Ny indsigt i forarbejdning af fødevarer—Maillard-reaktion
Særlig opmærksomhed har der nogensinde er blevet betalt til ikke-enzymatisk bruning reaktioner, også kendt som Maillard-reaktion, som massivt indebærer generation af odorants, tastants-og farvestoffer sammen med tekstur ændringer. Især i termisk forarbejdede fødevarer bidrager Maillard-reaktionen markant til smagen og aromaen, hvilket fører til forskellige typer smagaktive molekyler ., For eksempel, furan-derivater, der produceres via Maillard-reaktion ofte bidrage til en sød og karamel-type aroma, mens alkylpyrazines er ansvarlig for nøddeagtig og ristede aromaer findes fx i friskbrygget kaffe . På den ene side fører Maillard-reaktionen til mange typer ønskede molekyler, herunder smagaktive og farvede forbindelser eller forbindelser med gavnlige virkninger på fødevarens holdbarhed eller menneskers sundhed (F.antio .idanter)., På den anden side kan det imidlertid også føre til mange forbindelser med temmelig negative virkninger, som bør holdes på minimumsniveauer eller fuldstændigt forvist fra fødevarer. Ikke-en .ymatisk bruning kan føre til protein tværbinding, ændringer i fødevarernes tekstur og funktionelle egenskaber og endelig et tab i næringsværdi . Opdagelsen af acrylamid og dets potentielle carcinogenicitet i overophedede stivelsesholdige fødevarer opstod størst opmærksomhed i begyndelsen af 2000 ‘ erne og var af særlig interesse for mange undersøgelser., Acrylamid dannes af dicarbonyler og hovedsageligt aminosyren asparagin i Maillard-reaktionskaskaden ved forhøjede temperaturer . Dicarbonyler selv er vigtigste mellemprodukter af ikke-en .ymatiske bruningsreaktioner, som let dannes ved kulhydratnedbrydning. Selv i dicarbonyl-svage fødevarer kan reaktive mellemprodukter derfor produceres i løbet af Maillard-reaktionen, som derefter tilbyder nye mål for dannelse af toksiner.
fra et kemisk synspunkt er Maillard-reaktionen en reaktion mellem amino-og carbonylforbindelser., I fødevarer involverer dette hovedsageligt aminosyrer, peptider, proteiner og reducerende kulhydrater. I et indledende skridt, amino stof gennemgår en kondensering reaktion med carbonyl-delen for at omarrangere i 1-amino-1-deoxy-ketose strukturer (Amadori omlægning produkter). Den efterfølgende nedbrydning af Amadori-forbindelsen (mellemfase) initierer derefter en oversvømmelse af kemiske reaktioner, der kontinuerligt producerer nye forbindelser, som føres ind i reaktionspuljen., I den sidste fase, mange reaktive mellemprodukter kan derefter danne heterocykliske og aromatiske forbindelser, som ofte er smagsaktive eller polymertype, forbindelser med stor molekylvægt, som ofte bidrager til graden af bruning i fødevarer . Selvom man kunne antage fra navngivningen, er Maillard-reaktionen faktisk ikke en enkelt kemisk reaktion. Det er snarere et stort netværk overlejret af ofte kaotiske kombinationer af flere kemiske reaktioner, som kan føre til tusindvis af forskellige molekyler., I 1950 ‘ erne offentliggjorde Hodge en generel ordning, der opsummerede de vigtigste veje i Maillard-reaktionen, som er blevet yderligere udvidet i de sidste årtier . Selvom der i de sidste 60 år er gjort store fremskridt med at belyse nogle specifikke Maillard-reaktionsprodukter (MRP ‘ er) og deres dannelsesveje, har det hidtil ikke været muligt at løse hele sæt molekyler og reaktionsveje involveret i Maillard-reaktionen fuldstændigt.,når man studerer Maillard-reaktionen på en ikke-målrettet måde, er man nødt til at overvinde flere analytiske udfordringer: (i) den molekylære mangfoldighed, der opstår ved Maillard-reaktionen, spænder fra stærkt polære molekyler dannet i den indledende og mellemliggende fase til upolære forbindelser, der hovedsageligt dannes i den sidste fase. Molekylvægte spænder fra små biprodukter (f .H2S, glyo .al, diacetyl) til forbindelser med stor molekylvægt i det øvre kDa-område. De næsten uendelige kombinationsmuligheder for amino – og carbonylprecursorer øger yderligere denne mangfoldighed., (ii) mange MRP ‘ er forekommer