nieuwe inzichten in voedselverwerking-de Maillard reaction
speciale aandacht is ooit besteed aan niet-enzymatische bruinkleurreacties, ook bekend als Maillard reaction, waarbij het ontstaan van geurstoffen, smaakstoffen en kleurstoffen, samen met textuurveranderingen, een belangrijke rol speelt. Vooral in thermisch bewerkte voedingsmiddelen draagt de Maillard-reactie aanzienlijk bij aan de smaak en het aroma, wat leidt tot verschillende soorten smaakactieve moleculen ., Bijvoorbeeld, furan derivaten geproduceerd via de Maillard reactie vaak bijdragen aan een zoete en karamel-achtige aroma, terwijl alkylpyrazines zijn verantwoordelijk voor de nootachtige en geroosterde aroma ‘ s gevonden bijvoorbeeld in vers gezette koffie . Aan de ene kant, leidt de maillardreactie tot vele soorten gewenste molecules, met inbegrip van smaak actieve en gekleurde samenstellingen of samenstellingen met gunstige gevolgen voor voedsel houdbaarheid of menselijke gezondheid (b.v., antioxidanten)., Aan de andere kant kan het echter ook leiden tot veel verbindingen met nogal negatieve effecten, die op minimumniveaus moeten worden gehouden of volledig uit voedingsmiddelen moeten worden verbannen. Niet-enzymatische bruining kan leiden tot eiwit cross-linking, veranderingen in de textuur en functionele eigenschappen van voedingsmiddelen en uiteindelijk een verlies aan voedingswaarde . De ontdekking van acrylamide en de potentiële carcinogeniteit ervan in oververhit zetmeelhoudende voedingsmiddelen kreeg de grootste aandacht in de vroege jaren 2000 en was van bijzonder belang in vele studies., Acrylamide wordt gevormd uit dicarbonyl en vooral het aminozuur asparagine in de Maillard reactiecascade bij verhoogde temperaturen . Dicarbonylen zelf zijn de belangrijkste tussenproducten van niet-enzymatische bruiningsreacties, die gemakkelijk worden gevormd door koolhydraatdegradatie. Vandaar dat zelfs in dicarbonyl zwak voedsel, reactieve tussenproducten kunnen worden geproduceerd door het verloop van de Maillard-reactie, die dan nieuwe targets bieden voor de vorming van toxines.
de Maillard-reactie is een reactie tussen amino-en carbonylverbindingen., In levensmiddelen gaat dit voornamelijk om aminozuren, peptiden, eiwitten en het verminderen van koolhydraten. In een eerste stap ondergaat de aminosamenstelling een condensatiereactie met het carbonyldeel om te herschikken in 1-amino-1-deoxy-ketose structuren (Amadori-herschikkingsproducten). De daaropvolgende afbraak van de Amadori-verbinding (tussenfase) leidt dan tot een vloed van chemische reacties die voortdurend nieuwe verbindingen produceren, die in de reactiepoel worden gevoerd., In de laatste fase kunnen veel reactieve tussenproducten dan heterocyclische en aromatische verbindingen vormen die vaak smaakactieve of polymeerachtige, grote moleculair-gewichtsverbindingen zijn die vaak bijdragen aan de mate van bruining in voedingsmiddelen . Hoewel men uit de naamgeving zou kunnen aannemen, is de Maillardreactie inderdaad geen enkele chemische reactie. Het is eerder een enorm netwerk, gesuperponeerd door vaak chaotische combinaties van verschillende chemische reacties die kunnen leiden tot duizenden verschillende moleculen., In de jaren vijftig publiceerde Hodge een algemeen schema met een samenvatting van de belangrijkste routes van de Maillardreactie , die de afgelopen decennia verder is uitgebreid . Hoewel in de afgelopen 60 jaar enorme vooruitgang is geboekt in het ophelderen van sommige specifieke Maillard reactieproducten (MRPs) en hun vorming wegen, tot op heden, is het niet mogelijk geweest om de volledige reeks molecules en reactiewegen betrokken bij de Maillard reactie volledig op te lossen.,
