茶葉加工中美拉德反應對品質(zhì)形成與安全的影響分析

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(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所,安徽黃山 245000;2.安徽農(nóng)業(yè)大學,茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室,安徽合肥 230036)

美拉德反應廣泛存在于熱加工食品中,對品質(zhì)的形成具有重要的作用,在烘焙食品、中藥等領域已有廣泛的應用[1-2]。茶葉作為重要的農(nóng)產(chǎn)熱加工食品,在熱加工過程中美拉德反應對其色香味品質(zhì)的形成具有重要作用,但現(xiàn)階段關于美拉德反應對茶葉作用的機制還不明確,相關研究較少。同時,隨著美拉德反應在食品加工中研究的深入,其產(chǎn)物的功能性與安全性越來越受到人們的關注。因而,本文重點闡述美拉德反應對茶葉品質(zhì)形成的作用及其產(chǎn)物的功能性與安全性,以期為美拉德反應在茶葉中的應用與研究提供參考意義。

1 美拉德反應概況

美拉德反應,又稱非酶褐變(non-enzimic browning)。1912年法國化學家Maillard進行甘氨酸和葡萄糖混合加熱時形成褐色物質(zhì),由此首次發(fā)現(xiàn)褐變反應。1953年Hodge等[3]正式將該反應命名為美拉德反應,其主要是氨基化合物和羰基化合物之間發(fā)生的非酶促反應,也稱為羰氨反應。由于美拉德反應在食品加工中廣泛存在,對食品風味品質(zhì)形成及安全等有重要影響。自發(fā)現(xiàn)至八十年代,美拉德反應的研究主要集中于化學、營養(yǎng)學、食品色香味、食品加工等方面,八十年代后美拉德反應的中間體與產(chǎn)物及其抗氧化生物活性功能等逐漸成為研究熱點,近些年除了美拉德反應對食品品質(zhì)的影響研究外,多數(shù)研究集中于美拉德反應與人類健康的關系[4-5]。

美拉德反應機制比較復雜,現(xiàn)有研究表明,美拉德反應包括三個階段:第一階段,還原糖的羰基和氨基酸或蛋白質(zhì)中的自由氨基縮合生成席夫堿,后經(jīng)環(huán)化反應而生成N-取代葡萄糖胺,再經(jīng)Amadori重排得到1-氨基-1-脫氧-2-酮糖,此為香味的重要前體物質(zhì);第二階段,Amadori產(chǎn)物反應有3條路徑,與pH和溫度有很大關系:pH≤7時,主要發(fā)生1,2-烯醇化反應,生成糠醛(furfural)或羥甲基糠醛(hydromethyl furfural,HMF);pH>7且溫度較低時,主要發(fā)生2,3-烯醇化反應,形成還原酮類(reductones);pH>7且溫度較高時,易發(fā)生裂解反應,產(chǎn)生高活性中間體,中間體繼續(xù)反應形成醛類和α-氨基酮類,即Strecker降解反應;第三階段,主要是中間階段產(chǎn)物與胺類發(fā)生醛基-氨基等反應,包括環(huán)化、降解、重排、異構和進一步縮合等一系列反應,最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質(zhì),統(tǒng)稱為類黑素(mlanoidin)[6]。溫度、pH、反應時間及反應底物等是影響美拉德反應重要因素,在美拉德反應過程中溫度和pH與其反應路徑有很大關系。同時,不同的反應底物其反應速率差異較大,五碳糖褐變速度是六碳糖的10倍[7]。不同種類的氨基酸在美拉德反應中可產(chǎn)生不同的風味物質(zhì),增加氨基酸濃度可以提高美拉德反應速率[8]。

