美拉德反应

简介

美拉德反应指的是含氨基的化合物和羰基化合物在常温或加热时发生的聚合、缩合等反应，最终生成棕色甚至是棕黑色的大分子物质类黑精或称拟黑素，所以又被称为羰胺反应。2

除产生类黑精外，反应还会生成还原酮、醛和杂环化合物。几乎所有含有羰基和氨基食品在加热条件下均能发生Maillard反应。Maillard反应能赋予食品独特的风味和色泽，所以，Maillard反应成为食品研究的热点，是一项与现代食品工业密不可分的技术。在食品烘焙、咖啡加工、肉类加工、香精生产、制酒酿造等领域广泛应用。2

研究历史

1908年，A.R.Ling曾发现甘氨酸和葡萄糖混合液共热时会形成褐色的类黑精，并可以闻到香气。1912年，法国科学家美拉德（1878~1936，L.C.Maillard）对该现象进行了报道。3

1953年，霍奇（J.E.Hodge）等人经总结归纳，把氨基化合物（如蛋白质、肽、胺、氨和氨基酸）和羰基化合物（如还原糖、脂质、醛、酮、多酚、抗坏血酸以及类固醇等）之间的一类复杂化学反应正式命名为Maillard反应（Maillard Reaction）或羰-氨反应（Amino－carbonyl Reaction）。因其最终产物主要是棕色的类黑素，且无需酶的参与所以亦被称为类黑素反应（Melanoidin Reaction）或非酶褐变反应（Non-enzymatic Browning Reaction）。同年，Hodge提出了Maillard反应模拟体系及其反应历程框架。1995年，Tressl等人进一步发展和修订了Hodge的理论。随后，Hodge等人对Maillard反应原理作了论述，提出了较完整Maillard反应原理。3

自20世纪50年代后Maillard反应一直备受关注，60年代的研究集中在对其挥发性化合物的分离与鉴定。70年代和80年代初，Maillard反应的研究重点聚焦于模拟反应系统、反应条件以及生成的风味化合物的分析研究。近年来，Maillard反应在中药现代化和疾病生理等研究中成为新的研究热点。Maillard反应自发现以来，在食品学、营养学、香料化学、毒理学以及中药学研究中成为经久不衰的研究课题。 3目前，美拉德反应产物的生理活性和保健功能也引起了世界各国的高度重视，越来越多的研究结果显示出美拉德反应与人类自身的生命活动密切相关。有关美拉德反应的研究非常活跃，自1979年第1次美拉德反应国际大会以来，由国际美拉德协会（International Maillard Reaction Society）组织的系列会议已经开过10次，会议吸引了众多的化学、生物学和医学界的研究者参加。 2

反应机理

美拉德反应按其本质而言是氨羰间的加缩反应，它可以在醛、酮、还原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物与胺、氨基酸、肽、蛋白质甚至氨之间发生反应，热反应和长时间储藏都可以促使Maillard反应形成。其化学过程十分复杂。目前对该反应产生低分子和中分子的反应机理比较清楚，而对产生的高分子聚合物的机理仍不能满意的解释。食品化学家Hodge认为美拉德反应过程可以分为初期、中期和末期，每一阶段又可细分为若干反应。 2

初级反应

氨基化合物中游离氨基酸与羰基化合物的游离羧基缩合形成亚胺衍生物，该产物不稳定，随即环化成N -葡萄糖基胺。

N-葡萄糖基胺在酸的催化下经Amadori分子重排生成有反应活性的1-氨基-1-脱氧-2 -酮糖，即单果糖胺。此外，酮糖还可与氨基化合物生成酮糖基胺，而酮糖基胺可以经过Heyenes分子重排异构成2 -氨基-2-脱氧葡萄糖。

Maillard初级反应产物不会引起食品色泽和香味的变化，但其产物是不挥发性香味物质的前体成分。 2

中级阶段

在此阶段Amadori化合物通过3条不同的反应路线： 一是在酸性（pH小于或等于7）条件下烯醇式与酮式的互变异构，之后在酸的作用下，3-C上的羟基脱水，形成碳正离子，碳正离子发生分子内重排，通过失去N上的质子而形成Schiffs碱，然后经过烯醇式和酮式的重排得到3-脱氧奥苏糖。34-碳之间会发生消去反应形成烯键，最后5-C上的羟基与2-羰基发生半缩酮反应而成环，消去一分子水形成羟甲基糖醛（HMF）。

