CC BY
15
УДК 543.42+547.97
К ВОПРОСУ О ФОРМИРОВАНИИ МЕЛАНОИДИНОВЫХ СТРУКТУР В ВОДНО-ЭТАНОЛЬНЫХ СРЕДАХ
ЧЕРЕПАНОВ И. С.
Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1
АННОТАЦИЯ. Рассмотрены возможные направления формирования структуры меланоидинов, образующихся при взаимодействии углеводов с ароматическими аминами в водно-спиртовом растворе. Показано, что проведение реакций в водно-этанольных средах способствует образованию функционализированных пятичленных гетероциклов с преобладанием фурановых производных как структурных единиц в составе « бр аун» -продуктов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: меланоидины, водно-этанольные среды, гетероциклические соединения.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к исследованию неэнзиматического окрашивания при взаимодействии углеводов с аминами и аминокислотами существенно возрос во второй половине ХХ века и к настоящему моменту достигнут прогресс в изучении многих вопросов, связанных с образованием и поведением меланоидинов, начиная от установления состава и заканчивая их биологическими свойствами и влиянием на физиологические процессы в живых организмах. Тем не менее ряд проблем по-прежнему остается предметом всестороннего изучения, что, очевидно, связано со сложностью формирующихся структур «браун»-полимеров и разнообразием процессов их образования. Одним из таких вопросов является установление природы структурных элементов меланоидинов, при этом решение данной задачи на основании анализа литературных данных и экспериментальных результатов если и представляется возможным, то исключительно для каждой отдельно выбранной системы.
Тем не менее, попытки классификации строения звеньев «браун»-полимеров не прекращаются и авторы одного из недавних обзоров по данной тематике [1] отмечают, что к настоящему моменту можно выделить три основных типа структур меланоидинов:
- низкомолекулярные углеводные олигомеры связываются аминогруппами аминокислот, что приводит к сшитым высокомолекулярным продуктам;
- меланоидины формируются из конденсированных гетероциклических структур различной природы (пирролы, фураны, пиразины);
- продукты деградации исходных реагентов, формирующиеся на ранних стадиях, конденсируются посредством аминокомпонентов с образованием преимущественно разветвленных ациклических структур.
Предложенную классификацию, разумеется, нельзя считать исчерпывающей, в том числе и потому, что экспериментально показана возможность выделения из полной реакционной смеси фракций различной молекулярной массы, которые, вероятно, отличаются и структурно. Кроме того, существуют и альтернативные подходы к классификации меланоидинов, но во всех случаях отмечается зависимость формирующейся структуры в первую очередь от природы углевода и амина; существенным является также и состав реакционной среды. Подавляющее большинство исследовательских работ посвящено изучению меланоидинообразования в водных средах, известно лишь небольшое число публикаций, освещающих результаты проведения реакций в неводных или смешанных растворителях. При этом отмечается отличие механизмов формирования целевых структур в этанольных средах [2, 3], которые являются биологически важными, кроме того, ароматические амины также мало изучены в качестве реагентов «браун»-реакций. В настоящем исследовании представлены результаты изучения структуры меланоидинов, формирующихся в водно-этанольной системе ^-лактоза - п-толуидин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Получение меланоидинов проводилось в системе О-лактоза - п-толуидин эквимолярного состава (0,005 моль) в водно-этанольной среде (62 % ЕЮН) в присутствии каталитических количеств уксусной кислоты. Исходные составы термостатировались (85 °С) в колбе с обратным холодильником и мешалкой в течение 4 часов, после чего продукты выделялись из полной реакционной смеси и высушивались. Электронные спектры растворов регистрировались в кварцевых кюветах на спектрофотометре СФ-2000, колебательные спектры твердых продуктов снимались в таблетках бромида калия (1:100) на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-1201.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Электронные спектры, снятые в течение процесса формирования меланоидиновой структуры путем отбора микропроб из реакционной системы с последующим разбавлением и фотометрированием, показывают наличие нескольких максимумов поглощения в видимой и УФ-области (рис. 1): четкий пик в области 305 - 315 нм и два слабых плеча при 405 и 480 нм соответственно.
Рис. 1. Электронные спектры системы ,0-лактоза (0,005 моль) - и-толуидин (0,005 моль) при различной продолжительности нагревания (62 % ЕЮН, I = 2 см)
Рис. 2. ИК-спектр лактоз-толуидинового «браун»-продукта (1:100, КВг)
Первый максимум, вероятно, обусловлен суммарным поглощением, основной вклад в которое вносят олигомерные продукты конденсации 5-гидроксиметилфурфурола с боковыми цепями в а-положении [4], интенсивно формирующиеся в этаноле в присутствии амина [2]:
о
Я - повторяющийся фрагмент структуры или гетерофрагмент.
Данные структуры впоследствии, вероятно, трансформируются в высокомолекулярные составы, при этом отмечается их относительно невысокое содержание в конечных продуктах, формирующихся в водных средах [5].
