紅糖生產與貯藏過程美拉德反應及其對紅糖品質與安全性的研究進展

韓美儀，劉婧，胡娜，侯麗冉，余俊哲，謝彩鋒

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530003)

紅糖，是甘蔗汁采用石灰乳輕度清凈或物理清凈(人工撇泡或膜過濾)后，蒸發濃縮生產的帶蜜結晶糖，最大程度保存了甘蔗的多酚、黃酮[1]、氨基酸、微量元素與礦物質[2]等營養因子，同時還有豐富的美拉德反應產物，具有獨特的風味和抗氧化活性、提高免疫力和驅寒暖胃等功能[3]，不僅能滿足人們對甜味的需求，而且能為人體提供營養和保健功能，日益受到消費者的喜愛。美拉德反應是指羰基化合物與氨基化合物之間發生的復雜的、生成類黑色素的反應，廣泛存在于食品加工和貯藏過程中[4]。

美拉德反應除了會生成吡嗪、呋喃等芳香物質[5]，增強食品風味或給食品帶來令人不悅的風味外，更重要的是會生成棕色至黑色的類黑精色素[6]，改變食品色澤。此外，目前大量研究已發現，美拉德反應還會產生如5-羥甲基糠醛和丙烯酰胺[7]等對人體產生不良影響的物質[8]，因此美拉德反應依然是當代食品研究領域的熱點問題。

作為功能糖的一種，紅糖在生產過程中，因原料蔗汁加熱、蒸發及糖漿熬煮等均在加熱狀態完成，因此其中的果糖和葡萄糖會與賴氨酸、天冬氨酸、色氨酸等十多種氨基酸(蔗汁氨基酸種類多達16～18種，總氨基酸含量達1 444.8～6 579.9 mg/kg[9])發生美拉德反應，尤其是在蒸發與熬煮工序中，蔗汁溫度高且停留時間長，美拉德反應更劇烈，生成大量的類黑精色素[10]，因此紅糖顏色一般呈紅棕色至黑色。即使是在常溫貯藏過程中，紅糖中的還原糖與氨基酸也會發生美拉德反應，使紅糖色澤不斷加深[11]，風味發生改變，嚴重影響了紅糖質量的穩定性，使消費者產生消費顧慮，制約了紅糖產業的發展。

1 紅糖中的美拉德反應

1.1 紅糖生產過程中的美拉德反應

在甘蔗汁經輕度加灰或使用物理方法除雜的清凈過程、蒸發直至煮制濃縮獲得含大量蔗糖晶體、非糖固溶物、糖蜜及少量水不溶物等組成的固態紅糖過程中，甘蔗汁中葡萄糖、果糖[12]會和氨基酸發生美拉德反應，使蔗汁色澤不斷加深，風味不斷改變，紅糖的生產過程見圖1。

圖1 紅糖的生產過程Fig.1 Production process of brown sugar

1.1.1 清凈過程

在紅糖生產過程中，為了去除甘蔗汁中的泥沙、蔗糠、果膠、蛋白質、淀粉等固體微粒和膠體物質[13]，以免影響紅糖水不溶物等產品指標，須對甘蔗汁進行清凈處理。為了保證清凈的效果和抑制甘蔗汁中微生物的生長活動，需要對蔗汁進行加熱，加熱溫度一般為65～104 ℃。在此條件下，蔗汁中還原糖會與氨基酸發生美拉德反應[14]，使蔗汁的色澤明顯加深。蔗汁的pH越高，溫度越高，停留時間越長，則美拉德反應越激烈，蔗汁色澤增加越明顯。Chen等[15]發現在澄清過程中，蔗汁的美拉德反應會使蔗汁含有己醛、2,6-二甲基吡嗪和2,3,5-三甲基吡嗪等芳香物質，具有輕微的堅果、燒烤和焦糖味。

