Ny innsikt i matfag—de Maillard reaksjon
Spesiell oppmerksomhet har vært utbetalt til ikke-enzymatisk browning reaksjoner, også kjent som Maillard reaksjon, som massivt innebærer generasjon av odorants, tastants og fargestoffer sammen med tekstur endringer. Spesielt i termisk bearbeidet mat, de Maillard reaksjon i betydelig grad bidrar til smak og aroma, fører til ulike typer smak aktive molekyler ., For eksempel, furan derivater produsert via Maillard reaksjon ofte bidra til en søt og karamell-type aroma mens alkylpyrazines er ansvarlig for nøtteaktig og stekt aromaer funnet f.eks. i nytraktet kaffe . På den ene siden, Maillard-reaksjonen fører til mange typer ønsket molekyler, inkludert smak aktiv og fargede forbindelser eller sammensetninger med gunstige effekter på mat hylle liv eller helse (f.eks., antioksidanter)., På den annen side, men det kan også føre til mange forbindelser med ganske ugunstig virkninger, som skal holdes på minimum nivå eller helt forvist fra matvarer. Ikke-enzymatisk browning kan føre til protein cross-linking, endringer i struktur og funksjonelle egenskaper av matvarer og til slutt et tap i ernæringsmessige verdi . Oppdagelsen av akrylamid og dens potensielle kreftfremkallende i overopphetet stivelsesholdige matvarer oppsto størst oppmerksomhet i de tidlige 2000-tallet, og var av særlig interesse av mange studier., Akrylamid dannes fra dicarbonyls og i hovedsak aminosyren asparagine i Maillard reaksjon cascade ved høye temperaturer . Dicarbonyls seg selv er viktigste mellomprodukter av ikke-enzymatisk browning reaksjoner, som er dannet lett av karbohydrater nedbrytning. Derfor, selv i dicarbonyl svak matvarer, reaktive intermediater kan produseres i løpet av de Maillard reaksjon, som tilbyr nye mål for dannelsen av giftstoffer.
Fra et kjemisk synspunkt, Maillard reaksjon er en reaksjon mellom en aminosyre, og karbonyl forbindelser., I matvare, dette innebærer i hovedsak aminosyrer, peptider, proteiner og redusere karbohydrater. I et første trinn, amino sammensatte gjennomgår en kondens reaksjon med karbonyl fraksjonen å omorganisere i 1-amino-1-deoxy-ketose strukturer (Amadori omorganisering produkter). Den påfølgende sammenbrudd av Amadori sammensatte (mellomliggende fase) deretter starter en flom av kjemiske reaksjoner kontinuerlig produsere nye forbindelser som er matet inn i reaksjonen basseng., I den siste fasen, mange reaktive intermediater kan deretter form og heterosykliske aromatiske forbindelser som ofte smaken aktiv eller polymer-type, stor molekylær-vekt forbindelser som ofte bidrar til graden av browning i matvarer . Selv om en kunne anta fra navngiving av Maillard-reaksjonen er faktisk ikke en eneste en kjemisk reaksjon. Det er snarere et stort nettverk lagt ved ofte kaotisk kombinasjoner av flere kjemiske reaksjoner som kan føre til tusenvis av forskjellige molekyler., På 1950-tallet, Hodge publisert en generell ordning oppsummere de viktigste kildene til de Maillard reaksjon , som har blitt ytterligere utvidet gjennom de siste tiårene . Men i de siste 60 årene har enorme fremskritt er blitt gjort i elucidating noen bestemt Maillard reaksjon produkter (MRPs) og deres dannelse veier, til dags dato har det ikke vært mulig å fullstendig løse hele settet av molekyler og reaksjon trasé som er involvert i Maillard reaksjon.,
å Studere Maillard reaksjon i en ikke-målrettet måte, og en har til å overvinne flere analytiske utfordringer: (i) den molekylære mangfoldet som oppstår fra Maillard reaksjon varierer fra svært polare molekyler som dannes i første og mellomliggende fase for å unpolar forbindelser hovedsakelig dannet i den siste fasen. Molekylvekt som spenner fra liten av-produkter (f.eks., H2S, glyoxal, diacetyl) til stor-molekylær-vekt forbindelser i øvre kDa utvalg . De nesten uendelige mulighetene for å kombinere amino og karbonyl forløpere ytterligere økning dette mangfoldet., (ii) Mange MRPs forekommer i ere isomere former. Spesielt, sukker