酵素性褐变反应课件

1、學習目標1.了解褐變反應的種類及分類。2.學習酵素性褐變反應、反應必需因子、反應機制及抑制酵素性褐變反應之方法。3.明白非酵素性褐變種類。4.清楚梅納反應、反應關聯因子、反應機制及抑制梅納反應之方法。前言褐變(browning)即為食物在儲藏、運輸或加工等過程，其顏色轉變成深褐色之現象。褐變現象廣泛存在食品中，它對食品的外觀、氣味及營養價值的改變影響重大。在某些食品，如：咖啡、啤酒、蘋果汁、烤麵包、炒花生、炸馬鈴薯片等食品，某些程度上的褐變通常被認為是必需且重要的，然而許多蔬果、冷凍或脫水食品褐變會產生許多不良氣味及外觀，因此，了解褐變機制及抑制方法亦為加工業者一個重要的探討課題。褐變之形成若

2、和酵素的參與有關，則稱為酵素性褐變反應(en-zymatic browning reaction)；若無酵素參與，則為非酵素性褐變反應(nonenzymatic browning reaction)（圖9-1）。前者主要參與的酵素，如：酪胺酸(tyrosinase)或多酚氧化(polyphenol oxi-dase；PPO)等，主要是將酪胺酸或多酚等基質轉變為(quinone)，最後形成黑色素(melanins)；後者並無酵素的參與，但最終仍會形成梅納汀(melanoidins)，亦稱為褐變反應，此類反應包括：梅納反應(Maillard reaction)或稱為胺羰反應(amino-carbo

3、nyl reaction)、焦糖化反應(caramelization)及抗壞血酸氧化作用(ascorbic acid oxi-dation)。第一節酵素性褐變反應許多蔬果類（如：蘋果、桃、梨、香蕉、洋菇、馬鈴薯、牛蒡等）及海產類（如：蝦）食物，於正常狀況下，酚類物質在細胞中與酚酶(phenolase)隔開，並不會發生褐變，但當食物削皮或損傷時，細胞發生破裂，酚類物質與酚酶產生接觸，並暴露於空氣中與氧作用，而使其組織顏色變暗甚至變成褐色，此種褐變反應稱為酵素性褐變反應(enzymatic browning reaction)，此現象乃是因為受傷組織中之酵素活化，將組織中的酚類化合物(phenol

4、)氧化成黑色素(melanin)所致。酵素性褐變反應的必需因子酵素性褐變的反應機制防止酵素性褐變反應的方法酵素性褐變反應的必需因子酵素基質氧氣金屬離子酵素在富含多酚基質之植物組織中，亦常伴隨有多酚氧化之酵素，其中包括：(1)以銅離子為輔基(prosthetic group)的銅酵素，如：酪胺酸酶(tyrosinase)、對苯二酚氧化酶(p-diphenoloxidase)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase；PPO)等；(2)以鐵離子為輔基的鐵酵素，如：過氧化酶(peroxidase)，但過氧化酶在酵素性褐變反應上並非那麼的重要。基質多酚氧化酶之基質有酪胺酸(tyrosine)、

5、兒茶酚(catechol)、咖啡酸(caffeic acid)、漂木酸(chlorogenic acid)、原兒茶酸(protocatechuic acid)等酚類物質（圖9-2）。氧氣酵素、基質及氧氣是酵素性褐變缺一不可之三大要素，因此，當植物細胞受傷而使細胞與氧的接觸機會大增時（如：切削梨、蘋果、牛蒡等），酵素性褐變反應隨即發生。金屬離子酵素性褐變參與之酵素需有銅離子當輔基，因此，當氧氣與銅離子存在時，會加速酵素性褐變之進行。酵素性褐變的反應機制羥化作用氧化作用羥化作用此類酚氧化酶之基質為單元酚( monophenol)，酚酶在單元酚之對位(para-)或鄰位(ortho-)加入羥基(-O

6、H)，使單元酚成為二元酚(diphenol)，即為羥化作用，反應式如下：此羥化反應初期進行緩慢，但末期則反應快速，如圖9-3。酪胺酸酶將酪胺酸羥化為多巴(dopa)，反應式如下：氧化作用酚酶另一類酵素以二元酚為基質，將二元酚之羥基氧化成二苯醌類(diquinone)，其反應如下。多酚氧化酶以多巴為基質進行氧化作用，形成多巴醌，此反應進行快速。最後經一連串的氧化聚合反應而形成吲哚5, 6-醌(indol 5, 6-quinone)最後產生黑色素（圖9-3）。防止酵素性褐變反應的方法酵素活性及反應基質為酵素反應的必要條件，因此，抑制酵素活性或反應基質的改變或去除，將可有效抑制酵素性褐變反應的進行，

