乳制品中美拉德反應(yīng)機(jī)制及控制方法研究進(jìn)展

趙樹靜，劉宗尚，李紅娟

（1.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457；2.上海芝然乳品科技有限公司，上海201404）

0 引 言

乳制品在滿足人類的營(yíng)養(yǎng)需求中起著重要作用，隨著乳制品消費(fèi)市場(chǎng)的擴(kuò)大，常溫貯存及長(zhǎng)貨架期乳制品在市場(chǎng)上的需求不斷增加，因此，制造商通常采用提高加熱程度等方法來延長(zhǎng)乳制品的保質(zhì)期，從而滿足貯運(yùn)條件及消費(fèi)者需求。但是由于乳制品中富含蛋白質(zhì)和還原糖，經(jīng)過加熱處理及長(zhǎng)時(shí)間貯存后，會(huì)產(chǎn)生一些不良影響，例如：營(yíng)養(yǎng)價(jià)值喪失[1]，發(fā)生褐變[2]，乳液不穩(wěn)定，老化凝膠以及產(chǎn)生不愉快的氣味等[3-4]。其中褐變即美拉德反應(yīng)在很大程度上決定了乳制品的顏色，風(fēng)味以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5]。美拉德反應(yīng)是羰基化合物（還原糖類）和氨基化合物（氨基酸和蛋白質(zhì)）在常溫或加熱時(shí)發(fā)生的聚合、縮合反應(yīng)，最終生成類黑精等大分子物質(zhì)。除此之外，在反應(yīng)過程中還會(huì)產(chǎn)生一些羥甲基呋喃（HMF），呋喃等對(duì)人體有害的物質(zhì)[6]。因此，控制乳制品中的美拉德反應(yīng)對(duì)乳制品產(chǎn)業(yè)安全和消費(fèi)者健康具有重要意義。乳制品中發(fā)生美拉德反應(yīng)的主要底物為乳清蛋白、酪蛋白、乳糖及乳糖水解產(chǎn)物等。乳蛋白的賴氨酸殘基具有很高的美拉德反應(yīng)活性[7]。因此，本文主要針對(duì)乳制品美拉德反應(yīng)過程、產(chǎn)生的有害物質(zhì)及其控制手段進(jìn)行總結(jié)，歸納美拉德反應(yīng)對(duì)乳制品質(zhì)量和安全性的影響，及乳制品中美拉德反應(yīng)的控制措施。

1 乳制品中的美拉德的反應(yīng)過程

美拉德反應(yīng)是牛乳在熱處理過程中主要的化學(xué)變化，大致可分為三個(gè)階段，即初級(jí)階段、高級(jí)階段和最終階段[8]。初級(jí)階段：乳糖與賴氨酸反應(yīng)生成希夫堿，然后經(jīng)Amadori分子重排轉(zhuǎn)化為與蛋白質(zhì)結(jié)合的乳糖基賴氨酸，該化合物是一種早期糖基化衍生物，可以通過各種反應(yīng)進(jìn)一步降解為晚期糖基化中端末產(chǎn)物（AGEs），并且在短時(shí)間內(nèi)或不劇烈熱處理?xiàng)l件下可以穩(wěn)定存在[9]。在Amadori重排過程中，醛糖轉(zhuǎn)化為酮糖。這一階段的現(xiàn)象主要是賴氨酸的生物利用率降低，沒有顏色變化以及風(fēng)味物質(zhì)的生成。

圖1 美拉德反應(yīng)初級(jí)階段路線圖[10]

高級(jí)階段：高級(jí)階段主要是Amadori化合物進(jìn)行分解，Amadori化合物根據(jù)環(huán)境中p H值的不同分為不同的分解途徑：酸性條件下發(fā)生1,2-烯醇化反應(yīng)，生成羥基甲呋喃醛；中性條件下發(fā)生2,3-烯醇化反應(yīng)，生成1-脫氧酮醛糖，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為還原酮類和脫氫還原酮類。由于乳制品pH值接近中性并且有乳糖的存在，因此乳制品中主要進(jìn)行的是這條分解途徑；堿性條件下Amadori化合物進(jìn)行裂解生成羰基化合物。Amadori化合物的分解主要是通過烯醇化、環(huán)化作用和脫水作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

圖2 美拉德反應(yīng)高級(jí)階段路線圖[10]

