韩美仪，刘婧，胡娜，侯丽冉，余俊哲，谢彩锋
(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530003)
红糖，是甘蔗汁采用石灰乳轻度清净或物理清净(人工撇泡或膜过滤)后，蒸发浓缩生产的带蜜结晶糖，最大程度保存了甘蔗的多酚、黄酮[1]、氨基酸、微量元素与矿物质[2]等营养因子，同时还有丰富的美拉德反应产物，具有独特的风味和抗氧化活性、提高免疫力和驱寒暖胃等功能[3]，不仅能满足人们对甜味的需求，而且能为人体提供营养和保健功能，日益受到消费者的喜爱。美拉德反应是指羰基化合物与氨基化合物之间发生的复杂的、生成类黑色素的反应，广泛存在于食品加工和贮藏过程中[4]。
美拉德反应除了会生成吡嗪、呋喃等芳香物质[5]，增强食品风味或给食品带来令人不悦的风味外，更重要的是会生成棕色至黑色的类黑精色素[6]，改变食品色泽。此外，目前大量研究已发现，美拉德反应还会产生如5-羟甲基糠醛和丙烯酰胺[7]等对人体产生不良影响的物质[8]，因此美拉德反应依然是当代食品研究领域的热点问题。
作为功能糖的一种，红糖在生产过程中，因原料蔗汁加热、蒸发及糖浆熬煮等均在加热状态完成，因此其中的果糖和葡萄糖会与赖氨酸、天冬氨酸、色氨酸等十多种氨基酸(蔗汁氨基酸种类多达16～18种，总氨基酸含量达1 444.8～6 579.9 mg/kg[9])发生美拉德反应，尤其是在蒸发与熬煮工序中，蔗汁温度高且停留时间长，美拉德反应更剧烈，生成大量的类黑精色素[10]，因此红糖颜色一般呈红棕色至黑色。即使是在常温贮藏过程中，红糖中的还原糖与氨基酸也会发生美拉德反应，使红糖色泽不断加深[11]，风味发生改变，严重影响了红糖质量的稳定性，使消费者产生消费顾虑，制约了红糖产业的发展。
1.1 红糖生产过程中的美拉德反应
在甘蔗汁经轻度加灰或使用物理方法除杂的清净过程、蒸发直至煮制浓缩获得含大量蔗糖晶体、非糖固溶物、糖蜜及少量水不溶物等组成的固态红糖过程中，甘蔗汁中葡萄糖、果糖[12]会和氨基酸发生美拉德反应，使蔗汁色泽不断加深，风味不断改变，红糖的生产过程见图1。
图1 红糖的生产过程Fig.1 Production process of brown sugar
1.1.1 清净过程
在红糖生产过程中，为了去除甘蔗汁中的泥沙、蔗糠、果胶、蛋白质、淀粉等固体微粒和胶体物质[13]，以免影响红糖水不溶物等产品指标，须对甘蔗汁进行清净处理。为了保证清净的效果和抑制甘蔗汁中微生物的生长活动，需要对蔗汁进行加热，加热温度一般为65～104 ℃。在此条件下，蔗汁中还原糖会与氨基酸发生美拉德反应[14]，使蔗汁的色泽明显加深。蔗汁的pH越高，温度越高，停留时间越长，则美拉德反应越激烈，蔗汁色泽增加越明显。Chen等[15]发现在澄清过程中，蔗汁的美拉德反应会使蔗汁含有己醛、2,6-二甲基吡嗪和2,3,5-三甲基吡嗪等芳香物质，具有轻微的坚果、烧烤和焦糖味。
1.1.2 蒸发过程
蒸发是指经澄清处理所获得的清汁在90～135 ℃条件下加热去除其中部分水分，使浓度由约15 °Bx上升至65 °Bx左右的浓缩过程。当前我国红糖生产过程中甘蔗清汁的蒸发一般采用常压蒸发(开口锅，土法熬制或小作坊)和多效蒸发系统(压力与真空相结合，机制红糖)。无论是使用哪种方式，均需要把蔗汁加热至沸腾并保持一定时间使甘蔗汁浓缩直至浓度达到指定要求，在此过程中，蔗汁中的还原糖会继续与氨基酸发生美拉德反应。蒸发时间一般比较长(45～60 min)且温度高，因此此过程所发生的美拉德反应对红糖品质的影响更明显。