褐變

關於烹飪過程，請見「褐變 (烹飪)」。

褐變或食物褐變（英語：Food browning），是由於食物內部發生的化學反應而變成褐色的過程。 褐變過程是食品化學中發生的化學反應之一，是有關健康、營養和食品技術的一個有趣的研究課題。 儘管食物隨時間發生化學變化的方式多種多樣，但褐變尤其分為兩大類： 酶促與非酶促褐變過程。

褐變的富士蘋果—原視頻為32分鐘，加快縮減為16秒

褐變對食品工業有許多重要影響，涉及營養、技術和經濟成本。^[1]研究人員特別感興趣的是研究褐變的控制（抑制)以及最大限度地抑制褐變並最終延長食品保質期的不同方法。^[2]

酶促褐變

多酚氧化酶為酶促褐變的一般反應示例。 產生的醌類物質會發生更多反應，最終在食物表面形成棕色色素

酶促褐變是大多數水果、蔬菜和海鮮中發生的最重要的反應之一。^[3]這些過程會影響這些食品的味道、顏色和價值。^[3]一般來說，這是一種涉及多酚氧化酶（英語：Polyphenol oxidase）（PPO）、兒茶酚氧化酶和其他酶的化學反應，它們從天然酚（英語：Naturally occurring phenols）中生成黑色素和苯醌。 酶促褐變（也稱食物氧化）需要接觸氧氣。 首先是多酚氧化酶將酚氧化成醌，^[4]其強親電狀態導致極易受到其他蛋白質的親核攻擊。^[4]然後，這些醌會在一系列反應中聚合，最終在食物表面形成棕色色素（黑變病）。^[5]酶促褐變的速度取決於食物中活性多酚氧化酶的含量。因此，對防止酶促褐變方法的研究大多針對抑制多酚氧化酶的活性。不過，並非所有的食物褐變都會產生負面影響。^[1]有益酶促褐變的例子

• 使咖啡、可可豆和茶增色增香。^[6]
• 使乾果（如薜荔和葡萄乾）的顏色和風味發生變化。

無益酶促褐變的例子：

• 新鮮水果和蔬菜，包括蘋果、馬鈴薯、香蕉和牛油果。
• 多酚氧化是蝦等甲殼類動物黑色素沉著症的主要原因。^[7]

控制酶促褐變

葡萄變成葡萄乾的過程中涉及理想的酶促褐變反應

香蕉皮上褐色斑點的形成與不良 / 不理想的酶促褐變反應有關

輻照番石榴

酶促褐變的控制一直是食品工業面臨的挑戰。人們採用了各種方法來防止或減緩食品的酶促褐變，每種方法都旨在針對化學反應的特定步驟。酶促褐變控制的不同類型可分為兩大類：物理控制和化學控制。通常，會使用多種方法。亞硫酸鹽（強效抗褐變化學品）的使用已被重新考慮，因為它在有化學活性的同時還可能帶來危害。^[8]關於酶促過程中的具體控制機制，人們已經進行了大量研究。除了預防之外，褐變控制還包括在褐變後恢復食品顏色的措施。例如，在釀酒過程中可以使用離子交換過濾或超濾來去除溶液中的棕色沉澱物。^[9]

物理方法

• 熱處理——用熱處理食物，例如焯水或烘烤 ，會使酶變性並破壞導致褐變的反應物。例如，焯水可用於釀酒、^[10]茶葉加工（英語：Tea processing）、堅果和培根的儲存以及蔬菜的冷凍保存。^{[11][12][13][14]}肉類通常會在高溫下部分變成褐色（英語：Browning (cooking)），然後再加入到更大的菜餚中，在較低的溫度下烹製，以減少褐變。

• 冷處理——冷藏和冷凍是儲存食物以防止腐爛的最常用方法。褐變酶的活性，即反應速度，在低溫下會下降。因此，冷藏有助於保持新鮮蔬菜和水果的原始外觀、顏色和風味。在水果和蔬菜的分銷和零售過程中也會使用冷藏技術。

• 除氧——氧氣的存在對於酶促褐變至關重要，因此，消除環境中的氧氣有助於減緩褐變反應。在保存過程中（例如真空包裝或氣調包裝（英語：Modified atmosphere/modified humidity packaging）），抽出空氣或用其他氣體（例如氮氣或二氧化碳）代替，使用不透水薄膜或可食用塗層（英語：Food coating），浸入鹽或糖溶液，使食物避免與氧氣直接接觸。由塑料或其他材料製成的防滲透薄膜可防止食品暴露在空氣中的氧氣中並避免水分流失。人們越來越熱衷於開發浸漬有抗氧化劑、抗菌劑和抗真菌劑的包裝材料，例如丁基羥基甲苯 (BHT) 和丁基羥基茴香醚 (BHA)、生育酚、檜木酚、溶菌酶、乳酸鏈球菌肽（英語：Nisin）、納他黴素、殼聚糖和ε-聚賴氨酸（英語：Polylysine）。可食用塗層可以由多糖、蛋白質、脂質、蔬菜 / 皮（英語：Peel (fruit)）、植物或其他天然產品製成。

