nya insikter i livsmedelsförädling—Maillard reaktion
särskild uppmärksamhet har någonsin ägnats åt icke-enzymatiska browning reaktioner, även känd som Maillard reaktion, som massivt innebär generering av luktämnen, tastanter och färgämnen tillsammans med textur förändringar. Speciellt i värmebehandlade livsmedel bidrar Maillard-reaktionen signifikant till smak och arom, vilket leder till olika typer av smakaktiva molekyler ., Till exempel bidrar furanderivat som produceras via Maillard-reaktionen ofta till en söt och karamell-typ arom medan alkylpyraziner är ansvariga för nutty och rostade aromer som finns t .ex. i nybryggt kaffe. Å ena sidan leder Maillard-reaktionen till många typer av önskade molekyler, inklusive smakaktiva och färgade föreningar eller föreningar med fördelaktiga effekter på livsmedelshylla eller människors hälsa (t.ex. antioxidanter)., Å andra sidan kan det också leda till många föreningar med ganska negativa effekter, som bör hållas på miniminivåer eller helt exil från livsmedelsprodukter. Icke-enzymatisk browning kan leda till proteinkorsning, förändringar i texturen och funktionella egenskaper hos livsmedel och slutligen en förlust av näringsvärde . Upptäckten av akrylamid och dess potentiella karcinogenicitet i överhettade stärkelserika livsmedel väckte stor uppmärksamhet i början av 2000-talet och var av särskilt intresse för många studier., Akrylamid bildas från dikarbonyler och huvudsakligen aminosyran asparagin i Maillard-reaktionskaskaden vid förhöjda temperaturer . Dikarbonyler själva är huvudsakliga intermediärer av icke-enzymatiska brunningsreaktioner, som bildas lätt genom kolhydratnedbrytning. Därför, även i dikarbonyl svaga livsmedel, kan reaktiva mellanprodukter produceras genom Maillard-reaktionen, som sedan erbjuder nya mål för bildandet av toxiner.
ur kemisk synvinkel är Maillardreaktionen en reaktion mellan amino-och karbonylföreningar., I livsmedel innebär detta främst aminosyror, peptider, proteiner och reducerande kolhydrater. I ett första steg genomgår aminoföreningen en kondensationsreaktion med karbonyldelen för att omorganisera i 1-amino-1-deoxi-ketosstrukturer (Amadori-omlagringsprodukter). Den efterföljande nedbrytningen av Amadori-föreningen (mellanfasen) initierar sedan en översvämning av kemiska reaktioner som kontinuerligt producerar nya föreningar, som matas in i reaktionspoolen., I slutfasen kan många reaktiva intermediärer sedan bilda heterocykliska och aromatiska föreningar som ofta är smakaktiva eller polymer-typ, stora molekylviktföreningar som ofta bidrar till graden av brunning i livsmedel . Även om man kan anta från namngivningen är Maillard-reaktionen faktiskt inte en enda kemisk reaktion. Det är snarare ett stort nätverk överlagras av ofta kaotiska kombinationer av flera kemiska reaktioner som kan leda till tusentals olika molekyler., På 1950-talet publicerade Hodge ett allmänt system som sammanfattar huvudvägarna för Maillard-reaktionen, som har förlängts ytterligare under de senaste decennierna . Även om det under de senaste 60 åren har gjorts stora framsteg när det gäller att belysa vissa specifika Maillard-reaktionsprodukter (MRPs) och deras bildningsvägar, har det hittills inte varit möjligt att helt lösa hela uppsättningen molekyler och reaktionsvägar som är involverade i Maillard-reaktionen.,
att studera Maillardreaktionen på ett icke-målinriktat sätt måste man övervinna flera analytiska utmaningar: (i) den molekylära mångfald som uppstår genom Maillardreaktionen varierar från mycket polära molekyler som bildas i den initiala och mellanliggande fasen till unpolära föreningar som huvudsakligen bildas i slutfasen. Molekylvikter varierar från små biprodukter (t .ex. H2S, glyoxal, diacetyl) till föreningar med stor molekylvikt i det övre kDa-området. De nästan oändliga kombineringsmöjligheterna för amino – och karbonylprekursorer ökar ytterligare denna mångfald., ii) många gränsvärden förekommer i flera