美拉德反应

美拉德反应一种普遍的非酶褐变现象，将它应用于食品香精生产应用之中，国外研究比较多，国内研究应用很少，该技术在肉类香精及烟草香精中有非常好的应用。所形成的香精具天然肉类香精的逼真效果，具有调配技术无法比拟的作用。美拉德反应技术在香精领域中的应用打破了传统的香精调配和生产工艺的范畴，是一全新的香精香料生产应用技术，值得大力研究和推广，尤其在调味品行业。

1、简介

美拉德反应又称为“非酶棕色化反应”，是法国化学家L.C.Maillard在1912年提出的。所谓美拉德反应是广泛存在于食品工业的一种非酶褐变，是羰基化合物（还原糖类）和氨基化合物（氨基酸和蛋白质）间的反应，经过复杂的历程最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质类黑精或称拟黑素，所以又称羰氨反应。

2、反应机理

1912年法国化学家Maillard发现甘氨酸与葡萄糖混合加热时形成褐色的物质。后来人们发现这类反应不仅影响食品的颜色，而且对其香味也有重要作用，并将此反应称为非酶褐变反应（nonenzymaticbrowning）。1953年Hodge对美拉德反应的机理提出了系统的解释，大致可以分为3阶段。

起始阶段

1、席夫碱的生成（Shiffbase）：氨基酸与还原糖加热，氨基与羰基缩合生成席夫碱。

2、N-取代糖基胺的生成：席夫碱经环化生成。

3、Amadori化合物生成：N-取代糖基胺经Amiadori重排形成Amadori化合物（1—氨基—1—脱氧—2—酮糖）。

中间阶段

在中间阶段，Amadori化合物通过三条路线进行反应。

1、酸性条件下：经1,2—烯醇化反应，生成羰基甲呋喃醛。

2、碱性条件下：经2,3—烯醇化反应，产生还原酮类和脱氢还原酮类。有利于Amadori重排产物形成1-deoxysome。它是许多食品香味的前驱体。

3、Strecker降解反应：继续进行裂解反应，形成含羰基和双羰基化合物，以进行最后阶段反应或与氨基进行Strecker分解反应，产生Strecker醛类。

最终阶段

此阶段反应复杂，机制尚不清楚，中间阶段的产物与氨基化合物进行醛基—氨基反应，最终生成类黑精。美拉德反应产物除类黑精外，还有一系列中间体还原酮及挥发性杂环化合物，所以并非美拉德反应的产物都是呈香成分。反应经过复杂的历程，最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质类黑素。目前研究发现其与机体的生理和病理过程密切相关。越来越多的研究结果显示出美拉德反应作为与人类自身密切相关的研究具有重要的意义，目前研究焦点在蛋白质交联、类黑素、动力学以及丙烯酰胺，而这些方面在中药炮制、制剂、药理作用中处处可见。因此，随着现代科技的不断进步，相信美拉德反应的研究将可能成为中药研究的新视角。

3、影响因素

1、糖氨基结构还原糖是美拉德反应的主要物质，五碳糖褐变速度是六碳糖的10倍，还原性单糖中五碳糖褐变速度排序为：核糖>阿拉伯糖>木糖，六碳糖则：半乳糖>甘露糖>葡萄糖。还原性双糖分子量大，反应速度较慢。在羰基化合物中，α-乙烯醛褐变最慢，其次是α-双糖基化合物，酮类最慢。胺类褐变速度快于氨基酸。在氨基酸中，碱性氨基酸速度快（赖氨酸、精氨酸），氨基酸比蛋白质快。

2、温度20～25℃氧化即可发生美拉德反应。一般每相差10℃，反应速度相差3～5倍。30℃以上速度加快，高于80℃时，反应速度受温度和氧气影响小。

3、水分含量在10%～15%时，反应易发生，完全干燥的食品难以发生。

4、pH值当pH值在3以上时，反应随pH值增加而加快。

5、化学试剂酸式亚硫酸盐抑制褐变，钙盐与氨基酸结合成不溶性化合物可抑制反应。

4、消除方法

美拉德反应是一个十分复杂的反应过程，中间产物众多，终产物结构十分复杂，完全抑制美拉德反应相当困难，又由于美拉德反应影响因素众多，有效抑制美拉德反应必须是多种因素协同作用的结果，一般认为可采用以下方法抑制美拉德反应：

1.使用不易褐变的原料

2.调节影响美拉德反应褐变速度的因素

3.降低温度

4.降低pH值

5.调节水分活度

6.氧气

7.使用氧化剂

8.使用酶制剂等等

5、相关影响

美拉德反应对食品的影响

①香气和色泽的产生，美拉德反应能产生人们所需要或不需要的香气和色泽。例如亮氨酸与葡萄糖在高温下反应，能够产生令人愉悦的面包香。而在板栗、鱿鱼等食品生产储藏过程中和制糖生产中，就需要抑制美拉德反应以减少褐变的发生

