美拉德反应与香气成分形成机理研究

美拉德（Maillard）反应是由法国化学家Louis-Camille Maillard于1912年在将甘氨酸与葡萄糖混合共热时发现的。它是广泛存在于食品工业的一种非酶褐变（non-enzimic browning），是羰基化合物（包括醛、酮、还原糖）和氨基化合物（包括氨基酸、蛋白质、胺、肽）受热和长时间储藏所发生的反应。美拉德反应存在于烟草陈化、调制和加工等卷烟生产过程，是卷烟香气形成来源之一。然而由于烟草的品质和工艺流程的不同，美拉德反应产物存在差异性，从而导致烟草外观和品吸质量的不同。美拉德反应产物包括吡嗪类、呋喃类和吡喃类化合物等，这些产物不但可用于食品增香，而且还可作为卷烟加香、去杂、修饰卷烟烟气的辅料，添加在卷烟中以达到提高卷烟品质的目的。因此，许多香料和烟草企业正在积极开展美拉德产物的合成和裂解研究，以期得到加香效果较好的致香成分。

美拉德反应过程与产物体系十分复杂，至今尚不完全明了。目前仍以 Hoge［73］提出的网络系统分类最为经典，其把美拉德反应分为以下三个阶段。初期阶段（Early Stage）:首先，糖类和氨基酸的缩合形成席夫碱（shiff Base），席夫碱经过环化作用生成N-取代糖基胺；而后经过阿马杜里重排（Amadori rearrangement）与海因氏重排（Heynsrearrangment）形成阿马杜里产物，也称中间产物，该产物在天然产品如杏、甜菜、糖蜜、调制后的烟草、茶叶中均有存在，其分解对美拉德反应产物有重要影响。高级阶段（Advanced Stage）:而后，中间产物在不同的pH 条件下发生不同的降解反应。pH≤7时，主要通过1,2-烯醇化反应形成糠醛类或羟甲基糠醛类产物；pH>7时，主要通过2,3-烯醇化反应形成还原酮类产物；此外还有很多中间产物裂解，如丙酮醛、乙二醛、2,3-丁二酮、羟基丙酮等高活性的中间体继续参与反应。在上述反应中生成的二羰基化合物可与氨基酸作用，产生活泼的氨基酮和比氨基酸少一个碳原子的醛，该反应称为斯特雷科尔降解，其降解产生的醛类化合物是美拉德反应产物中醛类的主要来源，而氨基酮的活泼性为形成各种杂环化合物提供了必要条件。终极阶段（Final Stage）:其反应十分复杂，但是已有学者针对定量阿马杜里化合物与游离氨基酸模拟得出最终产物的形成。通过醛醇缩合、杂环形成、分子脱氢、异构化等一系列反应，形成红棕色或棕黑色聚合物，称为类黑素。此阶段在食品工业中有重要的意义，能给食物提供鲜美的香味，同时也会在一定程度上破坏食物的营养价值，因此在实际应用中往往会予以控制。

美拉德反应的影响因素主要包括反应物种类、反应温度与反应时间、pH值、水分含量、金属离子等。反应物种类:美拉德反应的底物主要是糖类和氨基酸，参与反应的糖和氨基酸种类不同，产生的香气物质就有所不同，反应的速度也有所不同。参与反应的糖类主要有五碳糖（核糖、阿拉伯糖、木糖），六碳糖（半乳糖、甘露糖、葡萄糖）等单糖，和乳糖、蔗糖等双糖。从反应速度上来看，通常五碳糖>六碳糖>双糖，五碳糖的反应速度比六碳糖快10倍。氨基酸的结构和种类也极大地影响了美拉德反应的产物与速度。研究表明，氨基酸中的氨基在ε位或末位的要比α位反应速度快，碱性氨基酸要比酸性氨基酸快；同种类的氨基酸与同种糖类反应亦可产生不同香气，如甘氨酸与葡萄糖反应产生焦糖类气味，谷氨酸与葡萄糖反应产生愉快的旧木味等。反应温度与反应时间:反应温度与反应时间也是影响美拉德反应产物和速度的重要因素。就反应温度而言，一般在20～25℃条件下即可发生美拉德反应，温度越高，反应速度越快，有研究证实，温度每提高10℃，反应速度可增加3～5 倍，而温度过高则会产生影响食物风味的物质，甚至有致癌风险；反应温度也会影响反应产物的种类从而影响香气，例如缬氨酸与葡萄糖在100℃反应时会有黑面包气味，在180℃反应则有刺鼻的巧克力气味；脯氨酸与葡萄糖在100℃时反应会产生令人不愉快的灼烧蛋白质的气味，而在180℃下反应会有令人愉快的面包香等。反应时间主要影响反应的完全程度，反应时间越长，反应产生的香气中间物质就越多，香气就越浓郁，但过长的反应时间会造成不利的影响。pH:pH对美拉德反应有很大影响。吴惠玲［74］研究显示，pH对美拉德反应的影响比反应温度、反应时间影响更大。在pH 3～10的范围内，随着pH的增大，反应速度加快，但当pH＜3时，反应难以进行，且不同的酸碱环境直接影响了反应产物的生成。孙丽平［75］认为，pH对吡嗪类物质的产生有决定性的作用，在其设置的葡萄糖－赖氨酸体系中，在pH为5的体系中未检测到吡嗪物质，而在pH为9的体系中2-甲基吡嗪占总反应产物的50%以上。水分含量:水作为反应介质直接影响美拉德反应的速率。含水量一般用水分活度［76，77］来表示，在水分活度为0.3～0.7 时，美拉德反应较快，水分过多或者过少都会对反应产生抑制作用。食品的含水量为10%～15%时反应速度较快，但当含水量为0 或高于90%时难以观察到褐变现象。金属离子:金属离子对美拉德反应的影响主要表现在离子种类上。据报道，铜离子和铁离子可以促进美拉德反应，因为铜离子与铁离子形成的络合物可以促进席夫碱的形成，而Fe3+比Fe2+更能促进反应，原因是Fe2+在反应中要转化为Fe3+；Ca2+与Mg2+会抑制美拉德反应，而K+对反应影响不大。