het bestuderen van de Maillardreactie op een niet-gerichte manier, moet men een aantal analytische uitdagingen overwinnen: (i) de moleculaire diversiteit die ontstaat uit de maillardreactie varieert van zeer polaire moleculen gevormd in de begin-en tussenfase tot unpolaire verbindingen voornamelijk gevormd in de eindfase. Molecuulgewichten variëren van kleine bijproducten (bijv. H2S, glyoxal, diacetyl) tot verbindingen met een groot molecuulgewicht in het bovenste kDa-bereik . De bijna oneindige combinatiemogelijkheden van amino-en carbonylvoorlopercellen vergroten deze diversiteit verder., – veel MRP ‘ s komen voor in verschillende isomere vormen. Vooral, suikervoorlopers ondergaan voortdurend herschikkingsreacties, bijvoorbeeld, via enolisatie . (iii) externe parameters, zoals pH, temperatuur of watergehalte, hebben een enorme invloed op het werkelijke resultaat van de reactie. – de concentraties van MRP ‘ s variëren van enkele hoofdbestanddelen tot ultra sporenhoeveelheden . v) Het MR concurreert gewoonlijk met de afbraakreacties van suiker en aminozuren, waardoor het moeilijk is om MRP ‘ s specifiek aan te pakken ., Bijvoorbeeld, wordt hydroxymethylfurfural (HMF) gevormd tijdens het karamelisatieproces van hexoses evenals in de maillardreactie. Nochtans, in aanwezigheid van amino samenstellingen worden de vormingssnelheden en opbrengsten beduidend verbeterd . Dit niveau van complexiteit stelt zeer hoge eisen aan het oplossend vermogen in verschillende analytische dimensies om een volledig opgelost en volledig beeld van niet-enzymatische bruinkleurreacties te krijgen. Alleen moderne FT-ICR-MS-instrumenten kunnen het massaspectrale oplossend vermogen leveren dat nodig is om alle MRP ‘ s zelfs in eenvoudige twee-reactantsystemen op te lossen., Vandaar, modelsystemen die slechts een paar aanvankelijke precursoren, zoals aminozuren en suikers bevatten, verstrekken een uitstekend milieu voor fundamentele maillardreactie studies.
verschillende visualisatietools, die reeds zijn ontwikkeld in de analyse van complexe massaspectrometrie datasets, kunnen voor deze doeleinden worden aangepast. Vooral van Krevelen diagrammen, gewijzigde Kendrick mass defect plots en mass difference networks zijn waardevolle hulpmiddelen gebleken in de karakterisering van Maillard modelsystemen ., Van Krevelen diagrammen, in de klassieke zin, Cross-plot waterstof naar koolstof versus zuurstof naar koolstof atomaire verhoudingen, wat leidt tot zeer specifieke compositorische vingerafdrukken, afhankelijk van de gebruikte reactievoorlopercellen . Terwijl de oorspronkelijke Kendrick mass defect projecten CH2-homologe serie op horizontale lijnen, het bestuderen van de Maillard reactie sterk profiteert van gewijzigde versies daarvan. Bijvoorbeeld, kunnen de vele dehydratatiereeks gekend om in niet-enzymatische bruining reacties voorkomen door omzetting van de H2o IUPAC-massa op een Kendrick-massastaal worden bestudeerd ., In massaverschilnetwerken vertegenwoordigt elke knoop een gedetecteerde ionenmassa of moleculaire formule. De knooppunten zijn met elkaar verbonden door exacte massaverschillen die netto chemische transformaties kunnen vertegenwoordigen . Dit type van grafische analyse staat toe om massaspectra in een meer reactiviteit verwante context te onderzoeken.
Golon et al. waren de eersten die in een proof-of-principle studie aantoonden dat directe infusie FT-ICR-MS in staat is om de chemische complexiteit van MRP ‘ s in eenvoudige twee-reactant modelsystemen op te lossen ., Meer recentelijk is aangetoond dat ribose en glycine kunnen leiden tot > 300 MRPs bij thermische behandeling onder matige omstandigheden (niet gebufferde oplossingen, 100 °C, 10 uur). Tegelijkertijd konden echter slechts enkele tientallen ribose afbraakproducten en geen aminozuurdegradatieproducten worden waargenomen . Dit bevestigt dat de reactiesnelheden in suikerdegradatie (karamelisatie) sterk worden verhoogd wanneer een aminozuur aanwezig is. Bovendien maakten de relatief trage reactiesnelheden het mogelijk de MRP-vorming op een langgerekte en alomvattende manier te volgen., Met toenemende reactietijd werden meer en meer samenstellingen met een hogere graad in onverzadiging en aromaticiteit geproduceerd. Het bleek dat vooral dehydratie, (di)carbonylafscheiding en redoxreacties een grote invloed hadden op de chemische complexiteit en diversiteit van de reactieproducten. Ten slotte was directe infusie FT-ICR-MS de eerste methode die meer gedetailleerd inzicht gaf in de vorming en daaropvolgende afbraak van diketosaminen (difructosaminen) en hun rol in niet-enzymatische bruinkleuringsreacties . Marshall et al., onlangs gemonitord chemische veranderingen tijdens voedsel sterilisatie met behulp van directe infusie FT-ICR-MS onder andere reacties en chemische patronen, FT-ICR-MS werd gebruikt voor de studie van de vorming van meerdere MRP ‘ s van de initiële en tussenfase in Petfood monsters .