美拉德反應及其對餅干烘烤過程的影響

李玉美，劉玉花，魏冰，劉巖

北京康比特體育科技股份有限公司（北京 102200）

美拉德反應也稱為Maillard反應[1-4]，取自法國化學家Louis Camille Maillard的名字，Maillard在1912年發(fā)現(xiàn)這個反應，過了大約40年于1953年被正式命名為美拉德反應。美拉德反應，也可以稱為羰氨反應或非酶促褐變[5]，由含羰基化合物和氨基化合物在一定的溫度下發(fā)生一系列的聚合、縮合復雜反應，形成多種風味物質(zhì)，發(fā)生褐變生成棕色或棕黑色大分子黑精類物質(zhì)。羰基化合物包括醛、酮、還原糖等物質(zhì)，氨基化合物包括胺、氨基酸、肽和蛋白質(zhì)等物質(zhì)。美拉德反應在食品中應用廣泛[6]，例如調(diào)味品、烘焙食品、肉制品、食用香精等領域。

餅干是烘焙食品中的一大類，它是以面粉、糖類和脂肪為主要原料[7]，以乳制品、蛋制品、淀粉、膨松劑等為輔料，經(jīng)過多個工序加工而成。餅干的加工工藝[8]通常包括稱量、調(diào)制面團、成型、烘烤、冷卻和包裝等多個工序，其中面團調(diào)制和烘烤是餅干加工過程的關鍵環(huán)節(jié)，影響著餅干的品質(zhì)[9]。餅干的烘烤一般分為四個階段，即脹發(fā)、定型、脫水和上色[8]，美拉德反應貫徹于整個烘烤過程中。文章通過介紹美拉德反應的機理、影響因素，餅干烘烤理論，美拉德反應在餅干烘烤中的應用等內(nèi)容，以期為從事餅干生產(chǎn)、技術(shù)研究工作的人員提供思路，共同推動餅干產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 美拉德反應機理及影響因素

1.1 美拉德反應機理

近年來，有關美拉德反應的研究越來越多，但由于反應過程和產(chǎn)物的復雜性，美拉德反應的機理仍未有確切的定論，只是確定了美拉德反應的路徑，其反應途徑[5]見圖1。后續(xù)反應及類黑素的形成路徑尚不明確。Hodge[10]于1953年提出了美拉德反應的三個階段，即美拉德反應初級階段、高級階段和最終階段。

圖1 美拉德反應途徑

初級階段也稱為第一階段，這一階段的特點是沒有產(chǎn)生風味化合物，也沒有發(fā)生褐變。這一階段首先由還原糖羰基和蛋白質(zhì)或氨基酸氨基發(fā)生縮合反應形成席夫堿，然后經(jīng)過環(huán)化、重排形成中間體1-氨基-1-脫氧-2-酮糖或2-氨基-2-脫氧-1-醛糖，它們是美拉德反應中的第一批產(chǎn)物，室溫下穩(wěn)定，是高級階段反應的重要前體物質(zhì)。

高級階段也稱為第二階段，這一階段的特點是形成各種分子量的呈色聚合物，開始呈現(xiàn)出明顯顏色變化并形成揮發(fā)性化合物。這一階段是從中間體1-氨基-1-脫氧-2-酮糖或2-氨基-2-脫氧-1-醛糖的降解開始，發(fā)生糖骨架的脫水、碎裂和氨基酸的降解。在酸性和中性條件下，1-氨基-1-脫氧-2-酮糖經(jīng)過脫氨脫水形成醛類物質(zhì)，在堿性條件下，1-氨基-1-脫氧-2-酮糖經(jīng)過脫氨脫水形成酮類物質(zhì)，生成的物質(zhì)繼續(xù)進行降解反應，形成含羰基化合物或醛類，這些物質(zhì)進一步發(fā)生醇醛縮合、醛氨縮合形成呈色聚合物。

最終階段也稱為第三階段，這一階段的特點是形成非揮發(fā)性的類黑素。經(jīng)過第二階段形成許多活性中間產(chǎn)物，它們經(jīng)過環(huán)化、脫水、反縮醛化、重排、異構(gòu)化、縮合，最后形成類黑素，也稱類黑精。類黑素是聚合物和共聚物的統(tǒng)稱，形成途徑和機制非常復雜，反應機制尚未研究清楚。

