果蔬制品中的美拉德反應及其控制方法研究進展

余 雯，葉秋萍，沈清宇

(福建省亞熱帶植物研究所／福建省亞熱帶植物生理生化重點實驗室，福建 廈門 361006)

果蔬制品是指使用各種物理工藝和化學工藝對新鮮水果、蔬菜進行加工和改良處理而制成的一類產品[1]。在果蔬制品的加工工藝中，技術攻關點是延長貯藏期限、保留營養(yǎng)組分、提升產品食用品質和商業(yè)化價值[2]。美拉德反應在多數果蔬類產品的加工和貯藏工藝中都會發(fā)生，屬于非酶促類褐變反應[3]。它是自然發(fā)生的，但會產生不良影響，例如引起褐變，破壞產品外觀、質地，損失營養(yǎng)組分，產生不愉快的氣味等[4]；更嚴重的是，在反應的各個階段還會生成致毒、致病性中間產物，危害人體健康[5]。消除這些負面影響對果蔬制品的產業(yè)安全和消費者健康具有重要意義，也一直是食品行業(yè)的關注熱點。本文主要針對果蔬制品中美拉德反應的歷程、影響因素及其控制手段進行歸納總結，以期為果蔬加工業(yè)中褐變現象的控制和有害物質的監(jiān)測提供參考。

1 果蔬制品的美拉德反應歷程

美拉德反應是羰基類化合物羧基端和氨基類化合物氨基端之間經縮合、聚合、分子重排而發(fā)生的一系列復雜的綜合反應，最終產物為類黑素物質[6]。目前大部分相關理論認為，美拉德反應總歷程主要包含初級、中級、末級三個階段。

(1) 初級反應階段：還原糖類的羧基端和蛋白質的氨基端縮合生成 N-葡萄糖基胺，再經阿姆德瑞(Amadori)分子重排，生成 1-氨基-1-脫氧-D-果糖(即果糖基胺)[7]。該產物在多種果蔬制品(果蔬干、果蔬汁、果蔬糕等)加工中均有存在，屬于反應最初生成的中間產物，對產品的色澤和風味不會產生影響，但易分解，并推動后續(xù)反應發(fā)生。

(2) 中級反應階段：阿姆德瑞重排產物(ARP)進一步分解，因體系pH差異分為三種情況：①當pH小于7時，果糖基胺脫胺殘基、脫水生成羥甲基糠醛(HMF)，在含氮基團被保留的情況下，生成HMF薛夫堿(Schiffs)[8]；②在pH大于7且溫度低于50 ℃條件下，果糖基胺脫去胺殘基重排生成還原酮，還原酮類脫氫、脫水后與胺類縮合，裂解成二乙酰、乙酸、丙酮醛等小分子[9]；③在pH大于7且溫度高于 50 ℃條件下，氨基酸脫羧、脫氨，與二羰基化合物發(fā)生加成反應，進一步生成含氮褐色化合物，該反應稱為斯特勒克(Strecker)降解反應[10]。目前，多數觀點認為該階段受反應條件的影響較大，依據溫度和 pH的差異，反應路徑和產物均不相同，其中生成的醛酮類小分子化合物是下一步反應的前驅物。在該階段破壞產品風味和色澤的產物已經初步生成。

(3) 末級反應階段(由兩類反應構成)：①醛醇縮合，即兩分子醛經縮合、脫水生成不飽和醛；②中間產物聚合反應，由中間生成物(糠醛衍生物、還原酮類、斯特勒克降解和醛裂解生成的醛等)經縮合、聚合生成類黑色素[11]。類黑色素是反應的終產物，不僅造成產品色澤和風味嚴重受損，還會對人體肝臟、腎臟和神經系統(tǒng)產生不可逆損傷。

綜上，美拉德反應屬于非酶促褐變反應中最常見和最具代表性的一種，因其歷程的復雜性和綜合性，其中間產物仍備受爭議，尤其是反應的最終階段，反應機制尚未完全明確[12]。目前關于美拉德反應歷程的研究集中在中間產物分離與鑒定，有害產物反應動力學模型構建與生成規(guī)律探索，產物毒理性、安全性分析等。美拉德反應歷程的調控對食品加工有重要意義，在一些食品諸如咖啡、可可、煙草中，適當的調控有助于增添產品風味，滿足消費者多樣化需求。然而在果蔬制品加工中，美拉德反應仍以生成有毒、有害和破壞風味的化合物為主。因此，只有充分了解美拉德反應路徑及其產物屬性，才能從本質上找到破解上述難題的方法。

