嬰幼兒配方奶粉美拉德反應(yīng)指示物研究進(jìn)展

賈宏信，蘇米亞，陳文亮，劉海安

乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院（上海 200436）

嬰幼兒配方奶粉是母乳的最佳替代物，也是人工喂養(yǎng)嬰兒的唯一營養(yǎng)來源，其營養(yǎng)特性對嬰幼兒的生長發(fā)育至關(guān)重要[1]。為保證嬰幼兒的食用安全，嬰幼兒配方奶粉往往會經(jīng)歷較高的熱處理工序，以保證其微生物安全和實(shí)現(xiàn)制粉，另外奶粉含水量低產(chǎn)品貨架期較長（1.5～2年），這些因素都會對嬰幼兒配方奶粉的營養(yǎng)價值產(chǎn)生影響[2-3]。其中，加工和貯存過程中的Maillard反應(yīng)是嬰幼兒配方乳粉加工及貯存過程中不可避免的品質(zhì)劣變，該反應(yīng)的發(fā)生不但會影響嬰幼兒配方奶粉的營養(yǎng)價值，還會產(chǎn)生一些不利于嬰幼兒健康的產(chǎn)物，如糠氨酸（furosine）、羥甲基糠醛（5-hydroxymethyl-2-furfuraldehyde，HMF）、糠醛（2-furaldehyde，F(xiàn)）、呋喃甲基酮（2-furylmethylketone，F(xiàn)MC）、甲基糠醛（5-methyl-2-furaldehyde，MF）、羧甲基賴氨酸（carboxymethyl lysine，CML）、羧乙基賴氨酸（carboxyethyl lysine，CEL）等[2,4-8]。就嬰幼兒配方奶粉Maillard反應(yīng)中前期的主要產(chǎn)物糠氨酸和糠醛類化合物進(jìn)行綜述，并對其形成過程進(jìn)行分析，為嬰幼兒配方奶粉加工及其貯存提供參考。

1 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應(yīng)

1.1 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應(yīng)過程

早在1912年，法國化學(xué)家Maillard提出美拉德反應(yīng)，它是一種由羰基化合物（糖類）和氨基化合物（胺、氨基酸、肽和蛋白質(zhì)）在食品加工和貯存過程中發(fā)生的非酶褐變反應(yīng)[9]。Maillard反應(yīng)可分為初級階段、高級階段和最終階段3個階段（圖1）。初級階段，氨基酸與還原糖縮合形成希夫堿（Schiff’s base），經(jīng)環(huán)化、重排形成阿姆瑞德（Amadori）化合物。高級階段，Amadori化合物在不同的環(huán)境中發(fā)生不同反應(yīng)，主要有：Amadori化合物在酸性環(huán)境中經(jīng)過1, 2-烯醇化反應(yīng)生成3-脫氧酮糖；在中性環(huán)境中經(jīng)過2, 3-烯醇化反應(yīng)產(chǎn)生1-脫氧酮糖，并進(jìn)一步生成還原酮類及脫氫還原酮類；在堿性環(huán)境中降解為4-脫氧酮糖。最終階段，目前對其反應(yīng)機(jī)理尚無明確的理論，僅明確其主要的產(chǎn)物為類黑精（melanoidins）[10-12]。嬰幼兒配方奶粉的Maillard反應(yīng)初期階段，因其主要的還原糖為乳糖，且游離的賴氨酸含量較少，因此其Maillard反應(yīng)主要為乳糖與蛋白質(zhì)中的賴氨酸氨基基團(tuán)作用形成Schiff’s base，然后經(jīng)Amadori重排轉(zhuǎn)化為與蛋白質(zhì)結(jié)合的Amadori化合物（1-脫氧-1-氨基）乳糖賴氨酸[（1-deoxy-1-amino-）lactulosyllysine]，此化合物在熱處理不劇烈或者短時期內(nèi)會穩(wěn)定存在，經(jīng)過酸水解可以形成糠氨酸、羧甲基賴氨酸和羧乙基賴氨酸等。高級階段，為Amadori化合物的裂解反應(yīng)，3-脫氧酮糖反應(yīng)生成羥甲基糠醛（HMF）、糠醛和吡咯素（pyrraline）等，1-脫氧酮糖生成β-吡喃酮（β-pyranone）和3-呋喃酮（3-furanone）等。最終階段，Maillard反應(yīng)生成類黑精，而類黑精多與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物[4-5,12]。

