Maillard 反应的机理研究

吴  松1 ,秦  军2

(1.贵州大学化学工程学院,贵州贵阳550003 ;  2. 贵州大学理化分析中心,贵州贵阳550003)

摘 要:就梅拉德反应的化学原理及近年来对该反应机理研究的新观点作讨论。环状Amadori 重排产物直接脱水机理的提出对反应产物中杂环与多聚产物的来源作了合理的解释。

二氢吡嗪中间产物的确认,为Strecker 对吡嗪生成的理论假设提供了依据。

关键词:梅拉德反应;斯特勒克降解;阿马多利重排产物;反应机理

中图分类号: TS452. 1      文献标识码:A

梅拉德反应(Maillard Reaction)是氨基化合物与还原糖之间发生的非酶催化的褐变反应(Non-enzymatic browning)，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(Melanoidins)。几乎所有食品工业或多或少都受到Maillard 反应的影响。近年来在有机化学、食品化学、香料化学等领域的研究一直是国内外研究的热点课题。梅拉德反应产物的应用领域国外研究较多，我国起步较晚，而在对反应机理的研究中，由于反应极其复杂，研究进展一直较慢，许多方面仍属空白。由于反应机理的重要性，对反应的应用直接起着重要指导作用，就该反应化学原理及机理方面的进展作综述与讨论，机理的讨论对食品化学、风味化学等的研究与应用都具有积极意义。

1 梅拉德反应(Maillard Reaction)中的化学原理

梅拉德反应(Maillard Reaction)的研究包括了醛、酮、还原糖与胺、氨基酸、肽和蛋白质之间的反应,反应的化学原理是极其复杂的。迄今为止,人们只是对该反应产生低分子化合物的化学过程比较清楚,而对高分子聚合物的生成的机理仍属空白。Hodge 、Mauron、Namiki和Hayashi 等人都对梅拉德反应的化学原理作了论述。至今，Hodge提出的网络分类图解仍然是对梅拉德反应化学原理最简明扼要的阐明和描述。

梅拉德反应一般可以分成二个反应阶段，三条反应路线。

1.1 初级Maillard反应

初级Maillard反应包括还原糖的羰基与氨基酸或蛋白质中的游离氨基二者之间进行缩合。缩合物迅速失去一分子水转变为希夫碱( Schiff Base)，再经环化形成相对应的N-取代的葡基胺,然后又经过阿马多利(Amadori)分子重排转变成1-氨基-1-脱氧-2-酮糖,这一步包含由醛糖转变到酮糖衍生物。初级Maillard反应不引起褐变，其中关键步骤是阿马多利重排，Amadori重排产物(Amadori rearrangement product,ARP)1-氨基-1-脱氧-2-酮糖是极为重要的不挥发的香味前驱物。

1.2 高级Maillard反应

在氨基酮糖和氨基醛糖等重要的不挥发性香味前驱物质形成之后，Maillard反应变得更为复杂，反应后产生还原糖、糠醛和不饱和羰基化合物等。

高级Maillard反应包括三条主要反应路线，其中二条是从Amadori 重排产物(ARP)开始的，另一条是间接地由ARP 开始的。

{dy}条反应路线由1-氨基-1-脱氧-2-酮糖在2、3位置不可逆地烯醇化，从C₁消去胺基生成甲基二羰基中间体，其进一步反应产生如C-甲基-醛类，酮醛类，二羰基化合物和还原酮等裂解产物,反应产物包括乙醛，丙酮醛，丁二酮和醋酸等风味成分。

第二条反应路线从烯醇式Amadori重排产物在1,2位置烯醇化并消去C₃上的羟基，加H₂O 生成3-脱氧已糖酮，然后脱水生成2-糠醛类风味成分。

上述二条路线生成的中间产物及以后发生的反应是相当复杂的，高级阶段形成众多活性中间体，{zh1}结果都生成了褐色含N色素-类黑精[1]。在此过程中还包括了醇醛缩合，醛—氨基聚合，以及生成了诸如吡嗪、吡啶、吡咯等氮杂环化合物。加热食品所具有的烤香,烘焙香和坚果香大多数与这类氮杂环化合物有关。

一般认为，碱性条件下，由于邻近N原子的影响糖残基C₁的电子云密度增大，使1,2-烯醇化较为困难。因此，碱性条件下ARP 一般进行2,3烯醇化。酸性条件下N被质子化。由于带正电的N原子的吸引，电子离开C1，使1,2-烯醇化比较容易进行。

第三条反应路线是斯特勒克降解(Strecker degradation)，鉴于Strecker降解必需有高级Maillard反应阶段产生的“活性”中间体参与,所以也有学者将Strecker降解归为“第三条反应路线”[1]。Strecker降解包括Amadori产物裂解产生的α-二羰基和其它共轭二羰基化合物与氨基酸产生的氧化降解。在Strecker降解中，氨基酸与α-二羰基化合物反应失去—分子CO₂而降解成为少一个碳原子的醛类(见图3)。

参与此反应的二羰基化合物有乙二醛、甲基乙二醛和丁二酮等，Strecker类是香味物质的重要组成成分，但它们也能自身缩合,或者和糠醛或其它脱水产物缩合，{zh1}生成类黑精。Maillard反应中释放的大多数CO₂是从Strecker降解反应中产生的。

通常，醛类具有特征香气，所以用Strecker降解法生成的醛类，从加热香气的形成来看也很重要。但在香气生成时，Strecker分解的作用不仅在于生成醛类，而更在于生成醛类之后接着发生的各种反应中生成以吡嗪为首的多种挥发性有香成分，特别是挥发性的杂环化合物[2]。

