簡介
美拉德反應指的是含遊離氨基的化合物和還原糖或羰基化合物在常溫或加熱時發生的聚合、縮合等反應，經過複雜的過程，最終生成棕色甚至是棕黑色的大分子物質類黑精或稱拟黑素，所以又被稱為羰胺反應。
除産生類黑精外，反應還會生成還原酮、醛和雜環化合物，這些物質是食品色澤和風味的主要來源。幾乎所有含有羰基和氨基食品在加熱條件下均能産生Maillard反應。Maillard反應能賦予食品獨特的風味和色澤，所以，Maillard反應成為食品研究的熱點，與現代食品工業密不可分的一項技術，在食品烘焙、咖啡加工、肉類加工、香精生産、制酒釀造等領域廣泛應用。
研究曆史
早在1908年，A.R.Ling曾發現甘氨酸和葡萄糖混合液共熱時會形成褐色的類黑精，并可以聞到香氣。1912年，法國科學家美拉德（1878~1936，L.C.Maillard）對該現象進行了報道。
1953年，霍奇（J.E.Hodge）等人經總結歸納，把氨基化合物（如蛋白質、肽、胺、氨和氨基酸）和羰基化合物（如還原糖、脂質、醛、酮、多酚、抗壞血酸以及類固醇等）之間的一類複雜化學反應正式命名為Maillard反應（Maillard Reaction）或羰-氨反應（Amino－carbonyl Reaction）。因其最終産物主要是棕色的類黑素，且無需酶的參與所以亦被稱為類黑素反應（Melanoidin Reaction）或非酶褐變反應（Non-enzymatic Browning Reaction）。同年，Hodge提出了Maillard反應模拟體系及其反應曆程框架，成為Maillard反應發展史中的一個重要裡程碑。1995年，Tressl等人進一步發展和修訂了Hodge的理論。随後，Hodge等人對Maillard反應原理作了論述，提出了較完整Maillard反應原理。
自20世紀50年代後Maillard反應一直備受關注，60年代的研究集中在對其揮發性化合物的分離與鑒定。70年代和80年代初，Maillard反應的研究重點聚焦于模拟反應系統、反應條件以及生成的風味化合物的分析研究。近年來，Maillard反應在中藥現代化和疾病生理等研究中成為新的研究熱點。Maillard反應自發現以來，在食品學、營養學、香料化學、毒理學以及中藥學研究中成為經久不衰的研究課題。目前，美拉德反應産物的生理活性和保健功能也引起了世界各國的高度重視，越來越多的研究結果顯示出美拉德反應與人類自身的生命活動密切相關。有關美拉德反應的研究非常活躍，自1979年第1次美拉德反應國際大會以來，由國際美拉德協會（International Maillard Reaction Society）組織的系列會議已經開過10次，會議吸引了衆多的化學、生物學和醫學界的研究者參加。
美拉德反應機理
美拉德反應按其本質而言是氨羰間的加縮反應，它可以在醛、酮、還原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物與胺、氨基酸、肽、蛋白質甚至氨之間發生反應，熱反應和長時間儲藏都可以促使Maillard反應形成。其化學過程十分複雜。目前對該反應産生低分子和中分子的反應機理比較清楚，而對産生的高分子聚合物的機理仍不能滿意的解釋。食品化學家Hodge認為美拉德反應過程可以分為初期、中期和末期，每一階段又可細分為若幹反應。
初級反應