• 輻照——使用短波紫外光（UV-C）、伽馬射線、X射線和電子束（英語：Electron-beam technology）進行食品輻照是延長食品保質期的另一種方法。電離輻射會抑制導致食品腐敗微生物的活力，並延緩保存蔬菜和水果的成熟和發芽。

化學方法

• 酸化——褐變酶與其他酶一樣，在特定的 pH範圍內具有活性。例如，多酚氧化酶（英語：Polyphenol oxidase）在 pH5—7時表現出最佳活性，在pH 3以下受到抑制。酸化劑（英語：Acidifiers）和酸度調節劑被廣泛用作食品添加劑，以維持食品中所需的pH值。檸檬酸、抗壞血酸和穀胱甘肽等酸味料（英語：Acidulant）被用作抗褐變劑。許多此類試劑還具有其他抗褐變作用，例如螯合和抗氧化活性。

棕色陳年白葡萄酒

• 抗氧化劑——許多抗氧化劑在食品工業中用作食品添加劑。這些化合物與氧氣發生反應，抑制褐變過程的發生。此外，它們還會干擾後續反應的中間產物，抑制黑色素的形成。抗壞血酸、N-乙醯半胱氨酸、L-半胱氨酸、4-己基間苯二酚、異抗壞血酸、鹽酸半胱氨酸、穀胱甘肽都是因其抗褐變特性而被研究的抗氧化劑的例子。

• 螯合劑——多酚氧化酶需要銅作為輔助因子才能發揮作用，因此銅螯合劑會抑制該酶的活性。許多具有螯合活性的物質已被研究並用於食品工業的不同領域，例如檸檬酸、山梨酸、聚磷酸鹽（英語：Polyphosphate）、檜木酚、曲酸、乙二胺四乙酸（EDTA）、卟啉、聚羧酸、不同蛋白質。其中一些化合物還具有其他抗褐變作用，如酸化或抗氧化作用。檜木醇用於食品包裝（英語：Food packaging）的塗層材料。

其它方法

• 天然劑——不同的天然產品及其提取物，如洋蔥、菠蘿、檸檬和白葡萄酒，已知能夠抑制或減緩某些產品的褐變。洋蔥及其提取物通過抑制多酚氧化酶活性表現出強大的抗褐變特性。菠蘿汁已被證明對蘋果和香蕉有抗褐變作用。檸檬汁用於製作麵團，使糕點產品看起來更亮。這種效果可能是通過檸檬汁中的檸檬酸和抗壞血酸的抗褐變特性來解釋的。

• 基因改造——北極蘋果經過基因改造，可以抑制多酚氧化酶的基因表達，從而延緩褐變效應，提高蘋果的食用品質。

非酶促褐變

法國黃油雞蛋圓麵包的外皮，由於美拉德反應而呈金褐色

第二種褐變，即非酶褐變，也是一種在食物中產生棕色色素的過程，但沒有酶的活性。 非酶褐變的兩種主要形式是焦糖化（英語：Caramelization）和美拉德反應。 這兩種反應的反應速率隨水活性（在食品化學中，水活性的標準狀態通常被定義為相同溫度下純水的部分蒸氣壓）的變化而變化。

焦糖化是一種涉及糖熱解的過程。 它被廣泛用於烹飪，以獲得所需的堅果香味和棕色。 在這個過程中，揮發性化學物質會釋放出來，產生特有的焦糖味道。

食糖（蔗糖）焦糖化為棕色堅果風味物質（呋喃和麥芽酚）的實例

希夫鹼失去一個二氧化碳分子並加入水。 注意胺基酸（此處為天冬醯胺）的胺基和糖（葡萄糖）的羰基碳之間的相互作用。 最終產物是丙烯醯胺。 更多信息，請參見美拉德反應

另一種非酶反應是美拉德反應。這種反應是烹飪食物時產生香味的原因。 發生馬氏反應的食物包括麵包、牛排和土豆。 這是游離胺基酸的胺基和還原糖的羰基之間發生的化學反應，^[1]通常需要加熱。 糖與胺基酸相互作用，產生各種氣味和風味。 美拉德反應是調味品行業為加工食品生產人工香料的基礎^[15]因為胺基酸的種類決定了所產生的味道。

類黑精是糖和胺基酸在高溫和低水活度條件下通過美拉德反應結合形成的棕色高分子量異質聚合物。 類黃褐素通常存在於經過某種非酶促褐變的食物中，如大麥芽（維也納麥芽和慕尼黑麥芽）、麵包皮、烘焙食品和咖啡。 它們還存在於製糖廠的廢水中，因此必須對其進行處理，以避免這些製糖廠的廢水受到污染。

參見

• 焦糖化反應
• 梅納反應
• 肉汁
• 水活性
• 分解作用
• 褐變 (烹飪)（英語：Browning (cooking)）