Хорошая реакция, Майяр!

Реакция Майяра – одна из самых распространённых реакций в пищевой химии. В английском языке она называется non-enzymatic browning reaction — это означает, что в процессе реакции образуются вещества, придающие продукту коричневый цвет, но это вызвано не деятельностью ферментов, как бывает, например, в случае с надкусанным яблоком, а особенностью продуктов реакции. 

Что касается яблок, то полифенолоксидаза под действием кислорода взаимодействует с полифенолами. Когда яблоко целое, они друг друга "не касаются", потому что оксидаза живет в хлоропластах, окруженных мембраной, а полифенолы в других клеточных тканях. Когда мы разрезаем или кусаем яблоко, то клетки повреждаются, плюс появляется доступ к кислороду, итог - коричневый надрез яблока. Коричневый цвет, потому что продукты этой реакции собираются в длинную полимерную цепочку, что приводит к образованию меланина - коричневого пигмента.

Чтобы понять, происходит ли она в том или ином продукте, нужно знать, есть ли в нём белки, углеводы, а также собираетесь ли вы нагревать продукт. Если ответ «да», то реакция Майяра будет запущена. Стадия её развития будет зависеть от условий нагревания, но об этом поговорим далее.

что такое реакция Майяра

С химической точки зрения, реакция Майяра – это реакция между аминокислотами и сахарами при нагревании. Примеров этой реакции множество: жарка мяса, обжарка кофе, выпечка хлеба и т. д. По мере развития реакции Майяра образуются продукты, обладающие характерными запахом, который порой не даёт устоять перед свежеприготовленным стейком или только что испечённым круассаном.
Но всегда ли появление характерных запахов и вкусов является необходимым? Определённо, нет.

Есть довольно распространённое мнение, якобы в молоке не происходит реакции Майяра. Вернёмся к началу нашего рассуждения и проанализируем, соответствует ли молоко условиям, необходимым для реакции Майяра.

Белки. Безусловно, белки присутствуют в молоке. Это сывороточные белки (преимущественно бета-лактоглобулин и альфа-лактальбумин) и казеины.

Сахара. Тоже да, лактоза – основной молочный сахар, или углевод. Уникален тем, что в природе встречается только в молоке.

Нагревание. Это зависит от наших целей.

пастеризация / ультрапастеризация / стерилизация  

Перед тем как попасть на полки супермаркетов, молоко должно пройти термическую обработку – пастеризацию, ультрапастеризацию или стерилизацию. Это необходимо для обеспечения микробиологической безопасности молока и, как следствие, продления его срока хранения. Каждый из этих методов по-своему эффективен, но в любом случае «запускает» реакцию Майяра в молоке. Выбор метода тепловой обработки определяет не только микробиологические параметры готового продукта, но и его органолептические свойства, то есть все, что мы можем оценить с помощью органов чувств.

Пастеризация – это процесс, отвечающий минимальным требованиям к тепловой обработке. В этом случае молоко нагревают до 85°C на 2-3 секунды. При ультрапастеризации молоко подвергают температуре 135-150°C на 1-10 секунд в зависимости от метода. Стерилизация – это наиболее агрессивный метод тепловой обработки молока. Его выдерживают при температуре 115-120°С от 20 минут. Стерилизованное молоко, как правило, поставляют в больницы и детские учреждения, чтобы исключить возможность отравления. После нагревания любым из способов молоко охлаждают и расфасовывают в обычную или покрытую антисептическим слоем изнутри тару.

Несмотря на то, что в случае ультра- и простой пастеризации молоко нагревается всего на несколько секунд, это приводит ко многим необратимым химическим изменениям в его составе. Помимо инактивации ферментов и уничтожения патогенных бактерий (а в случае ультрапастеризации ещё и их спор, что позволяет молоку храниться около года при комнатной температуре), влияние оказывается и на основные компоненты молока – белки, жиры, углеводы, — и на витамины. Ультрапастеризация ведет к потере 10-30% витамина С, фолиевой кислоты, витаминов B6, B12 и B1.

реакция Майяра в молоке

Итак, происходит ли реакция Майяра в молоке? Безусловно, да. Яркий тому пример – топлёное молоко и варёная сгущёнка, отличающиеся характерным вкусом, запахом и цветом.

Реакция Майяра является необратимым последствием нагревания молока, зависит от его интенсивности и продолжается на протяжении всего срока хранения молока. То есть постоянное нагревание – необязательное условие для реакции Майяра, достаточно однократной температурной обработки с последующим хранением молока.

