Inhibition der nicht-enzymatischen Bräunung in Lebensmitteln

Inhibition of non-enzymatic Browning in food

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-7840
  • In dieser Dissertation wurde der Einfluss von 31 chemischen Substanzen auf die nicht-enzymatische Bräunung getestet. Dabei wurde festgestellt, dass die Inhibionsrate der Bräunung einer Lactose-Lysin-Modellmischung von der Inhibitorart und –Konzentration abhängig ist. 12 der getesteten Substanzen zeigten einen ausgeprägten inhibitorischen Einfluss auf die Bräunung: Cystein, N-&#945;-Acetylcystein, Glutathion, Semicarbazid, Nicotinsäure, Mercaptoethanol, Natriummetabisulfit, Natriumsulfit, Thiamin, Pyridoxin, Acetylsalicylsäure und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA). Aminoguanidin, o-Phenylendiamin, Carnosin, Pyridoxamin, Kojiesäure, Taurin, Liponsäure, Arginin, Tryptophan,In dieser Dissertation wurde der Einfluss von 31 chemischen Substanzen auf die nicht-enzymatische Bräunung getestet. Dabei wurde festgestellt, dass die Inhibionsrate der Bräunung einer Lactose-Lysin-Modellmischung von der Inhibitorart und –Konzentration abhängig ist. 12 der getesteten Substanzen zeigten einen ausgeprägten inhibitorischen Einfluss auf die Bräunung: Cystein, N-&#945;-Acetylcystein, Glutathion, Semicarbazid, Nicotinsäure, Mercaptoethanol, Natriummetabisulfit, Natriumsulfit, Thiamin, Pyridoxin, Acetylsalicylsäure und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA). Aminoguanidin, o-Phenylendiamin, Carnosin, Pyridoxamin, Kojiesäure, Taurin, Liponsäure, Arginin, Tryptophan, Kaliumsorbat und Natriumbezoat, die in der Literatur als Inhibitoren der AGE-Bildung beschrieben wurden, haben in diesen Studien die Bräunung verstärkt, während die übrigen Substanzen keinen Einfluss hatten. Dabei konnte gezeigt werden, dass es sich bei dem Effekt um eine echte Inhibitionswirkung handelt und nicht auf Veränderungen des pH-Werts zurückzuführen ist. Die Inhibitionsrate der Bräunung war von der Art und Konzentration des Inhibitors abhängig. Weiterhin wurde der Einfluss dieser Bräunungsinhibitoren auf die Bildung anderer Maillard-Produkte wie CML, Lactulosylamin oder fluoreszierender Verbindungen in verschiedenen Modell-Mischungen bestehend aus Lactose und Lysin, &#946;-Casein oder Peptone, sowie in Magermilch oder fettarmer Milch getestet. Mit Hilfe eines kompetitiven ELISA unter Verwendung eines polyklonalen anti-CML-Anitikörpers wurden die CML-Konzentrationen in Lactose-Pepton-Proben bestimmt, die in Anwesenheit unterschiedlicher Konzentrationen an verschiedenen Inhibitoren erhitzt wurden. Die gebildeten CML-Konzentrationen waren, wie die Bräunung, von Art und Konzentration des Inhibitors abhängig. Die Inhibitorwirkung auf die CML-Bildung in dem Lactose-Lysin Modellsystem konnte nicht erfolgreich untersucht werden, da die getestet Inhibitoren den ELISA störten und nicht vor der Messung abgetrennt werden konnten. Die meisten getesteten Proteine, wie &#945;-Lactalbumin, &#946;-Lactoglobulin, Lysozym oder BSA zeigten in Anwesenheit der Inhibitoren ein schlechtes Lösungsverhalten. &#946;-Casein wurde durch die Glykierung zu Bruchstücken < 12,5 kDa abgebaut, was durch MALDI-TOF und SDS-PAGE nachgewiesen wurde. Es konnte dabei gezeigt werden, dass manche Inhibitoren wie Natriummetabisulfit den Abbau von glykiertem &#946;-Casein praktisch vollständig zurückdrängten. Gleichzeitig konnte mit diesen Versuchen gezeigt werden, dass die Glykierung zu einem Abbau von Proteinen führt. Der Einfluss der Bräunungsinhibitoren auf die Bildung von fluoreszierenden Maillard-Produkten in Pepton-Lactose-Mischungen, die in Anwesenheit oder Abwesenheit von den Testsubstanzen erhitzt wurden, wurde ebenfall getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass Natriumsulfit, Pyridoxin, Thiamin, Mercaptoethanol, EDTA, N&#945;-Acetylcystein, Nicotinsäure, Glutathion und Acetylsalicylsäure die Bildung von fluoreszierenden Produkten nicht verhindern können. Cystein und OPD inhibieren die Bildung von fluoreszierenden Produkten konzentrationsabhängig, Natiummetabisulfit nur beim Einsatz in hohen Konzentrationen. Der Einfluss der Bräunungsinhibitoren auf die Bildung von Lactulosylamin in Pepton-Lactose-Mischungen, die in Anwesenheit oder Abwesenheit der Inhibitoren erhitzt wurden, wurde weiterhin getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass bei Verwendung einiger Inhibitoren, wie Natriumsulfit und Mercaptoethanol, die Lactulosylamin-konzentration bei steigender