background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

 

Ćwiczenie 5 

 

Temat: CIEMNIENIE NIEENZYMATYCZNE, REAKCJA MAILLARDA. 

 

Część teoretyczna 

 

Podczas  termicznego  przetwarzania  żywności,  a  także  podczas  jej  długotrwałego 

przechowywania zachodzą reakcje Maillarda, zwane również ciemnieniem nieenzymatycznym. Jest 
to  szereg  złożonych  przemian  chemicznych  zapoczątkowanych  bezpośrednią  reakcją  pomiędzy 
grupą karbonylową cukrów redukujących a grupą aminową aminokwasów lub peptydów. Proces te 
prowadzi  do  powstawania  związków  odpowiedzialnych  za  smak,  zapach  oraz  atrakcyjność 
produktów spożywczych. 

Charakter  reagującego  cukru,  jego  budowa,  a  także  czynniki  decydujące  w  jakiej  formie 

(łańcuchowej, pierścieniowej) cukry te będą występować wpływają na przebieg reakcji Maillarda i 
produkty końcowe. 

W  latach  50-tych  XX-wieku  roku  opracowano  hipotetyczny  model  reakcji  ciemnienia 

nieenzymatycznego,  składający  się  z  trzech  następujących  po  sobie  etapów:  wczesnego, 
zaawansowanego i końcowego, w którym powstają melanoidyny. 
 

Etap wczesny 

związki bezbarwne, nie pochłaniające światła z zakresu nadfioletu (ok. 280 nm) 

 
 
 

        N-podstawione glukozyloaminy                                                     Produkty przegrupowania Amadori (PPA) 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
fruktozolizyna 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

laktozolizyna 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fruktozoarginina 

 

 

 

 

 

 

Etap zaawansowany 

związki fluorescencyjne, bezbarwne bądź żółte, pochłaniające światło z zakresu ultrafioletu 

 

       związki α-dikarbonylowe                                                               AGEs (Advanced Glycation End- Products) 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

karboksymetylo lizyna 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pentozydyna 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pirralina 

 

PPA 
 
 
 
 

 

furfural, hydroksymetylofurfural 

 

 

4-hydroksy-5-metylo-2,3-dihydrofuran-3-on 

 
 
 
 
 

 

Etap końcowy 

związki barwne 

 

melanoidyny 

 

background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

 

We wczesnym etapie reakcji cukier redukujący (a także różne inne aldehydy i ketony) reaguje 

łatwo  ze  związkiem  zawierającym  wolną  grupę  aminową  (aminokwas,  peptyd,  białko).  Powstają 
zasady Schiffa, a następnie N-podstawione glukozyloaminy (aldozoamina lub ketozoamina) (rys.1). 
 

C

H

C

H

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

OH

O

H

OH

OH

OH

CH
C

H

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

H

OH

O

H

OH

OH

OH

NH R

C

H

C

H

CH

C

H

C

H

C

H

2

N R

OH

O

H

OH

OH

OH

R- NH

2

- H

2

O

CH

O

CH

CH

CH

C

H

NH

O

H

OH

OH

C

H

2

OH

R

aldoza

zasada Schiffa

N-podstawiona glukozyloamina

  

Rysunek 1. 
 

N-podstawione  glukozyloaminy  ulegają  przegrupowaniu  Amadori  tworząc  produkty 

przegrupowania  Amadori  (PPA-  1-amino-1-deoksyketoza)  (rys.2)  lub,  w  przypadku  ketoz, 
przegrupowaniu Heynsa dając 2-amino-2-deoksyaldozę (rys.3) 
 

C

H

C

H

CH

C

H

C

H

C

H

2

NH

+

R

OH

O

H

OH

OH

OH

C

H

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

OH

O

H

OH

OH

OH

NH R

C

H

2

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

O

H

OH

OH

OH

NH R

CH

O

CH

CH

CH

C

H

NH

O

H

OH

OH

C

H

2

OH

R

H

+

- H

+

N-podstawiona glukozyloamina

1-amino-1-deoksyketoza

 

Rysunek 2. 
 