二是碱性条件下进行 2，3-烯醇化反应，产生还原酮类及脱氢还原酮类；

三是继续进行裂解反应形成含羰基或二羰基化合物，或与氨基进一步氧化降解，在Strecker降解中，α-氨基酸与α-二羰基化合物反应，失去一分子CO2降解成为少一个碳原子的醛类及烯醇胺，各种特殊醛类是造成食品不同香气的因素之一。2

最终阶段

该阶段主要为醛类和胺类在低温下聚合成为高分子的类黑精或称类黑素。此阶段反应相当复杂，其反应机制尚不清楚。除类黑精外，还会生成一系列美拉德反应的中间体还原酮、醛类及挥发性杂环化合物。主要有Strecker降解产物氨基酮，而氨基酮经异构为烯胺醇则再经环化形成吡嗪类化合物。 2

影响因素

Maillard反应机制相当复杂，不仅与参加反应的糖类的羰基化合物及氨基酸等氨基化合物种类有关，而且还与温度及反应时间、水分活度和pH、金属离子和化学试剂、辐照等外界因子有关。了解这些因素对Maillard反应的影响，有助于我们控制食品褐变，对食品工业具有重大的现实意义。 2

氨基酸和糖的种类

糖是Maillard反应中必不可少的一类物质。有资料表明，单糖和ARP （Amadori Rearrangement Product）的呋喃或吡喃糖比其它形式的糖更能脱水。环状ARP脱水后随着温度的升高形成共轭产物，再经过专一的再环化，可形成5、6、7环杂环化合物，而许多杂环类化合物本身就是风味物质。有研究者认为随着环状结构的增大，Maillard反应速度急剧降低。所以，在食品加工中可以人为的添加适量的糖，使形成诱人的风味、色泽。2

在美拉德反应中，参与反应的糖可以是双糖、五碳糖和六碳糖。可用的双糖有乳糖和蔗糖；五碳糖有木糖、核糖和阿拉伯糖；六碳糖有葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等。反应的速度为五碳糖 > 己醛糖 > 己酮糖 > 双糖，开环的核糖比环状的核糖反应要快，因为开环核糖更利于Amadori产物形成。有研究表明，Gly、Ala、Tyr、Asp等氨基酸于180℃和等量葡萄糖反应可产生焦糖香气；而Val能产生巧克力香气；His、Lys、Pro可产生烤面包香味；Phe则能产生一种特殊的紫罗兰香气；L－精氨酸能产生烤蔗糖香气、香味；L－蛋氨酸能产生土豆香气、香味；L－谷氨酸能产生奶油糖果香气、香味；L－亮氨酸能产生烤干酪香气、香味；L－异亮氨酸能产生烤干酪香味。因此在加工过程中，我们可以利用氨基酸的这种性质，将其和葡萄糖直接加入食品并热处理，使食品产生宜人的风味和色泽，以提高营养和改善食品的风味。 2

温度和反应时间

温度是美拉德反应当中最重要的影响因素之一。一般情况下，Maillard反应速度随温度的上升而加快，香味物质也主要在较高温度下反应形成的。一些低分子量的杂环化合物在高温下易于形成。其中吡喃环对热敏感，开环后使产物结合增加，然后再环化，从而形成新的碳环或杂环化合物，大多数是含有6、7、8个原子的芳香族化合物，如苯、呋喃、噻唑、咪咯、吡咯、吡啶等。烯醇胺或 α-氨基酸在高温下也可缩合成吡嗪类化合物。 2

若温度过高，时间过长，不仅使食品中营养成分氨基酸和糖类遭到破坏，而且可能产生致癌物质，随加工温度的升高，其含量也越高。如花生、油脂等物料的焦化，以及在制作咸味香精膏体，如鸡肉，牛肉，豆酱等膏体时都可能产生致癌物质，对食品安全造成影响；若温度过低，反应比较缓慢，同时也会影响呈香风味物质的形成，达不到成品的风味效果。所以，在香物香料的生产中如何控制反应温度和时间，使反应中生成更多的特征香味成分，及在食品加工处理中预测并提供有效的控制点为避免生成致癌物质，是近阶段研究的一大热点。2

水分活度和pH

美拉德反应的强度很大程度上取决于介质的水合作用，为达到最大的反应活性，一般要求食品水分含量在10%以上，通常为15%为好。在一定范围内（10～25%），Maillard反应速度随水分的增加有上升趋势，完全干燥的食品难以发生Maillard反应。一般Maillard反应随着pH（3～10）上升呈上升趋势，在偏酸性环境中，美拉德反应会被抑制，反应速率降低，吡嗪类物质难于形成。在强酸环境下，氨基处于质子化状态，使 N-糖基化合物（葡基胺）难以形成，从而使反应难以进行下去。另外，在强酸条件下N-葡萄糖胺容易被水解，而葡萄糖胺是Maillard特征风味形成的前体物质，这就导致呈香达不到预期效果；在偏碱性环境下，美拉德反应加速，反应物质生成得很快，速度很难控制，原因在于氨基酸是一类两性离子，它在碱性介质中呈阴离子，此时氨基反应活性较强，易发生褐变反应。若用Maillard反应制备肉类香精，水分活度在0.65～0.75最适宜，水分活度小于0.30或大于0.75反应很慢。2

