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基础研究 脂肪氧化和美拉德反应与肉品风味质量的关系 杨红菊? 乔发东? 马长伟 ? 吉?甘德迈( 中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083) 摘? 要 ? 综述了肌内脂肪的氧化机理, 阐明了脂肪氧化产物与美拉德反应之间的相互作 用, 重点指出了熟肉制品中典型风味化合物及蒸煮后肉品氧化中风味化合物的形成脂 肪通过其氧化产物影响美拉德反应, 该反应会减少杂环化合物的形成, 龙其是含硫杂环化 合物的形成熟肉的香气取决于脂肪氧化与来自美拉德反应产生的化合物之间的平衡 关键词 ? 脂肪? 氧化 ? 美拉德反应 ? 肉品风味 ? ? 脂肪氧化是导致肉在贮存和加工过程中品质劣 化的一个重要原因, 对此有人曾做过比较详细的论 述尽管人们已经对脂肪氧化的机理作过多种阐 述, 但对肌内脂肪氧化来说, 还一直未能建立起其氧 化模型 多年来, 很多研究都集中于磷脂在氧化中的作 用, 认为这类分子是脂肪氧化产生不良风味的前体 物质而认为美拉德反应是形成具有熟肉香味的挥 发性化合物的重要途径, 中性指肪的影响被认为是 可以忽略的研究还发现, 在加热熟制过程中, 脂肪 的水解和氧化产物与美拉德反应产物之间发生相互 作用, 有利于良好风味的形成, 从而提出了一个全新 的论点, 即: 肉品的风味是脂肪氧化和美拉德反应产 物之间的一种微妙平衡。

本文就目前肌内脂肪氧化方面的研究成果以及 脂肪氧化与美拉德反应产物对肉品风味的影响进行 系统的阐述 1? 脂肪氧化 1?1? 脂肪氧化的底物 磷脂是肉制品脂肪氧化的主要底物, 其次是三 酰基甘油磷脂降解的程度与肉的贮存期限、 温度、 烹调方法、 动物种类以及肌肉的代谢类型有关磷 脂的高氧化活性首先来自其所含的长链多不饱和脂 肪酸, 这些脂肪酸非常易氧化; 其次是因为磷脂是细 胞膜的组成成分, 与肌肉细胞水相中的脂肪氧化催 化剂接触密切, 其中磷脂酰乙醇胺对氧化的敏感度 最高, 因为它的长链多不饱和脂肪酸含量很高表 1 列出了在烹饪过程中鸡胴体磷脂的变化, 糖酵解 型肌肉的总磷脂含量稍有下降( 10% ) , 而小腿肌肉 下降明显( 35%) ( 鸡小腿肌肉大都是氧化型肌) 在 磷脂各种组分中, 烹饪过程对磷脂酰乙醇胺的破坏 程度较大( 40% - 45% ) , 而对卵磷脂的破坏程度较 小( 0%- 22%) 烹饪也会导致磷脂中多不饱和脂 肪酸的部分氧化, 氧化程度随脂肪酸碳链上双键数 目的增加而升高因此, 亚油酸损失较小( 0% - 45%) , 而花生四烯酸的损失达到了 50% - 70% , 22 碳五烯酸或六烯酸的损失竟高达 70%- 100%。

1?2? 脂肪氧化的机理 总的来说, 脂肪酸氧化遵循自由基反应机理, 其 主要步骤包括: 引发期、 增殖期和终止期引发期发 生时, 脂肪酸失去一个活性氢原子形成烷自由基( L ?) ; 在增殖期时, L?基和氧分子发生反应生成过氧 化物处由基( LOO?) , 然后过氧化物自由基又从另 一脂 肪酸分子中 夺取一个 氢形成氢 过氧化物 ( LOOH) , LOOH 是自动氧化的主要产物; 在终止 期, 两个自由基相互结合或一个自由基和一个质子 供体之间反应形成稳定的分子因为自旋障碍的存 在阻止了空气中三线态的氧直接和单线态的不饱和 脂肪酸发生反应, 所以关于肉的脂肪酸氧化问题, 我 们只需要重点考虑那些能从不饱和脂肪酸中夺取氢 形成烷自由基( L?) 的分子肉类食品中潜在大量 可以催化脂肪氧化的引发因子和增殖因子, 这些因 子包括活性氧、 氢氧基( OH?) 、 高铁基、 亚铁基、 二铁 氧桥基和卟啉阳离子自由基( P- Fe4+= O) 等化学 物质或脂肪氧合酶、 环氧酶以及依赖于 NAD( P) H, ADP- Fe3+和 O2的酶系统这些可能的催化剂对 ?25?2004 年第 1 期?? ?? ?? ?? ?? ?? 肉? 类? 研? 究?? ? ?? ?? ?? ?? ?? ??? 肌内脂肪氧化的作用仍有待于探讨。

