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(1.安徽省农业科学院茶叶研究所,安徽黄山 245000;2.安徽农业大学,茶树生物学与资源利用国家重点实验室,安徽合肥 230036)

美拉德反应广泛存在于热加工食品中,对品质的形成具有重要的作用,在烘焙食品、中药等领域已有广泛的应用[1-2]。茶叶作为重要的农产热加工食品,在热加工过程中美拉德反应对其色香味品质的形成具有重要作用,但现阶段关于美拉德反应对茶叶作用的机制还不明确,相关研究较少。同时,随着美拉德反应在食品加工中研究的深入,其产物的功能性与安全性越来越受到人们的关注。因而,本文重点阐述美拉德反应对茶叶品质形成的作用及其产物的功能性与安全性,以期为美拉德反应在茶叶中的应用与研究提供参考意义。

1 美拉德反应概况

美拉德反应,又称非酶褐变(non-enzimic browning)。1912年法国化学家Maillard进行甘氨酸和葡萄糖混合加热时形成褐色物质,由此首次发现褐变反应。1953年Hodge等[3]正式将该反应命名为美拉德反应,其主要是氨基化合物和羰基化合物之间发生的非酶促反应,也称为羰氨反应。由于美拉德反应在食品加工中广泛存在,对食品风味品质形成及安全等有重要影响。自发现至八十年代,美拉德反应的研究主要集中于化学、营养学、食品色香味、食品加工等方面,八十年代后美拉德反应的中间体与产物及其抗氧化生物活性功能等逐渐成为研究热点,近些年除了美拉德反应对食品品质的影响研究外,多数研究集中于美拉德反应与人类健康的关系[4-5]。

美拉德反应机制比较复杂,现有研究表明,美拉德反应包括三个阶段:第一阶段,还原糖的羰基和氨基酸或蛋白质中的自由氨基缩合生成席夫碱,后经环化反应而生成N-取代葡萄糖胺,再经Amadori重排得到1-氨基-1-脱氧-2-酮糖,此为香味的重要前体物质;第二阶段,Amadori产物反应有3条路径,与pH和温度有很大关系:pH≤7时,主要发生1,2-烯醇化反应,生成糠醛(furfural)或羟甲基糠醛(hydromethyl furfural,HMF);pH>7且温度较低时,主要发生2,3-烯醇化反应,形成还原酮类(reductones);pH>7且温度较高时,易发生裂解反应,产生高活性中间体,中间体继续反应形成醛类和α-氨基酮类,即Strecker降解反应;第三阶段,主要是中间阶段产物与胺类发生醛基-氨基等反应,包括环化、降解、重排、异构和进一步缩合等一系列反应,最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质,统称为类黑素(mlanoidin)[6]。温度、pH、反应时间及反应底物等是影响美拉德反应重要因素,在美拉德反应过程中温度和pH与其反应路径有很大关系。同时,不同的反应底物其反应速率差异较大,五碳糖褐变速度是六碳糖的10倍[7]。不同种类的氨基酸在美拉德反应中可产生不同的风味物质,增加氨基酸浓度可以提高美拉德反应速率[8]。

2 美拉德反应对茶叶品质形成的作用

2.1 美拉德反应对茶叶香气形成的作用

香气是茶叶的重要品质特征因子之一,对茶叶的风味构成具有关键性作用。目前从各种茶叶中分离的香气物质已达700多种,包括醇类、醛类、酮类、酯类、内酯类、酸类、酚类、杂环化合物、含硫化合物、含氮化合物、碳氢化合物等十余大类化合物,其中又以醇类、酯类、酮类、醛类和碳水化合物为主[9-10]。按茶叶香气组分的结构特点可分为四类:萜烯类及其衍生物,代表物质有香叶醇、芳樟醇及其氧化物、丁香烯、α-法尼烯、橙花叔醇等;脂肪类及其衍生物,代表物质有顺-3-己烯醇(青叶醇)、反-2-己烯醛(青叶醛)、己酸-顺-3-己烯酯、β-紫罗酮等;芳香族衍生物,代表物质有苯甲醇、苯甲醛、苯乙醛、苯乙醇、水杨酸甲酯、苯甲酸甲酯等;含氮、氧等杂环类及其他化合物,如吲哚、吡嗪类、吡喃类、吡啶类及其衍生物等[11-13]。