在烟草加工过程中，美拉德反应已被广泛运用于烟草的提质增香，但是在反应过程中上述影响美拉德反应的影响因素直接影响到相关产品的品质。不同的底物种类决定了不同风格产物的形成，究其原因是不同的糖类与氨基酸反应的结果。该方面前人已做出多种尝试，并取得了不同的结果。在烟草加工中，主要讨论的问题有底物浓度、pH、反应温度以及反应时间。田怀香［78］在研究木糖与谷氨酸反应制备美拉德香精时应用响应面分析，得出了影响感官评价的影响因素重要程度排序依次是反应时间>反应温度>pH >底物浓度的结论；不同的反应底物和所用的烟源或非烟源原料反应所用的时间、温度、pH和底物浓度通常是不同的，有时不合适的反应条件所制备的产物会增加烟气的刺激性、辛辣感，影响烟气的香味甚至使香气不协调。所以最优的反应条件往往需要用试验对比得出。

Amdori产物是还原糖与氨基酸之间发生美拉德反应生成的中间产物，大多为白色或略带黄色固体。源自不同天然产物的Amdori中间体在加热时表现出明显不同的香气特征［79～82］。还原糖与氨基酸的美拉德反应导致多种产物，如醛、酮、酸、吡啶、吡嗪等。

Coleman等人采用热重分析、热裂解-气相色谱-质谱联用技术研究了葡萄糖、鼠李糖与谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、天冬酰胺、苏氨酸、谷氨酰胺等氨基酸形成的Amdori产物的热解性质［83，84］。结果表明，所有的中间体表现出相似的热解曲线，其裂解产物主要为醛、酮、吡啶、吡嗪、吡咯、酚、烃和羧酸。不同还原糖形成的Amdori中间体的热解产物不同，如鼠李糖形成的中间体的主要热解产物是二甲基吡啶、甲基-1H-吡咯和三甲基-1H-吡咯，而这些化合物在葡萄糖形成的中间体的热解产率却很低。而形成中间体的氨基酸的结构差异也导致热解产物产率的不同。图4-53是两种Amdori产物的结构式。Yaylayan等人报道了天冬酰胺和葡萄糖的Amdori中间体热解会产生致癌的丙烯酰胺［85］。张敦铁等研究了缬氨酸、脯氨酸、丙氨酸与葡萄糖形成的Amdori中间体的热解性质［86］。Amdori中间体的热解产物的差异主要由其结构导致，部分产物结构可以直接反映出Amadori化合物中糖或氨基酸的结构。另外，温度对三种Amdori中间体热解产物的影响也很大，随温度的升高，裂解产物增多，且不同温度下的热解产物有重现性，这可能与中间体的结构和熔点有关。(www.xing528.com)

图4-53　两种阿马杜里产物的结构式

张士怡［87］等以D-果糖、L-苯丙氨酸和L-酪氨酸为原料合成两种Amadori衍生物:PDFD（二-O-异亚丙基-2,3:4,5-β-D-吡喃果糖基苯丙氨酸酯）和TDFD（二-O-异亚丙基-2,3:4,5-β-D-吡喃果糖基酪氨酸酯），并采用热重（TG-DTG）、差示扫描量热法（DSC）、热裂解-气质（Py-GC/MS）联用技术研究了两种物质的热降解特性和热降解产物，结果表明PDFD和TDFD最大质量损失率Tp值分别是273.3和340.5℃；两种物质均热降解产生大量的挥发性香味物质，如2-丁酮、苯甲醛、2-乙酰基呋喃、糠醛等，而且TDFD所需热降解温度较高且热降解产物含有酚类物质。对两种物质的热降解机理研究表明，保护糖环上的羟基在一定程度上可抑制吡喃糖环的降解，而氨基酸部分的降解几乎不受影响。该研究提供了一类基于Amadori化合物的香味前体物质，且为调控Amadori化合物热降解产物提供新思路。

可以看出，对于美拉德反应，目前的研究主要集中于液相体系中美拉德反应的模拟，即通过建立液相中的美拉德模式体系来研究生成物的性质，针对烟草热解过程中无溶剂条件下的固相美拉德模式体系则研究较少。例如，烟支被点燃后，首端的烟草立即被炭化并形成了卷烟的燃烧系统；释放的热量加热了后部的烟草，导致水分的散失而形成了一种无溶剂的热解条件。

本节笔者针对卷烟加香领域的研究热点——美拉德反应，建立了烟草热解中多种氨基酸-葡萄糖模拟非水相美拉德反应体系，利用多种热分析技术的交叉组合研究了葡萄糖与多种氨基酸固相美拉德反应的热学性质、逸出组分表征和特定热解产物的逸出规律，并对美拉德反应致香产物的定向控制进行了初步探索，为食品和卷烟美拉德反应香料的热解行为和机理研究提供了一种简便可靠的分析方法，对进一步补充、证实和完善美拉德反应理论体系具有参考价值。