2 美拉德反應對茶葉品質(zhì)形成的作用

2.1 美拉德反應對茶葉香氣形成的作用

香氣是茶葉的重要品質(zhì)特征因子之一,對茶葉的風味構成具有關鍵性作用。目前從各種茶葉中分離的香氣物質(zhì)已達700多種,包括醇類、醛類、酮類、酯類、內(nèi)酯類、酸類、酚類、雜環(huán)化合物、含硫化合物、含氮化合物、碳氫化合物等十余大類化合物,其中又以醇類、酯類、酮類、醛類和碳水化合物為主[9-10]。按茶葉香氣組分的結構特點可分為四類:萜烯類及其衍生物,代表物質(zhì)有香葉醇、芳樟醇及其氧化物、丁香烯、α-法尼烯、橙花叔醇等;脂肪類及其衍生物,代表物質(zhì)有順-3-己烯醇(青葉醇)、反-2-己烯醛(青葉醛)、己酸-順-3-己烯酯、β-紫羅酮等;芳香族衍生物,代表物質(zhì)有苯甲醇、苯甲醛、苯乙醛、苯乙醇、水楊酸甲酯、苯甲酸甲酯等;含氮、氧等雜環(huán)類及其他化合物,如吲哚、吡嗪類、吡喃類、吡啶類及其衍生物等[11-13]。

茶葉香氣的形成與茶樹品種、加工工藝都有重要的關系,是茶鮮葉在加工過程中內(nèi)含物質(zhì)發(fā)生復雜化學反應產(chǎn)生的,特別是茶葉干燥烘焙過程中美拉德反應產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì),對茶葉香氣構成具有重要作用[14-16]。項雷文等[117]在探討烏龍茶品質(zhì)形成影響因素時,認為美拉德反應是烏龍茶優(yōu)良品質(zhì)形成的主因,對烏龍茶優(yōu)雅香氣的形成起重要作用。張秀秀[18]通過研究不同氨基酸、還原糖及其復配對普洱生茶品質(zhì)的影響,指出外源糖處理茶樣中,可溶性氨基酸含量顯著降低,證實了美拉德反應的發(fā)生。同時,添加外源物處理后,普洱茶樣香氣成分以酯類物質(zhì)、萜烯醇類化合物和含氮類物質(zhì)為主。姚江等[19]通過研究復火工藝中美拉德反應與茶葉香氣形成的關系得出:葡萄糖和NH3與美拉德反應吡嗪類產(chǎn)物生成具有重要的關系,葡萄糖在NH3參與下合成吡嗪類物質(zhì),茶葉中的NH3主要來源于兒茶素氧化氨基酸。

2.2 美拉德反應對茶葉色澤形成的作用

茶葉色澤是消費者對茶葉評判的第一直觀因素,潤度是茶葉色澤評判的重要因子之一,潤度好的茶代表著茶的品相相對較好。在加工過程中茶葉色澤形成有多種因素,其中干燥過程中美拉德反應產(chǎn)生的物質(zhì)對茶葉色澤的形成具有重要作用,特別是發(fā)酵茶的干茶色澤,在烘焙過程中色澤變化較大[20-21]。陳泉賓等[22]在研究烘焙工藝對烏龍茶美拉德反應產(chǎn)物的影響中,指出隨溫度的提高和時間的延長,美拉德反應進入后期,褐變程度增大,終產(chǎn)物類黑素含量增多,烏龍茶在烘焙過程中干茶外形色澤從烏間黃綠慢慢轉(zhuǎn)變到烏褐,葉底色澤從黃綠到黑色,逐漸加深。

類黑素是美拉德反應后期的一種不溶于水的大分子高聚物,生成量取決于還原糖和氨基酸的濃度,同時受多因素的影響,主要呈現(xiàn)黑色[23-24]。在茶葉加工過程中長時間的烘焙,美拉德終產(chǎn)物類黑素的積累對干茶色澤的形成具有重要作用,最后形成黑褐色[25]。

2.3 美拉德反應對茶葉滋味形成的作用

茶葉滋味是茶葉品質(zhì)評價的最重要因子,其滋味的構成成分也比較復雜,主要的滋味物質(zhì)有糖類、氨基酸、兒茶素、咖啡堿等[26-27]。美拉德反應是還原糖和氨基酸在一定條件下的反應,在茶葉加工干燥中該反應劇烈,需要消耗一部分還原糖和氨基酸,同時生產(chǎn)新的產(chǎn)物,因而對茶葉的滋味形成具有重要的影響[28-29]。黃建琴[30]通過研究美拉德反應產(chǎn)物優(yōu)化紅茶品質(zhì)指出:在紅茶加工過程中適量添加美拉德反應產(chǎn)物,可明顯提高紅茶中滋味物質(zhì)茶黃素、氨基酸、水浸出物的含量,提升紅茶的滋味。

