Homoki-Farkas Péter:
Szénhidrátok hőkezelése során bekövetkező barnulások vizsgálata
Budapesti Műszaki Egyetem, 1997.

Munkám során a nem enzimes barnulás során lejátszódó reakciókat vizsgáltam, különös tekintettel a színtelen és a kezdeti reakciótermékekre.
Modellrendszerként fruktóz, glükóz, dextrin és keményítő szénhidrátokat választottam. Víz hozzáadásával és víz hozzáadása nélkül végzett hőkezelés során vizsgáltam a metilglioxált, glioxált, 3-dezoxihexozoszont és hatásukat a színanyagok képződésére.

Az irodalomban ismert meghatározás alapján a 3-dezoxi-hexozoszont Kato- és Feather módszere szerint állítottam elő. VRK, CHN analízis és tömegspektrométeres vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy a Feather szerint előállított 3-dezoxi-hexozoszoron az előállítás során, valószínűleg hidrazinból származó nitrogén szennyezést tartalmazott.

A Biokémia és Élelmiszertechnológia Tanszéken elvégzett korábbi vizsgálatok azt mutatták, ha a metilglioxál reagensét, az o-feniléndiamint a hőkezelés előtt adjuk a cukorhoz, akkor lényegesen több metilglioxált tudunk kimutatni. Azonban az o-feniléndiamin, mint amin katalizálja a reakciót, így szükségesnek látszott a metilglioxál képződését a Maillard reakció között is megvizsgálni.
A Maillard reakció modellezésekor amin komponensként o-feniléndiamin mellett a glicint, mint a legegyszerűbb aminosavat vizsgáltam.

A fruktózból és a glükózból képződött metilglioxál koncentrációja eltérő. A metilglioxál koncentráció hőkezelési időbeni változásának tendenciája közelítőleg megegyezik, a képződött metilglioxál mennyiségében jelentős eltérés mutatkozik. A fruktóz hőkezelése során nyert karamell oldatban a metilglioxál koncentráció kb. 16 szoros a glükózhoz képest. Erre a jelenségre az adhat magyarázatot, hogy a fruktóz oldatban nagyobb az oxo-forma koncentrációja, amely az enolizáció kiindulási alapja.

A metilglioxál képződést befolyásolja a hőkezelési idő, a monoszacharid koncentrációja és a hőmérséklet. A hőkezelési idő elején nő a képződött metilglioxál koncentráció, és egy maximum görbét elérve a metilglioxál bomlása figyelhető meg. A hőmérséklet növelésével ez a folyamat felgyorsul és a maximum koncentrációhoz tartozó hőkezelési idő lerövidül.
A nagyobb víztartalmú oldatokban nagyobb metilglioxál koncentráció mutatható ki. A fenti effektusra az a magyarázat, hogy vízmentes közegben a cukor molekulák polimerizálva oligo- és poliszacharidot képeznek és így elvonják a cukormolekulákat a karamellizációtól.

A metilglioxál mellett megfigyeltem egy ismeretlen komponens jelenlétét, amelyet glioxálként azonosítottam. A képződött glioxál koncentrációját ugyancsak meghatároztam fruktóz és glükóz hőkezelt oldataiban. Mindkét monoszacharid koncentrációja megegyezett (0.1 moltört), a fruktózt 140^oC-on, míg a glükózt 160^oC-on hőkezeltem. A glioxál koncentrációja mindkét cukor esetén hasonlóan változott. A hőkezelés hatására rövid idő alatt a glioxál koncentrációja maximumot ért el és a koncentráció a hőkezelési idővel folyamatosan csökkent. A glükózból képződött nagyobb mennyiségben a glioxál.

Összevetve a képződött metilglioxál és glioxál arányát, megállapítható, hogy a vizsgált körülmények között ez az arány igen erősen függ a hőkezelési időtől. A reakció kezdetén a glioxálképződés dominál, míg a reakció későbbi fázisában a glükóz esetében a glioxál képződés dominál, amely végig megmarad.
Feltételezhető, hogy a glioxál képződésnek ez a nagy aránya a reakció kezdeti fázisában a kémcső falából kioldódott és az ömledék pH-ját lúgossá tevő alkáli ionok katalítikus hatásának köszönhető. A reakció elején a lúgos pH dominál, ezért a retroaldol bomlás során a C_2-3 közötti bomlás kerül előtérbe. A reakció előrehaladtával savak képződnek, amelyek ezt az alkáli hatást megakadályozzák és a C_3-4 atom közötti bomlásnak kedveznek.

