張翼鵬，段焰青，劉自單，寧國寶，雷 聲，劉秀明，殷春雁**，李燦鵬**

(1.云南中煙工業(yè)有限責任公司 技術(shù)中心，云南 昆明 650231；2.紅河衛(wèi)生職業(yè)學院，云南 紅河 661199；3.云南大學 化學科學與工程學院，云南 昆明 650091)

1912 年，法國化學家Maillard 報道甘氨酸和葡萄糖混合共熱的時候會形成褐色物質(zhì).1953 年，Hodge 等[1]把這個反應(yīng)正式命名為美拉德反應(yīng)（Maillard reaction，MR），因其最終產(chǎn)物主要是棕色的類黑素，亦被稱為類黑素反應(yīng)（melanoidin reaction，MR）.美拉德反應(yīng)能改善食品的功能特性并使其發(fā)揮各種生物學活性，被廣泛應(yīng)用于食品和生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域.在食品工業(yè)中，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物（Maillard Reaction Products，MRPs）與食品顏色、食品風味、食品營養(yǎng)密切相關(guān)，美拉德反應(yīng)復(fù)合物用于制備食品保鮮中的可食用膜或營養(yǎng)保健品的遞呈載體；另外，基于美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的安全性和制備簡單等特性，其在生物醫(yī)藥行業(yè)中應(yīng)用的巨大潛力.然而，目前為止，關(guān)于美拉德反應(yīng)產(chǎn)物在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用方面的綜述還不多見.因此，本文就美拉德反應(yīng)在食品和生物醫(yī)藥中的應(yīng)用進行了綜述，同時介紹了最新的RNA 糖基化方面的發(fā)現(xiàn)及潛在的意義，以期為該領(lǐng)域的研究人員提供一些研究動向.

1 美拉德反應(yīng)概述

美拉德反應(yīng)也稱羰氨反應(yīng)，本質(zhì)上是羰氨間的縮合反應(yīng)，主要指是醛、酮、還原糖的羰基與氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等含氮化合物的游離氨基之間發(fā)生的一系列反應(yīng)[2].美拉德反應(yīng)過程如圖1 所示，通常分為3 個階段：第1 個階段是氨基酸和還原糖的縮合反應(yīng)，若體系中有醛糖存在，則形成N–糖基化合物，然后重排形成Amadori 產(chǎn)物，若是有酮糖存在，則形成Heyns 重排產(chǎn)物；第2 個階段從Amadori或Heyns 重排產(chǎn)物開始，這個過程中，糖類降解并有氨基化合物釋放；第3 個階段與風味的形成有關(guān)，氨基化合物發(fā)生脫水、分解、環(huán)化、聚合反應(yīng)[3].

圖1 美拉德反應(yīng)過程Fig.1 Maillard reaction process

2 美拉德反應(yīng)的影響因素

美拉德反應(yīng)是一個極其復(fù)雜的反應(yīng)，受多種因素影響.

2.1 氨基酸類型以不同類型的氨基酸為原料參與美拉德反應(yīng)，其反應(yīng)速率不同.胺參與的美拉德反應(yīng)速率最高，其次是氨基酸，蛋白質(zhì)最低[4]，表明氨基化合物的相對分子質(zhì)量越大其發(fā)生美拉德反應(yīng)的速率越小，為美拉德反應(yīng)的調(diào)控提供了理論依據(jù).另外，不同的氨基酸，例如亮氨酸，異亮氨酸和葡萄糖經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生不同的味道[5].酪氨酸、絲氨酸和丙氨酸參與美拉德反應(yīng)，在相同條件下產(chǎn)生焦糖香氣[6-7].脯氨酸參與美拉德反應(yīng)生成烤面包香氣.因此，加熱不同胺源的反應(yīng)前體會產(chǎn)生不同的風味，大大豐富了該類香料的種類，為研究不同類型的美拉德反應(yīng)香精或香料的可控制備提供了多種可能的選擇.