金属离子和化学试剂

金属铁离子和亚铁离子能加速反应进度。铜能催化还原酮的氧化，而钙镁离子则对反应有一定的抑制作用。研究表明，钙盐与氨基酸结合生成不溶性化合物。Leonard研究发现，在磷酸盐缓冲溶液中，随着缓冲液浓度的增加，甘氨酸减少，色素增多，这可能是因为磷酸盐影响醛糖的稳定性，加速Maillard反应。2

辐射对Maillard反应的影响

辐射也可以影响Maillard反应的进行，X射线、γ射线辐射灭菌是食品加工过程中的常用手段。非还原双糖、蔗糖在加热的条件下不产生褐色色素，但是在辐射的条件下有褐色物质形成，它表明在辐射的情况下，蔗糖也出现了还原性。 [2] 在辐射时，糖类参与反应的速度为蔗糖 > 果糖、阿拉伯糖、木糖 > 葡萄糖，但是在热反应中，糖类参与反应的速度是戊醛糖 > 庚醛糖 > 己酮糖 > 双糖。这可能是因为辐射释放出来的能量使糖苷键断裂，从而释放出羰基，进一步与氨基化合物发生反应。2

美拉德反应各个影响因素控制

美拉德反应的褐变初期是食品加工过程产生风味物质中间体所必须的，但它对食品的保藏，品质不利，这也是从事食品行业科研人员所必须研究去考虑的。为防止褐变可采用以下方法：（1）隔氧法 以阻止由于与氧接触所发生的氧化反应；（2）降低温度 Maillard反应是一个吸热反应，随着温度的增加，反应速率也随之加快。一般温度每升高10℃，反应速度提高3～5倍。有研究表明，在100℃得到的甘氨酸和葡萄糖色度，在56℃下要求反应250小时才能达到这个色度。因此，食品冷藏或低温贮藏有利于抑制食品的褐变。（3）降低pH值和调节水分活度 在酸性条件下（pH < 3.0）美拉德反应中的羰氨缩合是一个可逆过程，因为羰氨缩合过程中封闭了游离氨基酸，反应体系pH下降，因此碱性条件有利于反应的进行。（4）添加酶或化学物质 在干蛋白粉储藏过程中由于赖氨酸与葡萄糖发生褐变导致成品失色，若预先添加葡萄糖氧化酶于蛋白粉中，使葡萄糖氧化成酸则可防止褐变。 2

反应产物生物应用

抗氧化作用

科学研究表明，癌症、衰老或其它疾病大都与过量自由基的产生有关联。研究清除自由基、抗氧化可以有效克服其所带来的危害，所以抗氧化被保健品、化妆品企业列为主要的研发方向之一，也是市场最重要的功能性诉求之一。众多的研究资料表明，美拉德反应产物具有抗氧化活性。但是其抗氧化能力受多重因素的影响，如美拉德反应的底物、反应的温度、反应时间、pH等。4

抑菌作用

美拉德反应产物的抑菌作用已经被研究的较多。有学者研究了沙蚕美拉德反应产物的水溶液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、绿脓杆菌、蜡质芽抱杆菌、水稻纹枯菌、黄瓜枯萎病菌、白菜丝核菌和黑曲霉菌的体外抑制效果。结果显示沙蚕与葡萄糖的美拉德反应产物没有明显抑菌效果，但是沙蚕与蔗糖的美拉德反应产物对大肠杆菌和蜡质芽抱杆菌有很强的抑制效果，对其它的几种菌也表现出一定的抑菌效果；另有研究发现，聚酞胺纤维素和木糖发生反应的美拉德反应产物不管是对革兰氏阳性细菌还是革兰氏阴性细菌如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌都表现出很强的抑制效果；还有报道称，美拉德反应产物可以抑制嗜热微生物——敏捷气热菌的生长。因此，美拉德反应有望被应用于食品的保藏。4

