焦糖化反应

美拉德反应（Maillard reaction），又称美拉德反应、梅拉德反应、梅纳反应、羰胺反应，是广泛分布于食品工业的非酶褐变反应，指的是食物中的还原糖（碳水化合物）与氨基酸／蛋白质在常温或加热时发生的一系列复杂反应，其结果是生成了棕黑色的大分子物质类黑精或称拟黑素。除产生类黑精外，反应过程中还会产生成百上千个有不同气味的中间体分子，包括还原酮、醛和杂环化合物，这些物质为食品提供了宜人可口的风味和诱人的色泽。它以法国化学家路易斯·卡米拉·美拉德（英语：Louis Camille Maillard）（Louis-Camille Maillard）命名，他在1912年首次描述它，同时试图重现生物蛋白质合成。 “梅纳反应”的产物中，包含颜色的变黄变深变黑、香气的产生、以及味道上的转变，例如甜味的产生。美拉德反应一种普遍的非酶褐变现象，将它应用于食品香精生产应用之中，国外研究比较多，国内研究应用很少，该技术在肉类香精及烟草香精中有非常好的应用。所形成的香精具天然肉类香精的逼真效果，具有调配技术无法比拟的作用。美拉德反应技术在香精领域中的应用打破了传统的香精调配和生产工艺的范畴，是一全新的香精香料生产应用技术，值得大力研究和推广，尤其在调味品行业。该反应是一种非酶促褐变的形式，其通常快速从约140℃至170℃（280°F至340°F）中进行。在较高的温度下，焦糖化（英语：Caramelization）和随后的裂解变得更加明显。在此过程中，产生了数百种不同的风味化合物。这些化合物又分解成形成更多新的风味化合物等等。每种类型的食物都具有在美拉德反应期间形成的非常独特的风味化合物。 风味科学家多年来一直使用这些相同的化合物来制造人造风味。然而，在另一方面，高温亦有利于一种称为丙烯酰胺的致癌物形成，影响健康。在1913年，美拉德发表了一篇论文，以解释当氨基酸在高温下与糖反应时会发生什么。然而，化学家约翰·霍奇（John E. Hodge）在伊利诺斯州皮奥里亚州的美国农业部工作，将这个反应正式命名为美拉德反应，他于1953年出版了一篇论文，为美拉德反应建立了一个反应机制 。1912年时，美拉德把自己将氨基酸和糖类水溶液混合加热后溶液产生黄棕色的发现讲给法国科学院的其他科学家听，但当时在座者中几乎没有人能意识到这个反应背后的潜在意义。然而时至今日，美拉德反应已经成为与现代食品工业密不可分的一项技术，在肉类加工、食品储藏、香精生产、中药研究等领域处处可见。目前的研究也显示出其与机体的生理和病理过程密切相关。美拉德反应负责食品中的许多颜色和口味：6-乙酰基-2,3,4,5-四氢吡啶负责烘焙食品如面包，爆米花和玉米饼制品中存在的饼干或饼干样味道。 结构相关的化合物2-乙酰基-1-吡咯啉具有相似的气味，并且在不加热的情况下也天然存在，并且提供了各种各样的熟米饭和草本植物（七叶兰）的典型气味。 两种化合物的气味检测阈值（英语：Odor detection threshold）均低于0.06 ng / l。以下是Hodge提出的反应历程，也是目前使用最广的版本。第一步A是氨基化合物中的氨基的亲核性氮原子对糖羰基碳的进攻，加成为一个羟基胺（N-糖基胺）。这一步是可逆的，生成的羟基胺也可以作为胺进攻另一分子糖，生成二糖基胺。研究显示N-糖基胺在温热时可生成荧光的含氮化合物，该荧光含氮化合物又可很快与甘氨酸反应为类黑素，表明在N-糖基胺和类黑素很可能还有另一条捷径。这便是上图中路线H的来历。第二步B是N-糖基胺在酸催化下异构为相应的1-氨基-1-脱氧-2-酮糖的Amadori重排反应，它是不可逆的，25 °C时便自发进行。机理中，糖基胺首先失水生成席夫碱（Schiff碱），即亚胺，然后氮被质子化，相邻的碳被去质子化，经烯醇-酮互变异构得到Amadori重排产物。Amadori重排产物可经如下几条主要的路线进行反应：最终阶段：此阶段相当复杂，其历程尚未完全清楚。大致是醛酮在胺催化下发生羟醛缩合反应生成不含氮的聚合物，以及醛类（尤其是α,β-不饱和醛）-胺类在低温下很快聚合或共聚为高分子的含氮类黑素（英语：Melanoidin）。脱氮聚合物也可以与胺类发生缩合、脱氢、重排、异构化等一系列反应生成类黑素。类黑素是棕黑色的固体，一般含氮3－4％，结构不明，且组成与原料和生成方式有很大关系。目前已知类黑素分子结构中含有不饱和的咪唑、吡咯、吡啶、吡嗪之类的杂环，以及一些完整的氨基酸残基等。天冬酰胺（一种氨基酸）含量较高的马铃薯和谷类在与还原性糖（如马铃薯自身含有的大量淀粉）共同加热的情况下，会发生美拉德反应生成潜在的致癌物质丙烯酰胺，因此以马铃薯作原料经煎炸加热制得的薯条、马铃薯片等食物都含有较高含量的丙烯酰胺。由天冬酰胺生成丙烯酰胺的过程如下：因此，生产含淀粉食品的时候常会加入天冬酰胺酶水解天冬酰胺，以减少丙烯酰胺的产生。蛋炒饭也是一种美拉德反应，蛋液与米饭表面在加热时产生焦糖化反应，米粒会因结晶化而变得较硬且易粒粒分离，才能炒出粒粒分明的炒饭，不必要使用冰箱冷藏煮熟的饭。传统中菜上，用糖腌肉类或先撒淀粉质在肉类才炒，也会把食材味道的精华锁住，炒出来的料理带焦香却不见烧焦的痕迹，看起来漂漂亮亮，且集色、香、味于一盘。