1、第八章褐变反应第八章褐变反应主要内容：主要内容：非酶褐变非酶褐变(Non-enzymatic browning)Maillard反应反应（重点）（重点）焦糖化反应焦糖化反应抗坏血酸的褐变作用抗坏血酸的褐变作用酶促褐变酶促褐变(Enzymatic browning)多酚氧化酶多酚氧化酶（重点）（重点）抗坏血酸氧化酶（抗坏血酸脱氢酶）抗坏血酸氧化酶（抗坏血酸脱氢酶）过氧化物酶过氧化物酶叶绿素酶叶绿素酶第一节第一节 非酶褐变非酶褐变一、一、Maillard反应反应二、焦糖化反应二、焦糖化反应三、抗坏血酸的褐变作用三、抗坏血酸的褐变作用一、羰氨反应（一、羰氨反应（Maillard 反应）反应）p112
2、p112涉及的物质：涉及的物质：糖、脂肪、维生素、蛋白质和氨基酸糖、脂肪、维生素、蛋白质和氨基酸应用：应用：产生诱人的色泽和风味产生诱人的色泽和风味 Baking,Ageing,Diabetes:A Short History of theMaillard Reaction.Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,10316 10329 调味料（咸味调味料（咸味香精）香精）氨基（氨基（NHNH2 2）与羰基（）与羰基（C=OC=O）共热聚合形成黑色物质）共热聚合形成黑色物质的反应叫羰氨反应。该反应由法国化学家的反应叫羰氨反应。该反应由法国化学家Maillard19121912年提出
3、，故又称年提出，故又称Maillard（美拉德）（美拉德）反应。反应。氨基来源：氨基来源：蛋白质：蛋白质：氨基的主要来源氨基的主要来源 胺类胺类 氨基酸氨基酸羰基来源：羰基来源：还原糖还原糖（主要来源）、油脂氧化（主要来源）、油脂氧化产生的醛、酮产生的醛、酮主要内容主要内容 反应机制反应机制 影响因素影响因素 Maillard反应的控制反应的控制（一）反应机制（一）反应机制以葡萄糖为例，反应分为以葡萄糖为例，反应分为初始阶段初始阶段、中间阶段中间阶段和和终了终了阶段阶段。1.1.初始阶段初始阶段：双果糖胺的形成：双果糖胺的形成2.2.中期阶段中期阶段形成一些活泼的中间产物：形成一些活泼的中间产
4、物：羟甲基糠醛、羟甲基糠醛、3-3-脱氧奥苏脱氧奥苏糖（葡萄糖醛酮）、不饱和奥苏糖（糖（葡萄糖醛酮）、不饱和奥苏糖（3,4-3,4-脱氧葡萄糖脱氧葡萄糖醛酮）、甲基醛酮）、甲基 二羰基化合物二羰基化合物2.2.中期阶段中期阶段3-3-脱氧奥酥糖、不饱和奥脱氧奥酥糖、不饱和奥酥糖、甲基酥糖、甲基-二羰基化合二羰基化合物物称还原酮，化学性质非称还原酮，化学性质非常活泼。可与胺类缩合，常活泼。可与胺类缩合，也可能裂解成较小的分子也可能裂解成较小的分子如二乙酰、乙酸、丙酮醛如二乙酰、乙酸、丙酮醛等。等。Maillard反应中间产物反应中间产物The Maillard reaction,p16-17St
5、ereckerSterecker降解（下图降解（下图p115p115）：）：定义：氨基酸与二羰基化合物反应发生定义：氨基酸与二羰基化合物反应发生脱羧、脱氨脱羧、脱氨作作用，生成少一个碳的醛，氨基则转移到二羰基化合物用，生成少一个碳的醛，氨基则转移到二羰基化合物上的反应。上的反应。COCHNH2R3OHCOCOR1R2COCNH2R1R2COR3HCO2 3.3.末期阶段末期阶段A.A.醇醛缩合：醇醛缩合：两分子醛的自相缩合两分子醛的自相缩合、脱水生成不饱和醛。脱水生成不饱和醛。经经Sterecker降解产生的醛类相互缩合（脱水）形成不降解产生的醛类相互缩合（脱水）形成不饱和醛。饱和醛。B.B.