圖1 嬰幼兒配方奶粉美拉德反應(yīng)

1.2 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應(yīng)影響因素

對于嬰幼兒配方乳粉的加工過程而言，影響乳粉Maillard反應(yīng)的因素有配方中乳糖、賴氨酸含量、加工過程溫度、加工時間等。嬰幼兒配方奶粉中富含蛋白質(zhì)和還原糖（乳糖），其加工過程需經(jīng)歷高溫（殺菌、濃縮、噴霧干燥等），因此極易發(fā)生Maillard反應(yīng)。此外，嬰幼兒配方奶粉還含有豐富的脂質(zhì)（多不飽和脂肪酸）、礦物質(zhì)和維生素等對Maillard反應(yīng)起促進(jìn)作用的物質(zhì)，可以進(jìn)一步促進(jìn)Maillard反應(yīng)的發(fā)生。研究顯示多不飽和脂肪酸、鐵和維生素C等會增加羥自由基的形成[13-16]，賴氨酸糖基化和色氨酸氧化[16-17]。在貯存過程中，包裝（氣調(diào)）、貯存溫度、貯存時間、產(chǎn)品的水分活度等也會影響嬰幼兒配方乳粉的Maillard反應(yīng)。雖然一般嬰幼兒配方奶粉處于干燥、隔氧、避光的狀態(tài)，但是Maillard反應(yīng)卻一直在發(fā)生。研究顯示在低溫干燥的食品體系中Maillard反應(yīng)進(jìn)展緩慢，但Maillard反應(yīng)仍會引起奶粉色澤（類黑精）、氣味（醛類和酮類）及營養(yǎng)指標(biāo)賴氨酸等改變[18]。

2 嬰幼兒奶粉中糠氨酸

2.1 嬰幼兒奶粉中糠氨酸水平

乳制品中的糠氨酸，是乳蛋白質(zhì)在高溫條件下與還原糖（乳糖等）發(fā)生“Maillard”反應(yīng)所產(chǎn)生的系列產(chǎn)物之一?？钒彼醄ε-N-（2-呋喃甲基）-L-賴氨酸]由Erbersdobler 等[19]于1966年發(fā)現(xiàn)其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是Maillard反應(yīng)早期產(chǎn)物Amadori化合物（1-脫氧-1-氨基）乳糖賴氨酸的酸水解產(chǎn)物[20]。多年來，糠氨酸已成為乳品加工過程熱處理類型和強(qiáng)度、配方、貯存對乳品質(zhì)量影響的指示物[11,20]，如我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 939—2016《巴氏殺菌乳和UHT滅菌君如中復(fù)原乳的鑒定》就使用糠氨酸水平來區(qū)分巴氏殺菌乳、UHT殺菌乳等[21]。嬰幼兒奶粉實(shí)際加工過程中，相比于巴氏殺菌乳和UHT殺菌乳具有更高的熱處理工序，因此其糠氨酸水平可能會更高。表1數(shù)據(jù)顯示：嬰兒配方奶粉中糠氨酸水平范圍為55～1 937 mg/100 g蛋白，且多數(shù)研究顯示糠氨酸含量在300 mg/100 g蛋白以上；較大嬰兒配方奶粉糠氨酸水平范圍為141～1 467 mg/100 g蛋白，且多數(shù)研究顯示含量在600 mg/100 g蛋白以上[2,22-30]。數(shù)據(jù)顯示較大嬰兒配方奶粉糠氨酸水平高于嬰兒配方奶粉。對于這一現(xiàn)象，其可能是因為兩者的配方組成不同導(dǎo)致的，如嬰兒配方奶粉含有的蛋白質(zhì)較低，但乳清蛋白含量較高，以及兩者的礦物質(zhì)含量、脂肪含量也存在差異。劉斌等[6]通過分析嬰兒配方奶粉和較大嬰兒配方奶粉在生產(chǎn)加工過程中糠氨酸含量的差異也發(fā)現(xiàn)，同一生產(chǎn)線下生產(chǎn)的嬰兒配方奶粉的糠氨酸含量顯著低于較大嬰兒配方奶粉。