 

C

H

2

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

NH

+

O

H

OH

OH

OH

R

OH

C

H

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

NH

O

H

OH

OH

OH

OH

R

C

H

C

H

CH

C

H

C

H

C

H

2

NH

O

H

OH

OH

OH

O

R

N-podstawiona fruktozyloamina

2-amino-2-deoksyaldoza

- H

+

H

+

O

H

O

H

OH

H

H

O

H

OH

N

H

R

 

Rysunek 3. 
 

Produkt  Amadori  może podlegać  enolizacji  1,2  lub  2,3.  Enolizacja  1,2  zachodzi  głównie  w 

warunkach łagodnych, jakie przeważają w produktach żywnościowych (rys.4) 

 

 

C

H

2

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

O

H

OH

OH

OH

NH R

C

H

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

H

OH

OH

OH

NH R

OH

C

H

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

OH

OH

OH

N

R

OH

C

H

C

CH

2

C

H

C

H

C

H

2

O

O

OH

OH

OH

-H

2

O

1-amino-1deoksyketoza

zasada Schiffa

-

NH

2

R

3-deoksy-2-ozuloza

+ H

2

O

 

Rysunek 4. 
 

background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

 

Powstała 3-deoksy-2-ozuloza jest względnie stabilna w środowisku obojętnym, ulega dalszym 

przemianom w środowisku zasadowym jak również kwaśnym. W środowisku kwaśnym, w wyniku 
odwodnienia  przechodzi  w  furfural  (pochodna  pentoz)  lub  hydroksymetylofurfural  (pochodna 
heksoz)  (rys.5).  3-  deoksyozuloza  może  tez  ulegać  reakcji  fragmentacji.  Dalsze  odwodnienie 
powstałego  związku  prowadzi  do  wytworzenia  furanów  i  piroli  (rys.6).  3-  deoksyozulozy, 
szczególnie pochodne pentozy, a także główne produkty ich degradacji są kluczowymi związkami 
pośrednimi w formowaniu niskocząsteczkowych związków barwnych. 
 

C

C

CH

2

C

H

C

H

C

H

2

O

O

OH

OH

OH

H

C

H

C

CH

CH

C

H

C

H

2

O

O

OH

OH

O

O

O

H

3-deoksy-2-ozuloza



hydroksymetylofurfural

- H

2

O

-H

2

O

 

Rysunek 5. 
 

C

H

C

CH

2

C

H

C

H

C

H

2

O

O

OH

OH

OH

C

H

CH

2

C

H

C

H

C

H

2

O

OH

OH

OH

C

H

CH

CH

C

H

C

H

2

O

OH

OH

O

OH

N

R

OH

 fragmentacja

dikarbonyli

-H

2

O

-H

2

O

+RNH

2

3-deoksy-2-ozuloza

2-hydroksymetylofuran

hydroksymetylopirol

-H

2

O

 

Rysunek 6. 
 

2,3-enolizacja produktu Amadori prowadzi do utworzenia 1-deoksy-2,3-diulozy lub 1-amino-

1,4-dideoksy-2,3-diulozy  (rys.7).  Ten  drugi  produkt  powstaje  w  wyniku  degradacji  przede 
wszystkim disacharydów. 
 
 

C

H

2

C

CH

C

H

C

H

C

H

2

O

O

H

OH

OH

OH

NH R

C

H

2

C

C

C

H

C

H

C

H

2

OH

OH

OH

NH R

OH

OH

CH

3

C

C

C

H

C

H

C

H

2

O

OH

OH

OH

O

C

H

2

C

C

CH

C

H

C

H

2

O

O

H

OH

OH

NH R

C

H

2

C

C

CH

2

C

H

C

H

2

O

OH

OH

NH R

O

-RNH

2

-H

2

O

1-amino-1-deoksyketoza

1-deoksy-2,3-diuloza

1- amino -1,4-dideoksy-2,3-diuloza

 
Rysunek 7. 
 