目前只知道铁 离子在酶和非酶过氧化反应中起着重要作用, 无论 是游离态还是蛋白结合态、 亚铁血红素或非亚铁血 红素、 氧化型或还原型的铁离子, 都有能力氧化肌肉 中的不饱和脂肪酸, 但这些形式的铁对脂肪氧化的 作用机理还没研究清楚然而, 金属离子催化脂肪 氧化的一般机理还是很清楚的, 铁离子既能直接又 能间接地引发脂肪氧化直接引发存在两种机制: 一是高价铁( Fe3+) , 可以从不饱和脂肪酸夺取氢产 生烷自由基; 二是低价铁( Fe2+) 能形成铁氧结合物 和高价铁离子复合物, 从而直接产生烷自由基或通 过Haber- Weiss反应并结合 Fenton 反应产生活性 氧, 反应过程概括如下: Fe2++ O2?Fe3++ O2?- O2?- + H+?HO2?-Haber- Weiss 反应 O2?- /HO2?-?H2O2+ O2 Fe2++ H2O2?OH?+ OH - + Fe3+Fenton 反应 Fenton 类型的反应是生物体系中形成氢氧自 由基的主要反应血红素亚铁和非血红素亚铁都可 参与 Fenton 反应, OH?的活性极高, 具有从不饱和 脂肪酸夺取氢原子的能力而活性氧在肌内脂肪氧 化中的作用令人置疑, 因为这些活性氧主要是由酶 系统产生的, 需要 NADPH 或ATP 等辅助因子的参 与, 而这些因子在动物屠宰后几小时就不存在了; 而 且活性氧主要在细胞的水相中产生, 它们的活性很 高, 可以和周围环境中所有类型的分子结合( 如糖、 氨基酸、 蛋白质等) , 所以活性氧几平不可能从产生 位点适移到膜的疏水部位。

而先前由铁离子催化生 成的氢过氧化物正好在氧化攻击的位点分解产生 OH?, 所以只有这部分 OH?最可能诱导脂肪的氧化 超价位铁或铁氧复合物对脂肪氧化的作用仍然 是一个存在争议的问题因为超价位复合物分子结 构巨大, 而且从超价位态降至 Fe3+在生物系统内是 瞬间完成的, 超价位铁复合物一直被认为是亚铁血 红素- 蛋白和卟啉化合物的活性形态Fe3+ 可由 多种酶( 过氧化物酶、 细胞色素 P- 450、 过氧化氢 酶) 及其他亚铁血红素- 蛋白( 肌红蛋白和血红蛋 白) 形成, 所有这些亚铁血红素- 蛋白都可直接催化 脂肪氧化 亚铁血红素和非亚铁血红素中的铁离子无论处 于二价还是三价的状态都可间接地导致脂肪氧化, 催化先前形成的氢过氧化物分解以形成过氧自由基 ( LO?, LOO?) , 过氧自由基反过来又从不饱和脂肪 酸中夺取氢: LOOH+ Fe3+?LOO?+ H++ Fe2+ 或 ? LOOH+ Fe2+?LO?+ OH-+ Fe3+ 需要注意的是, 由于屠实后肉的 pH 值呈酸性, 涉及亚铁离子的第二个反应更可能发生氢过氧化 物的分解增加了脂肪氧化的速率, 因为分解生成的 这些基团夺取氢的能力比烷自由基( L?) 更强。

生物系统是复杂的, 在确定肌内脂肪氧化的主 要反应方面存在一定的难度在大多数关于细胞、 膜和组织的研究中, 很多条件仍然不能精确控制 生物系统总是一个不均一的系统, 至少包括一个亲 水的水相和一个疏水的脂相, 脂肪氧化的开始必然 发生的膜内部不饱和脂肪酸存在的位点, 又因为大 多数脂肪氧化的引发因子位于水相, 因此脂肪氧化 的引发阶段只可能发生在膜上、 肌纤维间脂肪沉积 处( 如果活性分子扩散到了沉积脂肪的表面) 、 双分 子层上或双分子层内此时, 铁和膜上蛋白的表面 位点以及磷脂的磷酸部位相结合, 从而促进脂肪的 氧化由水溶性铁催化的位于膜的疏水双分子层或 脂肪沉积处发生的脂肪氧化反应人们还知之甚少 Morrissey et al?( 1998) 指出, 动物死后铁从高分子量 的蛋白分子( 如血红蛋白、 肌红蛋白、 铁蛋白等) 中释 放出来, 这部分铁可能是导致脂肪氧化的主要原因 事实上, 游离态的铁会和有机酸、 磷酸等各种分子相 螯和, 这些螯和物可能是肌肉等生物组织中脂肪氧 化的主要催化剂动物屠宰后, 铁的促氧化作用更 加显著, 因为此时保护性抗氧化的酶系统( 超氧化物 歧化酶、 谷胱甘肽过氧化物酶、 谷胱甘肽还原酶、 过 氧化氢酶等) 失去了作用。