7、以下為防止酵素性褐變反應的方法。抑制酵素活性去除反應基質抑制反應進行隔絕氧氣添加金屬離子螯合劑抑制酵素活性加熱處理降低pH值添加酵素抑制劑加熱處理蔬果在脫水加工、冷凍儲藏、裝罐或其他處理前之殺菁(blanching)操作或高溫短時間(high temperature short time；HTST)加熱，對抑制多酚氧化酶之活性頗為有效。一般而言，殺菁在沸水中處理23分鐘即可，高溫短時間處理則只要在121處理數秒鐘即可。在80對梨泥熱處理8秒鐘即可抑制50%多酚氧化酶活性；於90處理8秒鐘即可完全抑制此酵素活性。由圖9-4可發現，以95之加熱處理馬鈴薯，僅需10秒即可抑制90%多酚氧化酶之酵素活

8、性。降低pH值每種酵素都具有最適的pH值活性，多酚氧化酶其最適pH值為47，因此，利用降低pH值，可有效抑制此酵素的活性。在蔬果加工中常用來降低pH值的酸化劑為檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸或醋酸等有機酸。添加酵素抑制劑二氧化硫或亞硫酸鹽氯化鈉及其他抑制劑螯合劑二氧化硫或亞硫酸鹽二氧化硫(sulfur dioxide；SO2)及亞硫酸鹽(sulfite；SO32)為多酚氧化酶之抑制劑，廣泛使用於食品工業。二氧化硫及亞硫酸鹽有防腐及保存維生素C之作用，但有異味、破壞維生素B1及引起氣喘之缺點。如：金針在乾燥過程中易發生酵素性褐變，以二氧化硫薰蒸可有效抑制酵素性褐變的發生，但業者仍須遵守食品添加物使用範

9、圍及用量標準，其中規定乾燥金針二氧化硫之殘留量應為4.0 g/kg (4,000 ppm)之標準以下。氯化鈉及其他抑制劑氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)或硫尿素(thiourea)等，皆可抑制多酚氧化酶之活性，然可供食品工業使用者，以氯化鈉較合適，其他可能具有毒性或惡臭而不適用。0.1%之氯化鈉即可有效抑制酵素性褐變，因此使用相當廣泛。螯合劑銅離子為多酚氧化酶之輔基，因此，銅離子的螯合去除，亦可有效的抑制酵素性褐變。常使用的螯合劑(chelating agent)為多元有機酸，如：檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸、酒石酸或乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid

10、；EDTA)。去除反應基質二酚類化合物（如：咖啡酸、漂木酸等）以間-O-甲基轉移酶(m-O-methyltransferase)將s-腺嘌呤核苷基甲硫酸胺(s-adenosyl-methionine)轉移至鄰二酚類化合物，將二酚類化合物轉變成不被多酚氧化酶作用之甲氧基酚衍生物（如：阿魏酸）。此種基質甲基化的方法，雖然抑制酵素性褐變反應的效果頗佳，但因所需成本高，故在業界較少使用。此方法之反應如下：抑制反應進行酵素性褐變為一種氧化反應，當反應產生苯醌之中間產物後，加入還原劑（如：抗壞血酸），可使苯醌還原成二酚類化合物，而減少酵素性褐變反應之發生，其作用機制如下：隔絕氧氣去除氧氣浸漬食鹽水去除氧氣

11、蔬果殺菁後，輔以脫氧、真空或充氮包裝，對酵素性褐變反應有良好的抑制效果。浸漬食鹽水食鹽水中之含氧量少於純水，因此，將削皮後的蘋果、梨等蔬果暫時浸漬於食鹽水中，具有延緩褐變的時間，且兼具有防止微生物之效果；於食物外側塗附糖液亦同樣有隔氧之效果。添加金屬離子螯合劑添加螯合劑（如：EDTA）對多酚氧化酶之輔基因子銅離子有螯合作用，因此可抑制酵素活性，進而抑制酵素性褐變反應之進行。圖9-5概括式地列出酵素性褐變反應進行步驟及各步驟中的抑制方法。第二節非酵素性褐變反應大部分食品經長時間保存或加熱均會發生褐變反應，與酵素性褐變相反的是，這些褐變未有酵素參與反應，故稱為非酵素性褐變反應(non-enzyma

