美拉德反应对啤酒风味的影响研究进展

尹瑞旸，刘 霞，郭立芸*，宋玉梅，王 超，战吉宬

（1.燕京啤酒股份有限公司技术中心 啤酒酿造技术北京重点实验室，北京 101300；2.中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京 100083）

啤酒在全球是仅次于水和茶饮料的第三大消费性饮品[1]。啤酒的风味是决定啤酒品质的重要指标之一。原料制备、酿造及后期贮存过程中美拉德反应产生的风味物质是影响啤酒风味品质的重要因素。美拉德反应是氨基化合物与羰基化合物之间的缩合、重排、裂解等一系列反应，其产生的酮类、醛类和多种杂环化合物具有不同的风味特征，这些化合物的存在赋予了啤酒不同的风味特点。成品啤酒中含有大量的氨基酸和糖及一些美拉德反应产物，在贮存过程中美拉德反应会持续发生，一些美拉德反应产物在啤酒中的过量富集又会使啤酒具有不良风味。本文通过对啤酒生产过程中的美拉德反应及啤酒中的美拉德反应产物对啤酒风味的影响研究进展进行综述，旨在寻求美拉德反应与啤酒风味之间的联系，为提升啤酒的风味品质提供参考。

1 美拉德反应机理

美拉德反应也叫非酶褐变反应，可分为三个反应阶段[1-2]。在初始阶段，氨基和还原糖缩合生成N-糖基胺，醛糖经过重排形成Amadori重排产物（酮糖经过重排生成Heyns重排产物），该重排产物不引起褐变，也不产生气味。中间阶段从Amadori/Heyns产物裂解产生糖裂解产物和氨基化合物。最后阶段经过一系列的脱水、断裂、环化和聚合反应，形成气味物质。其中Strecker反应对风味的形成至关重要，是氮进入香气物质的主要途径之一，可生成吡嗪、恶唑类和噻唑类。图1A显示了与啤酒风味相关的美拉德反应产物的形成的简化过程，如呋喃酮、Strecker醛、吡咯、吡嗪。图1B、图1C举例说明了啤酒生产中涉及到的重要美拉德产物基本结构及其形成途径，如糠醛衍生物、Strecker醛、吡嗪、呋喃酮。这些芳香化合物不仅本身具有气味，还可以作为反应前体物参与其他反应，对啤酒风味特点起重要作用。

图1 美拉德反应机理，啤酒中主要风味物质结构及形成途径Fig.1 Mechanism of Maillard reaction, structure and formation pathway of main flavor substances in beer