 
 

background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

1-deoksy-2,3-diulozy  są  bardzo  reaktywne.  Ich  dalsza  degradacja  prowadzi  do  wytworzenia 

furanonów (rys.8), które są związkami zapachowymi, a ponadto prekursorami związków barwnych. 
Odwodnienie  1-deoksy-2,3-  diulozy  w  pozycji  C6  prowadzi  do  utworzenia  acetyloformoiny 
(wysoce  reaktywna,  prekursor  związków  zapachowych,  smakowych  i  barwnych).  Ponadto  1-
deoksy-2,3-diulozy  ulegają  łatwo  procesom  fragmentacji,  w  wyniku  których  powstają  reaktywne 
związki takie jak metyloglioksal, aldehyd glicerynowy, diacetyl.  

O

O

H

O

OH

O

O

H

O

O

O

H

O

H

O

O

O

H

5-metylo-4-hydroksy-2-hydroksymetylo-3 (2H)-furanon

5-metylo-4-hydroksy-3 (2H)-furanon

izomaltol

maltol

O

O

H

O

OH

acetyloformoina

 

Rysunek 8. 

Cyklizacja  i  odwodnienie  1-amino-1,4-dideoksy-2,3-diulozy  prowadzi  do  wytworzenia 

aminoacetylofuranów,  których  przedstawicielem  jest  furozyna  (rys.9).  Aminoacetylofurany  łatwo 
wchodzą w reakcje oksydacji i kondensacji. 

Degradacja Streckera aminokwasów (rys. 10) jest ważną przemianą prowadzącą do powstania 

związków zapachowych. Podczas tej reakcji α-dikarbonyle powodują oksydacyjną dekarboksylację 
aminokwasów, co prowadzi do powstania aldehydu krótszego od wyjściowego aminokwasu o jeden 
atom  węgla  (aldehyd  Streckera).  Aldehydy  te,  szczególnie  pochodne  metioniny,  tryptofanu, 
fenyloalaniny i leucyny mają bardzo niskie progi wyczuwalności. α- dikarbonyle są przekształcane 
do  α-  aminokarbonyli,  które  mogą  uwalniać  amoniak  albo  kondensować  do  wielu  związków 
heterocyklicznych, takich jak pirazyny i pirole. 

O

NH

R

O

O

NH

O

NH

2

O

OH

aminoacetylofuran

furozyna

 

Rysunek 9. 
 

CH

C

N

H

2

R

O

OH

C

H

C

R

1

O

O

C

H

C

R

1

O

N

CH C

O

OH

R

C

H

C

R

1

OH

N

CH

R

C

H

C

R

1

OH

NH CH OH

R

R

CHO

C

H

2

C
R

1

O

NH

2

-CO

2

-H

2

O

+H

2

O

+

+

 

Rysunek 10. 

background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

Końcowy  etap  reakcji  Maillarda  obejmuje  wiele  zachodzących  po  sobie  reakcji:  cyklizację, 

dehydratację  i  kondensację.  W  wyniku  tego  powstają  barwne  związki.  W  zależności  od  masy 
cząsteczkowej, dzieli się je na związki niskocząsteczkowe oraz melanoidyny (o masie do 100 kDa). 

Melanoidyny  występują  powszechnie  w  produktach  żywnościowych,  poddanych  obróbce 

termicznej. W dużych ilościach występują w ziarnach kawy, kakao, chlebie i miodzie. W zależności 
od  wyjściowych  substratów  mogą  być  związkami  zbudowanymi  głównie  ze  szkieletu 
węglowodanowego  z  kilkoma  pierścieniami  nienasyconymi  i  związkiem  azotowym  lub  z  białka 
połączonego  z  chromoforem.  Struktura  chemiczna  barwników  melanoidynowych  nie  została  do 
końca poznana. 