6、生成黑色素生成黑色素(Melanoidin)糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮类、糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮类、StereckerSterecker 降解产生的醛类化合物与胺聚合形成复杂的高分子色素降解产生的醛类化合物与胺聚合形成复杂的高分子色素黑色素的过程。该过程需有氨基参与黑色素的过程。该过程需有氨基参与。黑黑色色素素 特特点点总结总结葡萄糖葡萄糖+RNH2葡基胺葡基胺酮式果糖胺酮式果糖胺Amadori分子重排分子重排3-脱氧奥苏糖脱氧奥苏糖 甲基甲基 二羰基化合物二羰基化合物3，4-脱氧奥苏糖脱氧奥苏糖 HMF 醇醛缩合醇醛缩合 黑色素黑色素RNH2 RNH2RNH2（二）（
7、二）Maillard 反应的食品学意义和影响因素反应的食品学意义和影响因素1.1.好处好处1 1）产生令人期望的）产生令人期望的颜色和风味颜色和风味：焙烤食品、咸味：焙烤食品、咸味香精香精2 2）产生抑制脂类氧化的物质）产生抑制脂类氧化的物质3 3）产生抗氧化活性物质和自由基清除活性物质，）产生抗氧化活性物质和自由基清除活性物质，有利于人类健康。有利于人类健康。2.2.不利影响不利影响1 1）使食品颜色加深）使食品颜色加深2 2）破坏氨基酸影响蛋白质营养价值）破坏氨基酸影响蛋白质营养价值l影响蛋白质的消化吸收影响蛋白质的消化吸收l破坏氨基酸，特别是必需氨基酸（破坏氨基酸，特别是必需氨基酸（Ly
8、s,TrpLys,Trp）。）。3 3）产生一些有害物质）产生一些有害物质有些醛酮类物质有害。有些醛酮类物质有害。类黑精色素能促进亚硝胺的形成。类黑精色素能促进亚硝胺的形成。有的物质产生诱变作用，如丙烯酰胺。有的物质产生诱变作用，如丙烯酰胺。J.Agric.Food Chem.,Vol.44,No.1,1996丙烯酰胺的形成丙烯酰胺的形成9696NH2COOHH2NO+ROOHH2ONCOOHH2NOROHNHH2NOROHOONH2NOROHNH2NOROHNH2H2NOOROHH2NONHH2NORO+CO2CO2H2ONH3课堂讨论课堂讨论食品中的丙烯酰胺应否限量？食品中的丙烯酰胺应否限
9、量？背景资料：背景资料：1.主要食品中丙烯酰胺含量。主要食品中丙烯酰胺含量。2.丙烯酰胺的主要危害丙烯酰胺的主要危害3.有关限量有关限量食品中丙烯酰胺含量食品中丙烯酰胺含量CategoryEuropean DataFDA DataBreads12-320010-364Crispbread30-1670Crackers and Biscuits30-200026-504Cereal30-230052-266Other Grains30Potato Chips150-1280117-2762Other Salty Snacks122-41612-1168French Fries85-110420-
10、1325Other Potato Products20-12400Other Vegetable and Fruit Products 10-5010-70Prepared Foods30-30Meats30-6410-116Candy and Dessert items20-11010-909Cookies36-199Coffee and Tea170-700175-351Other Nonalcoholic Beverages30Alcoholic Beverages30Dairy Products10-10010-43Baby Food and Formula40-12010-130Dr
