第二十二章褐变作用 食品在加工、贮藏过程中,经常会发生褐、红、蓝、绿、黄等各种变色现象,本质上都是酶促或非酶 促化学反应的结果。其中最普遍、最重要的是褐变。在面包、糕点、咖啡等食品的焙烤过程中,褐变产生 诱人的焦黄色和特征香气;而在水果、蔬菜加工、贮藏过程中,褐变则影响外观、降低营养价值和风味等。 褐变作用按其发生机理可分为非酶褐变和酶促褐变两大类。 第一节非酶褐变 非酶褐变主要有羰氨反应、焦糖化反应和抗坏血酸的自动氧化作用。 羰氨反应 法国化学家 Maillard于1912年提出,葡萄糖与甘氨酸溶液共热时,即形成褐色色素,称为类黑精 以后就把胺、氨基酸、蛋白质与糖、醛、酮之间的这类反应统称为 Maillard反应,简称羰(基)氮(基)反应。 这是食品在加热或长期贮存后发生褐变的主要原因 羰氨反应比较复杂,其过程可大体区分为初始阶段、中间阶段和终了阶段。 1、初始阶段(图22-1,反应①~⑧) 羰氨反应的初始阶段包括羰氨缩合和分子重排两种作用。 羰氨反应的第一步是氨基酸等含氨基化合物中的氨基和糖等含羰基化合物中的羰基之间的缩合,形成 Schiff'碱并随即环化为N-葡萄糖基胺(反应①~③)。再经过 Amadori分子重排作用,生成1-氨基-1-脱氧 -2-己酮糖(果糖胺)反应④~⑦)。 果糖胺还可再与一分子葡萄糖进行羰氨缩合、重排生成双果糖胺(反应⑧)。 酮糖也可与氨基化合物通过与醛糖相同的机制生成糖基胺,然后再经过 Heyenes分子重排作用生成2- 氨基醛糖: CH2OH RNH NHR CH,OH CHOH 果糖 N-果糖基胺2-氨基-2-脱氧-葡萄糖 2、中间阶段反应⑨~0) 重排产物果糖基胺的进一步降解可有多条途径。 (1)果糖基胺脱水生成羟甲基糠醛(HMF(反应⑨~) 双果糖胺不稳定,易分解形成单果糖胺和3-脱氧葡萄糖醛(反应⑨)。果糖胺水解脱去胺残基后也转 变为脱氧葡萄糖醛酮(反应⑩~⑩),经脱水形成HMF。HMF积累后不久就可发生褐变。 (2)果糖基胺脱去胺残基重排生成还原酮(反应①~0) 酮式果糖胺经过2,3-烯醇化作用后脱去胺残基重排形成甲基。∝-二羰基化合物,再转变为还原酮类化 合物。还原酮类的化学性质比较活泼,可进一步脱水后再与胺类缩合,也可裂解成较小的分子如二乙酰 乙酸、丙酮醛等化合物
第二十二章 褐 变 作 用 食品在加工、贮藏过程中，经常会发生褐、红、蓝、绿、黄等各种变色现象，本质上都是酶促或非酶 促化学反应的结果。其中最普遍、最重要的是褐变。在面包、糕点、咖啡等食品的焙烤过程中，褐变产生 诱人的焦黄色和特征香气；而在水果、蔬菜加工、贮藏过程中，褐变则影响外观、降低营养价值和风味等。 褐变作用按其发生机理可分为非酶褐变和酶促褐变两大类。 第一节 非 酶 褐 变 非酶褐变主要有羰氨反应、焦糖化反应和抗坏血酸的自动氧化作用。 一、羰氨反应 法国化学家 Maillard 于 1912 年提出，葡萄糖与甘氨酸溶液共热时，即形成褐色色素，称为类黑精。 以后就把胺、氨基酸、蛋白质与糖、醛、酮之间的这类反应统称为 Maillard 反应，简称羰(基)氨(基)反应。 这是食品在加热或长期贮存后发生褐变的主要原因。 羰氨反应比较复杂，其过程可大体区分为初始阶段、中间阶段和终了阶段。 1、初始阶段(图 22-1，反应①～⑧) 羰氨反应的初始阶段包括羰氨缩合和分子重排两种作用。 羰氨反应的第一步是氨基酸等含氨基化合物中的氨基和糖等含羰基化合物中的羰基之间的缩合，形成 Schiff 碱并随即环化为 N-葡萄糖基胺(反应①～③)。再经过 Amadori 分子重排作用，生成 1-氨基-1-脱氧 -2-己酮糖(果糖胺)(反应④～⑦)。 果糖胺还可再与一分子葡萄糖进行羰氨缩合、重排生成双果糖胺(反应⑧)。 酮糖也可与氨基化合物通过与醛糖相同的机制生成糖基胺，然后再经过 Heyenes 分子重排作用生成 2- 氨基醛糖： O CH2OH O NHR CH2OH O CH2OH OH NHR N-果糖基胺 2-氨基-2-脱氧-葡萄糖 RNH2 果糖 ~ ~ 2、中间阶段(反应⑨～○19 ) 重排产物果糖基胺的进一步降解可有多条途径。 (1)果糖基胺脱水生成羟甲基糠醛(HMF)(反应⑨～○14 ) 双果糖胺不稳定，易分解形成单果糖胺和 3-脱氧葡萄糖醛酮(反应⑨)。果糖胺水解脱去胺残基后也转 变为脱氧葡萄糖醛酮(反应⑩～○11 )，经脱水形成 HMF。HMF 积累后不久就可发生褐变。 (2)果糖基胺脱去胺残基重排生成还原酮(反应○15 ～○18 ) 酮式果糖胺经过 2,3-烯醇化作用后脱去胺残基重排形成甲基。α-二羰基化合物，再转变为还原酮类化 合物。还原酮类的化学性质比较活泼，可进一步脱水后再与胺类缩合，也可裂解成较小的分子如二乙酰、 乙酸、丙酮醛等化合物。 351