氨基化合物中遊離氨基酸與羰基化合物的遊離羧基縮合形成亞胺衍生物，該産物不穩定，随即環化成N -葡萄糖基胺。N-葡萄糖基胺在酸的催化下經Amadori分子重排生成有反應活性的1-氨基-1-脫氧-2 -酮糖，即單果糖胺。此外，酮糖還可與氨基化合物生成酮糖基胺，而酮糖基胺可以經過Heyenes分子重排異構成2 -氨基-2-脫氧葡萄糖。Maillard初級反應産物不會引起食品色澤和香味的變化，但其産物是不揮發性香味物質的前體成分。
中級階段
在此階段Amadori化合物通過3條不同的反應路線： 一是在酸性（pH小于或等于7） 條件下進行1，2-烯醇化反應，經過1，2-烯胺醇、3-脫氧-1，2-二羰基化合物，最終生成羰基甲基呋喃醛或呋喃醛；二是堿性條件下進行 2，3-烯醇化反應，産生還原酮類及脫氫還原酮類；三是繼續進行裂解反應形成含羰基或二羰基化合物，或與氨基進一步氧化降解，在Strecker降解中，α-氨基酸與α-二羰基化合物反應，失去一分子CO2降解成為少一個碳原子的醛類及烯醇胺，各種特殊醛類是造成食品不同香氣的因素之一。
最終階段
該階段主要為醛類和胺類在低溫下聚合成為高分子的類黑精或稱類黑素。此階段反應相當複雜，其反應機制尚不清楚。除類黑精外，還會生成一系列美拉德反應的中間體還原酮、醛類及揮發性雜環化合物。主要有Strecker降解産物氨基酮，而氨基酮經異構為烯胺醇則再經環化形成吡嗪類化合物。
影響美拉德反應因素
Maillard反應機制相當複雜，不僅與參加反應的糖類的羰基化合物及氨基酸等氨基化合物種類有關，而且還與溫度及反應時間、水分活度和pH、金屬離子和化學試劑、輻照等外界因子有關。了解這些因素對Maillard反應的影響，有助于我們控制食品褐變，對食品工業具有重大的現實意義。
氨基酸和糖的種類
糖是Maillard反應中必不可少的一類物質。有資料表明，單糖和ARP （Amadori Rearrangement Product） 的喃喃或吡喃糖比其它形式的糖更能脫水。環狀ARP脫水後随着溫度的升高形成共轭産物，再經過專一的再環化，可形成5、6、7環雜環化合物，而許多雜環類化合物本身就是風味物質。有研究者認為随着環狀結構的增大，Maillard反應速度急劇降低。所以，在食品加工中可以人為的添加适量的糖，使形成誘人的風味、色澤。
在美拉德反應中，參與反應的糖可以是雙糖、五碳糖和六碳糖。可用的雙糖有乳糖和蔗糖； 五碳糖有木糖、核糖和阿拉伯糖； 六碳糖有葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等。反應的速度為五碳糖> 己醛糖 > 己酮糖 > 雙糖，開環的核糖比環狀的核糖反應要快，因為開環核糖更利于Amadori産物形成。有研究表明，Gly、Ala、Tyr、Asp等氨基酸于180℃和等量葡萄糖反應可産生焦糖香氣；而Val能産生巧克力香氣；His、Lys、Pro可産生烤面包香味；Phe則能産生一種特殊的紫羅蘭香氣；L－精氨酸，能産生烤蔗糖香氣、香味；L－蛋氨酸，能産生土豆香氣、香味；L－谷氨酸，能産生奶油糖果香氣、香味；L－亮氨酸，能産生烤幹酪香氣、香味；L－異亮氨酸，能産生烤幹酪香味。因此在加工過程中，我們可以利用氨基酸的這種性質，将其和葡萄糖直接加入食品并熱處理，使食品産生宜人的風味和色澤，以提高營養和改善食品的風味。
溫度和反應時間