抗过敏作用

过敏，也称变态反应，指的是身体的免疫应答超出了正常范围，对无害物质进行攻击。过敏反应会对身体健康造成一定的伤害，尤其是当免疫系统对正常的身体组织和器官进行攻击和破坏时。含有氨基酸或蛋白质和糖等组分的食品在适宜的条件下发生美拉德反应，反应的产物能减少食品的抗原性，并可能对引起过敏反应的关键位点进行修饰。研究表明，核糖参与的美拉德反应产物具有显著的抗过敏作用。因此，特定的美拉德反应可以用于对一些强致敏性食物成分进行改性，使它们的致敏性降低或消除。这一特性将使得美拉德反应在一些强致敏性食品的加工中具有广泛的应用前景。4

抗突变作用

一些研究资料还表明，美拉德反应产物具有抗突变作用。突变是指生物体、病毒或染色体外DNA基因组核苷酸序列的改变，有学者将焙烤可可豆的美拉德反应产物用于沙门氏菌，研究了该美拉德反应产物的抗菌，抗突变和清除自由基作用，结果表明，该美拉德反应产物确有抗菌，清除自由基及抗突变作用。这种抗突变作用可能与美拉德反应产物类黑精中的活性物质有一定的联系，它可以消除自由基、钝化抑制酶活力。4

保护心血管健康

有学者研究了牛奶蛋白在美拉德反应和发酵的双重作用下对心血管疾病的预防作用。以牛奶蛋白如浓缩乳清蛋白，酪蛋白酸钠和乳糖发生反应制备美拉德反应产物，再经发酵得到的水解产物具有很强的DPPH自由基清除能力，其抗氧化活性远远高于未经任何处理的牛奶蛋白，而且发酵可以使美拉德反应产物的作用得到增强。同时，他们还惊喜地发现美拉德反应产物具有抗血栓形活性和抑制经甲基戊二酸单酞辅酶A还原酶（HMGR）活性。多项指标均表明，美拉德反应产物及其发酵水解液可以有效地降低心血管疾病的风险。这一结论将为美拉德反应产物用于预防心血管疾病的保健食品的开发提供了理论基础。4

食品应用

食品色泽

食品经加热处理后或长时间贮藏后，都会产生不同程度的类黑精色素。比如面包、烤肉、熏肉、烤鱼、咖啡、茶以及酱油、豆酱等调味品中都有美拉德反应产生，因为这一大类反应没有酶的参与，故又称非酶褐变。这些食品经加工后会产生非常诱人的金黄色至深褐色，增加人们的食欲。2

食品风味

食品香味的来源主要有三个方面： 一是食品本身固有的香味，如葱蒜、芫荽本身就有一种特有的香味。二是食品原料在加工过程中由于酶促反应形成的风味。三是食品在蒸煮、焙烤及油炸过程中产生的食品香味，也即食品经过了热分解、氧化、重排或降解形成的香味前体，然后形成特殊的食品风味。如爆米花、烤面包、烤肉等食品所形成的香味。 2

食品营养

美拉德反应对食品营养的影响包括降低蛋白质的营养质量、蛋白质改性以及抑制胰蛋白酶活性等。对于粮食制品，美拉德反应无疑会使其蛋白质的生物价更低。2

中药应用

Maillard反应可能普遍存在于中药加热提取或加工炮制过程中，是引起内在成分变化的共性途径。某些中药在加工前后氨基酸含量有很大变化，据推测可能发生了Maillard反应。加工过程产生的Maillard产物的生物活性，肯定对中药功效的改变有影响，但目前化学家却忽视了对该影响的研究，对此也引起其他中医药研究者的重视。中药是一个复杂体系，发挥作用的有效成分除药材本身已有的成分外，加工炮制、制剂工艺过程中内在成分之间会发生复杂的化学反应，以及所形成的反应产物都会直接或间接影响中药整体功效的发挥。研究这些反应的特点，对于阐明中药功效和确定活性成分具有重要意义。3

Maillard产物的功能主要包括：抗氧化、抗突变、抗癌、抗衰老、抗自由基，从而能提高对细胞的保护作用，这些已被证实。Maillard产物的抗突变性与其抗氧化活性和还原能力有良好的相关性。红参抗肿瘤的效果优于白参，这与Maillard反应产物抗氧化、抗突变的结论相应。有的研究认为，其抗突变机理是清除致突变自由基和通过与致突变化学物结合而减少其致突变毒性。而且，Maillard产物保护髓系树突状细胞（MDC）抵抗氧嘧啶损伤实验，证实Maillard产物的细胞保护功能。Maillard反应能生成一氧化碳、碱、黄酮类等。组成不同、作用器官不同，药性也不尽相同。因此，深入研究Maillard反应产物必将会完善中药材的加工与炮制理论。3

