CC BY
12
УДК 543.42+547.97
ВЛИЯНИЕ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ НА ПРОЦЕССЫ КОНДЕНСАЦИИ Д+)-АРАБИНОЗЫ с я-ТОЛУИДИНОМ
1 ЧЕРЕПАНОВ И. С., 2ТРУБАЧЕВ А. В.
1Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 Удмуртский научный центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.
АННОТАЦИЯ. Изучены амино-карбонильные взаимодействия в тройной водно-этанольной системе Д+)-арабиноза - и-толуидин - аскорбиновая кислота с целью оценки ингибирующего влияния последней в условиях реакции Майяра. Установлено, что в отсутствие аскорбиновой кислоты в системе образуется первичный продукт взаимодействия - Ы-(и-толил)-.£-арабинозиламин, выделенный и идентифицированный на основании данных ИК-спектроскопии. Показано, что аскорбиновая кислота в присутствии и-толуидина не вступает в реакцию Майяра с образованием окрашенных продуктов, вероятно, вследствие отсутствия возможности продуктов конденсации аскорбиновой кислоты с ариламинами претерпевать распад по Штреккеру. Изучение реакции в тройной системе также показывает отсутствие образования окрашенных веществ, что обусловлено ингибирующим влиянием аскорбиновой кислоты: происходит ее быстрое взаимодействие с ариламином (возможно, и с арабинозиламином), продукты которого оказываются устойчивыми к дальнейшим превращениям.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аскорбиновая кислота, реакция Майяра, Д+)-арабиноза, и-толуидин.
ВВЕДЕНИЕ
Ингибирующее влияние на реакции неферментативного окрашивания с участием углеводов в последнее время интенсивно изучается с целью определения классов веществ, способных тормозить амино-карбонильные взаимодействия в условиях реакции Майяра, при этом можно выделить две группы таких ингибиторов. Первые из них - цианиды, диоксид серы, серосодержащие аминокислоты, бисульфиты, меркаптаны, гидроксиламин и другие - блокируют карбонильные группы сахаров; вещества второй группы, например, формальдегид, блокируют аминные группировки.
Одним из наиболее интересных компонентов реакционных систем реакции Майяра является аскорбиновая кислота, которая может являться как карбонильным компонентом реакции неферментативного окрашивания [1], так и влиять на скорость протекания амино-карбонильных взаимодействий. При этом в литературе [2, 3] встречаются противоречивые данные как относительно механизма взаимодействия аскорбиновой кислоты с аминами, так и ее влияния на скорость реакции.
В связи с этим нами были изучены реакции в тройной системе углевод - ариламин -аскорбиновая кислота, при этом нами выбраны £(+)-арабиноза, как один из наиболее реакционноспособных углеводов в качестве карбонильного компонента, и и-толуидин, как доступный и достаточно активный ароматический амин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для синтеза целевых продуктов использовались реактивы марок «х.ч.» и «ч.д.а.». Изучение взаимного влияния компонентов тройной системы на характер амино-карбонильных взаимодействий проводилось термостатированием (50 - 70 °С) трех водно-этанольных (62 - 96 % ЕЮН) реакционных систем, содержащих эквимолярные количества (0,002 моль) реагентов, в колбах с обратным холодильником: £-(+)арабиноза - и-толуидин,
аскорбиновая кислота - п-толуидин £-(+)арабиноза - п-толуидин - аскорбиновая кислота; для выделения твердых продуктов частично удалялся растворитель в вакууме водоструйного насоса. Электронные спектры разбавленных проб этанольных растворов регистрировались спектрофотометром СФ-2000 в кварцевых кюветах (I = 1 см), ИК-спектры твердых продуктов снимались на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2201 в таблетках КВг (1:200), измерение температур плавления проводилось в открытых капиллярах на установке Кьельдаля.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эксперимент проводился в трех реакционных системах с различной комбинацией реагентов.
