1、 22 Univ.Chem.2023,38(4),2234 收稿：2022-09-30；录用：2022-11-29；网络发表：2022-12-19*通讯作者，Emails:(李厚金);(肖华)基金资助：广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目；广东省高等教育教学改革项目；中山大学本科教学质量工程项目 化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202209091 美味的化学奥秘美味的化学奥秘 奇妙的美拉德反应 李厚金*，肖华*，黎懿漳，余静怡，洪凯楠，陈六平，朱芳 中山大学化学学院，广州 510006 摘要：摘要：美食的制作过程本质上是复杂的化学反应，其中最著名的是美拉德反应，它是食
2、品色泽、风味的来源。本实验对复杂的美拉德反应体系和实验研究方法进行了创新性至简化设计，以常见氨基酸、蛋白质与糖为原料，开发了在家用微波炉就能完成的简单、安全、易于操作的美拉德反应，产物具有不同的怡人特征风味，并通过紫外-可见光谱、气质联用分析技术解析了风味产物的结构，建立美味与化学成分之间的本质关联。同时，将美拉德反应应用于厨房里的美食制作，现场烹饪出色、香、味、营养俱佳的菜肴。由简至繁、由浅入深、层层递进的科普实验设计，适合于社会各层次人群。本科普实验普及化学知识，解密美味之源，探索美味化学，使人们懂得制作并享受健康美食，热爱生活；也充分展现化学的神奇与魅力，有助于激发社会公众对化学的兴趣与
3、热爱。关键词：关键词：美拉德反应；氨基酸；蛋白质；糖；美食；科普 中图分类号：中图分类号：G64；O6 The Chemical Mysteries of Delicacy:The Excellent Maillard Reaction Houjin Li*,Hua Xiao*,Yizhang Li,Jingyi Yu,Kainan Hong,Liuping Chen,Fang Zhu School of Chemistry,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006,China.Abstract:The Maillard reaction,which is
4、 the main source of food color and flavor,is one of the most recognized chemical reactions in cooking.The simplified experimental methods of the complex Maillard reaction were innovatively designed using common amino acids,proteins,and sugars as raw materials.These reactions were easily preformed in
5、 a household microwave oven.The flavor products were analyzed by ultraviolet-visible(UV-Vis)spectroscopy and gas chromatography-mass spectroscopy(GC-MS)to evaluate the fundamental relationship between flavor and chemical components.Moreover,delicious and nutritious cuisines can be cooked in the kitc
6、hen facilitated by the Maillard reaction mechanism.This study explored the chemical mysteries of delicacy,and demonstrated the magic and charm of chemistry.It is rich in content,diverse in forms,and suitable to popularize chemical knowledge in society.Key Words:Maillard reaction;Amino acid;Protein;S
7、ugar;Delicacy;Popularization of science 1 引言引言 民以食为天。饮食文化历史悠久，博大精深。色泽红亮的红烧肉、柔嫩多汁的煎牛排、酥脆松软的烤面包数不尽的美食佳肴，它们色泽迷人、馥郁芳香、口感鲜美，令人唇齿留香，心旷神怡。美好生活离不开一日三餐，美食制作也成为每个公民的一项必备技能。近日，教育部正式印发义务教育课程方案，并发布义务教育劳动课程标准(2022年版)。据了解，劳动课程共设置十No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202209091 23个任务群，“烹饪与营养”作为其中一个任务，要求学生们在1至9年级学习中分阶段学会烹饪，从择菜、洗
8、菜，到使用简单的烹饪器具，用蒸、煮方法加工食材，再到能独立制作3至4道菜，在学习与实践过程中了解科学膳食与身体健康的密切关系，增进对中华饮食文化的了解1。如何利用简单的食材制作出色、香、味俱全，营养又健康的美食呢？这不仅是普通民众亘古不变的追求，也是科学家们一直在探索的科学问题。美食的制作过程本质上是复杂的化学反应，其中最著名的是美拉德反应(Maillard reaction)。美拉德反应对食品风味、色泽和营养有重要影响，同时与生命体的生理和病理过程密切相关，是国际研究热点2。温度、时间、浓度、含水量、pH、盐度均对反应有影响3。文献报道的反应条件大多比较复杂，需要在专业的化学实验室中才能完成
