New insights in food processing-the Maillard reaction
Un’attenzione particolare è stata mai rivolta alle reazioni di brunitura non enzimatiche, note anche come reazione di Maillard, che coinvolgono massicciamente la generazione di odoranti, tastanti e coloranti insieme ad alterazioni della consistenza. Soprattutto negli alimenti trattati termicamente, la reazione di Maillard contribuisce in modo significativo al gusto e all’aroma, portando a vari tipi di molecole attive del sapore ., Ad esempio, i derivati del furano prodotti attraverso la reazione di Maillard spesso contribuiscono ad un aroma dolce e di tipo caramello mentre le alchilpirazine sono responsabili degli aromi di nocciola e tostati che si trovano ad esempio nel caffè appena preparato . Da un lato, la reazione di Maillard porta a molti tipi di molecole desiderate, tra cui composti attivi e colorati o composti con effetti benefici sulla durata di conservazione degli alimenti o sulla salute umana (ad esempio, antiossidanti)., D’altra parte, tuttavia, può anche portare a molti composti con effetti piuttosto negativi, che dovrebbero essere mantenuti a livelli minimi o completamente esiliati dai prodotti alimentari. La doratura non enzimatica può portare a reticolazioni proteiche, cambiamenti nella consistenza e nelle proprietà funzionali degli alimenti e infine una perdita di valore nutrizionale . La scoperta dell’acrilammide e della sua potenziale cancerogenicità negli alimenti amidacei surriscaldati ha suscitato la massima attenzione nei primi anni 2000 ed è stata di particolare interesse in molti studi., L’acrilammide è formata da dicarbonyls e principalmente dall’amminoacido asparagina nella cascata di reazione di Maillard a temperature elevate . I dicarbonyls stessi sono intermedi principali delle reazioni di brunitura non enzimatiche, che sono formate prontamente dalla degradazione del carboidrato. Quindi, anche negli alimenti deboli dicarbonilici, gli intermedi reattivi possono essere prodotti dal corso della reazione di Maillard, che quindi offrono nuovi obiettivi per la formazione di tossine.
Da un punto di vista chimico, la reazione di Maillard è una reazione tra composti amminici e carbonilici., Nei prodotti alimentari, questo coinvolge principalmente aminoacidi, peptidi, proteine e carboidrati riducenti. In una fase iniziale, il composto amminico subisce una reazione di condensazione con la frazione carbonilica per riorganizzarsi in strutture 1-ammino-1-deossi-chetose (prodotti di riarrangiamento di Amadori). La successiva disgregazione del composto Amadori (fase intermedia) avvia quindi un flusso di reazioni chimiche che producono continuamente nuovi composti, che vengono immessi nel pool di reazioni., Nella fase finale, molti intermedi reattivi possono quindi formare composti eterociclici e aromatici che sono spesso composti attivi o polimerici, di grande peso molecolare che spesso contribuiscono al grado di doratura negli alimenti . Anche se si potrebbe supporre dalla denominazione, la reazione di Maillard in effetti non è una singola reazione chimica. È piuttosto una rete enorme sovrapposta da combinazioni spesso caotiche di diverse reazioni chimiche che possono portare a migliaia di molecole diverse., Nel 1950, Hodge ha pubblicato uno schema generale che riassume i principali percorsi della reazione di Maillard, che è stato ulteriormente esteso negli ultimi decenni . Sebbene negli ultimi 60 anni siano stati fatti enormi progressi nel chiarire alcuni specifici prodotti di reazione di Maillard (MRP) e le loro vie di formazione, ad oggi non è stato possibile risolvere completamente l’intero insieme di molecole e percorsi di reazione coinvolti nella reazione di Maillard.,
Studiando la reazione di Maillard in modo non mirato, si devono superare diverse sfide analitiche: (i) la diversità molecolare che deriva dalla reazione di Maillard varia da molecole altamente polari formate nella fase iniziale e intermedia a composti non polari formati principalmente nella fase finale. I pesi molecolari vanno da piccoli sottoprodotti (ad esempio, H2S, gliossale, diacetile) a composti di grande peso molecolare nella gamma kDa superiore . Le possibilità di combinazione quasi infinite di precursori amminici e carbonilici aumentano ulteriormente questa diversità., (ii) Molti MRP si presentano in diverse forme isomeriche. In particolare, i precursori dello zucchero subiscono reazioni di riarrangiamento continuo, ad esempio attraverso l’enolizzazione . (iii) I parametri esterni, come il pH, la temperatura o il contenuto di acqua hanno un’influenza massiccia sul risultato effettivo della reazione. (iv) Le concentrazioni di MRP vanno da pochi componenti principali fino a quantità ultra traccia . (v) La MR di solito è in concorrenza con le reazioni di degradazione degli zuccheri e degli amminoacidi, il che rende difficile affrontare specificamente gli MRP ., Ad esempio, l’idrossimetilfurfurale (HMF) si forma durante il processo di caramellizzazione degli esosi e nella reazione di Maillard. Tuttavia, in presenza di composti amminici, i tassi di formazione e le rese sono significativamente migliorati . Questo livello di complessità pone richieste molto elevate sul potere risolutivo in diverse dimensioni analitiche al fine di ottenere un quadro completamente risolto e completo delle reazioni di browning non enzimatiche. Solo i moderni strumenti FT-ICR-MS possono fornire il potere di risoluzione spettrale di massa richiesto per risolvere tutti gli MRP anche in semplici sistemi a due reagenti., Quindi, i sistemi modello contenenti solo pochi precursori iniziali, come amminoacidi e zuccheri, forniscono un ambiente eccellente per gli studi fondamentali sulla reazione di Maillard.