3 茶葉中美拉德反應產(chǎn)物特性分析

茶葉中美拉德反應主要發(fā)生在干燥過程中,由于茶葉內(nèi)含氨基酸和糖種類較多及不同茶葉干燥溫度和時間差異較大,因而生成的美拉德反應產(chǎn)物種類較多,結構復雜[31]。在茶葉研究中已發(fā)現(xiàn)的美拉德產(chǎn)物有呋喃、吡啶、吡咯、吡嗪及中間產(chǎn)物5-羥甲基糠醛、丙烯酰胺和末端產(chǎn)物類黑素及晚期糖基化末端產(chǎn)物等,這些美拉德產(chǎn)物功能特性與健康的關系十分密切[32-33]。

3.1 茶葉中類黑素的特性分析

類黑素是美拉德反應后期形成的一類結構復雜、分子量較大棕褐色物質(zhì),在茶葉加工中廣泛存在,尤其是經(jīng)過長時間焙火提香的茶葉[20]。研究已表明:類黑素的生成除了影響茶葉的色澤和風味品質(zhì)外,這類物質(zhì)還具有一定的抗氧化、抗誘變和消除活性氧等多種功能[34-36]。類黑素對多價金屬離子具有螯合性,從而影響這些離子的生物活性,其抗氧化能力相當于2,6-二叔丁基對甲酚(BHT)和叔丁基羥基茴香醚(BHA),有較高的安全效能和較好的性價比[37-38]。同時類黑素對Trp-P-1、Trp-P-2、Glu-P-l、Glu-P-2、IQ、Me IQ、Me IQx等變異原性物質(zhì)也顯示很強抗變異原活性[39-40]。雖然類黑素與食品加工和人體健康的關系十分密切,但因其種類和結構太過復雜,目前對其形成機理及種類、結構都沒有研究清楚。

3.2 茶葉中呋喃類物質(zhì)的特性分析

茶葉中呋喃是經(jīng)過高溫加工產(chǎn)生的一類極容易揮發(fā)雜環(huán)化合物,在茶葉沖泡飲用過程中廣泛存在于茶葉香氣中[8，41]。1995年國際癌癥機構把呋喃劃分為“可能致癌物”,同時,歐洲食品安全委員會(EFSA)已經(jīng)證實呋喃對小鼠和大鼠具有明顯的致癌性,而且有證據(jù)表明呋喃引起的致癌性還具有可遺傳性[42],Elif Karacaoglu等[43]、Perez Loca等[44]研究發(fā)現(xiàn),呋喃對雄性生殖系統(tǒng)具有毒害性,雖然還沒有研究表明它對人體會造成相同的傷害,但是這一研究結果足以引起重視。同時呋喃是具有芳香特性的五元雜環(huán)化合物,六個π電子非定域分布在五個環(huán)上原子上使碳原子上電子過剩,由于碳原子上π電子密度的提高而有助于自由基的親電加成,即表現(xiàn)出較強的抗氧化性能[45]。所以在功能特性方面具有雙面性,起作用的機制還有待深入研究。

3.3 茶葉中晚期糖基化末端產(chǎn)物的安全性分析

晚期糖基化末端產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)是廣泛存在于綠茶中的一類美拉德反應產(chǎn)物,李鳳麗[46]在中國及日本采購并調(diào)查了43種市售綠茶中AGEs代表性產(chǎn)物羧甲基賴氨酸(N-(carboxymethyl)lysine,CML)和羧乙基賴氨酸(N-(carboxyethyl)lysine,CEL),發(fā)現(xiàn)綠茶中CML和CEL普遍存在。目前AGEs是研究較清楚的美拉德反應產(chǎn)物,具有促氧化能力及與細胞表面受體結合促進炎癥發(fā)生的能力,同時它們還可以與蛋白質(zhì)交聯(lián),改變蛋白質(zhì)的結構和功能[47]。大量研究表明,體內(nèi)AGEs的積累與人體的很多疾病,如糖尿病、腎病(尿毒癥)、心血管疾病、衰老和老年癡呆癥等都有著十分密切的關系[48-50]。

