Investigation of the influence of the melanoidin formation reaction on the content of amino acids in model food systems

Abstract

Almost all currently used technologies for the food production are related to the melanoidinformation reaction, which has a significant effect on appearance, taste, nutritional value and consumer properties of the foodstuffs. To assess the effect of heat treatment of food products on their nutritional value, food model systems protein hydrolyzate -glucose, hydrolyzate protein - xylose, hydrolyzate protein - fructose (1:5) have been investigated. The influence of the presence of reducing sugars, the temperature and the duration of heating on the content of amino acids and the extinction of solutions of model food systems have been studied. Linear dependences of the decrease in the total amino acid content in model food systems on the duration of the melanoidin formation reaction have been found. The loss of the total amino acid content when heating to 120 °C for 120 min was 23.9%; at the same time the content of essential amino acids reduced by 15.5-24.6%. The addition of xylose intensified the process of destruction of amino acids in the model system by 12.7%, at the same time glucose provoked the destruction of amino acids by only 2.3%. It has been established that amino acids threonine, isoleucine and histidine were unstable to destruction, regardless of the type of added sugar. When white wheat bread was heated, the loss of its nutritional value was established by reducing the content of such essential acids as threonine (by 26.5%), methionine (by 21.2%), lysine (by 13.3%) and valine (by 12,1%). It was noted that at the same temperature with increasing time of the melanoidin formation reaction, the content of amino acids in the system decreased with simultaneous intensification of the staining of the solutions. Extinction of model food systems varied according to the following equa­tions: hydrolyzate-glucose - y = 0.0022x, hydrolyzate-xylose - y = 0.0028x, hydrolyzate-fructose - y = 0.0032x.

Keywords:protein, amino acids, model food systems, melanoidin formation reaction, еxtinction, nutritional value

Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (5): 95-101. doi: 10.24411/00428833-2018-10058. (in Russian)

В последние десятилетия термическая обработка стала основным способом производства пище­вой продукции. В процессе термообработки пищевых продуктов происходит много разнообразных химичес­ких реакций, приводящих к изменению их состава, образованию новых соединений, которые оказывают существенное влияние на конечные характеристи­ки пищевых продуктов. Самой распространенной из происходящих реакций является реакция Майяра, или реакция меланоидинообразования, поскольку она про­текает в широком диапазоне температур, влажнос­ти, наличия или отсутствия кислорода и т.п. [1-3]. Неблагоприятным последствием реакции меланоидинообразования является образование токсичных и канцерогенных продуктов [4, 5]. В настоящее время исследования реакции Майяра направлены на изуче­ние положительного или отрицательного влияния на здоровье человека продуктов реакции [6-8], а также на поиск методов контроля и ингибирования данного процесса [9, 10].

Реакция Майяра приводит к изменению первоначаль­ных свойств пищевых продуктов: цвета, как правило, в сторону покоричневения (браунинг), появлению флу­оресценции, ароматических и вкусовых соединений, сообщающих новые органолептические свойства пище, изменениям в текстуре [11-14].

Важным критерием качества пищевых продуктов яв­ляется биологическая ценность содержащегося в них белка, которая отражает способность удовлетворять потребность организма в различных аминокислотах [15, 16]. Абсолютно незаменимых аминокислот 8, также часто к полузаменимым у взрослых и абсолютно неза­менимым у детей относят аминокислоту гистидин, вы­полняющую в организме множество функций [17]. В ходе реакции Майяра наблюдается снижение биологической ценности белков, поскольку связываются аминокис­лоты, некоторые, в частности лизин и треонин, оказыва­ются недоступными [18-20]. В этой связи представляет интерес изучение потерь незаменимых аминокислот при кулинарной обработке продуктов.

Цель настоящей работы - исследование влияния реакции меланоидинообразования на концентрацию аминокислот, цветовые характеристики и экстинкцию растворов модельных пищевых систем.

Материал и методы

Объекты исследования: гидролизат яичного белка, модельные растворы гидролизата белка и редуцирую­щих сахаров (глюкоза, фруктоза, ксилоза) в соотноше­нии 1:5, белый пшеничный хлеб.

Гидролизат яичного белка получали путем кислотного гидролиза (6 н HCl) навески белка куриного яйца при 110 °С в течение 24 ч. Полученный гидролизат после разбавления дистиллированной водой в 10 раз нейтра­лизовали 10 н NaOH до рН 7.