2.2 糖還原糖是美拉德反應(yīng)必需的底物，不同類型的還原糖由于其結(jié)構(gòu)不同，參與到美拉德反應(yīng)中，其反應(yīng)速率也不同[8].還原糖參與的美拉德反應(yīng)，其應(yīng)反速率依次為：單糖>二糖，五碳糖>六碳糖和醛莖化合物>酮基化合物[9].該結(jié)論可以用于美拉德反應(yīng)的調(diào)控：一方面為了避免美拉德反應(yīng)的發(fā)生可在食品基質(zhì)中盡量減少還原糖的含量.另外一方面為了賦予香味或顏色，可以增加還原糖的含量，如在烤面包時在面團表明涂上蜂蜜就為了增加面包的色澤和香味.

2.3 pH 值美拉德反應(yīng)的不同階段，催化其反應(yīng)的酸堿環(huán)境不同，因此美拉德反應(yīng)受pH 值的影響[10].研究表明，當pH 值在3～9 之間，褐變反應(yīng)速率隨pH 值的增大而加快[11]；當pH≤3 時，褐變反應(yīng)程度略有降低，并隨著pH 的降低而進一步降低，這可能是由于在酸性條件下生成的前體物質(zhì)（氨基葡萄糖胺）水解所致[12].就普通的食品來說，其pH 值在7.0 附近也能發(fā)生美拉德反應(yīng)，對食品的香味、色澤和口感的改善也有顯著效果.雖然美拉德反應(yīng)在堿性條件下反應(yīng)速率較大，但是一般堿性食品較少，所以一般堿性或強堿性條件下使食品發(fā)生美拉德反應(yīng)的情況較少.

2.4 反應(yīng)溫度和時間美拉德反應(yīng)速率對反應(yīng)體系的溫度很敏感.研究表明隨著反應(yīng)溫度的升高，體系中反應(yīng)底物的含量增加，美拉德反應(yīng)速率加快[13].然而，在過高反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率迅速加快，導(dǎo)致形成大量黑素或致癌物[14]，因此，可以推斷反應(yīng)溫度不能太高.另一方面，如果溫度太低，則反應(yīng)很慢，影響芳香族風味物質(zhì)的形成[15].反應(yīng)時間也是影響美拉德反應(yīng)的重要因素，反應(yīng)時間短，產(chǎn)物的收率??；隨著反應(yīng)時間的延長，體系中產(chǎn)物的含量和種類也相應(yīng)增加[16].目前雖然影響美拉德反應(yīng)的機理還未完全清楚，但是基于反應(yīng)溫度和時間會影響產(chǎn)物的種類，從而影響其香氣成分的形成，因此也可根據(jù)經(jīng)驗來對芳香族風味物質(zhì)進行調(diào)控.

2.5 水和金屬離子據(jù)報道，水質(zhì)量分數(shù)在30%～75%之間有利于反應(yīng)，且反應(yīng)速率隨水含量的增加而加快[17].此外，銅和鐵可以促進褐變反應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)三價鐵的催化能力強于亞鐵[18].食品中一定量的鐵離子和銅離子雖然會促進脂肪的氧化反應(yīng)，促進過氧化脂質(zhì)的產(chǎn)生，對食品安全可能產(chǎn)生不利的影響，但是如果主要考慮美拉德反應(yīng)對食品或藥品的色澤和香味造成的正面影響，同時不是長期貯藏，也可以考慮利用該反應(yīng)的發(fā)生.

2.6 亞硫酸鹽在美拉德反應(yīng)初期加入亞硫酸鹽可有效抑制褐變反應(yīng)[19]，主要原因是亞硫酸鹽在與還原糖進行反應(yīng)后會與氨基化合物結(jié)合，從而抑制了整個反應(yīng)[20].在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品需求來控制美拉德反應(yīng)進程[21]，如，在葡萄酒中加入亞硫酸鹽，既可以起到防腐的作用，又可以抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生而防止其變色.

基于上述因素，我們可以總結(jié)出調(diào)控美拉德反應(yīng)進程的措施：①使用相應(yīng)的酶去除反應(yīng)體系中某一種反應(yīng)物，例如葡萄糖轉(zhuǎn)化酶；或者添加鈣鹽與氨基酸結(jié)合，形成不溶性化合物；② 控制反應(yīng)溫度；③pH 調(diào)節(jié)至弱酸性或弱堿性；④ 保持食品中較低的水分含量或增加食品的濕度；⑤ 在反應(yīng)初期加入亞硫酸鹽.

