Утворення забарвлених речовин в амінокарбонільній реакції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Утворення забарвлених речовин в амінокарбонільній реакції

Руденко В.М.

Анотація

Методом ІЧ-спектроскопії досліджено структуру меланоїдинів, що утворилися в реакціях карбонільних сполук та D-глюкози з глутаміновою кислотою. З використанням аналітичних методів газхроматографії-масспектрометрії (GC-MS) і ІЧ-спектроскопії досліджено склад низькомолекулярних продуктів розкладу дигідроксіацетону.

Ключові слова: амінокарбонільна реакція, модельна система, меланоїдини, ІЧ-спектри, проміжні сполуки.

Аннотация

Методом ИК-спектроскопии исследовано структуру меланоидинов, которые образовались в реакциях карбонильных соединений и D-глюкозы с глутаминовой кислотой. С использованием аналитических методов газхроматографии-масспектрометрии (GC-MS) и ИК-спектроскопии исследован состав низкомолекулярных продуктов разложения дигидроксиацетона.

Ключевые слова: аминокарбонильная реакция, модельная система, меланоидины, ИК-спектры, промежуточные соединения.

Annotation

By IR-spectroscopy study there is investigated the structure of melanoidins, which are formed in the reaction both of carbonyl compounds and D-glucose with glutamic acid. The low-molecular intermediates in decomposition of dihydroxyacetone has been studied both by gaschromatography mass-spectrometery (GC-MS) and IR- spectroscopy methods.

Keywords: aminocarbonyl reaction, model system, melanoidins, IR- spectra, intermediates.

Природні сполуки і численні структурні елементи біологічних систем мають порівняно невеликий набір реакційноздатних функціональних груп, як гідроксильна (ОН), аміно (NH₂), карбоксильна (СООН) і карбонільна (С=О). Серед реакцій, які можливі між цими групами, амінокарбонільна реакція (реакція меланоїдиноутворення, реакція Майяра, сахарамінна реакція, реакція побуріння) розглядається як фундаментальна у величезному різноманітті природних явищ, більшість з яких відіграють важливу роль у біологічних та виробничих процесах. Природа надала винятково реакційну систему, в якій сахари і амінокислоти або інші нітрогеновмісні сполуки дуже легко, без участі біокаталізаторів, зазнають глибоких перетворень, що приводять до зміни забарвлення, аромату, розчинності та багатьох інших властивостей природних сполук.

Амінокарбонільна реакція є серцем харчової хімії, оскільки саме ця реакція визначає кінцевий результат термічно оброблених продуктів: їхній смак, колір, аромат. Проте амінокарбонільна реакція не завжди дає бажанні наслідки, іноді вона призводить до забарвлення там, де воно не має бути, під час реакції можуть втрачатися поживні речовини харчових продуктів внаслідок зв'язування незамінних амінокислот, наприклад, лізину, кількість якого в деяких продуктах обмежена, або участі в реакції замість сахару аскорбінової кислоти і зв'язування таких металів, як мідь Cu і залізо Fe. В реакції також можливе утворення потенційно токсичних речовин, зниження розчинності, зміни текстури дегідратованих продуктів.

Перше повідомлення про реакцію сахарів з амінокислотами було зроблено Луіс-Камілем Майяром (1912), який на рівні науки свого часу виконав величезну експериментальну і аналітичну роботу і отримав видатні результати, що дало йому право назвати відкриту ним реакцію своєю реакцією і ніхто ніколи не ставив це під сумнів.

Дж.Годж першим, на основі аналізу величезного фактичного матеріалу і результатів власних досліджень, запропонував схему для початкових стадій реакції Майяра [1] і зв'язав в єдину послідовність можливі типи реакцій, що мають місце в процесі побуріння і де кожний окремий тип реакції є часткою загального механізму сахарамінної реакції (рис.1).

Реакції, що відбуваються в процесі сахарамінного побуріння можна об'єднати у три послідовні стадії.

Перша стадія починається з сахарамінної конденсації, продуктами якої є N-глікозиламіни. Останні в подальшому зазнають перегрупування Амадорі з утворенням енольних сполук.

На другій стадії має місце реакція дегідратації енольних сполук з утворенням проміжних продуктів з карбонільною групою (фурфурол, оксиметилфурфурол, піровиноградна кислота та її альдегід, ацетоїн, діацетил та ін.). Одночасно відбувається утворення складніших за будовою сполук - редуктонів, дегідроредуктонів та має місце окиснювальне розщеплення -амінокислот за Штрекером з виділенням діоксиду Карбону і утворенням альдегідів.