1.2 美拉德反應的影響因素

美拉德反應的過程非常復雜，受很多因素的影響，其中主要的影響因素有反應底物、物料的pH、反應溫度和時間[11]，其中反應底物主要指還原糖和氨基酸的含量。

1.2.1 反應底物的影響

反應底物是影響美拉德反應的一個極其重要的因素[12-17]，美拉德的反應底物是還原糖和氨基酸。還原糖的種類和結(jié)構(gòu)會影響反應速度和結(jié)果，通常情況下，單糖的反應速度大于雙糖。吳惠玲等[18]研究了單糖的反應速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)褐變速度為半乳糖＞葡萄糖＞果糖。葡萄糖屬于醛糖，果糖屬于酮糖，醛糖的反應速度大于酮糖，這是因為醛糖的末端基團位阻效應小，與氨基酸更容易發(fā)生反應。五碳糖的反應速度大于六碳糖，五碳糖褐變速度為核糖＞阿拉伯糖＞木糖，六碳糖排序為半乳糖＞甘露糖＞葡萄糖，這些還原糖的分子結(jié)構(gòu)不同，造成反應速度的不同。

氨基化合物主要包括胺、氨基酸和蛋白質(zhì)，它們的結(jié)構(gòu)差異會導致活性不同，對美拉德反應速度、生成物和香味特性有影響，它們對美拉德反應的影響速度為胺＞氨基酸＞蛋白質(zhì)?？臻g位阻不同也會影響反應速度，空間位阻小的氨基酸更易發(fā)生美拉德反應，因此氨基酸的空間位阻是影響美拉德反應的重要因素。

物料的水分含量和水分活度也是美拉德反應的重要影響因素，水分含量高和低都不利于美拉德反應，當物料水分處于10%～15%，水分活度在0.3～0.7時，物料更容易發(fā)生褐變。

物料中金屬離子的種類和含量也會影響美拉德反應速度，其中銅和鐵可以促進褐變，三價鐵大于二價鐵的催化能力。Ca2+、Mg2+對美拉德反應起抑制作用，且Mg2+比Ca2+抑制作用強；K+對美拉德反應影響相對較小。

1.2.2 反應溫度的影響

溫度是影響美拉德反應的一個重要因素，它可以影響美拉德反應的路徑，當溫度高于20 ℃時就會發(fā)生反應。低溫時的反應受動力學控制，活化能較低的路徑容易進行，可以生成不穩(wěn)定中間體；溫度高時，反應受到熱力學控制，會形成環(huán)狀或者聚合物更穩(wěn)定的產(chǎn)物。溫度高時，糖和氨基酸的相互作用越強，越利于反應的發(fā)生，但溫度高于180 ℃時，會產(chǎn)生致癌物。吳惠玲等[18]研究表明，溫度越高反應越快，高于100 ℃時反應速度明顯加快。王魯慧等[19]研究了大豆分離蛋白和還原糖發(fā)生美拉德反應，研究發(fā)現(xiàn)反應溫度越高，美拉德反應程度越高。

1.2.3 反應時間的影響

美拉德反應進程中，有了適宜的溫度，還需要合適的時間。在適宜的反應溫度下，適當延長反應時間會增加美拉德反應程度，但并非時間越長越好，隨著反應的持續(xù)進行，美拉德反應的第三階段產(chǎn)物類黑素會增加，產(chǎn)品顏色加深，還可能產(chǎn)生致癌物質(zhì)。Kchaou等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在相同溫度條件下，隨著時間的增加，美拉德反應產(chǎn)物的種類和含量相應地增加。孫夢[21]在研究美拉德反應制備香精時發(fā)現(xiàn)，反應時間太短不能形成足夠的風味物質(zhì)，時間太長容易產(chǎn)生過度的焦糖化反應，出現(xiàn)苦味，因此反應時間不易過短也不易過長。

1.2.4 pH的影響

研究發(fā)現(xiàn)，pH在3～9范圍內(nèi)，隨著pH上升，美拉德反應速度上升。pH≤3，美拉德反應程度較輕，因為在酸性條件下，N-葡萄糖胺很容易被水解，而N-葡萄糖胺是美拉德特征風味形成的前體物質(zhì)，所以反應無法持續(xù)。在酸性條件下還原糖更多地以閉環(huán)形式存在，不利于美拉德反應。在中性或堿性環(huán)境下，糖胺更容易轉(zhuǎn)化為重排產(chǎn)物，利于美拉德反應，一般隨著pH的增加，反應速度加快。孫麗平等[22]在研究pH對美拉德反應揮發(fā)性產(chǎn)物時發(fā)現(xiàn)，pH對產(chǎn)物種類有至關重要的影響，在不同的pH環(huán)境中，羰基和氨基進行不同程度的離子化，產(chǎn)物出現(xiàn)差異。Laura等[23]在研究乳蛋白和葡聚糖發(fā)生美拉德反應時發(fā)現(xiàn)，pH在3～9范圍內(nèi)隨著pH的上升，美拉德反應速度增加。