2 美拉德反应产物对啤酒风味品质的影响

2.1 含氧杂环类物质对啤酒气味品质的影响

啤酒中的含氧杂环化合物主要为呋喃类和吡喃类风味化合物（图1B）。大多数品类的啤酒中含有不同浓度的5-甲基-4-羟基-3（2H）-呋喃酮（4-hydroxy-5-methyl-3-furanone，MHF）、2,5-二甲基-4-羟基-3（2H）-呋喃酮（4-hydroxy-2,5-dimethyl-3（2H）-furanone，DMHF）、2-甲基-3-羟基-4-吡喃酮（麦芽酚）等含氧杂环类气味物质，这些物质具有焦糖味、甜味等风味特征（表1），但不是所有的含氧杂环类物质对会影响啤酒的风格。这些含氧杂环类风味物质在啤酒中的含量及其阈值决定了该风味物质的对啤酒风味特征贡献程度[3]，啤酒中的含氧杂环类风味物质分为三类：①含氧杂环类风味物质气味阈值较高，但其在啤酒中的含量低于阈值，对啤酒气味贡献较小。如MHF、2-甲基-3-羟基-4-吡喃酮及2-甲基-5-羟基-4-吡喃酮；②含氧杂环类风味物质风味阈值较低，但在啤酒中较少检出，或仅在特定品类啤酒中检出，对啤酒的风味贡献较小。尽管5（或2）-乙基-2（或5）-甲基-4-羟基-3（2H）-呋喃酮（2-ethyl-4-hydroxy-5-methyl-3（2H）furanone，EMHF）水中阈值仅为20 μg/kg，MACKIE A E等[4]仅在具有突出甜香的大麦啤酒中检测到EMHF的存在，在其他品类啤酒中很少检出；③含氧杂环类风味物质在啤酒中的含量高于其阈值，对大多数品类啤酒的气味特征具有较大贡献。如DMHF、3-羟基-4,5-二甲基-2（5H）呋喃酮（葫芦巴内酯），其中淡色啤酒中DMHF的含量为0～1.67 mg/L，特种啤酒中DMHF含量高达0.08～2.73 mg/L。MACKIE A E等[4]对6种淡色啤酒的DMHF进行测定，发现这6种淡色啤酒中的DMHF含量均高于其阈值。SCHIEBERLE P[5]利用乙醚萃取结合柱层析对啤酒香气物质进行提取和分离，利用质谱结合嗅闻的方式研究发现，DMHF和葫芦巴内酯是淡色啤酒的特征气味物质。SCHOLTES C等[6]通过气质联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和气相色谱串联嗅闻（gas chromatography-olfactometry，GC-O）方法首次测定了Gueuze啤酒中葫芦巴内酯和乙基葫芦巴内酯含量，并发现这两种物质为Gueuze啤酒的特征香气物质。KISHIMOTO T等[7]研究发现，葫芦巴内酯和DMHF是构成皮尔森啤酒香型的关键组分。

表1 啤酒中的含氧杂环化合物Table 1 Oxygen heterocyclic compounds in beer

表2 啤酒中的含氮杂环类物质Table 2 Nitrogen heterocyclic compounds in beer

2.2 含氮杂环类物质对啤酒风味品质的影响

含氮杂环类物质主要为吡嗪、吡咯和吡啶类风味化合物（图1B）。与含氧杂环化合物相比，多数含氮杂环化合物的生成需要更多的热量[12]。因此以特种麦芽为原料的黑色及浓色啤酒中含氮杂环化合物的种类比较多，含量较高。其中，吡嗪类物质主要赋予啤酒焙烤味、咖啡味等。FORS S M等[19]对由绿麦芽和挤压麦芽酿造的啤酒中90余种香气物质进行嗅闻，发现啤酒样品具有焙烤味、面包和饼干味，并且仅在挤压麦芽酿制的啤酒中检测到类甲基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪。COGHE S等[20]测定了利用不同色度麦芽生产的啤酒风味物质组成，包括高含量挥发物、含氮/氧杂环化合物共15种风味化合物，结果表明含氮杂环类化合物赋予了啤酒焦糊味、苦味、焦糖味、面包味。张振国等[14]比较了不同焦香麦芽添加下啤酒杂环化合物的含量，发现焦香麦芽的加入使啤酒中2-甲基吡嗪、甲基糠醛和2-乙酰吡咯等含氮杂环物质含量升高，其中呋喃酮、2-乙酰吡咯和2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline，2AP）含量的提高可显著提升大麦啤酒麦香强度。尽管与淡色啤酒相比深色啤酒中含有更多的含氮杂环类化合物，但2AP由于其具有极低的阈值及类似爆米花及玉米的香味，对淡色啤酒的气味也有较大的贡献。KISHIMOTO T等[21]利用GC-O-MS法分析了啤酒中的香气活性物质，共鉴定出70种香气组分，结果表明具有典型麦芽香气的物质对淡色啤酒香气贡献弱，2AP被认为是淡色啤酒的特征香气物质。

2.3 Strecker醛对啤酒风味品质的影响

美拉德反应中形成的α-二羰基可降解氨基酸，导致氨基酸脱氨基和脱羧，产生挥发性物质，即为Strecker醛（表3），赋予啤酒典型麦芽香。3-甲基丁醛、2-甲基丁醛具有浓郁的麦芽香味，这两种物质是结晶麦芽中主要的醛类物质，是麦芽的特征气味化合物之一[27]。有研究表明在啤酒基质中5 μg/L的3-甲硫基丙醛就会使啤酒产生类似谷物蒸煮味和麦皮味[28]。DE SCHUTTER D P等[29]研究发现，乙酰呋喃以及8种醛类化合物对啤酒麦芽香具有突出贡献。