Diversi strumenti di visualizzazione, già stabiliti nell’analisi di complessi set di dati di spettrometria di massa, possono essere adattati per questi scopi. In particolare, i diagrammi di van Krevelen, i diagrammi di difetti di massa modificati di Kendrick e le reti di differenze di massa hanno dimostrato di essere strumenti preziosi nella caratterizzazione dei sistemi modello di Maillard ., Van Krevelen diagrammi, nel senso classico, cross-plot idrogeno al carbonio rispetto ossigeno al carbonio rapporti atomici che portano a impronte compositive molto specifiche a seconda dei precursori di reazione utilizzati . Mentre l’originale Kendrick mass defect proietta la serie CH2-omologa su linee orizzontali, lo studio della reazione di Maillard beneficia notevolmente delle sue versioni modificate. Ad esempio, le molte serie di disidratazione note per verificarsi in reazioni di browning non enzimatiche possono essere studiate mediante conversione della massa H2O IUPAC su una scala di massa di Kendrick ., Nelle reti di differenza di massa, ogni nodo rappresenta una massa ionica rilevata o una formula molecolare. I nodi sono collegati tra loro da differenze di massa esatte che possono rappresentare trasformazioni chimiche nette . Questo tipo di analisi grafica permette di sondare gli spettri di massa in un contesto più legato alla reattività.
Golon et al. sono stati i primi a dimostrare in uno studio proof-of-principle che l’infusione diretta FT-ICR-MS è in grado di risolvere la complessità chimica degli MRP in semplici sistemi modello a due reagenti ., Più recentemente, è stato dimostrato che ribosio e glicina possono portare a > 300 MRPs dopo trattamento termico in condizioni moderate (soluzioni non tamponate, 100 °C, 10 h). Allo stesso tempo, tuttavia, è stato possibile osservare solo poche decine di prodotti di degradazione del ribosio e nessun prodotto di degradazione degli aminoacidi . Ciò conferma che le velocità di reazione nella degradazione dello zucchero (caramellizzazione) sono fortemente migliorate quando è presente un amminoacido. Inoltre, le velocità di reazione relativamente lente hanno permesso il monitoraggio della formazione di MRP in un tempo risolto e modo completo., Con l’aumentare del tempo di reazione sono stati prodotti sempre più composti con un grado più elevato di insaturazione e aromaticità. Si è scoperto che principalmente la disidratazione, la scissione (di) carbonile e le reazioni redox hanno avuto un impatto importante sulla complessità chimica e sulla diversità dei prodotti di reazione. Infine, l’infusione diretta FT-ICR-MS è stato il primo metodo che ha fornito informazioni più dettagliate sulla formazione e la successiva degradazione delle dichetosammine (difruttosammine) e il loro ruolo nelle reazioni di browning non enzimatiche . Marshall et al., recentemente ha monitorato i cambiamenti chimici durante la sterilizzazione degli alimenti utilizzando l’infusione diretta FT-ICR-MS. Tra le altre reazioni e modelli chimici, FT-ICR-MS è stato utilizzato per studiare la formazione di MRP multipli della fase iniziale e intermedia in campioni di alimenti per animali domestici .