New insights in food processing—the Maillard reaction
szczególną uwagę poświęcono nieenzymatycznym reakcjom brązowienia, znanym również jako reakcja Maillarda, która masowo obejmuje wytwarzanie zapachów, smaków i barwników wraz ze zmianami tekstur. Szczególnie w żywności przetworzonej termicznie, reakcja Maillarda znacznie przyczynia się do smaku i aromatu, prowadząc do różnego rodzaju cząsteczek aktywnych smakowo ., Na przykład pochodne furanu wytwarzane w reakcji Maillarda często przyczyniają się do słodkiego i karmelowego aromatu, podczas gdy alkilopirazyny odpowiadają za aromaty orzechowe i palone, występujące np. w świeżo parzonej kawie . Z jednej strony reakcja Maillarda prowadzi do wielu rodzajów pożądanych cząsteczek, w tym związków aktywnych smakowo i barwnych lub związków o korzystnym wpływie na trwałość żywności lub zdrowie człowieka (np. przeciwutleniacze)., Z drugiej jednak strony może również prowadzić do powstania wielu związków o raczej niekorzystnym działaniu, które powinny być utrzymywane na minimalnym poziomie lub całkowicie wydalane z produktów spożywczych. Brązowienie nieenzymatyczne może prowadzić do usieciowania białek, zmian w teksturze i właściwościach funkcjonalnych żywności, a wreszcie utraty wartości odżywczej . Odkrycie akryloamidu i jego potencjalnego działania rakotwórczego w przegrzanej żywności skrobiowej pojawiło się na początku XX wieku i było przedmiotem szczególnego zainteresowania wielu badań., Akryloamid powstaje z dikarbonylu, a głównie aminokwasu asparaginy w kaskadzie reakcji Maillarda w podwyższonych temperaturach . Same dikarbonyle są głównymi półproduktami nieenzymatycznych reakcji brązowienia, które powstają łatwo w wyniku degradacji węglowodanów. W związku z tym, nawet w żywności słabej dikarbonylo, reaktywne półprodukty mogą być wytwarzane w trakcie reakcji Maillarda, które następnie oferują nowe cele w zakresie tworzenia toksyn.
z chemicznego punktu widzenia reakcja Maillarda jest reakcją między związkami aminowymi i karbonylowymi., W produktach spożywczych dotyczy to głównie aminokwasów, peptydów, białek i węglowodanów redukujących. W początkowym etapie związek aminowy przechodzi reakcję kondensacji z cząsteczką karbonylową, aby przestawić się w struktury 1-amino-1-deoksy-ketozy (produkty przegrupowania Amadori). Następnie rozpad związku Amadori (Faza pośrednia) inicjuje zalew reakcji chemicznych w sposób ciągły wytwarzających nowe związki, które są wprowadzane do puli reakcji., W końcowej fazie wiele reaktywnych półproduktów może następnie tworzyć heterocykliczne i aromatyczne związki, które często są aktywnymi aromatami lub wielkocząsteczkowymi związkami typu polimerowego, które często przyczyniają się do stopnia brązowienia w żywności . Chociaż można założyć z nazewnictwa, reakcja Maillarda w rzeczywistości nie jest pojedynczą reakcją chemiczną. Jest to raczej ogromna sieć nałożona przez często chaotyczne kombinacje kilku reakcji chemicznych, które mogą prowadzić do tysięcy różnych cząsteczek., W latach pięćdziesiątych Hodge opublikował ogólny schemat podsumowujący główne szlaki reakcji Maillarda, który został rozszerzony w ciągu ostatnich dziesięcioleci . Chociaż w ciągu ostatnich 60 lat dokonano ogromnego postępu w wyjaśnianiu niektórych specyficznych produktów reakcji Maillarda (MRP) i ich szlaków formowania, do tej pory nie było możliwe całkowite rozwiązanie całego zestawu cząsteczek i szlaków reakcji zaangażowanych w reakcję Maillarda.,