Asikin等[16]研究了开口锅蒸发(OP，加热温度128～132 ℃)、水平膜式蒸发(HTF，加热温度132～135 ℃)和立式膜式蒸发(VTF，加热温度132～135 ℃)3种蒸发方式对糖浆品质的影响，发现HTF和VTF所获得的糖浆中吡嗪、呋喃等及挥发性香气等美拉德反应产物含量更高，表明蒸发加热温度与方式均会影响美拉德反应。同时，Ge等[17]研究发现pH值为5.50的陶瓷膜过滤清汁于106～108 ℃进行微真空蒸发会发生激烈的美拉德反应，糖浆检测出吡嗪、醛、酮和杂环类化合物等众多美拉德反应产物。刘瀚扬[18]研究发现，清汁中部分蛋白质与蔗糖在蒸发过程均发生分解生成氨基酸与还原糖，并参与了美拉德反应，其中葡萄糖的美拉德反应活性明显高于果糖；
美拉德反应消耗的氨基酸量较蛋白质分解生成的氨基酸量较少，因此糖浆游离氨基酸含量略高于清汁。
1.1.3 煮制过程
煮制是指将蒸发糖浆进一步蒸发浓缩至可溶物浓度超过90 °Bx，使蔗糖结晶析出获得固态红糖的过程。根据操作压力的不同，可以把煮糖分为常压煮糖和真空煮糖。研究发现[19]，常压加工条件下，较高的温度会加快美拉德反应，使糖浆中美拉德反应更快进入反应后期，因此常压煮制红糖中芳香性物质种类要比真空加工的多。Chen等研究发现糖浆在123 ℃煮沸浓缩1 h后，糖浆中的吡嗪类化合物由2种增加到10种，含量从255.63 ng/g增加至536.35 ng/g。刘瀚扬发现在糖浆煮制过程中，美拉德反应的底物游离氨基酸含量显著减少，而吡咯、吡啶等美拉德反应产物不断增多，含量和煮制温度呈正相关。杨婷等[20]发现传统红糖与机制红糖均含有12种来源于美拉德反应的吡嗪类芳香性物质，说明尽管红糖的加工方式不同，但在煮制过程中均会发生美拉德反应，影响风味物质和颜色。
1.2 红糖贮藏期间的美拉德反应
在我国，红糖是典型的季产年销产品，每年11月～来年3月生产，然后进行跨年销售。研究与实践均发现，红糖在常温甚至冷藏条件下贮藏也会发生美拉德反应。程芳等[11]将红糖在室温下储藏10个月，发现红糖的色值在整个贮藏期间增加率为70.13%，增色率与5-羟甲基糠醛和-3-葡萄糖醛酮总含量呈显著相关。Asikin等[19]发现红糖在年均温度26.8 ℃、相对湿度52.1%的条件下储存12个月后，色值由18 119 IU以平均12.5%的速度增加至28 875 IU，葡萄糖和果糖的含量随着储存时间的延长而减少，红糖的褐变速率与挥发性美拉德反应产物含量呈现显著正相关。
红糖本身含有丰富的还原糖等吸水性强的物质，若贮藏密封性不好，吸潮后会显著促进红糖的美拉德反应。Chand等[21]将红糖放置在露天的开口容器中储存5个月，红糖的含水量增加了85%，还原糖和色值也显著增加，而在密封中容器储存，红糖的含水量、还原糖和色值均没有显著增加。因此，若红糖贮藏过程中密封不好，则其含水量会显著增加，加快蔗糖转化分解为葡萄糖和果糖，使美拉德增色反应更加明显[22]，影响红糖的色泽和风味。
目前，已有学者对红糖贮藏条件进行研究，以保障产品品质。Asikin等[19]研究表明在适宜条件下(年均温度26.8 ℃、相对湿度52.1%的密闭储藏室)储藏红糖的第1年内，水分活度即使增加也在建议范围内，可以免受微生物和氧化腐败，但是会加快美拉德反应的进行。Chand[23]将红糖放在装有吸湿性羧甲基纤维素(1.5 g/L)和羟丙基甲基纤维素(0.8 g/dL)的HDPE袋(100 μm)中，可以有效地防止红糖吸水，减少转化糖的转化和氧化，延长红糖的保质期。
