微波加熱下食品美拉德反應研究進展

許海俠 程裕東 金銀哲

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海海洋大學食品熱加工工程中心，上海 201306；3. 上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海 201306)

美拉德反應(Maillard Reaction, MR)是還原糖的羰基與游離氨基酸、肽和蛋白質的胺基間的復雜反應，在食品貯藏和加工過程中自發且廣泛地發生[1]，反應過程中形成的產物被稱為美拉德反應產物(MRPs)，包括芳香化合物、色素化合物、晚期糖基化終產物(AGEs)和類黑素。MRPs與食物的感官接受度、營養價值以及AGEs的產生緊密相關[2]，其在加工食品的香味和活性化合物的生成過程中起到重要作用[3]。目前，游離氨基酸和羰基化合物間的反應模型已廣泛研究，并且得出不同反應物(如游離氨基酸或肽)存在不同的反應機理[4-5]。熱處理是影響MR反應速率和調味特性的最重要因素之一[6]。

微波加熱是近幾十年來應用在食品工業上的新型加熱方法，被廣泛應用于烹飪、焙烤和巴氏滅菌等工藝。微波加熱本質上是微波輻射與極性分子和帶電離子的相互作用，并導致食品基質內的分子摩擦和離子遷移[7]。微波加熱快速、均勻；對物料穿透力強，且穿透速度快；可控性強，微波輻射后快速加熱，停止輻射后，加熱停止；對食品的營養成分、活性成分、維生素和色澤等的損害較小[8]。此外，微波作為“綠色食品加工”技術，還具有減少耗能、耗水并消除廢水，促進環境保護等優點[9]。而且微波技術易于實現連續化生產，便于控制，在現代食品工業中廣泛應用。

MRPs制備的傳統方法有水浴、油浴和高壓鍋等，與微波加熱相比，其具有高耗時和高耗能等缺點。然而微波加熱在制備MRPs的應用中研究較少，且多集中于其產物分析和生理活性應用方面，而對于機理研究及其他方面的應用還未涉及，亟待研究。因此，文章綜述微波加熱下MR的研究進展，旨在為其在食品工業中的大規模開發和利用提供參考。

1 美拉德反應機理與歷程

MR分為3個階段：初始階段，首先是糖胺縮合，然后是Amadori重排；中間階段，包括糖脫水、碎裂以及氨基酸降解(Strecker降解)；最終階段，包括醛醇縮合、醛胺縮合和雜環氮化合物的形成。中間階段的化合物發生聚合反應，形成具有高分子量的棕色物質，稱為類黑素，在食品加工過程中(如面包、餅干、肉)引起色澤變化。聚合反應有助于熟化和貯藏食品的硬化[10]。

2 微波加熱下美拉德反應的影響因素

影響MR的因素包括糖類和氨基酸的結構[11-13]、反應溫度和時間[14-16]、pH值[17-18]、水分[19]、金屬離子[20]、高壓[21]、加熱方式[22-24]等，前者主要影響MRPs類型，后者主要是影響MR反應動力學。而對于微波加熱下MR的影響因素主要有以下幾類。

2.1 反應物類型與濃度

MR受反應物類型及其摩爾比的影響。低分子量化合物的反應性大于高分子量化合物，由于其空間位阻較低，容易反應。一般規律為醛糖>酮糖；五碳糖>六碳糖；單糖>雙糖；堿性氨基酸>中性氨基酸>酸性氨基酸。陳艷云等[25]研究了不同類型的氨基酸、糖和反應介質對微波處理下MR的影響，符合上述規律。趙麗琴等[26]研究了微波加熱下不同中性氨基酸與葡萄糖、果糖的MR，不同的酸堿性條件也會影響氨基酸的反應速率。Liang等[27]發現，在微波加熱下提高糖—賴氨酸初始摩爾比可顯著提高吡咯素的生成量，反應活性為乳糖>果糖>葡萄糖>蔗糖。

2.2 溫度和時間

高溫和較長的反應時間會導致更高的糖化程度，伴隨更高水平的高分子量的中間和褐色產物的形成，更多的電子和氫供體(如羥基和吡咯基團)與蛋白黑素結合形成，提高MRPs的抗氧化能力。Nasrollahzadeh等[16]發現微波加熱下的產物具有比常規加熱更高的DPPH-自由基清除能力(DPPH-RS)，由于微波加熱下MR速率的提高，增加了抗氧化活性產物的含量。Mowlaeifar等[28]用微波加熱輔助方式獲得了溶菌酶—麥芽糊精接枝物，微波加熱時間增加，MR程度加深。