Maillard反应生成的类黑精是引起食品非酶褐变的主要物质，在产生类黑精的同时，由一系列Maillard反应中间体及杂环类化合物生成,这类物质除能提供给食品特殊的风味外，还具有抗氧化、抗诱变等特性[3]。

2  近年来机理研究新进展

2.1 环状Amadori 重排产物的直接脱水机理

(1) 环状ARP直接脱水机理假说的提出

Maillard反应极其复杂,对其机理的研究很多领域仍属空白,进展还很慢,Amadori 重排产物是所有机理中都涉及的一个重要中间产物,由氨基和羰基缩合形成，可以稳定存在。目前一般接受的机理是开环形式的ARP 经1,2-和2,3-烯醇化然后进行脱水。Hogde曾提出，Maillard反应全部产物都是中间产物经“洛伯丢希伦-Van Ekenstein”转换产生的。反应中必须经过开环，1,2-及2,3-烯醇化等步骤。但这一假说不能很好的说明模拟体系中Maillard反应产物的形成途径，这种ARP无环互变异构体烯醇化假说无法解释ARP受热形成的产物的复杂性。并且理论预计的产率也与实际值有很大的差异。

氧化氘溶液中D-葡萄糖受热分解为5-羟甲基-2-糠醛(HMF)的实验表明，所形成的HMF呋喃环上并不含有与碳结合的氘，这一结果表明反应中并没有发生开环，而可能是以呋喃糖直接脱水的途径进行的。

受这一启发,进年来提出了环状ARP直接脱水机理。

    正常情况下，单糖和ARP多以环式结构存在。无环形式只占1%左右。即便温度上升，有利于开环。但其增加的{jd1}数量仍然不大[4]。ARP很可能未以开环方式进行1,2-及2,3-烯醇化。

(2)环状ARP 直接脱水机理假说

根据新提出的假说，ARP椅式吡喃果糖环可能以半缩醛羟基和C-3H的反式消去(E₂型机理)方式进行直接脱水的。半缩醛羟基的不稳定性使这一过程更易进行。脱水开始以后环可以船式的结构存在(图4结构式2)，这样便于容纳分子C2，C3之间的双键,接下来C5-C6键失去一分子水，形成吡喃环。吡喃环3,4位各有一个羟基(图4结构式3)。

在酸性和碱性条件下，4-羟基吡喃可以进行芳构化形成吡喃佯离子(图4结构式4)，由此可推测ARP的呋喃果糖互变异构体也可以形成类似的呋喃佯离子。Yaylayan &spoms以此提出由呋喃糖直接脱水形成HMF，由此呋喃糖直接脱水形成2,3-二氢-3,5-二羟-6-甲基-4氢吡喃-4-酮的机理。吡喃佯离子的形成具有重要的意义，由于该离子的2,4,6位具有强的亲电子性，可进行各种亲核反应，形成吡喃，吡喃可进行电环化开环，形成共轭产物，这样的共轭产物还可以进行区域专一的再环化，形成五元、六元、七元的杂环化合物。而Maillard反应中的这些杂环化合物正是风味物质的重要来源。

环状ARP直接脱水假说的提出,与前述经典路线相比，较好的说明了Maillard反应产物的形成,尤其是风味物质的形成。随着对ARP反应路径的进一步研究,将使得许多风味前体物质以及风味物的形成更加明朗。

3 Maillard 反应中吡嗪形成的研究

在MRP中，杂环化合物是重要的风味物质。其中吡嗪及其衍生物占有重要的地位。文松[5]等在对谷氨酸、天冬酰胺与D-葡萄糖的Maillard反应研究中，证实了吡嗪类衍生物在致香成分中具有举足轻重的地位。

吡嗪类物质也是由ARP分解而形成的。Koehler等证明了吡嗪并不是氨基酸二聚反应的产物。同位素标记表明，吡嗪环上的N原子及C原子分别来源于氨基酸及还原糖。袁春伟采用对甲苯胺与3,5,6-三甲基-D-葡萄糖在酸性条件下作用生成较稳定的Amadori化合物,此化合物再经二聚合反应形成1,4-二氢吡嗪，二氢吡嗪氧化即生成吡嗪。二氢吡嗪中间产物的确定，证实了strecker假设还原糖与氨基酸反应生成终产物吡嗪的过程中经过了二氢吡嗪中间产物的理论假设。

4 结论

近年来，在Maillard 反应的研究中，基础研究正在逐渐也受到重视,对反应机理的进一步研究,使得对杂环及多聚产物的来源作出更好的解释，这对反应的控制、反应产物预测、风味化学研究都有着直接指导意义，对推动Maillard反应在应用领域的深入有着积极的作用。

参考文献:

[1] 冯大炎,等.Maillard反应与Strecker降解及其对食品风味与食品营养的影响[J].安徽师大学报,1993,(6):79-84.

[2] 吴松.两种氨基酸的Maillard反应中低分子致香成分的研究[J].贵州工业大学学报.2001,(6): 7- 10.

[3] 王延平,马志玲,等. 美拉德反应产物研究进展[J] . 食品科学,1999, (1) :15 - 19.

[4] Angyal. S. J . Adv Carbonhydr. chem[J] .Biochem ,1984 , (42) :15.

[5] 袁春伟. Maillard 反应中吡嗪形成的研究[J] . 东南大学学报,1990, (4) :138 - 141.