红糖生产过程中的美拉德反应不仅受蔗汁(糖浆)pH值、加热温度、停留时间等加工条件的影响，还与甘蔗品种、成熟度、新鲜度及蔗汁中的酚、铁等并存物质等密切有关。
2.1 甘蔗原料性质
还原糖和氨基酸是红糖美拉德反应的底物，它们的种类与含量均对美拉德反应速率和褐变度有决定性影响[24]。通常来说，醛糖反应活性大于酮糖，碱性氨基酸的反应活性要高于中性与酸性的氨基酸。因为甘蔗汁中蔗糖、葡萄糖、果糖及氨基酸种类与含量等与甘蔗品种、种植土壤、收获时甘蔗成熟度、甘蔗新鲜度(收获至加工的放置时间)[25]等密切相关，因此甘蔗原料性质会对其加工生产红糖过程中的美拉德反应速度和程度有显著影响。
曾欣怡等[26]研究发现甘蔗产地及生产期长短对红糖的色泽和特征香气均有显著影响。Weerawatanakorn等[27]发现使用4个不同品种的甘蔗生产红糖，总可溶性固体含量以及果糖和葡萄糖含量差异显著，使红糖色值和挥发性美拉德反应产物含量存在显著差异。崔斐等[28]研究认为甘蔗品种对红糖挥发性物质有显著影响，在同等加工条件下，红糖香型主要取决于甘蔗品种。Takahashi等[25]比较全茎甘蔗汁红糖(W-NCS)和纯蔗肉蔗汁红糖(P-NCS)的差异，发现W-NCS的葡萄糖含量显著高于P-NCS，W-NCS中挥发性芳香物质种类为18种，而P-NCS只有7种，其中W-NCS的吡嗪类挥发性美拉德物质含量比P-NCS中的高约2倍；
此外，两者间的ΔE达9.36，表明两者在色泽上存在巨大差异。原博子等[29]发现在3月份～6月份之间，迟收获甘蔗所制备的红糖含有更多还原糖、乳酸、醋酸、琥珀酸、钙、铁及醛类等物质，苦味也更加明显，且酮类、醇类和吡嗪类等美拉德典型挥发性物质含量也存在显著差异。
2.2 加工方法
在我国红糖生产过程中，因蔗汁澄清、蒸发及煮制等加工方法不同，所发生的美拉德反应也不完全相同，因此所得红糖在还原糖、氨基酸等主要成分与芳香性物质等含量及色值、挥发性物质种类与含量等方面也存在一定差异。一般而言，温度升高有利于美拉德反应的进行，因此蒸发方式与煮制方法均会影响红糖品质。刘瀚扬[18]比较了在常压和真空条件下制备的红糖的香气成分，发现常压条件下所得红糖中香气成分的种类要比真空条件下的多。Asikin等[16]研究发现，使用加热温度为128～132 ℃的开口锅煮制的红糖，其色值仅约为使用卧式膜式煮糖罐(132～135 ℃)煮制的红糖的42%；
开口锅煮制红糖挥发性美拉德产物主要是酮类与吡嗪类，而卧式膜式的煮糖罐煮制的红糖则是酸类与酮类。García等[30]指出红糖产品的色泽参数主要取决于生产过程中热处理单元的美拉德反应。Velásquez等[31]的研究也认为热处理是食品加工中最重要的环节之一，直接决定最终产品的质量。
2.3 蔗汁中并存物质对红糖美拉德反应的影响
蔗汁除了含有还原糖与氨基酸酸外，还含有丰富的Fe、Mg及多酚等多种并存物质，这些物质也会对红糖生产过程的美拉德反应产生影响[32]。在我国甘蔗制糖生产中，在甘蔗压榨提汁过程中铁制压榨辊经长期反复挤压摩擦，会有少量的铁离子溶解进入蔗汁中，使甘蔗的铁离子含量显著增加[33]。在一定浓度范围内，离子Fe能够形成络合物，利于席夫碱形成，进而促进美拉德反应，使褐变速度加快[34]。原博子等[29]发现每100 g红糖增加1～2 mg的Fe就能检测出对美拉德反应的促进效果。镁在蔗汁中的含量也比较多(512 mg/kg)，镁离子通常能减缓美拉德反应的发生；