表3 啤酒中的醛类物质Table 3 Aldehydes in beer

2.4 美拉德反应产物之间及与其他香气物质间的相互作用

食品的气味强度不等同于单一风味物质的简单加和，风味分子会受物理、化学等因素的影响使风味特点发生微妙的变化，从而影响其气味强度及风味特征。风味物质间会发生相互作用，包括加成、掩盖、协同等作用。徐志强等[31]研究发现，呋喃酮、甲基环戊烯醇酮、乙基麦芽酚、麦芽酚和乙基环戊烯醇酮5种具有焦糖味的美拉德反应产物重构的多元混合体系表现出不同程度的加成或协同作用，并提出香气特征类似但结构不同的物质能表现出协同作用。2-甲基丁醛、3-甲基丁醛同样表现出了协同作用，而2-甲基丁醛与乙酸丁酯结构及气味特征差异较大的物质则表现出了掩盖作用[32]。2-甲基丁醛、3-甲基丁醛等结构相似的醛类物质在啤酒的气味重组模型样品中同样表现出了协同作用[30]。黄酒中的关键香气物质苯甲醛和糠醛因二者间相似的结构和风味特征而发挥协同作用[33]。白酒中的低阈值吡嗪通过相互作用起到增强烤香、坚果香的作用[34]。啤酒中富含美拉德反应产物及醇类、酯类等物质，这些香气物质的相互作用将影响啤酒的气味品质。但针对啤酒中关键风味组分，及以啤酒体系作为基质的气味物质间的相互作用研究相对匮乏。

2.5 美拉德反应产物对啤酒老化气味的影响

JASKULA-GOIRIS B等[35]研究发现，啤酒陈酿过程中面包、焦糖、甜味和纸板味会增加，从而导致啤酒变质。在老化的啤酒中存在多种与美拉德反应相关的化合物。BRAVO A等[36]研究发现，通过添加美拉德反应抑制剂可降低啤酒贮存过程中面包味和类似白酒气味等风味物质的产生，因此认为美拉德反应是啤酒老化的主要原因。啤酒的老化味是2-甲基丁醛、糠醛、苯乙醛、（E）-2-壬烯醛等物质综合作用的结果[37]。其中，美拉德反应中间体Strecker醛，如2-甲基丙醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、苯乙醛和糠醛及其衍生物是啤酒中公认的老化化合物，由于其含量与啤酒老化味之间存在线性关系[38]，经常作为啤酒老化指示剂。尽管大量的研究表明美拉德反应产物对啤酒风味具有不良影响，然而美拉德反应产物对啤酒不良风味的影响存在争议。一方面，许多美拉德反应产物对啤酒风味具有正面作用，赋予了啤酒典型风味，如3-甲基丁醛是麦芽中的重要香气物质，因此与脂质氧化相比美拉德反应对啤酒风味的负面作用常常被忽视。此外，在老化的啤酒中美拉德反应产物含量大多在阈值以下。尽管糠醛的气味阈值（150 mg/kg）远高于啤酒中糠醛的含量。有研究发现，淡色啤酒中糠醛的存在会使啤酒酒体尖锐、刺激、苦涩[39]。针对上述研究结果不一致的情况，分析原因主要在于啤酒中美拉德反应产物能与其他老化气味物质相互作用，使低于阈值的美拉德反应产物可使酒体产生老化味。因此，关于美拉德反应产物对啤酒老化味的影响应综合风味物质的相互作用、风味特征、气味物质阈值等多方面进行探究。

