new insights in food processing—the Maillard reaction
Une attention particulière a été accordée aux réactions de brunissement non enzymatiques, également connues sous le nom de réaction de Maillard, qui implique massivement la génération d’odeurs, de goûts et de colorants ainsi que des altérations de la texture. En particulier dans les aliments transformés thermiquement, la réaction de Maillard contribue de manière significative au goût et à l’arôme, conduisant à divers types de molécules actives de saveur ., Par exemple, les dérivés du furane produits par la réaction de Maillard contribuent souvent à un arôme sucré et de type caramel tandis que les alkylpyrazines sont responsables des arômes de noisette et de torréfaction trouvés par exemple dans le café fraîchement infusé . D’une part, la réaction de Maillard conduit à de nombreux types de molécules souhaitées, y compris des composés actifs et colorés aromatisants ou des composés ayant des effets bénéfiques sur la durée de conservation des aliments ou la santé humaine (par exemple, des antioxydants)., D’autre part, cependant, il peut également conduire à de nombreux composés ayant des effets plutôt néfastes, qui devraient être maintenus à des niveaux minimaux ou complètement exilés des produits alimentaires. Le brunissement non enzymatique peut entraîner une réticulation des protéines, des changements dans la texture et les propriétés fonctionnelles des aliments et enfin une perte de valeur nutritive . La découverte de l’acrylamide et de sa cancérogénicité potentielle dans les féculents surchauffés a suscité la plus grande attention au début des années 2000 et a suscité un intérêt particulier dans de nombreuses études., L’Acrylamide est formé à partir de dicarbonyles et principalement de l’acide aminé asparagine dans la cascade de réaction de Maillard à des températures élevées . Les dicarbonyles eux-mêmes sont les principaux intermédiaires des réactions de brunissement non enzymatiques, qui se forment facilement par dégradation des glucides. Par conséquent, même dans les aliments faibles en dicarbonyle, des intermédiaires réactifs peuvent être produits par le cours de la réaction de Maillard, qui offrent alors de nouvelles cibles pour la formation de toxines.
d’un point de vue chimique, la réaction de Maillard est une réaction entre les composés amino et carbonyle., Dans les aliments, cela implique principalement des acides aminés, des peptides, des protéines et des glucides réducteurs. Dans une première étape, le composé aminé subit une réaction de condensation avec la fraction carbonyle pour se réorganiser en structures 1-amino-1-désoxy-cétose (produits de réarrangement D’Amadori). La dégradation ultérieure du composé Amadori (phase intermédiaire) déclenche alors un flot de réactions chimiques produisant en continu de nouveaux composés, qui sont introduits dans le pool réactionnel., Dans la phase finale, de nombreux intermédiaires réactifs peuvent alors former des composés hétérocycliques et aromatiques qui sont souvent des composés actifs de saveur ou de type polymère, de gros poids moléculaire qui contribuent souvent au degré de brunissement des aliments . Bien que l’on puisse supposer de la dénomination, la réaction de Maillard n’est en effet pas une réaction chimique unique. Il s’agit plutôt d’un immense réseau superposé par des combinaisons souvent chaotiques de plusieurs réactions chimiques pouvant conduire à des milliers de molécules différentes., Dans les années 1950, Hodge a publié un schéma général résumant les principales voies de la réaction de Maillard , qui a été étendu au cours des dernières décennies . Bien qu’au cours des 60 dernières années, d’énormes progrès aient été réalisés dans l’élucidation de certains produits spécifiques de la réaction de Maillard (MRP) et de leurs voies de formation, à ce jour, il n’a pas été possible de résoudre complètement l’ensemble des molécules et des voies de réaction impliquées dans la réaction de Maillard.,
en étudiant la réaction de Maillard de manière non ciblée, il faut relever plusieurs défis analytiques: (i) la diversité moléculaire qui découle de la réaction de Maillard va des molécules hautement polaires formées dans la phase initiale et intermédiaire aux composés non polaires principalement formés dans la phase finale. Les poids moléculaires vont de petits sous-produits (p. ex., H2S, glyoxal, diacétyle) à des composés de poids moléculaire élevé dans la gamme supérieure de kDa . Les possibilités de combinaison presque infinies des précurseurs amino et carbonyle augmentent encore cette diversité., (ii) de nombreux MRP se présentent sous plusieurs formes isomères. En particulier, les précurseurs de sucre subissent des réactions de réarrangement continues, par exemple via l’énolisation . (iii) les paramètres externes, tels que le pH, la température ou la teneur en eau, ont une influence considérable sur le résultat réel de la réaction. iv) Les Concentrations de MRP vont de quelques composants principaux à des quantités ultra-infimes . (v) le MR est généralement en concurrence avec les réactions de dégradation du sucre et des acides aminés, ce qui rend difficile le traitement spécifique des MRP ., Par exemple, l’hydroxyméthylfurfural (HMF) se forme au cours du processus de caramélisation des hexoses ainsi que dans la réaction de Maillard. Cependant, en présence de composés aminés les taux de formation et les rendements sont nettement améliorées . Ce niveau de complexité impose des exigences très élevées sur le pouvoir de résolution dans plusieurs dimensions analytiques afin d’obtenir une image entièrement résolue et complète des réactions de brunissement non enzymatiques. Seuls les instruments modernes FT-ICR-MS peuvent fournir le pouvoir de résolution spectral de masse requis pour résoudre tous les MRP, même dans de simples systèmes à deux réactifs., Par conséquent, les systèmes modèles ne contenant que quelques précurseurs initiaux, tels que les acides aminés et les sucres, fournissent un excellent environnement pour les études fondamentales de la réaction de Maillard.
