焦糖化反应(Caramelization)发生在比美拉德反应更高的温度下，一般从170 °C开始。与美拉德反应一样，焦糖化也是一种非酶促褐变反应。但与美拉德反应不同的是，焦糖化是热解反应，而不是与氨基酸的反应，反应物仅涉及糖分子，比如二糖蔗糖在焦糖化时被分解成单糖——果糖和葡萄糖。
焦糖化是糖的褐色化过程，广泛用于烹饪，在此过程中获得的棕色源于糖的三组脱水聚合产物 ： 焦 糖 酐 (Caramelans ， C 24 H 36 O 18 ) 、 焦 糖 烯 (Caramelens ， C 36 H 50 O 25 ) 和 焦 糖 素 (Caramelins ，C 125 H 188 O 80 )。
此外，在咖啡豆烘焙的焦糖化过程中，更多具有挥发性的醛酮类小分子化合物被热解释放出来，比如2,3-丁二酮(2,3-butanedione，Diacetyl)常被认为是具有特殊奶油香味的风味化合物，而呋喃酮(Furaneol)贡献出了特殊的焦糖味。焦糖化反应实则降低了食物的甜度，却增加了风味的复杂性。