Изучение ранних стадий процесса меланоидинообразования в модельной этанольной системе D-глюкоза - п-толуидин Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.4: 664.16

02.00.00 Химические науки 05.00.00 Технические науки

ИЗУЧЕНИЕ РАННИХ СТАДИЙ ПРОЦЕССА МЕЛАНОИДИНООБРАЗОВАНИЯ В МОДЕЛЬНОЙ ЭТАНОЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ^-ГЛЮКОЗА - и-ТОЛУИДИН

Черепанов Игорь Сергеевич к.х.н., РИНЦ БРШ-код: 4591-2207

ФГБОУВО «Удмуртский государственный университет», Россия, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, сНегскет@таИ. ги

В работе представлены результаты исследований по изучению динамики ранних стадий процессов меланоидинообразования в подкисленных этанольных системах ^-глюкоза - п-толуидин. На основании данных элементного анализа, ИК- и УФ-спектроскопии показано, что в ходе развития «браун»-процессов в исследуемой системе продукт перегруппировки Амадори претерпевает элиминирование ариламина с образованием безазотных редуктонов, растворы которых показывают антиоксидантную активность, ингибируя окисление линолевой кислоты. Отмечено, что в этанольных средах практически подавлен процесс прямой деструкции исходного углевода вследствие образования О-этилгликозидов, нереакционноспособных в отношении «браун»-реакций. Полученные результаты могут быть полезны при разработке технологий переработки углеводного сырья

Ключевые слова: ^-ГЛЮКОЗА, АРИЛАМИНЫ, и-ТОЛУИДИН, ЭТАНОЛ, МЕЛАНОИДИНЫ

йо!: 10.21515/1990-4665-132-057

UDC 547.4 : 664.16

Chemical Sciences Technical Sciences

STUDY OF EARLY STAGES OF MELANOIDIN'S FORMATION PROCESSES IN MODEL ETHANOLIC ^-GLUCOSE - p-TOLUIDINE SYSTEM

Cherepanov Igor Sergeevich

Candidate of Chemical Sciences

RINC SPIN-code: 4591-2207

FSBEI« Udmurt State University», Russia, 426034,

Izhevsk, Universitetskaya, 1, cherchem@mail. ru

The results of investigation of melanoidin's formation early stages in acidic ethanolic ^-glucose - ^-toluidine model system are presented. Based on the elemental analysis, IR- and UV-spectroscopy data obtained we have shown, that in system studied Amadori rearrangement product undergo the aryl amine elimination during browning to form a non-nitrogenous reductons with antioxidative activity in processes of linoleic acid oxidation. It is also noted, that in system studied inhibition of carbohydrate's destruction occurs because of non-reactive O-ethyl-glycosides formation. The data obtained may be useful for technology of carbohydrate-containing raw material

Keywords: ^-GLUCOSE, ARYL AMINES, ^-TOLUIDINE, ETHANOL, MELANOIDINS

Введение

Реакция Майяра, как одна из наиболее важных в пищевой химии технологии, исследуется уже более ста лет, при этом за последние десятилетия опубликовано значительное число работ, посвященное изучению различных стадий меланоидинообразования, подавляющее большинство которых, за редким исключением [1, 2], освещают результаты исследований реакции Майяра в водных средах с алифатическими аминопроизводными в качестве реагентов. Особый интерес к продуктам реакции Майяра в неводных системах с участием

ариламинопроизводных связан с возможностью проявления ими комплекса биологически важных свойств, в частности антиоксидантной, антимикробной, антикоагулянтной активности [3]. Ранее нами была изучена структура «браун»-продуктов, формирующихся в кислых водно-этанольных системах на основе О-лактозы в присутствии п-толуидина [4], при этом рассмотрение закономерностей трансформации первичных азотсодержащих продуктов детально проведено не было, в то время как именно начальные стадии меланоидинообразования определяют дальнейшее развитие реакций неферментативного окрашивания в целом. В связи с чем цель настоящего исследования - изучение закономерностей протекания и природы продуктов начальных стадий процессов меланоидинообразования в модельной этанольной системе О-глюкоза - п-толуидин.