溫度是美拉德反應當中最重要的影響因素之一，一般情況下，Maillard反應速度随加工溫度的上升而加快，香味物質也主要在較高溫度下反應形成的。一些低分子量的雜環化合物在高溫下有利于形成。其中吡喃環對熱敏感，開環後使産物結合增加，然後再環化，從而形成新的碳環或雜環化合物，大多數是含有6、7、8個原子的芳香族化合物如苯、呋喃、噻唑、咪咯、吡咯、吡啶等。烯醇胺或 α-氨基酸在高溫下也可縮合成吡嗪類化合物。
若溫度過高，時間過長，不僅使食品中營養成分氨基酸和糖類遭到破壞，而且可能産生緻癌物質，随加工溫度的升高，其含量也越高。如花生、油脂等物料的焦化，以及在制作鹹味香精膏體，如雞肉，牛肉，豆醬等膏體時都可能産生緻癌物質，對食品安全造成影響；若溫度過低，反應比較緩慢，同時也會影響呈香風味物質的形成，達不到成品的風味效果；所以，在香物香料的生産中如何控制反應溫度和時間使反應中生成更多的特征香味成分及在食品加工處理中預測并提供有效的控制點為避免生成緻癌物質将是近階段研究的一大熱點。
水分活度和pH
美拉德反應的強度很大程度上取決于介質的水合作用，為達到最大的反應活性，一般要求食品水分含量在 10%以上，通常為15%為好。在一定範圍内（10～25%），Maillard反應速度随水分的增加有上升趨勢，完全幹燥的食品難以發生Maillard反應； 一般Maillard反應随着pH（3～10）上升呈上升趨勢，在偏酸性環境中，美拉德反應會被抑制，反應速率降低，吡嗪類物質難于形成。在強酸環境下，氨基處于質子化狀态，使 N-糖基化合物（葡基胺）難以形成，從而使反應難以進行下去，因為在強酸條件下，N-葡萄糖胺容易被水解，而葡萄糖胺是Maillard特征風味形成的前體物質，這就導緻呈香達不到預期效果；在偏堿性環境下，美拉德反應加速，反應物質生成得很快，速度很難控制，因氨基酸是一類兩性離子，它在堿性介質中呈陰離子，此時氨基反應活性較強，易發生褐變反應。若用Maillard反應制備肉類香精，水分活度在0.65 ～0.75最适宜，水分活度小于0.30或大于0.75反應很慢。
金屬離子和化學試劑
金屬鐵離子和亞鐵離子能加速反應進度，銅能催化還原酮的氧化，而鈣鎂離子則對反應有一定的抑制作用。研究表明，鈣鹽與氨基酸結合生成不溶性化合物；Leonard研究發現，在磷酸鹽緩沖溶液中，随着緩沖液濃度的增加，甘氨酸減少，色素增多。這可能是因為磷酸鹽影響醛糖的穩定性，所以它的存在會加速Maillard反應進行。
輻照對Maillard反應的影響
輻照也可以引起Maillard的進行，但是在輻照條件下的反應與加熱情況下有所不同。當非還原雙糖、蔗糖在加熱的條件下不産生褐色色素，但是在輻照的條件下有褐色物質形成，它表明在輻照的情況下，蔗糖也出現了還原性。
在輻照時，糖類參與反應的速度為蔗糖>果糖、阿拉伯糖、木糖>葡萄糖，但是在熱反應中，糖類參與反應的速度是戊醛糖>庚醛糖删掉>己酮糖>雙糖。這可能是因為輻照釋放出來的能量使糖苷鍵斷裂，從而釋放出羰基，進一步與氨基化合物發生反應。
美拉德反應各個影響因素控制