表1 嬰幼兒配方奶粉中糠氨酸含量

2.2 加工工藝及配方組成對嬰幼兒奶粉糠氨酸的影響

嬰幼兒配方奶粉中蛋白質(zhì)含量為0.43～0.96 g/100 kJ，碳水化合物含量為1.8～3.6 g/100 kJ，且碳水化合物主要為乳糖，以及嬰幼兒配方奶粉在加工制造過程中需經(jīng)歷滅菌、濃縮、噴霧干燥、流化床二次干燥等熱加工工序，這些都會導(dǎo)致糠氨酸的生成，另外隨著奶粉貯存時間的延長，糠氨酸含量也會隨之增高。根據(jù)奶粉生產(chǎn)工序的受熱程度，一般認(rèn)為濃縮和噴霧干燥2道序會造成糠氨酸大量升高，因此這2道工序也是控制嬰幼兒奶粉糠氨酸的關(guān)鍵工序。如劉斌等[6]研究顯示，嬰兒配方奶粉的糠氨酸水平在原料乳、殺菌、濃縮、硫化床二次干燥和包裝5道工序內(nèi)，糠氨酸的最高值出現(xiàn)在濃縮工序。Contreras-Calderón等[23]研究顯示在配料（除植物油外）、植物油混合、噴霧干燥3道工序中，糠氨酸的最高值出現(xiàn)在噴霧干燥工序。研究提示，在嬰幼兒奶粉生產(chǎn)過程中，熱加工工序（主要為濃縮工序和噴霧干燥工序）為控制嬰幼兒奶粉的關(guān)鍵控制點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)嬰幼兒配方奶粉時需對這些熱處理工序進(jìn)行優(yōu)化與控制。除了加工工藝對嬰幼兒配方奶粉糠氨酸含量的影響外，奶粉配方本身也會影響其糠氨酸的生成。研究顯示，配方糖類成分及含量、蛋白質(zhì)種類及金屬離子的種類等都會影響糠氨酸的生成[23-24]，如：當(dāng)配方中的乳糖部分被麥芽糊精替換后，其糠氨酸水平會顯著下降；乳清蛋白被部分水解乳清蛋白替換時，其糠氨酸水平也顯示出顯著降低[23]。

2.3 貯存條件對嬰幼兒奶粉糠氨酸的影響

嬰幼兒配方奶粉一般具有較長的貨架期，因為Maillard反應(yīng)在貯存過程中會持續(xù)發(fā)生，因此其糠氨酸也會持續(xù)發(fā)生。研究顯示奶粉的包裝、貯存溫度、貯存時間等都會影響奶粉中糠氨酸的含量，而且其含量一般隨貯存溫度升高而升高，隨貯存時間延長而升高[28-29]。Guerra-Hernández等[28]研究嬰兒配方奶粉分別在氮?dú)夂脱鯕猸h(huán)境中，溫度在20 ℃和55 ℃條件下儲存90 d的糠氨酸含量變化，結(jié)果顯示糠氨酸的含量隨著貯存延長而提高，且同種溫度下氮?dú)鈿庹{(diào)下糠氨酸的水平會升得更高，同種氣調(diào)條件下溫度越高糠氨酸的水平會升得越高。Ferrer等[29]發(fā)現(xiàn)氣調(diào)（二氧化碳和氮?dú)鈿庹{(diào)，殘氧≤3%）后的嬰兒配方奶粉20 ℃或37 ℃儲存24個月，嬰幼兒配方奶粉的糠氨酸含量曾現(xiàn)增高趨勢，且37 ℃下相比于20 ℃增高更加明顯，如嬰兒配方奶粉貨架期跟蹤至24個月，糠氨酸含量從0個月的161.5 mg/100 g蛋白，20 ℃下增高至647 mg/100 g蛋白，37 ℃下增高至863 mg/100 g蛋白。這些研究說明在貯存過程中溫度和時間是影響嬰幼兒奶粉糠氨酸生成的主要因素，但同時其還受包裝（氣調(diào)）方式的影響，提示嬰幼兒配方奶粉的生產(chǎn)加工和貨架期設(shè)定需要考慮氣調(diào)方式及產(chǎn)品的存放環(huán)境。