Материалы и методы

В работе использовались реагенты марки «ч.д.а.», процессы в исследуемой системе осуществлялись нагреванием исходных реагентов (0,005 моль, 800С, 3 часа) в подкисленном (ледяная уксусная кислота, 0,2 мл) этанольном растворе (96% этанол, 20 мл) в колбах с обратным холодильником. Контроль за ходом реакций выполнялся методами спектроскопии УФ-области и тонкослойной хроматографии. Электронные спектры разбавленных проб снимались в кварцевых кюветах на спектрофотометре СФ-2000 (/=1 см, 1=200-500 нм). Тонкослойная хроматография проводилась на пластинках 8ИиМ в элюентной системе бутанол-этанол-вода (5:2:1). Антиоксидантная активность определялась железо-тиацианатным методом, инкубационный период составлял 120 часов, модельные растворы для каждого измерения готовились в виде отдельных проб, степень ингибирования окисления (%) оценивалась по снижению оптической плотности (А520) по отношению к контрольному образцу без добавления исследуемого раствора. Также отдельно

готовились образцы рабочих растворов для диализа, который проводился в течение 12 часов, после чего диализаты фотометрировались. Конечные «браун»-продукты дважды промывались эфиром и высушивались, их ИК-спектры снимались на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2201 в таблетках бромида калия (1:200), дополнительно выполнялся элементный анализ (элементный анализатор «Vario MICRO СиЬе»).

Результаты и их обсуждение На основании данных [5] схема амино-карбонильных взаимодействий на ранних стадиях может быть представлена в виде:

i

IV

OH + ArNH2 —OH

HOAc

R

OH

— N-Ar H

—OH —OH R

HOH

N-Ar

h—h

H

OH —OH

HO HO

H

R

OH* N-Ar

O

R

HN-Ar

VI H-

ArNH,

HN—Ar

H

No

OH R

H—г

V

OH —OH R

HO

=0

=0 H OH

R

[=0 =0 H

—OH

O

O

O

R

OH

VII VIII IX

Моносахарид I при конденсации с ариламином в присутствии уксусной кислоты дает К-гликозиламин в открытой III или циклической IV форме, претерпевающий последующую перегруппировку Амадори с образованием дезоксиаминокетозы VI. Дальнейшие превращения предполагают элиминирование амина с образованием производных фурана VII, С5, С6-редуктонов VIII, либо С3-редуктонов IX. Впоследствии

происходит постепенное формирование меланоидиновых структур, в том числе с участием аминокомпонентов.

Изучение динамики развития меланоидинообразования показывает нарастание во времени оптической плотности в видимой области и соотношение А280/А420 свидетельствует об интенсивном формировании структуры окрашенных продуктов (таблица 1) [6].

Таблица 1

Динамика развития ранних стадий меланоидинообразования в этанольной

системе Л-глюкоза - и-толуидин

Т, мин А280 /А420 Ингибирование, %

20 2,5 10,2

50 1,5 38,5

80 1,2 25,2

110 0,8 24,3

Данные тонкослойной хроматографии показывают исчезновение пятна углевода (Я/=0,30) уже вначале термостатирования, при этом, несколько смещаясь, остается пятно ариламина (К/=0,90) и появляются пятна конъюгатов и продуктов деструкции (^/=0,60-0,80). Кроме того, наблюдается торможение процессов окисления линолевой кислоты продуктами изучаемых процессов, при этом максимальный процент ингибирования фиксируется для т=50 минут (таблица 1).

Спектрофотометрический анализ диализатов (рис.1) для каждого значения времени показывает наличие и-толуидина (Ятах=204, 234, 285-290 нм [7]) во всех исследованных образцах, при этом его количество в пробах практически постоянно, что может свидетельствовать об отсутствии расхода толуидина в ходе процесса. Кроме того, в спектрах диализатов отсутствуют полосы поглощения, характерные для низкомолекулярных азотсодержащих продуктов реакции Майяра [8], что говорит об образовании кислородсодержащих редуктонов.