美拉德反應的褐變初期是食品加工過程産生風味物質中間體所必須的，但它對食品的保藏，品質不利，這也是從事食品行業科研人員所必須研究去遏制的。為防止褐變可采用以下方法：（1）隔氧法，以阻止由于與氧接觸所發生的氧化反應；（2）降低溫度，Maillard反應是一個吸熱反應，随着溫度的增加，反應速率也随之加快。一般溫度每升高10℃，反應速度提高3～5倍。有研究表明，在100℃得到的甘氨酸和葡萄糖色度，在56℃下要求反應250小時才能達到這個色度。因此，食品冷藏或低溫貯藏有利于抑制食品的褐變。（3）降低pH值和調節水分活度，在酸性條件下（pH<3.0）美拉德反應中的羰氨縮合是一個可逆過程，因為羰氨縮合過程中封閉了遊離氨基酸，反應體系pH下降，因此堿性條件有利于反應的進行。（4）添加酶或化學物質，在幹蛋白粉儲藏過程中由于賴氨酸與葡萄糖發生褐變導緻成品失色，若預先添加葡萄糖氧化酶于蛋白粉中，使葡萄糖氧化成酸則可防止褐變。
反應産物的功能特性
抗氧化作用
科學研究表明，癌症、衰老或其它疾病大都與過量自由基的産生有關聯。研究清除自由基、抗氧化可以有效克服其所帶來的危害，所以抗氧化被保健品、化妝品企業列為主要的研發方向之一，也是市場最重要的功能性訴求之一。衆多的研究資料表明，美拉德反應産物具有抗氧化活性。但是其抗氧化能力受多重因素的影響，如美拉德反應的底物、反應的溫度、反應時間、pH等。
抑菌作用
美拉德反應産物的抑菌作用已經被研究的較多。有學者研究了沙蠶美拉德反應産物的水溶液對大腸杆菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、綠膿杆菌、蠟質芽抱杆菌、水稻紋枯菌、黃瓜枯萎病菌、白菜絲核菌和黑曲黴菌的體外抑制效果。結果顯示沙蠶與葡萄糖的美拉德反應産物沒有明顯抑菌效果，但是沙蠶與蔗糖的美拉德反應産物對大腸杆菌和蠟質芽抱杆菌有很強的抑制效果，對其它的幾種菌也表現出一定的抑菌效果；另有研究發現，聚酞胺纖維素和木糖發生反應的美拉德反應産物不管是對革蘭氏陽性細菌還是革蘭氏陰性細菌如金黃色葡萄球菌、大腸杆菌都表現出很強的抑制效果；還有報道稱，美拉德反應産物可以抑制嗜熱微生物一敏捷氣熱菌的生長。因此，美拉德反應有望被應用于食品的保藏。
抗過敏作用
過敏，也稱變态反應，指的是身體的免疫應答超出了正常範圍，對無害物質進行攻擊。過敏反應會對身體健康造成一定的傷害，尤其是當免疫系統對正常的身體組織和器官進行攻擊和破壞時。含有氨基酸或蛋白質和糖等組分的食品在适宜的條件下發生美拉德反應，反應的産物能減少食品的抗原性，并可能對引起過敏反應的關鍵位點進行修飾。研究表明，核糖參與的美拉德反應産物具有顯著的抗過敏作用。因此，特定的美拉德反應可以用于對一些強緻敏性食物成分進行改性，使它們的緻敏性降低或消除。這一特性将使得美拉德反應在一些強緻敏性食品的加工中具有廣泛的應用前景。
抗突變作用
除了抗菌，抗過敏功能以外，一些研究資料還表明，美拉德反應産物具有抗突變作用。有學者将焙烤可可豆的美拉德反應産物用于沙門氏菌，研究了該美拉德反應産物的抗菌，抗突變和清除自由基作用，結果表明，該美拉德反應産物确有抗菌，清除自由基及抗突變作用。
保護心血管健康
有學者研究了牛奶蛋白在美拉德反應和發酵的雙重作用下對心血管疾病的預防作用。以牛奶蛋白如濃縮乳清蛋白，酪蛋白酸鈉和乳糖發生反應制備美拉德反應産物，再經發酵得到的水解産物具有很強的DPPH自由基清除能力，其抗氧化活性遠遠高于未經任何處理的牛奶蛋白，而且發酵可以使美拉德反應産物的作用得到增強。同時，他們還驚喜地發現美拉德反應産物具有抗血栓形活性和抑制經甲基戊二酸單酞輔酶A還原酶（HMGR）活性。多項指标均表明，美拉德反應産物及其發酵水解液可以有效地降低心血管疾病的風險。這一結論将為美拉德反應産物用于預防心血管疾病的保健食品的開發提供了理論基礎。
食品工業中的應用
食品色澤
