嬰幼兒配方奶粉美拉德反應指示物研究進展

賈宏信，蘇米亞，陳文亮，劉海安

乳業生物技術國家重點實驗室，上海乳業生物工程技術研究中心，光明乳業股份有限公司乳業研究院（上海 200436）

嬰幼兒配方奶粉是母乳的最佳替代物，也是人工喂養嬰兒的唯一營養來源，其營養特性對嬰幼兒的生長發育至關重要[1]。為保證嬰幼兒的食用安全，嬰幼兒配方奶粉往往會經歷較高的熱處理工序，以保證其微生物安全和實現制粉，另外奶粉含水量低產品貨架期較長（1.5～2年），這些因素都會對嬰幼兒配方奶粉的營養價值產生影響[2-3]。其中，加工和貯存過程中的Maillard反應是嬰幼兒配方乳粉加工及貯存過程中不可避免的品質劣變，該反應的發生不但會影響嬰幼兒配方奶粉的營養價值，還會產生一些不利于嬰幼兒健康的產物，如糠氨酸（furosine）、羥甲基糠醛（5-hydroxymethyl-2-furfuraldehyde，HMF）、糠醛（2-furaldehyde，F）、呋喃甲基酮（2-furylmethylketone，FMC）、甲基糠醛（5-methyl-2-furaldehyde，MF）、羧甲基賴氨酸（carboxymethyl lysine，CML）、羧乙基賴氨酸（carboxyethyl lysine，CEL）等[2,4-8]。就嬰幼兒配方奶粉Maillard反應中前期的主要產物糠氨酸和糠醛類化合物進行綜述，并對其形成過程進行分析，為嬰幼兒配方奶粉加工及其貯存提供參考。

1 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應

1.1 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應過程

早在1912年，法國化學家Maillard提出美拉德反應，它是一種由羰基化合物（糖類）和氨基化合物（胺、氨基酸、肽和蛋白質）在食品加工和貯存過程中發生的非酶褐變反應[9]。Maillard反應可分為初級階段、高級階段和最終階段3個階段（圖1）。初級階段，氨基酸與還原糖縮合形成希夫堿（Schiff’s base），經環化、重排形成阿姆瑞德（Amadori）化合物。高級階段，Amadori化合物在不同的環境中發生不同反應，主要有：Amadori化合物在酸性環境中經過1, 2-烯醇化反應生成3-脫氧酮糖；在中性環境中經過2, 3-烯醇化反應產生1-脫氧酮糖，并進一步生成還原酮類及脫氫還原酮類；在堿性環境中降解為4-脫氧酮糖。最終階段，目前對其反應機理尚無明確的理論，僅明確其主要的產物為類黑精（melanoidins）[10-12]。嬰幼兒配方奶粉的Maillard反應初期階段，因其主要的還原糖為乳糖，且游離的賴氨酸含量較少，因此其Maillard反應主要為乳糖與蛋白質中的賴氨酸氨基基團作用形成Schiff’s base，然后經Amadori重排轉化為與蛋白質結合的Amadori化合物（1-脫氧-1-氨基）乳糖賴氨酸[（1-deoxy-1-amino-）lactulosyllysine]，此化合物在熱處理不劇烈或者短時期內會穩定存在，經過酸水解可以形成糠氨酸、羧甲基賴氨酸和羧乙基賴氨酸等。高級階段，為Amadori化合物的裂解反應，3-脫氧酮糖反應生成羥甲基糠醛（HMF）、糠醛和吡咯素（pyrraline）等，1-脫氧酮糖生成β-吡喃酮（β-pyranone）和3-呋喃酮（3-furanone）等。最終階段，Maillard反應生成類黑精，而類黑精多與蛋白質形成復合物[4-5,12]。

圖1 嬰幼兒配方奶粉美拉德反應

1.2 嬰幼兒配方奶粉Maillard反應影響因素

對于嬰幼兒配方乳粉的加工過程而言，影響乳粉Maillard反應的因素有配方中乳糖、賴氨酸含量、加工過程溫度、加工時間等。嬰幼兒配方奶粉中富含蛋白質和還原糖（乳糖），其加工過程需經歷高溫（殺菌、濃縮、噴霧干燥等），因此極易發生Maillard反應。此外，嬰幼兒配方奶粉還含有豐富的脂質（多不飽和脂肪酸）、礦物質和維生素等對Maillard反應起促進作用的物質，可以進一步促進Maillard反應的發生。研究顯示多不飽和脂肪酸、鐵和維生素C等會增加羥自由基的形成[13-16]，賴氨酸糖基化和色氨酸氧化[16-17]。在貯存過程中，包裝（氣調）、貯存溫度、貯存時間、產品的水分活度等也會影響嬰幼兒配方乳粉的Maillard反應。雖然一般嬰幼兒配方奶粉處于干燥、隔氧、避光的狀態，但是Maillard反應卻一直在發生。研究顯示在低溫干燥的食品體系中Maillard反應進展緩慢，但Maillard反應仍會引起奶粉色澤（類黑精）、氣味（醛類和酮類）及營養指標賴氨酸等改變[18]。