Рисунок 1 - УФ-спектры диализатов в динамике развития реакции

Майяра: 1 - 20 мин, 2 - 50 мин, 3 - 80 мин, 4 - 110 мин

Поскольку механизмы дезаминирования дезоксиаминокетоз,

традиционно предполагаемые для алифатических производных [9], не

реализуются, представляется возможным предположить для исследуемой

системы орто-элиминирование и-толуидина из дегидратированной

циклической формы продукта перегруппировки Амадори [4, 10]: н

I

Ы-Аг

н-

но-

н =о

он —он —он

он н

н

5 ^Ы-Аг_^

н -АгЫн2

ге^^опэ

Последующая конденсация толуидина с редуктонами с образованием азотсодержащих фрагментов структуры меланоидинов в принятых условиях незначительна вследствие пониженной реакционной способности ариламинов [5], что предполагает получение конечных «браун»-продуктов с низким содержанием азота (подтверждено данными элементного анализа: С - 62,1%; Н - 7,2%; О - 26,5%; N - 1,3%). Анализ ИК-спектра твердого продукта, выделенного из реакционной системы по окончании

эксперимента, не показывает значительного количества К-арилфрагментов в структуре «браун»-полимера [4,8].

Рисунок 2 - ИК-спектр твердого продукта, выделенного из реакционной

системы Л-глюкоза - и-толуидин (КВг 1:200)

Дополнительно исследовалась возможность протекания в условиях

эксперимента прямой деструкции Л-глюкозы (1^У11), при этом показано,

что процесс карамелизации подавлен: значения А420 не превышают 0,005

при термостатировании свободного от ариламина раствора глюкозы в

течение трех часов. Можно предположить, что торможение этанолом

превращений углеводов в отсутствии амина реализуется вследствие

возможности протекания процесса О-гликозирования с образованием

устойчивых к дециклизации этилгликозидов: о

+

но'

ночЧ> '''он он

что позволяет отнести изученные эффекты к процессам меланоидинообразования [1].

Таким образом, проведенные исследования подтверждают протекание амино-карбонильных взаимодействий в изученной системе через стадии образования и деградации продукта Амадори, но, в отличие от систем с алифатическими аминами, значительная часть и-толуидина элиминируется на ранних стадиях процесса и впоследствии в формировании структуры продуктов практически не участвует. Данный экспериментальный факт может служить основанием для предположения об отсутствии протекания процессов формирования азотсодержащих конечных продуктов, обладающих мутагенными свойствами [11], что может быть использовано в технологии переработки углеводного сырья с целью получения «браун»-полимеров с биологически важными для сельскохозяйственной продукции характеристиками.

Литература

1. Shen, S.-C. Maillard browning in ethanolic solution / S.-C. Shen, J.S.-B. Wu // J. Food Sci. - 2004. - Vol. 69(4). - P. 273-279. DOI: 10.1111/j.1365-2621.2004.tb06328.

2. Shen, S.-C. An analysis of Maillard reaction products in ethanolic glucose-glycine solution / S.-C. Shen, K.-C. Tseng, J.S.-B. Wu // Food Chem. - 2007. - Vol. 102(2). - P. 281287. DOI:10.1016/j.foodchem.2006.05.018

3. Gu, F.-L. Structure and antioxidant activity of high molecular weight Maillard reaction products from casein-glucose / F.-L. Gu, J.-M. Kim, S. Abbas and others // Food chem. - 2010. - Vol. 120(2). - P. 505-511. DOI: 10.1016/j.foodchem.2009.10.044

4. Черепанов, И.С., Изучение диализуемых меланоидиновых фракций водно-этанольных систем D-лактоза - ариламин / И.С. Черепанов, Г.М. Абдуллина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2017. - Т. 17(2). - С. 181-184. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-2-181-184

5. Yaylayan, V. Classification of the Maillard reaction: A conceptual approach / V. Yaylayan // Trends Food Sci. Technol. - 1997. - Vol. 8(1). - P.13-18. DOI: 10.1016/S0924-2244(96)20013-5

6. Benjakul, S. Antioxidative activity of caramelization products and their preventive effect on lipid oxidation in fish mince / S. Benjakul, W. Visessanguan, V. Phongkanpai // Food Chem. - 2005. - Vol. 90(2). - P. 231-239. DOI: 10.1016/J.foodchem.2004.03.045

7. Trivedi, M. Characterization of physical, thermal and spectroscopic properties of biofield energy treated ^-phenylenediamine and ^-toluidine / M. Trivedi, A. Branton, D. Trivedi and other // J. Environ. Anal. Toxicol. - 2015. - Vol. 5(6): 329. DOI: 10.4172/21610525.1000329

8. Sonobe, H. Formation of 1-butyl-5-hydroxymethylpyrrole-2-carboxaldehyde in the Maillard reaction between lactose and n-butylamine / H Sonobe, H. Kato, M. Fujimaki // Agric. Biol. Chem. - 1977. - Vol. 41(3). - P. 609-610. DOI: 10.1271/bbb1961.41.609.