3 啤酒生产和贮藏条件对美拉德反应的影响

3.1 麦芽加工过程中美拉德反应对啤酒风味的影响

大麦以麦芽的形式作为啤酒生产的主要原料。在麦芽制备过程中，大麦中的部分淀粉及蛋白质等高分子物质在淀粉酶、蛋白酶等酶的作用下分解转化为具有一定溶解度的基质，为美拉德反应提供物质基础。麦芽中游离氨基酸和还原糖的组成对美拉德反应产物的形成起着至关重要的作用。不同的反应物（氨基酸、糖）及配比都会影响美拉德反应，从而影响气味物质的组成。以氨基酸为主的氨基化合物是美拉德反应的重要原料之一。MOTTRAM D S等[40]对1985-2002年发表的关于美拉德反应体系建立的文章进行统计，结果表明，15种氨基酸和7种糖反应生成了621种与香气相关的美拉德反应产物，包括含氮杂环化合物、含氧杂环化合物等。脯氨酸、亮氨酸、丙氨酸、精氨酸、缬氨酸是麦芽的主要游离氨基酸；脯氨酸、精氨酸、亮氨酸、丝氨酸和天冬酰胺是麦汁中主要的游离氨基酸[41]。在100 ℃的酸性条件下，葡萄糖与脯氨酸反应产生花香、与丙氨酸反应产生果味和花香、与甘氨酸、赖氨酸、苏氨酸和缬氨酸反应产生焦糖味[42]。可见，在麦芽及麦汁中含量较高的氨基酸与还原糖的美拉德反应能产生如花香、焦糖味等令人愉快的香气。因此，麦芽及麦汁中氨基酸的组成差异将影响风味物质的组成。在啤酒生产中，现有技术可对碳源进行合理控制；但氮源的组成较复杂，麦芽的氮源组成受品种及种植环境等因素的影响较大，麦芽氮/碳源组成对啤酒生产过程中美拉德反应产物的组成有较大的影响，进而影响啤酒风味品质。

大麦发芽强度是影响麦芽中美拉德反应的底物组成的重要因素，发芽强度的提高会增加底物的含量，促进美拉德反应生产更多的风味物质。发芽强度可通过改变浸麦度、发芽温度和发芽时间来实现。一般而言，淡麦芽的浸麦度应保持在42%～44%；特种麦芽一般需要更高的浸麦度，高达47%。慕尼黑麦芽的发芽温度一般为22～25 ℃，该温度高于普通淡色麦芽生产所采用的16～18 ℃。NOBIS A等[43]研究发现，较高的发芽度可增加与老化醛相关的美拉德反应中间体3-脱氧葡萄糖酮的含量。但值得说明的是，美拉德反应产物与发芽强度并不是简单的线性关系，王红霞[44]研究发现，在相同的浸麦度、焙焦温度和发芽时间下，随着发芽温度的升高加麦芽中2-甲基丁醛含量逐渐升高，DMHF、2-乙酰吡咯和麦芽酚含量先增后降。但该研究不能排除美拉德反应外其他作用对这些物质的影响。由上可知，有关发芽强度影响美拉德反应产物的结论尚未统一，基于美拉德反应的大麦发芽强度与啤酒气味的关系有待深入研究。

焙焦过程中的温度及湿度对美拉德反应的影响至关重要。在干燥及焙焦过程中，体系温度可达50～150 ℃，美拉德反应在较低温度条件下（50 ℃）就会发生，焙焦过程是大多数麦芽产生挥发性物质的关键步骤，也是影响啤酒气味的重要过程。为了保证麦芽中酶的活性，温度按特定程序升高，通常从50 ℃开始，随后将温度升高至85 ℃以上来提供麦芽的特征气味和颜色，其气味特征从温和的甜味过渡到强烈的烘烤味，这可能是由于具有甜香的含氧杂环化合物比具有烘烤/巧克力味的含氮杂环化合物化学性质更活跃，当过度烘焙时含氧杂环化合物会损失而含氮杂环化合物对啤酒香气的贡献较大，此时啤酒主要表现为焦糊味和苦味。HUANG S等[45]利用Box-Behnken试验设计和响应面分析研究了麦芽干燥及焙焦条件对淡麦芽香气和气味形成的影响，发现较高的焙焦强度会降低壬烯醛的形成，增加其他与啤酒老化味相关的醛（2-糠醛）和其他与甜味相关的化合物（呋喃酮）的浓度。除温度外，水作为反应物和溶剂对烘干和焙焦过程中的美拉德反应起着关键作用，可干扰气味活性化合物的形成途径。ENGEL W等[46]研究发现，美拉德模拟体系的含水量决定了美拉德反应产物的组成，在液相（高含水量）体系下半胱氨酸和果糖反应产生的DMHF高于固相（低含水量）体系。