1.1.2 蒸發過程

蒸發是指經澄清處理所獲得的清汁在90～135 ℃條件下加熱去除其中部分水分，使濃度由約15 °Bx上升至65 °Bx左右的濃縮過程。當前我國紅糖生產過程中甘蔗清汁的蒸發一般采用常壓蒸發(開口鍋，土法熬制或小作坊)和多效蒸發系統(壓力與真空相結合，機制紅糖)。無論是使用哪種方式，均需要把蔗汁加熱至沸騰并保持一定時間使甘蔗汁濃縮直至濃度達到指定要求，在此過程中，蔗汁中的還原糖會繼續與氨基酸發生美拉德反應。蒸發時間一般比較長(45～60 min)且溫度高，因此此過程所發生的美拉德反應對紅糖品質的影響更明顯。Asikin等[16]研究了開口鍋蒸發(OP，加熱溫度128～132 ℃)、水平膜式蒸發(HTF，加熱溫度132～135 ℃)和立式膜式蒸發(VTF，加熱溫度132～135 ℃)3種蒸發方式對糖漿品質的影響，發現HTF和VTF所獲得的糖漿中吡嗪、呋喃等及揮發性香氣等美拉德反應產物含量更高，表明蒸發加熱溫度與方式均會影響美拉德反應。同時，Ge等[17]研究發現pH值為5.50的陶瓷膜過濾清汁于106～108 ℃進行微真空蒸發會發生激烈的美拉德反應，糖漿檢測出吡嗪、醛、酮和雜環類化合物等眾多美拉德反應產物。劉瀚揚[18]研究發現，清汁中部分蛋白質與蔗糖在蒸發過程均發生分解生成氨基酸與還原糖，并參與了美拉德反應，其中葡萄糖的美拉德反應活性明顯高于果糖；美拉德反應消耗的氨基酸量較蛋白質分解生成的氨基酸量較少，因此糖漿游離氨基酸含量略高于清汁。

1.1.3 煮制過程

煮制是指將蒸發糖漿進一步蒸發濃縮至可溶物濃度超過90 °Bx，使蔗糖結晶析出獲得固態紅糖的過程。根據操作壓力的不同，可以把煮糖分為常壓煮糖和真空煮糖。研究發現[19]，常壓加工條件下，較高的溫度會加快美拉德反應，使糖漿中美拉德反應更快進入反應后期，因此常壓煮制紅糖中芳香性物質種類要比真空加工的多。Chen等研究發現糖漿在123 ℃煮沸濃縮1 h后，糖漿中的吡嗪類化合物由2種增加到10種，含量從255.63 ng/g增加至536.35 ng/g。劉瀚揚發現在糖漿煮制過程中，美拉德反應的底物游離氨基酸含量顯著減少，而吡咯、吡啶等美拉德反應產物不斷增多，含量和煮制溫度呈正相關。楊婷等[20]發現傳統紅糖與機制紅糖均含有12種來源于美拉德反應的吡嗪類芳香性物質，說明盡管紅糖的加工方式不同，但在煮制過程中均會發生美拉德反應，影響風味物質和顏色。

1.2 紅糖貯藏期間的美拉德反應

在我國，紅糖是典型的季產年銷產品，每年11月～來年3月生產，然后進行跨年銷售。研究與實踐均發現，紅糖在常溫甚至冷藏條件下貯藏也會發生美拉德反應。程芳等[11]將紅糖在室溫下儲藏10個月，發現紅糖的色值在整個貯藏期間增加率為70.13%，增色率與5-羥甲基糠醛和-3-葡萄糖醛酮總含量呈顯著相關。Asikin等[19]發現紅糖在年均溫度26.8 ℃、相對濕度52.1%的條件下儲存12個月后，色值由18 119 IU以平均12.5%的速度增加至28 875 IU，葡萄糖和果糖的含量隨著儲存時間的延長而減少，紅糖的褐變速率與揮發性美拉德反應產物含量呈現顯著正相關。

紅糖本身含有豐富的還原糖等吸水性強的物質，若貯藏密封性不好，吸潮后會顯著促進紅糖的美拉德反應。Chand等[21]將紅糖放置在露天的開口容器中儲存5個月，紅糖的含水量增加了85%，還原糖和色值也顯著增加，而在密封中容器儲存，紅糖的含水量、還原糖和色值均沒有顯著增加。因此，若紅糖貯藏過程中密封不好，則其含水量會顯著增加，加快蔗糖轉化分解為葡萄糖和果糖，使美拉德增色反應更加明顯[22]，影響紅糖的色澤和風味。

目前，已有學者對紅糖貯藏條件進行研究，以保障產品品質。Asikin等[19]研究表明在適宜條件下(年均溫度26.8 ℃、相對濕度52.1%的密閉儲藏室)儲藏紅糖的第1年內，水分活度即使增加也在建議范圍內，可以免受微生物和氧化腐敗，但是會加快美拉德反應的進行。Chand[23]將紅糖放在裝有吸濕性羧甲基纖維素(1.5 g/L)和羥丙基甲基纖維素(0.8 g/dL)的HDPE袋(100 μm)中，可以有效地防止紅糖吸水，減少轉化糖的轉化和氧化，延長紅糖的保質期。