forløpere gjennomgå kontinuerlig omorganisering reaksjoner, for eksempel, via enolization . (iii) Eksterne parametre, som for eksempel pH, temperatur, eller vann innhold har en enorm innflytelse på den faktiske utfallet av reaksjonen. (iv) Konsentrasjoner av MRPs alt fra et par hovedkomponentene ned til ultra spormengder . (v) MR vanligvis er i konkurranse med sukker og aminosyrer nedbrytning reaksjoner som gjør det utfordrende å løse MRPs spesielt ., For eksempel, hydroxymethylfurfural (HMF) er dannet under caramelization prosessen med hexoses så vel som i Maillard reaksjon. Imidlertid, i nærvær av amino forbindelser dannelsen priser og renter er vesentlig forbedret . Dette nivået av kompleksitet stiller meget høye krav på oppløsningsevne i flere analytiske dimensjoner for å få en fullstendig løst og omfattende bilde av ikke-enzymatisk browning reaksjoner. Bare moderne FT-ICR-MS instrumenter kan gi mass spectral å løse strømmen som er nødvendig for å løse alle MRPs selv i enkle to-reaktant systemer., Derfor, modell systemer som inneholder bare noen tidlige forløpere, for eksempel aminosyrer og sukker, gir et utmerket miljø for grunnleggende Maillard reaksjon studier.
Annen visualisering verktøy, som allerede er etablert i analysen av komplekse mass spectrometry datasett kan tilpasses for disse formålene. Spesielt, van Krevelen diagrammer, endret Kendrick masse feil tomter og masse forskjell nettverk har vist seg å være et verdifullt verktøy i karakterisering av Maillard-modellen systemer ., Van Krevelen diagrammer, i den klassiske forstand, cross-tomten hydrogen til karbon versus oksygen og karbon atom forholdstall som fører til svært spesifikke kompositoriske fingeravtrykk avhengig av reaksjon forløpere brukt . Mens den opprinnelige Kendrick masse feil prosjekter CH2-homologe serien på horisontale linjer , studere Maillard reaksjon i stor grad fordeler fra modifiserte versjoner av disse. For eksempel, mange dehydrering-serien er kjent å forekomme i ikke-enzymatisk browning reaksjoner kan bli studert ved konvertering av H2O IUPAC masse på en Kendrick masse skala ., I store forskjellen nettverk, hver node representerer en oppdaget ion-masse eller molekylær formel. Nodene er koblet til hverandre med eksakte masse forskjeller som kan representere netto kjemiske transformasjoner . Denne type grafisk analyse gjør det mulig å probe masse spektra i en mer reaktivitet i slekt sammenheng.
Golon et al. var den første som viste i en proof-of-prinsippet studie som direkte infusjon FT-ICR-MS er i stand til å løse kjemiske kompleksiteten av MRPs i enkle to-reaktant modell systemer ., Mer nylig, har det blitt vist at ribose og glysin kan føre til > 300 MRPs ved termisk behandling under moderate betingelser (ubufret løsninger, 100 °C, 10 h). På samme tid er det imidlertid bare noen titalls av ribose nedbrytning produkter og ingen aminosyre nedbrytning produkter kunne observeres . Dette bekrefter at reaksjonen priser i sukker nedbrytning (caramelization) er sterkt forbedret når en aminosyre er til stede. Videre er det relativt treg reaksjon priser tillatt overvåking av MRP-formasjonen i en tid løst og omfattende måte., Med økende reaksjon tid mer og mer forbindelser med en høyere grad i unsaturation og aromaticity ble produsert. Det viste seg at det hovedsakelig dehydrering, (di)karbonyl cleavage, og redoksreaksjoner hadde en stor innvirkning på den kjemiske kompleksitet og mangfold av reaksjonsprodukter. Til slutt, direkte infusjon FT-ICR-MS ble den første metoden som ga mer detaljert innsikt i dannelse og påfølgende degradering av diketosamines (difructosamines) og deres rolle i ikke-enzymatisk browning reaksjoner . Marshall et al., nylig overvåkes kjemiske endringer i løpet av mat sterilisering ved hjelp av direkte infusjon FT-ICR-MS. Blant andre reaksjoner og kjemisk mønstre, FT-ICR-MS ble brukt til å studere dannelsen av flere MRPs av den første og mellomliggende fase i pet food prøver .