12、tic browing reaction)。非酵素性褐變反應包括：梅納反應（Maillard reaction，或胺羰反應(amino-carbonyl reaction)）、抗壞血酸氧化褐變(oxidation browning of L-ascorbic acid)及焦糖化反應(caramelization)。許多食品如：咖啡、焦糖、麵包、洋芋片、早餐穀類食品等，它們都須藉著非酵素性褐變反應提供這些產品的風味、香氣及顏色，然而仍須防止過度褐變而影響產品品質，因此，唯有了解非酵素性褐變反應的種類、反應機制及其抑制方法，才能有效控制褐變的程度，以減少不良風味、顏色的產生及營養效價的降低。梅納反

13、應抗壞血酸氧化褐變焦糖化反應梅納反應梅納反應最初由法國科學家L.C. Maillard於1912年所發現，故稱為梅納反應，其是由胺基(R-NH2)與羰基(R-CO)反應後而得褐變之反應，因此亦稱為胺羰反應。其中胺基包括：氨、游離胺基、胺基酸、胜肽、蛋白質及醯胺；羰基則包括：醛、酮或是由脂質、多酚及氧化維生素C產生之羰基類化合物。由於食品幾乎都含有上述成分，因此，儲存或加工過程中很容易發生梅納反應，其影響不但會生成褐變物質，但也是加工調理過程產生風味的重要來源。近來梅納反應不僅在食品上，甚至與營養、生化、生理及老化上都有重要的關聯，如表9-1及圖9-6所示。梅納反應速率的影響因子梅納反應的反應機

14、制梅納反應對食物的影響梅納反應的抑制梅納反應速率的影響因子反應物溫度pH氧氣水活性輻射其他反應物參與梅納反應之胺基化合物中以第一級胺速率最快，胺基酸中以離胺酸(lysine)之-胺基最富反應性。除了離胺酸外，甘胺酸(glycine)、精胺酸(arginine)、組胺酸(histidine)等鹼性胺基酸較易發生褐變。羰基化合物中，醛基反應性較酮基高，因此，醛醣褐變速率快於酮醣。溫度褐變反應於室溫下進行緩慢，但每隨溫度上升10，反應速率則增快35倍，60以上褐變速率急劇增加。pH隨著pH值的上升，褐變速率明顯的加快，pH 5以下則反應進行緩慢。氧氣氧的存在會促進還原酮(reductone)的形成，

15、但在氮氣下，糖胺基酸之褐變反應仍會緩慢進行。水活性梅納反應在水活性(Aw) 0.40.8時，反應速率最快，愈遠離此範圍，反應愈不易進行。輻射輻射易使大分子斷裂產生小分子之羰基化合物，因此會促進梅納反應進行而產生褐變。其他金屬離子如：銅鐵離子會促進反應；其他添加物如：磷酸鹽、食鹽對梅納褐變之進行亦有影響。梅納反應的反應機制梅納反應過程複雜，大致可分初、中、末三期（圖9-7），分述如下。初期階段中期階段末期階段初期階段梅納反應初期階段包括：胺羰縮合與分子重排，反應初期由葡萄糖與胺基化合物反應形成希夫氏鹼(Schiffs base)再縮合為N-取代的葡萄糖胺(N-substituted glucos

16、ylamine)，再經安瑪多立重排(Amadori rearrangement)而生成果糖胺(fructosamine)可再與葡萄糖反應生成雙果糖胺(difructosamine)（或稱為1-胺基-1-去氧-2-酮醣，1-amino-1-deoxy-2-ketose），反應如圖9-8。中期階段於梅納反應中期階段，安瑪多立重排生成之1,2-烯二醇(1, 2-enediol)產物為胺基還原酮(amino reductone)（或稱為烯醇型N取代的1-胺基-1-去氧-2-酮醣，enol form N-substituted-1-amino-1-deoxy-2-ketose），此產物較不安定，一部分經

