非酶褐變對食品質(zhì)量的影響及其控制技術(shù)研究進(jìn)展

孫浩月，劉洋鋒，溫欣冉，張　卉

（沈陽化工大學(xué) 制藥與生物工程學(xué)院，沈陽 110142）

非酶褐變是食品在加工和貯藏過程中發(fā)生的褐變反應(yīng)，主要包括美拉德反應(yīng)、焦糖化作用、抗壞血酸褐變和酚類自動氧化褐變。非酶褐變的機(jī)制非常復(fù)雜，不僅與參加反應(yīng)的糖類及氨基酸、蛋白質(zhì)等氨基化合物的種類和結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與反應(yīng)溫度、貯藏條件、氧分壓、水分活度、是否存在金屬離子等外界因素有關(guān)。深入研究這些因素對非酶褐變的影響，有助于在食品生產(chǎn)中控制褐變的發(fā)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，對于食品工業(yè)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1　非酶褐變的反應(yīng)機(jī)理

1.1　美拉德反應(yīng)

美拉德反應(yīng)（Maillard Reaction）是非酶褐變反應(yīng)的一種，其反應(yīng)機(jī)理是還原糖與氨基酸、蛋白質(zhì)之間發(fā)生縮合、聚合等反應(yīng)而生成類黑精色素的復(fù)雜反應(yīng)。美拉德反應(yīng)分為3個階段：一是開始階段，還原糖或蛋白質(zhì)中的自由氨基發(fā)生失水縮合反應(yīng)，生成N-葡萄糖基胺，再經(jīng)Amadori重排反應(yīng)生成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖；二是中間階段，1-氨基-1-脫氧-2-酮糖根據(jù)pH的不同發(fā)生降解；三是終了階段，反應(yīng)過程中生成的醛類、酮類等分子均不穩(wěn)定，又會發(fā)生縮合反應(yīng)而產(chǎn)生醛醇類及脫氮聚合物類。

1.2　焦糖化作用

焦糖化作用（Caramelization）是指糖類在沒有含氨基化合物存在時受熱而發(fā)生一系列失水聚合反應(yīng)而形成黑褐色物質(zhì)的現(xiàn)象。溫和加熱或初期熱分解能引起糖異頭移位，改變環(huán)的大小，以及導(dǎo)致原來的糖苷鍵斷裂和新的糖苷鍵形成。大多數(shù)熱分解反應(yīng)能引起糖分子脫水，把雙鍵引入糖環(huán)，產(chǎn)生不飽和環(huán)中間體（如呋喃）。產(chǎn)物中的共軛雙鍵具有光吸收現(xiàn)象而產(chǎn)生顏色。不飽和環(huán)常發(fā)生聚合，生成有顏色的聚合物，從而使食品產(chǎn)生色澤和風(fēng)味。通常焦糖化作用產(chǎn)生的成分可為兩類，即糖脫水后產(chǎn)生的聚合物（焦糖）和熱降解產(chǎn)生的醛、酮、酚等物質(zhì)。

1.3　抗壞血酸褐變

抗壞血酸具有酸性和還原性，自身易發(fā)生氧化反應(yīng)?？箟难岬难趸袃煞N途徑：一是有氧條件下抗壞血酸被氧化，形成脫氫抗壞血酸，再脫水形成2，3-二酮古洛糖酸，最終形成可參與美拉德反應(yīng)的最終階段的還原酮。二是在體系中存在氧化還原電位比抗壞血酸更高的成分時，抗壞血酸會因失氫而被氧化，生成脫氫抗壞血酸或抗壞血酸酮式環(huán)狀結(jié)構(gòu)；在有水存在時，抗壞血酸酮式結(jié)構(gòu)開環(huán)并進(jìn)一步脫羧、脫水，形成醛和還原酮類物質(zhì)。上述物質(zhì)均會參與美拉德反應(yīng)，生成含氮的褐色物質(zhì)。

