综述：微波介导的梅拉德反应调控：机制、影响因素及其对食品品质的影响

《Food Bioscience》：Microwave-Mediated Regulation of the Maillard Reaction: Mechanisms, Influencing Factors, and Impacts on Food Quality

微波加热与美拉德反应的协同机制及介电调控研究。通过系统综述揭示微波热效应与非热效应（如介电极化）对反应动力学、产物分布及毒性副产物生成的双重影响，指出介电特性调控反应选择性的核心作用，并提出基于材料工程优化微波参数的食品加工策略。

　　

曹宏伟|黄梦婷|黄启龙|宋洪东|黄凯|张宇|卢军|关晓

上海科学技术大学健康科学与工程学院，中国上海

摘要：

微波加热和美拉德反应（Maillard Reaction, MR）在现代食品加工中起着关键作用，但仍存在一些重要空白：对介电性质调节下的MR选择性了解不足，以及微波热效应与非热效应之间的协同/拮抗作用尚未完全阐明。本文系统地综合了实验和理论文献，评估了微波参数如何影响MR动力学、风味化合物的形成、色素的产生以及有害副产物的生成。主要发现包括：微波通过双重效应改变MR过程，过高的功率会加剧有害物质的产生；介电性质是调节MR选择性的核心因素。实际应用意义在于：通过优化微波参数，可以有针对性地提升食品的感官品质，同时减少不希望产生的MR产物，为高效、安全的食品加工提供了一种可持续的方法。

引言

美拉德反应（Maillard Reaction, MR）是食品制备中的基本过程，显著贡献了消费者所重视的感官特性，如独特的颜色、外皮的质地和特征香气，以及感官属性的改变（Shakoor等人，2022年）。该反应始于氨基酸中的氨基与还原糖中的羰基相互作用形成N-取代的糖胺，同时伴随着水分的释放。美拉德反应并非单一的化学路径，而是一个复杂的反应网络。然而，传统的热处理方法通常需要较高的温度，这促使人们寻求改进加热技术以提高食品制造过程中的反应效率（Eliodório等人，2023年）。传统方法往往导致加热不均匀和能量损失，因此人们对微波技术产生了兴趣（Cao等人，2023年）。与传统从外部表面向内部传递热量的加热方法不同，微波技术通过直接激发极性分子来实现材料内部的均匀加热（J. Zhang等人，2023年）。此外，微波加热直接利用电能，减少了环境污染，是一种高效、清洁且环境可持续的加热方式（Zhu等人，2023年）。

微波加热过程中，介电材料吸收电磁能量，主要通过能量转换产生热效应。与传统加热方法不同的是，微波加热在微波电场的作用下还会产生称为“非热效应”的独特现象。非热效应指的是反应速率、选择性或产物分布的变化，这些变化无法仅用宏观温度测量来解释，据推测是由于振荡的电磁场与分子偶极子、离子或过渡态之间的直接相互作用所致。这些效应包括电效应、磁效应和化学效应，表现为热点形成、选择性加热、过热或温度梯度反转等现象（Frasso等人，2020年）。关于微波加工中非热效应存在的科学争议仍在继续，关键在于需要设计严谨的实验来有效分离热效应和其他因素的影响。尽管存在争议，但已有大量文献探讨了微波场与分子之间可能发生的非热相互作用机制。为此提出了一些方法论方法，包括精确的时间-温度同步加热、微波照射期间的同时冷却以及使用低强度辐照（Tao等人，2022年）。然而，实际应用这些实验条件存在挑战，这使得人们对非热效应的存在持怀疑态度（Kubo等人，2020年）。因此，仍需要一个全面的理论框架来阐明非热效应可能以不同于传统热机制的方式增强物理化学反应（如美拉德反应和焦糖化反应）的潜在机制。本文旨在系统地综合这些提出的机制（包括介电极化和活化能调节），并评估它们对美拉德反应动力学和路径的影响。

