本研究首次建立了牛奶在超高温（UHT）处理（110–140 °C）过程中美拉德反应（Maillard reaction）的综合多响应动力学模型，该模型涵盖了前体物（糖类、氨基酸）、中间体（α-二羰基化合物（α-dicarbonyl compounds, α-DCs）和阿马多里化合物（Amadori compounds））以及终产物（N-ε-羧甲基赖氨酸（CML）、N-ε-羧乙基赖氨酸（CEL））的变化。通过多响应动力学建模，识别了动力学上重要的反应步骤。结果表明，CML和CEL主要通过乳果糖赖氨酸（lactulosyllysine）的氧化形成。在中间体中，1-脱氧葡萄糖醛酮（1-deoxyglucosone）、葡萄糖醛酮（glucosone）的形成，以及由1-脱氧葡萄糖醛酮生成甲基乙二醛（methylglyoxal, MGO）、由葡萄糖醛酮生成乙二醛（glyoxal, GO）被确定为动力学关键步骤。乳果糖赖氨酸的形成被确定为限速步骤，而甲基乙二醛的生成在所有加热温度下均发生最快。本研究将多响应动力学建模方法应用于牛奶体系，为理解α-二羰基化合物和晚期糖基化终末产物（advanced glycation end-products, AGEs）形成的关键途径提供了全面的认识。
牛奶超高温加工中美拉德反应的动力学机制与晚期糖基化终末产物形成路径研究
一、研究背景与意义
牛奶作为富含蛋白质、乳糖、脂质和水分的营养食品，其成分特性使其成为微生物生长的温床，因此常采用超高温（Ultra-high temperature, UHT）处理（通常>135 °C）以延长货架期。然而，这种高温加工会引发美拉德反应（Maillard reaction, MR），即还原糖（乳糖）与蛋白质中赖氨酸ε-氨基之间的非酶褐变反应。该反应不仅导致营养价值损失（如赖氨酸不可利用），还会生成α-二羰基化合物（α-DCs）和晚期糖基化终末产物（AGEs），如N-ε-羧甲基赖氨酸（CML）和N-ε-羧乙基赖氨酸（CEL），这些物质与食品风味、色泽变化以及潜在的健康风险（如糖尿病并发症、心血管疾病）相关。尽管已有研究关注UHT牛奶中的化学变化，但多数采用单响应动力学模型，缺乏对复杂反应网络（包括前体、中间体和终产物）的全面量化，难以揭示限速步骤和主导路径。因此，本研究旨在通过多响应动力学建模（multiresponse kinetic modeling）方法，系统阐明牛奶在110–140 °C加热过程中美拉德反应的全景机制，为优化热加工工艺、控制有害物形成提供理论依据。本研究成果发表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。
二、研究方法概述
研究人员以市售巴氏杀菌乳为对象，在实验室模拟UHT工艺，于110、120、130、140 °C下进行不同时长（0.5–5 min）的热处理。采用高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等技术，定量分析了乳糖、游离/结合赖氨酸、阿马多里产物（通过其酸水解产物糠氨酸（furosine）间接测定）、α-DCs（包括3-脱氧葡萄糖醛酮（3-DG）、甲基乙二醛（MGO）、乙二醛（GO）等）以及AGEs（CML、CEL）。基于反应网络构建常微分方程组，利用Athena Visual Studio软件进行非线性回归拟合，估计各步反应速率常数，并通过模型判别和最高后验密度（HPD）区间评估拟合优度，最终建立温度依赖的Arrhenius方程。
三、研究结果与讨论
1. 反应网络构建与模型验证
研究人员构建了涵盖美拉德反应早期（乳糖+赖氨酸→乳果糖赖氨酸（LacLys））、中期（LacLys降解生成α-DCs）和晚期（α-DCs与赖氨酸反应生成CML/CEL）的完整反应网络。模型拟合结果显示，实验数据与模拟值高度一致，各温度下的参数估计均具有统计学意义，证实了多响应模型在复杂牛奶体系中的适用性。
2. 关键中间体的动力学作用
通过对α-DCs中间体的定量分析，研究发现1-脱氧葡萄糖醛酮（1-DG）和葡萄糖醛酮（G）的形成是美拉德反应中期的重要节点。其中，1-DG进一步快速转化为甲基乙二醛（MGO），而G则转化为乙二醛（GO）。模型识别出这些步骤是α-DCs累积的关键路径，尤其是MGO的生成速率在所有温度下均最快，表明其是反应中最活跃的中间体之一。
3. AGEs的形成机制与限速步骤
研究表明，CML和CEL并非直接由乳糖降解产生，而是主要通过乳果糖赖氨酸（LacLys）的氧化途径形成。模型进一步揭示，LacLys的生成（即美拉德反应早期步骤）是整个反应网络的限速步骤（rate-limiting step），其反应速率远慢于后续的α-DCs生成和转化步骤。这一发现强调了控制早期糖基化反应对于抑制AGEs形成的重要性。
4. 温度对反应动力学的影响
通过Arrhenius方程分析，研究人员获得了各步反应的活化能（Ea）。结果显示，随着温度升高（110→140 °C），所有反应步骤的速率均显著增加，但限速步骤（LacLys形成）的活化能较高，表明其对温度更为敏感。这提示在工业UHT加工中，即使短暂的高温暴露也可能因加速早期反应而大幅增加AGEs的最终含量。
四、结论
本研究成功建立了牛奶UHT加工过程中美拉德反应的多响应动力学模型，定量揭示了从乳糖、赖氨酸到AGEs的完整反应路径。研究证实，乳果糖赖氨酸的氧化是CML和CEL形成的主要途径，而乳果糖赖氨酸本身的生成是反应的限速步骤。中间体1-脱氧葡萄糖醛酮和葡萄糖醛酮的转化是关键节点，其中甲基乙二醛的生成最为迅速。该模型为预测和控制热加工牛奶中的化学危害提供了有效的计算工具，并指出通过优化加热工艺（如降低高温停留时间）来抑制早期美拉德反应，是减少营养损失和有害物形成的潜在策略。
