焦糖化反應是糖類尤其是單糖在沒有氨基化合物存在的情況下，加熱到熔點以上的高溫（一般是140-170℃）時，因糖發生脫水與降解而產生的褐變反應，又稱卡拉密爾作用（caramelization）。
焦糖化反應的過程是一種複雜的化學反應過程，它包括糖分子的醚化、脫水、斷裂、聚合等步驟，最終生成兩類物質：一類是糖的脫水產物，即焦糖色素；另一類是裂解產物，即一些揮發性的醛、酮類物質，這些物質會進一步縮合、聚合，最終形成深色物質。
焦糖化反應在酸鹼條件下都可以進行，一般鹼性條件下速度快一些。反應過程中會產生許多獨特的風味物質和色素，這些物質在許多食品中都有廣泛的套用，如糖果、可樂、醬油、啤酒等。