3.2 酿造过程中的美拉德反应对啤酒风味的影响

在糖化和煮沸过程中较高的温度可有效浸提麦芽中的美拉德反应产物，同时美拉德反应在继续进行。有实验表明，糖化时间对麦芽香气的贡献不大，部分组分会在较长时间的糖化后出现衰减现象[47]。与该实验结果不同，WITTMANN R等[48]追踪了淡色啤酒生产中美拉德反应产物含量的变化，发现制麦及焙焦过程中产生大量的Amadori化合物，在糖化过程中大约一半的Amadori化合物被分解，从而产生芳香气味化合物。MACKIE A E等[4]研究发现，随着糖化时间的延长DMHF和MHF的含量逐渐降低，随着糖化温度的升高和煮沸时间的延长DMHF和MHF的含量逐渐升高；当糖化温度为极低（4 ℃）时，淡色麦芽的麦汁中未检测到DMHF和MHF，而焦香麦芽的麦汁中两种呋喃酮的含量与糖化温度为65 ℃时的麦汁中含量相当。这说明焦香麦芽在焙烤阶段的美拉德反应就已经产生了大量的两种呋喃酮，糖化只是将两种呋喃酮浸提出来，而淡色麦芽在焙焦阶段可能主要产生前体物，较低温度不足以满足美拉德反应条件。任光辉等[23]研究结果表明，淡色啤酒的甲基吡嗪、2-乙酰吡咯、麦芽酚和DMHF主要在糖化煮沸过程产生；而深色啤酒美拉德反应产物主要在制麦过程产生，糖化和煮沸过程的高温会造成部分气味物质的挥发从而降低这些物质在麦汁中的含量。房慧婧[49]研究发现，糖化阶段的高温会使麦汁中产生Strecker醛，在麦汁煮沸时，糠醛和苯乙醛含量会大量增加。DE SCHUTTER D P等[29]研究发现，乙酰呋喃含量不受麦汁煮沸的影响，但多数醛类物质含量呈递减趋势。综上，合成不同美拉德反应产物所需能量存在差异，糖化过程对美拉德反应的影响取决于制麦过程的反应强度，美拉德反应气味物质在啤酒酿造过程的反应机制需要进一步研究。

尽管啤酒发酵过程温度较低，美拉德反应缓慢，但美拉德反应产物会影响酵母的发酵，从而影响啤酒气味。COGHE S等[50]研究发现，麦汁色度和乙酸乙酯形成率之间存在相关性，而发酵深色麦汁时乙酸异戊酯的产生完全受到抑制，高级醇的合成不受深色麦汁的影响。DACK R E等[51]研究发现，深色麦芽发酵液中的酒精含量高于浅色麦芽发酵液，酯的含量随着深色麦芽使用量的增加而减少，并认为是美拉德反应产物影响了相关基因表达和/或酶活性。美拉德反应对啤酒发酵的影响主要归因于三点：①过度的美拉德反应会造成更多的氨基酸和糖用于美拉德反应，使麦汁中酵母营养素水平较低从而影响发酵过程和风味化合物的形成[50-51]；②美拉德反应产物直接影响酵母的代谢。RUFIAN-HENARES J A等[52]研究发现，美拉德反应重要产物类黑素可与金属离子螯合，从而抑制微生物的生长。此外，糠醛和5-羟甲基糠醛也被证明可通过脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）损伤和抑制糖酵解酶抑制酵母的生长，并且抑制参与Ehrlich途径的醛和丙酮酸脱氢酶活性[53]。③美拉德反应产物或前体物可被酵母利用进一步产生/降解气味物质。MACKIE A E等[4]研究表明，麦芽中的呋喃酮前体物可通过酵母代谢转化成4-羟基呋喃酮，证实了美拉德反应前体物可被酵母利用转化为风味物质。