Konzentration der Inhibitoren zunimmt. Cystein, Semicarbazid, Acetylsalicylsäure, Thiamin, und EDTA können die Lactulosylamin-Bildung unterdrücken. Die übrigen verwendeten Bräunungsinhibitoren können die Lactulosylamin-Bildung bis zu bestimmten Konzentrationen inhibieren oder verstärken. Die statistische Bewertung der Ergebnisse macht deutlich, dass es einen starken Zusammenhang zwischen Bräunung, der Bildung von CML, fluoreszierender Maillard-Produkte und Lactulosylamin auf einer Seite und der Inhibitorart sowie Inhibitorkonzentration auf der anderen Seite gibt. Weiterhin besteht eine positive Korrelation zwischen der Bräunung und CML-Bildung sowie zwischen der Bildung fluoreszierender Maillard-Produkte und Lactulosylamin. Eine negative Korrelation wurde festgestellt zwischen der Bräunung und der Bildung von Fluoreszenzprodukten und Lactulosylamin sowie zwischen der CML- und Lactulosylaminbildung. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde mit Hilfe der HPLC/DAD systematisch untersucht, welche Auswirkung der Zusatz von Natriummetabisulfit auf das Produktspektrum einer erhitzten Lactose-Lysin-Mischung hat. Nach Erhitzen bei 120 °C für 5 Stunden wurde dabei ein Hauptprodukt gebildet. Das Produkt wurde mittels präparative HPLC isoliert und gereinigt. Die Struktur dieses Produkts wurde dann durch MS, P1PH-NMR, und P13PC- NMR als Furfurylalkohol oder 2-Hydroxymethyl-furan identifiziert. Die P1PH NMR, P13PC NMR, und MS Spektren entsprechend denen von Furfurylalkohol einer NMR–Datenbank. Furfurylalkohol besitzt ein gummiartiges Aroma, so dass seine Anwesenheit in hohen Konzentrationen in thermisch behandelten Lebensmitteln deren Eigenschaften negativ beeinflusst. Eine Inhibition der Bildung von Furfurylalkohol wirkt sich deshalb positiv auf die Qualität erhitzter Lebensmittel aus. Durch Zusatz von Natriummetabisulfit als Bräunungsinhibitor konnte die Bildung dieses Produktes in der erhitzten Lactose-Lysin–Mischung verringert und bei hohen Konzentrationen (>20mM) sogar vollständig verhindert werden.show moreshow less
  • In this dissertation, the influence of 31 chemical substances on the non-enzymatic browning was tested. 12 of the tested substances showed a distinct inhibitory effect on the browning of a lactose-lysine reaction mixture, namely cysteine, N&#945;-acetylcysteine, glutathione, semicarbazide, niacin, mercaptoethanol, sodium metabisulfite, sodium sulfite, thiamine, pyridoxine, aspirin and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). aminoguanidine and o-phenylendiamine (OPD), carnosine, pyridoxamine, kojic acid, taurine, liponic acid, arginine, tryptophan, potassium sorbate and sodium benzoate which were described in the literature as inhibitors of formation of late Maillard products, intensified theIn this dissertation, the influence of 31 chemical substances on the non-enzymatic browning was tested. 12 of the tested substances showed a distinct inhibitory effect on the browning of a lactose-lysine reaction mixture, namely cysteine, N&#945;-acetylcysteine, glutathione, semicarbazide, niacin, mercaptoethanol, sodium metabisulfite, sodium sulfite, thiamine, pyridoxine, aspirin and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). aminoguanidine and o-phenylendiamine (OPD), carnosine, pyridoxamine, kojic acid, taurine, liponic acid, arginine, tryptophan, potassium sorbate and sodium benzoate which were described in the literature as inhibitors of formation of late Maillard products, intensified the browning in the present model system. The other test substances did not influence the browning. The observed effects were cause by a direct chemical interaction and not by a change in the pH value. Furthermore, the influence of these inhibitors on the formation of other Maillard products like CML, fluorescent products, or Lactulosylamin was tested in models consisting of lactose and lysine, &#946;-casein or peptone as well as in skimmed and low-fat milk. Using a competitive ELISA with a polyclonal anti-CML-antibody, CML-concentrations were quantititifed in lactose-peptone-reaction mixtures, which were heated in the presence of varying concentrations of various inhibitors. The CML-concentrations were in a similar to the as browning dependent on the structure and concentration of the test substances. The inhibitory effect of the test compounds on the CML-formation in lactose-lysine or &#946;-casein model systems could not be successfully tested, because the inhibitors interfered with the ELISA