結語

美拉德反應在食品焙烤領域應用十分廣泛，也是食品焙烤研究的一個重點課題。美拉德反應不僅改變了食品的色香味，而且其部分產物對人體的健康有一定的益處。例如，殼聚糖-單糖作為天然防腐劑，可減少人工合成防腐劑的使用[33]。Mariela Patrignani等人[34]通過對小鼠進行餅干喂養的對照試驗檢測小鼠血液的抗氧化活性物質及體重，發現美拉德反應物MPR具有抗氧化性，與膳食纖維的作用相類似不易被腸道所吸收[35]；還有部分反應產物也可調節人體腸道微生物[36]等。作為一把雙刃劍的美拉德反應，其有害產物不容忽視。人們日常飲食與美拉德反應息息相關，為了讓人們健康安全，未來可從美拉德反應機制及各階段反應條件、反應物和生成物的種類等方向進行焙烤食品的色香味和安全性的研究。