17、自氧化生成葡萄糖酮醛(glucosone)，胺基還原酮脫水生成3-去氧葡萄糖酮醛(3-deoxyglucosone)，再進一步脫水生成5羥甲基2-呋喃醛(5 hydroxymethyl 2-furfural)。圖9-9為梅納反應中期還原羰基形成之過程。末期階段由以上所生成之還原性雙羰基化合物，如：不飽和羰基或呋喃醛類等，會進一步與胺基化合物作用生成褐色物質梅納汀(melanoidin)，為反應最後的階段。梅納反應對食物的影響二氧化碳及香氣之產生溶解度下降營養價值降低致突變物與抗致突變物之生成致癌物丙烯醯胺的形成抗氧化物之生成二氧化碳及香氣之產生在還原醣胺基酸或氧化型維生素C胺基酸系統中加熱，會

18、產生二氧化碳，並伴隨香氣產生，在此梅納反應中期會產生乙二醛(glyoxal)、甲基乙二醛(methyl glyoxal)或葡萄糖酮醛或3-去氧葡萄糖酮醛(3-deoxyglucosone)等-雙羰基化合物(-dicarbonyl compound)，此類化合物與-胺基酸進行縮合反應後會伴隨脫羧(CO2)反應，而生成比原胺基酸少一個碳之醛類，此為史特烈卡降解(Strecker degradation)。史特烈卡降解反應如圖9-10。雖然史特烈卡降解反應並非直接與褐變色素的形成有關，但提供了反應所需要的還原性化合物，亦即雙羰基化合物與-胺基酸形成胺基還原酮(amino reductone)，促使香

19、氣及風味的形成，進一步生成吡口井(pyrazine)化合物，這些化合物雖非為褐變物質生成的主要來源，但卻是食品焙炒產生的重要香氣成分物質。溶解度下降奶粉、脫脂大豆粉隨著儲藏期限的增加，其梅納反應也顯著增加，隨即造成蛋白質的變性而使溶解度下降。營養價值降低梅納反應的發生造成氮利用率下降，另外，必需胺基酸、維生素C也會因梅納反應的進行而減少。致突變物與抗致突變物之生成蛋白質或胺基酸的熱裂解產物與梅納反應之產物可以互相作用形成IQ(2-amino-3-methylimidazo-4,5-f quinoline)或MeIQ類之雜環胺致突變物，亦有研究指出，梅納反應產生之還原酮或梅納汀具有抗致突變性。致

20、癌物丙烯醯胺的形成瑞典國家食品管理局於2002年4月指出，高澱粉含量之食物經高溫油炸或燒烤會產生高量的丙烯醯胺(acrylamide)。丙烯醯胺為公認致癌物，然其於食品中形成的原因尚未完全釐清，但推測天門冬醯胺酸(asparagine)與還原醣經梅納反應為其主要產生的途徑，而甲硫胺酸(methionine)亦有可能形成丙烯醯胺。國際癌症研究中心已將丙烯醯胺列為人類可能的致癌物質。抗氧化物之生成隨著褐變之進行，還原酮或梅納汀等物質不斷產生，此類物質在油脂中具有良好的抗氧化性梅納反應的抑制幾乎所有食品皆含有胺基與羰基，因此大多數食品都會發生梅納反應，若要防止梅納反應的進行實屬不易，以下列出幾種可延

21、緩梅納反應之方法。降低溫度降低pH隔離氧氣控制水活性減少輻射添加亞硫酸鹽其他降低溫度反應速率與溫度的上升成正比，因此，盡量降低溫度將可有效延緩梅納褐變的進行。溫度愈低，安瑪多立產物愈少。降低pH將pH值降至5以下，有助於梅納褐變進行之延緩。pH值愈高，褐變愈明顯。隔離氧氣脫氧、真空包裝可減少接觸表面積，即能減少氧氣對梅納反應之促進作用。控制水活性將水活性降至0.4以下，可延緩梅納反應之進行減少輻射以褐色包裝或儲放陰暗處，皆可減少輻射對梅納反應的促進作用。添加亞硫酸鹽亞硫酸鹽(sulfite)可減少羰基化合物之反應性，亦有保存維生素C之效果，因此可有效抑制梅納褐變。其他以非還原醣（如：蔗糖）代替還原醣，或將不要的糖分去除，如：以葡萄糖氧化酶以除葡萄糖，可有效抑制褐變反應之進行。抗壞血酸氧化褐變L-抗壞血酸即維生素C，普遍存於蔬果汁中，因此，長期儲放會造成抗壞血酸氧化而發生蔬果汁之褐變，嚴重影響其品質，且目前抗壞血酸常作為果蔬汁中營養素流失或氧化程度之指標，因此，在