茶叶香气的形成与茶树品种、加工工艺都有重要的关系,是茶鲜叶在加工过程中内含物质发生复杂化学反应产生的,特别是茶叶干燥烘焙过程中美拉德反应产生的挥发性物质,对茶叶香气构成具有重要作用[14-16]。项雷文等[117]在探讨乌龙茶品质形成影响因素时,认为美拉德反应是乌龙茶优良品质形成的主因,对乌龙茶优雅香气的形成起重要作用。张秀秀[18]通过研究不同氨基酸、还原糖及其复配对普洱生茶品质的影响,指出外源糖处理茶样中,可溶性氨基酸含量显著降低,证实了美拉德反应的发生。同时,添加外源物处理后,普洱茶样香气成分以酯类物质、萜烯醇类化合物和含氮类物质为主。姚江等[19]通过研究复火工艺中美拉德反应与茶叶香气形成的关系得出:葡萄糖和NH3与美拉德反应吡嗪类产物生成具有重要的关系,葡萄糖在NH3参与下合成吡嗪类物质,茶叶中的NH3主要来源于儿茶素氧化氨基酸。

2.2 美拉德反应对茶叶色泽形成的作用

茶叶色泽是消费者对茶叶评判的第一直观因素,润度是茶叶色泽评判的重要因子之一,润度好的茶代表着茶的品相相对较好。在加工过程中茶叶色泽形成有多种因素,其中干燥过程中美拉德反应产生的物质对茶叶色泽的形成具有重要作用,特别是发酵茶的干茶色泽,在烘焙过程中色泽变化较大[20-21]。陈泉宾等[22]在研究烘焙工艺对乌龙茶美拉德反应产物的影响中,指出随温度的提高和时间的延长,美拉德反应进入后期,褐变程度增大,终产物类黑素含量增多,乌龙茶在烘焙过程中干茶外形色泽从乌间黄绿慢慢转变到乌褐,叶底色泽从黄绿到黑色,逐渐加深。

类黑素是美拉德反应后期的一种不溶于水的大分子高聚物,生成量取决于还原糖和氨基酸的浓度,同时受多因素的影响,主要呈现黑色[23-24]。在茶叶加工过程中长时间的烘焙,美拉德终产物类黑素的积累对干茶色泽的形成具有重要作用,最后形成黑褐色[25]。

2.3 美拉德反应对茶叶滋味形成的作用

茶叶滋味是茶叶品质评价的最重要因子,其滋味的构成成分也比较复杂,主要的滋味物质有糖类、氨基酸、儿茶素、咖啡碱等[26-27]。美拉德反应是还原糖和氨基酸在一定条件下的反应,在茶叶加工干燥中该反应剧烈,需要消耗一部分还原糖和氨基酸,同时生产新的产物,因而对茶叶的滋味形成具有重要的影响[28-29]。黄建琴[30]通过研究美拉德反应产物优化红茶品质指出:在红茶加工过程中适量添加美拉德反应产物,可明显提高红茶中滋味物质茶黄素、氨基酸、水浸出物的含量,提升红茶的滋味。

3 茶叶中美拉德反应产物特性分析

茶叶中美拉德反应主要发生在干燥过程中,由于茶叶内含氨基酸和糖种类较多及不同茶叶干燥温度和时间差异较大,因而生成的美拉德反应产物种类较多,结构复杂[31]。在茶叶研究中已发现的美拉德产物有呋喃、吡啶、吡咯、吡嗪及中间产物5-羟甲基糠醛、丙烯酰胺和末端产物类黑素及晚期糖基化末端产物等,这些美拉德产物功能特性与健康的关系十分密切[32-33]。

3.1 茶叶中类黑素的特性分析

类黑素是美拉德反应后期形成的一类结构复杂、分子量较大棕褐色物质,在茶叶加工中广泛存在,尤其是经过长时间焙火提香的茶叶[20]。研究已表明:类黑素的生成除了影响茶叶的色泽和风味品质外,这类物质还具有一定的抗氧化、抗诱变和消除活性氧等多种功能[34-36]。类黑素对多价金属离子具有螯合性,从而影响这些离子的生物活性,其抗氧化能力相当于2,6-二叔丁基对甲酚(BHT)和叔丁基羟基茴香醚(BHA),有较高的安全效能和较好的性价比[37-38]。同时类黑素对Trp-P-1、Trp-P-2、Glu-P-l、Glu-P-2、IQ、Me IQ、Me IQx等变异原性物质也显示很强抗变异原活性[39-40]。虽然类黑素与食品加工和人体健康的关系十分密切,但因其种类和结构太过复杂,目前对其形成机理及种类、结构都没有研究清楚。