and could not be separated prior to analysis. Most of the tested lactose-protein- models, such as &#945;-lactalbumin, &#946;-lactoglobulin, bovine serum albumin or lysozyme were not suitable, because heating in the presence of some inhibitors resulted in protein precipitation. &#946;-Casein was degraded by glycation to fragments <12.5 kDa, as demonstrated by MALDI-TOF and SDS-PAGE. It could be shown that some of the inhibitors, such as sodium metabisulphite inhibited almost completely the fragmentation of glycated &#946;-casein. At the same time, these experiments demonstrate that glycation promote protein hydrolysis. The influence of the inhibitors on the formation of fluorescent Maillard products was also measured in mixtures of lactose and peptone, which were heated in the presence or absence of the test substances. The results showed that sodium sulfite, pyridoxine, thiamine, mercaptoethanol, EDTA, N&#945;-acetylcysteine, niacin, acetylsalicylic acid and glutathione, can not prevent the formation of fluorescent products. Cysteine and OPD showed a concentration dependent inhibition on the formation of fluorescent product, whereas sodium metabisulphite prevents the formation of fluorescent products only at high concentration. The influence of the test substances on the formation of lactulosylamin was also tested in mixtures of lactose and peptone, which were heated in the presence or absence of the inhibitors. The administration of some of these inhibitors, such as sodium sulfite and thiols increased the concentration of lactulosylamine with increasing concentration of the test substances. Cysteine, semicarbazide, acetylsalicylic acid, thiamine, and EDTA can not suppress the formation of lactulosylamin. The other browning inhibitors can block the formation of lactulosylamine at certain concentration or enhance. The statistical evaluation of the results shows that browning; the formation of CML, fluorescent Maillard products, and the lactulosylamin is highly dependent on the structure and concentration of the inhibitor. Furthermore, there is a positive correlation between the browning and the formation of CML and between the formation of fluorescent Maillard-products and lactulosylamine and a negative correlation between the browning and the formation of fluorescence products and lactulosylamin as well as between the formation of CML and lactulosylamin. A possible explanation for this observation is that in the heated lactose-peptone-mixtures two different reaction mechanisms can simultaneously take place: a dominant thermal degradation of lactose (80%) leads to glyoxal, which reacts with lysine of the peptone to give CML. The other lactose degradation products interact with other intermediate of the Maillard reaction resulting in formation of brown melanoidins. A minor pathway in the model system (20%) is the Maillard reaction, in which lactose reacts with peptone to form lactulosylamin, fluorescent Maillard-products, and only to a smaller extent to browning and CML. In the last part of this work, the effect of sodium metabisulfite on the product spectrum of a heated lactose-lysine-mixture was investigated by HPLC/DAD. After heating at 120 ° C for 5 hours, a main product was formed. The product was isolated and purified using a preparative HPLC. The structure of this product was identified by MS, P1PH and P13PC NMR as furfurylalcohol or 2-hydroxymethylfuran. The 1H NMR, P13PC NMR and MS spectra corresponded to those of Furfurylalcohol from a spectra data base. Furfurylalcohol has a rubber-like flavor, so that high concentrations of these Maillard products have an adverse effect on the properties of heat-processed foods. Therefore an inhibition of the formation of furfurylalcohol improves the quality of thermally heated foods. It was found, that the addition of sodium metabisulfite to a heated lactose-lysine mixture can reduce and -at high concentrations (>20mM) - completely prevents the formation of furfurylalcohol.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Taleb Khider
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-7840
Advisor: Pischetsrieder Monika (Prof.Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2007/12/17
Release Date:2008/02/26
Tag:Inhibition; Lactose-Lysin-Maillard-Produkte; Pepton-Maillard-Produkte
Browning; non-enzymatic-browning; Maillard-reaction
SWD-Keyword:Bräunung; nicht-enzymatische Bräunung; Maillard-Reaktion
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access