I. Ь-(+) арабиноза - я-толуидин
В системе исходных реагентов углевод - амин имеют место известные сахар-аминные реакции, приводящие к образованию К-гликозиламинов:
ОН
НО
ЧЭН
ОН
EtOH
/ОН
MO^E^N'
ОН
К-п-толил-Р-^-арабинозиламин синтезировали нагреванием реакционной системы в присутствии каталитических количеств серной кислоты в течение 30 мин, после охлаждения и добавления эфира кристаллизуется продукт белого цвета (выход 60 %), растворимый в воде и этаноле (V = 110 °С). ИК-спектр представлен на рис. 1.
v см - i
Рис. 1. ИК-спектр ^и-толил-£-арабинозиламина (KBr, 1:200), см- : 3250-3500 (vO-H, vn-h); 3100 (vC-Har); 2960 (vc-h); 1610 (5n-h); 1510 (Vc=car); 1370 (Vc-N, 6o-h) 1100-1000 (vc-o-с ring); 830 (6 C-Har out-of-plane)
2
В ИК-спектре арабинозиламина имеется широкая полоса в области 3500 - 3250 см-1, характерная для валентных колебаний групп ОН и КН, а также валентных колебаний СН-фрагментов ароматической системы. Интенсивность полосы 1610 см-1, отвечающей деформационным колебаниям КН, достаточно высока, что является следствием наложения на эту полосу полос переменной интенсивности, соответствующая колебаниям бензольного кольца. В интервале полос 1060 - 1000 см-1 регистрируется ряд полос, наиболее сильная из которых отвечает колебаниям пиранозных колец гликона, полоса при 830 см-1 показывает наличие 1,4-дизамещенного ароматического кольца.
II. Аскорбиновая кислота - я-толуидин
Нагревание моделирующей реакцию Майяра системы аскорбиновая кислота -и-толуидин показывает снижение во времени оптической плотности в УФ-области (рис. 2):
Рис. 2. Спектры поглощения системы и-толуидии (0,002 моль) - аскорбиновая кислота (0,002 моль) в УФ-области
В видимой области также не происходит увеличения поглощения во времени (рис. 3), вопреки имеющимся в литературе данным о возможности аскорбиновой кислоты выступать в качестве карбонильного компонента в реакции Майяра [3], образования окрашенных веществ не наблюдается, что отличает данные реакционные системы от процессов с участием алифатических аминокислот.
Рис. 3. Спектры поглощения системы и-толуидин (0,002 моль) - аскорбиновая кислота (0,002 моль) в видимой области
Объяснением этому факту может служить отсутствие возможности продуктов конденсации а-дикетонов с ариламинами претерпевать распад по Штреккеру [4]; аналогичные продукты конденсации с алифатическими аминокислотами способны распадаться до активного аминопроизводного:
где Я' - СООН.
При этом некоторое количество окрашенных продуктов, поглощающих в области 400 - 480 нм все же образуется (рис. 3), но со временем их количество в системе не увеличивается.
Заслуживает внимания еще одна точка зрения, которая позволяет объяснить возможность реакции Майяра в системах, содержащих аминокомпоненты, для которых распад по Штреккеру нехарактерен. В этом случае реакция может идти через стадии образования радикалов или ион-радикалов [3]:
Образование радикальных частиц в спиртовой среде (95 % БЮН) реализуется, вероятно, посредством трансформации основания Шиффа, дальнейшее развитие реакции протекает в направлении образования окрашенных продуктов.
Наши эксперименты показали, что продолжительное термостатирование системы аскорбиновая кислота - п-толуидин в 96%-ном этаноле показывает отсутствие «браун»-процессов, при этом структура продукта, выпадающего в осадок при охлаждении, близка
v, см-1
Рис. 4. ик-сиектр продукта, выделенного из системы аскорбиновая кислота - и-толуидин (квг, 1:200), см"1: 3435 (vo-h); 3037 (Vc-Har); 2918 (vc-h); 1730 (vc=o); 1620 (vc=n); 1568, 1517 (vC=car);
1381 (vc-n); 1321 (Vh); 1132, 1024 (vc-o-с ring); 806 (6c -Har out-of-plane)
Тем не менее, предположение о возможности образования радикалов позволяет объяснить возникающее на начальном этапе реакции слабое поглощение в видимой области: образующиеся на ранних стадиях неустойчивые окрашенные интермедиаты в дальнейшем неспособны к формированию высокомолекулярных окрашенных структур.
