美拉德反應
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美拉德反應[註 1]（英語：Maillard reaction，英語發音：/maɪˈjɑr/ （ⓘ） my-YAR；法語發音：[majaʁ]），又稱美拉德反應、梅拉德反應、羰胺反應，是廣泛分布於食品工業的非酶褐變反應，指的是食物中的還原糖（碳水化合物）與氨基酸／蛋白質在常溫或加熱時發生的一系列複雜反應，其結果是生成了棕黑色的大分子物質類黑精或稱擬黑素。除產生類黑精外，反應過程中還會產生成百上千個有不同氣味的中間體分子，包括還原酮、醛和雜環化合物，這些物質為食品提供了宜人可口的風味和誘人的色澤。它以法國化學家路易·卡米耶·馬亞爾命名，他在1912年首次描述它，同時試圖重現生物蛋白質合成[1][2]。 「美拉德反應」的產物中，包含顏色的變黃變深變黑、香氣的產生、以及味道上的轉變，例如甜味的產生。
該反應是一種非酶促褐變的形式，其通常快速從約140℃至170℃（280°F至340°F）中進行。在較高的溫度下，焦糖化和隨後的裂解變得更加明顯。在此過程中，產生了數百種不同的風味化合物。這些化合物又分解成形成更多新的風味化合物等等。每種類型的食物都具有在美拉德反應期間形成的非常獨特的風味化合物。 風味科學家多年來一直使用這些相同的化合物來製造人造風味。然而，在另一方面，高溫亦有利於一種稱為丙烯酰胺的化學物質形成，影響健康，但是仍未有充分證據顯示丙烯醯胺對人類為致癌物[3]。
歷史
1912年時，路易·卡米耶·馬亞爾將氨基酸和糖類水溶液混合加熱後，溶液產生黃棕色的發現講給法國科學院的其他科學家聽，但當時在座者中幾乎沒有人能意識到這個反應背後的潛在意義。在1913年，美拉德發表了一篇論文，以解釋當氨基酸在高溫下與糖反應時會發生什麼[1]。1953年，化學家約翰·霍奇（John E. Hodge）在美國農業部位於伊利諾伊州皮奧里亞市的實驗室工作，出版了一篇論文，將這個反應正式命名為美拉德反應，為美拉德反應建立了一個反應機制[4][5] 。時至今日，美拉德反應已經成為與現代食品工業密不可分的一項技術，在肉類加工、食品儲藏、香精生產、中藥研究等領域處處可見。目前的研究也顯示出其與機體的生理和病理過程密切相關。
美食與美拉德反應產品
美拉德反應負責食品中的許多顏色和口味：
- 各種肉類的變褐色，如牛排，燒烤
- 紅燒肉的色香味
- 油炸洋蔥中的褐色和鮮味
- 咖啡烘焙
- 烘烤食品的黑皮如椒鹽脆餅，百吉餅和烤麵包片
- 炸薯條和其他薯條的金棕色
- 麥芽大麥，在麥芽威士忌或啤酒中發現
- 奶粉或煉乳
- 焦糖牛奶醬
- 黑蒜
- 巧克力
- 輕度烤花生
- 茶葉烘焙
6-乙酰基-2,3,4,5-四氫吡啶負責烘焙食品如麵包，爆米花和玉米餅製品中存在的餅乾或餅乾樣味道。 結構相關的化合物2-乙酰基-1-吡咯啉具有相似的氣味，並且在不加熱的情況下也天然存在，並且提供了各種各樣的熟米飯和草本植物（七葉蘭）的典型氣味。 兩種化合物的氣味檢測閾值均低於0.06 ng / l。
反應過程
以下是Hodge提出的反應歷程，也是目前使用最廣的版本。
起始階段——產物無色，不吸收紫外光(280nm)：
• (A)：糖類與氨基化合物的縮合反應。
• (B)：Amadori重排。
中間階段——產物無色至黃色，強烈吸收紫外光：
• (C)：糖類失水。
• (D)：糖類裂解。
• (E)：氨基酸降解（Strecker降解）。
最終階段——產物有很深的顏色：
• (F)：羥醛縮合。
• (G)：醛類與氨基化合物的縮合反應以及含氮雜環化合物的生成。
此外還有：
• (H)，是最近發現的由N-糖基胺發生自由基裂解直接生成裂解產物的一條途徑。
第一步A是氨基化合物中的氨基的親核性氮原子對糖羰基碳的進攻，加成為一個羥基胺（N-糖基胺）。這一步是可逆的，生成的羥基胺也可以作為胺進攻另一分子糖，生成二糖基胺。研究顯示N-糖基胺在溫熱時可生成熒光的含氮化合物，該熒光含氮化合物又可很快與甘氨酸反應為類黑素，表明在N-糖基胺和類黑素很可能還有另一條捷徑。這便是上圖中路線H的來歷。
第二步B是N-糖基胺在酸催化下異構為相應的1-氨基-1-脫氧-2-酮糖的Amadori重排反應，它是不可逆的，25 °C時便自發進行。機理中，糖基胺首先失水生成席夫鹼（Schiff鹼），即亞胺，然後氮被質子化，相鄰的碳被去質子化，經烯醇-酮互變異構得到Amadori重排產物。
Amadori重排產物可經如下幾條主要的路線進行反應：
- pH小於或等於7時，利於1,2-烯醇化，經過1,2-烯胺醇、3-脫氧-1,2-二羰基化合物，最終生成5-羥甲基糠醛／糠醛和類黑素。
- pH大於7且溫度較低時，利於2,3-烯醇化，生成2,3-烯二醇、1-甲基-2,3-二羰基化合物（脫氫還原酮）、乙酰基烯二醇（還原酮）。脫氫還原酮易使氨基酸發生脫羧、脫氨反應形成醛和α-氨基酮類，即Strecker降解反應。