i flere isomere former. Især gennemgår sukkerprækursorer kontinuerligt omlejringsreaktioner, f via via enolisering . (iii) eksterne parametre, såsom pH, temperatur eller vandindhold har en massiv indflydelse på det faktiske resultat af reaktionen. (iv) koncentrationerne af MRP ‘ er varierer fra nogle få hovedkomponenter ned til ultra spormængder . (V) MR konkurrerer normalt med sukker-og aminosyrenedbrydningsreaktioner, hvilket gør det udfordrende at adressere MRP ‘ er specifikt ., For eksempel dannes hydro .ymethylfurfural (HMF) under karameliseringsprocessen af HE .oser såvel som i Maillard-reaktionen. Imidlertid, i nærvær af amino forbindelser dannelsen satser og udbytter er signifikant forbedret . Dette niveau af kompleksitet stiller meget høje krav til opløsningskraften i flere analytiske dimensioner for at få et fuldt løst og omfattende billede af ikke-en .ymatiske bruningsreaktioner. Kun moderne FT-ICR-MS-instrumenter kan levere den massespektrale opløsningseffekt, der kræves for at løse alle MRP ‘ er, selv i enkle to-reaktantsystemer., Derfor giver modelsystemer, der kun indeholder nogle få indledende forstadier, såsom aminosyrer og sukkerarter, et fremragende miljø til grundlæggende Maillard-reaktionsundersøgelser.
forskellige visualiseringsværktøjer, der allerede er etableret i analysen af komplekse massespektrometri-datasæt, kan tilpasses til disse formål. Især van Krevelen diagrammer, modificerede Kendrick masse defekt plots og masse forskel netværk har vist sig at være værdifulde værktøjer i karakterisering af Maillard modelsystemer ., Van Krevelen diagrammer, i klassisk forstand, på tværs af plot brint og kulstof versus ilt og kulstof atom nøgletal, der fører til meget specifikke musikalske fingeraftryk afhængigt af reaktionen prækursorer . Mens den oprindelige Kendrick mass defekt projekter CH2-homologe serie på vandrette linjer, studere Maillard reaktion i høj grad fordele fra modificerede versioner deraf. For eksempel kan de mange dehydreringsserier, der vides at forekomme i ikke-en .ymatiske bruningsreaktioner, studeres ved omdannelse af H2O IUPAC-massen til en Kendrick-masseskala ., I masse forskel netværk, hver node repræsenterer en detekteret ionmasse eller molekylformel. Knudepunkterne er forbundet med hinanden ved nøjagtige masseforskelle, som kan repræsentere netto kemiske transformationer . Denne type grafisk analyse gør det muligt at undersøge massespektre i en mere reaktivitetsrelateret kontekst.
Golon et al. var de første, der i en proof-of-princip-undersøgelse viste, at direkte infusion FT-ICR-MS er i stand til at løse MRPs ‘ kemiske kompleksitet i enkle to-reaktantmodelsystemer ., Mere for nylig, har det vist sig, at ribose og glycin kan føre til, at > 300 MRPs efter termisk behandling under moderate forhold (unbuffered løsninger, 100 °C 10 h). På samme tid kunne der dog kun observeres nogle få titalls ribosenedbrydningsprodukter og ingen aminosyrenedbrydningsprodukter . Dette bekræfter, at reaktionshastighederne i sukkernedbrydning (karamelisering) forbedres kraftigt, når en aminosyre er til stede. Desuden tillod de relativt langsomme reaktionshastigheder overvågningen af MRP-dannelse på en tidsopløst og omfattende måde., Med stigende reaktionstid blev der produceret flere og flere forbindelser med en højere grad i umætning og aromaticitet. Det viste sig, at hovedsageligt dehydrering, (di)carbonylspaltning og redo .reaktioner havde en stor indflydelse på reaktionsprodukternes kemiske kompleksitet og mangfoldighed. Endelig, direkte infusion FT-ICR-MS var den første metode, der gav mere detaljeret indsigt i dannelsen og efterfølgende nedbrydning af diketosamines (difructosamines) og deres rolle i de ikke-enzymatisk bruning reaktioner . Marshall et al., nyligt overvågede kemiske ændringer under fødevaresterilisering ved hjælp af direkte infusion FT-ICR-MS. blandt andre reaktioner og kemiske mønstre blev FT-ICR-MS brugt til at studere dannelse af flere MRP ‘ er i den indledende og mellemliggende fase i kæledyrsfoderprøver .