D-Galacturonsäure in der nicht-enzymatischen Bräunungsreaktion

Nonenzymatic browning reactions of D-galacturonic acid

  • Uronsäuren sind Zuckersäuren, die im Vergleich zu reduzierenden Zuckern neben der Carbonyl-Gruppe am C-1 eine Carboxyl-Gruppe am C-6 besitzen. Sie sind Reaktionspartner in allen nicht-enzymatischen Bräunungsprozessen (Caramelisierung, Maillard-Reaktion). Über den Einfluss der Carboxyl-Gruppe auf die Abbaumechanismen und die daraus resultierenden Schlüsselintermediate ist wenig bekannt. Erste kinetische Untersuchungen zeigten aber im Vergleich zu reduzierenden Zuckern ein verstärktes BräunungsverUronsäuren sind Zuckersäuren, die im Vergleich zu reduzierenden Zuckern neben der Carbonyl-Gruppe am C-1 eine Carboxyl-Gruppe am C-6 besitzen. Sie sind Reaktionspartner in allen nicht-enzymatischen Bräunungsprozessen (Caramelisierung, Maillard-Reaktion). Über den Einfluss der Carboxyl-Gruppe auf die Abbaumechanismen und die daraus resultierenden Schlüsselintermediate ist wenig bekannt. Erste kinetische Untersuchungen zeigten aber im Vergleich zu reduzierenden Zuckern ein verstärktes Bräunungsverhalten. Auf der Grundlage des Wissens über die nicht-enzymatischen Bräunung von Uronsäuren galt es bekannte Reaktionsmechanismen zu bewerten, und Schlüsselintermediate bzw. Produkte des thermischen Abbaus durch aktuelle Analysenmethoden nachzuweisen.
Mit den Untersuchungen zum Reaktionsverhalten der D-Galacturonsäure und ihrer Derivate konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die Reaktionsmechanismen, das Produktspektrum und die Farbbildung stark von den reagierenden Verbindungen und den Reaktionsparametern abhängig sind. Durch neu entwickelte und optimierte Methoden aus dem Bereich der instrumentellen Analytik, (HPLC, GC und HPTLC) war es zudem erstmals möglich, exakte Konzentrationen einzelner Verbindungen, die während der nicht-enzymatischen Bräunung aus Uronsäuren gebildet werden, zu ermitteln. Es konnten somit Aussagen über das Bildungs- und Abbauverhalten von Reduktinsäure, DHCP, Furan-2-carbaldehyd, 2-Furancarbonsäuren, Norfuraneol, Pyrrol-2-carbaldehyd- und 3-Hydroxypyridin-Derivaten während der thermischen Behandlung von Uronsäuren getroffen werden und α-Ketoglutaraldehyd als Schlüsselintermediat des D-Galacturonsäureabbaus bestätigt werden. Reduktinsäure und Pyrrol-2-carbaldehyd-Derivate konnten als wichtige Vorstufen der rötlichen Bräunung von Uronsäuren identifiziert werden. Beide neigen unter Säurekatalyse zur raschen Bildung rot gefärbter Polymerstrukturen. Die Untersuchungen von pectintreichen Lebensmittelproben wie Frucht- und Gemüsesäften zeigten, dass sich D-Galacturonsäure bereits in geringer Konzentration signifikant auf die Bräunung dieser Lebensmittel während der Herstellung bzw. der Lagerung auswirkt. Durch die D-Galacturonsäure wird nicht nur die Bräunung, sondern in kohlenhydratreichen Lebensmitteln auch indirekt die Bildung von HMF verstärkt, dessen Einsatz als Bräunungsindikator in der Industrie unterstrichen wird.show moreshow less
  • Uronic acids are sugar acids with a carbonyl group at C-1 and an additional carboxylic group at C-6. They can take part in nonenzymatic browning reactions (caramelization, Maillard reaction) such as reducing sugars. There is little known about the browning behavior of uronic acids. The influence of the carboxylic group on degradation pathways and the formation of key intermediates is still unclear. First investigations of the thermal degradation of D-galacturonic acid higher browning compared toUronic acids are sugar acids with a carbonyl group at C-1 and an additional carboxylic group at C-6. They can take part in nonenzymatic browning reactions (caramelization, Maillard reaction) such as reducing sugars. There is little known about the browning behavior of uronic acids. The influence of the carboxylic group on degradation pathways and the formation of key intermediates is still unclear. First investigations of the thermal degradation of D-galacturonic acid higher browning compared to reducing sugars and other uronic acid derivatives. Based on the knowledge of nonenzymatic browning of uronic acids we reassessed known reaction pathways and tried to identify and characterize key intermediates and degradation products by actual analytical methods. We could confirm that especially the browning behavior of D-galacturonic acid compared to other uronic acid derivatives, such as D-glucuronic acid or D-galacturonic acid methylester, or reducing sugars is totally different. Color formation, preferred reaction pathways and quantities of degradation products highly depend on the reaction parameters and the compounds used. For the quantification of several degradation products instrumental analytical methods (HPLC, GC, HPTLC) were developed, optimized and validated. Formation and further degradation or polymerization of the main degradation products of D-galacturonic acids, reductic acid, DHCP, furan-2-carbaldehyde, 2-furancarboxylic acids, pyrrol-2-carbaldehyde and 3-hydroxypyridin derivatives respectively, could be analyzed in detail. α-Ketoglutaraldehyde could be confirmed as the key intermediate in degradation of D-galacturonic acid. Reductic acid and pyrrol-2-carbaldehyde derivatives are important intermediates in the formation of a characteristically reddish brown color of thermally treated solutions of uronic acids. Both compounds tend to polymerization and the formation of reddish brown high-molecular weight compounds. Further investigations of pectin rich food such as fruit and vegetable juices revealed, that already small amounts of D-galacturonic acid have a highly impact on nonenzymatic browning during storage and/or processing. Besides the direct influence on color formation, D-galacturonic acid also influenced the formation of HMF, the common and generally accepted indicator of nonenzymatic browning in industry.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Maria-Anna Bornik
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36536
Advisor:Prof. Dr. rer. nat.) Lothar W.( Kroh
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/11/15
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2012/08/21
Release Date:2012/11/15
Tag:Galacturonsäure; Maillard Reaktion; Pyrrol; Reduktinsäure; nicht-enzymatische Bräunung
Maillard reaction; galacturonic acid; nonenzymatic browning; pyrrol; reductic acid
Source:Deutsche Lebensmittelrundschau
Institutes:Institut für Lebensmitteltechnologie und Lebensmittelchemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)