Слабые полосы поглощения проявляются уже в видимой области, причем в случае О-лактозы рост интенсивности пиков значительно медленнее, чем при использовании более активных моносахаридов в качестве субстратов [2]. Максимум поглощения в этаноле
в области 400 - 410 нм автор работы [6] относит к замещенным пирролкарбальдегидам, кроме того отмечается [7], что при реализации меланоидинообразования в водной среде возможно промежуточное формирование хромофора на основе замещенного пиррола (механизм образования подробно рассмотрен автором [7]):
для которого характерны три максимума 320, 406 и 480 нм (рис. 1). Таким образом, пиррольные структуры также способны формироваться в водно-этанольных средах.
Колебательные спектры меланоидинов как правило содержат большое число полос, многие из которых характерны для исходных и промежуточных веществ, при этом часть характеристических частот маскируется, что затрудняет полную интерпретацию спектров. Можно отметить наличие частот (рис. 2), характерных как для замещенных пиррольных (1430 см-1), так и для фурановых (740, 1040, 1520 см-1) структур, которые обычно фиксируются для функционализированных гетероциклов [5], кроме того наблюдается полоса при 790 см-1, относимая авторами [8] (рис. 3) к олигомерным фурановым гетероциклам, полученным оксилительной полимеризацией фурана, со связями между а-положениями колец:
Р
О
О
.Р
О
Согласно данным авторов [9], в концентрированных модельных этанольных растворах, помимо замещенных фурфуролов, обнаружены декарбонилированные формы, в частности фуриловый спирт и ряд других форм, которые практически не образуются в водных средах. Формирование полигетероциклических фрагментов может быть следствием инициируемой кислородом самопроизвольной конденсации производных фурана [10], активированных донорными группами, с образованием темноокрашенных продуктов.
V см ___[_
3:00 3000 2500 2000 1500 1000 Рис. 3. ИК-спектр фуранового олигомера, полученного в результате окислительной полимеризации [8]
од
0,09 0,0В 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0.01
-360 нм
.........400 нм
-----440 нм
— ■ ■ 490 нм
Рис. 4. Снижение поглощения водно-этанольного раствора лактоз-толуидинового «браун»-продукта во времени при нагревании (60 °С) в присутствии Н2О2 в слабощелочной среде
Активная система электронизбыточных гетероциклов в сопряжении с кратными связями и полярными функциями должна показывать существенную восстановительную способность, что фиксируется визуально и фотометрически при нагревании слабощелочного водно-этанольного раствора «браун»-продукта в присутствии пероксида водорода (рис. 4). Фотометрические данные показывают активную деколоризацию меланоидинового водно-этанольного раствора во всей области активного формирования окрашенных продуктов амино-карбонильных взаимодействий, что свидетельствует об окислительной деструкции сопряжённой полимерной структуры меланоидинов.
ВЫВОДЫ
На основании данных спектрофотометрии и ИК-спектроскопии предложены возможные направления формирования структуры меланоидинов, образующихся при взаимодействии D-лактозы с и-толуидином в водно-этанольном растворе. Показано, что проведение реакций в среде водного этанола (62 % EtOH) способствует образованию функционализированных пятичленных гетероциклов с преобладанием фурановых производных как структурных единиц в составе «браун»-продуктов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Echavarria A. P., Pagan J., Ibarz A. Melanoidins formed in Maillard reaction and their biological activity // Food Engineering Reviews, 2012, no. 4, pp. 203-223.
2. Shen S.-C., Wu J. S.-B. Maillard browning in ethanolic solution // Journal of Food Science, 2004, vol. 69, no. 4, pp. 273-279.
3. Wu M.-C., Ma C.-Y., Yang C.-C., Kao W.-C. The formation of IQ type mutagens from Maillard reaction in ethanolic solution // Food Chemistry, 2011, vol. 125, no. 2, pp. 582-587.
4. Большаков Г. Ф., Ватаго В. С., Агрест Ф. Б. Ультрафиолетовые спектры гетероорганических соединений. М.: Химия, 1969. 504 с.
5. Rubinsztain Y., Yariv S., Ioselis P., Aizenshtat Z., Ikan R. Characterization of melanoidins by IR-spectroscopy - I. Galactose - glycine melanoidins // Organic Geochemistry, 1986, vol. 9, no. 3, pp. 117-125.
6. Kato H. Chemical studies on amino-carbonyl reaction. Part III. Formation of substituted pyrrole-2-aldehydes by reaction of aldoses with alkylamines // Agricultural and biological chemistry, 1967, vol. 31, no. 9, pp. 1086-1090.
7. Hofmann T. Determination of the chemical structure of novel coloured compounds generated during Maillard-type reaction // In book: "The Maillard reaction in food in medicine". Edit. by J. O'Brien, H. Nursten. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, pp. 82-88.
8. Li X.-G., Kang Y., Huang M.-R. Optimization of polymerization conditions of furan with aniline for variable conducting polymers // Journal of Combinatorial Chemistry, 2006, vol. 8, no. 5, pp. 670-678.
