Реакція побуріння в модельних системах карбонільна сполука/амінокислота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реакція побуріння в модельних системах карбонільна сполука/амінокислота

В.М. Руденко, доктор технічних наук

Методом УФ-спектроскопії досліджено перетворення на початкових стадіях реакції карбонільних сполук (ацетальдегіду, гліцеральдегіду, дигідроксіацетону) та D-глюкози з амінокислотами (глутаміновою кислотою, гліцином). Виділено барвні речовини (меланоїдини) і на основі елементного аналізу останніх визначено роль амінокислоти на ранніх стадіях амінокарбонільної реакції.

Методом УФ-спектроскопии исследованы превращения на ранних стадиях реакции карбонильных соединений (ацетальдегида, глицеральдегида, дигидроксиацетона) и D-глюкозы з аминокислотами (глутаминовой кислотой, глицином). Выделены окрашенные соединения (меланоидины) и на основе их элементного анализа определена роль аминокислоты на ранних стадиях аминокарбонильной реакции.

Реакція моносахаридів з амінокислотами вважається однією із фундаментальних у виробництві цукру із цукрового буряку та цукрової тростини. В умовах технологічного процесу вона призводить до втрат сахарози внаслідок утворення барвних речовин, які, у свою чергу, знижують якість цукру, а це потребує додаткових значних витрат на одержання цукру відповідної якості. барвник меланоїдин гліцериновий альдегід

Згідно із запропонованим механізмом, основною реакцією, яка відбувається в лужних розчинах редукувальних сахарів і призводить до забарвлення, є фрагментація сахарів. Вивчення закономірностей перебігу цієї стадії реакції дає можливість науково-обгрунтовано впливати на процес утворення барвних речовин цукрового виробництва.

У роботі для дослідження реакцій перетворень сахарів вибрані модельні системи, що складалися з простих карбонільних і сахароподібних сполук (ацетальдегід, гліцеральдегід, дигідроксіацетон) за наявності амінокислоти або без неї. Такий вибір об'єкта досліджень грунтувався 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 [13].

0,01 моль Карбоніловмісної сполуки і 0,01 моль глутамінової кислоти розчиняли у воді до загального об'єму 100 мл, розчин доводили до рН 8 (розчином NaOH) і нагрівали на киплячій водяній бані (95 С) протягом 7 год. Для порівняння таким самим чином готували аналогічний розчин реакційної системи D-глюкоза/глутамінова кислота. Кожних 15 хв протягом першої години нагрівання, а потім кожної години відбирали проби і знімали УФ-спектри, щоб визначити подібність і відмінність у зміненні поглинання досліджуваних реакційних систем.

УФ-Спектри розчинів усіх досліджуваних модельних систем мали подібний характер поглинання з максимумами в області 275…290 нм (рис. 1). Напевно, проміжні сполуки, що поглинають у цій області (а це можуть бути карбоніловмісні сполуки) утворилися від подібних частинок і зазнали подібних перетворень: тріози реакцій альдолізації, а гексоза реакцій деальдолізації (фрагментації) з наступною альдолізацією (до того ж і перші, й другі реакції каталізуються аміновмісними сполуками). Значно менша інтенсивність розчинів модельної системи з D-глюкозою може бути підтвердженням такого припущення, оскільки D-глюкоза витрачає більше часу на свої перетворення і тому утворює карбоніловмісні проміжні сполуки повільніше.

Рис. 1. УФ-Спектри поглинання розчинів D-глюкози , гліцеринового альдегіду о , дигідроксіацетону , оцтового альдегіду з глутаміновою кислотою (0,1 моль/л кожної сполуки, Н2О, 95 С, 1 год , рН 8)

До такого самого висновку приводять дані змінення оптичної густини O.D. в процесі нагрівання досліджуваних систем (рис. 2). Явно виражений у D-глюкози індукційний період (3 год) в утворенні проміжних сполук, що поглинають в УФ-області, напевно і є тим самим часом, за який здійснюється фрагментація і чим D-глюкоза відрізняється від маленьких молекул тріоз, яким не потрібно це робити. Найменша здатність в утворенні карбоніловмісних проміжних сполук серед тріоз спостерігається у дигідроксіацетону, напевно тому, що останньому потрібно більше часу, ніж гліцеральдегіду, для перетворення в реакційноздатний метилгліоксаль.

Рис. 2. Змінення оптичної густини О.D.( 280 нм) як функції тривалості нагрівання розчинів D-глюкози , гліцеринового альдегіду , дигідроксіацетону о ,оцтового альдегіду з глутаміновою кислотою (0,1 моль/л кожної сполуки, Н2О, 95 С, рН 8)

Щоб визначити вплив амінокислоти (гліцину) на утворення забарвлення, порівнювали поглинання у видимій області ( 420 нм) розчинів модельної реакції гліцеральдегіду, дигідроксіацетону та етиленгліколю в діапазоні рН від 6 до 12 за наявності гліцину і без нього. Готували 0,1 моль/л розчини зазначених сполук для реакції з гліцином (співвідношення реагентів 1:1) і без гліцину. Розчином HCl доводили вихідні значення рН < 7, а розчином NaOH - модельні системи з рН > 7. Після 1 год нагрівання на киплячій водяній бані (95 С) реакційну суміш охолоджували у крижаній бані й вимірювали поглинання охолоджених розчинів при 420 нм. Крім реакційної системи з етиленгліколем, всі досліджувані розчини були забарвлені. Ці спостереження приводять до припущення, що альдольна конденсаціїя або деальдолізація, які відбуваються на ранніх стадіях реакції Майяра, потребують альдегідів або сполук з кінцевим карбонільним залишком.