3 美拉德反應(yīng)在食品加工中的應(yīng)用

3.1 美拉德反應(yīng)與食品顏色美拉德反應(yīng)會使面包、咖啡、紅茶、啤酒、糕點和醬油等不同種類的食物產(chǎn)生某些深棕黑色物質(zhì)[22].然而，這些風味物質(zhì)的產(chǎn)生對食品的營養(yǎng)是不利的，因為它們主要來源于食物中的營養(yǎng)物質(zhì)（例如糖、蛋白質(zhì)、脂肪和核酸以及維生素）[23].此外，由于褐變作用，白色產(chǎn)品變色，淺色產(chǎn)品變暗，這在一定程度上影響某些產(chǎn)品（如牛奶和乳制品）的感官質(zhì)量[24].

3.2 美拉德反應(yīng)與食品風味美拉德反應(yīng)在形成食物風味特征（例如顏色、香氣和味道）中起重要作用[25].食品中產(chǎn)生香味的前體物質(zhì)包括脂溶性的脂類和水溶性的糖類、硫胺素、含硫化合物、氨基酸及肽類等，它們本身沒有香味，但經(jīng)過一系列的反應(yīng)途徑可轉(zhuǎn)化為香味化合物.脂類物質(zhì)通過脂質(zhì)氧化等途徑產(chǎn)生香氣物質(zhì)如醛類、酮類、醇類、羧酸、內(nèi)酯、雜環(huán)化合物和脂族烴等[26].糖類物質(zhì)通過焦糖化反應(yīng)，糖分子裂解產(chǎn)生一些醛類、酮類物質(zhì)[27].以上來源于脂類和糖類物質(zhì)產(chǎn)生的醛類和酮類等羰基化合物與食品中的氨基化合物（游離氨基酸、肽類等）發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生包括醛、酮、醇、呋喃、吡啶、吡嗪、噻唑、咪唑、噻吩及含氮或硫的雜環(huán)化合物在內(nèi)的一系列香味化合物[28].硫胺素是含硫、氮、氧的雙雜環(huán)化合物，通過熱降解可產(chǎn)生呋喃、噻吩、呋喃硫醇及脂肪族含硫化合等系列香氣物質(zhì)[29].氨基酸和肽類與羥基化合物（來源于糖類和脂類）發(fā)生美拉德反應(yīng)，尤其是含硫氨基酸參與的反應(yīng)，產(chǎn)生的噻吩類、噻唑類及許多含硫化合物有強烈的揮發(fā)性，是食物香氣的重要組成部分[30].

通過控制原料，溫度和加工方法，可以制備各種風味和香氣不同的物質(zhì)[31].例如，核糖與半胱氨酸及谷氨酸分別反應(yīng)，產(chǎn)生豬肉燒烤味和牛肉燒烤味[32]；在100～150 ℃和180 ℃，葡萄糖和纈氨酸反應(yīng)產(chǎn)生燒烤味和巧克力味[33]；木糖和酵母水解蛋白在90 ℃和169 ℃溫度下反應(yīng)，分別產(chǎn)生餅干味和醬油味[34].同種食品不同的加工方法產(chǎn)生的香氣也不同，例如，煮熟的馬鈴薯產(chǎn)生125 種香氣，而烤熟的馬鈴薯能產(chǎn)生250 種香氣[35].美拉德反應(yīng)還能用于咸味物質(zhì)等一些調(diào)味料的生產(chǎn)[36]，目前，一些咸味物質(zhì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冰凍食物、罐頭、方便面、香腸和咸味零食等食品加工中[37].然而，美拉德反應(yīng)形成的烷基嘧啶和吡咯等化合物也產(chǎn)生一些令人不悅的味道[38]，其余不同食品經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的各種芳香化合物及其風味如表1 所示[39-46].因此，在食品加工中應(yīng)控制好美拉德反應(yīng)的條件以使反應(yīng)產(chǎn)物有利于滿足消費者的需求.