Основними реакціями третьої, кінцевої стадії побуріння вважають альдольну конденсацію і альдегідамінну полімеризацію, які приводять до утворення нітрогеновмісних гетероциклічних основ та забарвлених полімерів.

меланоїдин карбонільний дигідроксіацетон масспектрометрія

Рис.1 Основні шляхи перетворень в реакції Майяра за схемою Дж.Годжа

Реакція Майяра в повній мірі контролюється зовнішніми параметрами (рН середовища, температура, тощо) і внутрішніми чинниками (хімічна будова реагуючих речовин, їх концентрація та співвідношення) і саме від них залежить швидкість і глибина перебігу амінокарбонільної реакції.

Дослідження амінокарбонільної реакції полягає в тому, щоб визначити, який із можливих напрямів перетворень домінує в кожному конкретному процесі, за певних умов або в даному харчовому продуктові. Тоді в процесах, де реакція Майяра забезпечує необхідний аромат і забарвлення, можна в повній мірі використовувати ті її складові, що за це відповідають. А в процесах, де амінокарбонільна реакція не бажана - звести до мінімуму або блокувати ті її стадії, які дають негативні наслідки.

Через складність хімічних перетворень реакції Майяра вивчення і встановлення закономірностей її перебігу обмежувалось використовуванням модельних систем. Модельне вивчення реакції - один з найзручніших методів спостереження природних систем, оскільки дозволяє досліджувати окремі процеси перетворень ізольовано від багатьох інших, які завжди мають місце в реальних умовах реакції.

Метою роботи є встановлення закономірностей перебігу реакції побуріння, яка призводить до утворення забарвлених речовин, для чого передбачалося оцінити роль реагентів амінокарбонільної реакції, їхньої природи і будови в утворенні основних проміжних сполук і забарвлених речовин.

Об'єктами дослідження реакцій перетворень сахарів були вибрані модельні системи, що складалися з карбоніловмісної сполуки (ацетальдегід, гліцеральдегід, дигідроксіацетон), D-глюкози і глютамінової кислоти. Такий вибір об'єктів досліджень ґрунтувався на можливості: (1) обмежити, до певної міри, коло складових реакцій цього надзвичайно складного процесу перетворень; (2) окреслити його реальні шляхи, оскільки С-2 і С-3 продукти фрагментації сахарів були визначені як інтермедіати в реакції побуріння [2; 3; 4].

Для дослідження структури забарвлених речовин і встановлення закономірностей в перебігу основних стадій реакції були використані методи GC-MS-спектрометрії і ІЧ-спектроскопії.

0,1 моль Карбоніловмісної сполуки і 0,1 моль глутамінової кислоти розчиняли у воді до загального об'єму 100 мл, розчин доводили до рН 8,0 (розчином NaOH) і нагрівали на киплячій водяній бані (95C) на протязі 7 год. Для порівняння, таким же самим чином готували аналогічний розчин реакційної системи D-глюкоза/глутамінова кислота. Забарвлені речовини виділяли із розчинів і очищали за загальною методикою [5].

ІЧ-Спектри виділених меланоїдинів (рис.2) подібні у високочастотній області: максимум в області 3400-3300 см^-1 відповідає валентним коливанням як гідроксильних, так і аміногруп [6], що беруть участь в утворенні міжмолекулярного водневого зв'язку.

Рис. 2 ІЧ-Спектри забарвлених речовин, виділених з реакційних систем карбонілвмісної сполуки (гліцеринового альдегіду - 1, глюкози - 2, оцтового альдегіду - 3, дигідроксіацетону - 4) з глутаміновою кислотою (0,1 моль/л кожної сполуки, Н₂О, 95С, 7 год., рН 8,0)

Екстремум при 3000 см^-1 обумовлений валентними коливаннями метильних і метиленових груп. Інтенсивна смуга поглинання в області 1590 см^-1 характеризує коливання подвійних зв'язків С=С, різних типів С=О і NH₃⁺-груп в цвітер-іонах (карбоксильні і аміногрупи меланоїдинів здатні утворювати внутрішні соли - цвітер-іони). Смуга поглинання 1420-1450 см^-1 обумовлена взаємодією метиленових груп із сусідніми групами [7].