1.4　酚類褐變

有些食品中含有豐富的酚類成分，如綠茶中多酚類含量高達(dá)30%以上。酚類不僅可以發(fā)生酶促褐變，也能發(fā)生非酶褐變。酚類的非酶褐變即酚羥基易被氧化而生成深色物質(zhì)。在堿性、高溫和潮濕條件下，食品中的酚類均易發(fā)生自動氧化而使食品顏色加深。

2　非酶褐變對食品質(zhì)量的影響

非酶褐變反應(yīng)產(chǎn)物主要有揮發(fā)性和非揮發(fā)性兩大類物質(zhì)。非酶褐變反應(yīng)和非酶褐變反應(yīng)產(chǎn)物均對食品品質(zhì)有重要影響。

2.1　非酶褐變導(dǎo)致食品營養(yǎng)物質(zhì)損失

2.1.1氨基酸的損失參與美拉德反應(yīng)的氨基酸或蛋白質(zhì)會生成各種亞胺類物質(zhì)，從而引起氨基酸的損失，含有游離ε-氨基的賴氨酸對美拉德反應(yīng)最為敏感，其次為堿性的L-精氨酸和L-組氨酸。此外，羰氨反應(yīng)的中間產(chǎn)物二羰基化合物與氨基酸發(fā)生斯特勒克降解，也會造成氨基酸的損失。

2.1.2糖和維生素C的損失還原糖及維生素C在非酶褐變反應(yīng)中作為反應(yīng)物會轉(zhuǎn)化成各種中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物，引起其營養(yǎng)價值降低或完全消失。

2.1.3礦質(zhì)元素的生物有效性下降有學(xué)者將氯化鋅與氨基酸和葡萄糖共熱發(fā)生美拉德反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)無機(jī)鋅轉(zhuǎn)化成了高分子鋅化合物。進(jìn)一步的動物試驗表明，用美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)合鋅的生物有效性遠(yuǎn)低于氯化鋅。

2.2　非酶褐變對食品安全的不利影響

非酶褐變會產(chǎn)生一些對人體有害的產(chǎn)物。大量研究表明，美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的D-糖胺會造成DNA損傷，并會破壞膠原蛋白結(jié)構(gòu)，甚至引起疾病形成和機(jī)體老化。

3　影響非酶褐變反應(yīng)的因素

3.1　還原糖

還原糖是美拉德反應(yīng)必需的反應(yīng)物之一，還原糖的種類會影響美拉德反應(yīng)。研究表明，在各種羰基化合物中，褐變速率由高到低依次為α-己烯醛、α-雙羰基化合物、酮。

3.2　氨基酸

不同的氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)的反應(yīng)速率、終產(chǎn)物組成和香氣特征也有較大差異。堿性氨基酸易褐變；氨基在ε-位或末端者比在α-位更易褐變；甘氨酸與葡萄糖在180℃反應(yīng)可產(chǎn)生焦糖香氣，而此條件下纈氨酸卻產(chǎn)生巧克力香氣。

3.3　水分

美拉德反應(yīng)需要有一定水分存在的條件下才能發(fā)生。美拉德反應(yīng)速率與水分含量與有關(guān)。一般水分含量高于10%時反應(yīng)才能發(fā)生；水分含量在10%～25%范圍內(nèi)時，美拉德反應(yīng)速率隨水分含量的增加而升高。

3.4　pH 值

一般隨著pH值升高（3～10）美拉德反應(yīng)速率也呈升高趨勢。在偏酸性條件下，美拉德反應(yīng)的中間產(chǎn)物N-葡萄糖胺容易被水解，造成反應(yīng)速率降低。

3.5　加工溫度與時間

加工工藝對美拉德反應(yīng)也有影響。隨著加工溫度的上升反應(yīng)速率加快。過高的溫度會導(dǎo)致食品中氨基酸和糖類遭到破壞，而且可能產(chǎn)生對機(jī)體有害的物質(zhì)，從而影響食品的安全性。

4　非酶褐變控制技術(shù)及研究進(jìn)展

4.1　經(jīng)典非酶褐變控制技術(shù)