3.2 茶叶中呋喃类物质的特性分析

茶叶中呋喃是经过高温加工产生的一类极容易挥发杂环化合物,在茶叶冲泡饮用过程中广泛存在于茶叶香气中[8，41]。1995年国际癌症机构把呋喃划分为“可能致癌物”,同时,欧洲食品安全委员会(EFSA)已经证实呋喃对小鼠和大鼠具有明显的致癌性,而且有证据表明呋喃引起的致癌性还具有可遗传性[42],Elif Karacaoglu等[43]、Perez Loca等[44]研究发现,呋喃对雄性生殖系统具有毒害性,虽然还没有研究表明它对人体会造成相同的伤害,但是这一研究结果足以引起重视。同时呋喃是具有芳香特性的五元杂环化合物,六个π电子非定域分布在五个环上原子上使碳原子上电子过剩,由于碳原子上π电子密度的提高而有助于自由基的亲电加成,即表现出较强的抗氧化性能[45]。所以在功能特性方面具有双面性,起作用的机制还有待深入研究。

3.3 茶叶中晚期糖基化末端产物的安全性分析

晚期糖基化末端产物(advanced glycation end products,AGEs)是广泛存在于绿茶中的一类美拉德反应产物,李凤丽[46]在中国及日本采购并调查了43种市售绿茶中AGEs代表性产物羧甲基赖氨酸(N-(carboxymethyl)lysine,CML)和羧乙基赖氨酸(N-(carboxyethyl)lysine,CEL),发现绿茶中CML和CEL普遍存在。目前AGEs是研究较清楚的美拉德反应产物,具有促氧化能力及与细胞表面受体结合促进炎症发生的能力,同时它们还可以与蛋白质交联,改变蛋白质的结构和功能[47]。大量研究表明,体内AGEs的积累与人体的很多疾病,如糖尿病、肾病(尿毒症)、心血管疾病、衰老和老年痴呆症等都有着十分密切的关系[48-50]。

3.4 茶叶中丙烯酰胺的安全性分析

丙烯酰胺(acrylamide,AA)是茶鲜叶在加工中高温受热生成的一种美拉德产物,尤其是干燥过程中易生成。王彬[32]通过研究杀青、揉捻、干燥等工艺对绿茶丙烯酰胺生成的影响,得出绿茶加工中对丙烯酰胺含量生成的影响因素主要为干燥温度、揉捻时间、杀青温度。Liu Jie等[51]采用液相色谱-串联质谱法检测了红茶、绿茶、青茶、白茶、普洱茶、黄茶中AA含量,白茶中未检测到AA,红茶、乌龙茶、黄茶含有较低的AA(<20 ng/g),普洱熟茶、烘焙普洱生茶、绿茶中含有较高含量的AA(46～94 ng/g)。Mizukami等[52]利用气相色谱-串联质谱测定了82种绿茶中AA含量,表明在还原糖存在条件下,天冬酰胺含量是影响AA形成的显著因素。现有的研究已表明丙烯酞胺形成于天冬酞胺和还原糖的缩合反应,是美拉德反应的第一阶段产物,它能氧化成环氧丙烯酰胺,后者具有烷基化作用,可与DNA上的鸟嘌呤或其他大分子物质结合,对神经、基因和生殖系统产生损伤,并有潜在的致癌性[53-54]。

3.5 茶叶中5-羟甲基糠醛的安全性分析

5-羟甲基糠醛是美拉德反应中重要产物之一,茶叶加工过程中会自然地形成5-羟甲基糠醛。现已证实5-羟甲基糠醛经过代谢形成活性中间体5-硫代甲氧基糠醛,与细胞核中的DNA、RNA和蛋白质等重要物质发生相互作用,可能对这些大分子物质造成结构性损害,从而具有致毒性和致突变性,已开展的大鼠实验也证实了5-羟甲基糠醛具有诱发并促进大鼠的结肠癌和引起中毒性肾损害作用[55-56]。

4 结语与展望

美拉德反应作为食品领域研究的重要课题,经过一个世纪的研究,其产物的生物学特性及对食品品质形成的重要作用已有较深入的认知,但因美拉德反应的复杂性,要明确每个步骤中间体变化及产物生成依然困难,同时产物生物学特性的机体生理和病理相关研究及产物对食品品质形成的决定性作用,还有待深入研究。特别是在茶叶制作相关方面的美拉德反应研究更有待深入加强,因为美拉德反应对茶叶的品质形成具有重要作用,同时其产物的安全性也需要深入认知,最近几年市场上关于美拉德反应产物在茶叶中的检出及对人体健康影响的报道逐渐增多,引发了消费者喝茶对健康的担忧,但事实美拉德反应在烘焙食品中一直广泛存在,其产物的生物功能特性及安全性都存在[8,33,53],因而如何从科学的角度阐释茶叶中美拉德反应对安全饮用的影响,还有待深入研究。同时,茶叶中美拉德反应对茶叶品质形成的重要作用及茶叶生产中美拉德产物的积累过程也有待深入研究,这将有利于茶叶的健康品饮及运用美拉德反应提升茶叶品质。