2.3 微波功率

微波功率增加，MR反應程度增加。謝歡[29]發現蛋清蛋白與葡萄糖在不同的微波加熱條件下發生MR，隨著微波功率的增加，產生的類黑素增加。且微波加熱處理后MRPs的乳化性質、抗氧化性均增加。微波功率越高，加熱時間越長，抗氧化能力越高。但長時間高功率下產生的羧甲基賴氨酸和丙烯酰胺等有害產物高于短時間低功率下產生的。所以適當提高微波功率對MR影響較為關鍵。

2.4 反應體系中的pH值

pH值影響MR的多種反應途徑，導致反應速率變化。pH>7時會加速反應，pH<7時會抑制反應。Yeo等[30]考察了微波加熱下不同pH的D-葡萄糖/L-半胱氨酸的模型，隨著pH的增加，MRPs褐變度增加，揮發性產物總量增加。

2.5 含水量

水作為反應媒介，其量與MR緊密相關。張開誠[31]用葡萄糖和半胱氨酸在微波中反應，在無水的樣品中沒有色素形成，增加含水量(0%～40%)，色素含量增加，當含水量為14%時色素含量最大，之后隨含水量的增加而減少，這是由于含水量過高引起反應物被稀釋。當含水率為11%時，風味物質含量最高，之后隨含水量的增加而減少。因此在使用微波加熱食品時，保證含水量10%～15%為最佳，水分過高、過低均會減緩MR速率。

2.6 介電損耗

介電損耗是指將電磁能轉變為熱能的能力，影響食品對微波能量的吸收，從而影響MR程度。在微波加熱下，增加反應體系的介電損耗對MR不同階段的提升有促進作用。Zhang等[32]使用不同的反應溶劑(水、水與甘油)來驗證微波加熱下介電損耗對MR不同階段的影響，發現增加介電損耗有助于促進微波加熱下MR的進行。

2.7 反應介質和電解質的影響

3 微波加熱下的美拉德反應產物分析方法

MRPs的分離提純方法有固相萃取、超濾、膜透析、超速離心、層析法、電泳等，最常用的是薄層層析色譜和超濾。由于MRPs含量少且極不穩定，先進的分析表征手段對MRPs的生成機理、成分分析起重要作用。目前常用的MRPs分析表征方法有紫外光譜法、體積排阻色譜、熒光光譜法、紅外光譜法、流動注射分析法、核磁共振、放射性同位素標記、凝膠滲透色譜(GPC)、氣相色譜—質譜(GC-MS)以及液相色譜—質譜聯用法(LC-MS)、酶聯免疫法等。

隨著GC-MS、LC-MS和各種質譜等分析手段的運用及優化，關于MRPs的成分和性質的研究更加深入，但在微波加熱下的MR研究還有待深入。有關微波加熱下美拉德反應產物的分析方法總結如表1所示。

表1 微波加熱下美拉德反應產物的分析方法

因MR過程較復雜，產物類型較多，為了更方便、高效地探究MR的反應程度，多檢測不同階段的特征產物。為了更全面地評判MR的益害，生理活性物質和有害物質的檢測也成為主要關注點。微波加熱下MRPs的特征物質與檢測方法見表2。

表2 微波加熱下美拉德反應產物的特征物質與檢測方法

目前，關于MR研究的熱點集中于MRPs的成分分析、控制其反應階段的條件及毒理的病源性研究。綜上，色譜與質譜聯用法的樣品處理簡單，重現性高，適用于MRPs定性和定量分析。光譜法適用于MR的階段性研究及產物結構分析。

4 微波加熱下的美拉德反應產物

MRPs一般具有香味，分為以下4類：① 含氮雜環化合物，如吡嗪、吡喃、吡啶等；② 環狀烯醇類化合物，如麥芽酚等；③ 多羰基化合物，如丙酮等；④ 單羰基化合物，如Ssrecher醛類。除以上揮發性香味物質外，還包括類黑素和其他抗氧化性物質。當延長加熱時間或升高溫度時，MRPs的色度增加，碳氮比、不飽和度、化學芳香性也隨之增加[44]。

