Hóa học thực phẩm Browning
Phản ứng Maillard là tên được đặt cho bộ phản ứng hóa học giữa các axit amin và làm giảm đường gây ra màu nâu của thực phẩm, chẳng hạn như thịt, bánh mì, bánh quy và bia. Phản ứng này cũng được sử dụng trong các công thức thuộc da không sunless. Giống như carmelization, phản ứng Maillard tạo ra màu nâu mà không có bất kỳ enzym nào, làm cho nó trở thành một loại phản ứng phi enzyme. Trong khi carmelization chỉ dựa vào việc nung nóng carbohydrate, thì nhiệt độ không nhất thiết cần thiết cho phản ứng Maillard và protein hoặc axit amin phải có mặt.
Nhiều loại thực phẩm màu nâu do sự kết hợp giữa carmelization và phản ứng Maillard. Ví dụ, khi bạn nướng bánh kẹo dẻo, đường sẽ đóng băng, nhưng nó cũng phản ứng với gelatin thông qua phản ứng Maillard. Trong các loại thực phẩm khác, quá trình tạo màu nâu của enzym tiếp tục làm phức tạp hóa học.
Mặc dù người ta đã biết làm thế nào để thực phẩm nâu khá nhiều kể từ khi phát hiện ra lửa, quá trình này đã không được đặt tên cho đến năm 1912, khi nhà hóa học người Pháp Louis-Camille Maillard mô tả phản ứng.
Hóa học của phản ứng Maillard
Các phản ứng hóa học cụ thể gây ra thức ăn cho màu nâu phụ thuộc vào thành phần hóa học của thực phẩm và một loạt các yếu tố khác, bao gồm nhiệt độ, độ chua, sự có mặt của oxy, lượng nước và thời gian cho phép phản ứng. Nhiều phản ứng xảy ra, làm cho sản phẩm mới tự bắt đầu phản ứng. Hàng trăm phân tử khác nhau được tạo ra, thay đổi màu sắc, kết cấu, hương vị và mùi thơm của thức ăn.
Nói chung, phản ứng Maillard tuân theo các bước sau:
- Nhóm carbonyl của một đường phản ứng với nhóm amino axit amin. Phản ứng này tạo ra glycosylamine và nước thay thế N.
- Các glycosylamine không ổn định tạo thành ketosamine thông qua sự sắp xếp lại Amadori. Sự sắp xếp lại Amadori báo hiệu sự khởi đầu của các phản ứng gây ra màu nâu.
- Các ketosamine có thể phản ứng để tạo thành reductones và nước. Các polyme nitơ và melanoidin có thể được tạo ra. Các sản phẩm khác, như diacetyl hoặc pyruvaldehyde có thể hình thành.
Mặc dù phản ứng Maillard xảy ra ở nhiệt độ phòng, nhiệt ở 140 đến 165 ° C [284 đến 329 ° F] hỗ trợ phản ứng. Phản ứng ban đầu giữa đường và axit amin được ưu tiên trong điều kiện kiềm.
Skip to content
Mùi thơm thật khó cưỡng khi chúng ta đi qua lò bánh mì, tiệm bán bánh hay đi vào phân xưởng sản xuất bánh trong nhà máy. Tuy nhiên, câu hỏi “Điều gì tạo nên màu sắc và mùi thơm đặc trưng của bánh nướng?” làm phân vân rất nhiều người. Chay Khánh Tâm sẽ cùng bạn phân tích về bản chất đằng sau điều này. Năm 1912, nhà vật lý và hóa sinh học Louis-Camille Maillard là người đầu tiên phát hiện một loạt những phản ứng hóa học phức tạp, được biết đến với tên gọi phản ứng Maillard. Đến nay, sau hơn 100 năm nghiên cứu, đã có hơn 50.000 ấn phẩm khoa học và hàng chục hội nghị chuyên đề quốc tế về phản ứng Maillard, điều đó cho thấy tầm quan trọng của phản ứng này [1]. Đây là phản ứng chịu trách nhiệm tạo ra mùi thơm của rất nhiều sản phẩm thực phẩm, trong đó có các dòng bánh nướng. Rất nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau được hình thành sau phản ứng Maillard. Tập hợp các chất này góp phần vào hương vị và mùi thơm của bánh nướng. Trong đó, các melanoidin là các hợp chất cao phân tử dài tạo ra bởi phản ứng Maillard là các sắc tố nâu tạo màu cho bánh sau khi nướng có màu vàng nâu đặc trưng. Trong sản xuất bánh, người ta sẽ áp dụng những biện pháp kỹ thuật tương ứng nhằm tạo axitamin tự do, đường khử, điều chỉnh nhiệt độ trong giai đoạn nướng đều tạo điều kiện tối đa cho phản ứng Maillard diễn ra để tạo màu sắc và hương thơm cho bánh.
Vậy phản ứng Maillard là gì?