3.4 茶葉中丙烯酰胺的安全性分析

丙烯酰胺(acrylamide,AA)是茶鮮葉在加工中高溫受熱生成的一種美拉德產(chǎn)物,尤其是干燥過程中易生成。王彬[32]通過研究殺青、揉捻、干燥等工藝對綠茶丙烯酰胺生成的影響,得出綠茶加工中對丙烯酰胺含量生成的影響因素主要為干燥溫度、揉捻時間、殺青溫度。Liu Jie等[51]采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法檢測了紅茶、綠茶、青茶、白茶、普洱茶、黃茶中AA含量,白茶中未檢測到AA,紅茶、烏龍茶、黃茶含有較低的AA(<20 ng/g),普洱熟茶、烘焙普洱生茶、綠茶中含有較高含量的AA(46～94 ng/g)。Mizukami等[52]利用氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜測定了82種綠茶中AA含量,表明在還原糖存在條件下,天冬酰胺含量是影響AA形成的顯著因素?，F(xiàn)有的研究已表明丙烯酞胺形成于天冬酞胺和還原糖的縮合反應,是美拉德反應的第一階段產(chǎn)物,它能氧化成環(huán)氧丙烯酰胺,后者具有烷基化作用,可與DNA上的鳥嘌呤或其他大分子物質(zhì)結合,對神經(jīng)、基因和生殖系統(tǒng)產(chǎn)生損傷,并有潛在的致癌性[53-54]。

3.5 茶葉中5-羥甲基糠醛的安全性分析

5-羥甲基糠醛是美拉德反應中重要產(chǎn)物之一,茶葉加工過程中會自然地形成5-羥甲基糠醛。現(xiàn)已證實5-羥甲基糠醛經(jīng)過代謝形成活性中間體5-硫代甲氧基糠醛,與細胞核中的DNA、RNA和蛋白質(zhì)等重要物質(zhì)發(fā)生相互作用,可能對這些大分子物質(zhì)造成結構性損害,從而具有致毒性和致突變性,已開展的大鼠實驗也證實了5-羥甲基糠醛具有誘發(fā)并促進大鼠的結腸癌和引起中毒性腎損害作用[55-56]。

4 結語與展望

美拉德反應作為食品領域研究的重要課題,經(jīng)過一個世紀的研究,其產(chǎn)物的生物學特性及對食品品質(zhì)形成的重要作用已有較深入的認知,但因美拉德反應的復雜性,要明確每個步驟中間體變化及產(chǎn)物生成依然困難,同時產(chǎn)物生物學特性的機體生理和病理相關研究及產(chǎn)物對食品品質(zhì)形成的決定性作用,還有待深入研究。特別是在茶葉制作相關方面的美拉德反應研究更有待深入加強,因為美拉德反應對茶葉的品質(zhì)形成具有重要作用,同時其產(chǎn)物的安全性也需要深入認知,最近幾年市場上關于美拉德反應產(chǎn)物在茶葉中的檢出及對人體健康影響的報道逐漸增多,引發(fā)了消費者喝茶對健康的擔憂,但事實美拉德反應在烘焙食品中一直廣泛存在,其產(chǎn)物的生物功能特性及安全性都存在[8,33,53],因而如何從科學的角度闡釋茶葉中美拉德反應對安全飲用的影響,還有待深入研究。同時,茶葉中美拉德反應對茶葉品質(zhì)形成的重要作用及茶葉生產(chǎn)中美拉德產(chǎn)物的積累過程也有待深入研究,這將有利于茶葉的健康品飲及運用美拉德反應提升茶葉品質(zhì)。