食品經加熱處理後或長時間貯藏後，都會産生不同程度的類黑精色素。比如面包、烤肉、熏肉、烤魚、咖啡、茶以及醬油、豆醬等調味品中都有美拉德反應産生，因為這一大類反應沒有酶的參與，故又稱非酶褐變。這些食品經加工後會産生非常誘人的金黃色至深褐色，增加人們的食欲。
食品風味
食品香味的來源主要有三個方面： 一是食品本身固有的香味，如蔥蒜、芫荽本身就有一種特有的香味。二是食品原料在加工過程中由于酶促反應形成的風味。三是食品在蒸煮、焙烤及油炸過程中産生的食品香味，也即食品經過了熱分解、氧化、重排或降解形成的香味前體，然後形成特殊的食品風味。如爆米花、烤面包、烤肉等食品所形成的香味。
食品營養
美拉德反應對食品營養的影響包括降低蛋白質的營養質量、蛋白質改性以及抑制胰蛋白酶活性等。對于糧食制品，美拉德反應無疑會使其蛋白質的生物價更低。
中藥研究中應用
Maillard反應可能普遍存在于中藥加熱提取或加工炮制過程中，是引起内在成分變化的共性途徑。某些中藥在加工前後氨基酸含量有很大變化，據推測可能發生了Maillard反應。加工過程産生的Maillard産物的生物活性，肯定對中藥功效的改變有影響，但目前化學家卻忽視了對該影響的研究，對此也引起其他中醫藥研究者的重視。中藥是一個複雜體系，發揮作用的有效成分除藥材本身已有的成分外，加工炮制、制劑工藝過程中内在成分之間會發生複雜的化學反應，以及所形成的反應産物都會直接或間接影響中藥整體功效的發揮。研究這些反應的特點，對于闡明中藥功效和确定活性成分具有重要意義。
Maillard産物的功能主要包括：抗氧化、抗突變、抗癌、抗衰老、抗自由基，從而能提高對細胞的保護作用，這些已被證實。Maillard産物的抗突變性與其抗氧化活性和還原能力有良好的相關性。紅參抗腫瘤的效果優于白參，這與Maillard反應産物抗氧化、抗突變的結論相應。有的研究認為，其抗突變機理是清除緻突變自由基和通過與緻突變化學物結合而減少其緻突變毒性。而且，Maillard産物保護髓系樹突狀細胞（MDC）抵抗氧嘧啶損傷實驗，證實Maillard産物的細胞保護功能。Maillard反應能生成一氧化碳、堿、黃酮類等。組成不同、作用器官不同，藥性也不盡相同。因此，深入研究Maillard反應産物必将會完善中藥材的加工與炮制理論。
煙草研制中的應用
Science雜志2009年報道吸食低煙堿香煙不會降低有關疾病的發病率，而吸入的焦油量升高，則會增加患病的機率。因此，低焦煙的生産成為卷煙制造商十分關心的問題。但一旦降低煙氣中焦油含量，會緻使煙味不足和香味減弱。開發低焦油且能彌補香味的損失和提高煙氣香味質量至關重要。而Maillard反應能産生煙草協調香味，對提高香煙的特征香氣、掩蓋雜氣、減輕刺激、改善餘味有較明顯的作用。因此Maillard反應在降低煙草尼古丁含量和增香中的應用研究廣受關注。
煙草在調制、陳化、加工、保存及燃吸中常常發生Maillard反應，其反應産物對煙草的顔色、香味起着主要作用。自20世紀70年代以來，美國、日本、西德都已出現過以棕色化反應産物作為煙草增香劑的專利、文獻。最初，大多是以純氨基酸和還原糖或其他羰基化物（如異戊醛、丁二酮等）作為反應原料，以多元醇作為溶劑進行反應的，後來發展了以多種氨基酸、天然蛋白質代替單一氨基酸來進行棕色化反應的文獻報道。有研究表明，用多種氨基酸的混合物與糖反應的産物效果好于單一氨基酸的反應産物，它對提高白肋煙的質量有較明顯的作用。大量的研究顯示，Maillard反應産物可以作為一種天然的抗氧化劑。通過不同條件的優化所獲得的Maillard反應産物可以在對煙草增香的同時，有效清除煙氣中出現的自由基，達到卷煙産品降焦減害的目的。具有抗氧化作用的Maillard反應産物在煙草中将具有良好的應用前景。