Amadori重排 NHR NH, 环化葡基胺 葡萄糖 葡基胺 Schi碱 Schi碱阳离 H COH COH 烯醇式果糖胺酮式果糖胺烯二醇胺 甲基α-二羰基化合物 葡萄糖 CH2OH CH2OH 双果糖胺 CHO CHOH nO CHO CHO COH CH -RNH 4H2H-0 Schi碱脱氢葡糖醛酮 不饱和葡糖醛酮 羟甲基糠醛 氨基醛、氨基酮、二乙酰乙酸、乙醛、CO2、NH3等 聚合、缩合反应 类黑精 图22-1葡萄糖与氨基化合物的褐变反应 (3)氨基酸与二羰基化合物的作用(反应0 二羰基化合物能与氨基酸发生反应,氨基酸可发生脱羧、脱氨作用,成为少一个碳的醛,氨基则转移 到二羰基化合物上,反应如下: R+RouR甲一R+ R"CHO CO2+ NH O 这一反应称为 Strecker降解作用,二羰基化合物接受了氨基,进一步形成褐色色素 3、终了阶段(反应的) 羰氨反应的终了阶段包括两类反应 (1)醇醛缩合 经 Strecker降解产生的醛类自相缩合,加成产物常脱水成为不饱和醛:
NHR NHR H2O H NR O CH2OH H NHR H+ H+ COH C H NHR O NHR COH COH NHR COH CH2 O CH3 O O COH COH CH3 O COH CH H NR COH CH CHO CH2 CHO O CH CH CHO O O CH2OH CHO H2O H2O H2O CH2OH CH2NHR O CH2OH CH O N R CH2OH O CH2 RNH2 葡萄糖 葡基胺 环化葡基胺 Schiff碱 Schiff碱阳离子 烯醇化 烯醇式果糖胺 酮式果糖胺 烯二醇胺 甲基 -二羰基化合物 Schiff碱 脱氢葡糖醛酮 -RNH2 葡萄糖 不饱和葡糖醛酮 羟甲基糠醛 Strecke降解 氨基醛、氨基酮、二乙酰乙酸、乙醛、CO2、NH3等 类黑精 Amadori重排 图22-1 葡萄糖与氨基化合物的褐变反应 聚合、缩合反应 ~ + 双果糖胺 1 2 4 11 10 7 8 9 19 20 12 13 14 15 16 17 18 5 3 6 RNH2 RNH2 α (3)氨基酸与二羰基化合物的作用(反应○19 ) 二羰基化合物能与氨基酸发生反应，氨基酸可发生脱羧、脱氨作用，成为少一个碳的醛，氨基则转移 到二羰基化合物上，反应如下： R C C R' O O NH2 R CH NH2 + R"CHCOOH C R' O + + R"CHO CO2 这一反应称为 Strecker 降解作用，二羰基化合物接受了氨基，进一步形成褐色色素。 3、终了阶段(反应○20 ) 羰氨反应的终了阶段包括两类反应： (1)醇醛缩合 经 Strecker 降解产生的醛类自相缩合，加成产物常脱水成为不饱和醛： 352
R, CHCHO +RCHO CH--I - CHOH CHO (2)生成黑色素的聚合作用 经过中期反应后,产物中有糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮类、由 Strecker降解和糖裂解所 产生的醛类等,这些产物进一步随机缩合、聚合形成复杂的高分子色素,称为类黑精或黑色素等,其组成 与结构则还有待研究。 、焦糖化褐变作用 糖类在没有含氨基化合物存在的情况下加热到其熔点以上时,也会变为黑褐色的物质,这种作用称为 焦糖化作用。在受强热的情况下,糖类生成两类物质:一类是糖的脱水产物,即焦糖或称酱色:一类是裂 解产物,是一些挥发性的醛、酮类物质,可进一步缩合、聚合形成粘稠状的黑褐色物质。 蔗糖形成焦糖(酱色)的过程可分为三个阶段 第一阶段由蔗糖熔融开始,经一段时间起泡,蔗糖脱去一分子水生成异蔗糖酐,起泡暂时停止。异蔗 糖酐无甜味而具温和的苦味。继续加热,随后即发生第二次起泡现象,这是形成焦糖的第二阶段,持续时 间较第一次长,在此期间失水量达9%,形成产物为焦糖酐;是一种平均分子式为C24H36O18的色素,熔点 138℃,可溶于水及乙醇,味苦。第二次起泡结束后进入第三阶段,进一步脱水形成焦糖烯,平均分子式 为C3HO3,溶点154℃,可溶于水。若再继续加热,则生成高相对分子质量的难溶性深色物质,称为焦 糖素,分子式为C12 osHi&8 o30。其结构还不清楚,但具有羰基、羧基、羟基和酚羟基等官能团。 CH,OH 异蔗糖酐 焦糖是一种胶态物质,等电点在pH130~69之间,甚至可低于pH3.0,随制造方法不同而异。焦糖的 等电点在食品制造中有重要意义。