非酶褐變的反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，涉及眾多的中間產(chǎn)物，產(chǎn)生的終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)尚未完全研究清楚。此外，由于影響非酶褐變反應(yīng)的因素眾多，因而有效抑制其發(fā)生必須采用多種措施協(xié)同作用。控制非酶褐變反應(yīng)一般可采取以下方法：1）降低溫度。降低溫度可減緩褐變反應(yīng)速率，因此采用相對低的加工溫度以及低溫儲藏可減輕褐變程度，延緩褐變發(fā)生。2）亞硫酸鹽處理。糖類的羰基與亞硫酸根可發(fā)生加成反應(yīng)，進(jìn)一步與氨基反應(yīng)的產(chǎn)物不能生成西夫堿，從而抑制褐變發(fā)生。3）改變pH值。美拉德反應(yīng)在偏堿性條件下較易進(jìn)行，因此降低pH值可以控制褐變反應(yīng)。4）降低產(chǎn)品濃度。適當(dāng)降低產(chǎn)品濃度，可以使褐變速率降低。5）使用不易褐變的糖類。由于羰氨反應(yīng)需要游離羰基，所以可用蔗糖代替還原糖。6）發(fā)酵法和生物化學(xué)法。有些食品含糖量甚微，可加入酵母發(fā)酵除糖。如蛋粉和脫水肉末的生產(chǎn)中就采用此方法。7）加鈣鹽。氨基酸可與鈣結(jié)合成不溶性化合物，從而防止褐變反應(yīng)發(fā)生。

4.2　現(xiàn)代新型控制非酶褐變技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步和非酶褐變機(jī)理研究的深入，非酶褐變控制技術(shù)不斷發(fā)展，很多新方法不斷涌現(xiàn)。具體可分為以下5類：1）使用新型天然抗氧化劑。王健利用天然抗氧化劑VB-Na除去啤酒中的溶解氧和金屬離子，從而防止多酚類物質(zhì)的氧化聚合，也消除了金屬離子的催化作用，達(dá)到阻止雙乙?；厣?、提高啤酒穩(wěn)定性和質(zhì)量的效果。2）中溫協(xié)同超高壓。椰肉原漿經(jīng)過不同的處理后，隨著貯藏時間的延長，可溶性固性物和pH值不斷下降，非酶褐變指數(shù)、過氧化值和總色差值卻不斷上升。在相同貯藏溫度下，有學(xué)者采用中溫協(xié)同超高壓間歇?dú)⒕绞?，不僅能較好地維持椰肉原漿的品質(zhì)，還抑制了微生物的大量繁殖，進(jìn)而延緩了褐變反應(yīng)的發(fā)生。3）改進(jìn)食品的包裝材料。荔枝汁在一種新型聚乳酸可再生生物降解材料瓶中時，其L-抗壞血酸的降解速率最高，其次是在聚對苯二甲酸類塑料瓶和復(fù)合材料中。包裝材料阻隔性能不同，進(jìn)入容器內(nèi)部的透過氧量也不同，導(dǎo)致荔枝汁中的溶解氧濃度有所差異。如果存在溶解氧，就會引起L-抗壞血酸的降解和酚類物質(zhì)氧化聚合，使荔枝汁發(fā)生非酶褐變。因此，在選擇食品包裝材料時，不僅要求材料健康無公害，還要求對氧氣阻隔性能高。4）超聲波處理。在一些食品體系中可利用超聲波處理食品以延長保質(zhì)期。超聲波的熱效應(yīng)雖然很小，但連續(xù)的超聲處理會使食品發(fā)生非酶褐變，褐色物質(zhì)隨處理時間的增加而增多。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，不同時間的超聲波處理對黃花菜過氧化物酶的活力、色澤、褐變度、抗壞血酸含量、葉綠素及5-羥甲基糠醛含量等指標(biāo)均有影響。超聲波短時間處理使抗壞血酸含量、葉綠素含量提高，褐變度與5-羥甲基糠醛含量降低，色澤較好，褐變程度較低。5）復(fù)合褐變控制技術(shù)。聯(lián)合使用各種褐變控制技術(shù)，往往可達(dá)到良好的效果。例如，在對馬鈴薯全粉防褐變的研究中，采用熱燙、烘干工藝調(diào)整和亞硫酸鈉溶液結(jié)合的方式，可使馬鈴薯全粉褐變程度最低。