Несколько слов о природе реакции Майяра. Это комплексная реакция, протекающая в несколько стадий. На начальном этапе под действием температуры аминогруппа белка — в молоке это в основном ε-аминогруппа остатков лизина из κ-казеина и сывороточных белков — реагирует с карбонильной группой основного молочного сахара – лактозы. Иными словами, белки реагируют с лактозой при нагревании. В результате этого взаимодействия образуется промежуточное нестабильное вещество, так называемое основание Шиффа, которое сразу подвергается дальнейшим преобразованиям с образованием раннего продукта Амадори – лактулозил лизина. Именно продукты Амадори на более поздних стадиях реакции Майяра претерпевают множественные изменения с образованием более 3500 характерных летучих ароматических соединений. Эти ароматы могут быть как желательными, так и нет.

Если кратко, то ε-аминогруппа лизина + карбонильная группа лактозы ↔ основание Шиффа ↔ продукт Амадори → меланоидины (высокомолекулярные азотистые соединения коричневого цвета) и полимеризованные белки.

Эта схема очень кратко описывает реакцию Майяра в молоке, поскольку на самом деле происходит множество химических превращений внутри реакции, но она отражает её непосредственную суть.

Стоит отметить, что не все ароматические "душистые" (обладающие запахом) соединения образуются в результате реакции Майяра. Некоторые из них являются продуктами высвобождения сульфгидрильных, или тиоловых, групп (-SH groups, серосодержащие реактивные группы), которые выходят на поверхность сывороточных белков и белков их мембраны жировых глобул в процессе денатурации.

Также каждое молоко обладает своим «естественным» запахом, то есть тем, который оно приобретает в зависимости от корма и метаболизма коров, а также запахом, появляющимся в процессе хранения.

Итак, в молоке из-за нагревания (продолжительного) образуются коричневые пигменты меланоидины, а также множество ароматических и "душистых" соединений. Мы можем видеть эти изменения невооруженным глазом, например, характерный цвет топлёного молока или ряженки, а также будем чувствовать новые запахи, о природе которых мы поговорим дальше.

   Присутствие этих ароматических соединений можно проверить с помощью газовой хроматографии/масс-спектрометрии, то есть с использованием специального оборудования, недоступного всем заинтересованным в контроле органолептических свойств молока.

Поэтому мы поставили цель сравнить ароматический (обладающий запахом) состав разных видов коровьего молока, в первую очередь пастеризованного и ультрапастеризованного, а также безлактозного молока, поскольку из него удален основной молочный сахар – лактоза, соответственно, реакция Майяра должна протекать не в той же мере, что и в обычном молоке с лактозой. Основная задача – сравнить интенсивность запаха холодного и нагретого с помощью паровика кофемашины до разных температур молока. О результатах исследования можно будет говорить уже в начале следующего года, а пока разберемся, что известно о результатах реакции Майяра на данный момент.

   Что же известно о результатах реакции Майяра на данный момент? 

Ультрапастеризованное молоко действительно обладает более интенсивным запахом, чем пастеризованное. Более того, в холодном ультрапастеризованном молоке присутствуют не все ароматы из тех, что есть в нагретом.

Что касается характера ароматов/вкусов, образующихся при нагревании молока, - есть 4 основные группы, которые описывают как: «сернистый или приготовленный/cooked or sulphurous», «нагретый или насыщенный/heated or rich», «карамельный/caramelised» и «жженый, горелый/scorched».

В таблице приводятся некоторые ароматические и "душистые" соединения ультрапастеризованного молока. Как видно, ароматы описываются и как положительные – ванильный, кокосовый, сладкий, — и как нежелательные – землистый, металлический, ржавый.

Таким образом, любое свежее молоко обладает индивидуальным специфическим запахом в зависимости от корма, породы, условий содержания и особенностей метаболизма коров. Этот запах будет меняться в зависимости от температурной обработки, срока и условий хранения. Нагревание и хранение молока приводит к образованию летучих ароматических соединений из белков, углеводов и жиров молока путем сложных превращений. Химические изменения в молоке приводят к образованию новых ароматических (и не только) соединений. Яркий пример - тиоловые группы (содержащие серу), а все серосодержащие соединения интенсивно пахнут. Это в случае денатурации. А при РМ одно из самых преобладающих ароматических соединений – это фурфурол, который пахнет хлебом, злаками. И таких соединений множество.

Эти ароматические соединения могут быть как желательными, так и нет. Важно помнить, что более интенсивное нагревание молока и последующее длительное хранение приводят к образованию большего количества новых ароматов и, как следствие, вкусов. Что касается распространенного вопроса «Образуется ли при нагревании молока акриламид, как это происходит при обжарке кофе?», то нет, он образуется в растительных продуктах. Молоко, мороженое, сыры его не содержат. 

*Акриламид - это вещество, которое образуется в процессе обжарки, например, кофе (и других растительных продуктов), потенциальный канцероген.