isomeriska former. I synnerhet genomgår sockerprekursorer kontinuerligt omarrangemangsreaktioner, t. ex. via enolisering . (iii) externa parametrar, såsom pH, temperatur eller vattenhalt, har ett massivt inflytande på det faktiska resultatet av reaktionen. iv) koncentrationerna av gränsvärdena varierar från några huvudkomponenter till ultraspårmängder . (v) gränsvärdet konkurrerar vanligtvis med socker-och aminosyranedbrytningsreaktioner, vilket gör det svårt att specifikt ta itu med gränsvärdena ., Till exempel bildas hydroximetylfurfural (HMF) under karamelliseringsprocessen av hexoser såväl som i Maillard-reaktionen. I närvaro av aminosyror förbättras emellertid bildningshastigheterna och utbytena signifikant . Denna nivå av komplexitet ställer mycket höga krav på lösningsförmågan i flera analytiska dimensioner för att få en fullständigt löst och omfattande bild av icke-enzymatiska brunningsreaktioner. Endast moderna FT-ICR-MS-instrument kan ge den masspektrala upplösningskraft som krävs för att lösa alla MRPs även i enkla tvåreaktiva system., Därför ger modellsystem som endast innehåller några initiala prekursorer, såsom aminosyror och sockerarter, en utmärkt miljö för grundläggande Maillard-reaktionsstudier.
olika visualiseringsverktyg, redan etablerade i analysen av komplexa masspektrometri dataset kan anpassas för dessa ändamål. Speciellt har van Krevelen-diagram, modifierade Kendrick-massdefekt tomter och massdifferensnät visat sig vara värdefulla verktyg vid karakterisering av Maillard modellsystem ., Van Krevelen diagram, i klassisk mening, korsplot väte till kol kontra syre till kol atomära förhållanden leder till mycket specifika sammansatta fingeravtryck beroende på reaktionsprekursorer som används . Medan den ursprungliga Kendrick massdefekten projicerar CH2-homologa serien på horisontella linjer, studerar Maillard-reaktionen kraftigt fördelarna med modifierade versioner därav. Till exempel kan den många dehydreringsserien som är känd för att förekomma i icke-enzymatiska browningsreaktioner studeras genom omvandling av H2o IUPAC-massan till en Kendrick-massskala ., I massdifferensnät representerar varje nod en detekterad jonmassa eller molekylformel. Noderna är anslutna till varandra genom exakta massskillnader som kan representera netto kemiska omvandlingar . Denna typ av grafisk analys gör det möjligt att sondera masspektra i ett mer reaktivitetsrelaterat sammanhang.
Golon et al. var de första som visade i en proof-of-princip-studie att direkt infusion FT-ICR-MS kan lösa den kemiska komplexiteten hos MRP i enkla tvåreaktiva modellsystem ., På senare tid har det visat sig att ribos och glycin kan leda till> 300 MRPs vid termisk behandling under måttliga förhållanden (obuffrade lösningar, 100 °C, 10 h). Samtidigt kunde dock endast ett fåtal tiotals ribosnedbrytningsprodukter och inga aminosyranedbrytningsprodukter observeras . Detta bekräftar att reaktionshastigheterna i sockernedbrytning (karamellisering) förbättras starkt när en aminosyra är närvarande. Dessutom möjliggjorde de relativt långsamma reaktionshastigheterna övervakningen av MRP-bildandet på ett tidlöst och omfattande sätt., Med ökande reaktionstid producerades fler och fler föreningar med högre grad i ombildning och aromaticitet. Det visade sig att främst uttorkning, (di)karbonyl klyvning, och redoxreaktioner hade en stor inverkan på den kemiska komplexiteten och mångfalden av reaktionsprodukter. Slutligen var direkt infusion FT-ICR-MS den första metoden som gav mer detaljerade insikter i bildandet och efterföljande nedbrytning av diketosaminer (difruktosaminer) och deras roll i icke-enzymatiska brunningsreaktioner . Marshall m.fl., nyligen övervakade kemiska förändringar under livsmedelssterilisering med hjälp av direkt infusion FT-ICR-MS .bland andra reaktioner och kemiska mönster användes FT-ICR-MS för att studera bildandet av flera MRP i den initiala och mellanliggande fasen i pet-livsmedelsprover.