且3月份～6月份收获的原料甘蔗随着时间的增加，原料中的还原糖和Fe、Mg含量增加，影响了美拉德反应，加强了红糖的颜色和苦味。蔗汁中含有没食子酸等多种酚类物质，它们在红糖加工过程中不稳定，会热反应产生新的化学物质[35]，如没食子酸可以参与美拉德反应，促进美拉德反应中间体的形成，还能影响有色化合物的产生(主要取决于参加反应的糖和氨基酸)[36]。
3.1 对红糖挥发性物质成分的影响
挥发性物质是红糖风味特性的主要来源，也是消费者选择红糖产品的重要依据之一。红糖挥发性香气物质既有来自于甘蔗的，也有在生产或贮藏过程中生成的，而生产过程中生成的很大程度上决定了红糖的风味特性。崔斐等[28]在膜法红糖中鉴定出53种挥发性风味物质，其中杂环类19种、醛类10种、烃类10种、酮类4种、酚类2种，其他8种，杂环类化合物占总化合物的68%以上，吡嗪类、Strecker醛类和氧杂环类的主要来源是美拉德反应[37]。Liu等[38]在红糖中共鉴定出37种芳香活性化合物，其中关键的6种烷基吡嗪和1种乙酰吡嗪均为美拉德反应特征产物，其中2，5-二甲基吡嗪为红糖提供了坚果和烘烤气味，而呋喃酮则为红糖提供了焦糖味；
Chen等[39]指出，生产过程的美拉德反应为红糖提供了许多独特的气味化合物，如红糖中酮类含量为5 633.00 ng/g，其中2(5H)-呋喃酮含量为388.98 ng/g，是红糖的关键香气化合物，赋予红糖黄油、甜味和坚果味的特殊香气。
3.2 对红糖色泽的影响
色泽是红糖的一个重要理化指标，主要与红糖色素的种类与含量相关。因为红糖不仅含有甘蔗自身含有的色素及这些色素在加工过程中产生的衍生色素，如多酚类和酚类氧化色素与酚铁络合物，还含有在生产过程中形成的大量色素，如还原糖分解色素、美拉德反应生成类黑精色素及蔗糖焦糖化反应产生的焦糖色素。通常认为己糖碱性降解产物和类黑精是红糖呈色的主要物质之一[40]。
Weerawatanakorn等[27]发现泰国不同品种甘蔗所制的红糖的色值存在差异，色值的差异与甘蔗汁的原始色素之间关系不大，主要是由加工过程中的美拉德等化学反应产生的。杨婷等指出，红糖的颜色主要呈由红色、黄色构成的褐色；
且颜色与加工控制的条件密切相关，一般来说，熬煮时间越长，焦糖化和美拉德反应越充分，红糖的颜色越深。Gómez-Narváez等[41]发现，颗粒状红糖生产过程中，需要比块状红糖(90～92 °Brix)更高的锤度(96 °Brix)，高温热处理的时间更长，有色化合物(如类黑精)形成增加，因此褐变程度更高。可见，红糖生产过程的条件对其颜色有很大的影响。尽管上述文献说明美拉德反应是影响红糖色泽的主要原因，但目前关于该反应的呈色物质结构和机理方面的研究较少，有望进一步探索。
3.3 对红糖中营养物质的影响
红糖生产过程中发生的美拉德反应，会使蔗汁(糖浆)的果糖、葡萄糖及氨基酸含量下降，造成红糖营养价值下降。在特定条件下，蔗汁(糖浆)中的蛋白质与蔗糖甚至先发生分解转化成氨基酸和还原糖，然后参与美拉德反应[42]，造成红糖的营养价值进一步下降。蔗汁中含有丰富的氨基酸，其中苏氨酸含量较高(介于41.0～282.8 mg/kg之间)，但Zhu等[43]发现膜法红糖中总氨基酸含量较低，且在红糖中未检测到苏氨酸，这是由于氨基酸在制糖过程中参与美拉德反应产物的形成，使它们的含量降低。程芳研究发现贮藏10个月后，红糖的游离氨基酸总量随着贮藏时间的延长而降低，由303.84 mg/100 g降低至145.40 mg/100 g，其中3种碱性氨基酸平均消耗率达98.18%。