badając reakcję Maillarda w sposób niecelowy, trzeba przezwyciężyć kilka wyzwań analitycznych: (i) różnorodność molekularna, która powstaje z reakcji Maillarda waha się od wysoce polarnych cząsteczek utworzonych w fazie początkowej i pośredniej do związków niepolarnych głównie utworzonych w fazie końcowej. H2S, glioksal, diacetyl) do związków o dużej masie cząsteczkowej w górnym zakresie kDa . Niemal nieskończone możliwości łączenia prekursorów aminowych i karbonylowych dodatkowo zwiększają tę różnorodność., (ii) Wiele MRP występuje w kilku formach izomerycznych. W szczególności prekursory cukru ulegają ciągłym reakcjom przegrupowania, np. poprzez enolizację . (iii) zewnętrzne parametry, takie jak pH, Temperatura lub zawartość wody mają ogromny wpływ na rzeczywisty wynik reakcji. (iv) stężenia MRPs wahają się od kilku głównych składników aż do ultra śladowych ilości . (v) MR zazwyczaj konkuruje z reakcjami degradacji cukru i aminokwasów, co sprawia, że specyficzne podejście do MRPs jest trudne ., Na przykład hydroksymetylofurfural (HMF) powstaje w procesie karmelizacji heksoz, a także w reakcji Maillarda. Jednak w obecności związków aminokwasowych szybkość powstawania i plony są znacznie zwiększone . Ten poziom złożoności stawia bardzo wysokie wymagania w zakresie mocy rozdzielczej w kilku wymiarach analitycznych, aby uzyskać w pełni rozdzielczy i kompleksowy obraz nieenzymatycznych reakcji Browninga. Tylko nowoczesne instrumenty FT-ICR-MS mogą zapewnić moc rozdzielczą spektralną masy wymaganą do rozwiązania wszystkich MRP nawet w prostych układach dwuskładnikowych., W związku z tym systemy modelowe zawierające tylko kilka początkowych prekursorów, takich jak aminokwasy i cukry, zapewniają doskonałe środowisko dla fundamentalnych badań reakcji Maillarda.
do tych celów można dostosować różne narzędzia wizualizacyjne, już istniejące w analizie złożonych zestawów danych spektrometrii masowej. Szczególnie wykresy van Krevelena, zmodyfikowane wykresy defektów masowych Kendricka i sieci różnic masowych okazały się cennymi narzędziami w charakteryzacji systemów modelowych Maillarda ., Diagramy Van Krevelena, w klasycznym sensie, krzyżują stosunek atomów wodoru do węgla w stosunku tlenu do węgla, co prowadzi do bardzo specyficznego składu w zależności od zastosowanej reakcji. Podczas gdy oryginalny defekt masy Kendricka projektuje szereg homologiczny CH2 na linie poziome, badanie reakcji Maillarda znacznie korzysta ze zmodyfikowanych wersji. Na przykład wiele serii odwodnień, o których wiadomo, że występują w nieenzymatycznych reakcjach Browninga, można badać przez przekształcenie masy H2O IUPAC na skalę masową Kendricka ., W sieciach różniących się masami każdy węzeł reprezentuje wykrytą masę jonów lub wzór cząsteczkowy. Węzły są połączone ze sobą przez dokładne różnice masy, które mogą reprezentować przemiany chemiczne netto . Ten rodzaj analizy graficznej pozwala na badanie widm masowych w kontekście bardziej reaktywnym.
byli pierwszymi, którzy wykazali w badaniu proof-of-principle, że bezpośrednia infuzja ft-ICR-MS jest w stanie rozwiązać złożoność chemiczną MRPs w prostych dwu-reagentowych układach modelowych ., Ostatnio wykazano, że ryboza i glicyna mogą prowadzić do > 300 MRPs po obróbce termicznej w umiarkowanych warunkach (roztwory niebuforowane, 100 °C, 10 h). W tym samym czasie zaobserwowano jednak tylko kilkadziesiąt produktów degradacji rybozy i nie zaobserwowano żadnych produktów degradacji aminokwasów . Potwierdza to, że szybkość reakcji w degradacji cukru (karmelizacji) jest silnie zwiększona, gdy aminokwas jest obecny. Ponadto stosunkowo powolne tempo reakcji pozwoliło na monitorowanie powstawania MRP w sposób czasowy i kompleksowy., Wraz z rosnącym czasem reakcji wytwarzano coraz więcej związków o wyższym stopniu nienasycenia i aromatyczności. Okazało się, że głównie dehydratacja, (di)rozpad karbonylu i reakcje redoks miały duży wpływ na złożoność chemiczną i różnorodność produktów reakcji. Wreszcie, infuzja bezpośrednia FT-ICR-MS była pierwszą metodą, która dała bardziej szczegółowy wgląd w powstawanie i późniejszą degradację diketosamin (difruktosamin) i ich rolę w nieenzymatycznych reakcjach Browninga . Marshall et al., ostatnio monitorowane zmiany chemiczne podczas sterylizacji żywności przy użyciu bezpośredniego wlewu ft-ICR-MS. wśród innych reakcji i wzorców chemicznych, FT-ICR-MS był używany do badania powstawania wielu MRP fazy początkowej i pośredniej w próbkach karmy dla zwierząt domowych .