11、y Soup Mixes10-1184Gravy and Seasonings38-54Miscellaneous70-200 六碳糖六碳糖 双糖双糖(五碳糖快五碳糖快1010倍）；开链式倍）；开链式 环式环式五碳糖：核糖五碳糖：核糖 阿拉伯糖阿拉伯糖 木糖木糖六碳糖：半乳糖六碳糖：半乳糖 甘露糖甘露糖 葡萄糖葡萄糖其它羰基类化合物其它羰基类化合物-已烯醛、已烯醛、-二羰基化合物，反应快二羰基化合物，反应快,如脂类氧如脂类氧化物化物氨基化合物氨基化合物：胺类：胺类 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质a.a.含含S-SS-S，SHSH的氨基酸不易褐变的氨基酸不易褐变b.b.有吲哚、苯环的氨基酸易褐变有吲
12、哚、苯环的氨基酸易褐变c.c.碱性氨基酸易褐变碱性氨基酸易褐变d.d.氨基在氨基在-位或在末端者，比位或在末端者，比-位易褐变位易褐变温度温度：温度上升：温度上升1010，反应速度上升，反应速度上升3 35 5倍倍O O2 2：促进褐变：促进褐变H H2 2O O：含水量高促进褐变，高度干燥可防止褐变：含水量高促进褐变，高度干燥可防止褐变金属离子金属离子GuGu，FeFe促进褐变，促进褐变，FeFe3+3+比比FeFe2+2+更有效；更有效；CaCa2+2+抑制褐变抑制褐变pHpHpHpH上升，褐变加快上升，褐变加快 化学因素化学因素a a、SOSO2 2主要是与醛形成复合物（主要是与醛形成复
13、合物（112112）b b、葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖：加工蛋制品、葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖：加工蛋制品 （三）美拉德反应的控制（三）美拉德反应的控制1.1.使用不易褐变的原料使用不易褐变的原料2.2.降低温度降低温度例如例如:100:100下下2 2小时反应得到的甘氨酸和葡萄糖小时反应得到的甘氨酸和葡萄糖的色度的色度,在在 5656条件下需要条件下需要250250小时。小时。一般一般3030以上褐变较快以上褐变较快,而在而在2020以下较慢以下较慢3.3.降低降低 pHpH值值羰氨缩合是一个可逆的过程羰氨缩合是一个可逆的过程,稀酸促进羰氨缩合物稀酸促进羰氨缩合物水解。水解。4.4.调节水分活度调节
14、水分活度水分在水分在101015%15%时最容易发生褐变时最容易发生褐变 。5.5.降低氧气浓度降低氧气浓度6.6.金属离子金属离子铁和亚铁离子能促进美拉德反应的发生，而钙、铁和亚铁离子能促进美拉德反应的发生，而钙、镁离子能减缓美拉德反应的发生。镁离子能减缓美拉德反应的发生。7.7.使用褐变抑制剂使用褐变抑制剂（1 1）使用还原剂使用还原剂亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠（亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠（NaNa2 2S S2 2O O5 5）、保险粉（、保险粉（NaNa2 2S S2 2O O4 4）。）。机理：机理：加成反应加成反应、还原反应还原反应 。（2 2）使用氧化剂使用氧化剂次氯