2 果蔬制品中美拉德反應的影響因素

2.1 反應溫度和時間

在果蔬制品的加工過程中，溫度和時間是影響美拉德反應程度的重要因素。研究表明，反應溫度越高，時間越長，反應程度越劇烈，褐變現象越嚴重。王鑫等[13]將藍莓汁分別置于 4 ℃、25 ℃和 37 ℃下貯藏，定期檢測其中美拉德反應的關鍵指示產物5-羥甲基糠醛(5-HMF)含量，實驗表明，5-HMF生成量與貯藏溫度呈正相關，且隨著貯藏時間延長，5-HMF累積量遞增，果汁最終色澤加深。Cern??ev等[14]采用不同溫度干燥西紅柿，將溫度控制在 50 ℃以下，可有效控制產品中美拉德反應的發(fā)生，進而控制產品褐變程度。此外，熱風干燥南酸棗糕時，當干燥溫度升至 80 ℃時，5-HMF生成量高達500 mg·kg-1且產生極其不悅的氣味[15]。將余甘子果汁置于4 ℃下貯藏，其中呋喃糠醛生成量顯著降低，且隨著貯藏時間延長含量增加[16]。蘋果濃縮汁的加工過程中 5-HMF含量和褐變值的變化也呈現出相似規(guī)律[17]。

一般溫度每變化10 ℃時，美拉德反應的速率呈現出3～5倍的差異。當溫度高于30 ℃時，反應速率較快，而當溫度處于20 ℃以下，反應速率明顯減緩[18]。出現這種現象可能是由于溫度提升導致羰胺縮合程度加劇，反應速率加快，從而更易促進高分子量的類黑素產物的生成，最終造成體系顏色加深[19—20]。在果蔬制品的加工過程中，建議將溫度控制在50 ℃以下，或者采用瞬時高溫處理，縮短反應時間，從而在溫度和時間上對反應進行適當調控。而在果蔬制品后期的貯藏過程中，一般建議將溫度控制在 20 ℃以下，一方面可以減少原料中營養(yǎng)組分的損失，另一方面可以延緩美拉德反應進程，以保證其貯藏期間的感官品質，延長產品貨架期。因此，根據原料的差異性，開展美拉德反應的動力學研究，篩選出合適的果蔬制品加工溫度和時間對提升產品品質十分必要。

2.2 反應底物

氨基類化合物(蛋白質、氨基酸類)和羰基類化合物(各種糖類)是主要反應底物，這兩大類物質的種類和結構差異對美拉德反應的速率產生不同程度的影響[21]。糖類化合物的分子量越大，反應速率越慢，支鏈多的糖類反應速率快于支鏈少的糖類[22]。在溫度60 ℃、pH 3.5體系內，比較葡萄糖、果糖和蔗糖與甘氨酸(1: l摩爾比)的反應速率，結果顯示，果糖最初變棕色的速度更快，但80 h后被葡萄糖取代；最初消耗的果糖大于葡萄糖，但60 h后則相反；蔗糖的反應速率最慢[23]。相較于單糖，分子量大的多糖反應速率低[24—25]。因此，在果蔬制品加工過程中，選取合適的糖類添加劑可作為一種控制美拉德反應，減少有害產物的有效方法。氨基類化合物中，氨基酸、多肽、蛋白質對美拉德反應的影響程度呈遞減趨勢[26]。將參與美拉德反應的氨基酸按照褐變程度分高、中、低三類：第一類為高度褐變氨基酸，主要有甘氨酸、色氨酸和酪氨酸；第二類為中度褐變氨基酸，主要有脯氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸；第三類為低度褐變氨基酸，主要有組氨酸、精氨酸、谷氨酸和半胱氨酸[27—28]。

關于反應底物的研究通常集中在模擬不同氨基和羰基類化合物的反應體系，定期監(jiān)測其中生成的中間產物，分析變化趨勢和危害性。這些研究的優(yōu)勢是可通過篩選反應底物，降低反應速率，使有害產物得到適當控制。但直至目前，這方面研究多集中在氨基和羰基類化合物種類和含量的變化，而關于反應底物價鍵的斷裂方式和縮合、聚合位點的相關研究較為不足。

2.3 pH

pH對美拉德反應的不同反應路徑均會產生影響，進而影響反應產物的生成。當 pH≤3 時，美拉德反應的程度并不明顯。當 pH 為 3～9之間，反應速率與 pH值大小呈正相關[29]。在強堿性條件下，食品的美拉德反應程度急速加劇，發(fā)生嚴重褐變，造成產品顏色加深，其原因可能是較高 pH有助于脫羧反應[30]。徐亦秀等[31]研究 pH對楊梅濁汁貯藏過程中褐變的影響表明，降低 pH可有效降低果汁的褐變速率。木瓜汁和桃汁加工過程中的美拉德反應產物也有類似變化[32—33]。綜上，在果蔬制品加工和貯藏過程中，為了防止美拉德反應過快而產生的褐變，在確保產品口感正常的前提下，通過適當降低體系pH降低美拉德反應速率。值得一提的是，調節(jié)pH值雖然能抑制美拉德反應，但可能會造成其他組分的破壞，因此該方法具有一定的局限性。