表1 不同食品經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的各種芳香化合物Tab.1 Aroma compounds generated during the MR in different kinds food products

3.3 美拉德反應(yīng)與食品營養(yǎng)在食品加工中，美拉德反應(yīng)能夠改善食品的功能特性，如食品風味、溶解性[47]、熱穩(wěn)定性[48]、粘度[49]、乳化性[50]、起泡性[51]、凝膠性[52]等，但美拉德反應(yīng)也可能會導(dǎo)致食品營養(yǎng)價值下降，例如一些食物中氨基酸和礦物質(zhì)的喪失[53].美拉德反應(yīng)主要消耗食品原料中的氨基酸和糖類.氨基酸隨一些色素復(fù)合物的形成和反應(yīng)過程中的Strecker 降解而損失，且色素復(fù)合物無法在消化道中水解，從而降低了蛋白質(zhì)的生物效價[54].研究結(jié)果表明，賴氨酸等必需氨基酸在美拉德的褐變反應(yīng)中最容易丟失，從而降低食物的營養(yǎng)價值；食物經(jīng)過美拉德反應(yīng)后，其中的礦物質(zhì)的生物利用度降低，這可能是由于金屬元素和MRPs 之間形成金屬螯合物所致[55].因此，在美拉德反應(yīng)中，關(guān)鍵是通過調(diào)控反應(yīng)條件，獲得營養(yǎng)和生物活性穩(wěn)定的蛋白質(zhì)?多糖復(fù)合物，使其作為食品的功能性成分應(yīng)用于新型功能食品的開發(fā)中.

3.4 美拉德反應(yīng)復(fù)合物在食品包裝和可食用膜方面的應(yīng)用美拉德反應(yīng)修飾的蛋白質(zhì)可應(yīng)用于食用膜的制作.例如，蛋清蛋白除了具有很高的營養(yǎng)價值外，還其具有適當?shù)某赡つ芰?，是可食用膜產(chǎn)生的基質(zhì).但是，它形成的膜的防水性能差，采用木糖對蛋清蛋白進行糖基化修飾可增強食用膜的防水性能，從而更好地用于胡桃保鮮.與對照（蛋清蛋白形成的食用膜）相比，基于蛋清蛋白與木糖美拉德反應(yīng)形成的食用膜有更低的水蒸氣透過性（約24%）.然而，在酸性條件下，蛋清蛋白形成的食用膜用于胡桃保鮮，與蛋清蛋白?木糖復(fù)合物形成的食品膜相比，其水蒸氣透過性沒有顯著差異[56].報道顯示，乳清分離蛋白生產(chǎn)的食用膜防水性能較差.在這種情況下，在濕熱條件下，采用木糖對乳清分離蛋白進行糖基化修飾，從而提高其防水性能.與未經(jīng)糖基化修飾的乳清分離蛋白形成的食用膜相比，糖基化導(dǎo)致食用膜具有更強的穿透強度和延伸強度（分別為2 倍和2.5 倍），并且水蒸氣滲透率降低（24%）.有趣的是，基于糖基化的乳清分離蛋白形成的食用膜導(dǎo)致核桃仁的酸值降低，而未經(jīng)糖基化修飾的乳清分離蛋白并未表現(xiàn)出明顯的抑制作用[57].

殼聚糖經(jīng)半纖維素木糖、甘露糖和葡萄糖醛酸糖基化修飾，形成的殼聚糖膜，其抗張強度有所提高[58].大豆分離蛋白經(jīng)羧甲基纖維素糖基化修飾形成的可食用膜，具有較高的機械性能，并且對水的敏感性降低[59].此外，酪蛋白經(jīng)麥芽糖糊精糖基化修飾制成的薄膜具有更高的親水性和可塑性，且對酸腐蝕的敏感性增強[60].在一項研究中，基于美拉德反應(yīng)的殼聚糖?葡萄糖復(fù)合物被用作包衣材料，以延長新鮮收獲葡萄的采后壽命，基于該復(fù)合物的涂層降低了葡萄呼吸速率和衰變，抑制了體重減輕和抗壞血酸的變質(zhì)，并提高了葡萄的質(zhì)感和感官特征[61].與單獨使用殼聚糖或葡萄糖相比，使用基于美拉德反應(yīng)的殼聚糖?葡萄糖復(fù)合物作為防腐劑時，香菇具有更好的儲藏品質(zhì)[62].