Внесення гліцину у модельну систему (рис. 3) посилює забарвлення і найбільше при нейтральному значенні рН (у розчинах з гліцеральдегідом) і в слабколужному середовищі (рН 8) - з дигідроксіацетоном. З подальшим підвищенням рН зменшується вплив амінокислоти і при рН>9 посилення забарвлення вже не спостерігається.

Рис. 3. Змінення оптичної густини O.D. ( 420 нм) розчинів карбонільних сполук (а - гліцеринового альдегіду, б - дигідроксіацетону) з гліцином , без гліцину о як функції концентрації ОН (0,1 моль/л кожної сполуки, Н2О, 95 С, 1 год)

У разі комбінації гліцеральдегіду з дигідроксіацетоном без гліцину і з ним (рис. 4) спостерігається посилення забарвлення (у двох ситуаціях, найбільше при рН>8), що припускає хоч і невеликий, але явно виражений сінергізм карбоніловмісних (проміжних) сполук та амінокомпоненти реакції побуріння.

Рис. 4. Змінення оптичної густини O.D. ( 420 нм) гліцеринового альдегіду (а - без гліцину,б - з гліцином) з дигідроксіацетоном як функції концентрації ОН : експериментальні дані, о формально обчислені дані як сума O.D.кожної сполуки (0,1 моль/л кожної сполуки, Н2О, 95 С, 1 год)

Якщо фрагментація сахарів дійсно є складовою на ранніх стадіях реакції Майяра, особливо в нейтральному та лужному середовищах, тоді можна сподіватися, що кінцеві продукти, меланоїдини, утворені від різних за будовою вихідних карбоніловмісних сполук, різнитимуться в елементному складі за співвідношенням азоту і вуглецю (N/C) залежно від здатності (або нездатності) вихідних сполук до розщеплення.

Хімічна структура меланоїдинів ще не з'ясована, і вони дійсно не можуть мати одну визначену структуру, а є, безумовно, певний ряд різних типів меланоїдинів відповідно до умов їхнього утворення (природи реагентів, рН, температури тощо). Коли меланоїдини утворюються без розриву сахарного ланцюга, їхня структура, по суті, складається з еквімольної кількості сахару і аміносполуки [4]. Якщо меланоїдини утворюються із еквімольної кількості сахарних фрагментів та аміносполуки, тоді, напевно, буде збільшуватися і співвідношення N/C.

Порівнюючи реальне співвідношення N/C у виділених меланоїдинів з формально обчисленим (таблиця), можна помітити, що у дигідроксіацетону вони майже збігаються. Занижене співвідношення N/C в ацетальдегіду можна пояснити тим, що останній швидше за всіх карбонільних сполук конденсується, а аміносполука тут більшою мірою виконує роль каталізатора, ніж реагенту. Гліцеральдегід, як активніший за дигідроксіацетон, мабуть і конденсується з більшими швидкостями, до того ж, напевно, ці реакції конденсації відбуваються швидше, ніж подальші реакції з амінокислотою. D-Глюкоза найбільшою мірою здатна до розщеплення і, якщо фрагментація дійсно була в перебігу перетворень, тоді стає цілком зрозумілим високе значення співвідношення N/C. Такі висновки і пояснення повністю узгоджуються з експериментальними даними дослідження реакційної здатності карбоніловмісних сполук в утворенні інтермедіатів, що поглинають в УФ-області.

Таблиця

Елементний склад барвних речовин, що утворилися в модельній реакції карбоніловмісна сполука/глутамінова кислота

формально обчислене для емпіричної структури, складеної з вихідних сполук у співвідношенні 1:1.

Висновки

Спостереження за перебігом перетворень карбоніловмісних сполук за наявності амінокислоти і без неї дають змогу підтвердити припущення про каталітичну дію амінокомпонентів на ранніх стадіях реакції Майяра. Амінокислота - важливий реагент, але не обов'язковий (відбуваються ж перетворення, нехай і повільніше, і без амінів, до того ж з утвореннях подібних інтермедіатів). Експериментальні дані свідчать про те, що процеси побуріння в нейтральному та лужному середовищах проходять в основному через деальдолізацію (фрагментацію) сахарів з наступною альдолізацією, а аміносполуки на цьому етапі є активними каталізаторами таких реакцій.

Література

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Kato, H. And Tsuchida, H. Estimation of melanoidin structure by pyrolysis and oxidation // Prog.Fd Nutr. Sci. (Eriksson, C., Ed.). -New York: Pergamon Press. -1981. -№ 5. -Р.147-156.

Размещено на Allbest.ru