2.4 水分含量

反應原料的水分含量對美拉德反應程度有顯著影響，水分含量極低或極高均能使反應速率下降[34]。羅昌榮等[35]研究發(fā)現，番茄粉含水量為 3.22%，其美拉德反應速率常數顯著降低，貯藏一個月后，褐變度增加不明顯。在棗漿制備棗粉的工藝流程中，棗漿含水量會顯著影響成品的糠氨酸、5-HMF生成量，含水量＞70%時，兩種物質與含水量呈負相關；當含水量為 80%時，兩種物質的生成量分別為18.67 mg·kg-1、 4.06 mg·kg-1，含水量為 70%和 66%時，兩種物質含量分別達最高[36]。牛奶粉的含水量為 10%～15%時，美拉德反應速率隨水分增加而加快；但當水含量為0或大于90%時，反應速率則十分緩慢[37]。水分含量對美拉德反應的影響是由于體系中的自由水和結晶水在反應中的轉化導致能量的消耗，從而使反應中各個階段的路徑發(fā)生變化[38]。最新的研究表明，水分含量對美拉德反應的影響與溫度存在交互作用。因此，控制果蔬制品的水分含量，對延緩美拉德反應速率有積極作用。

2.5 壓力

壓力會影響化學反應平衡和反應速率，對果蔬制品中的美拉德反應速率也有不同程度的影響[39]。Moreno等[40]發(fā)現，壓力對美拉德反應不同階段的影響不同，這種影響與體系的pH有緊密聯系。pH＜8.0時，壓力對美拉德反應的初始階段沒有顯著影響，能延緩中期和末期階段的反應速率。pH＞8.0時，初期階段產物和中期階段產物的生成速率加快，表明壓力從初始階段開始加速美拉德反應。劉恩芬等[41]的實驗具有相似性結果。采用不同壓力和次數處理紅棗汁，隨著處理壓力增加，褐變程度呈先增后減的現象，在160 MPa條件下，樣品褐變指數增加最顯著，紅棗汁色澤最深[42]。在鐵棍山藥汁的物理穩(wěn)定性實驗中，也發(fā)現類似的現象[43]。因此，為了控制美拉德反應，在一些果蔬制品的均質加工工藝中，壓力參數的調節(jié)也常被作為參考因素，如采用瞬時高壓工藝處理。不過，美拉德反應路徑復雜，受多種外界環(huán)境因素影響，且相互之間有交互、協(xié)同作用。在果蔬制品加工過程中，需要綜合考慮不同因素對各階段的影響，才能使反應得到有效控制。

2.6 金屬離子

金屬陽離子對美拉德反應有促進或抑制作用，其影響程度因離子帶電量不同而呈現差異[44]。在荔枝汁褐變的影響因素研究中，添加 Fe2+和高濃度Cu2+的荔枝汁褐變程度更顯著，美拉德反應速率更快，而添加Mg2+和Sn2+的荔枝汁美拉德反應速率呈現小幅度下降[45]。梨汁和蓮藕汁的美拉德反應與此類似[46]。CaCl2浸泡的馬鈴薯片油炸后褐變色澤得到有效改善，生成的丙烯酰胺含量降低31.91%[47]。吳惠玲等[48]的研究表明，Fe3+、Fe2+能加快美拉德反應，其中 Fe3+的體系反應速率大于 Fe2+；Ca2+、Mg2+能降低美拉德反應速率，其中Mg2+的抑制作用強于 Ca2+，對美拉德反應速率的影響較大。美拉德反應的中間產物還會與金屬離子生成螯合物，造成體系顏色加深，其中最終階段生成的類黑素化合物是其代表；有些離子可與中間產物的基團結合，發(fā)生氧化或還原反應，有效促進或阻斷后續(xù)反應發(fā)生[49—50]。因此，在果蔬制品加工中，采用有抑制作用的金屬離子溶液浸泡原料對調控美拉德反應有積極作用。