Míg a glükóznál megfigyeltem a metilglioxál képződés mellett az elbomlást is, addig az oligo- és poliszacharidok hőkezelésekor egyértelműen csak metilglioxál képződés tapasztalható a vizsgált hőkezelési idő alatt. Ugyanúgy, mint a monoszacharidoknál itt is a hőmérséklet emelkedésének és a víz hozzáadásának hasonló hatása van. Vízmentes közegben végzett hőkezelés esetén a molekulák mozgékonysága nagyon csekély, így a bomlás során keletkezett metilglioxál koncentrációja is kisebb.

A metilglioxál képződésének a különbsége dextrin és keményítő között a hidrolízisre és a redukáló végcsoportok számára vezethető vissza. A dextrinnek nagyobb a redukáló végcsoportjainak a száma, amely elősegíti a metilglioxál kialakulását, ezért nagyobb a képződött metilglioxál koncentrációja is.
Az o-feniléndiaminnal hőkezelt fruktózból keletkezett metilglioxál koncentrációja kb. 40-szer volt nagyobb, mint a karamellizációban, az amin katalizáló hatása és a képződött metilglioxál megkötése miatt. A glükóz esetében a metilglioxál koncentrációja kb. l00-szor volt nagyobb, mint a karamellizáció esetén. A moltört növekedésével nagy hőmérsékleten felgyorsult a metilglioxál bomlása. Nagy hőmérsékleten a hőkezelési idő növekedésével egyre nagyobb lesz a bomlás sebessége, ennek következtében az elért maximum koncentráció csökken.
A metilglioxál koncentrációja két hatás eredőjeként alakul ki. Az egyik hatás a metilglioxál koncentráció növekedése, a metilglioxál képződéshez vezető prekurzorok bomlása következtében (glicerinaldehid, dihidroxi aceton, dezoxihexozoszon). A másik hatást a metilglioxál továbbalakulási sebessége jelenti. A metilglioxál képződése pillanatában o-feniléndiamin van jelen, amely azonnal megköti a képződött metilglioxált, így a további reakciókban csak korlátozottan vehet részt.

Az o-feniléndiaminnal hőkezelt dextrin és a keményítő oldatában a metilglioxál csak egy indukciós periódus után képződik. A metilglioxál bomlása itt sem figyelhető meg A keményítőhöz képest a dextrinből képződik nagyobb mértékben metilglioxál.
Az o-feniléndiaminnal való együttes hőkezelés a dextrin és a keményítő esetében kb. 8 és 10-szeresére növelte meg a metilglioxál koncentrációját. A glükózból képződött metilglioxál bomlása a hőkezelési idő végére következik be, míg a dextrin és a keményítő esetében valószínűleg ez a tendencia csak sokkal később érvényesül.

Összefoglalva a Maillard reakció hatását a metilglioxál képződésére elmondhatjuk, hogy a metilglioxál kialakulását nemcsak a kiindulási cukor vegyület határozza meg, hanem a reakcióban résztvevő aminocsoportot tartalmazó vegyület tulajdonságai, a hőmérséklet, valamint a víz jelenléte.

A 3-dezoxi-hexozoszon és o-feniléndiamin reakcióját vizsgálva azt állapítottam meg, hogy a reakcióban képződött kinoxalin termék stabil a hőkezelés körülményei között, amely azt jelenti, hogy a metilglioxál képződés az o-feniléndiamin reakció előtt megy végbe.

A glükóz és glicin együttes hőkezelésével képződött metilglioxál koncentrációja kb. tízszerese a karamellizációban képződött metilglioxál-hoz képest, és tizede az o-feniléndiaminnel hőkezelt glükózhoz képest. A képződés és a bomlás tendenciája közelítőleg hasonló, a maximum koncentráció az 5. percnél van.
A dextrin esetében a metilglioxál koncentrációja szintén eltér a karamellizációnál és az o-feniléndiaminnel hőkezelt dextrinnél leírtaktól. A dextrin és glicin együttes hőkezelésével képződött metilglioxál koncentrációja kb. négyszerese a karamellizációban képződött metilglioxálhoz képest, és fele az o-feniléndiaminnel hőkezelt dextrinhez képest.
A keményítő és glicin együttes hőkezelésével képződött metilglioxál koncentrációja kb. megegyezik a karamellizációban képződött metilglioxálhoz képest, és tizede az o-feniléndiaminnel hőkezelt keményítőhöz képest.
A glicinnel történő hőkezelés egyértelműen bizonyítja az aminocsoport aktiváló hatását a metilglioxál képződésben, de mivel a rendszerből hiányzik a metilglioxált megkötő o-feniléndiamin, így az további reakciókban vehet részt, ezért koncentrációja kisebb, mint o-feniléndiamin jelenlétében.

Annak vizsgálatára, hogy a cukorbomlás során a metilglioxál és a 3-dezoxi-hexozoszon milyen hatással van a színanyagok képződésére olyan modellrendszert állítottam fel, amelyben a 3-dezoxi-hexozoszon, metilglioxál és ezek keverékét vizsgáltam, a szénhidrátoknál leírt körülmények között.

