文章鉴读|中北大学化学工程与技术学院李河教授：焦糖化与美拉德反应中DDMP、HMF及糠醛的生成研究

食品工业科技编辑部

2025-04-24

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摘要

食品热加工中广泛存在的美拉德反应除赋予食品色香味外，还会生成有害或有异味物质，2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮（DDMP）、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）及糠醛就是其中重要的产物。本文分别建立了3种焦糖化和3种美拉德反应体系，研究DDMP、HMF和糠醛的生成规律。结果表明，HMF和糠醛分别容易在果糖和木糖焦糖化体系中生成，在美拉德反应体系中，赖氨酸的参与抑制了HMF和糠醛生成，促进了DDMP的生成。结合中间产物和终末产物的表征，单糖的结构差异是影响三种化合物生成的主要因素，赖氨酸会竞争性抑制单糖降解的焦糖化途径，从而抑制HMF和糠醛的生成。本文可对食品热加工业中DDMP、HMF和糠醛的生成、控制及定向合成提供指导。

食品在贮藏、热加工及发酵过程中会产生一些有苦味或对人体存在健康威胁的化合物，如2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4（H）-吡喃-4-酮（DDMP）、5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）及糠醛。它们主要来源于食品加工贮藏过程中的焦糖化反应（Caramelization）和美拉德反应（Maillard Reaction，MR）。在没有氨基存在时，糖类尤其是单糖，加热会发生脱水与降解，当温度高达熔点以上会发生褐变，即发生焦糖化反应。当有氨基（源于铵根离子、氨基酸、多肽或者蛋白质）参与时，还原糖的羰基还会与氨基经缩合、聚合而最终生成类黑精，即发生 MR。由于焦糖化和美拉德反应在食品中的广泛存在，DDMP、HMF 及糠醛在蜂蜜、蔬菜、水果、调味品、烤面包、饮料等多种食品中被发现。

作为焦糖化或美拉德反应的中间产物，DDMP、HMF 和糠醛可以继续反应生成棕色及香味物质，具有增香调色功能，但对人体是否有害，目前尚存在争议。HMF 和 DDMP 被认为是中草药中的有效活性分子，如 HMF 在体外具有抗酪氨酸酶活性的作用，DDMP 具有强抗氧化性，可以抑制人结肠癌细胞增殖，促进其凋亡。然而，研究表明，糠醛或 HMF 被机体吸收后，会对肝脏、肾脏、心脏等器官产生不良影响；HMF能损害老鼠的 DNA，诱发大鼠的结肠癌和引起中毒性肾损害，对眼黏膜、上呼吸道黏膜等产生刺激作用。DDMP 会在体外诱导DNA链发生断链和突变，也会刺激大鼠体内自主神经活动。此外，糠醛、HMF和DDMP 带有苦味，会影响食品的可接受度。因此，DMP、HMF和糠醛仍然被认为是许多食品中严格控制的成分，进一步了解它们在不同 MR 体系中的形成途径，对于在实际应用中合理管理食品加工和贮藏具有重要意义。目前，糠醛被允许作为香料使用，但在不同食品中有明确限量；欧洲食品安全委员会推荐HMF的最大限量为1.6mg/人/d；Janzowski等认为摄入 HMF 0.5~1.0 mg/kg 没有健康威胁。

目前大部分研究着重关注 HMF 的生成。卢键媚等建立了糖-酸模型体系，研究了反应条件对 3-DG 和 HMF 生成的影响，结果表明，果糖和蔗糖反应体系中 3-DG 和 5-HMF 生成量远高于葡萄糖反应体系。欧隽滢等研究了 5 种添加物对模型体系中 HMF 的生成影响，证实碳酸氢钠、碳酸氢铵和食盐在模拟体系和饼干中可以显著减少HMF形成；硫酸铝钾和硫酸铝铵则大幅加 HMF 生成量。Gükmen等基于水果贮藏过程中二羰基化合物与HMF的存在情况，讨论了美拉德反应在水果中的新角色。关于DDMP、HMF 和糠醛在焦糖化和美拉德反应体系共同生成规律的研究不多，本文通过建立 3 种焦糖化体系、3 种美拉德体系，探究不同反应体系，不同单糖种类以及赖氨酸的引入对DDMP、HMF 和糠醛生成的影响，以期为食品贮藏、热加工提供有效的安全引导。