研究系统地探讨了微波对促进美拉德反应的影响。实验证据表明，微波加热可以在高温和长时间下改变美拉德反应的路径。微波辐照倾向于促进缩合反应而非胺介导的反应，从而增加反应中间体的多样性和数量。微波能量通过多种机制促进美拉德反应：首先，微波产生的电场和磁场导致水分子快速振荡、摩擦和碰撞，从而迅速升温；其次，微波直接激活还原糖和氨基酸等反应性分子，提高其反应性；此外，微波加热不仅加速了反应速率，还改变了产物组成。实验发现，由于温度和反应物浓度的变化，特定美拉德产物（如3-脱氧葡糖酮、丙酮酸和糖基化蛋白质）发生了显著变化。微波加热还可能影响美拉德反应的路径。与传统加热方法不同，微波可能直接促进还原糖和氨基酸之间的缩合反应，同时减少酸催化的异构化和酸解反应（Wang等人，2023年）。例如，微波处理可以加速大米蛋白与右旋糖酐之间的美拉德反应，提升生成产品的功能特性（Cheng等人，2021年）。类似地，涉及牛血清白蛋白和麦芽糊精的微波辅助美拉德反应也显示出比传统加热方法更高的反应速率和产物功能性（Nasrollahzadeh等人，2017年）。此外，微波的非热效应主要影响蛋白质和还原糖的结构变化。早期研究将微波烹饪过程中碎牛肉中脂质和蛋白质二级结构的变化归因于非热效应，表明蛋白质二级结构中的β-转角和β-折叠增加（Calabrò & Magazù，2014年）。虽然已有许多综述总结了微波加热对食品性质（Xu等人，2010年）或传统系统中美拉德反应的一般影响（Tamanna & Mahmood，2015年），但专门针对微波特定能量传递（包括热效应和非热效应）与美拉德反应复杂网络之间机制相互作用的综合研究尚缺乏。本文旨在：（1）弥合微波物理（如介电性质）与美拉德反应化学之间的知识空白；（2）批判性地评估微波对反应路径和产物组成的具体影响；（3）明确如何通过设计关键食品基质来更好地控制微波场下的美拉德反应。这一重点使我们的工作区别于其他关于微波食品加工的综述。

尽管研究取得了显著进展，但我们对美拉德反应的理解仍存在不足，尤其是在不同烹饪方法和条件对其具体影响机制方面。此外，还需要系统研究美拉德反应产物（MRPs）对食品营养和健康的影响。进一步开发优化处理策略以调节美拉德反应对于减少潜在有毒化合物的形成并保持食品的理想感官特性至关重要。未来的研究应着重于阐明这些机制，以便更好地控制食品应用中的美拉德反应。

本文旨在系统地综合微波辐照与美拉德反应之间的机制相互作用，重点区分热效应和假设的非热效应。首先，我们评估微波处理对关键食品质量属性（颜色、风味、营养）的影响；其次，分析加工因素（温度、pH值、组成、水分）如何调节这些效应；第三，总结目前对微波特定热效应和非热效应的理解，并批判性地评估证据基础；最后，指出持续存在的知识空白和未来研究的重点，以推进微波技术在食品设计中的应用。

部分摘录

微波对美拉德反应和食品颜色的影响

食品的颜色在消费者感知和整体食品评价中起着重要作用（Li等人，2022年）。热处理食品的颜色变化主要归因于黑色素的形成，这些棕色聚合物可能对人体健康具有致癌和致突变风险。食品分析中的颜色测量是一种快速简便的方法，可用于评估颜色变化，相比化学分析更为方便。常用的颜色参数包括Hunter L（亮度/暗度）等。

温度和加热时间

在微波加热条件下，温度和加热时间显著影响美拉德反应的速率和产物形成。较高的温度和较长的加热时间会加速反应动力学，导致分子量较大的中间体和棕色产物的生成增加（Zhang等人，2025年）。同时，美拉德反应还会生成额外的电子和氢供体，如与蛋白质结构相关的羟基和吡咯基团，从而增强

微波对美拉德反应的热效应

食品加工常用的频率为915 MHz和2450 MHz。在这些频率下，微波光子能量不足以断裂氢键，更不用说共价键了。因此，微波能量直接激活化学反应的可能性很小。相反，微波加热依赖于将电磁能量转化为材料内的热能，这种现象称为介电加热。这一机制是许多已建立化学反应的基础

咖啡烘焙

微波加热通过调节碳水化合物和蛋白质的介电性质来加速咖啡豆中的美拉德反应。它促进了风味活性杂环（如吡嗪、呋喃）和黑色素的形成，提升了咖啡的特征香气和颜色。与传统烘焙方法相比，微波辅助烘焙可将反应时间缩短30-40%，并通过精确的功率控制减少丙烯酰胺的生成，这一技术已被应用于中等规模的咖啡生产

结论

本文总结了微波辅助美拉德反应的关键机制。微波能量的体积性和快速加热特性改变了反应动力学曲线，与传统的传导加热相比，可能促进不同的中间路径。此外，介电性质和诱导的分子极化可能降低活化能障碍，影响反应选择性，尽管实验上难以将这些效应与纯热效应区分开来

CRediT作者贡献声明

黄启龙：方法学研究。宋洪东：可视化处理。黄梦婷：撰写及编辑。曹宏伟：初稿撰写。卢军：可视化处理。关晓：监督和资金获取。黄凯：可视化处理。张宇：可视化处理

未引用的参考文献

Peng等人，2025年；Peng等人，2025年；Tao等人，2022年；Zhang等人，2017年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

所有作者均未披露任何相关利益关系

致谢

本工作得到了上海农业科技创新计划（T2023301）、国家自然科学基金（32102140）以及中国科技部2023年国家外国专家计划（DL2023013002）的支持。