Neue Einblicke in Lebensmittel-Verarbeitung—die Maillard-Reaktion
Besondere Aufmerksamkeit hat jemals gezahlt worden, um die nicht-enzymatische bräunungsreaktionen, auch bekannt als Maillard-Reaktion, die Massiv beinhaltet die Generierung Geruchsstoffe, tastants und Farbstoffen zusammen mit textur Veränderungen. Insbesondere in thermisch verarbeiteten Lebensmitteln trägt die Maillard-Reaktion erheblich zum Geschmack und Aroma bei, was zu verschiedenen Arten von geschmacksaktiven Molekülen führt ., Beispielsweise tragen Furanderivate, die über die Maillard-Reaktion hergestellt werden, häufig zu einem süßen und karamellartigen Aroma bei, während Alkylpyrazin für die nussigen und gerösteten Aromen verantwortlich sind, die z. B. in frisch gebrühtem Kaffee vorkommen . Einerseits führt die Maillard-Reaktion zu vielen Arten von gewünschten Molekülen, einschließlich geschmacksaktiver und farbiger Verbindungen oder Verbindungen mit positiven Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Lebensmitteln oder die menschliche Gesundheit (z. B. Antioxidantien)., Andererseits kann es aber auch zu vielen Verbindungen mit eher nachteiligen Wirkungen kommen, die auf minimalem Niveau gehalten oder vollständig aus Lebensmitteln verbannt werden sollten. Nicht-enzymatische Bräunung kann zu Proteinvernetzung, Veränderungen der Textur und funktionellen Eigenschaften von Lebensmitteln und schließlich zu einem Verlust des Nährwerts führen . Die Entdeckung von Acrylamid und seiner potenziellen Karzinogenität in überhitzten stärkehaltigen Lebensmitteln fand Anfang der 2000er Jahre größte Aufmerksamkeit und war von besonderem Interesse vieler Studien., Acrylamid wird aus Dicarbonylen und hauptsächlich der Aminosäure Asparagin in der Maillard-Reaktionskaskade bei erhöhten Temperaturen gebildet . Dicarbonyle selbst sind Hauptvermittler von nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen, die leicht durch Kohlenhydratabbau gebildet werden. Selbst in dicarbonylschwachen Lebensmitteln können daher im Verlauf der Maillard-Reaktion reaktive Zwischenprodukte hergestellt werden, die dann neue Ziele für die Bildung von Toxinen bieten.
Aus chemischer Sicht ist die Maillard-Reaktion eine Reaktion zwischen Amino-und Carbonylverbindungen., In Lebensmitteln umfasst dies hauptsächlich Aminosäuren, Peptide, Proteine und reduzierende Kohlenhydrate. In einem ersten Schritt durchläuft die Aminoverbindung eine Kondensationsreaktion mit dem Carbonylmoiety, um sich in 1-Amino-1-Desoxy-Ketose-Strukturen (Amadori-Umlagerungsprodukte) neu anzuordnen. Der anschließende Abbau der Amadori-Verbindung (Zwischenphase) löst dann eine Flut von chemischen Reaktionen aus, die kontinuierlich neue Verbindungen erzeugen, die in den Reaktionspool eingespeist werden., In der Endphase können dann viele reaktive Zwischenprodukte heterocyclische und aromatische Verbindungen bilden, bei denen es sich häufig um aromatisch aktive oder polymerartige, großmolekulare Verbindungen handelt, die häufig zum Bräunungsgrad in Lebensmitteln beitragen . Obwohl man von der Benennung ausgehen könnte, ist die Maillard-Reaktion in der Tat keine einzige chemische Reaktion. Es ist eher ein riesiges Netzwerk, überlagert von oft chaotischen Kombinationen mehrerer chemischer Reaktionen, die zu Tausenden verschiedener Moleküle führen können., In den 1950er Jahren veröffentlichte Hodge ein allgemeines Schema, das die Hauptwege der Maillard-Reaktion zusammenfasst, die in den letzten Jahrzehnten weiter ausgedehnt wurde . Obwohl in den letzten 60 Jahren große Fortschritte bei der Aufklärung einiger spezifischer Maillard-Reaktionsprodukte (MRPs) und ihrer Bildungspfade erzielt wurden, war es bisher nicht möglich, den gesamten Satz von Molekülen und Reaktionswegen, die an der Maillard-Reaktion beteiligt sind, vollständig aufzulösen.,
