Hóa học của phản ứng Maillard

Màu sắc của thực phẩm là một chủ đề rất được yêu thích của các nhà hóa học thực phẩm. Các sắc tố màu rất phức tạp, cũng như các phản ứng để hình thành chúng. Đặc biệt, màu nâu là một màu yêu thích. Thật thú vị vì có nhiều cách hoàn toàn khác nhau về mặt hóa học để biến một thứ gì đó có màu nâu (thí dụ như là chuối già, bánh mì nâu, bít tết chiên, caramen đường).

Hôm nay chúng ta sẽ tập trung vào một con đường dẫn đến thực phẩm màu nâu: phản ứng Maillard. Đó là nguyên nhân gây ra bánh mì nâu và cả bít tết. Vì những điều cơ bản đã được thảo luận trước đây, bài đăng này sẽ đi sâu vào hóa học của phản ứng Maillard.

Màu nâu của thực phẩm

Hãy quay lại những cách khác nhau để thực phẩm có thể chuyển sang màu nâu. Có hai loại chính của thực phẩm: hóa nâu do enzym và không sử dụng enzym. Chúng ta đã đề cập đến quá trình hóa nâu do enzym khi nói về bơ nâu. Loại màu nâu này bị dừng lại bởi nhiệt độ cao, vì vậy không áp dụng cho bít tết hoặc bánh mì của chúng ta.

Quá trình hóa nâu không do enzym một lần nữa có thể được chia thành hai loại: phản ứng Maillard và caramen hóa. Caramen hóa đòi hỏi nhiệt độ cao (trên 150°C) và chỉ cần có đủ đường. Mặt khác, phản ứng Maillard có thể diễn ra ở nhiệt độ phòng (nhưng tăng tốc nhanh ở nhiệt độ cao hơn, vì vậy đừng mong đợi bánh mì của bạn chuyển sang màu nâu ở nhiệt độ phòng) và yêu cầu hai loại phân tử xảy ra: cả protein và đường.

Cơ chế phản ứng Maillard rất thú vị từ quan điểm hóa học, vì vậy chúng ta sẽ đi sâu thực sự về hóa học của phản ứng này bên dưới!

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về phản ứng Maillard, nhưng ở cấp độ cơ bản hơn, hãy đọc bài đăng của tôi về hóa học của bbq hay thịt nướng, bao gồm phần giới thiệu về phản ứng.

Cơ chế phản ứng

Các bước sau đây diễn ra trong phản ứng Maillard:

Bước 1: Tất cả đều bắt đầu với đường và protein / axit amin. Chúng phản ứng và tạo thành một hợp chất.

Theo thuật ngữ hóa học: đường khử (hoặc aldose hoặc ketose) phản ứng với nhóm amin (nhóm NH2, từ protein) để tạo thành cái gọi là hợp chất Heyns hoặc Amadori.

Maillard - bước 1
Bước đầu tiên của cơ chế phản ứng Maillard. Trong bước này, một đường (trong trường hợp này là glucose) phản ứng với một nhóm amin (có thể được gắn vào protein) để tạo thành hợp chất Amadori. Tất cả bắt đầu với đường và nhóm amin tạo thành một phân tử. Một phân tử này sau đó tách nước trước khi chuyển vị lại thành hợp chất Amadori. Các phản ứng có mũi tên ở cả hai phía cho biết phản ứng đó là phản ứng thuận nghịch.

Bước 2: Các phân tử này phản ứng thêm để tạo thành các hợp chất thơm.

Từ quan điểm cấu trúc hóa học: hầu hết các phân tử này chứa một vòng trong cấu trúc của chúng được hình thành trong giai đoạn này.

Cơ chế phản ứng Maillard - bước 2
Phân tử ở ngoài cùng bên trái là hợp chất Amadori từ phản ứng trước đó. Nếu phân tử này ở trong môi trường axit (do đó có H+) thì phản ứng này có thể xảy ra. Nó sẽ dẫn đến sự hình thành một phân tử có hai phân tử oxy liên kết đôi. Nó sẽ phụ thuộc vào điều kiện có bao nhiêu nhóm -OH còn lại, điều này phụ thuộc vào cơ chế và điều kiện. Nhiều nhóm -OH hơn có thể tách ra ở dạng nước.

Một khi các phân tử này với hai nguyên tử oxy liên kết đôi đã được hình thành, chúng có thể tham gia vào phản ứng Strecker. Trong quá trình phản ứng Strecker, các phân tử thơm được hình thành và sự thay đổi trong các con đường phản ứng cũng bắt đầu tăng mạnh.

Cơ chế phản ứng Maillard - bước 3 strecker
Như bạn đã thấy với các phản ứng trước, ngay từ đầu, có một số cách để phản ứng này tiến hành. Đây là bước mà nó bắt đầu trở nên rất lộn xộn. Hai sản phẩm được tạo thành trong phản ứng này có thể làm được tất cả mọi thứ. Một lựa chọn là aminoketon (sản phẩm trên) có thể phản ứng với một aminoketon khác tạo thành vòng, điều này dẫn đến việc hình thành pyrazine, rất thơm.