9、。本实验创新设计了由简至繁、由浅入深、层层递进的美拉德反应，旨在向社会公众揭开这一复杂反应的神秘面纱，展示实验室与生活中色、香、味俱全的美拉德反应，并解析其风味来源，探索美味的化学奥秘。传播生活中的化学知识，展示化学的神奇与魅力，激发公众对化学的兴趣与热爱，提升科学素养。2 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 1912年，法国化学家Louis-Camille Maillard发现并报道甘氨酸和葡萄糖混合加热产生褐色物质4。1953年，美国化学家John E.Hodge为了纪念这一开创性研究工作，将其命名为美拉德反应(Maillard reaction)，并且首次阐述了反应机理5。美拉德
10、反应是非酶促褐变反应，是羰基和氨基化合物之间发生的一系列氧化、环化、脱水、缩合等反应6。美拉德反应机理分为初期、中期和末期三个阶段(图1)7,8。以葡萄糖和氨基化合物反应为例，初期阶段葡萄糖与氨基酸发生缩合反应，生成N-糖基化合物，经重排产生Amadori重排产物。中期阶段主要为Amadori重排产物的降解反应和氨基酸的Strecker降解反应。根据反应条件不同，Amadori重排产物能发生1,2-和2,3-烯醇化，1,2-烯醇化生成3-脱氧糖酮，经脱水、脱氨和环化形成糠醛及其衍生物，2,3-烯醇化生成1-脱氧糖酮，经脱氨后生成活泼的二羰基化合物和还原酮类9；另外，1-脱氧糖酮和少量3-脱氧糖
11、酮能与体系中的氨基酸作用，发生Strecker降解，生成醛类、吡嗪类等风味物质10；此外，反应产生的二羰基化合物能够与体系中的氨基酸反应生成晚期糖基化产物(AGEs)11。末期阶段反应复杂，反应机理尚不明确。中期生成的众多活性中间体经过脱水、分解、环化、聚合等一系列反应，形成类黑精、更高级的不饱和醛和各种衍生的挥发性化合物12。美拉德反应产物中的低分子量化合物和类黑精等物质具有抗氧化、抗过敏、抗突变、抑菌、保护心血管等多种功能特性13；但是，晚期糖基化产物AGEs被证明与人类衰老、糖尿病、慢性肾衰竭、阿尔兹海默症等有很大关系14。因此，深入研究美拉德反应机理及产物特性，对于促进人体健康具有重要
12、意义。2.2 试剂或材料试剂或材料 实验试剂包括18种氨基酸：甘氨酸、L-丙氨酸、L-丝氨酸、L-缬氨酸、L-苏氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-天冬氨酸、L-谷氨酸、L-赖氨酸、L-精氨酸、L-脯氨酸、L-组氨酸、DL-蛋氨酸、L-半胱氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸，分析纯；6种糖：D-葡萄糖、D-果糖、D-核糖、D-木糖、乳糖、蔗糖，分析纯；二氯甲烷，色谱纯；以上试剂均购于上海麦克林生化科技有限公司。全脂奶粉(安佳)购于京东商城。2.3 仪器仪器 实验所用主要仪器见表1。24大 学 化 学Vol.38 图图1 美拉德反应机理美拉德反应机理(以葡萄糖与胺的反应为例以葡萄糖与胺的
13、反应为例)表表1 实验所用仪器和设备实验所用仪器和设备 仪器名称 型号 生产厂家 微波炉 M1-L201B 广东美的厨房电器制造有限公司 超声波清洗机 KQ2200 昆山市超声仪器有限公司 电子分析天平 BSA224S-CW 德国赛多利斯 紫外-可见分光光度计 PerkinElmer UV750 美国PE公司 气相色谱-质谱联用仪 8860-5977B 安捷伦科技有限公司 2.4 表征方法表征方法 2.4.1 紫外紫外-可见分光光度计表征可见分光光度计表征 以纯二氯甲烷溶剂作为对照，建立基线，扫描波长范围为250550 nm，表征美拉德反应中间产物的形成情况。2.4.2 气相色谱气相色谱-质谱
14、联用测试质谱联用测试 气相色谱条件：色谱柱HP-5MS(30 m 0.25 mm，0.25 m)；载气为高纯He，载气流速1.0 mLmin1；进样口温度260 C，进样量1 L，不分流进样；程序升温，50 C保持2 min，以6 Cmin1速度升温至120 C，再以10 Cmin1升温至280 C保持10 min。HOOHOHOHOHOHOOHOHOHOHNHOOHOHOHOHHNR NH2H2ORRHOOHOHOHOHN RHOOHOHOHOHHN RHOOCHNOONH2Furosine(糠氨酸)酸解胺(氨基酸、肽或者蛋白质)Glucose(葡萄糖)Schiff base(席夫碱)1,2
15、-EnaminolAmadori产物2,3-EnaminolHOOHOHOHN RH2OHOOHOHOOH2O糖基化终产物Lys-衍生物3-DeoxyosoneOOR1R2a-DicarbonylsHOOHOHOHOR NH2HOOHOHOO1-DeoxyosoneH2OOOHOR3COOHNH2R NH2糖基化终产物Lys-/Arg-/Cys-衍生物/R SHNR3R2R1OHOOCCO2NR2R1OHR3H2OHNR2R1OHR3OHH2NOHR1R2R3OStrecker aldehyde氨基酸5-HydroxymethylfurfuralR NH2H2O与胺基化合物（氨基酸、肽或者蛋白
16、质）发生多步复杂反应生成棕褐色物质类黑精（Melanoidins）No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202209091 25质谱条件：电离方式EI，电离能量70 eV，离子源温度230 C，四极杆温度150 C；质量扫描范围30450 amu；溶剂延迟3 min。2.5 实验步骤实验步骤/方法方法/现象现象 2.5.1 反应条件探索及优化反应条件探索及优化 在美拉德反应中期阶段开始形成风味物质，其风味类型与反应速率主要取决于反应物(氨基酸与糖)结构、反应时间、温度、浓度、水分含量、pH、盐离子种类及其浓度等1517。文献报道的反应大多在溶剂中进行，条件比较复杂，需要在专业的化学实验室中才能完成3。本实验对实验方法进行创新性简化，在家用微波炉中进行美拉德反应，并对反应条件进行摸索优化。单一的葡萄糖和单一的氨基酸自身无法进行美拉德反应，两者混合后滴加适量水即可在微波炉中进行美拉德反应，产生褐色物质，并且产生特征香味。例如，D-葡萄糖+水、L-脯氨酸+水，均不反应；D-葡萄糖+L-脯氨酸+水发生反应(图2a)。奶粉+水、奶粉+D-葡萄糖，几乎不反应；奶粉+D-葡萄糖+水反应现