富含美拉德反應(yīng)復(fù)合物的食品可產(chǎn)生過氧化氫（H2O2），在食品工業(yè)中，H2O2作為一種抗菌化合物可廣泛用于包裝材料的凈化.在一項研究中，首先賴氨酸經(jīng)核糖糖基化修飾產(chǎn)生的復(fù)合物能夠有效抑制大腸桿菌的生長.將該復(fù)合物摻入聚乙酸乙烯酯中，使其分散在低密度聚乙烯膜上，所得膜產(chǎn)生約100 μmol/L 的H2O2，使大腸桿菌數(shù)量減少至10?5以下.這些發(fā)現(xiàn)可為美拉德反應(yīng)復(fù)合物在抗菌藥物包裝系統(tǒng)中的應(yīng)用開辟新視野[63].因此，基于美拉德反應(yīng)復(fù)合物產(chǎn)生的薄膜和涂料是水果、蔬菜和其他食品的保鮮，延長收獲后質(zhì)量和保質(zhì)期的有效策略.

4 美拉德反應(yīng)在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究

4.1 美拉德反應(yīng)復(fù)合物用作營養(yǎng)保健品的遞呈系統(tǒng)蛋白質(zhì)廣泛應(yīng)用于包裹并遞送各種生物活性分子，然而，在遞送過程中，蛋白質(zhì)對高溫、pH 和離子強度的改變非常敏感，容易聚合并沉淀.此外，基于蛋白質(zhì)的遞呈載體可能被消化道中的酶水解，導(dǎo)致藥物釋放，降低吸收效果[64].基于美拉德反應(yīng)的蛋白質(zhì)?多糖復(fù)合物由于具有較好的溶解性、乳化活性（在界面處提供了粘彈層）、抗氧化能力以及對抗離子強度、pH 變化和高溫的穩(wěn)定性，目前已被廣泛應(yīng)用于遞送生物活性化合物（表2）.例如，用乳清分離蛋白與甜菜果膠經(jīng)美拉德反應(yīng)的復(fù)合物乳狀液包封β–胡蘿卜素，明顯抑制了β–胡蘿卜素的降解[65].另外，牛血清蛋白?右旋糖酐復(fù)合物乳狀液用于保護姜黃素，在含有20%體積分數(shù)的乳狀液中，將生物活性物—姜黃素以12 mg/mL的量封裝，在酸性條件下，姜黃素的降解明顯降低，而且乳化液可以提高姜黃素在小鼠體內(nèi)的生物利用度和吸收率[66].因此，基于美拉德反應(yīng)的蛋白質(zhì)–多糖復(fù)合物作為一種有前景的載體，有望改善親脂性保健食品和其它生物活性成分的生物利用度，廣泛用于生產(chǎn)食品和醫(yī)藥用途的多功能產(chǎn)品.

表2 美拉德反應(yīng)復(fù)合物在營養(yǎng)保健品遞呈系統(tǒng)中的應(yīng)用Tab.2 Applications of Maillard conjugates in nutraceutical delivery systems