2 餅干的烘烤技術(shù)

烘烤是餅干生產(chǎn)過程中一個重要的工序，通過烘烤可以熟化餅干，可以增加餅干的風味、口感，還可以給餅干以誘人的色澤，因此有必要了解餅干的烘烤技術(shù)。餅干的烘烤需要經(jīng)歷四個階段，即脹發(fā)、定型、脫水、上色。在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，一般使用隧道式烤爐烘烤餅干，在這個過程中一般采用三段式或者四段式控制隧道爐內(nèi)區(qū)域溫度，通常一區(qū)溫度稍低，二區(qū)、三區(qū)溫度稍高，四區(qū)溫度稍低。

2.1 餅干脹發(fā)

脹發(fā)過程會影響餅干的酥脆度和口感[7]。餅坯成型后進入烤爐一區(qū)，隨著環(huán)境溫度的升高，餅坯表面受熱升溫。當餅坯溫度升至35 ℃以上時，餅坯中的碳酸氫銨受熱分解為揮發(fā)性的氨氣、二氧化碳和水，引起餅坯體積膨脹，碳酸氫銨引起的膨脹是縱向的；當餅坯溫度上升至65 ℃以上時，碳酸氫鈉隨之分解產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳膨脹進一步引發(fā)餅坯的膨脹，碳酸氫鈉引起的膨脹是橫向的；碳酸氫銨分解溫度較低，很快就分解完，由它引起的膨脹作用很難維持到餅坯凝固定型，因此一般會選擇兩種膨松劑搭配使用，使用比例一般為1∶1。碳酸氫銨的分解產(chǎn)物通常會完全散失，不影響餅干的口味，碳酸氫鈉的分解產(chǎn)物碳酸鈉會引起餅干堿度增加，因此要控制用量。

2.2 餅干的定型

定型可以進一步鞏固脹發(fā)后的餅干形態(tài)。餅坯通過第一階段的膨脹后進入第二階段定型，隨著環(huán)境溫度的升高，餅坯的溫度逐步提升，在膨松劑的作用下不斷膨脹，當餅坯的溫度上升到80 ℃以上時蛋白質(zhì)凝固，形成餅干的骨架，此時餅坯會適度回落，餅坯的外形固定，內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)逐步固定，這個階段就是餅干的定型。定型是餅干烘烤過程的一個重要階段，需要注意的是要保證這個區(qū)域的溫度穩(wěn)定且分布均勻，如果溫度不夠，則會造成餅坯不能及時定型，膨脹起來的餅坯會過度回落，造成餅干內(nèi)部空隙減小，外形不夠飽滿，口感僵硬。餅干的膨脹率一般在200%左右。

2.3 餅干的脫水

充分脫水可以保證餅干的儲存期。餅干的脫水貫穿在餅干的整個過程，甚至在面團的調(diào)制階段就開始脫水，烘烤階段是餅干脫水的主要階段，首先是餅坯表面開始脫水，水分降低，引起餅坯內(nèi)層水分向表面遷移，隨著烘烤不斷進行，餅坯中心水分逐步遷移至餅坯表面而揮發(fā)出去。餅干的脫水和烘烤溫度有關系，溫度高的二區(qū)脫水最多，一般二區(qū)溫度為250～280 ℃。

2.4 餅干的上色

上色會影響餅干的色澤，有食欲的金黃色餅干可以促進銷售。當餅坯經(jīng)過脹發(fā)、定型、脫水后進入上色階段，一般是在烤爐的三區(qū)或四區(qū)。隨著餅坯水分的降低，溫度的升高，美拉德反應速度加快，餅坯從外到內(nèi)逐步上色，呈現(xiàn)出均勻的黃色。餅干的上色有兩種反應組成，即美拉德反應和焦糖化反應。溫度相對低時發(fā)生美拉德反應，溫度繼續(xù)升高會發(fā)生焦糖化反應[24]。美拉德反應的影響因素之一，是和糖類分子中還原性羰基以及蛋白質(zhì)氨基酸的氨基種類有關系，研究表明[18]，餅干中常用的糖中，反應速率由快至慢為葡萄糖、果糖、麥芽糖。小麥粉中氨基酸種類和數(shù)量一般是穩(wěn)定的，所以通常通過調(diào)節(jié)糖或添加其他類型的蛋白質(zhì)氨基酸來增強美拉德反應速率，其中蛋液中氨基酸含量較高[25]，氨基酸易與還原糖發(fā)生美拉德反應，乳制品中的蛋白質(zhì)含有的多種氨基酸也易與糖反應，使餅干色澤美觀[26]，所以餅干輔料中經(jīng)常用到乳制品和蛋制品。在烘烤的最后階段，當餅坯表面溫度升高到糖的熔點以上時會發(fā)生焦糖化反應，堿性調(diào)節(jié)下pH 8時反應速率更快。餅干的上色反應最佳水分為13%～15%，溫度大約為150 ℃[8]。