2 嬰幼兒奶粉中糠氨酸

2.1 嬰幼兒奶粉中糠氨酸水平

乳制品中的糠氨酸，是乳蛋白質在高溫條件下與還原糖（乳糖等）發生“Maillard”反應所產生的系列產物之一。糠氨酸[ε-N-（2-呋喃甲基）-L-賴氨酸]由Erbersdobler 等[19]于1966年發現其化學性質穩定，是Maillard反應早期產物Amadori化合物（1-脫氧-1-氨基）乳糖賴氨酸的酸水解產物[20]。多年來，糠氨酸已成為乳品加工過程熱處理類型和強度、配方、貯存對乳品質量影響的指示物[11,20]，如我國農業行業標準NY/T 939—2016《巴氏殺菌乳和UHT滅菌君如中復原乳的鑒定》就使用糠氨酸水平來區分巴氏殺菌乳、UHT殺菌乳等[21]。嬰幼兒奶粉實際加工過程中，相比于巴氏殺菌乳和UHT殺菌乳具有更高的熱處理工序，因此其糠氨酸水平可能會更高。表1數據顯示：嬰兒配方奶粉中糠氨酸水平范圍為55～1 937 mg/100 g蛋白，且多數研究顯示糠氨酸含量在300 mg/100 g蛋白以上；較大嬰兒配方奶粉糠氨酸水平范圍為141～1 467 mg/100 g蛋白，且多數研究顯示含量在600 mg/100 g蛋白以上[2,22-30]。數據顯示較大嬰兒配方奶粉糠氨酸水平高于嬰兒配方奶粉。對于這一現象，其可能是因為兩者的配方組成不同導致的，如嬰兒配方奶粉含有的蛋白質較低，但乳清蛋白含量較高，以及兩者的礦物質含量、脂肪含量也存在差異。劉斌等[6]通過分析嬰兒配方奶粉和較大嬰兒配方奶粉在生產加工過程中糠氨酸含量的差異也發現，同一生產線下生產的嬰兒配方奶粉的糠氨酸含量顯著低于較大嬰兒配方奶粉。

表1 嬰幼兒配方奶粉中糠氨酸含量

2.2 加工工藝及配方組成對嬰幼兒奶粉糠氨酸的影響

嬰幼兒配方奶粉中蛋白質含量為0.43～0.96 g/100 kJ，碳水化合物含量為1.8～3.6 g/100 kJ，且碳水化合物主要為乳糖，以及嬰幼兒配方奶粉在加工制造過程中需經歷滅菌、濃縮、噴霧干燥、流化床二次干燥等熱加工工序，這些都會導致糠氨酸的生成，另外隨著奶粉貯存時間的延長，糠氨酸含量也會隨之增高。根據奶粉生產工序的受熱程度，一般認為濃縮和噴霧干燥2道序會造成糠氨酸大量升高，因此這2道工序也是控制嬰幼兒奶粉糠氨酸的關鍵工序。如劉斌等[6]研究顯示，嬰兒配方奶粉的糠氨酸水平在原料乳、殺菌、濃縮、硫化床二次干燥和包裝5道工序內，糠氨酸的最高值出現在濃縮工序。Contreras-Calderón等[23]研究顯示在配料（除植物油外）、植物油混合、噴霧干燥3道工序中，糠氨酸的最高值出現在噴霧干燥工序。研究提示，在嬰幼兒奶粉生產過程中，熱加工工序（主要為濃縮工序和噴霧干燥工序）為控制嬰幼兒奶粉的關鍵控制點，在實際生產嬰幼兒配方奶粉時需對這些熱處理工序進行優化與控制。除了加工工藝對嬰幼兒配方奶粉糠氨酸含量的影響外，奶粉配方本身也會影響其糠氨酸的生成。研究顯示，配方糖類成分及含量、蛋白質種類及金屬離子的種類等都會影響糠氨酸的生成[23-24]，如：當配方中的乳糖部分被麥芽糊精替換后，其糠氨酸水平會顯著下降；乳清蛋白被部分水解乳清蛋白替換時，其糠氨酸水平也顯示出顯著降低[23]。

