第一节　氨基酸的热变化

肉类烧烤和油炸通常会超过200～300℃，有时，局部温度会更高，以致炭化和焦化。在这样的温度下，肉品表层的氨基酸残基会发生许多化学变化，如氨基酸的高温分解、氨基酸残基的脱氨基作用。脱氨基作用的速率和程度取决于加热温度的高低和加热时间的长短、反应介质的pH值和蛋白质的性质，如蛋白质构象的局部变化和氨基附近多肽链的游动性。在氧和还原糖存在时，加热温度越高，热敏氨基酸残基的热降解速度越快。

一、高温分解

氨基酸高温分解机制和分解产物的种类及数量决定于氨基酸的结构、分解温度和作用时间、中间产物的稳定性和挥发性。小分子量的高温分解产物的形成一般要经过脱羧、环化、脱氨等化学过程。

（一）色氨酸的高温分解

在油炸汉堡包、烤牛肉、牛肉膏香精中，有许多色氨酸的衍生物存在，如氨基咔啉类（Amino-Carbolines），有些咔啉类混合物具有致突活性。单独加热色氨酸，100℃加热20min不形成2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑并[4，5-b]吡啶（PhIP，2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo-[4，5-b]pyridine，CAS no： 105650-23-5）；150℃时，PhIP形成逐渐增多；在175～200℃，PhIP的形成急速加剧（图1-1）。

300℃时，色氨酸已有大约60%被炭化，能形成含氮杂环化合物，也能形成含氮多环芳香混合物，如1-甲基-9H-吡啶并[3，4-b]吲哚（Harman）和9H-吡啶并[3，4-b]吲哚（Norharman）及其衍生物。色氨酸的炭化物更易于含氮多环芳香混合物的形成。在625℃下色氨酸高温分解形成的含氮多环芳香化合物的产率比在300℃下的产率高。色氨酸750℃以上发生焦化，其高温分解过程中易于形成与吲哚环有关的含氮多环芳香化合物（N-PACs），但没有发现多环芳烃（PAHs）。

（二）天冬氨酸的高温分解

300℃时，天冬氨酸（Asp）能形成含氮杂环化合物；超过750℃时，天冬氨酸能形成含氮多环芳香化合物和多环芳烃（图1-2），而且天冬氨酸和脯氨酸所形成的含氮多环芳香化合物相似，却与色氨酸所形成的含氮多环芳香化合物区别很大。天冬氨酸和脯氨酸形成含氮多环芳香化合物的途径分两步，首先降解成小分子量的前体物，而后合成多环化合物。天冬氨酸在625℃时大约80%被烧焦。色氨酸、天冬氨酸和脯氨酸随着加热温度的提高，三环和四环含氮多环芳香化合物的产率明显增加。

（三）脯氨酸的高温分解

脯氨酸（Pro）高温分解的主要产物有吡咯、吲哚、吡啶、喹啉、异喹啉和甲基吡啶。脯氨酸300℃时也能形成含氮杂环化合物；750℃以上，脯氨酸能形成含氮多环芳香化合物和多环芳烃（图1-3）。

谷氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、鸟氨酸、亮氨酸在650～850℃下高温分解，会有含氮多环芳香化合物和多环芳烃产生。

肉类，包括鱼贝类，在烧烤、油炸等工艺过程中，有时会发生炭化或焦化，其高温分解产物十分复杂，包括含氮杂环化合物、含氮多环芳香化合物、多环芳烃、杂环胺化合物，其中最为关注的是3，4-苯并芘，又称苯并（a）芘（BaP）。高温分解产物的形成决定于肉类蛋白质的性质和高温分解条件。氨基酸的结构和性质不同，产物的形成机制和产物的种类、性质也不一样。进一步理解肉类氨基酸高温分解和高温合成的机理及其产物的种类和性质，对于发展食品加工工程和改善食品安全水平是十分重要的。

二、脱酰胺作用

在中性和碱性条件下，蛋白质加热后其多肽链上的氨基氮与侧链上的羰基之间通过亲核反应形成环状酰亚胺，同时脱去氨基（图1-4）。

谷氨酸残基谷氨酰胺受热200℃以上发生脱酰胺作用，生成戊二酰亚胺和氨（图1-5）。

与比谷氨酸相比，天冬氨酸的酰胺基天冬酰胺（图1-6）与有催化作用的氨基酸残基相邻更近，其脱酰胺作用更容易发生。

三、去磷酸化作用

蛋白质加热后的去磷酸化作用，要么经磷酸丝氨酸水解而形成磷酸和丝氨酸，要么经消除作用而形成磷酸和脱氢丙氨酸（DHA），后者的活性很强，与赖氨酸反应形成赖丙氨酸（图1-7），与组氨酸反应形成组丙氨酸（histidinoalanine），与半胱氨酸反应生成羊毛硫氨酸（lanthionine），与鸟氨酸和精氨酸反应生成鸟丙氨酸（ornithinoalanine），与氨反应生成氨基丙氨酸（aminoalanine）。