3-dezoxi-hexozoszon hőkezelése során a hőkezelési idő növekedtével a koncentrációja csökken, közel 0. rendűnek tűnő reakcióban gyorsan kb. 20 perc alatt elbomlott. A 3-dezoxi-hexozoszon bomlásával egyidőben megkezdődik egy ismeretlen komponensnek a növekedése.

A metilglioxál hőkezelése is hasonló jelenséget mutat. A metilglioxál az első 20 percben elbomlik, majd kb. állandó koncentrációja lesz a hőkezelés végére. Ezzel egyidőben az előbb említett ismeretlen anyag koncentrációja a hőkezelési idő elején hirtelen emelkedik, majd egy maximumot elérve szintén elbomlik.

A 3-dezoxi-hexozoszon és metilglioxál együttes hőkezelésének hatására az előbbiekben említett hatások hatványozottabban érvényesülnek. Az ismeretlen komponens koncentrációja nagymértékben nő, a 20. és a 40. perc között közel állandó marad, majd a hőkezelési idő végére csökken. A hőkezelési idő végén a 3-dezoxi-hexozoszon metilglioxál koncentráció állandósul.

Az ismeretlen eredetű molekula nagy valószínűséggel a 3-dezoxi-hexozoszon és a metilglioxál kondenzációs terméke. Ebből az intermedierből alakulhatnak ki a kis és a nagymoltömegű színanyagok. Ezért a színanyagok kialakulásának az első feltételei között a 3-dezoxi-hexozoszon bomlása a meghatározó.

A hőkezelt metilglioxálnak, 3-dezoxi-hexozoszonnak és ezek együttes keverékének hőkezelésével képződött anyagok spektrumát felvettem és a fényabszorbanciót 200, 280 nm-en olvastam le, amelyek a spektrumok jellemző pontjai voltak. Metilglioxál és 3-dezoxi-hexozoszon együttes hőkezelése után tapasztaltam csak kimutatható színanyagképződést a látható tartományban.
200 és 280 nm-en mért abszorbanciák a hőkezelés során eltérőek voltak. 200 nm-en a 3-dezoxi-hexozoszonból képződött anyagok abszorbanciája a rövid hőkezelés után maximumig növekszik, majd a hőkezelési idő növekedésével csökken. 3-dezoxi-hexozoszon és metilglioxál együttes hőkezelése során az abszorbancia a 20. percnél éri el a maximumát és úgy mint az előbbiekben folyamatosan csökken.
280 nm-en mindhárom oldat hőkezeléséből képződött anyagok abszorbanciája folyamatosan növekszik kb. a 40. percig, majd az abszorbancia nem változik.

A színanyagképződés a hőmérséklettől függő indukciós periódus után indul meg, mind a fruktóz, mind a glükóz esetében. A hőkezelt fruktóz oldatból képződött színanyagok kisebb hőmérsékleten kb. a 30. perc körül indukciós periódus után képződnek. Ez a késleltetés 160^oC-on 10 percre csökken. 160^oC-on az is megfigyelhető, hogy a 40. perctől kezdődően oldhatatlan színanyagképződés kezdődik és ennek megfelelően a 60. percben a színanyagképződés csökkenését is tapasztaltam. A glükóz esetében is hasonló a színanyagképződés tendenciája, de itt már nagyobb az oldhatatlan színanyagok képződése.

Dextrin esetében a színanyagképződés eltér a monoszacharidoknál tapasztaltaktól, mert egy kisebb meredekségű szakasszal kezdődik a színanyagok képződése és ez a hőkezelési idő növekedésével átmegy egy meredekebb szakaszba. Ugyan megfigyelhető az oldhatatlan színanyag képződése, amely ezt követően az oldható színanyag abszorbancia csökkenését okozza.

Az előzőekben megfigyelt jelenségek jól értelmezhetők, ha feltételezzük a színanyagképződésben négy fázis jelenlétét.

1. A színtelen színanyag prekurzorok képződése,
2. Kismoltömegű színanyagok képződése,
3. Nagymoltömegű oldható színanyagok képződése, amely csak az oldható színanyagok bizonyos koncentrációja esetén tud képződni,
4. Nagymoltömegű oldhatatlan színanyagok képződése.

A 0.1 moltörtű fruktóz és glükóz hőkezeléséből képződött színanyagok molekulatömegének változása megközelítőleg hasonló. A hőmérséklet és a hőkezelési idő növekedésével nőtt a képződött színanyagok molekulatömege.

Dextrinből képződött színanyagok mennyisége a hőkezelési idővel nő, és már 10 perces hőkezelési idő után is találunk nagymoltömegű színanyagokat. Feltehető, hogy a poliszacharid láncokkal összekapcsolódott színanyagok képezik a nagymoltömegű színanyagokat a dextrin esetében.