9. Patzold, R. Mass spectrometric detection and formation of D-amino acids in processed plant saps, syrups, and fruit juice concentrates / R. Patzold, H. Bruckner // J. Agric. Food Chem. - 2005. - Vol. 53(25). - P.9722-9729. DOI: 10.1021/jf051433u

10. Yaylayan, V. Stereochemical control of maltol formation in Maillard reaction / V. Yaylayan, S. Mandeville // J. Agric. Food Chem. - 1994. - Vol. 42(3). P.771-775. DOI: 10.1021/jf00039a034

11. Wu, M.-C. The formation of IQ type mutagens from Maillard reaction in ethanolic solution / M.-C. Wu, C.-Y. Ma, C.-C. Yang and others // Food Chem. - 2011. - Vol. 125(2). - P.582-587. DOI: 10.1016/j.foodchem.2010.08.067

References

1. Shen, S.-C. Maillard browning in ethanolic solution / S.-C. Shen, J.S.-B. Wu // J. Food Sci. - 2004. - Vol. 69(4). - P. 273-279. DOI: 10.1111/j.1365-2621.2004.tb06328.

2. Shen, S.-C. An analysis of Maillard reaction products in ethanolic glucose-glycine solution / S.-C. Shen, K.-C. Tseng, J.S.-B. Wu // Food Chem. - 2007. - Vol. 102(2). - P. 281287. DOI:10.1016/j.foodchem.2006.05.018

3. Gu, F.-L. Structure and antioxidant activity of high molecular weight Maillard reaction products from casein-glucose / F.-L. Gu, J.-M. Kim, S. Abbas and others // Food chem. - 2010. - Vol. 120(2). - P. 505-511. DOI: 10.1016/j.foodchem.2009.10.044

4. Cherepanov, I.S. Izucheniye dializuemyh melanoidinovyh fraktsij vodno -etanol'nyh sistem D-laktoza - p-toluidin / I.S.Cherepanov, G.M. Abdullina // Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya. - 2017. - Vol. 17(2). - P. 181-184. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-2-181-184

5. Yaylayan, V. Classification of the Maillard reaction: A conceptual approach / V. Yaylayan // Trends Food Sci. Technol. - 1997. - Vol. 8(1). - P.13-18. DOI: 10.1016/S0924-2244(96)20013-5

6. Benjakul, S. Antioxidative activity of caramelization products and their preventive effect on lipid oxidation in fish mince / S. Benjakul, W. Visessanguan, V. Phongkanpai and others // Food Chem. - 2005. - Vol. 90(2). - P. 231-239. DOI: 10.1016/J.foodchem.2004.03.045

7. Trivedi, M. Characterization of physical, thermal and spectroscopic properties of biofield energy treated ^-phenylenediamine and ^-toluidine / M. Trivedi, A. Branton, D. Trivedi and others // J. Environ. Anal. Toxicol. - 2015. - Vol. 5(6): 329. DOI: 10.4172/21610525.1000329

8. Sonobe, H. Formation of 1-butyl-5-hydroxymethylpyrrole-2-carboxaldehyde in the Maillard reaction between lactose and n-butylamine / H Sonobe, H. Kato, M. Fujimaki // Agric. Biol. Chem. - 1977. - Vol. 41(3). - P. 609-610. DOI: 10.1271/bbb1961.41.609.

9. Patzold, R. Mass spectrometric detection and formation of D-amino acids in processed plant saps, syrups, and fruit juice concentrates / R. Patzold, H. Bruckner // J. Agric. Food Chem. - 2005. - Vol. 53(25). - P.9722-9729. DOI: 10.1021/jf051433u

10. Yaylayan, V. Stereochemical control of maltol formation in Maillard reaction / V. Yaylayan, S. Mandeville // J. Agric. Food Chem. - 1994. - Vol. 42(3). P.771-775. DOI: 10.1021/jf00039a034

11. Wu, M.-C. The formation of IQ type mutagens from Maillard reaction in ethanolic solution / M.-C. Wu, C.-Y. Ma, C.-C. Yang and others // Food Chem. - 2011. - Vol. 125(2). - P.582-587. DOI: 10.1016/j.foodchem.2010.08.067