最終階段：此反應(yīng)階段較為復(fù)雜，機(jī)制尚未完全明確，主要是中期階段的反應(yīng)產(chǎn)物與氨基化合物進(jìn)行反應(yīng)生成類黑精類化合物。并伴隨著蛋白質(zhì)交聯(lián)。由于在最終階段發(fā)生了賴氨酸損失，所以可以推測(cè)類黑精有可能與賴氨酸殘基形成復(fù)合物[11]。

2 乳制品美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的有害物質(zhì)

美拉德反應(yīng)在很多加工食品中是其獨(dú)特風(fēng)味和色澤的主要來源，并且其產(chǎn)物也具有一定的抗氧化和清除自由基能力。但是從營(yíng)養(yǎng)學(xué)的角度考慮，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物不僅會(huì)影響到蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)人體健康有潛在危害的化合物（如二羰基化合物、羥甲基糠醛、AGEs），同時(shí)也會(huì)改變加工食品的感官和功能特性，在乳制品中美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的有害物質(zhì)主要有以下幾種。

圖3 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的生成途徑[12]

2.1 糠氨酸

糠氨酸，又名ε-N-2-呋喃甲基-L-賴氨酸，是早期美拉德反應(yīng)的一種重要產(chǎn)物。乳制品在加工過程中，蛋白質(zhì)、氨基酸、乳果糖通過美拉德反應(yīng)生成ε-N-脫氧乳果糖基-L-賴氨酸，后經(jīng)酸水解轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的糠氨酸[13]。加熱溫度和時(shí)間是影響糠氨酸含量的兩個(gè)重要因素[14]。有研究表明糠氨酸的形成會(huì)受到加熱條件的影響，例如在＞100℃的預(yù)熱溫度下保持60 s以上糠氨酸含量會(huì)受到預(yù)熱條件的顯著影響[15]。另外儲(chǔ)藏環(huán)境也會(huì)影響糠氨酸的生成，Li等[16]測(cè)定了較高加熱溫度和長(zhǎng)期儲(chǔ)存條件下奶粉中的糠氨酸濃度為1401.4±76.7 mg/kg。因此糠氨酸在國(guó)際上常用作熱處理和儲(chǔ)存對(duì)乳制品品質(zhì)影響的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]。

2.2 糠醛化合物

糠醛化合物是中期的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，在富含碳水化合物的飲品中廣泛存在，并且在一些食品中含量變化較大，例如嬰兒牛奶、果汁、蜂蜜等[18]。Jorge等[19]測(cè)定了兩種不同嬰兒配方奶粉中糠醛化合物的含量，發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)藏期間糠醛化合物的含量會(huì)增加，并且在37℃下儲(chǔ)藏更為明顯。糠醛的形成隨加工和儲(chǔ)藏條件的變化而變化，尤其是取決于溫度和p H值[20]?？啡┗衔镏饕袃煞N生成途徑：一種是在酸性條件下，Amadori產(chǎn)物經(jīng)1,2-烯醇化、脫水和脫氨基反應(yīng)，形成羥甲基糠醛或糠醛；第二種是乳糖發(fā)生異構(gòu)化或降解而形成[21]?？啡┗衔镏饕℉MF、2-糠醛（F）、2-呋喃基甲基酮（2-FMC）和5-甲基-2-糠醛（MF）。其中HMF在牛乳及乳制品中常作為熱誘導(dǎo)的標(biāo)記物，并且高濃度的HMF具有細(xì)胞毒性，可以刺激眼睛、上呼吸道、皮膚和黏膜。

2.3 晚期糖基化終端末產(chǎn)物

AGEs用于表示蛋白質(zhì)上積累的非酶糖基化產(chǎn)物。它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，通常在美拉德反應(yīng)的最后階段產(chǎn)生。主要包括Nε-羧甲基-L-賴氨酸（CML）、Nε-羧乙基-L-賴氨酸（CEL）、吡咯素和戊糖素等。AGEs通常分為三類：（1）有熒光性和交聯(lián)結(jié)構(gòu)（如戊糖素）；（2）無熒光性和交聯(lián)結(jié)構(gòu)（如甲基已二醛）；（3）無熒光無交聯(lián)結(jié)構(gòu)（如吡咯素，CML和CEL）[22]。其中CML是最具有特點(diǎn)的AGEs之一，常被用做食品中AGEs的標(biāo)志物之一[23]。有研究表明AGEs會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生一定的影響，人體攝入高含量的AGEs后，血液和尿液中的AGEs水平也會(huì)相對(duì)升高，從而增加患糖尿病及其并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)[24]。