différents outils de visualisation, déjà mis en place dans l’analyse de jeux de données complexes de spectrométrie de masse peuvent être adaptés à ces fins. En particulier, les diagrammes de van Krevelen, les diagrammes de défauts de masse de Kendrick modifiés et les réseaux de différences de masse se sont révélés être des outils précieux dans la caractérisation des systèmes de Modèles de Maillard ., Les diagrammes de Van Krevelen, au sens classique, recoupent les rapports atomiques hydrogène-carbone par rapport à l’oxygène-carbone, ce qui conduit à des empreintes de composition très spécifiques en fonction des précurseurs de réaction utilisés . Alors que le défaut de masse original de Kendrick projette des séries homologues CH2 sur des lignes horizontales, l’étude de la réaction de Maillard bénéficie grandement des versions modifiées de celle-ci. Par exemple, les nombreuses séries de déshydratation connues pour se produire dans les réactions de brunissement non enzymatiques peuvent être étudiées par conversion de la masse H2O IUPAC sur une échelle de masse de Kendrick ., Dans les réseaux de différence de masse, chaque nœud représente une masse ionique détectée ou une formule moléculaire. Les nœuds sont reliés les uns aux autres par des différences de masse exactes qui peuvent représenter des transformations chimiques nettes . Ce type d’analyse graphique permet de sonder les spectres de masse dans un contexte plus réactif.
Golon et coll. ont été les premiers qui ont montré dans une étude de preuve de principe que la perfusion directe FT-ICR-MS est capable de résoudre la complexité chimique des MRP dans des systèmes modèles simples à deux réactifs ., Plus récemment, il a été démontré que le ribose et la glycine peuvent conduire à > 300 MRP lors d’un traitement thermique dans des conditions modérées (solutions non tamponnées, 100 °C, 10 h). Dans le même temps, cependant, seules quelques dizaines de produits de dégradation du ribose et aucun produit de dégradation des acides aminés ont pu être observés . Ceci confirme que les vitesses de réaction dans la dégradation du sucre (caramélisation) sont fortement augmentées lorsqu’un acide aminé est présent. De plus, les vitesses de réaction relativement lentes ont permis de surveiller la formation de MRP de manière résolue et complète dans le temps., Avec l’augmentation du temps de réaction, de plus en plus de composés avec un degré plus élevé d’insaturation et d’aromaticité ont été produits. Il s’est avéré que principalement la déshydratation, le clivage (di)carbonyle et les réactions redox avaient un impact majeur sur la complexité chimique et la diversité des produits de réaction. Enfin, la perfusion directe FT-ICR-MS a été la première méthode qui a donné des informations plus détaillées sur la formation et la dégradation subséquente des dicétosamines (difructosamines) et leur rôle dans les réactions de brunissement non enzymatiques . Marshall et coll., on a récemment surveillé les changements chimiques pendant la stérilisation des aliments à l’aide de la perfusion directe FT-ICR-MS. parmi d’autres réactions et modèles chimiques, FT-ICR-MS a été utilisé pour étudier la formation de multiples MRP de la phase initiale et intermédiaire dans des échantillons d’aliments pour animaux de compagnie .