如在一种pH值为4~5的饮料中,若使用了等电点为pH46的焦糖,就 会发生絮凝、混浊以至出现沉淀。 糖在强热下的裂解脱水作用可形成一些醛类物质,经过复杂的缩合、聚合反应或发生羰氨反应生成黑 褐色的物质。 三、抗坏血酸褐变作用 抗坏血酸的氧化作用也会引起食品褐变,在果汁的褐变中起着重要作用。 OH H2O 黑色素 CH2OH CH,OH CH,OH 羟基糠醛 L-抗坏血酸脱氢抗坏血酸2,3-二酮基古洛糖酸 抗坏血酸属于还原酮类化合物,易与氨类化合物产生羰氨反应,其自动氧化产物中的醛基、酮基等可 随机缩合、聚合形成褐变物质。 抗坏血酸的褐变主要取决于pH值和抗坏血酸的浓度。在中性或碱性溶液中脱氢抗坏血酸的生成速度 较快,反应也不易可逆进行;在pH值低于5.0时,抗坏血酸氧化速度较慢,且反应可逆,但在pH20~-3.5 范围内,褐变作用与pH值成反比
R1 CH R2 CHOH H2O R1 C CH CHO R1CH2CHO R2 + R2CHO CHO (2)生成黑色素的聚合作用 经过中期反应后，产物中有糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮类、由 Strecker 降解和糖裂解所 产生的醛类等，这些产物进一步随机缩合、聚合形成复杂的高分子色素，称为类黑精或黑色素等，其组成 与结构则还有待研究。 二、焦糖化褐变作用 糖类在没有含氨基化合物存在的情况下加热到其熔点以上时，也会变为黑褐色的物质，这种作用称为 焦糖化作用。在受强热的情况下，糖类生成两类物质：一类是糖的脱水产物，即焦糖或称酱色；一类是裂 解产物，是一些挥发性的醛、酮类物质，可进一步缩合、聚合形成粘稠状的黑褐色物质。 蔗糖形成焦糖(酱色)的过程可分为三个阶段。 第一阶段由蔗糖熔融开始，经一段时间起泡，蔗糖脱去一分子水生成异蔗糖酐，起泡暂时停止。异蔗 糖酐无甜味而具温和的苦味。继续加热，随后即发生第二次起泡现象，这是形成焦糖的第二阶段，持续时 间较第一次长，在此期间失水量达 9%，形成产物为焦糖酐；是一种平均分子式为C24H36O18的色素，熔点 138℃，可溶于水及乙醇，味苦。第二次起泡结束后进入第三阶段，进一步脱水形成焦糖烯，平均分子式 为C36H50O25，溶点 154℃，可溶于水。若再继续加热，则生成高相对分子质量的难溶性深色物质，称为焦 糖素，分子式为C125H188 O80。其结构还不清楚，但具有羰基、羧基、羟基和酚羟基等官能团。 O o O o CH2OH CH2OH 异蔗糖酐 焦糖是一种胶态物质，等电点在 pH3.0～6.9 之间，甚至可低于 pH3.0，随制造方法不同而异。焦糖的 等电点在食品制造中有重要意义。如在一种 pH 值为 4～5 的饮料中，若使用了等电点为 pH4.6 的焦糖，就 会发生絮凝、混浊以至出现沉淀。 糖在强热下的裂解脱水作用可形成一些醛类物质，经过复杂的缩合、聚合反应或发生羰氨反应生成黑 褐色的物质。 三、抗坏血酸褐变作用 抗坏血酸的氧化作用也会引起食品褐变，在果汁的褐变中起着重要作用。 CH2OH O O H2O 2H 2H2O+CO2 黑色素 L-抗坏血酸 脱氢抗坏血酸 2,3-二酮基古洛糖酸 羟基糠醛 HO HO HO CH2OH O O O O HO CH2OH O OH O O HO OH O OH O 抗坏血酸属于还原酮类化合物，易与氨类化合物产生羰氨反应，其自动氧化产物中的醛基、酮基等可 随机缩合、聚合形成褐变物质。 抗坏血酸的褐变主要取决于 pH 值和抗坏血酸的浓度。在中性或碱性溶液中脱氢抗坏血酸的生成速度 较快，反应也不易可逆进行；在 pH 值低于 5.0 时，抗坏血酸氧化速度较慢，且反应可逆，但在 pH2.0~3.5 范围内，褐变作用与 pH 值成反比。 353
四、非醇褐变对食品质量的影响 非酶褐变不仅改变食品的色泽,而且对食品营养和风味也有一定的影响,所以非酶褐变与食品质量有 密切关系。 非酶褐变对食品营养的主要影响是:氨基酸因形成色素和在 Strecker降解反应中破坏而损失;色素以 及与糖结合的蛋白质不易被酶所分解,故氮的利用率低,尤其是赖氨酸在非酶褐变中最易损失,从而降低 蛋白质的营养效价;水果加工品中维生素C也因氧化褐变而减少;奶粉和脱脂大豆粉中加糖贮存时,随着 褐变蛋白质的溶解度也随之降低。随着食品褐变反应生成醛、酮等还原性物质,它们对食品氧化有着一定 的抗氧化能力,尤其对防止食品中油脂的氧化较为显著。 非酶褐变的产物中有一些是呈味物质。它们能赋予食品以优或劣的气味和风味。由于非酶褐变过程中 伴随有二氧化碳的产生,会造成罐装食品出现不正常的现象,如粉末酱油、奶等装罐密封,发生非酶褐变 后会出现“膨听”现象 五、非酶褐变的控制 由于食品的种类繁多,褐变的原因不尽相同,难以提出一种通用的控制方法。