3 美拉德反應在餅干烘烤中的應用

根據(jù)餅干的生產(chǎn)工藝，將餅干分為酥性餅干、韌性餅干、發(fā)酵餅干、曲奇餅干、壓縮餅干、夾心餅干、威化餅干、蛋圓餅干等。在GB/T 20980—2021《餅干質(zhì)量通則》[27]里是這樣定義餅干的：以谷類粉等為主要原料，添加或不添加糖、油脂及其他配料，經(jīng)調(diào)粉、成型、烘烤等工藝制成的食品，以及熟制前或熟制后在產(chǎn)品之間添加其他配料的食品。從定義中得知，有的餅干沒有添加糖，這類餅干的顏色通常比較淺，缺少發(fā)生美拉德反應需要的底物還原糖，添加還原糖的餅干大部分發(fā)生了美拉德反應，且發(fā)生在烘烤過程中，美拉德反應對餅干的色澤、風味和營養(yǎng)方面有較大的影響。

3.1 美拉德反應與餅干色澤

美拉德反應的終產(chǎn)物是一種類黑素的物質(zhì)，它對餅干的色澤有重要的影響，餅干顏色深淺要控制好，因為誘人的金黃色能夠引起人的食欲，而焦黑的顏色讓人難以下咽，因此要設計好餅干的配料，使其含有美拉德反應必備的還原糖和氨基酸，并控制烘烤的溫度和時間，防止顏色不足或過度。通常情況下，美拉德反應受溫度影響較大，溫度越高反應越快，在高溫下很容易產(chǎn)生類黑素，烘烤時間越長，產(chǎn)生的類黑素越多。所以在餅干烘烤過程中要確定最佳參數(shù)，產(chǎn)出色澤較好的餅干。

3.2 美拉德反應與餅干風味

小麥粉、糖、油是餅干的主要原料，其中糖和油對餅干的風味影響較大，這是因為糖和小麥粉中的氨基酸發(fā)生了美拉德反應產(chǎn)生風味物質(zhì)，油脂中含有的風味物質(zhì)在高溫下分解賦予餅干特殊的香味。具體說來，不同的還原糖和不同的氨基酸反應可以產(chǎn)生各種不同風味的物質(zhì)，如核糖和半光氨酸反應可以產(chǎn)生烤肉香味，Kam等[28]研究葡萄糖和多種氨基酸反應產(chǎn)生風味物質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，脯氨酸可以產(chǎn)生花香氣味，丙氨酸可以產(chǎn)生水果和花香味，酪氨酸可以產(chǎn)生玫瑰花香氣等。表1為不同氨基酸發(fā)生美拉德反應后產(chǎn)生的風味物質(zhì)。

表1 氨基酸種類對美拉德反應風味的影響[29]

因此，在研發(fā)餅干時，根據(jù)風味需要可以調(diào)整還原糖、氨基化合物的種類含量，并調(diào)整烘烤參數(shù)，產(chǎn)出風味濃郁的餅干。

3.3 美拉德反應與餅干營養(yǎng)

美拉德反應產(chǎn)生一些風味物質(zhì)的同時，會消耗餅干中的氨基酸和還原糖，造成這些營養(yǎng)物質(zhì)的減少。氨基酸是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是美拉德反應必需的原料，經(jīng)過美拉德反應，氨基酸變成了色素復合物或者風味復合物，且很難被消耗分解，降低了蛋白質(zhì)的效價。其次是礦物質(zhì)的損失，礦物質(zhì)比如鐵、鎂參與了美拉德反應，形成了絡合物，造成礦物質(zhì)有效性下降。

4 結(jié)語與展望

美拉德反應在食品領域的應用越來越廣泛，相信有更多的研究者投身于美拉德反應領域，高級階段發(fā)生的復雜化學反應會逐步被揭開，它的反應機理會越來越清晰。餅干在烘烤過程發(fā)生了復雜的美拉德反應，產(chǎn)生了非常多的風味物質(zhì)，同時也產(chǎn)生了一些有害的產(chǎn)物，因此如何利用美拉德反應提高餅干的色、香、味，而又避免產(chǎn)生有害的物質(zhì)有重要的研究價值。相信隨著研究的深入，美拉德反應在餅干烘烤過程中的應用會越來越清晰。