5　非酶褐變控制技術(shù)發(fā)展方向

今后關(guān)于非酶褐變反應(yīng)的研究方向為：1）運(yùn)用先進(jìn)分析檢測技術(shù)明確非酶褐變的機(jī)理和反應(yīng)途徑。隨著分析檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，氣質(zhì)連用、液質(zhì)聯(lián)用、傅里葉變換紅外光譜、核磁共振等高效精密檢測技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于食品研究中。在美拉德反應(yīng)研究中，現(xiàn)代檢測手段的運(yùn)用使得實(shí)時監(jiān)測美拉德反應(yīng)過程中各成分變化、食品結(jié)構(gòu)與組成物質(zhì)間的相互作用成為可能，能夠?qū)γ览路磻?yīng)的機(jī)理及途徑了解得越來越深入。2）研究L-抗壞血酸對不同種類氨基酸非酶褐變反應(yīng)的不同影響，L-抗壞血酸自降解可能反應(yīng)機(jī)理，以及L-抗壞血酸生成揮發(fā)性物質(zhì)的生成機(jī)理。這些研究結(jié)果將會為L-抗壞血酸進(jìn)行后期的非酶褐變反應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并為食品工業(yè)中風(fēng)味物質(zhì)和褐色物質(zhì)的生成控制提供技術(shù)支持。3）新型熱加工方式導(dǎo)致的美拉德反應(yīng)受到關(guān)注。一些產(chǎn)物的代謝速度慢，會在人體器官中集聚，因此有必要從工藝角度去探究不同的加熱方式對非酶褐變的影響。目前非酶褐變的研究大多集中于傳統(tǒng)熱加工方式，而近年來發(fā)展起來的微波加熱、歐姆加熱等新型食品熱加工方式很少涉及，這些熱加工也會不同程度地引起美拉德反應(yīng)。

6　結(jié)語

近年來，隨著對非酶褐變反應(yīng)研究的深入，發(fā)現(xiàn)此類反應(yīng)既產(chǎn)生有害物質(zhì)，同時也產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)。未來將進(jìn)一步明晰非酶褐變產(chǎn)物生成的機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)對該類反應(yīng)的人工調(diào)控，使其在食品加工中更好地發(fā)揮作用。

［1］許國寧，吳素玲，孫曉明，等.黃花菜真空冷凍干燥工藝優(yōu)化研究［J］.食品工業(yè)科技，2013，34（2）：290-293.

［2］孫平，周清貞，高潔，等.馬鈴薯全粉加工過程中的護(hù)色［J］.食品研究與開發(fā)，2010，31（10）：43-46.

［3］許彬，李慧星，趙婷婷.檸檬酸與五種褐變抑制劑的交互作用對馬鈴薯護(hù)色的影響［J］.中國食品添加劑，2015（3）：163-169.

［4］李亞，楊艷，余愛農(nóng)，等.L-抗壞血酸自降解過程的非酶褐變反應(yīng)動態(tài)研究［J］.食品工業(yè)科技，2016，37（4）：117-127.

［5］唐樂攀，楊小洪，余愛農(nóng).抗壞血酸 /半胱氨酸體系 Maillard 反應(yīng)形成風(fēng)味物質(zhì)動力學(xué)［J］.食品科學(xué)，2015，36（27）：27-32.

［6］王慧.酶法提取米糠蛋白及其褐變抑制［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［7］邵瀾媛，周建偉，劉東紅.食品中美拉德反應(yīng)機(jī)理及動力學(xué)模型的研究進(jìn)展［J］.中國食品學(xué)報，2012（12）：103-112.

［8］汪東風(fēng)，孫麗平，張莉.非酶褐變反應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工：學(xué)刊，2006（10）：9-19.

［9］徐輝艷.果汁非酶褐變及其影響因素的研究進(jìn)展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工：學(xué)刊，2011（4）：103-106.