(na  podstawie:  Michalska  A.,  Zieliński  H.  (2007).  Produkty  reakcji  Maillarda  w  żywności.  Zywność.  Nauka. 
Technologia. Jakość, 2: 5-16) 

 

Część praktyczna 

 
Odczynniki: 
0,5 M glukoza 
0,5 M fruktoza 
0,5 M sacharoza 
0,5 M laktoza 
0,5 M glicyna 
 
0,5 M glicyna + 0,5 M glukoza 
0,5 M glicyna + 0,5 M fruktoza 
0,5 M glicyna + 0,5 M sacharoza 
0,5 M glicyna + 0,5 M laktoza 
wszystkie roztwory w buforze fosforanowym 1/15M pH 8 
 
2M HCl 
0,2M HCl 
2M NaOH 
0,2M NaOH 
 
Wykonanie: 

10  cm

3

  0,5M  roztworu  glukozy  w  buforze  fosforanowym  przelać  do  zlewki  na  25  cm

3

 

(zlewkę  opisać).  Doprowadzić  pH  roztworu  do  wartości  8,0  za  pomocą  2M  i  0,2M  NaOH.  Po 
ustaleniu  pH,  roztwór  przelać  do  probówki  Falcona  i  dopełnić  wodą  destylowaną  do  20  cm

3

zamieszać. Przeczytać pH otrzymanego roztworu. 10 cm

3

 roztworu pobrać pipetą i wlać do opisanej 

probówki. 

Kolejne  10  cm

3

  wyjściowego  roztworu  glukozy  przelać  do  zlewki  na  25  cm

3

.  Doprowadzić 

pH do wartości 5,0 za pomocą 2M i 0,5M HCl. Pozostałe czynności powtórzyć tak jak poprzednio. 

W taki sam sposób postąpić z pozostałymi roztworami cukrów i glicyny oraz mieszaninami 

cukrów z glicyną. 

 

Uwaga:  

Nie  dopuścić  do  zanieczyszczenia  danego  roztworu  innym  roztworem.  Cylinder  po  każdym 

dopełnieniu  wodą  destylowaną  i  przelaniu  roztworu  do  zlewki  dokładnie  opłukać  pod  bieżącą  i 
destylowaną wodą. Dokładnie przemywać elektrodę po każdym pomiarze pH.  
 

Przygotowane  probówki  wstawić  do  wrzącej  łaźni  wodnej  na  30  minut.  Po  tym  czasie 

probówki wyjąć z łaźni i schłodzić. 

Czytać absorbancję każdego roztworu na spektrofotometrze przy długości fali 430 nm wobec 

wody destylowanej. Bardzo ciemne roztwory należy uprzednio rozcieńczyć wodą destylowaną, aby 

background image

Biochemia Żywności 

              BIOTECHNOLOGIA 

     Ćwiczenie 6 

 

 

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie  

 

      Katedra Biotechnologii Żywności 

 

odczyt  mieścił  się  w  zakresie  0,1-0,8.  W  takich  przypadkach  odczytaną  absorbancję  należy 
pomnożyć przez współczynnik rozcieńczenia. 

 
 
 
 

Ćwiczenie 6 

 

Założenie doświadczenia: 

Marchew umyć i  wysuszyć powierzchniowo (ręcznik  papierowy, lignina). Odkroić koniec i 

główkę korzenia, pozostałą część pokroić poprzecznie na plasterki o  grubości 1- 2 mm. Plasterki 
opłukać  pod  bieżącą  wodą  i  osuszyć  powierzchniowo.  Dno  pojemnika  przykryć  podwójną  bibułą 
filtracyjną,  dobrze  ją  nawilżyć  i  ułożyć  na  niej  plasterki.  Warstwę  plasterków  przykryć  bibułą 
(podwójną),  dobrze  nawilżyć.  Ułożyć  w  ten  sposób  dwie  warstwy  plasterków  marchwi.  Cały 
pojemnik zapakować w folię aluminiową i opisać.