3 果蔬制品中美拉德反應的控制手段

3.1 化學方法

果蔬制品生產中控制美拉德反應的化學方法是指添加一定劑量化學抑制劑控制反應的技術手段[51]，是當前運用較為廣泛的控制手段之一。該方法通過化學還原劑與反應物的共軛雙鍵發(fā)生加成作用，或采用氧化劑氧化破壞共軛雙鍵，阻斷后續(xù)反應路徑，可以使發(fā)生體系達到減色效果[52]。閏公昕等[53]研究表明，沙棘酒添加維生素C和EDTA-2Na后美拉德反應產物5-HMF含量明顯下降，色澤也顯著改善。Du等[54]在蘋果汁中加入植酸，置于室溫下貯藏6個月，其褐變度顯著下降。阿魏酸對美拉德反應產物有一定影響，當其濃度為2.5mg·mL-1時，美拉德初級階段反應產物被明顯地抑制，且最終生成的類黑素化合物抑制率可達70%[55]。一些含硫化合物褐變抑制劑也可直接添加或與其他抑制劑共同添加于果蔬制品中用以抑制褐變[56—57]?；瘜W方法的主要優(yōu)點是經濟成本低，見效快，缺點是存在食品安全問題，一些化學抑制劑，尤其是傳統(tǒng)使用的含硫類化學抑制劑有毒副作用，且添加劑量過高，還會破壞產品風味。因此，在實踐生產中篩選出符合國家食品安全標準的抑制劑并確定各種化學抑制劑的安全性和使用劑量是關鍵。

3.2 物理工藝技術

受限于化學抑制劑帶來的食品安全隱患，物理工藝技術逐漸被開發(fā)運用于果蔬加工中控制美拉德反應。在干燥工藝中，使用真空微波和遠紅外輻射干燥處理番茄片，不僅能有效抑制產品中的美拉德反應，還能較好地保持番茄片的外觀色澤，減少番茄紅素和維生素 C流失[58]。Michalska等[59]采用真空冷凍干燥工藝處理李子干，發(fā)現美拉德反應的早期產物和中間產物生成量均得到有效控制，尤其對阿姆德瑞重排產物的抑制效果十分顯著。噴霧干燥也被廣泛運用于果蔬制品加工，它能使原料的組分粒子發(fā)生分離，從而導致粒子在不同反應組分之間的分配比例不同，這種分離過程可能會改變美拉德反應的動力學，進而對反應進行控制[60]。因此，改進干燥工藝，優(yōu)化參數配置對控制美拉德反應，降低褐變率有重要意義。

此外，在實際生產中，選用合適的包裝材料，避免引入能加速美拉德反應的金屬離子也是關鍵[61]。采用不同材質的包裝瓶貯藏橙汁，在4 ℃和22 ℃下進行貯藏112 d，結果顯示包裝材料對橙汁顏色有一定影響，其中聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)包裝的橙汁褐變度低于低密度聚乙烯和高密度聚乙烯包裝材料[62]。溫度是影響反應最重要的因素之一，在果蔬飲料的殺菌工藝中，常采用紫外消毒或超高壓低溫等非熱技術來避免高溫殺菌，或通過吸附樹脂和膜過濾等工藝去除中間產物來控制反應。

綜上，物理工藝主要通過改變外部條件和移除前驅物調控反應。與化學方法相比，物理工藝在食品安全性方面更具優(yōu)越性，對加工設備的要求更嚴格，生產成本也更高。因此，生產商出于對產品經濟、品質和食用安全性的綜合考慮，通常使用物理和化學兩種方法保證產品的褐變品質。

4 展望

果蔬制品的美拉德反應對產品的外觀、風味及營養(yǎng)價值有重要影響，其致毒、致病性產物會損害人體健康。利用各種工藝、技術控制美拉德反應，有助于延長果蔬制品貨架期，提升產品商業(yè)價值。當前關于美拉德反應的研究已取得一定進展，但仍存在較多盲點。為提升果蔬制品品質，加快果蔬加工產業(yè)發(fā)展，未來應加強以下幾方面研究：(1) 深入探索美拉德反應機理，通過模擬不同反應底物和環(huán)境，定期監(jiān)測各階段中間產物的變化規(guī)律，尤其應加強對末級階段的研究，對類黑素產物開展分離、鑒定和毒理性分析；提升檢測手段，引入高精密度檢測儀器，從分子層面分析中間產物的結構和構象變化，對現有反應理論做進一步闡述和補充。(2) 在化學抑制劑研究方面，著重開發(fā)安全性高、毒副作用小、抑制效果顯著的新型綠色抑制劑替代傳統(tǒng)抑制劑，采用多種復合抑制劑，優(yōu)化復配參數，提升抗褐變效果；研究化學抑制劑的抑制機理，分析不同抑制劑對反應各階段中間產物的阻斷作用和干預機制。(3) 在研究物理工藝技術抑制方面，應進一步優(yōu)化工藝參數，改造工藝設備，開發(fā)節(jié)能型新設備，或與化學抑制方法結合，減少工藝消耗。此外，還可嘗試應用生物技術控制美拉德反應，例如在果酒和果蔬飲料加工生產中引入微生物和酶技術，通過去除反應前驅物或降解有害的中間產物以達到控制反應的目的 。