铵法焦糖色素(III类和IV类)是食品中广泛使用的天然食品着色剂,其主要生产工艺是还原糖与铵盐通过美拉德(Maillard)反应经历一系列氧化、脱水、环化、聚合等复杂的化学反应,最终得到大分子类黑精色素化合物。然而,铵法焦糖生产过程中产生的强致癌成分4-甲基咪唑(4-Me I)使焦糖色素在食品工业应用中存在巨大安全隐患。本研究使用高效离子色谱法开发了高分离度和高灵敏度的检测焦糖色素中4-Me I新方法,另外通过离子色谱与质谱串联使用,开发了能有效检测互变异构还原糖的新方法,为氢/氘(H/D)交换实验提供重要的技术手段。本文系统地研究了氨基结构,p H以及超声场等外部环境对美拉德反应过程中二羰基化合物形成的影响及其调控机理。同时采用同位素标记实验和H/D交换实验系统研究了IV类焦糖生产过程中亚硫酸根对二羰基化合物和4-Me I形成的影响,为铵法焦糖生产过程中调控4-Me I的生成提供新的理论依据和技术基础。采用柱后加碱技术实现了饮料和焦糖色素样品中4-Me I的快速定性和定量分析,样品经固相微萃取前处理后,采用阳离子交换柱CS12A作为分离柱分离4-Me I,提高目标分析物与样品杂质的分离度(2.70)。该方法具有分离度高,稳定,灵敏度高等特点,线性范围为0.05-10 mg/L(R2>0.997,4-Me I),HPCEC-PAD法检测4-Me I能适用于饮料和焦糖色素中痕量4-Me I的常规分析。基于高效阴离子交换原理,开发了一种高分离度并且能同时检测美拉德反应中互变异构糖的新方法,通过鞘液技术引进挥发性铵盐改进还原糖的质谱信号,极大地提高了质谱分析还原糖的灵敏度。由于该鞘液采用质谱推荐使用的挥发性铵盐,因此长期使用不会造成离子源无机盐沉积和影响质谱性能。实验结果发现,采用鞘液加入铵盐能有效促进单糖和双糖质谱信号增加,能有效替代传统的三通接口加入非挥发性钠盐增益质谱信号方式,实验结果表明质谱信号强度受缓冲液浓度和有机溶剂种类的影响。采用高效液相色谱-二极管阵列(HPLC-DAD)检测丙酮醛(MGO)的邻苯二胺衍生物定量反应体系中二羰基化合物的变化,同时采用高效阴离子交换色谱-脉冲安培(HPAEC-PAD)检测体系中还原糖和氨基酸的变化,最后对葡萄糖和精氨酸的反应中间体进行HPLC-MS/MS分离鉴定,提出精氨酸抑制丙酮醛生成的化学机理。实验结果表明丙酮醛的生成受p H和氨基酸氨基含量以及氨基活泼氢含量有关,赖氨酸具有更高的反应活性诱导丙酮醛的生成,同时丙酮醛的生成易受氨基结构的影响,由于胍基胺的存在,精氨酸能与葡萄糖分子形成五元环化合物,从而抑制了体系中丙酮醛生成。超声场作用下,改变了美拉德反应中间产物糖胺化合物的变化历程,采用氨基葡萄糖溶液(p H=8)在不同功率的超声(2.62-10.7 W/cm2)作用下,体系中二羰基化合物种类和含量发生显著变化,并且超声场强化了碱性条件下的美拉德高级反应产物生成。结果表明超声空化效应产生自由基是诱导美拉德反应历程变化的主要原因。通过葡萄糖-铵盐模型反应体系研究了亚硫酸根对丙酮醛和4-Me I形成的影响,葡萄糖-铵盐(40 mmol/L,摩尔比1:1)溶液中分别加入不同浓度的亚硫酸钠盐(0,10,20,40,100,200和400 mmol/L),在110°C密闭加热2小时,采用HPLC-DAD检测二羰基化合物,HPCEC-PAD联用检测4-Me I,同时通过氢氘交换实验和HPAEC-ESI-MS联用检测反应体系中还原糖的互变异构反应,并对亚硫酸根与还原糖的加成产物使用HPLC-MS联用进行定性鉴定。结果表明IV类焦糖色素生产过程中通过添加亚硫酸根,抑制了体系中氧化型二羰基化合物如葡萄糖醛酮,甘油醛酮等的生成;另外由于亚硫酸根具有很强的亲核作用,通过H/D交换实验明确表明亚硫酸根可以加速烯二醇化合物的1,2-烯醇-醛互变反应生成醛糖,进而促进醛糖C3-β-消去反应生成二羰基化合物3-DG,进一步降解产生丙酮醛。由于亚硫酸根是促进丙酮醛生成的重要因素,最终解释了亚硫酸根在焦糖色素生产过程中对4-Me I的促进作用。通过糖胺化合物模型反应和葡萄糖-铵盐模型反应的对比研究,进一步探讨糖胺化合物对4-Me I形成的影响。采用氨基葡萄糖和乙酰氨基葡萄糖作为糖胺化合物反应原料(40 mmol/L),对照模型反应为葡萄糖-铵盐反应体系(40 mmol/L,摩尔比1:1),分别研究了不同亚硫酸根浓度(0,40 mmol/L)和p H(5,7,8)环境对于4-Me I形成的影响。结果表明使用糖胺化合物为原料,可以显著抑制4-Me I的生成,特别是采用乙酰氨基葡萄糖为原料,体系中产生的4-Me I含量明显低于其它反应体系中4-Me I含量,而且在亚硫酸根存在的条件下,亚硫酸根对乙酰氨基葡萄糖体系中4-Me I的生成没有明显促进作用。通过对4-Me I的形成机理研究和吡嗪化合物的研究,发现加速糖胺化合物的氨基乙酰化抑制还原糖的烯醇化反应,从而可以有效抑制丙酮醛和4-Me I生成。因此,使用糖胺化合物为原料制备焦糖色素不仅可以减少体系中游离铵的存在,同时可以降低体系中还原糖的焦糖化反应产生丙酮醛,最终可以降低焦糖色素产品中4-Me I含量。