2 影響紅糖美拉德反應的因素

紅糖生產過程中的美拉德反應不僅受蔗汁(糖漿)pH值、加熱溫度、停留時間等加工條件的影響，還與甘蔗品種、成熟度、新鮮度及蔗汁中的酚、鐵等并存物質等密切有關。

2.1 甘蔗原料性質

還原糖和氨基酸是紅糖美拉德反應的底物，它們的種類與含量均對美拉德反應速率和褐變度有決定性影響[24]。通常來說，醛糖反應活性大于酮糖，堿性氨基酸的反應活性要高于中性與酸性的氨基酸。因為甘蔗汁中蔗糖、葡萄糖、果糖及氨基酸種類與含量等與甘蔗品種、種植土壤、收獲時甘蔗成熟度、甘蔗新鮮度(收獲至加工的放置時間)[25]等密切相關，因此甘蔗原料性質會對其加工生產紅糖過程中的美拉德反應速度和程度有顯著影響。

曾欣怡等[26]研究發現甘蔗產地及生產期長短對紅糖的色澤和特征香氣均有顯著影響。Weerawatanakorn等[27]發現使用4個不同品種的甘蔗生產紅糖，總可溶性固體含量以及果糖和葡萄糖含量差異顯著，使紅糖色值和揮發性美拉德反應產物含量存在顯著差異。崔斐等[28]研究認為甘蔗品種對紅糖揮發性物質有顯著影響，在同等加工條件下，紅糖香型主要取決于甘蔗品種。Takahashi等[25]比較全莖甘蔗汁紅糖(W-NCS)和純蔗肉蔗汁紅糖(P-NCS)的差異，發現W-NCS的葡萄糖含量顯著高于P-NCS，W-NCS中揮發性芳香物質種類為18種，而P-NCS只有7種，其中W-NCS的吡嗪類揮發性美拉德物質含量比P-NCS中的高約2倍；此外，兩者間的ΔE達9.36，表明兩者在色澤上存在巨大差異。原博子等[29]發現在3月份～6月份之間，遲收獲甘蔗所制備的紅糖含有更多還原糖、乳酸、醋酸、琥珀酸、鈣、鐵及醛類等物質，苦味也更加明顯，且酮類、醇類和吡嗪類等美拉德典型揮發性物質含量也存在顯著差異。

2.2 加工方法

在我國紅糖生產過程中，因蔗汁澄清、蒸發及煮制等加工方法不同，所發生的美拉德反應也不完全相同，因此所得紅糖在還原糖、氨基酸等主要成分與芳香性物質等含量及色值、揮發性物質種類與含量等方面也存在一定差異。一般而言，溫度升高有利于美拉德反應的進行，因此蒸發方式與煮制方法均會影響紅糖品質。劉瀚揚[18]比較了在常壓和真空條件下制備的紅糖的香氣成分，發現常壓條件下所得紅糖中香氣成分的種類要比真空條件下的多。Asikin等[16]研究發現，使用加熱溫度為128～132 ℃的開口鍋煮制的紅糖，其色值僅約為使用臥式膜式煮糖罐(132～135 ℃)煮制的紅糖的42%；開口鍋煮制紅糖揮發性美拉德產物主要是酮類與吡嗪類，而臥式膜式的煮糖罐煮制的紅糖則是酸類與酮類。García等[30]指出紅糖產品的色澤參數主要取決于生產過程中熱處理單元的美拉德反應。Velásquez等[31]的研究也認為熱處理是食品加工中最重要的環節之一，直接決定最終產品的質量。