结果与分析

2.1 HPLC 检测 DDMP、HMF 和糠醛

一般美拉德反应体系常由等摩尔的羰基和氨基构成，作为人体必需氨基酸之一，赖氨酸在食品原料中广泛存在，因此本实验选择赖氨酸参与的美拉德模型作为研究对象。采用HPLC对焦糖化和美拉德反应体系中的 DDMP、HMF 和糠醛进行检测，图 1 为三种物质标准品、焦糖化样品和美拉德样品的液相色谱图。三种物质的保留时间、线性方程及相关系数见表3。如图1所示，在 1.2.3.3 的色谱条件下，三种物质在 10 min 实现完全分离，峰型和分离度均较理想。不同反应样品的基质简单，色谱图未见明显干扰，可以准确对三种化合物进行积分和定量分析。图 1C 中美拉德反应样品 DDMP 生成量较大，定量时需稀释后分析，为便于比较，使用了稀释前的样品。

图 1 3 种物质标准品与样品的液相色谱图

Fig.1 HPLC chromatograms of standards and samples

注：A-标准品；B-典型焦糖化样品（均为加热 120 min 时取样）；C-典型美拉德样品（均为加热 30 min 取样）。

表 3 三种物质的保留时间、线性方程及决定系数

Table 3 Retention time, linear equation and correlation coefficient of three compounds

2.2 不同体系中 DDMP、HMF 和糠醛的生成规律

2.2.1 DDMP 的生成

不同焦糖化及美拉德反应体系中 DDMP 的生成规律见图 2，由图 2 可知，随着加热时间的延长，焦糖化体系中的DDMP含量逐渐升高，其 DDMP 含量顺序为果糖>木糖>葡萄糖，葡萄糖加热时没有 DDMP 检出；而美拉德体系中 DDMP呈先增加后降低的趋势，这是因为 DDMP 不稳定，在反应中会发生降解，在反应前期，DDMP 急剧累积，后期随着底物消耗，降解速度大于生成速度，DDMP含量下降。DDMP 在美拉德体系中的生成量（最大为 125.11±1.54 mg/L）远远大于焦糖化体系（最大为3.21±0.18 mg/L），其顺序为木糖-赖氨酸>葡萄糖-赖氨酸>果糖-赖氨酸，与焦糖化体系差异较大。这表明赖氨酸的参与促进了 DDMP 的生成。

图 2 焦糖化和美拉德反应中 DDMP 的生成

Fig.2 Formation of DDMP in caramelization and

Maillard reaction

注：A-焦糖化反应；B-美拉德反应；图 3~图 5 同。

2.2.2 HMF 的生成　

不同焦糖化及美拉德反应体系中 HMF 的生成规律见图 3，由图 3 可知，随着加热时间的延长，两种体系中的 HMF 含量逐渐升高（P<0.05），经过方差和多重比较分析发现，焦糖化体系中 HMF 含量顺序为果糖最高，葡萄糖次之，木糖最少；而美拉德体系中葡萄糖-赖氨酸中的含量与果糖-赖氨酸没有显著性差异，木糖-赖氨酸体系中没有HMF 检出；由图 3 可知，对比果糖和果糖-赖氨酸体系，赖氨酸的参与反而抑制了 HMF 的生成。

图 3 焦糖化和美拉德反应中 HMF 的生成

Fig.3 Formation of HMF in caramelization and Maillard reaction

2.2.3 糠醛的生成

不同焦糖化及美拉德反应体系中糠醛的生成规律见图 4，由图 4 可知，糠醛主要在焦糖化体系中生成，并且木糖体系中糠醛的生成量远远大于其他体系，木糖是五碳糖，五碳糖降解易生成糠醛，这与前人报道的结果一致。三种美拉德体系中均没有糠醛检出。这说明赖氨酸的参与也抑制了糠醛的生成。