3 乳制品中美拉德反應(yīng)的控制措施

一些還原劑、氧化劑和含硫氨基酸能夠抑制食品中美拉德反應(yīng)的進(jìn)行。還原劑主要包括亞硫酸鹽（亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉），其抑制機(jī)理主要是有機(jī)物顏色是由含共軛雙鍵系統(tǒng)的生色團(tuán)、發(fā)色團(tuán)引起的，亞硫酸鹽可以與共軛雙鍵生成加成物，從而抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生，但亞硫酸氫鈉可能會(huì)引起哮喘者過敏，存在一些不安全因素。食品中常用的抗氧化劑主要是一些酚類化合物，例如：丁基羥基茴香醚（BHA）、二丁基羥基甲苯（BHT）、特丁基對(duì)苯二酚（TBHQ）和生育酚等，但是有研究表明BHA和BHT可能具有致癌作用，在許多國(guó)家已經(jīng)被禁止使用[25]。因此使用一些天然的抗氧化物是控制美拉德反應(yīng)程度的有效途徑之一。含硫氨基酸主要包括蛋氨酸和半胱氨酸等，常浩祥等[26]在研究抑制劑對(duì)低乳糖牦牛乳美拉德反應(yīng)的抑制效果中發(fā)現(xiàn)蛋氨酸和半胱氨酸對(duì)其美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抑制效果較為明顯。表兒茶素是一種在綠茶，可可和葡萄中發(fā)現(xiàn)的多酚化合物，可以通過捕獲α-二羰基來阻止美拉德反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行[27-28]。因?yàn)槎喾宇愇镔|(zhì)屬于天然化合物，所以不同來源的植物多酚用作美拉德反應(yīng)的抑制劑越來越得到關(guān)注，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一些其他的天然化合物例如氨基酸、維生素、肽的衍生物等可以通過靶向反應(yīng)位點(diǎn)，中間產(chǎn)物等來抑制美拉德反應(yīng)[29]。Antonio Dario Troise等[30]在超高溫牛乳中加入包封在脂質(zhì)涂層內(nèi)的抗壞血酸，減弱了美拉德反應(yīng)的發(fā)生。在果糖胺氧化酶中也被發(fā)現(xiàn)可以抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生，果糖胺是通過葡萄糖與氨基酸或蛋白質(zhì)的氨基縮合形成的Amadori產(chǎn)物，在食品加熱的過程中能夠形成，是AGEs的前體。果糖胺氧化酶可以催化果糖胺的氧化脫糖反應(yīng)，是控制乳制品中美拉德反應(yīng)的一種潛在抑制劑[31]。研究發(fā)現(xiàn)果糖胺氧化酶能降低大多數(shù)游離氨基酸的糖基化反應(yīng)，能夠有效降低低乳糖牛奶產(chǎn)品中的HMF含量[32-33]。

3.1 多酚對(duì)乳制品美拉德反應(yīng)的影響

多酚類物質(zhì)存在于大多數(shù)植物性食品中，并且具有很多生物活性，例如清除自由基、降低心血管疾病的發(fā)病率、抗癌、抗衰老、抗炎癥等。應(yīng)用于乳制品中的天然多酚主要包括：表兒茶素、表兒茶素沒食子酸酯、表沒食子兒茶素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯等[34]。有許多研究表明多酚類物質(zhì)可以干預(yù)和抑制乳制品中美拉德反應(yīng)的進(jìn)行從而減少有害產(chǎn)物的生成，例如：表兒茶素和表沒食子兒茶素沒食子酸酯可以降低UHT牛奶在加工過程中美拉德褐變熒光和顏色變化[35]；表兒茶素可以抑制UHT牛奶中美拉德芳香化合物的熱生成[36]，還可以減少脫脂奶粉在加工和儲(chǔ)藏過程中陳舊香氣的生成[37]。在乳糖水解牛乳中，當(dāng)在乳糖水解脫脂乳及全脂乳中添加綠茶提取物后，牛乳中的乳脂沉降和物理穩(wěn)定性均有所改善，并且對(duì)于美拉德反應(yīng)的發(fā)生也有一定的抑制作用[38]。也有研究發(fā)現(xiàn)在加工乳中添加表沒食子兒茶素子酸酯可以95%抑制Strecker醛（Strecker醛類由α-二羰基和氨基酸的α-氨基反應(yīng)形成，容易在熱加工食品和飲料中積累）的形成，并且在儲(chǔ)存期間由蛋白質(zhì)引起的游離氨基酸的釋放也相應(yīng)降低[39]。表沒食子兒茶素沒食子酸酯對(duì)Strecker醛抑制有兩種機(jī)理：即表沒食子兒茶素沒食子酸酯可以抑制蛋白質(zhì)的分解或氨基酸與蛋白質(zhì)可以與表沒食子兒茶素沒食子酸酯進(jìn)行結(jié)合。表沒食子兒茶素沒食子酸酯能與膜蛋白巰基共價(jià)結(jié)合，形成分子間交聯(lián)的蛋白聚集體。蛋白質(zhì)與提取物之間的結(jié)合可能會(huì)降低美拉德反應(yīng)的形成。雖然多酚提取物可以抑制乳制品美拉德反應(yīng)進(jìn)程，但添加量過高會(huì)影響產(chǎn)品風(fēng)味。例如：在牛乳中添加0.1%的表兒茶素能夠抑制美拉德反應(yīng)且對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味無顯著影響，但當(dāng)添加量為0.2%時(shí)產(chǎn)品就會(huì)產(chǎn)生不受歡迎的苦味[36]。