其他領域的應用
Maillard反應是伴随飼料儲藏和加工過程中必然出現的一種現象。其負面影響是熱加工過程及成品和原料的長期儲藏過程會緻使營養成分可利用率下降。關于正面作用方面，Maillard反應産物可以使飼料和食物具有理想的蒸煮風味，有利于提高飼料的風味和适口性。有關此方面有意義的研究資料貧乏，因此需要作進一步的研究以利用飼料生産不可避免的加工過程的優點。總之，盡可能減少熱加工和縮短儲藏時間是克服Maillard反應負面影響的關鍵；另外，原料的選擇和混合對減少熱敏感組分進一步發生營養成分損失也很重要。
白酒釀造中的Maillard反應每時每刻都發生在生産過程中，譬如制曲時産生的褐變、曲香，高溫堆積時産生的褐變、醅香。相對而言，窖内發酵後期就以Maillard反應為主。Maillard反應産物不僅是酒體香和味的微量物質，同時也是其他香味物質的前驅物質。它富含含硫香味物質，在香味成分中占有重要地位，凡是能釋放出硫化氫的物質都可以成為含硫香味物質的前體。中國白酒在釀造過程中，尤其是濃香型白酒生産過程中，有少量硫化氫存在，它可能轉化為烷基硫醇、硫醚等，這些物質含量高可呈雜味和異臭，但痕迹微量時可增強香味，使香氣更濃郁或進一步轉化為含硫的雜環香味物質。
可通過調整酒業生産過程中的制曲、釀造（蒸餾）、貯存、勾兌、包裝等工藝參數，對其科學原理進行論證，從而提高酒的質量、延長低度酒貨架期、改善酒口感風味，推動酒業技術進步，為酒業發展從理論上找到一些生産經驗和規律的科學依據。
常用分析方法
Maillard反應産物及其複雜，前期對其成分的理論研究較少，導緻在應用中更多停留在“經驗”性上，即更多依靠感官（色、香和味）來定性，使其機理研究有一定難度。經過科研工作者長期不懈的努力，至今，已發展了多種Maillard産物分離提純和表征方法。分離提純方法有：薄層層析、超濾、凝膠柱層析、膜透析、超速離心、固相萃取、電泳等方法，其中薄層層析色譜和超濾最為常用。
薄層層析色譜是快速分離和定性分析少量物質的一項重要實驗技術，常用于Maillard産物的分離和半定性分析。膜透析法是分離提純Maillard産物的一種簡便而有效的方法。采用膜透析法能有效地将體系中未反應的原料和小分子産物除去，從而可以得到Maillard大分子産物。采用不同截留分子量的透析膜對Maillard大分子産物進行透析，可以選擇性地得到不同分子量的産物，這樣能更準确地對其成分和結構進行分析。
Maillard産物含量少且極不穩定，各種先進的現代分析表征手段的引入對其形成機理、成分、分子結構乃至效用和性質的研究起了重要的作用。已經用于Maillard産物分析表征的手段有：氣相色譜－質譜（GC-MS）以及液相色譜－質譜聯用法（LC-MS）、體積排阻色譜，流動注射分析法、發光光譜分析法、紫外光譜法、熒光光譜法、凝膠電泳、放射性同位素标記、紅外、凝膠滲透色譜（GPC）、元素分析（EA）、核磁共振等，這些方法都比較常用。近年來GC-MS、LC-MS、串聯質譜和傅立葉變換離子回旋共振質譜等先進分析手段的引進，使得對Maillard産物的成分和性質研究更進一步深入。