3.3 贮藏条件对美拉德反应产风味物质的影响

美拉德反应产物（杂环化合物和醛类物质）被认为是老化啤酒中的主要不良风味物质。在啤酒储存过程中，美拉德反应产物会与啤酒中其他成分发生反应，产生具有老化味的物质，如制麦和煮沸过程中生成的糠醇在酸催化下与乙醇发生缩合反应生成糠基乙醚，当麦芽在较高温度下烘干且麦汁在生产过程中的热负荷较高时，啤酒老化期间会产生更多的糠醛、糠基乙醚等美拉德产物[38]。此外，贮藏条件会影响与老化味相关的美拉德反应产物含量。这些化合物在瓶装啤酒中的含量随温度升高而增加[54]，老化气味物质5-羟甲基糠醛的生成量与啤酒贮存期的温度呈对数增长关系[49]。相较于温度，光照对3-甲硫基丙醛的影响更为显著[55]，25 ℃光照条件下贮藏啤酒，啤酒中3-甲硫基丙醛的含量高达16.74 μg/L。

4 小结

由于不同结构的美拉德反应产物的风味特征及在啤酒酿造过程中的动态变化存在差异，导致不同的美拉德反应产物对啤酒的最终风味品质影响不同。虽然众多研究已从不同角度揭示了美拉德反应产物对啤酒风味的重要贡献，但有以下问题尚待解决：

对啤酒风味特征具有贡献的美拉德反应产物组成不明确：啤酒中的美拉德反应产物包括呋喃酮、吡嗪和吡咯等，在啤酒中检测到的美拉德产物中仅有小部分对啤酒气味具有影响。尽管定性、定量分析上述物质较为容易，但有关上述物质对啤酒风味的贡献度及物质之间的相互作用对啤酒最终风味的影响研究有待突破。可采用高精度仪器（飞行时间质谱、全二维质谱等）结合感官分析（嗅闻仪），鉴别啤酒中美拉德反应产物，通过分子感官组学（定性、定量、风味特征描述、气味重组、气味缺失）确定啤酒中关键美拉德反应产物。

啤酒酿造过程中美拉德反应产物形成机制不明确：不同品类的啤酒美拉德反应关键阶段存在差异，深色啤酒美拉德反应产物主要在麦芽焙焦阶段产生；而淡色啤酒美拉德反应在麦芽焙焦阶段生成美拉德反应前体物，在糖化及煮沸过程中美拉德反应持续进行[4，23，29，45，48-51]。这主要由于不同美拉德反应产物生成所需能量不同，制麦是啤酒生产过程中美拉德反应的初始阶段，制麦过程中美拉德反应的程度影响后续糖化及煮沸阶段美拉德反应过程。后续研究可着重解析不同品类的啤酒酿造过程中美拉德反应的动态变化规律及麦芽中前体物组成对啤酒风味品质影响、制麦过程对后续酿造过程美拉德反应的影响，全面深入的探索啤酒中美拉德反应产物的形成机制。

美拉德反应产物及前体物对酵母代谢的作用机制不明确：美拉德反应产物及其前体物对酵母代谢的影响涉及多个方面，虽然目前研究已证实多种美拉德反应产物可抑制酵母代谢，但关于美拉德反应产物及前体物的生物转化过程及其转化机制缺乏深入探究，后续研究应结合多组学技术全面而深入地探索其生物转化机制。

综上，对啤酒特征风味具有贡献的关键美拉德反应产物的鉴定、啤酒生产过程中关键美拉德反产物的形成机制、美拉德反应产物及前体物对酵母代谢的作用机制等均需进行更深入的研究，从而实现针对关键美拉德反应产物的啤酒酿造工艺优化，提升啤酒的风味稳定性和品质。