四、pH值对氨基酸热变化的影响

（一）常见反应

在中性和偏碱性条件下，肌肉蛋白质能够获得良好的提取性和加工特性，如凝胶特性。淡水鱼鱼糜制造过程中采用的pH漂变技术（pH shift），或酸碱变换技术（pH 3.5和pH 11之间变换），可提高鱼糜品质。在碱性条件和50℃下，半胱氨酸、丝氨酸和磷酸丝氨酸、苏氨酸的活性氨基酸残基，通过β-消除反应，可转换成脱氢丙氨酸。

在碱性条件下，胱氨酸残基则发生二硫键破坏并释放二价硫离子和单体硫（图1-8）。由于碳阴离子与一个质子发生重组反应，可形成L-半胱氨酸和D-半胱氨酸。外消旋作用的速率取决于蛋白质和氨基酸残基的性质。在一定的温度和pH值下，一般说来，蛋白质中氨基酸残基的外消旋作用速率比游离氨基酸要快得多。

在碱性条件下，精氨酸残基裂解为鸟氨酸。

（二）松花蛋加工中赖丙氨酸的形成

松花蛋加工过程中，pH值逐渐上升，至皮蛋成熟，蛋白的pH值可达11.30，蛋黄的pH值可达10.40。加工厂为了延长松花蛋的货架期，往往需要长时间高温加热。这样，就会形成大量的赖丙氨酸（LAL）。LAL的形成规律与pH值的变化趋势是一致的。腌制前期，蛋白的pH值迅速上升，LAL的含量也随之急剧增加；腌制后期蛋白的pH值增速放缓，LAL的含量也呈现缓慢增加的趋势。研究指出，赖丙氨酸对人体健康有潜在的危害。首先，LAL会导致食品中必需氨基酸含量的下降，同时伴随着某些特定氨基酸的外消旋化，降低蛋白质的消化率，进而降低食品的营养价值；其次，LAL会螯合金属离子，钝化金属酶或使其失去活性；最重要的是，LAL会特异性地导致白鼠肾细胞巨大症，给大鼠投喂碱处理的蛋白质（含LAL）会导致肾细胞细胞核和细胞质的扩大，以及干扰DNA的合成和有丝分裂，直至肾小管细胞坏死。目前已有将LAL作为婴幼儿配方奶粉的一个质量指标，以避免LAL对婴幼儿造成的伤害。碱性条件下氨基酸残基会发生有害反应，这种反应可被亲核基团所抑制，如通过酰化或通过与氨基酸残基竞争脱氢丙氨酸双键的化合物。研究发现，通过添加巯基化合物、亚硫酸钠、糖类、有机酸、生物胺、二甲基亚砜等可以抑制食品中LAL的生成，同时蛋白质经乙酸酐和琥珀酸酐酰化也起到抑制赖氨酸的破坏和降低LAL生成的作用。

松花蛋加热20min后，硫胺素几乎完全分解。加热不新鲜的鸡蛋（蛋清pH 9.5，储藏期间，由于逸出二氧化碳，pH值逐渐升高，至10天左右可达9.0～9.7），也会使硫胺素大量分解。肉类和鱼贝类经烧烤、油炸、水煮和罐制加工后，硫胺素会随肉汁的流失而流失，一般损失20%～70%。硫胺素及其降解产物也会参与美拉德反应。

五、脱氨基作用

肉类在油炸、烧烤、煮制和烟熏过程中，会产生许多典型的风味物质。许多研究表明，经由美拉德反应可形成许多独特的风味物质，特别是一些氨基酸的产物，如半胱氨酸、蛋氨酸和脯氨酸的产物。油炸肉类时，有时在肉表面挂糊（或不同浓度的饴糖、蜂蜜）。这些原料中的天冬氨酸与还原糖的美拉德反应产物及其后续产物经脱氨基作用可形成丙烯酰胺（图1-9）。半胱氨酸和蛋氨酸与葡萄糖反应，也能形成丙烯酰胺。

赖氨酸残基遇有过氧化物酶或H2O2，会发生氧化脱氨基作用、羟醛缩合和醛亚胺缩合，进而使小分子蛋白质之间发生交联，形成大分子蛋白质。