2.3 貯存條件對嬰幼兒奶粉糠氨酸的影響

嬰幼兒配方奶粉一般具有較長的貨架期，因為Maillard反應在貯存過程中會持續發生，因此其糠氨酸也會持續發生。研究顯示奶粉的包裝、貯存溫度、貯存時間等都會影響奶粉中糠氨酸的含量，而且其含量一般隨貯存溫度升高而升高，隨貯存時間延長而升高[28-29]。Guerra-Hernández等[28]研究嬰兒配方奶粉分別在氮氣和氧氣環境中，溫度在20 ℃和55 ℃條件下儲存90 d的糠氨酸含量變化，結果顯示糠氨酸的含量隨著貯存延長而提高，且同種溫度下氮氣氣調下糠氨酸的水平會升得更高，同種氣調條件下溫度越高糠氨酸的水平會升得越高。Ferrer等[29]發現氣調（二氧化碳和氮氣氣調，殘氧≤3%）后的嬰兒配方奶粉20 ℃或37 ℃儲存24個月，嬰幼兒配方奶粉的糠氨酸含量曾現增高趨勢，且37 ℃下相比于20 ℃增高更加明顯，如嬰兒配方奶粉貨架期跟蹤至24個月，糠氨酸含量從0個月的161.5 mg/100 g蛋白，20 ℃下增高至647 mg/100 g蛋白，37 ℃下增高至863 mg/100 g蛋白。這些研究說明在貯存過程中溫度和時間是影響嬰幼兒奶粉糠氨酸生成的主要因素，但同時其還受包裝（氣調）方式的影響，提示嬰幼兒配方奶粉的生產加工和貨架期設定需要考慮氣調方式及產品的存放環境。

3 嬰幼兒奶粉中糠醛類化合物（Furfurals）

3.1 嬰幼兒奶粉中糠醛類化合物的水平

乳制品中的糠醛類化合物主要有HMF、F、FMC和MF，其中HMF和F為檢出頻率和檢出量最高的2種糠醛類化合物，而FMC和MF的檢出頻率和檢出量都較低[3,26]。由圖1所示，乳制品中的HMF來源途徑分為2種：一種為乳糖異構化和降解，稱為游離羥甲基糠醛；另一種為Maillard反應中乳糖與蛋白質中的氨基酸發生Amadori重排生Amadori產物，通過酸水解Amadori產物而生成羥甲基糠醛，稱為結合羥甲基糠醛[31]。Berg等[32]的研究顯示，牛乳中HMF的主要來源為乳糖的異構化與降解而不是Maillard反應。為了區分不同來源的5-HMF，研究者將不經過水解而直接測定的糠醛化合物稱為游離糠醛化合物，水解后由糖、Amadori產物生成的所有糠醛化合物稱為總糠醛化合物[33]。嬰幼兒配方粉中F-HMF（游離羥甲基糠醛）含量范圍為6～1 412 μg/100 g，總羥甲基糠醛（T-HMF）含量范圍為0～2 925 μg/100 g，F-F（游離糠醛）含量范圍為0～128 μg/100 g，T-F（總糠醛）含量范圍為6～256 μg/100 g[2-3,28,30,34-42]。數據說明嬰幼兒配方粉中糠醛類化合物在不同產品中差異大，同時也說明非Maillard反應產生的糠醛也大量存在于嬰幼兒配方中，實際跟蹤嬰幼兒Maillard反應產物糠醛類化合物含量水平時，需同時考慮用游離糠醛化合物和總糠醛化合物這2類糠醛化合物含量水平評估。嬰幼兒配方奶粉與不同品類乳制品糠醛類化合物含量的對比為巴氏殺菌牛奶＜超高溫牛奶＜原味發酵牛奶＜嬰兒奶粉＜成人奶粉＜復原奶粉＜炭燒發酵乳＜復原酸奶[34]。