9. Shen S.-C., Tseng K.-C., Wu J. S.-B. An analysis of Maillard reaction products in ethanolic glucose-glycine solution // Food Chemistry, 2007, vol. 102, no. 1, pp. 281-287.
10. Rubinsztain Y., Ioselis P., Ikan R., Aizenshtat Z. Investigations on the structural units of melanoidins // Organic Geochemistry, 1984, vol. 6, no. 8, pp. 791-804.
TO THE PROBLEM OF MELANOIDIN STRUCTURE FORMATION IN AQUEOUS-ETHANOLIC MEDIA
Cherepanov I. S.
Udmurt State University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The overwhelming majority of research works is devoted to studying of a melanoidin formation in aqueous media, only the small number of the publications covering results of carrying out reactions in non-aqueous or mixed solvents is known. At the same time difference of mechanisms of formation of target structures in the ethanolic media, which also are biologically important, is noted, besides, aryl amines are also poorly studied as brown reaction reagents. The electronic spectra removed during process of formation of melanoidin structure by selection of microprobes from a reaction system with the subsequent dilution and absorption measurement show existence of several maxima of absorption in visible and UV-areas: legible peak in the field of 305-315 nanometers and two weak shoulders to areas 405 and 480 nanometer respectively. The first maximum is probably caused by cooperative absorption, the main contribution to which is made by oligomeric condensation products of 5-hydroxymethylfurfural with side chains in a-position, which are intensively formed in ethanol in the presence of amine. The absorption maximum in ethanol in
the region of 400-410 nanometers may be attributed to substituted pyrrolecarboxaldehydes and it is possible to assume the intermediate formation of the composite chromophore due to substituted pyrrole structure. In FTIR spectra it is possible to note the presence of bands, the reference as to substituted pyrroles, and to furan structures, besides, the bands which are due to oligomeric heterocycles. Its formation can be a consequence of the spontaneous condensation of the furan compounds activated by donor groups initiated by oxygen. The possible pathways of melanoidins structure formation, which are formed in D-lactose - p-toluidine interaction in aqueous-ethanolic solution, are offered based on UV-Vis-spectrophotometry and IR-spectroscopy data obtained. It is shown that carrying out reactions in aqueous-ethanolic (62 % EtOH) promotes the function substituted five-membered heterocycles formation, including condensed as base in structure brown products units.
KEYWORDS: melanoidins, aqueous-ethanolic media, heterocycles. REFERENCES
1. Echavarria A. P., Pagan J., Ibarz A. Melanoidins formed in Maillard reaction and their biological activity. Food Engineering Reviews, 2012, no. 4, pp. 203-223.
2. Shen S.-C., Wu J. S.-B. Maillard browning in ethanolic solution. Journal of Food Science, 2004, vol. 69, no. 4, pp. 273-279.
3. Wu M.-C., Ma C.-Y., Yang C.-C., Kao W.-C. The formation of IQ type mutagens from Maillard reaction in ethanolic solution. Food Chemistry, 2011, vol. 125, no. 2, pp. 582-587.
4. Bol'shakov G. F., Vatago V. S., Agrest F. B. Ul'trafioletovye spektry geteroorganicheskikh soedineniy [Ultraviolet spectra of hetero compounds]. Moscow: Khimiya Publ., 1969. 504 p.
5. Rubinsztain Y., Yariv S., Ioselis P., Aizenshtat Z., Ikan R. Characterization of melanoidins by IR-spectroscopy - I. Galactose - glycine melanoidins. Organic Geochemistry, 1986, vol. 9, no. 3, pp. 117-125.
6. Kato H. Chemical studies on amino-carbonyl reaction. Part III. Formation of substituted pyrrole-2-aldehydes by reaction of aldoses with alkylamines. Agricultural and biological chemistry, 1967, vol. 31, no. 9, pp. 1086-1090.
7. Hofmann T. Determination of the chemical structure of novel coloured compounds generated during Maillard-type reaction. In book: The Maillard reaction in food in medicine. Edit. by J. O'Brien, H. Nursten. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, pp. 82-88.
8. Li X.-G., Kang Y., Huang M.-R. Optimization of polymerization conditions of furan with aniline for variable conducting polymers. Journal of Combinatorial Chemistry, 2006, vol. 8, no. 5, pp. 670-678.
9. Shen S.-C., Tseng K.-C., Wu J. S.-B. An analysis of Maillard reaction products in ethanolic glucose-glycine solution. Food Chemistry, 2007, vol. 102, no. 1, pp. 281-287.
10. Rubinsztain Y., Ioselis P., Ikan R., Aizenshtat Z. Investigations on the structural units of melanoidins. Organic Geochemistry, 1984, vol. 6, no. 8, pp. 791-804.
Черепанов Игорь Сергеевич, кандидат химических наук, доцент кафедры Фундаментальной и прикладной химии УдГУ, тел. 8(3412)916-434, e-mail: cherchem@mail.ru