3 嬰幼兒奶粉中糠醛類化合物（Furfurals）

3.1 嬰幼兒奶粉中糠醛類化合物的水平

乳制品中的糠醛類化合物主要有HMF、F、FMC和MF，其中HMF和F為檢出頻率和檢出量最高的2種糠醛類化合物，而FMC和MF的檢出頻率和檢出量都較低[3,26]。由圖1所示，乳制品中的HMF來源途徑分為2種：一種為乳糖異構(gòu)化和降解，稱為游離羥甲基糠醛；另一種為Maillard反應(yīng)中乳糖與蛋白質(zhì)中的氨基酸發(fā)生Amadori重排生Amadori產(chǎn)物，通過酸水解Amadori產(chǎn)物而生成羥甲基糠醛，稱為結(jié)合羥甲基糠醛[31]。Berg等[32]的研究顯示，牛乳中HMF的主要來源為乳糖的異構(gòu)化與降解而不是Maillard反應(yīng)。為了區(qū)分不同來源的5-HMF，研究者將不經(jīng)過水解而直接測定的糠醛化合物稱為游離糠醛化合物，水解后由糖、Amadori產(chǎn)物生成的所有糠醛化合物稱為總糠醛化合物[33]。嬰幼兒配方粉中F-HMF（游離羥甲基糠醛）含量范圍為6～1 412 μg/100 g，總羥甲基糠醛（T-HMF）含量范圍為0～2 925 μg/100 g，F(xiàn)-F（游離糠醛）含量范圍為0～128 μg/100 g，T-F（總糠醛）含量范圍為6～256 μg/100 g[2-3,28,30,34-42]。數(shù)據(jù)說明嬰幼兒配方粉中糠醛類化合物在不同產(chǎn)品中差異大，同時也說明非Maillard反應(yīng)產(chǎn)生的糠醛也大量存在于嬰幼兒配方中，實(shí)際跟蹤嬰幼兒Maillard反應(yīng)產(chǎn)物糠醛類化合物含量水平時，需同時考慮用游離糠醛化合物和總糠醛化合物這2類糠醛化合物含量水平評估。嬰幼兒配方奶粉與不同品類乳制品糠醛類化合物含量的對比為巴氏殺菌牛奶＜超高溫牛奶＜原味發(fā)酵牛奶＜嬰兒奶粉＜成人奶粉＜復(fù)原奶粉＜炭燒發(fā)酵乳＜復(fù)原酸奶[34]。

表2 嬰幼兒配方奶粉中糠醛類化合物含量

3.2 加工工藝及配方組成對嬰幼兒配方奶粉糠醛類化合物的影響

基于嬰幼兒配方奶粉加工工藝需要經(jīng)歷多個熱處理過程及糠醛類化合物有兩個生成路徑。研究顯示[3,6]，在加工過程中，嬰幼兒配方奶粉中糠醛類化合物主要出現(xiàn)在熱處理較強(qiáng)的濃縮和噴霧干燥工序。如Shen等[3]依據(jù)乳粉加工工藝流程詳細(xì)分析嬰幼兒配方奶粉加工過程中各階段料液/物料（原料乳、凈化乳、巴氏殺菌乳、均質(zhì)乳、濃縮乳、噴霧干燥粉）的糠醛類化合物的含量，結(jié)果顯示F-HMF和T-HMF從巴氏殺菌乳開始含量快速上升，且在噴霧干燥階段達(dá)到最高；而F-F主要在噴霧干燥工序產(chǎn)生，T-F從均質(zhì)工序含量快速上升，且在濃縮、噴霧干燥階段達(dá)到最高。結(jié)果顯示嬰幼兒加工過程中糠醛類化合物主要產(chǎn)生于熱加工過程中，如巴氏殺菌、濃縮及噴霧干燥工序，同時也說明嬰幼兒奶粉中存在非Maillard反應(yīng)糠醛類化合物，其該類化合物也受加工工藝的影響。進(jìn)一步研究顯示，配方組成的不同也會影響糠醛類化合物的生成，如：劉斌等[6]的研究顯示，較大嬰兒配方奶粉相對于嬰兒配方奶粉具有更高的HMF含量；Ferrer等[42]通過對比分析較大嬰兒配方（碳水化合物54%，其中乳糖32.4%，麥芽糊精21.6%）和嬰兒配方奶粉（碳水化合物（乳糖）55%）發(fā)現(xiàn)，較大嬰兒配方奶粉中HMF和F的含量都高于嬰兒配方奶粉。研究說明，加工工藝（加工過程熱處理強(qiáng)度）、產(chǎn)品配方（特別是乳糖）組成等都會影響嬰幼兒配方中糠醛類化合物的生成。但研究顯示，嬰幼兒配方中添加DHA不會對產(chǎn)品糠醛類化合物含量造成影響，也不會影響其貯存期糠醛類化合物含量[38]。