以下仅从影响非酶褐变 的一些物理、化学因素方面提出一些可能的控制途径。 1、降温 褐变反应受温度影响比较大,温度每差10℃,其褐变速度差3~5倍。一般在30℃以上褐变较快,而 20℃以下则进行较慢。如酿造酱油时,提髙发酵温度,酱油色素也加深,温度每提髙5℃,着色度提高356% 这是由于发酵中氨基酸与糖产生羰氨反应,随着温度升高而加速。 在室温下,氧能促进褐变。当温度在80℃时,不论有无氧存在,其褐变速度相同,因此容易褐变的食 品,在10℃以下的真空贮存(如真空包装、充氮包装),可以减慢褐变的发生 降低温度可以减缓所有的化学反应速度,因而在低温冷藏下的食品可以延缓非酶褐变的进程。 2、控制水分含量 褐变反应需要有水分存在才能进行,水分在10%~15%最易发生褐变,当完全干燥时,褐变难以进行 容易褐变的奶粉、冰淇淋粉的水分应控制在3%以下,才能抑制其褐变。而液体食品,由于水分较高,基 质浓度低,其褐变反应较慢。适当降低产品浓度,有时也可降低褐变速率。干制猪肉制品虽然水分较低, 但能加速油脂氧化,所以能促进褐变(油烧)的发生。 3、改变pH值 羰氨缩合作用是可逆的,在稀酸条件下,羰氨缩合产物很易水解。羰氨缩合过程中封闭了游离的氨基, 反应体系的pH就下降,所以碱性条件利于羰氨反应,而降低pH值则是控制褐变的有效方法之一。例如, 蛋粉脱水干燥前先加酸降低pH值,在复水时加Na2CO3恢复pH值。 在酸性条件下,维生素C的自动氧化速度较慢,且可逆。 4、使用较不易发生褐变的食品原料 糖类与氨基化合物发生褐变的反应速度,与糖和氨基化合物的结构有关 还原糖是参与这类反应的主要成分,它提供了与氨基相作用的羰基。一般来说,五碳糖的反应较快, 约为六碳糖的10倍。各种糖的褐变反应速度顺序为 五碳糖:核糖>阿拉伯糖>木糖: 六碳糖:半乳糖>甘露糖>葡萄糖>果糖 双糖:乳糖>蔗糖>麦芽糖>海藻糖 还原性双糖类,因其分子比较大,故反应比较缓慢。 在羰基化合物中以α-己烯醛褐变最快,其次是α双羰基化合物,酮褐变的速度最慢。 至于氨基化合物的反应速度,一般是胺类较氨基酸易于褐变,在氨基酸中则以碱性氨基酸褐变较迅速。 氨基在ε-位或在末端者,比在α-位较易褐变,所以不同氨基酸引起褐变的程度也不同。赖氨酸的褐变损失 率最高。 蛋白质能与羰基化合物发生羰氨反应,但其反应速度要比肽和氨基酸缓慢。主要涉及的是末端氨基和 侧链残基R上的氨基(第二氨基)
354 四、非酶褐变对食品质量的影响 非酶褐变不仅改变食品的色泽，而且对食品营养和风味也有一定的影响，所以非酶褐变与食品质量有 密切关系。 非酶褐变对食品营养的主要影响是：氨基酸因形成色素和在 Strecker 降解反应中破坏而损失；色素以 及与糖结合的蛋白质不易被酶所分解，故氮的利用率低，尤其是赖氨酸在非酶褐变中最易损失，从而降低 蛋白质的营养效价；水果加工品中维生素 C 也因氧化褐变而减少；奶粉和脱脂大豆粉中加糖贮存时，随着 褐变蛋白质的溶解度也随之降低。随着食品褐变反应生成醛、酮等还原性物质，它们对食品氧化有着一定 的抗氧化能力，尤其对防止食品中油脂的氧化较为显著。 非酶褐变的产物中有一些是呈味物质。它们能赋予食品以优或劣的气味和风味。由于非酶褐变过程中 伴随有二氧化碳的产生，会造成罐装食品出现不正常的现象，如粉末酱油、奶等装罐密封，发生非酶褐变 后会出现“膨听”现象。 五、非酶褐变的控制 由于食品的种类繁多，褐变的原因不尽相同，难以提出一种通用的控制方法。以下仅从影响非酶褐变 的一些物理、化学因素方面提出一些可能的控制途径。 1、降温 褐变反应受温度影响比较大，温度每差 10℃，其褐变速度差 3～5 倍。一般在 30℃以上褐变较快，而 20℃以下则进行较慢。如酿造酱油时，提高发酵温度，酱油色素也加深，温度每提高 5℃，着色度提高 35.6%。 这是由于发酵中氨基酸与糖产生羰氨反应，随着温度升高而加速。 在室温下，氧能促进褐变。当温度在 80℃时，不论有无氧存在，其褐变速度相同，因此容易褐变的食 品，在 10℃以下的真空贮存(如真空包装、充氮包装)，可以减慢褐变的发生。 降低温度可以减缓所有的化学反应速度，因而在低温冷藏下的食品可以延缓非酶褐变的进程。 2、控制水分含量 褐变反应需要有水分存在才能进行，水分在 10%～15%最易发生褐变，当完全干燥时，褐变难以进行。 容易褐变的奶粉、冰淇淋粉的水分应控制在 3%以下，才能抑制其褐变。而液体食品，由于水分较高，基 质浓度低，其褐变反应较慢。适当降低产品浓度，有时也可降低褐变速率。干制猪肉制品虽然水分较低， 但能加速油脂氧化，所以能促进褐变(油烧)的发生。 