Wenn man die Maillard-Reaktion nicht zielgerichtet untersucht, muss man mehrere analytische Herausforderungen meistern: (i) Die molekulare Vielfalt, die sich aus der Maillard-Reaktion ergibt, reicht von hochpolaren Molekülen, die in der Anfangs-und Zwischenphase gebildet werden, bis hin zu unpolaren Verbindungen, die hauptsächlich in der Endphase gebildet werden. Molekulargewichte reichen von kleinen Nebenprodukten (z.B. H2S, Glyoxal, Diacetyl) bis hin zu großmolekularen Verbindungen im oberen kDa-Bereich . Die nahezu unendlichen Kombinationsmöglichkeiten von Amino – und Carbonylvorläufern erhöhen diese Vielfalt weiter., (ii) Viele MRPs treten in verschiedenen isomeren Formen auf. Insbesondere werden Zuckervorläufer kontinuierlich Umlagerungsreaktionen unterzogen, z.B. über Enolisierung . (iii) Externe Parameter wie pH-Wert, Temperatur oder Wassergehalt haben einen massiven Einfluss auf das tatsächliche Ergebnis der Reaktion. (iv) Die Konzentrationen von MRPs reichen von wenigen Hauptkomponenten bis hin zu Ultraspurenmengen . (v) Der MRP steht in der Regel im Wettbewerb mit Zucker-und Aminosäureabbaureaktionen, was es schwierig macht, MRPs spezifisch anzugehen ., Zum Beispiel wird Hydroxymethylfurfural (HMF) während des Karamelisierungsprozesses von Hexosen sowie in der Maillard-Reaktion gebildet. In Gegenwart von Aminoverbindungen werden jedoch die Formationsraten und Ausbeuten signifikant erhöht . Dieser Komplexitätsgrad stellt in mehreren analytischen Dimensionen sehr hohe Anforderungen an die Auflösungskraft, um ein vollständig aufgelöstes und umfassendes Bild von nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen zu erhalten. Nur moderne FT-ICR-MS-Instrumente können die für die Auflösung aller MRPs erforderliche massenspektrale Auflösungsleistung auch in einfachen zweireaktanten Systemen bereitstellen., Daher bieten Modellsysteme, die nur wenige Ausgangsvorstufen wie Aminosäuren und Zucker enthalten, eine hervorragende Umgebung für grundlegende Maillard-Reaktionsstudien.
Verschiedene Visualisierungswerkzeuge, die bereits bei der Analyse komplexer Massenspektrometrie-Datensätze etabliert sind, können für diese Zwecke angepasst werden. Insbesondere Van-Krevelen-Diagramme, modifizierte Kendrick-Massendefektdiagramme und Massendifferenznetzwerke haben sich als wertvolle Werkzeuge bei der Charakterisierung von Maillard-Modellsystemen erwiesen ., Van Krevelen Diagramme, im klassischen Sinne, Cross-Plot Wasserstoff zu Kohlenstoff im Vergleich zu Sauerstoff zu Kohlenstoff Atomverhältnisse führen zu sehr spezifischen kompositorischen Fingerabdrücke in Abhängigkeit von den Reaktionsvorläufern verwendet . Während der ursprüngliche Kendrick Mass Defect CH2-homologe Serien auf horizontale Linien projiziert, profitiert das Studium der Maillard-Reaktion stark von modifizierten Versionen davon. Zum Beispiel können die vielen Dehydrationsreihen, von denen bekannt ist, dass sie bei nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen auftreten, durch Umwandlung der H2O-IUPAC-Masse in eine Kendrick-Massenskala untersucht werden ., In Massendifferenznetzen repräsentiert jeder Knoten eine detektierte Ionenmasse oder Molekülformel. Die Knoten sind durch exakte Massenunterschiede miteinander verbunden, die chemische Nettoumwandlungen darstellen können . Diese Art der grafischen Analyse ermöglicht es, Massenspektren in einem reaktiveren Kontext zu untersuchen.
Golon et al. waren die ersten, die in einer Proof-of-Principle-Studie zeigten, dass die direkte Infusion FT-ICR-MS in der Lage ist, die chemische Komplexität von MRPs in einfachen Zwei-Reaktanten-Modellsystemen zu lösen ., In jüngerer Zeit hat sich gezeigt, dass Ribose und Glycin bei thermischer Behandlung unter moderaten Bedingungen (ungepufferte Lösungen, 100 °C, 10 h) zu > 300 MRPs führen können. Gleichzeitig konnten jedoch nur wenige zehn Ribose-Abbauprodukte und keine Aminosäure-Abbauprodukte beobachtet werden . Dies bestätigt, dass die Reaktionsraten beim Zuckerabbau (Karamelisierung) stark erhöht werden, wenn eine Aminosäure vorhanden ist. Darüber hinaus ermöglichten die relativ langsamen Reaktionsraten eine zeitaufgelöste und umfassende Überwachung der MRP-Bildung., Mit zunehmender Reaktionszeit wurden immer mehr Verbindungen mit einem höheren Grad an Ungesättigung und Aromatizität hergestellt. Es stellte sich heraus, dass hauptsächlich Dehydration, (di)Carbonylspaltung und Redoxreaktionen einen großen Einfluss auf die chemische Komplexität und Vielfalt der Reaktionsprodukte hatten. Schließlich war die direkte Infusion FT-ICR-MS die erste Methode, die detailliertere Einblicke in die Bildung und den anschließenden Abbau von Diketosaminen (Difructosaminen) und ihre Rolle bei nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen gab . Marshall et al., kürzlich überwachte chemische Veränderungen während der Lebensmittelsterilisation unter Verwendung der direkten Infusion FT-ICR-MS. Neben anderen Reaktionen und chemischen Mustern wurde FT-ICR-MS verwendet, um die Bildung mehrerer MRPs der Anfangs-und Zwischenphase in Tiernahrungsproben zu untersuchen .