Отже, дані ІЧ-спектроскопії свідчать про схожість перетворень тріоз і D-глюкози (а це може бути, якщо припустити деальдолізацію останньої) і певні відмінності від перетворень ацетальдегіду, які можна пояснити і передбачити, враховуючи структури досліджуваних карбонілвмісних сполук.

Розчин дигідроксіацетону (0,5 моль/л, рН 8,5) нагрівали на киплячій водяній бані (t 95С) на протязі однієї години, потім охолоджували і концентрували до невеликого об'єму. Проба була посаджена на колонку (0,7 х 68 см), заповнену Sephadex G-15 і елюіровалася дистильованою водою. Відбір кожної фракції контролювався поглинанням при 420 нм .

Хроматографія виявила три піки (рис.3), головні фракції яких були охарактеризовані газхроматографією-масспектрометрією (GC-MS).

Рис. 3 Хроматографічне розділення на Sephadex G-15 забарвлених речовин ( 420 нм), виділених з дигідроксіацетону (0,5 моль/л, Н₂О, 95С, 1 год., рН 8,5)

Фракція I піка (з найбільшою молекулярною масою) відповідала приблизно розміру тетрасахариду (m/z 708), фракція II піка - розміру дисахариду (m/z 353) і фракція III піка була з найменшою молекулярною масою (m/z 132, 146).

ІЧ-Спектри всіх фракції показали наявність гідроксильних груп, міжмо-лекулярно сполучених водневими зв'язками (3350см^-1), подвійного зв'язку, можливо фрагменти С=С, С=О (1650 см^-1), зв'язку С-О (1070 см^-1). Фракції II i III виявили інтенсивніше поглинання в області подвійних зв'язків і при 1750 см^-1 (карбонільні С=О, естерні групи СОО ).

Всі три фракції мали схожі УФ-спектри поглинання різної інтенсивності з максимумами поглинання в області 260-280 нм (рис.4).

Рис. 4 УФ-Спектри поглинання забарвлених речовин (фракція I піку , фракція II піку о , фракція III піку ), виділених з дигідроксіацетону (0,5 моль/л, Н₂О, 95С, 1 год., рН 8,5)

Збільшення молекулярної маси проміжних сполук в перетворенні дигідроксіацетону, що спостерігається в умовах проведеного експерименту, припускає альдольну конденсацію. Хоча точно не відомо, за яким механізмом йде конденсація, проте дані МS-спектрометрії і ІЧ-спектроскопії дають інформацію про можливу структуру, яку можна запропонувати для відповідних проміжних сполук, враховуючи, що мономерним фрагментом в побудованому ланцюгу має бути скелет дигідроксіацетону:

Отримані експериментальні дані дозволяють зробити припущення про каталітичну дію амінокомпоненти на ранніх стадіях реакції Майяра і ще раз свідчать про те, що процес побуріння в лужних середовищах проходить, в основному, через деальдолізацію (фрагментацію) сахарів з наступною альдозацію, а аміносполуки на цьому етапі є активними каталізаторами таких реакцій. Отже, сахари є основними реагентами початкових стадій реакції Майяра і їхні перетворення починаються вже з реакції мутаротації в водних розчинах, на яку можуть впливати параметри реакції Майяра.

Література

1. Hodge, J.E. Chemistry of Browning Reactions in Model Systems // Agricultural and Food Chemistry. -1953. -№ 1 (15). -Р. 928-943.

2. Hayashi, T., Namiki, M. Formation of Two-Carbon Sugar Fragment at an Early Stage of the Browning Reaction of Sugar with Amine // Agricultural and Biological Chemistry. -1980. -№ 44. -Р.2575-2580.

3. Hayashi, T. and Namiki, M. Role of sugar fragmentation in an early stages browning of amino-carbonyl reaction of sugar with amino acid // Journal of Biological Chemistry (Tokyo). -1986. -№ 50. -Р.1965-1970.

4. Hayashi, T. and Namiki, M. Role of sugar fragmentation in the Maillard Reaction // Amino-Carbonyl Reaction in Food and Biological Systems: Dev. In Fd. Sci. (Fujimaki, M., Namiki, M. and Kato, H., Eds.). Elsevier. -New York. -1986. -№ 13. -Р.29-38.

5. Cапронов А.Р., Колчева Р.А. // Красящие вещества и их влияние на качество сахара. -М.: Пищевая промышленность, 1975. -347 c.

6. Козицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. -М.: Высшая школа, 1971. -264 с.

7. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. -М.: Иностранная литература, 1963. -590 с.

Размещено на Allbest.ru