Nói một cách ngắn gọn, Maillard là phản ứng tạo bởi đường khử và acid amin. Cơ chế của phản ứng được trình bày chi tiết như sau [2]:
Giai đoạn 1. Nhóm carbonyl [-CHO] của đường khử phản ứng với nhóm amino của amino acid, tạo thành hợp chất glycosylamine và giải phóng phân tử nước
Giai đoạn 2. Các glycosylamine không ổn định trải qua quá trình sắp xếp lại Amadori, tạo thành ketosamine
Hình 2. Sự sắp xếp lại glycosylamine tạo thành ketosamine
Giai đoạn 3. Các ketosamine tiếp tục thực hiện một trong các chuyển hóa tiếp theo
– Tạo ra hai nước và các chất khử
– Diacetyl, pyruvaldehyde và các sản phẩm thủy phân chuỗi ngắn khác có thể được hình thành.
– Tạo ra các polymer nitơ màu nâu và melanoidin
Các chuyển hóa này tạo ra rất nhiều hợp chất tạo nên hương thơm và màu nâu cho sản phẩm thực phẩm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Maillard
Sự hình thành hợp chất hương vị trong phản ứng Maillard phụ thuộc vào: Loại đường và axit amin, nhiệt độ và thời gian phản ứng, pH và hàm lượng nước.
– Loại đường và acid amin
Các đường aldose sẽ phản ứng khác nhau với đường xeton. Đường aldose như glucose, mannose, galactose và ribose tạo ra Amadori trung gian, trong khi xeton như fructose, tagatose, ribulose và piscose tạo ra các Heyns. Các đường monosaccharid phản ứng nhanh hơn disaccharid. Điều này có thể đến từ cấu trúc không gian của các đường. Từ mỗi trung gian sản phẩm [Heyns và Amadori] sẽ tạo thành các hợp chất cacbonyl khác nhau và các sản phẩm phản ứng nâng cao hình thành nên các chất có hương khác nhau [3, 4].
– Nhiệt độ và thời gian phản ứng:
Nhiệt độ phản ứng là một thông số quan trọng, đặc biệt là trên 1000C vì nó là động lực của phản ứng Maillard. Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng mà còn ảnh hưởng đến các con đường phản ứng khác nhau. Nói chung, lượng các hợp chất dễ bay hơi được tìm thấy trong mẫu sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng lên [5, 6]. Ở nhiệt độ 95-1000C phản ứng sẽ cho các sản phẩm có tính chất cảm quan tốt hơn cả. Khi nhiệt độ quá cao thì các melanoidin tạo thành có vị đắng và mùi khét. Vì vậy, trong sản xuất để thu được màu và mùi hương đặc trưng cho các sản phẩm người ta cần kiểm soát và xác định được nhiệt độ tối ưu cho từng sản phẩm. Giữa thời gian và nhiệt độ phản ứng có mối liên hệ mật thiết với nhau.
– Độ pH:
Phản ứng Maillard có thể tiến hành trong một khoảng pH khá rộng, tuy nhiên trong môi trường kiềm phản ứng xảy ra nhanh hơn. Trong môi trường axit pH < 3, quá trình tạo melanoidin rất yếu và chủ yếu là sự phân hủy đường nhưng khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng nhanh ngay cả trong môi trường axit [pH = 2]. pH của dung dịch rất quan trọng khi bắt đầu phản ứng, khi proton hóa nhóm amin sẽ làm chậm phản ứng ban đầu ảnh hưởng đến hiệu suất thu nhận sản phẩm Amadori [7]. Các pH cũng rất quan trọng sau khi hình thành hợp chất Amadori, vì nó có thể xác định con đường phản ứng sau đó. Ở pH 7, có khoảng 1% nhóm amin không được tạo ra làm giảm tốc độ phản ứng, khi pH tăng lên sẽ có ít proton hóa hơn, làm tăng tốc độ phản ứng. Sự hiện diện của chất đệm trong hệ phản ứng sẽ làm thay đổi tốc độ của phản ứng Maillard. Đệm phosphat được xem là có tác dụng xúc tác tăng tốc độ phản ứng [5, 8].
– Hàm lượng nước
Hoạt độ nước [aw] của hệ phản ứng là một chỉ số mô tả sự sẵn có của nước để tham gia vào các phản ứng. Nó được xác định bởi phương trình aw = ¼ P / Po. Trong đó: P là áp suất riêng phần của nước trong hệ thống và P là áp suất riêng phần của nước tinh khiết [9]. Nhiều phản ứng xảy ra với giá trị aw từ 0,5 đến 0,8. Trong một hệ thống với nước dư [dung dịch loãng] có aw cao sẽ cản trở nhiều bước của phản ứng Maillard do pha loãng chất phản ứng dẫn đến giảm tốc độ phản ứng. Nếu hoạt độ nước [aw] bị hạ thấp, nồng độ của các chất phản ứng sẽ tăng lên, nhưng chúng có thể bắt đầu mất tính linh động cần thiết cho phản ứng dẫn đến tỷ lệ thấp hơn phản ứng [7]. Như vậy, để phản ứng Maillard tiến hành cực đại thì xung quanh mỗi phân tử protein phải tạo nên lớp đơn phân glucose và lớp đơn phân nước. Như vậy, sự có mặt của nước là điều kiện rất cần thiết để tiến hành phản ứng. Nồng độ chất tác dụng càng cao, lượng nước càng ít thì phản ứng xảy ra càng mạnh.
