第一節 酵素性褐變反應 第二節 非酵素性褐變反應

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1 第一節 酵素性褐變反應 第二節 非酵素性褐變反應
09 褐變反應 第一節　酵素性褐變反應 第二節　非酵素性褐變反應

2 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。

3 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。

4 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。

5 褐變之形成若和酵素的參與有關，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）。

6 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-carbonyl reaction)、焦糖化反應(caramelization)及抗壞血酸氧化作用(ascorbic acid oxi-dation)。

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8 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，

9 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)氧化成黑色素(melanin)所致。

10 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

11 酵素性褐變反應的必需因子 酵素 基質 氧氣 金屬離子

12 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。

13 基質 多酚氧化酶之基質有酪胺酸(tyrosine)、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）。

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20 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。

21 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。

22 酵素性褐變的反應機制 羥化作用 氧化作用

23 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(-OH)，使單元酚成為二元酚(diphenol)，即為羥化作用，反應式如下：

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25 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：

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28 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）。

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30 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，以下為防止酵素性褐變反應的方法。

31 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

32 抑制酵素活性 加熱處理 降低pH值 添加酵素抑制劑

33 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2~3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性。

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35 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4~7，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。

36 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

37 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。

38 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。

39 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；EDTA)。

40 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：

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42 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：

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44 隔絕氧氣 去除氧氣 浸漬食鹽水

45 去除氧氣 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。

46 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。

47 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。

48 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。

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50 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-enzymatic browing reaction)。

51 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)。

52 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。

53 梅納反應 抗壞血酸氧化褐變 焦糖化反應

54 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-C＝O)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。

55 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。

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58 梅納反應速率的影響因子 梅納反應的反應機制 梅納反應對食物的影響 梅納反應的抑制

59 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

60 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ε-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。

61 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3~5倍，60℃以上褐變速率急劇增加。

62 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。

63 氧氣 氧的存在會促進還原酮(reductone)的形成，但在氮氣下，糖－胺基酸之褐變反應仍會緩慢進行。

64 水活性 梅納反應在水活性(Aw) 0.4~0.8時，反應速率最快，愈遠離此範圍，反應愈不易進行。

65 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。

66 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。

67 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。

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72 初期階段 中期階段 末期階段

73 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(Schiff's base)再縮合為N-取代的葡萄糖胺(N-substituted glucosylamine)，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。

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77 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。

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79 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。

80 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

81 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α-雙羰基化合物(α-dicarbonyl compound)，此類化合物與α-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。

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83 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α-胺基酸形成胺基還原酮(amino reductone)，促使香氣及風味的形成，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。

84 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。

85 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。

86 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。

87 致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。

88 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

89 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，以下列出幾種可延緩梅納反應之方法。

90 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

91 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。

92 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。

93 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。

94 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

95 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。

96 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。

97 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。

98 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，在果蔬汁加工中，抑制或防止抗壞血酸之氧化褐變是一重要之研發課題。

99 抗壞血酸氧化褐變的反應機制 抗壞血酸氧化褐變的影響因子 抗壞血酸氧化褐變的抑制

100 抗壞血酸氧化褐變的反應機制 在氧氣的存在下，抗壞血酸極易氧化成脫氫抗壞血酸(dehydroascorbic acid)，再進一步氧化為不可逆的2, 3-二酮古洛糖酸(2, 3-diketogulonic acid)。進而裂解成呋喃醛(furfural)，並釋出二氧化碳，最後形成梅納汀，如圖9-11。

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102 抗壞血酸氧化褐變的影響因子 pH 2以下抗壞血酸氧化褐變不易進行，影響此反應進行之因子除pH值外，溫度、氧氣量、催化劑（銅離子）的存在及抗壞血酸氧化酶(ascorbate oxidase)是否存在等都是反應速率之重要影響因子。

103 抗壞血酸氧化褐變的抑制 在蔬果汁加工中，殺菁、脫氧等處理皆可抑制酵素活性，再配合不透氧包裝、真空或充氮包裝皆可有效的延緩抗壞血酸之氧化褐變，以提升商品價值。

104 焦糖化反應 焦糖化反應係指糖類在沒有胺基化合物存在下，以高溫加熱或以酸鹼處理，使醣類最終變成褐色之反應。此反應會形成二類物質：(1)脫水產物；(2)糖的裂解產物。此反應在常溫下進行緩慢，因此，通常在高於糖類的融點以上之溫度進行。任何糖類都可發生此反應，即使是製造糖果的蔗糖，亦先轉化成葡萄糖及果糖後，再發生焦糖化，形成褐變顏色，對糖果顏色及風味形成貢獻良多。

105 焦糖化之終產物醬色或焦糖(caramel)，為一種深褐色、水溶性之醬狀物，常可當商業上使用的天然著色劑，使用範圍如：醬油、焦糖布丁、焦糖咖啡或滷味中常會添加，有增色的效果。焦糖是一種天然著色劑，在製備上條件須控制妥當，否則會產生不良的顏色及苦味。

106 [ The End ]