②营养价值的降低，美拉德反应发生后，氨基酸与糖结合造成了营养成分的损失，蛋白质与糖结合，结合产物不易被酶利用，营养成分不被消化

③抗氧化性的产生，美拉德反应中产生的褐变色素对油脂类自动氧化表现出抗氧化性，这主要是由于褐变反应中生成醛、酮等还原性中间产物

④有毒物质的产生。

肉类香味形成的机理

1、肉类香味的前体物质

生肉是没有香味的，只有在蒸馏和焙烤时才会有香味。在加热过程中，肉内各种组织成分间发生一系列复杂变化，产生了挥发性香味物质，目前有1000多种肉类挥发性成分被鉴定出来，主要包括：内酯化合物、吡嗪化合物、呋喃化合物和硫化物。大致研究标明形成这些香味的前体物质主要是水溶性的糖类和含氨基酸化合物以及磷脂和三甘酯等类脂物质。肉在加热过程中瘦肉组织赋予肉类香味，而脂肪组织赋予肉制品特有风味，如果从各种肉中除去脂肪则肉之香味是一致的没有差别。

2、美拉德反应与肉味化合物

并不是所有的美拉德反应都能形成肉味化合物，但在肉味化合物的形成过程中，美拉德反应起着很重要的作用。肉味化合物主要有N.S.O-杂环化合物和其他含硫成分，包括呋喃、吡咯、噻吩、咪唑、吡啶和环乙烯硫醚等低分子量前体物质。其中吡嗪是一些主要的挥发性物质。另外，在美拉德反应产物中，硫化物占有重要地位。若从加热肉类的挥发性成分中除去硫化物，则形成的肉香味几乎消失。肉香味物质可以通过以下途径分类即氨基酸类（半胱、胱氨酸类）通过Maillard和Strecker降低反应产生的。糖类、氨基酸类、脂类通过降解产生肉香味。脂类（脂肪酸类）通过氧化、水解、脱水、脱羧产生肉香味。硫胺产生肉香味。硫化氢硫醇与其他组分反应产生肉香味。核糖核苷酸类、核糖—5’—磷酸酯、甲基呋喃醇酮通过硫化氢反应产生肉香味。可见,杂环化合物来源于一个复杂的反应体系，而肉类香气的形成过程中，美拉德反应对许多肉香味物质的形成起了重要作用。

3、氨基酸种类对肉香味物质的影响

对牛肉加热前后浸出物中氨基酸组分分析，加热后有变化的主要是甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、谷氨酸等，这些氨基酸在加热过程中与糖反应产生肉香味物质。吡嗪类是加热渗出物特别重要的一组挥发性成分，约占50%。另外从生成的重要挥发性肉味化合物结构分析，牛肉中含硫氨基酸、半胱氨酸和胱氨酸以及谷胱甘肽等，是产生牛肉香气不可少的前体化合物。半胱氨酸及其他含硫化合物。半胱氨酸产生强烈的肉香味，胱氨酸味道差，蛋氨酸产生土豆样风味，谷胱氨酸产生出较好的肉味。当加热半胱氨酸与还原糖的混合物时，便得到一种刺激性“生”味，如有其他氨基酸混合物存在的话，可得到更完全和完美的风味，蛋白水解物对此很合适。

4、还原糖对肉类香味物质的影响

对于反应来说，多糖是无效的，双糖主要指蔗糖和麦芽糖，其产生的风味差，单糖具有还原力，包括戊糖和己糖。研究标明，单糖中戊糖的反应性比己糖强，且戊糖中核糖反应性最强，其次是阿拉伯糖、木糖。由于葡萄糖和木糖，廉价易得，一反应性好，所以常用葡萄糖和木糖作为美拉德反应原料。

5、环境因素对反应的影响

牛肉香精、需要较长的时间和更浓的反应溶液。猪肉和鸡肉香精，需较短加热时间，较稀的反应溶液，较低的反应温度。反应混合物pH值低于7（最好在2～6）反应效果较好；pH大于7时，由于反应速度较快而难以控制，且风味也较差。不同种类的氨基酸比不同种类的糖类对加热反应生成的香味特征更有显著影响。同种氨基酸与不同种类的糖，产生的香气也不同。加热方式不同,如“煮”、“蒸”、“烧”，不同烹调方式，同样的反应物质产生不同香味。

6、如何生产

从1960年开始，就有研究利用各种单体香精经过调和生产肉类香精，但由于各种熟肉香型的特征十分复杂，这些调和香精很难达到与熟肉香味逼真的水平，所以对肉类香气前体物质的研究和利用受到人们的重视。利用前体物质制备肉味香精，主要是以糖类和含硫氨基酸如半胱氨酸为基础，通过加热时所发生的反应，包括脂肪酸的氧化、分解、糖和氨基酸热降解、羰氨反应及各种生成物的二次或三次反应等。所形成的肉味香精成分有数百种。以这些物质为基础，通过调和可制成具有不同特征的肉味香精。美拉德反应所形成的肉味香精无论从原料还是过程均可以视为天然，所以所得肉味香精可以视为天然香精。