雖然有多項(xiàng)研究表明多酚可以抑制或減少美拉德反應(yīng)的發(fā)生，但是由于多酚種類繁多，所以多酚抑制美拉德反應(yīng)的機(jī)理尚不明確，因此研究多酚對(duì)于美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的影響機(jī)理及生成條件還有待深入研究。

3.2 其他因素對(duì)乳制品美拉德反應(yīng)的影響

溫度、時(shí)間、水分含量、p H值以及反應(yīng)物的性質(zhì)（乳糖和氨基酸等）也會(huì)影響乳制品中美拉德反應(yīng)的發(fā)生[1,40]。了解這些因素可以控制美拉德產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和功能。Lotte Bach Larsen等[41]對(duì)脫脂和全脂超高溫滅菌乳在不同溫度下（10、20、30、40、50℃）貯藏24周后的美拉德相關(guān)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在30℃下儲(chǔ)存24周，40℃下儲(chǔ)存6周后牛奶顏色顯著變化，說明了將牛奶的儲(chǔ)存溫度保持在30℃下的重要性。WPC80中的美拉德反應(yīng)同粉末的相對(duì)濕度顯著相關(guān)。當(dāng)乳清蛋白粉末中的水分活度為0.50～0.80時(shí)，美拉德反應(yīng)速率較高[42]。乳糖含量對(duì)乳清蛋白粉的美拉德反應(yīng)程度至關(guān)重要，在乳清蛋白粉中蛋白質(zhì)與乳糖發(fā)生縮合，生成穩(wěn)定的Amadori產(chǎn)物（ε-N-脫氧乳果糖基-L-賴氨酸），隨后反應(yīng)生成席夫堿，在之后會(huì)發(fā)生不可逆的Amadori重排，較高的乳糖含量會(huì)加速蛋白聚集，并且也會(huì)使粉末的功能特性發(fā)生變化，降低乳糖含量可以降低蛋白質(zhì)的乳糖糖基化水平，從而限制蛋白質(zhì)的聚集和褐變速度。使用膜分離技術(shù)將乳清蛋白粉中的乳糖含量由1.56%降低到0.26%后成功限制了乳清蛋白的老化限度[43]。

4 展 望

乳制品的美拉德反應(yīng)極大的影響了乳制品的質(zhì)量，在很大程度上決定了牛乳的顏色、風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并且也會(huì)產(chǎn)生一些有害的副產(chǎn)物從而對(duì)人體健康產(chǎn)生一定影響，因此深入了解乳制品中的美拉德反應(yīng)歷程、有害物質(zhì)及探索其控制美拉德反應(yīng)程度的方法，對(duì)于優(yōu)化加工條件，控制產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

雖然目前對(duì)于入乳制品美拉德反應(yīng)的研究有一定的進(jìn)展，但是對(duì)于中期和末期美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的生成機(jī)理、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)尚不完全明確，如何定性定量的確定其反應(yīng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等仍然是以后研究的重點(diǎn)。除此之外，如何減少或抑制美拉德有害產(chǎn)物的生成仍然是研究熱點(diǎn)，可以重點(diǎn)探索多酚對(duì)于乳制品中美拉德反應(yīng)的抑制效果及干預(yù)機(jī)制，從而為相關(guān)乳制品加工及美拉德產(chǎn)物的控制起到指導(dǎo)作用。