III. £-(+)-арабиноза - я-толуидин - аскорбиновая кислота
Изучение процессов в тройной системе показывает отсутствие окрашивания в течение 3 часов термостатирования. Анализ спектров показывает слабое нарастание оптической плотности с увеличением продолжительности термостатирования (рис. 5), а также отсутствие поглощения в видимой области (А420 < 0,0005), что свидетельствует о торможении аскорбиновой кислотой протекания совокупности процессов взаимодействия арабинозы с п-толуидином, приводящих к образованию окрашенных продуктов.
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
А
30 мин
---50 мин
----70 мин
-------90 мин
X, нм
200
250
300
350
400
450
Рис. 5. Спектры поглощения системы Д+)-арабиноза (0,002 моль) - и-толуидин (0,002 моль) - аскорбиновая кислота (0,002 моль)
Близкие результаты были получены для систем, содержащих 0,001 и 0,003 моль аскорбиновой кислоты, при этом аскорбиновая кислота связывает аминокомпонент быстрее, чем арабиноза.
Таким образом, можно утверждать, что аскорбиновая кислота ингибирует амино-карбонильные взаимодействия в исследуемой системе, что можно проиллюстрировать следующей общей схемой:
HO
HO O. R
O^^OH
brown products
O HO
4 HO
Strecker degradation
При нагревании реакционной системы происходит быстрое окисление аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой (1), продукты конденсации которой с алифатическими аминокислотами (4) способны к распаду по Штреккеру с образованием аминоредуктонов (5), окисляющихся впоследствии до окрашенных продуктов (6) [3], продукты конденсации дегидроаскорбиновой кислоты с ариламинами (3) к подобным распадам не способны, чем, вероятно, и объясняется ингибирующее конденсацию аминов с углеводами действие аскорбиновой кислоты и отсутствие ее взаимодействия с ариламинами до стадий формирования «браун»-продуктов. Образующиеся на ранних стадиях N-радикалы (7), вероятно, способны к образованию низкомолекулярных слабоокрашенных продуктов, которые не претерпевают дальнейшей деструкции.
ВЫВОДЫ
1. Изучены амино-карбонильные взаимодействия в тройной водно-этанольной системе £(+)-арабиноза - п-толуидин - аскорбиновая кислота с целью оценки ингибирующего влияния последней в условиях реакции Майяра. Установлено, что в отсутствие аскорбиновой кислоты в системе образуется первичный продукт взаимодействия - №(и-толил)-£-арабинозиламин, выделенный и идентифицированный на основании данных ИК-спектроскопии.
2. Показано, что аскорбиновая кислота в присутствии и-толуидина не вступает в реакцию Майяра с образованием окрашенных продуктов, вероятно, вследствие отсутствия возможности продуктов конденсации дегидроаскорбиновой кислоты с ариламинами претерпевать распад по Штреккеру.
3. Предположение о возможности альтернативного механизма «браун»-процесса в системах с аскорбиновой кислотой через образование N-радикалов позволяет объяснить возникающее на начальном этапе реакции слабое поглощение в видимой области: образующиеся на ранних стадиях по радикальному механизму окрашенные интермедиаты в дальнейшем неспособны к формированию высокомолекулярных «браун»-структур.
4. Изучение реакции в тройной системе также показывает отсутствие образования окрашенных веществ, что обусловлено ингибирующим влиянием аскорбиновой кислоты: происходит ее быстрое взаимодействие с ариламином (возможно, и с арабинозиламином), продукты которого оказываются устойчивыми к дальнейшим превращениям, при этом аскорбиновая кислота связывает аминокомпонент быстрее, чем арабиноза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Smuda M., Glomb M. Maillard degradation pathways of vitamin C // Angewandte Chemie International Edition, 2013, vol. 52, iss. 18, pp. 4887-4891.
2. Kambo N., Upadhyay S. K. Kinetic behavior of ascorbic acid - fructose browning reaction in alkaline medium // Indian Journal of Chemical Technology, 2012, vol. 19, no. 2, рp. 128-133. URL: http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/13709/1/IJCT%2019%282%29%20128-133.pdf (дата обращения 06.12.2016).