图 4 焦糖化和美拉德反应中糠醛的生成

Fig.4 Formation of furfural in caramelization and Maillard reaction

2.3 3-DG 的生成

1-DG 和 3-DG 分别是焦糖化和美拉德反应体系中 DDMP 和 3-DG 的前体物质，由于目前缺乏 1-DG 标品，本实验只测定了不同体系中 3-DG 中的含量。如图 5 所示，在焦糖化体系中，3-DG 的生成规律与 HMF 一致，这说明果糖焦糖化体系中 HMF 生成量的增加主要取决于果糖降解生成较多的 3-DG。然而在美拉德体系中，3-DG 在木糖/果糖-赖氨酸体系中没有检出，在葡萄糖-赖氨酸体系加热初期生成较多，30 min 之后逐渐降解，直至无法检出。下文将结合反应强度综合讨论 DDMP、HMF 及糠醛的生成途径。

图 5 焦糖化和美拉德反应中 3-DG 的生成

Fig.5 Formation of 3-DG in caramelization and Maillard reaction

2.4 DDMP、HMF 及糠醛生成途径分析

一般认为，在焦糖化反应中，戊糖脱水反应后生成糠醛，己糖经脱水后生成 HMF 和 DDMP，而反应剧烈时，HMF 会裂解为糠醛。在 MR 中，氨基和羰基先形成席夫碱，席夫碱重排生成阿马道里重排产物（Amadori rearrangement products，ARPs）或者海因斯重排产物（Heyenes rearrangement products，HRPs）。当反应体系 pH≤7 时，ARPs 或者 HRPs 主要发生 1,2-烯醇化形成二羰基化合物3-脱氧葡萄糖醛酮（3-DG），后环化形成糠醛及 HMF 等；当反应体系 pH>7 时，ARPs 或者 HRPs 则发生 2,3-烯醇化反应、产生1-脱氧葡萄糖醛酮（1-DG），之后环化形成DDMP。HMF 和 DDMP 既在焦糖化反应中生成，也在 MR 中生成，两者随着反应体系及条件的变化存在竞争关系。三种物质在焦糖化和美拉德体系下的生成路径见图 6。

图 6 己糖焦糖化和美拉德反应中 DDMP、HMF 和糠醛的生成路径

Fig.6 Proposed formation pathway for DDMP, HMF and furfural fromcaramelization and Maillard reaction models

最近的研究表明干热或低水分时，葡萄糖-脯氨酸体系易发生 2,3 烯醇化，更多地生成 DDMP，由此可见，除 pH 以外，水分含量及氨基酸活性也会影响 DDMP 和 HMF 的生成。反应产物的生成含量与底物浓度、反应温度、时间、体系 pH 等因素有关，而这些因素都会直接影响反应强度。一般通常用反应物消耗、初级、中间及终末成色产物（brown products，BPs）的生成来表征美拉德反应进程。Li等证实无色中间产物（uncolored intermediate products，UIPs）是美拉德反应中 BPs 的主要前体物质，一般用 294 nm 处的紫外吸收值（A294）来表征，标志着颜色变化的开始。UIPs 主要包括糖基化产生的醛类、酮类等物质。一般用 420 nm 处的吸光值来表征 BPs 的生成，表示美拉德反应的褐变程度。本文采用 A294 和 A420 表征反应强度。

三种焦糖化体系的美拉德反应均不剧烈，A420很小，几乎没有成色物质生成。A294 值也并没有显著性差异（数据未给出），这表明在反应强度相近的情况下，单糖结构是影响 DDMP、HMF 和糠醛的主要因素。焦糖化体系中 3-DG 的含量与 HMF 生成一致，均为果糖>葡萄糖>木糖。图 7 为美拉德反应体系中反应强度的变化。由图 7 可知，美拉德反应的强度要远远大于焦糖化体系。DDMP 生成与 A294的趋势呈正相关，均为木糖-赖氨酸>葡萄糖-赖氨酸>果糖-赖氨酸。然而 HMF 和糠醛的生成却呈现不同的趋势。尽管木糖-赖氨酸体系的 A294 值最大，但该体系中却没有 HMF 和糠醛检出。相反 HMF 更容易在葡萄糖/果糖-赖氨酸体系中生成。这主要是因为 HMF 还有一个关键的不饱和前体物质 3,4-DGE（图 6），3,4-DGE 存在 Z 和 E 两个异构体，只有 Z 能够形成 HMF。无论是 DDMP、HMF、糠醛，还是 3-DG，在强度很大的美拉德反应中，均属于动态变化。随着反应物的消耗，DDMP 会进一步分解生成小分子酮类及其他裂解产物，而 HMF会进一步参与到褐变反应，生成 BPs。对比 A420 值发现，随着反应时间的延长，三种美拉德体系的褐变值逐渐接近。在 120 min 时，木糖-赖氨酸体系有半固态树脂化产物生成，导致 A420 测定值降低。这说明，木糖-赖氨酸中中间产物更快地参与到了褐变反应中。3-DG除了脱水环化生成 HMF 之外，还会发生反缩醛化生成丙酮醛等小分子醛类，进一步参与到高级反应阶段。因此，在美拉德体系中监测到的 3-DG 变化只是一个静态值，并不能直接反映体系中 3-DG 是否产生（图 5B）。Kanzler 等报道发现在麦芽糖-脯氨酸和麦芽糖-丙氨酸体系中，没有检测到 1-DG 和 3-DG，但 DDMP 浓度却分别达到 113 和 138 μmol/L。这意味着二羰基化合物真实产生过，但由于反应过于剧烈没有被追踪到。