3.3 貯存條件對嬰幼兒配方奶粉糠醛類化合物的影響

類似于糠氨酸，貯存過程中影響糠醛類化合物的因素主要有貯存時間、貯存溫度和包裝形式。且糠醛類化合物的變化趨勢一般也表現(xiàn)為隨著時間的延長而升高。另外，因為Maillard反應(yīng)是一個動態(tài)變化過程，及糠醛類化合物還會進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生終端Maillard產(chǎn)物，因此在嬰幼兒配方奶粉考察期，糠醛類化合物最高值并不一定出現(xiàn)在研究考察的末期，如：Albala′- Hurtado等[40]研究顯示，嬰幼兒配方奶粉和嬰幼兒配方奶中的F-HMF、T-HMF、F-F和T-F在考察期都隨貯存期的延長（0～9個月）而增高，且在不同貯存溫度下（20，30和37 ℃），貯存溫度越高HMF和F的升幅越大；Ferrer等[39]通過跟蹤20 ℃和37 ℃下奶粉的整個貨架期（24個月）發(fā)現(xiàn)，嬰幼兒配方奶粉的糠醛類化合物含量在貨架期內(nèi)存在一定波動，如嬰兒配方奶粉F-HMF的含量在37 ℃下第18個月高于第15和第21個月，T-HMF的含量第15個月高于18個月，F(xiàn)-F只有在第18個月有檢出等。一般而言，嬰幼兒配方奶粉為充氮或充氮和二氧化碳密閉保存，且產(chǎn)品處于隔氧、避光狀態(tài)，有利于嬰幼兒配方奶粉貨架期品質(zhì)的穩(wěn)定，但是嬰幼兒配方奶粉在食用時會打開包裝破壞這一密閉環(huán)境，造成配方內(nèi)Maillard反應(yīng)加速，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。如Chavez-Servin等[35]詳細(xì)分析20款嬰幼兒配方奶粉開口后在室溫（25 ℃）條件下貯存70 d的T-HMF和T-F含量變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)奶粉開口后Maillard反應(yīng)會得到增強(qiáng)。

4 結(jié)語與展望

嬰幼兒配方奶粉在加工及貯存過程中會發(fā)生Maillard反應(yīng)，并形成一些不利于嬰幼兒健康的Maillard產(chǎn)物，特別是糠氨酸和糠醛類化合物。這些化合物的形成不但與產(chǎn)品配方、加工工藝相關(guān)，且與產(chǎn)品后期的貯存條件（溫度、時間、包裝形式等）相關(guān)。因此為了嬰幼兒健康，需對嬰幼兒配方奶粉的Maillard反應(yīng)足夠重視，并研究相關(guān)控制措施。根據(jù)Maillard反應(yīng)的具體影響因素，今后需重點(diǎn)關(guān)注嬰幼配方奶粉的熱加工工藝和貯存條件，并解決如下問題：研究配方組成（特別是蛋白、碳水化合物）與嬰幼兒配方奶粉Maillard反應(yīng)產(chǎn)物的量化關(guān)系，確認(rèn)配方優(yōu)化技術(shù)路線；重點(diǎn)研究殺菌、濃縮和噴霧干燥工序與Maillard產(chǎn)物的量化關(guān)系，并建立相關(guān)工藝關(guān)鍵控制措施；開展Maillard產(chǎn)物與嬰幼兒健康的相關(guān)關(guān)系研究，為嬰幼兒配方乳粉相關(guān)指標(biāo)的控制提供參考依據(jù)，以促進(jìn)嬰幼兒配方乳粉的健康發(fā)展。