3. Namiki M. Chemistry of Maillard reaction: recent studies of browning reaction mechanism and the developments of antioxidant and mutagens // Advances in Food Research, 1988, vol. 32, pp. 155-184.
4. Yaylayan V. Recent advances in the chemistry of Strecker degradation and Amadori rearrangement: implication to aroma and color formation // Food Science and Technology Research, 2003, vol. 9, no. 1, pp. 1-6.
INFLUENCE OF ASCORBIC ACID ON PROCESSES ACID-CATALYTIC L(+) - ARABINOSE -p-TOLUIDINE CONDENSATION
1Cherepanov I. S., 2Trubachev A. V.
:Udmurt State University, Izhevsk, Russia.
2Udmurt Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. One of the most interesting components of reactionary systems in Maillard reaction is ascorbic acid, which can be as carbonyl components of non-enzymatic browning, and influence to intensity of amino-carbonyl interactions. At the same time in literature contradictory data as concerning the mechanism of ascorbic acid interaction with amines, and its influences on the reaction rate. In this regard we have studied reactions in three-component system carbohydrate - arylamine - ascorbic acid, and as components we have chosen I(+)-arabinose - one of the most reactive carbohydrates as a carbonyl component and ^-toluidine as available and active aromatic amine. Amino-carbonyl interactions in three-component aqueous-ethanolic I(+)-arabinose - ^-toluidine - ascorbic acid system to estimate the inhibiting influence of ascorbic acid in the conditions of Maillard reaction are studied, the experiment was made in three reactionary systems with various combination of reagents. It is established that in the absence of ascorbic acid in system primary product of interaction - N-(^-tolyl)-Z-arabinosylamine isolated and identified based on FTIR-spectroscopy data is formed. It is shown that ascorbic acid in the presence of p-toluidine does not react with formation of the colored products probably owing to lack of a possibility of dehydroascorbic acid - arylamine condensation products to undergo Strecker disintegration. Formation of radicals in early stages of reaction may explains the weak absorption in visible spectra area, but this pathway did not lead to brown products. Our experiments have shown that the long termostatting of ascorbic acid - ^-toluidine system in 96% ethanol shows absence of browning, at the same time the structure of isolated product close to azomethine of dehydroascorbic acid. Studying of reaction in three-component system also shows absence of colored substances formation that is caused by the inhibiting influence of ascorbic acid: its fast interaction with arylamine (perhaps, and with arabinosylamine) which products are stable to further transformations, at the same time ascorbic acid react with amino component more intensive, than an arabinose.
KEYWORDS: ascorbic acid, Maillard reaction, L(+)-arabinose, p-toluidine.
REFERENCES
1. Smuda M., Glomb M A. Maillard degradation pathways of vitamin C. Angewandte Chemie International Edition, 2013, vol. 52, iss. 18, pp. 4887-4891. doi: 10.1002/anie.201300399
2. Kambo N., Upadhyay S. K. Kinetic behavior of ascorbic acid - fructose browning reaction in alkaline medium. Indian Journal of Chemical Technology, 2012, vol. 19, no. 2, pp. 128-133. URL: http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/13709/1/IJCT%2019%282%29%20128-133.pdf (accessed December 6, 2016).
3. Namiki M. Chemistry of Maillard reaction: recent studies of browning reaction mechanism and the developments of antioxidant and mutagens // Advances in Food Research, 1988, vol. 32, pp. 155-184. doi: 10.1016/S0065-2628(08)60287-6
4. Yaylayan V. Recent advances in the chemistry of Strecker degradation and Amadori rearrangement: implication to aroma and color formation. Food Science and Technology Research, 2003, vol. 9, no. 1, pp. 1-6. doi: 10.3136/fstr.9.1
Черепанов Игорь Сергеевич, кандидат химических наук, доцент кафедры Фундаментальной и прикладной химии УдГУ, тел. 8(3412)916-434, e-mail: cherchem@mail.ru
Трубачев Алексей Владиславович, кандидат химических наук, доцент, главный специалист УдНЦ УрО РАН, тел. 8(3412)207-658, e-mail: trub_av@mailru