3、改变 pH 值 羰氨缩合作用是可逆的，在稀酸条件下，羰氨缩合产物很易水解。羰氨缩合过程中封闭了游离的氨基， 反应体系的pH就下降，所以碱性条件利于羰氨反应，而降低pH值则是控制褐变的有效方法之一。例如， 蛋粉脱水干燥前先加酸降低pH值，在复水时加Na2CO3恢复pH值。 在酸性条件下，维生素 C 的自动氧化速度较慢，且可逆。 4、使用较不易发生褐变的食品原料 糖类与氨基化合物发生褐变的反应速度，与糖和氨基化合物的结构有关。 还原糖是参与这类反应的主要成分，它提供了与氨基相作用的羰基。一般来说，五碳糖的反应较快， 约为六碳糖的 10 倍。各种糖的褐变反应速度顺序为： 五碳糖：核糖>阿拉伯糖>木糖； 六碳糖：半乳糖>甘露糖>葡萄糖>果糖； 双糖：乳糖>蔗糖>麦芽糖>海藻糖。 还原性双糖类，因其分子比较大，故反应比较缓慢。 在羰基化合物中以 α-己烯醛褐变最快，其次是 α-双羰基化合物，酮褐变的速度最慢。 至于氨基化合物的反应速度，一般是胺类较氨基酸易于褐变，在氨基酸中则以碱性氨基酸褐变较迅速。 氨基在 ε-位或在末端者，比在 α-位较易褐变，所以不同氨基酸引起褐变的程度也不同。赖氨酸的褐变损失 率最高。 蛋白质能与羰基化合物发生羰氨反应，但其反应速度要比肽和氨基酸缓慢。主要涉及的是末端氨基和 侧链残基 R 上的氨基(第二氨基)
脂类通过氧化和热裂解,可产生不饱和醛、酮及二羰基化合物。因此,不饱和度高、易氧化的脂类亦 易与氨基化合物发生褐变反应 5、亚硫酸处理 羰基可以和亚硫酸根形成加成化合物,其加成物能与氨基化合物缩合,但缩合产物不能再进一步生成 Schi碱和N-葡萄糖基胺,因此,可用SO2和亚硫酸盐来抑制羰氨反应褐变。 H OH H、NHR SOaNa NaHSO3 6、形成钙盐 钙可同氨基酸结合成为不溶性化合物,因此钙盐有协同SO2控制褐变的作用,在马铃薯等多种食品加 工中已经成功地得到应用。这类食品在单独使用亚硫酸盐时有迅速褐变的倾向,但在结合使用CaC2以后可 有效抑制褐变。 7、生物化学方法 有的食品中,糖的含量甚微,可加入酵母用发酵法除糖,如蛋粉和脱水肉末的生产中就采用此法。另 个生物化学方法是用葡萄糖氧化酶及过氧化氢酶混合酶制剂除去食品中的微量葡萄糖和氧。氧化酶把葡 萄糖氧化为不会与氨基化合物结合的葡萄糖酸。 葡萄糖氧化酶 R·CHO+O2+H2O R·COOH+H2O 过氧化氢酶 此法也用于除去罐(瓶)装食品容器顶隙中的残氧 第二节酶促褐变 酶促褐变发生在水果、蔬菜等新鲜植物性食物中。水果和蔬菜在采收后,组织中仍在进行活跃的代谢 活动。在正常情况下,完整的果蔬组织中氧化还原反应是偶联进行的,但当发生机械性的损伤(如削皮、切 开、压伤、虫咬、磨浆)及处于异常的环境变化下(如受冻、受热等)时,便会影响氧化还原作用的平衡,发 生氧化产物的积累,造成变色。这类变色作用非常迅速,需要和氧接触,由酶所催化,称为“酶促褐变”。 香蕉、苹果、梨、马铃薯等果蔬很易在削皮切开后褐变,影响其色泽和风味,但像茶叶、可可豆等食品, 适当的褐变则是形成良好的风味与色泽所必需的条件。 醇促褐变的机理 催化产生褐变的酶类主要是酚酶,其次是抗坏血酸氧化酶和过氧化物酶类等氧化酶类 355
脂类通过氧化和热裂解，可产生不饱和醛、酮及二羰基化合物。因此，不饱和度高、易氧化的脂类亦 易与氨基化合物发生褐变反应。 5、亚硫酸处理 羰基可以和亚硫酸根形成加成化合物，其加成物能与氨基化合物缩合，但缩合产物不能再进一步生成 Schiff碱和N-葡萄糖基胺，因此，可用SO2和亚硫酸盐来抑制羰氨反应褐变。 H O NaHSO3 H OH SO3Na H NHR SO3Na RNH2 H2O 6、形成钙盐 钙可同氨基酸结合成为不溶性化合物，因此钙盐有协同SO2控制褐变的作用，在马铃薯等多种食品加 工中已经成功地得到应用。这类食品在单独使用亚硫酸盐时有迅速褐变的倾向，但在结合使用CaCl2以后可 有效抑制褐变。 7、生物化学方法 有的食品中，糖的含量甚微，可加入酵母用发酵法除糖，如蛋粉和脱水肉末的生产中就采用此法。另 一个生物化学方法是用葡萄糖氧化酶及过氧化氢酶混合酶制剂除去食品中的微量葡萄糖和氧。氧化酶把葡 萄糖氧化为不会与氨基化合物结合的葡萄糖酸。 R CHO +O2+H2O 葡萄糖氧化酶 R COOH +H2O2 H 2H2O + 2O2 O2 过氧化氢酶 此法也用于除去罐(瓶)装食品容器顶隙中的残氧。 第二节 酶 促 褐 变 酶促褐变发生在水果、蔬菜等新鲜植物性食物中。水果和蔬菜在采收后，组织中仍在进行活跃的代谢 活动。在正常情况下，完整的果蔬组织中氧化还原反应是偶联进行的，但当发生机械性的损伤(如削皮、切 开、压伤、虫咬、磨浆)及处于异常的环境变化下(如受冻、受热等)时，便会影响氧化还原作用的平衡，发 生氧化产物的积累，造成变色。这类变色作用非常迅速，需要和氧接触，由酶所催化，称为“酶促褐变”。 香蕉、苹果、梨、马铃薯等果蔬很易在削皮切开后褐变，影响其色泽和风味，但像茶叶、可可豆等食品， 适当的褐变则是形成良好的风味与色泽所必需的条件。 一、酶促褐变的机理 催化产生褐变的酶类主要是酚酶，其次是抗坏血酸氧化酶和过氧化物酶类等氧化酶类。 355