表2 嬰幼兒配方奶粉中糠醛類化合物含量

3.2 加工工藝及配方組成對嬰幼兒配方奶粉糠醛類化合物的影響

基于嬰幼兒配方奶粉加工工藝需要經歷多個熱處理過程及糠醛類化合物有兩個生成路徑。研究顯示[3,6]，在加工過程中，嬰幼兒配方奶粉中糠醛類化合物主要出現在熱處理較強的濃縮和噴霧干燥工序。如Shen等[3]依據乳粉加工工藝流程詳細分析嬰幼兒配方奶粉加工過程中各階段料液/物料（原料乳、凈化乳、巴氏殺菌乳、均質乳、濃縮乳、噴霧干燥粉）的糠醛類化合物的含量，結果顯示F-HMF和T-HMF從巴氏殺菌乳開始含量快速上升，且在噴霧干燥階段達到最高；而F-F主要在噴霧干燥工序產生，T-F從均質工序含量快速上升，且在濃縮、噴霧干燥階段達到最高。結果顯示嬰幼兒加工過程中糠醛類化合物主要產生于熱加工過程中，如巴氏殺菌、濃縮及噴霧干燥工序，同時也說明嬰幼兒奶粉中存在非Maillard反應糠醛類化合物，其該類化合物也受加工工藝的影響。進一步研究顯示，配方組成的不同也會影響糠醛類化合物的生成，如：劉斌等[6]的研究顯示，較大嬰兒配方奶粉相對于嬰兒配方奶粉具有更高的HMF含量；Ferrer等[42]通過對比分析較大嬰兒配方（碳水化合物54%，其中乳糖32.4%，麥芽糊精21.6%）和嬰兒配方奶粉（碳水化合物（乳糖）55%）發現，較大嬰兒配方奶粉中HMF和F的含量都高于嬰兒配方奶粉。研究說明，加工工藝（加工過程熱處理強度）、產品配方（特別是乳糖）組成等都會影響嬰幼兒配方中糠醛類化合物的生成。但研究顯示，嬰幼兒配方中添加DHA不會對產品糠醛類化合物含量造成影響，也不會影響其貯存期糠醛類化合物含量[38]。

3.3 貯存條件對嬰幼兒配方奶粉糠醛類化合物的影響

類似于糠氨酸，貯存過程中影響糠醛類化合物的因素主要有貯存時間、貯存溫度和包裝形式。且糠醛類化合物的變化趨勢一般也表現為隨著時間的延長而升高。另外，因為Maillard反應是一個動態變化過程，及糠醛類化合物還會進一步反應產生終端Maillard產物，因此在嬰幼兒配方奶粉考察期，糠醛類化合物最高值并不一定出現在研究考察的末期，如：Albala′- Hurtado等[40]研究顯示，嬰幼兒配方奶粉和嬰幼兒配方奶中的F-HMF、T-HMF、F-F和T-F在考察期都隨貯存期的延長（0～9個月）而增高，且在不同貯存溫度下（20，30和37 ℃），貯存溫度越高HMF和F的升幅越大；Ferrer等[39]通過跟蹤20 ℃和37 ℃下奶粉的整個貨架期（24個月）發現，嬰幼兒配方奶粉的糠醛類化合物含量在貨架期內存在一定波動，如嬰兒配方奶粉F-HMF的含量在37 ℃下第18個月高于第15和第21個月，T-HMF的含量第15個月高于18個月，F-F只有在第18個月有檢出等。一般而言，嬰幼兒配方奶粉為充氮或充氮和二氧化碳密閉保存，且產品處于隔氧、避光狀態，有利于嬰幼兒配方奶粉貨架期品質的穩定，但是嬰幼兒配方奶粉在食用時會打開包裝破壞這一密閉環境，造成配方內Maillard反應加速，影響產品的品質。如Chavez-Servin等[35]詳細分析20款嬰幼兒配方奶粉開口后在室溫（25 ℃）條件下貯存70 d的T-HMF和T-F含量變化，結果發現奶粉開口后Maillard反應會得到增強。

4 結語與展望

嬰幼兒配方奶粉在加工及貯存過程中會發生Maillard反應，并形成一些不利于嬰幼兒健康的Maillard產物，特別是糠氨酸和糠醛類化合物。這些化合物的形成不但與產品配方、加工工藝相關，且與產品后期的貯存條件（溫度、時間、包裝形式等）相關。因此為了嬰幼兒健康，需對嬰幼兒配方奶粉的Maillard反應足夠重視，并研究相關控制措施。根據Maillard反應的具體影響因素，今后需重點關注嬰幼配方奶粉的熱加工工藝和貯存條件，并解決如下問題：研究配方組成（特別是蛋白、碳水化合物）與嬰幼兒配方奶粉Maillard反應產物的量化關系，確認配方優化技術路線；重點研究殺菌、濃縮和噴霧干燥工序與Maillard產物的量化關系，并建立相關工藝關鍵控制措施；開展Maillard產物與嬰幼兒健康的相關關系研究，為嬰幼兒配方乳粉相關指標的控制提供參考依據，以促進嬰幼兒配方乳粉的健康發展。