15、酸钠、过氧化氢、臭氧。次氯酸钠、过氧化氢、臭氧。二、焦糖化反应二、焦糖化反应 在没有氨基类化合物的参与下在没有氨基类化合物的参与下，加热，加热(150-(150-200)200)碳水合物使之成碳水合物使之成熔融状态熔融状态而产生褐色物而产生褐色物质，此过程称焦糖化。质，此过程称焦糖化。焦糖化过程可分为两类反应焦糖化过程可分为两类反应:糖脱水形成酱色物质（糖脱水形成酱色物质（主要主要）；）；糖裂解形成醛、酮再缩合形成黑褐色物质、香糖裂解形成醛、酮再缩合形成黑褐色物质、香气物质。气物质。1.1.焦糖形成（以蔗糖为例）分焦糖形成（以蔗糖为例）分3 3个阶段个阶段（1）35 min heating,4
16、%moisture lossSucrose dehydrated(isosacchrosan异异蔗糖酐蔗糖酐)（2）55 min heating,total 9%moisture lossSucrose dimerization and dehydration caramelan（蔗糖酐蔗糖酐）（3）55 min heating.Total 14%moisture lossSucrose trimerization and dehydration caramelen（焦糖素焦糖素）OHCH2OHHOHHCH2OHOHHHOHOHHHCH2OHOO2.性质：性质：P1173.影响焦糖化反应的因素
17、影响焦糖化反应的因素A.碱：碱促进分子内脱水和裂解碱：碱促进分子内脱水和裂解B.酸（磷酸盐、柠檬酸，酒石酸，苹果酸等）促酸（磷酸盐、柠檬酸，酒石酸，苹果酸等）促进进C.铵盐明显促进。糖（铵盐明显促进。糖（NH4)2 SO4 120 C可形可形成焦糖。成焦糖。4.焦糖化反应产生的风味物质焦糖化反应产生的风味物质麦芽酚、异麦芽酚麦芽酚、异麦芽酚、2H4羟基羟基5甲基呋甲基呋喃喃5.安全性安全性铵法制备焦糖色素产生铵法制备焦糖色素产生4甲基咪唑（致惊厥，甲基咪唑（致惊厥，有毒）。有毒）。焦糖色素限量：焦糖色素限量：200mg/kg第二节酶促反应第二节酶促反应多酚氧化酶催化的褐变多酚氧化酶催化的褐变P
18、263抗坏血酸脱氢酶抗坏血酸脱氢酶过氧化物酶过氧化物酶叶绿素酶叶绿素酶一、酶促褐变机理一、酶促褐变机理(一）多酚氧化酶一）多酚氧化酶名称：邻二酚：氧：氧化还原酶名称：邻二酚：氧：氧化还原酶1.1.催化的反应（图催化的反应（图8-138-13）催化单酚羟基化催化单酚羟基化（称甲酚酶或羟化酶）（称甲酚酶或羟化酶）邻二酚氧化成醌邻二酚氧化成醌（多酚氧化酶或儿茶酚酶）（多酚氧化酶或儿茶酚酶）2.2.存在存在植物：所有植物：所有动物：虾、蟹（人）动物：虾、蟹（人）3.3.特性特性最适最适H H：4 47 7（图）（图）不耐酸不耐酸耐热性：耐热性：不太耐热不太耐热（图）（图）最适底物：最适底物：酪氨酸、儿
19、茶酚、原儿茶酚、咖啡酸、酪氨酸、儿茶酚、原儿茶酚、咖啡酸、绿原酸绿原酸2652654.4.褐变机理褐变机理酚被氧化成醌形成有色物质酚被氧化成醌形成有色物质醌相互聚合醌相互聚合醌与蛋白质、氨基酸聚合形成有色物质醌与蛋白质、氨基酸聚合形成有色物质（二）抗坏血酸脱氢酶（二）抗坏血酸脱氢酶P277P277维生素维生素C C在酶作用下形成脱氢抗坏血酸，进而形成在酶作用下形成脱氢抗坏血酸，进而形成糠醛，与氨基酸、蛋白质反应（糠醛，与氨基酸、蛋白质反应（图图）。）。2，3，5，6四羟基四羟基2己烯己烯 内酯内酯（异（异Vc）（三）过氧化物酶（三）过氧化物酶P2771.酚作为供氢体被氧化成醌。酚作为供氢体被氧