图 7 美拉德反应中中间产物（A294）和终末产物（A420）的变化

Fig.7 Evolution of the absorbance at 294 nm (A) and 420 nm (B) as indicators of intermediate and advanced stages of MR, respectively

结论

本文基于 120 ℃ 油浴加热，建立了木糖、果糖、葡萄糖焦糖化体系及木糖/果糖/葡萄糖-赖氨酸美拉德体系来研究 DDMP、HMF 和糠醛的生成规律。结果表明，体系生成的三种物质含量随着加热时间的延长而增加。果糖焦糖化体系中 HMF 的生成量最高，木糖焦糖化体系中糠醛的含量最高，赖氨酸通过竞争性抑制单糖降解的焦糖化途径抑制 HMF 和糠醛的生成。DDMP 在果糖和木糖焦糖化体系中均有生成，但含量不高。赖氨酸的参与促进了美拉德体系中DDMP的大量生成，尤其在木糖-赖氨酸体系中，DDMP的含量达到了 125.11±1.54 mg/L。结合 A294和 A420 结果可知，单糖结构差异与赖氨酸竞争性参与单糖降解是影响DDMP、HMF 和糠醛生成的主要因素。

引用本文：王丹，况丹妮，刘若阳，等. 焦糖化与美拉德反应中DDMP、HMF及糠醛的生成研究[J].食品工业科技，2022，43（12）：100−107. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021090221.

Citation: WANG Dan, KUANG Danni, LIU Ruoyang, et al. Formation of DDMP, HMF and Furfural in Caramelization and Maillard Reaction[J]. Science and Technology of Food Industry, 2022, 43(12): 100−107. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021090221.

基金项目: 国家自然科学基金（32001817）；山西省高校科技创新计划（2020L0298）；晋中市重点研发计划（农业）（Y212006）。

通信作者简介

李河，男，山西大同人，中共党员，工学博士，中北大学化学工程与技术学院校聘副教授，主要从事生物工程专业相关的教学科研工作。

教育与工作经历

2019. 11 -至今，中北大学化学工程与技术学院，讲师

2015. 9 - 2019. 6，华南理工大学，食品科学与工程学院，工学博士

2014. 7 - 2015.8，华南理工大学现代食品工程研究院，实验室精密仪器管理人员

2011. 9 - 2014. 6，山西大学，生命科学学院，工学硕士

2007. 9 - 2011. 6，天津农学院，食品科学与生物工程学院，工学学士

主要研究方向

食品Maillard reaction中有害物质的生成与调控机制
天然植物多酚抑制Maillard reaction中有害产物生成的结构效应及构效关系
食品Maillard reaction中味觉与嗅觉化合物的结构鉴定与感官评价
食品接触材料中潜在危害物的检测与迁移

项目与文章

参与国家自然科学基金面上项目1项，在Journal of Agricultural and Food Chemistry, Food Chemistry, Food and Bioprocess Technology,食品科学、现代食品科技等国内外期刊公开发表学术论文26篇，其中SCI收录16篇，第一或共一作者论文12篇，申请国家发明专利1项，是Journal of the Science of Food and Agriculture, Analytical Letters等期刊审稿人。

（以上信息来自中北大学官网）

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