7、中药炮制

美拉德反应的产物是棕色的，也被称为褐变反应。反应物中羰基化合物包括醛、酮、还原糖，氨基化合物包括氨基酸、蛋白质、胺、肽。由于该反应的结果能使食品颜色加深并赋予食品一定的风味。比如面包外皮的金黄色、红烧肉的褐色及浓郁的香味，很大程度上都是由于美拉德反应的结果。这些变化在中药炮制过程中也处处可见。因此，可将美拉德反应的概念引入中药炮制领域。

中药复方制剂过程与美拉德反应

复方的化学成分，特别是有效成分是其发挥药效的主要物质基础，与美拉德反应关系密切。研究方剂配伍前后化学组成的变化、新物质的形成和药效的差异，对于明确复方制剂的药理、选择制剂质量标准的指标体系、规范制剂工艺、保证新药的安全性和稳定性有重要意义。复方配伍的物质基础变化可能主要在于美拉德产物——黑色络合物。类黑素是美拉德产物，其产生与美拉德反应前体物质或Vc含量、pH值、水分活度、氧气浓度和温度密切相关。有氧存在时，非酶褐变反应速度会大大增加，但是生成类黑素的量还取决于还原糖和氨基酸的浓度，因此在中药煎煮过程中能生成较多的类黑素导致褐色变。羰氨反应与Vc氧化褐变作用具有共同的中间产物，Vc氧化成脱氢Vc后与氨基酸反应生成褐色素。加热加速Vc氧化和蛋白质分解，从而加速了美拉德反应与Vc褐变反应，这可能是导致加热后中药制剂色泽变深的原因。氧气和加热都极易使Vc氧化破坏，表明褐变与Vc氧化有密切关系。类黑素是还原性胶体，具有较强的抗突变活性。有的研究认为，其抗突变机理是清除致突变*基和通过与致突变化学物结合而减少其致突变毒性。复方化学组成不是一个或几个单体的机械总和，其药效也不是一个或几个单体的药效的机械总和。因此，复方制剂中出现美拉德反应的黑色络合物及其相关药效将可能成为复方制剂研究的重点。

中药剂型是药物的药效在人体内实现的载体，任何药物都有其特定的剂型。由于剂型的不同，对制备加工条件的要求也不尽相同，可能会发生不同的美拉德反应，这必然会影响复方制剂的物质基础、药效、药代动力学、毒副作用等。中医方剂配伍不仅指药物组成，还指药物剂量的变化。方中药物不变、剂量改变，也会引起配伍关系的变化，以至影响整个复方制剂中美拉德反应的产物。长期以来，临床对于方剂配伍的剂量选择带有不同程度的主观性和随意性。因此，研究复方的配伍剂型、剂量与美拉德反应的量效关系不仅可为临床用药提供科学依据，还可对新药研发中处方剂型和剂量的确定有着重要的指导价值。美拉德反应的黑色物质——中药药理作用的新视角（1）美拉德反应的黑色物质的吸附作用

美拉德反应的黑色物质有很强的吸附、运送功能，且在人体的细胞组织和新陈代谢过程中也起着很重要的作用。这些黑色物质在人体内经过酶的活化后，可能具有很强吸附病毒、细菌和体内代谢产物的作用，从而调整机体内环境的紊乱，达到阴平阳谧。因此要阐明复方制剂的物质基础，不应停留在对体外成分变化的研究上，更重要的是研究其进入体内后美拉德反应黑色产物间的相互作用，以及活性成分的转化、吸收、转运、分布、代谢、解毒等各个环节的影响。

（2）美拉德反应的黑色物质的细胞保护作用

美拉德产物的功能主要包括：抗氧化、抗突变、抗癌、抗衰老、抗*基，从而能提高对细胞的保护作用，这些已被证实。美拉德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，这与美拉德反应产物抗氧化、抗突变的结论相应。而且，美拉德产物保护MDC细胞抵抗氧嘧啶损伤实验，证实美拉德产物的细胞保护功能。美拉德反应能生成一氧化碳、碱、黄酮类等从组成不同、作用器官不同、结果不同，体现其对药性的影响。因此，深入研究美拉德反应产物必将完善中药材的加工与炮制理论。

中药药理作用的黑色时代

用于中医药理的研究，而忽视古典哲学理论的指导作用，必将不利于中医药理的发展。因此要实现中医药理的可持续发展，让中医走向世界，就应从其渊源上来解决中医药理发展缓慢的问题。打破试图用西医药理理论来解释中医药理，要大胆的设想，敢于创新，换一种思维模式，从一个崭新的角度来考虑中医药理的基本内容，即在中医古典哲学理论指导下，借助现代的科技，将美拉德反应引入中医药理学领域，从而构建一个全新的认知模式。美拉德反应黑色物质的生物学效应将可能会为中药药理学带来划时代的意义，改变西医传统的受体和配体的理论，从根本上来阐明中药药理的具体机制，为中药药理学带来一个纯正的黑色时代。