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解释一下咖啡烘焙中的美拉德反应(Maillard reaction)

美拉德反应(Maillard reaction),也翻译为梅纳德反应,又称羰氨反应(Amino-carbonyl reaction),是广泛分布于食品工业的非酶促褐变反应(Non-enzymatic browning),如常见的煎牛排、煎饺、烘焙咖啡豆、烘烤饼干、烘烤面包、烤棉花糖等过程。在咖啡豆烘焙过程中,美拉德反应通常快速在约140–170 °C开始进行,之后在较高的温度下,焦糖化反应(170–200 °C)和随后的裂解(~220 °C)变得更加明显。

美拉德反应让咖啡豆变成棕色,还原糖类的羰基与氨基酸、蛋白质的氨基经过一系列复杂反应,最终生成棕黑色的大分子物质类黑素(Melanoidin),并产生除了甜味以外更可口的鲜味。在此过程中产生了数百上千种不同的风味化合物,包括还原酮、醛和杂环化合物,体现出宜人可口的风味和诱人的色泽。然而,高温亦有利于形成一种称为丙烯酰胺(Acrylamide)的可能致癌物。Mottram等人推测了美拉德反应产物经由史崔克降解(Strecker degradation)最终形成丙烯酰胺的可能途径。

1912年,法国化学家路易斯∙卡米拉∙美拉德(Louis Camille Maillard,1878–1936)发表了一篇论文,描述了在高温下氨基酸与糖之间的反应。1953年,非裔美国化学家约翰∙爱德华∙霍奇(John Edward Hodge,1914–1996)将这个反应正式命名为“美拉德反应”,为其建立了一套反应机制。

根据Hodge模型,美拉德反应分为三个阶段:(1) 糖的羰基与蛋白质或氨基酸的氨基反应,生成水和不稳定的糖胺(Glycosylamine);(2) 糖胺异构化成席夫碱,转化成亚胺正离子、烯胺醇等构型,经过Amadori重排反应,最后产生一系列氨基酮糖(Aminoketose)化合物;当氨基酮糖化合物经历进一步的重排、转化、加成和聚合反应时,产生许多具有不同风味、香气和颜色的小分子化合物(如吡嗪、吡啶、吡咯、呋喃类化合物等)。