COOH COOH COOH H2N HN 甲酚酶(或酪氨酸酶) 茶酚酶(或酪氨酸酶 ,4-二羟基苯丙氨酸(多巴)(DOPA 多巴醌 HO COOH H,O 34-二氢吲哚 (无色) O 聚合黑色素 氧化聚合Ho COOH 吲哚-5 56-二羟吲哚-2-羧酸 图22-2酚酶氧化酪氨酸而导致黑色素的形成 (一)酚酶及其作用 酚酶的系统命名是邻二酚:氧-氧化还原酶(EC.1.10.31)。从植物来源分离得到的酚酶是寡聚体,每个 亚基含有一个铜离子作为辅基,以氧为受氢体,是一种末端氧化酶。酚酶催化着两类反应:一类是羟基化 作用,产生酚的邻羟基化(图22,反应①):第二类是氧化作用,使邻二酚氧化为邻醌(图22,反应②) 所以酚酶可能是一种复合体酶,一种是酚羟化酶,又称甲酚酶;另一种是多元酚氧化酶(PPO),又叫儿茶 酚酶,而称为酪氨酸酶的酚酶则能同时催化两类反应,故酚酶也可能是含有二种以上不同的亚基,分别催 化酚的羟基化作用和氧化作用。 植物组织中含有酚类物质,在完整的细胞中作为呼吸作用中质子H的传递物质,在酚-醌之间保持着 动态平衡,因此,褐变不会发生。但当组织、细胞受损时,氧气进入,酚类在酚酶作用下氧化为邻醌,转 而又快速地通过聚合作用形成褐色素或黑色素。醌的形成需要酶促和氧气,当醌形成后,以后的反应就能 自动地进行了。 在水果、蔬菜中,酚酶最丰富的基质底物是邻二酚类和一元酚类。在酚酶作用下,反应最快的是邻羟 基结构的酚类,对位二酚类也可氧化,但间位二酚则不能被氧化,甚至对酚酶还有抑制作用。邻二酚的取 代衍生物也不能为酚酶所催化,如愈疮木酚(邻甲氧基苯酚)及阿魏酸。 =CH--COOH HC=CH—COOH CH COOH OCH3 O=C-CH=CH- 阿魏酸 咖啡酸 绿原酸 绿原酸是许多水果,特别是桃、苹果等褐变的关键物质。马铃薯褐变的主要底物是酪氨酸。在香蕉中 主要的褐变底物是一种含氮的酚衍生物,即34-二羟基苯乙胺。在水果中存在的咖啡酸也能作为酚酶的底 可作为酚酶底物的还有其他一些结构比较复杂的酚类衍生物,如花青素、黄酮类、鞣质等。红茶加工 过程中鲜叶中的儿茶素经过酶促氧化,缩合生成茶黄素和茶红素等有色物质,它们是构成红茶色泽的主要 356
HO H2N HO H2N HO H2O N H HO HO CO2 N H O O N H HO HO COOH N H O O H2O N H HO HO COOH 1/2O2 甲酚酶(或酪氨酸酶) 儿茶酚酶(或酪氨酸酶) 酪氨酸 3,4-二羟基苯丙氨酸(多巴)(DOPA) + 3,4-二氢吲哚 （无色） 聚合 黑色素 氧化聚合 吲哚-5,6-醌 5,6-二羟吲哚-2-羧酸 图22-2 酚酶氧化酪氨酸而导致黑色素的形成 1 2 1/2O2 1/2O2 H2O H2O 1/2O2 H2O 1/2O2 1/2O2 （红色） 3 4 5 6 7 8 COOH H2N 多巴醌 O O COOH COOH COOH (一)酚酶及其作用 酚酶的系统命名是邻二酚:氧-氧化还原酶(EC.1.10.3.1)。从植物来源分离得到的酚酶是寡聚体，每个 亚基含有一个铜离子作为辅基，以氧为受氢体，是一种末端氧化酶。酚酶催化着两类反应：一类是羟基化 作用，产生酚的邻羟基化(图 22-2，反应①)；第二类是氧化作用，使邻二酚氧化为邻醌(图 22-2，反应②)。 所以酚酶可能是一种复合体酶，一种是酚羟化酶，又称甲酚酶；另一种是多元酚氧化酶(PPO)，又叫儿茶 酚酶，而称为酪氨酸酶的酚酶则能同时催化两类反应，故酚酶也可能是含有二种以上不同的亚基，分别催 化酚的羟基化作用和氧化作用。 植物组织中含有酚类物质，在完整的细胞中作为呼吸作用中质子 H 的传递物质，在酚-醌之间保持着 动态平衡，因此，褐变不会发生。但当组织、细胞受损时，氧气进入，酚类在酚酶作用下氧化为邻醌，转 而又快速地通过聚合作用形成褐色素或黑色素。醌的形成需要酶促和氧气，当醌形成后，以后的反应就能 自动地进行了。 在水果、蔬菜中，酚酶最丰富的基质底物是邻二酚类和一元酚类。在酚酶作用下，反应最快的是邻羟 基结构的酚类，对位二酚类也可氧化，但间位二酚则不能被氧化，甚至对酚酶还有抑制作用。