- pH大於7且溫度較高時，利於裂解，產生丙酮醇、丙酮醛和丁二酮等活性的中間體。
最終階段：此階段相當複雜，其歷程尚未完全清楚。大致是醛酮在胺催化下發生羥醛縮合反應生成不含氮的聚合物，以及醛類（尤其是α,β-不飽和醛）-胺類在低溫下很快聚合或共聚為高分子的含氮類黑素。脫氮聚合物也可以與胺類發生縮合、脫氫、重排、異構化等一系列反應生成類黑素。類黑素是棕黑色的固體，一般含氮3－4％，結構不明，且組成與原料和生成方式有很大關係。目前已知類黑素分子結構中含有不飽和的咪唑、吡咯、吡啶、吡嗪之類的雜環，以及一些完整的氨基酸殘基等。
應用
天冬酰胺（一種氨基酸）含量較高的馬鈴薯和穀類在與還原性糖（如馬鈴薯自身含有的大量澱粉）共同加熱的情況下，會發生美拉德反應生成潛在的致癌物質丙烯酰胺，因此以馬鈴薯作原料經煎炸加熱製得的薯條、馬鈴薯片等食物都含有較高含量的丙烯酰胺。由天冬酰胺生成丙烯酰胺的過程如下：
因此，生產含澱粉食品的時候常會加入天冬酰胺酶水解天冬酰胺，以減少丙烯酰胺的產生。
蛋炒飯也是一種美拉德反應，蛋液與米飯表面在加熱時產生焦糖化反應，米粒會因結晶化而變得較硬且易粒粒分離。粒粒分明的炒飯就是經過上述原理製作而來，這個作用效果與使用隔夜飯與冰箱冷藏、冷凍無關。但因為美拉德反應要發生需要達到攝氏118度，所以在水份不吸乾的情況下，無法達到指定溫度，故使用剛煮好的飯去炒，無法達成粒粒分明的效果。加上冰藏處理的白飯會產生抗性澱粉，減少米粒的黏度提升硬度，因此使用冰箱冷藏過隔夜飯可以去除水份又能增加抗性澱粉，對炒出粒粒分明的炒飯很有幫助。
傳統中菜上，用糖醃肉類或先撒澱粉質在肉類才炒，也會把食材味道的精華鎖住，炒出來的料理帶焦香卻不見燒焦的痕跡，看起來漂漂亮亮，且集色、香、味於一盤。
注釋
- ^ 「Maillard」來自法語人名，依實際發音，「Maillard reaction」應譯作「馬亞爾反應」或「邁亞爾反應」。
參見
參考的資料
- ^ 1.0 1.1 Maillard, L. C. Action des acides amines sur les sucres; formation de melanoidines par voie méthodique (Action of Amino Acids on Sugars. Formation of Melanoidins in a Methodical Way). Compt. Rend. 1912, 154: 66.
- ^ Chichester, C. O. (編). Advances in Food Research. Advances in Food and Nutrition Research 30. Boston: Academic Press. 1986: 79. ISBN 0-12-016430-2.
- ^ 3.0 3.1 Tareke, E.; Rydberg, P.; Karlsson, Patrik; Eriksson, Sune; Törnqvist, Margareta. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs. J. Agric. Food Chem. 2002, 50 (17): 4998–5006. PMID 12166997. doi:10.1021/jf020302f.
- ^ Hodge, J. E. Dehydrated Foods, Chemistry of Browning Reactions in Model Systems. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1953, 1 (15): 928–43. doi:10.1021/jf60015a004.
- ^ Everts, Sarah. The Maillard Reaction Turns 100. Chemical & Engineering News. October 1, 2012, 90 (40): 58–60 [2017-07-31]. （原始內容存檔於2015-01-15）.
外部連結
- 非酶褐變反應的研究進展[永久失效連結]
- 美拉德反應於Google圖書（英文）
- 食品中的美拉德反應[永久失效連結]於Google圖書（英文）
- 紅燒肉中的著名化學反應——美拉德反應 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- 認識梅納反應(Maillard reaction) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）