尽管美拉德反应会造成氨基酸等营养物质的损失，但因美拉德反应产物具有抗氧化、抗菌、抗炎和抗癌等生理特性[44]，因此美拉德反应会增强红糖的保健功能。研究表明，红糖加工过程中的美拉德反应会产生呋喃酮、呋喃和吡嗪等化合物[45]以及甲酸和醋酸等低分子量有机酸，呋喃酮、呋喃和吡嗪可以调节负责抗氧化防御的酶以及自由基清除活性，以防止氧化损伤；
甲酸产生的主要途径之一是美拉德反应，可以改善大鼠的肠道菌群，对人体健康有潜在的益处。
3.4 对红糖安全性的影响
红糖生产过程中pH通常小于7，在此条件下，美拉德反应会发生1,2-烯醇化产生3-脱氧葡萄糖醛酮(3-DG)、羟甲基糠醛(如5-HMF)或糠醛，也会生成丙烯酰胺(AA)和糖基化终产物(AGEs)等有害物质，可能会对红糖的食用安全带来隐患。3-DG具有细胞毒性，并会损伤细胞[46]；
5-HMF已被证实能损伤大鼠DNA，诱发大鼠的结肠癌。因为人体对5-HMF更为敏感，因此其对人体产生的危害可能更大[47]；
AA不仅具有致癌作用，还可能会损伤人体神经和生殖系统[48]，因此欧盟已实施了食品中AA基准含量的法案 (EU) 2017/2158，规定了烘焙食物、婴儿食物等食品的含量范围。AGEs已被证明会引起神经元细胞中的氧化应激和细胞毒性，与阿尔茨海默病的病理原因有密切关系。
目前已有学者在红糖中检测出3-DG、5-HMF、AA和AGEs等物质。Asikin等[19]在新鲜生产的红糖中检测到3-DG含量为4.1 mg/100 g；
且本课题组前期研究发现，红糖中3-DG含量随贮藏时间的增加呈上升趋势，且在10个月内的增加率为 88.10%。3-DG是美拉德反应的中间产物，参与并促进AGE的形成，与人体糖尿病、尿毒症有相关联系[49]。Polovková等[50]在市售25种红糖中均检测出5-HMF，其中有10种含量低于定量限，其他大部分HMF含量在0.17～6.45 mg/kg 之间，残留量较小，对人体健康的影响较小。Gómez-Narváez在块状和颗粒状红糖中均检测到AA，含量范围为60～305 8 μg/kg，AA主要在高温下由还原糖和天冬酰胺发生美拉德反应形成。Mesias等[51]在原甘蔗汁和澄清后的清汁中未检测出 AA，但在生产中的蒸发和煮制阶段，强烈的热处理使其发生美拉德反应，AA的含量不断增加，直到最终红糖AA的含量急剧增加至867 μg/kg。美拉德反应的糖基化终产物(AGEs)也经常被视为危害健康的物质，在一些患癌症、神经疾病的病人体内通常能发现高含量的AGE特异性荧光，饮食摄入是机体内AGE的重要来源[52]。Chen等[53]发现，红糖的荧光AGEs包括赖氨酸A、B和C和戊糖苷等，这些AGEs与肾功能不全、糖尿病并发症和肥胖等有关。尽管目前未对红糖中5-HMF、AA和AGEs含量的水平做出限定，但仍需在加工中严格监控，减少食品安全隐患。
红糖的生产过程(尤其是加热单元)中发生的美拉德反应，与红糖的色泽、风味、营养价值、保健功能等性质密切相关，甚至会产生对人体健康不利的物质，因此有必要深入研究甘蔗原料性质、生产方法及工艺条件对美拉德反应的影响及作用机理，为红糖生产过程中美拉德反应的定向控制提供理论依据，既保障红糖的理化品质，又可根据市场特定要求在红糖生产过程中加以控制以满足客户的要求，从而促进红糖产业的发展。
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