邻二酚的取 代衍生物也不能为酚酶所催化，如愈疮木酚(邻甲氧基苯酚)及阿魏酸。 OH OCH3 HC CH OH OH HC CH OH CH3 OH COOH O CH3 OH O C CH 阿魏酸 咖啡酸 绿原酸 COOH COOH CH OH OH 绿原酸是许多水果，特别是桃、苹果等褐变的关键物质。马铃薯褐变的主要底物是酪氨酸。在香蕉中， 主要的褐变底物是一种含氮的酚衍生物，即 3,4-二羟基苯乙胺。在水果中存在的咖啡酸也能作为酚酶的底 物。 可作为酚酶底物的还有其他一些结构比较复杂的酚类衍生物，如花青素、黄酮类、鞣质等。红茶加工 过程中鲜叶中的儿茶素经过酶促氧化，缩合生成茶黄素和茶红素等有色物质，它们是构成红茶色泽的主要 356
成分。 氨基酸及类似的含氮化合物与邻二酚作用可产生颜色很深的复合物,其机理是酚类物质先经酶促氧化 形成相应的醌,然后醌和氨基发生非酶的羰氨缩合反应。白洋葱、大蒜、大葱等在加工中出现的粉红色就 属于这类型的变化 (二)其他褐变酶类及其作用 泛存在于水果、蔬菜细胞中的抗坏血酸氧化酶和过氧化物酶亦可引起酶促褐变。 抗坏血酸氧化酶催化抗坏血酸的氧化,其作用产物脱氢抗坏血酸经脱羧形成羟基糠醛后可聚合形成黑 色素(参见本章第一节)。 过氧化物酶类可催化酚类化合物的氧化,引起褐变,也可将抗坏血酸间接氧化 醇促褐变的控制 食品发生酶促褐变,必须具备三个条件,即有多酚类物质、氧和氧化酶类。这三个条件缺一不可。有 些果蔬中,如柠檬、桔子、西瓜等,由于不含多酚氧化酶,所以不会发生酶促褐变。但酶促褐变的程度主 要取决于酚类的含量,而氧化酶类的活性强弱似乎没有明显的影响。除去食品中的酚类不仅困难,而且不 现实。比较有效的是抑制氧化酶类的活性,其次是防止与氧接触。抑制酶活性的方法很多,但由于受到变 味、变臭以及毒性等不容易解决的问题,因而真正可用于食品工业的却不多。常用的控制酶促褐变的方法 有 (1)热处理法短时高温处理可使食物中所有的酶都失去活性,是最广泛使用的控制酶促褐变的方法 热烫、巴氏消毒以及微波加热等处理都属这一类方法。加热处理的关键是要在最短时间内达到钝化酶的要 求,否则易因加热过度而影响质量:相反,如果热处理不彻底,热烫虽破坏了细胞结构,但未钝化酶,则 反会有利酶和底物接触而促进褐变。虽然来源不同的氧化酶类对热的敏感性不同,但在90~95℃加热7s 可使大部分氧化酶类失活 々R)酸处理法多数酚酶的最适pH范围是6-7之间,在pH30以下,酚酶几乎完全失去活性。用降低 pH值的方法抑制果蔬褐变,是果蔬加工中最常用的方法。一般多采用柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸以及其 他有机酸的混合液降低pH值 柠檬酸对酚酶除降低pH值外,还能和酚酶的Cu辅基进行螯合,但作为褐变抑制剂,单独使用时效果 不大,通常与抗坏血酸或亚硫酸合用。θ.5%柠檬酸与θ.3%抗坏血酸合用效果较妤。抗坏血酸还能使酚酶 本身失活。在果汁中,抗坏血酸在酶的催化下能消耗掉溶解氧,从而具有抗褐变作用 (3)二氧化硫及亚硫酸盐处理SO2及亚硫酸盐是酚酶的强抑制剂,广泛应用于食品工业中,如蘑菇、 马铃薯、桃、苹果等加工过程中作护色剂。 SO2及亚硫酸盐溶液在微偏酸性(pH≈6)的条件下对酚酶抑制的效果最好,只有游离的SO2才能起作用。 l0 ppm SO2即可完全抑制酚酶,但因挥发损失及与醛、酮类物质生成加成物等原因,实际用量常达300 600ppm。SO2的规定使用量为小于300pm,成品中最大残留量小于20mg/kg SO2防止褐变的机理可能是抑制了酚酶的活性,并把醌还原为酚,与羰基加成而防止了羰基化合物的 聚合作用。 SO2处理法的优点是使用方便,效力可靠,成本低,有利于保存维生素C,残存的SO2可用抽真空、炊 煮或使用HO2等方法驱除。不足之处是使食品失去原色而被漂白(花青素等被破坏)、腐蚀铁罐内壁、有不 愉快的嗅感与味感,并破坏维生素B。 (4)驱氧法将去皮切开的水果、蔬菜用清水、糖水或盐水浸渍:或用真空将糖水、盐水滲入组织内部, 驱除空气;也可用浓度较高的抗坏血酸浸泡,以达到除氧目的 氯化钠也有一定的防褐效果,一般多与柠檬酸和抗坏血酸混合使用。单独使用时,浓度高达20%时才 能抑制酚酶活性。 (5)底物改性利用甲基转移酶,将邻二羟基化合物进行甲基化,生成甲基取代衍生物,可有效防止褐 变。如以S-腺苷蛋氨酸为甲基供体,在甲基转移酶作用下,可将儿茶酚、咖啡酸、绿原酸依次分别甲基化 为愈疮木酚、阿魏酸和3-阿魏酰金鸡钠酸。 (6)添加底物类似物竞争性抑制酶活性在食品加工过程中,可用酚酶底物类似物如肉桂酸、对位香豆 357