2.3 蔗汁中并存物質對紅糖美拉德反應的影響

蔗汁除了含有還原糖與氨基酸酸外，還含有豐富的Fe、Mg及多酚等多種并存物質，這些物質也會對紅糖生產過程的美拉德反應產生影響[32]。在我國甘蔗制糖生產中，在甘蔗壓榨提汁過程中鐵制壓榨輥經長期反復擠壓摩擦，會有少量的鐵離子溶解進入蔗汁中，使甘蔗的鐵離子含量顯著增加[33]。在一定濃度范圍內，離子Fe能夠形成絡合物，利于席夫堿形成，進而促進美拉德反應，使褐變速度加快[34]。原博子等[29]發現每100 g紅糖增加1～2 mg的Fe就能檢測出對美拉德反應的促進效果。鎂在蔗汁中的含量也比較多(512 mg/kg)，鎂離子通常能減緩美拉德反應的發生；且3月份～6月份收獲的原料甘蔗隨著時間的增加，原料中的還原糖和Fe、Mg含量增加，影響了美拉德反應，加強了紅糖的顏色和苦味。蔗汁中含有沒食子酸等多種酚類物質，它們在紅糖加工過程中不穩定，會熱反應產生新的化學物質[35]，如沒食子酸可以參與美拉德反應，促進美拉德反應中間體的形成，還能影響有色化合物的產生(主要取決于參加反應的糖和氨基酸)[36]。

3 美拉德反應對紅糖品質的影響

3.1 對紅糖揮發性物質成分的影響

揮發性物質是紅糖風味特性的主要來源，也是消費者選擇紅糖產品的重要依據之一。紅糖揮發性香氣物質既有來自于甘蔗的，也有在生產或貯藏過程中生成的，而生產過程中生成的很大程度上決定了紅糖的風味特性。崔斐等[28]在膜法紅糖中鑒定出53種揮發性風味物質，其中雜環類19種、醛類10種、烴類10種、酮類4種、酚類2種，其他8種，雜環類化合物占總化合物的68%以上，吡嗪類、Strecker醛類和氧雜環類的主要來源是美拉德反應[37]。Liu等[38]在紅糖中共鑒定出37種芳香活性化合物，其中關鍵的6種烷基吡嗪和1種乙酰吡嗪均為美拉德反應特征產物，其中2，5-二甲基吡嗪為紅糖提供了堅果和烘烤氣味，而呋喃酮則為紅糖提供了焦糖味；Chen等[39]指出，生產過程的美拉德反應為紅糖提供了許多獨特的氣味化合物，如紅糖中酮類含量為5 633.00 ng/g，其中2(5H)-呋喃酮含量為388.98 ng/g，是紅糖的關鍵香氣化合物，賦予紅糖黃油、甜味和堅果味的特殊香氣。

3.2 對紅糖色澤的影響

色澤是紅糖的一個重要理化指標，主要與紅糖色素的種類與含量相關。因為紅糖不僅含有甘蔗自身含有的色素及這些色素在加工過程中產生的衍生色素，如多酚類和酚類氧化色素與酚鐵絡合物，還含有在生產過程中形成的大量色素，如還原糖分解色素、美拉德反應生成類黑精色素及蔗糖焦糖化反應產生的焦糖色素。通常認為己糖堿性降解產物和類黑精是紅糖呈色的主要物質之一[40]。

Weerawatanakorn等[27]發現泰國不同品種甘蔗所制的紅糖的色值存在差異，色值的差異與甘蔗汁的原始色素之間關系不大，主要是由加工過程中的美拉德等化學反應產生的。楊婷等指出，紅糖的顏色主要呈由紅色、黃色構成的褐色；且顏色與加工控制的條件密切相關，一般來說，熬煮時間越長，焦糖化和美拉德反應越充分，紅糖的顏色越深。Gómez-Narváez等[41]發現，顆粒狀紅糖生產過程中，需要比塊狀紅糖(90～92 °Brix)更高的錘度(96 °Brix)，高溫熱處理的時間更長，有色化合物(如類黑精)形成增加，因此褐變程度更高。可見，紅糖生產過程的條件對其顏色有很大的影響。盡管上述文獻說明美拉德反應是影響紅糖色澤的主要原因，但目前關于該反應的呈色物質結構和機理方面的研究較少，有望進一步探索。

3.3 對紅糖中營養物質的影響

紅糖生產過程中發生的美拉德反應，會使蔗汁(糖漿)的果糖、葡萄糖及氨基酸含量下降，造成紅糖營養價值下降。在特定條件下，蔗汁(糖漿)中的蛋白質與蔗糖甚至先發生分解轉化成氨基酸和還原糖，然后參與美拉德反應[42]，造成紅糖的營養價值進一步下降。蔗汁中含有豐富的氨基酸，其中蘇氨酸含量較高(介于41.0～282.8 mg/kg之間)，但Zhu等[43]發現膜法紅糖中總氨基酸含量較低，且在紅糖中未檢測到蘇氨酸，這是由于氨基酸在制糖過程中參與美拉德反應產物的形成，使它們的含量降低。程芳研究發現貯藏10個月后，紅糖的游離氨基酸總量隨著貯藏時間的延長而降低，由303.84 mg/100 g降低至145.40 mg/100 g，其中3種堿性氨基酸平均消耗率達98.18%。