Động học của phản ứng Maillard
Rất nhiều hợp chất tạo thành vẫn chưa được xác định, đã và đang có nhiều mô hình động học đã được đưa ra để nghiên cứu cơ chế phản ứng. Động học của phản ứng Maillard rất phức tạp do có nhiều đường phản ứng và ảnh hưởng của điều kiện xử lý. Đúng hơn, mô hình động học có thể được thực hiện theo cách hiệu quả hơn thông qua mô hình đa phản hồi, trong đó nhiều bước được phân tích đồng thời [10], tập trung vào phản ứng hóa nâu hơn là về sự hình thành hợp chất hương. Ngược lại, Jousse và cộng sự [2002] đã tập trung vào động học của sự hình thành hợp chất hương vị. Mô hình động học được mô tả như sơ đồ trong Hình 3 [11].
Hình 3. Mô hình tổng quát phản ứng Maillard [12]
Tuy nhiên, để đơn giản hơn có thể xem xét 9 bước hình thành các hợp chất hương vị được thể hiện trong Hình 4.
Hình 4. Mô hình động học phản ứng Maillard [11]
Để có thể áp dụng các mô hình này vào các tình huống thực tế, một mô hình thậm chí kết hợp nhiều mô hình là cần cần thiết bởi vì phản ứng Maillard không chỉ dẫn đến các hợp chất hương vị mà còn cho các hợp chất màu và các hợp chất thú vị khác như acrylamide. Vì vậy, sự kết hợp của các mô hình khác nhau hiện đã được nghiên cứu để dự đoán sự hình thành của các hợp chất có màu và hương vị mong muốn, như cũng như của các hợp chất không mong muốn [các hợp chất có mùi không mong muốn].
Với những chia sẽ trên đây về mặt cơ sở khoa học của phản ứng Maillard, Chay Khánh Tâm hy vọng giúp bạn hiểu phần nào về lý do tại sao bánh nướng có mùi thơm và màu vàng nâu đặc trưng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Hellwig and T. J. A. C. I. E. Henle, “Baking, ageing, diabetes: a short history of the Maillard reaction,” vol. 53, no. 39, pp. 10316-10329, 2014. [2] H. E. Nursten, The Maillard reaction: chemistry, biochemistry and implications. Royal Society of Chemistry, 2005. [3] C. M. Brands, M. A. J. J. o. A. van Boekel, and F. Chemistry, “Reactions of monosaccharides during heating of sugar− casein systems: Building of a reaction network model,” vol. 49, no. 10, pp. 4667-4675, 2001. [4] J. O’Brien, H. E. Nursten, J. M. Ames, M. J. C. Crabbe, and J. Crabbe, The Maillard reaction in foods and medicine. Woodhead Publishing, 1998. [5] M. J. F. N. Van Boekel, “Kinetic aspects of the Maillard reaction: a critical review,” vol. 45, no. 3, pp. 150-159, 2001. [6] A. Yaghmur, A. Aserin, N. J. J. o. a. Garti, and f. chemistry, “Furfural− cysteine model reaction in food grade nonionic oil/water microemulsions for selective flavor formation,” vol. 50, no. 10, pp. 2878-2883, 2002. [7] A. E. Newton, A. J. Fairbanks, M. Golding, P. Andrewes, J. A. J. F. Gerrard, and function, “The role of the Maillard reaction in the formation of flavour compounds in dairy products–not only a deleterious reaction but also a rich source of flavour compounds,” vol. 3, no. 12, pp. 1231-1241, 2012. [8] L. N. J. F. C. Bell, “Maillard reaction as influenced by buffer type and concentration,” vol. 59, no. 1, pp. 143-147, 1997. [9] R. Lutz, A. Aserin, N. J. J. o. d. s. Garti, and technology, “Maillard reaction between leucine and glucose in o/w microemulsion media in comparison to aqueous solution,” vol. 26, no. 5, pp. 535-547, 2005. [10] S. I. Martins and M. A. J. F. C. Van Boekel, “Kinetics of the glucose/glycine Maillard reaction pathways: influences of pH and reactant initial concentrations,” vol. 92, no. 3, pp. 437-448, 2005. [11] F. Jousse, T. Jongen, W. Agterof, S. Russell, and P. J. J. o. F. S. Braat, “Simplified kinetic scheme of flavor formation by the Maillard reaction,” vol. 67, no. 7, pp. 2534-2542, 2002. [12] C.-T. J. T. M. r. c. f. t. c. Ho and l. sciences, “Thermal generation of Maillard aromas,” ed: John Wiley & Sons: Chichester, United Kingdom, 1996, pp. 27-53.
Dashboard