Bước 3: Ở bước cuối cùng, các phân tử phức tạp lớn, melanoidin được hình thành. Những thứ này cuối cùng sẽ tạo cho sản phẩm một màu nâu.

Ví dụ melanoidin - màu đỏ
Một ví dụ về phân tử màu có thể được hình thành trong phản ứng Maillard

Đôi nét

Phản ứng Maillard lấy tên từ nhà hóa học người Pháp Louis-Camille Maillard, người ban đầu mô tả phản ứng giữa axit amin và đường vào năm 1912. Tuy nhiên, nghiên cứu của ông không đưa ra nhiều cách phân tích về tác động của phản ứng đối với hương vị và mùi thơm trong nấu ăn; phải đến những năm 1950, cơ chế và đóng góp của nó trong ẩm thực mới được hiểu rõ ràng hơn.

Năm 1973, nhà hóa học người Mỹ John E Hodge đã công bố cơ chế cho các bước khác nhau của phản ứng, phân loại các giai đoạn của nó và xác định một loạt các sản phẩm khác nhau được tạo ra từ kết quả của những phản ứng này. Ông xác định giai đoạn đầu tiên là phản ứng giữa đường và axit amin; điều này tạo ra một hợp chất glycosylamine, trong bước thứ hai được sắp xếp lại để tạo ra ketosamine. Giai đoạn cuối cùng bao gồm hợp chất này phản ứng theo một số cách để tạo ra một số hợp chất khác nhau, bản thân chúng có thể phản ứng để tạo ra các sản phẩm khác.

Melanoidins là một trong những sản phẩm cuối tiềm năng. Đây là những hợp chất cao phân tử dài, hoạt động như sắc tố nâu, tạo cho thực phẩm nấu chín có màu nâu. Phản ứng Maillard được gọi là phản ứng hóa nâu không do enzym, vì các melanoidin này được tạo ra mà không có sự hỗ trợ của enzym; điều này khác với quá trình tạo màu nâu do enzym, đó là thứ biến các loại trái cây như bơ có màu nâu.

Hàng trăm hợp chất hữu cơ khác được hình thành. Một tập hợp con trong số này có thể góp phần vào hương vị và mùi thơm của thực phẩm. Do sự phức tạp của phản ứng Maillard, các lượng hợp chất khác nhau có thể được hình thành trong các loại thực phẩm khác nhau, tạo ra nhiều loại hương vị tiềm năng. Điều kiện nấu nướng cũng có thể ảnh hưởng đến hương vị được tạo ra; nhiệt độ và pH, trong số các yếu tố khác, có thể có ảnh hưởng.

Sự tạo thành acrylamide từ phản ứng Maillard. Nguồn: Wikipedia

Tuy nhiên, các sản phẩm của phản ứng Maillard đều không phải là tin tốt. Hợp chất gây ung thư, acrylamide, cũng có thể được tạo ra do phản ứng và mức độ của nó tăng lên khi thực phẩm được đun nóng trong thời gian dài hơn. Một nghiên cứu năm 2002 cho thấy thức ăn nhanh có thể chứa hàm lượng acrylamide đặc biệt cao, mặc dù các biện pháp đã được thực hiện để giảm mức độ này. Điều này cung cấp một số quan điểm cho cuộc thảo luận về chất gây ung thư trong các sản phẩm thực phẩm; trong khi tất nhiên, chúng ta muốn hạn chế tiếp xúc với những loại hóa chất này, trong nhiều trường hợp, các hợp chất gây ung thư đã hiện diện như một hệ quả tự nhiên của việc nấu nướng.

Không chỉ trong nhà bếp của bạn mà phản ứng Maillard đang diễn ra. Nó cũng xảy ra với tốc độ chậm hơn nhiều trong cơ thể chúng ta, và các nhà nghiên cứu đã gợi ý rằng nó có thể có vai trò trong việc hình thành một số loại đục thủy tinh thể. Nó cũng được liên kết như một chất đóng góp vào các tình trạng y tế khác.

Do tính phức tạp của nó, vẫn còn nhiều điều chúng ta chưa biết về phản ứng Maillard. Mặc dù chúng ta biết rằng các yếu tố như pH và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến quá trình của phản ứng, chúng ta vẫn biết ít về cách điều chỉnh những yếu tố này để ảnh hưởng cụ thể đến các sản phẩm cuối cùng. Khi chúng ta tìm hiểu thêm về nó, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về các phản ứng làm cho thực phẩm nấu chín có mùi vị rất tốt – không phải là một ứng dụng xấu của hóa học.

Xem video sau để hiểu thêm:

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Foodcrumbles, Compound Interest Wikipedia.