1?3? 过氧化物的分解和挥发性化合物的形成 氢过氧化物的分解涉及一系列非常复杂的反 应, 在这方面人们已经展开过广泛的研究研究热 点主要集中于挥发性化合物方面, 因为它们会对产 品的风味产生影响首先, 单氢过氧化物分解产生 烷氧基, 随之脂肪链烷氧基上的 C- C 键断袭生成 各种挥发性化合物如烷烃、 醛、 醇、 酯和羧酸等尽 管这个机制能解释在食品系统中发现的大多数挥发 性化合物的来源, 但无法清楚地解释呋喃、 酮、 内酯 和芳香族化合物的由来从食物中萃取到的挥发性 化合物的种类和相对比例取决于多种因素, 其中脂 肪酸的结构最为重要, 因为它会影响到氢过氧化物 异构体的数目和比例另一个重要的因素是过氧化 物形成和分解的条件, 包括氧化机理( 自动氧化、 热 氧化、 光氧化等) 和介质的条件( 温度、 pH、 离子的存 在等) 在不饱和脂肪酸氧化形成的众多挥发性化 ?26?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? ??? 肉 ? 类 ? 研 ? 究 ? ?? ?? ?? ?? ?? ? 2004 年第 1 期 合物中, 醛类、 某些不饱和酮和呋喃衍生物是最重要 的香气化合物, 包括 C3- C10的醛、 C5和 C8不饱和 酮以及戊烷基或戊烯基呋喃。

这些化合物具有多种 香味特征, 如值物油味、 动物油味、 深度油炸味、 生果 味、 金属味、 黄瓜味、 蘑菇味和水果味等来源于 n - 3 多不饱和脂肪酸的挥发性化合物的气味阈值一 般很低而且氧化活性较高, 因此它们对风味的影响 要大于 n- 6多不饱和脂肪酸, 不过它们在肌肉磷脂 和三酰基甘油中的含量低于 n- 6 脂肪酸 2? 脂肪氧化和美拉德反应 氨基酸和还原糖之间发生的美拉德反应形成了 三类不同的杂环化合物, 它们对熟肉风味的形成贡 献极大这些化合物分别是含氧、 氮和硫的杂环化 合物, 如呋喃、 呋喃酮、 吡嗪、 吡唑、 噻唑、 噻吩和环状 多硫化物据报道, 含硫的杂环化合物是熟肉的重 要香味化合物, H2S 是形成这些杂环化合物的重要 反应物, 主要来自含硫氨基酸( 半胱氨酸、 胱氨酸、 蛋 氨酸) 的 Strecker 降解虽然大多数这些化合物的 浓度很低, 但它们的气味阈值也非常低Mottram and Edwards( 1983) 提出了磷脂参与熟肉香味形成 的假设, 此后, 围绕磷脂在熟肉香味化合物形成机理 方面展开了大量的研究脂肪氧化和美拉德反应都 受反应物、 介质和其他反应产物的调节, 反应过程非 常复杂, 因此, 大多数的研究都采用模型系统来分析 这两种类型的反应之间的相互作用。

Mottram 和他 的同事开发了一种肉的模型系统, 该模型采用磷酸 缓冲液, 反应物包括氨基酸( 主要是半胱氨酸或蛋氨 酸) 和核糖, 还添加了各种磷脂的组成部分或磷脂 从研究中得到了如下结论: 1) 在只含有半胱氨酸和核糖的模型系统中, 形 成的主要挥发物是呋喃和含硫化合物, 具有很强的 硫味儿和烧焦的气味, 是一种令人不太愉快的味道 2) 当在系统中加入磷脂、 不饱和脂肪酸或磷脂 的极性基团, 系统中出现大量的不饱和脂肪酸的氧 化产物, 含硫杂环化合物所占的比例明显下降而呋 喃所占的比例只有微小的变化 这时系统出现脂肪和熟肉的气味特征含硫杂 环挥发性化合物减少的最可能的解释是: 来自脂肪 酸氧化的醛类和 H2S 发生了反应, 因此减少了形成 含硫杂环化合物的可能性; 另一种可能的机制是来 自还原糖的糠醛和氨基酸的氨基或磷脂的极性基团 ( 如乙醇胺) 之间发生了反应, 通过向模型系统中添 加乙醇胺导致糠醛的含量下降证明了该反应的存 在同样, 来自脂肪氧化。