焦糖化作用，或稱為焦糖化反應，是指糖類，尤其是單糖，在沒有含氨基化合物存在的情況下，被加熱到超過其熔點的溫度（通常在140至170℃之間）時發生的一系列化學反應。
在這個過程中，糖類首先發生脫水或降解，然後進一步縮合生成粘稠狀的黑褐色物質。焦糖化反應會產生兩類主要的物質：一是糖的脫水聚合產物，通常稱為焦糖或醬色；二是糖的降解產物，主要包括一些揮發性的醛、酮等物質。這些物質不僅為食品提供悅人的色澤和風味，但若控制不當，也可能對食品的品質產生不良影響。
焦糖化反應在酸鹼條件下都可以進行，但一般在鹼性條件下的反應速度較快。此外，焦糖化作用還與食品的營養價值有關。在焦糖化反應中，還原糖分子會發生裂解，形成一系列的中間產物，包括一些具有營養價值的物質，如多糖、胺基酸、酚類化合物等。