盡管美拉德反應會造成氨基酸等營養物質的損失，但因美拉德反應產物具有抗氧化、抗菌、抗炎和抗癌等生理特性[44]，因此美拉德反應會增強紅糖的保健功能。研究表明，紅糖加工過程中的美拉德反應會產生呋喃酮、呋喃和吡嗪等化合物[45]以及甲酸和醋酸等低分子量有機酸，呋喃酮、呋喃和吡嗪可以調節負責抗氧化防御的酶以及自由基清除活性，以防止氧化損傷；甲酸產生的主要途徑之一是美拉德反應，可以改善大鼠的腸道菌群，對人體健康有潛在的益處。

3.4 對紅糖安全性的影響

紅糖生產過程中pH通常小于7，在此條件下，美拉德反應會發生1,2-烯醇化產生3-脫氧葡萄糖醛酮(3-DG)、羥甲基糠醛(如5-HMF)或糠醛，也會生成丙烯酰胺(AA)和糖基化終產物(AGEs)等有害物質，可能會對紅糖的食用安全帶來隱患。3-DG具有細胞毒性，并會損傷細胞[46]；5-HMF已被證實能損傷大鼠DNA，誘發大鼠的結腸癌。因為人體對5-HMF更為敏感，因此其對人體產生的危害可能更大[47]；AA不僅具有致癌作用，還可能會損傷人體神經和生殖系統[48]，因此歐盟已實施了食品中AA基準含量的法案 (EU) 2017/2158，規定了烘焙食物、嬰兒食物等食品的含量范圍。AGEs已被證明會引起神經元細胞中的氧化應激和細胞毒性，與阿爾茨海默病的病理原因有密切關系。

目前已有學者在紅糖中檢測出3-DG、5-HMF、AA和AGEs等物質。Asikin等[19]在新鮮生產的紅糖中檢測到3-DG含量為4.1 mg/100 g；且本課題組前期研究發現，紅糖中3-DG含量隨貯藏時間的增加呈上升趨勢，且在10個月內的增加率為 88.10%。3-DG是美拉德反應的中間產物，參與并促進AGE的形成，與人體糖尿病、尿毒癥有相關聯系[49]。Polovková等[50]在市售25種紅糖中均檢測出5-HMF，其中有10種含量低于定量限，其他大部分HMF含量在0.17～6.45 mg/kg 之間，殘留量較小，對人體健康的影響較小。Gómez-Narváez在塊狀和顆粒狀紅糖中均檢測到AA，含量范圍為60～305 8 μg/kg，AA主要在高溫下由還原糖和天冬酰胺發生美拉德反應形成。Mesias等[51]在原甘蔗汁和澄清后的清汁中未檢測出 AA，但在生產中的蒸發和煮制階段，強烈的熱處理使其發生美拉德反應，AA的含量不斷增加，直到最終紅糖AA的含量急劇增加至867 μg/kg。美拉德反應的糖基化終產物(AGEs)也經常被視為危害健康的物質，在一些患癌癥、神經疾病的病人體內通常能發現高含量的AGE特異性熒光，飲食攝入是機體內AGE的重要來源[52]。Chen等[53]發現，紅糖的熒光AGEs包括賴氨酸A、B和C和戊糖苷等，這些AGEs與腎功能不全、糖尿病并發癥和肥胖等有關。盡管目前未對紅糖中5-HMF、AA和AGEs含量的水平做出限定，但仍需在加工中嚴格監控，減少食品安全隱患。

4 結語

紅糖的生產過程(尤其是加熱單元)中發生的美拉德反應，與紅糖的色澤、風味、營養價值、保健功能等性質密切相關，甚至會產生對人體健康不利的物質，因此有必要深入研究甘蔗原料性質、生產方法及工藝條件對美拉德反應的影響及作用機理，為紅糖生產過程中美拉德反應的定向控制提供理論依據，既保障紅糖的理化品質，又可根據市場特定要求在紅糖生產過程中加以控制以滿足客戶的要求，從而促進紅糖產業的發展。