357 成分。 氨基酸及类似的含氮化合物与邻二酚作用可产生颜色很深的复合物，其机理是酚类物质先经酶促氧化 形成相应的醌，然后醌和氨基发生非酶的羰氨缩合反应。白洋葱、大蒜、大葱等在加工中出现的粉红色就 属于这类型的变化。 (二)其他褐变酶类及其作用 广泛存在于水果、蔬菜细胞中的抗坏血酸氧化酶和过氧化物酶亦可引起酶促褐变。 抗坏血酸氧化酶催化抗坏血酸的氧化，其作用产物脱氢抗坏血酸经脱羧形成羟基糠醛后可聚合形成黑 色素(参见本章第一节)。 过氧化物酶类可催化酚类化合物的氧化，引起褐变，也可将抗坏血酸间接氧化。 二、酶促褐变的控制 食品发生酶促褐变，必须具备三个条件，即有多酚类物质、氧和氧化酶类。这三个条件缺一不可。有 些果蔬中，如柠檬、桔子、西瓜等，由于不含多酚氧化酶，所以不会发生酶促褐变。但酶促褐变的程度主 要取决于酚类的含量，而氧化酶类的活性强弱似乎没有明显的影响。除去食品中的酚类不仅困难，而且不 现实。比较有效的是抑制氧化酶类的活性，其次是防止与氧接触。抑制酶活性的方法很多，但由于受到变 味、变臭以及毒性等不容易解决的问题，因而真正可用于食品工业的却不多。常用的控制酶促褐变的方法 有： (1)热处理法 短时高温处理可使食物中所有的酶都失去活性，是最广泛使用的控制酶促褐变的方法。 热烫、巴氏消毒以及微波加热等处理都属这一类方法。加热处理的关键是要在最短时间内达到钝化酶的要 求，否则易因加热过度而影响质量；相反，如果热处理不彻底，热烫虽破坏了细胞结构，但未钝化酶，则 反会有利酶和底物接触而促进褐变。虽然来源不同的氧化酶类对热的敏感性不同，但在 90～95℃加热 7s 可使大部分氧化酶类失活。 (2)酸处理法 多数酚酶的最适 pH 范围是 6~7 之间，在 pH3.0 以下，酚酶几乎完全失去活性。用降低 pH 值的方法抑制果蔬褐变，是果蔬加工中最常用的方法。一般多采用柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸以及其 他有机酸的混合液降低 pH 值。 柠檬酸对酚酶除降低 pH 值外，还能和酚酶的 Cu 辅基进行螯合，但作为褐变抑制剂，单独使用时效果 不大，通常与抗坏血酸或亚硫酸合用。0.5%柠檬酸与 0.3%抗坏血酸合用效果较好。抗坏血酸还能使酚酶 本身失活。在果汁中，抗坏血酸在酶的催化下能消耗掉溶解氧，从而具有抗褐变作用。 (3)二氧化硫及亚硫酸盐处理 SO2及亚硫酸盐是酚酶的强抑制剂，广泛应用于食品工业中，如蘑菇、 马铃薯、桃、苹果等加工过程中作护色剂。 SO2及亚硫酸盐溶液在微偏酸性(pH≈6)的条件下对酚酶抑制的效果最好，只有游离的SO2才能起作用。 10ppm SO2即可完全抑制酚酶，但因挥发损失及与醛、酮类物质生成加成物等原因，实际用量常达 300～ 600ppm。SO2的规定使用量为小于 300ppm，成品中最大残留量小于 20mg/kg。 SO2防止褐变的机理可能是抑制了酚酶的活性，并把醌还原为酚，与羰基加成而防止了羰基化合物的 聚合作用。 SO2处理法的优点是使用方便，效力可靠，成本低，有利于保存维生素C，残存的SO2可用抽真空、炊 煮或使用H2O2等方法驱除。不足之处是使食品失去原色而被漂白(花青素等被破坏)、腐蚀铁罐内壁、有不 愉快的嗅感与味感，并破坏维生素Bl。 (4)驱氧法 将去皮切开的水果、蔬菜用清水、糖水或盐水浸渍；或用真空将糖水、盐水渗入组织内部， 驱除空气；也可用浓度较高的抗坏血酸浸泡，以达到除氧目的。 氯化钠也有一定的防褐效果，一般多与柠檬酸和抗坏血酸混合使用。单独使用时，浓度高达 20%时才 能抑制酚酶活性。 (5)底物改性 利用甲基转移酶，将邻二羟基化合物进行甲基化，生成甲基取代衍生物，可有效防止褐 变。如以 S-腺苷蛋氨酸为甲基供体，在甲基转移酶作用下，可将儿茶酚、咖啡酸、绿原酸依次分别甲基化 为愈疮木酚、阿魏酸和 3-阿魏酰金鸡钠酸。 (6)添加底物类似物竞争性抑制酶活性 在食品加工过程中，可用酚酶底物类似物如肉桂酸、对位香豆
酸、阿魏酸等酚酸竟争性地抑制酚酶活性,从而控制酶促褐变。 因食品中一般酚类物质含量均较高,而酶促褐变的程度又主要取决于酚类的含量,加上酚酶活性的高 低影响不大,所以,底物改性及添加酚酶底物类似物防止酶促褐变的方法在实际应用方面有一定的局限性。 358
358 酸、阿魏酸等酚酸竞争性地抑制酚酶活性，从而控制酶促褐变。 因食品中一般酚类物质含量均较高，而酶促褐变的程度又主要取决于酚类的含量，加上酚酶活性的高 低影响不大，所以，底物改性及添加酚酶底物类似物防止酶促褐变的方法在实际应用方面有一定的局限性