20、化成醌。2.将一元酚氧化为临二羟基酚。将一元酚氧化为临二羟基酚。AH2+O2+OHCH3OHCH3OH+A+H2O二、酶促褐变的生物学意义和食品意义二、酶促褐变的生物学意义和食品意义1 1、生物学意义、生物学意义 作用：防御（抵抗微生物感染）作用：防御（抵抗微生物感染）在完整的细胞中，酚和酚酶是被细胞膜分隔在在完整的细胞中，酚和酚酶是被细胞膜分隔在不同区域的，当细胞受伤后，膜被破坏，酚、不同区域的，当细胞受伤后，膜被破坏，酚、酶氧相互接触从而产生褐变反应。酶氧相互接触从而产生褐变反应。2 2、食品意义、食品意义 酶促褐变在食品加工保藏过程中一般是不受欢酶促褐变在食品加工保藏过程中一般是不受欢迎
21、的，红茶除外迎的，红茶除外(27min)(27min)。褐变主要是植物组织的褐变，动物有吓、蟹。褐变主要是植物组织的褐变，动物有吓、蟹。三、酶促褐变的控制三、酶促褐变的控制 褐变必须满足三个条件：酚、氧、酶褐变必须满足三个条件：酚、氧、酶 1.1.热处理热处理 酚酶不耐热，一般酚酶不耐热，一般70-9070-90处理短时间即可使其处理短时间即可使其失活。失活。加热处理有：热烫（热水热烫、蒸汽热烫）、巴加热处理有：热烫（热水热烫、蒸汽热烫）、巴氏消毒、微波等。氏消毒、微波等。2.2.酸处理酸处理多酚氧化酶的最适多酚氧化酶的最适pHpH在在4 47 7之间。之间。酸一般用柠檬酸（酸一般用柠檬酸（0
22、.5%+0.5%Vc0.5%+0.5%Vc）、苹果酸、抗坏）、苹果酸、抗坏血酸等。血酸等。柠檬酸的作用：降低柠檬酸的作用：降低pHpH、络合、络合CuCu；抗氧化；抗氧化绿叶蔬菜不用酸处理。绿叶蔬菜不用酸处理。3.3.多酚氧化酶抑制剂多酚氧化酶抑制剂1 1）亚硫酸盐或）亚硫酸盐或SOSO2 21ppm1ppm可降低酶活可降低酶活20%20%，10ppm10ppm可完全抑制，但残留可完全抑制，但残留量不得超过量不得超过0.7mg/kg0.7mg/kg。机理：机理：a.a.降低酶作用于一元酚和二羟基酚的活力降低酶作用于一元酚和二羟基酚的活力 b.b.不可逆地与醌作用生成无色化合物不可逆地与醌作用生
23、成无色化合物缺点：漂白花青素，使食物失色，有腐蚀作用缺点：漂白花青素，使食物失色，有腐蚀作用、不良气味、哮喘。、不良气味、哮喘。二氧化硫超标二氧化硫超标11种凉果北京下架种凉果北京下架 http:/ O2 2，比酚更易氧化，比酚更易氧化3)3)竞争性抑制剂竞争性抑制剂 苯甲酸苯甲酸 邻羟苯基丙烯酸邻羟苯基丙烯酸 间羟苯基烯酸间羟苯基烯酸 阿魏酸阿魏酸 对羟苯基丙烯酸对羟苯基丙烯酸 肉桂酸肉桂酸4.4.驱氧驱氧气调、气调、VcVc、糖、糖、NaClNaCl（需达（需达20%20%才完全有效）才完全有效）抑制剂及其浓度抑制剂及其浓度苹果苹果SO2 50ppm 苯甲酸苯甲酸苹果苹果SO2 50ppm
24、 1CaCl2苹果苹果30糖糖0.320.4 CaCl2苹果汁苹果汁0.5mmol/L肉桂酸肉桂酸苹果汁苹果汁0.51苹果酸苹果酸葡萄汁葡萄汁SO2 1050ppm膨润土膨润土0.44g/L梨梨NaCl1 柠檬酸柠檬酸2葡萄酒葡萄酒PVP 2g/L土豆土豆Cys 0.5mmol/L或亚硫酸盐或亚硫酸盐6002500ppmPPO抑制剂在防治褐变中的应用抑制剂在防治褐变中的应用思考题思考题1.1.美拉德反应的基本反应过程，形成了哪些活泼美拉德反应的基本反应过程，形成了哪些活泼中间产物？中间产物？2.2.影响美拉德反应的因素有哪些？如何应用和控影响美拉德反应的因素有哪些？如何应用和控制美拉德反应？制美拉德反应？3.3.多酚氧化酶催化哪两步反应？分别称什么酶？多酚氧化酶催化哪两步反应？分别称什么酶？最适底物是什么？最适底物是什么？4.4.如何抑制酶促反应？如何抑制酶促反应？