微波加熱下MR不同階段產物的含量和類型與傳統加熱相比也有所不同。楊立強[45]發現隨著溫度的升高，加熱時間的延長，所有MR的早期產物濃度升高。段鄧樂[33]研究表明，微波加熱比水浴加熱下的游離氨基減少更多，早期反應程度更高。Yeo等[30]分離分析微波輻射的D-葡萄糖/L-半胱氨酸MRPs中的揮發性雜環化合物，發現隨著pH的增加，產生的揮發物總量增加。肖桂明等[46]發現微波加熱下不同溫度對賴氨酸與葡萄糖MRPs主要為具有烘烤香味的吡嗪類化合物。趙麗琴等[26]研究了不同中性氨基酸與葡萄糖、果糖在微波加熱下的MR，發現在酸性條件下，丙氨酸、蘇氨酸MRPs中吡嗪類化合物種類最多。劉紅[39]發現微波烘烤餅干中的揮發性成分多于傳統烤箱焙烤。胡軍等[47]發現微波能加快MR，兩種加熱方式下同樣體系的最終產物成分類似，但含量不同。傳統加熱MRPs抗氧化性明顯低于微波加熱[48]。劉志華等[49]發現微波加熱時間對抗氧化物質含量作用不明顯，但微波加熱比油浴下MRPs抗氧化性更強。劉紅[39]分別在最優的傳統焙烤與微波焙烤下測定有害物的生成量，發現微波焙烤下的生成量少于傳統焙烤的。綜上，微波加熱下的美拉德反應揮發性特征香味物質與傳統加熱相似，但種類更豐富。

微波加熱下的MRPs含量高于傳統加熱的，揮發性成分種類增加，各種生物活性增加，其產生的機理有待深入研究。而MRPs具有抗誘變[50]、抗腫瘤[51]、抗增殖[52]、降血壓[53]等作用，對防治疾病、提升人類健康有重要意義。

5 微波加熱下的美拉德反應在食品中的應用

5.1 增強食品風味和色澤

微波加熱下的MR時間短且易制得，可在短時間內產生大量棕色物質，且產生的揮發性成分較多，可應用于增強食品色香味。張開誠[31]利用MR原理增強微波食品風味的方法，制備了食品褐變劑，主要包括：① 氨基酸類，如天冬氨酸、谷氨酰胺、賴氨酸；② 還原糖類，如葡萄糖、果糖；③ 介質，如低級醇和多元醇(甘油、丙醇、乙醇等)；④ MR促進劑，如聚乙烯吡咯烷酮；⑤ pH調節劑，如碳酸鈉等，可促進食品產生理想的色澤。

5.2 制備香精

食用香精已被廣泛應用于肉類加工食品和其他食品中。張開誠[54]以鴨骨為原料，經胰蛋白酶酶解作用得到鴨骨酶解液，在微波加熱下發生MR制備鴨味香精，所得鴨味香精風味良好、香氣醇厚。

5.3 制備食用薄膜

Kamboj等[55]采用33個全因子設計，對玉米纖維膠(CFG)與殼聚糖(CH)的微波輔助MR進行了優化和表征。通過MR制得的薄膜(F21)具有堅韌、柔韌、耐水性和抗菌性。這種通過MR制得的薄膜在食品和藥品中具有很高的潛力，拓寬了微波加熱下MR的應用范圍。

5.4 改善性質

微波加熱下的MRPs的生理活性高于傳統加熱的，可更好地應用于改善食品的性質，提高其活性，在食品、醫藥、化妝品行業有很好的應用前景。Nooshkam等[56]使用微波加熱將乳糖異構化，乳清蛋白水解成體外抗氧化肽，在微波下與乳糖或乳果糖綴合發生MR，綴合增加了抗氧化物活性并改善了肽的發泡和乳化性質，擴大了乳清蛋白衍生肽技術的應用范疇。除潛在的生物活性外，MRPs還可抵抗熱誘導的去穩定化和分解，與乳果糖綴合的乳清肽可獲得更高的模擬胃消化率，可用于提高蛋白質和基于肽的食物的生物利用度。Laguerre等[43]發現微波加熱時間對嬰兒奶粉的MRPs有影響，在微波加熱特定功率高且加熱時間少的條件下，羧甲基賴氨酸的形成和營養物變質可達最小化，同時孢子被破壞。楊楠等[40]考察了熱風、紅外輻射和微波輻射3種加工方式對油茶籽油美拉德產物抗氧化性的影響，得出微波比熱風效果更佳。

微波加熱下的MR在食品中的應用多集中于其獨特色澤、香味、生物活性方面的研究，其產物多應用于食品、醫藥等行業，有關其他方面的應用還有待深入和拓寬。

6 結論與展望

微波加熱下的美拉德反應產物可改善食品表面色澤，比傳統加熱顯色更快，其反應產物的揮發性成分含量增多，可增加食物的香味，其反應產物各種生物活性提高，對疾病治療、提高人類健康有重要意義。

目前，對美拉德反應產物的小分子物質研究已取得了一定進展，但對中期產物和最終產物的產生機理、結構和性質尚不完全清楚。故如何定性、定量地確定中期產物和終產物類黑精等的組成、分子結構及其抗突變和抗氧化的機理等仍是今后研究的重點。后續需深入研究微波加熱對美拉德反應產物的影響機理，補充和完善微波對美拉德反應影響的基礎理論。尋找微波加熱下美拉德反應產物有益和有害間的最佳平衡點，建立微波食品品質優化和安全調控機制。