4.2 美拉德反應(yīng)復(fù)合物在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用由于美拉德反應(yīng)復(fù)合物具有出色的抗氧化[72]和抗微生物[73]活性等，近年來，科研人員一直嘗試開發(fā)具有生物活性的美拉德反應(yīng)復(fù)合物，以用于生物醫(yī)學領(lǐng)域.據(jù)報道，目前大多數(shù)在臨床上應(yīng)用的核磁共振成像設(shè)備（MRI）的探頭均含有順磁釓，這是一種公認的高風險金屬，會對疾病（如腎原性系統(tǒng)纖維化）產(chǎn)生嚴重的副作用[74].甘氨酸和葡萄糖經(jīng)美拉德反應(yīng)生成黑素，然后添加入Fe3+生成富含F(xiàn)e3+的黑素螯合物，該螯合物具有生物降解性和生物相容性，并對MRI 探頭產(chǎn)生特殊作用.有趣的是，將這種黑素螯合物作用于患有肝癌的小鼠模型，能夠觀察到更多的腫瘤細胞（和普通MRI 探頭對比）[75].因此，F(xiàn)e3+–黑素螯合物可能作為多功能造影劑用于治療診斷學中.美拉德反應(yīng)復(fù)合物也用于生物醫(yī)藥的其它領(lǐng)域.例如，傷口在愈合過程中容易受細菌的感染而加重，目前，醫(yī)學上利用具有殺菌作用的傷口敷料來解決此問題[76].在一項研究中，利用葡萄糖/果糖與精氨酸溶液在pH 為10.7，100 ℃條件下加熱60 min 制備得到美拉德反應(yīng)復(fù)合物，該復(fù)合物和聚己內(nèi)酯（PCL）在電紡作用下生成納米纖維薄膜.該復(fù)合物保證了薄膜具有濕潤度、機動性和孔隙度，這些特性是傷口吸收滲出液和營養(yǎng)物質(zhì)，以及進行氣體交換所必需的.這種功能化薄膜抑制了金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的生長，并且對人的成纖維細胞沒有毒性[77]，表明這種纖維薄膜在臨床上可能較好地用于傷口愈合的敷料.當然，和美拉德反應(yīng)復(fù)合物在食品工業(yè)中的應(yīng)用，其在生物醫(yī)藥中的研究或應(yīng)用還較少，也是今后研發(fā)的一個方向.

4.3 糖基化（美拉德反應(yīng)）最新的可能性生物體中的糖基化主要發(fā)生在蛋白質(zhì)或脂肪成分上，而利用美拉德反應(yīng)把糖與蛋白質(zhì)或脂肪結(jié)合從而改善食品成分的風味或色澤，是目前為止食品改性方面開展最多的研發(fā)之一[78].最近，F(xiàn)lynn 等[79]首次報道了生物體中RNA 的糖基化，顛覆了以往的認知,或為生物化學領(lǐng)域打開了全新的大門.眾所周知，人類的動物性食品或植物性食品中也存在大量的RNA，那RNA 也是否會和蛋白質(zhì)和脂肪一樣能發(fā)生美拉德反應(yīng)呢？RNA 上的糖鏈又能否進一步與蛋白發(fā)生美拉德反應(yīng)？如果可能，人工制備的糖基化RNA 的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物能否改善食品的風味和色澤呢？而基于RNA 重要的生理功能，那人工制備的糖基化RNA 有是否會有新的生物學功能？這一系列的問題有待今后的研究者去研究和探索.

5 展望

美拉德反應(yīng)復(fù)合物能夠有效改善食品的功能特性并使其發(fā)揮各種重要的生物學功能，在食品和醫(yī)藥行業(yè)顯示出巨大的應(yīng)用潛力，但對美拉德反應(yīng)各個階段的反應(yīng)機理研究還不夠透徹，尤其是高級階段產(chǎn)生的各類未知結(jié)構(gòu)的化合物.研究顯示美拉德反應(yīng)中可能形成一些有害物物質(zhì)[80]，如羥甲基賴氨酸可能導(dǎo)致糖尿病和心血管疾病，丙烯酰胺是標準的致癌物質(zhì)[81]，美拉德反應(yīng)的高級階段產(chǎn)物可能導(dǎo)致糖尿病和老年癡呆等疾病[78].因此，美拉德反應(yīng)復(fù)合物用作食品保鮮、營養(yǎng)保健品或醫(yī)用產(chǎn)品時，應(yīng)有效控制反應(yīng)進程，避免有害產(chǎn)物的生成.另外，隨著人們對保健養(yǎng)生意識的提高，開發(fā)出既有獨特風味、又有營養(yǎng)保健功能的產(chǎn)品是消費者的追求，因此，美拉德反應(yīng)復(fù)合物的消化性、毒性，以及抗氧化、抗菌、降血壓、抗腫瘤等生物活性研究成為下一步研究的熱點.另外，RNA 的糖基化也是將來生物醫(yī)學或食品研究的另外一個熱點.