烟草应用

Science杂志2009年报道吸食低烟碱香烟不会降低有关疾病的发病率，而吸入的焦油量升高，则会增加患病的机率。因此，低焦烟的生产成为卷烟制造商十分关心的问题。但一旦降低烟气中焦油含量，会致使烟味不足和香味减弱。开发低焦油且能弥补香味的损失和提高烟气香味质量至关重要。而Maillard反应能产生烟草协调香味，对提高香烟的特征香气、掩盖杂气、减轻刺激、改善余味有较明显的作用。因此Maillard反应在降低烟草尼古丁含量和增香中的应用研究广受关注。 3

烟草在调制、陈化、加工、保存及燃吸中常常发生Maillard反应，其反应产物对烟草的颜色、香味起着主要作用。自20世纪70年代以来，美国、日本、西德都已出现过以棕色化反应产物作为烟草增香剂的专利、文献。最初，大多是以纯氨基酸和还原糖或其他羰基化物（如异戊醛、丁二酮等）作为反应原料，以多元醇作为溶剂进行反应的，后来发展了以多种氨基酸、天然蛋白质代替单一氨基酸来进行棕色化反应的文献报道。有研究表明，用多种氨基酸的混合物与糖反应的产物效果好于单一氨基酸的反应产物，它对提高白肋烟的质量有较明显的作用。大量的研究显示，Maillard反应产物可以作为一种天然的抗氧化剂。通过不同条件的优化所获得的Maillard反应产物可以在对烟草增香的同时，有效清除烟气中出现的自由基，达到卷烟产品降焦减害的目的。具有抗氧化作用的Maillard反应产物在烟草中将具有良好的应用前景。 3

酿酒工艺应用

中国白酒传统生产工艺为美拉德反应提供相关条件的经典之作，只是不同香型的不同生产工艺所控制的条件使酒体中美拉德反应产物的种类和含量各不相同。

美拉德反应能产生一系列包括酮、醛、醇及呋喃、吡喃、吡啶、噻吩、吡咯、吡嗪等杂环化合物在内的香味物质。它们不仅是酒体香和味的微量物质，同时也是其他香味物质的前驱物质。美拉德反应产物的种类和含量以酱香型白酒为最，次之是兼香和浓香，清香型白酒种类少，含量低。就同一香型而言，其种类尤其含量的差异则形成了自身的个性和风格。6

分析方法

Maillard反应产物极其复杂，前期对其成分的理论研究较少，导致在应用中更多停留在“经验”性上，即更多依靠感官（色、香和味）来定性，使其机理研究有一定难度。经过科研工作者长期不懈的努力，至今，已发展了多种Maillard产物分离提纯和表征方法。分离提纯方法有：薄层层析、超滤、凝胶柱层析、膜透析、超速离心、固相萃取、电泳等方法，其中薄层层析色谱和超滤最为常用。 3

薄层层析色谱是快速分离和定性分析少量物质的一项重要实验技术，常用于Maillard产物的分离和半定性分析。 [3] 膜透析法是分离提纯Maillard产物的一种简便而有效的方法。采用膜透析法能有效地将体系中未反应的原料和小分子产物除去，从而可以得到Maillard大分子产物。采用不同截留分子量的透析膜对Maillard大分子产物进行透析，可以选择性地得到不同分子量的产物，这样能更准确地对其成分和结构进行分析。3

Maillard产物含量少且极不稳定，各种先进的现代分析表征手段的引入对其形成机理、成分、分子结构乃至效用和性质的研究起了重要的作用。已经用于Maillard产物分析表征的手段有：气相色谱－质谱（GC-MS）以及液相色谱－质谱联用法（LC-MS）、体积排阻色谱，流动注射分析法、发光光谱分析法、紫外光谱法、荧光光谱法、凝胶电泳、放射性同位素标记、红外、凝胶渗透色谱（GPC）、元素分析（EA）、核磁共振等，这些方法都比较常用。近年来GC-MS、LC-MS、串联质谱和傅立叶变换离子回旋共振质谱等先进分析手段的引进，使得对Maillard产物的成分和性质研究更进一步深入。3

展望

人们对美拉德反应已经有了较为深入的认识，但是其反应相当复杂，对其反应机理和各中间产物的了解还不太清楚。而由于美拉德反应对食品、机体的生理和病理过程密切相关，越来越多的结果表明它作为与人类自身密切相关的课题具有重要的研究意义。因此，需要在这个领域开展大量的研究，不断挖掘其潜能，以便于开拓其应用的领域。 2