Для интенсификации реакции меланоидинообразования модельные растворы (рН 7) выдерживали при тем­пературе 120 °С в течение 30, 60, 90 и 120 мин.

Количество кислот определяли с помощью высо­коэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с предколоночной дериватизацией с использо­ванием о-фталевого альдегида (ОФА). Система включала хроматограф Agilent 1200 (Agilent, США), диодно-матричный детектор (DAD, G1315D), флуориметрический детектор (FLD, G1321A) и аналитическую колонку 3,0x150 мм, 3,5 мкм (ZORBAX Eclipse-AAA). Условия проведения ВЭЖХ-анализа: температура термоста­тов колонки - 40 °С, скорость потока - 0,650 см3/мин, градиентное элюирование, длина волны детектиро­вания ультрафиолетовой лампы - 338 нм с полосой пропускания 10 нм (для диодно-матричного детек­тора) и 340/450 нм (для флуориметрического детек­тирования). Каждый образец хроматографировали 2 раза.

Изменение экстинкции модельных растворов фик­сировали при помощи спектрофотометра "Cary-50" (Varian, США) при длине волны λ=360 нм.

Для получения цветовых характеристик испытуемых образцов белого пшеничного хлеба использовали их фотоизображение с последующей обработкой в графи­ческом редакторе Adobe Photoshop, в котором можно получить цветовые характеристики. Количественная оценка изменения цвета: ΔE - цветовое различие, ко­торое определяли как разницу между двумя цветами в одном из равноконтрастных цветовых пространств с помощью калькулятора "CIE2000 Calculator", позво­ляющего провести расчет в различных цветовых коор­динатах [21].

При статистической обработке экспериментальных данных рассчитывали среднее значение определяемой величины не менее чем из 3 повторностей и среднеквад­ратичное отклонение.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований изменения содержания ами­нокислот в модельных пищевых системах представлены на рис. 1, 2. Установлены линейные зависимости умень­шения общего содержания аминокислот в модельных пищевых системах от продолжительности протекания реакции (см. рис. 1). С увеличением продолжительности нагревания отмечено снижение общего количества ами­нокислот на 11,1-23,9% по сравнению с исходным их содержанием. Добавление ксилозы к гидролизату интен­сифицирует процесс разрушения аминокислот на 12,7%, минимальные потери аминокислот установлены в мо­дельной пищевой системе гидролизат-глюкоза (2,3%).

Установлено, что при одинаковой температуре с увели­чением времени протекания реакции меланоидинообразования содержание незаменимых аминокислот в систе­мах уменьшается на 15,5-24,6% (см. рис. 2). Наименьшие потери установлены в модельной пищевой системе гидролизат-глюкоза (15,5%), а добавление ксилозы к гидролизату провоцирует снижение общего содержания незаменимых аминокислот в системе на 24,6%.

С увеличением времени протекания реакции меланоидинообразования значительно меняется и качествен­ный состав белковых веществ. Так, в модельной пище­вой системе гидролизат-ксилоза содержание гистидиначерез 120 мин уменьшается на 38%, однако количество лизина за тот же промежуток времени снизилось только на 9,5%. Наименьшая устойчивость к разрушению не­зависимо от вида добавленного сахара установлена у треонина и изолейцина, наибольшая у лизина, фенилаланина и валина.

Для подтверждения полученных результатов был про­веден эксперимент с пищевым продуктом, в качестве объекта использовали белый пшеничный хлеб. Иссле­довано изменение содержания незаменимых амино­кислот при нагревании хлеба при температуре 120 °С в течение 60-120 мин (табл. 1).

Отмечено снижение общего количества незамени­мых аминокислот на 5,9% после 120 мин нагревания, при этом установлены существенные потери таких незаменимых кислот, как треонин (на 26,5%), метионин (на 21,2%), лизин (на 13,3%) и валин (на 12,1%). Такие аминокислоты, как гистидин, фенилаланин и лейцин, обладают наибольшей устойчивостью к продолжитель­ности нагревания, что и подтверждает эксперимент с модельными пищевыми системами.

Реакция меланоидинообразования сопровождается достаточно ярким аналитическим эффектом - измене­нием интенсивности цвета продукта. Чтобы установить зависимость цвета от степени прохождения реакции меланоидинообразования оценивали экстинкцию мо­дельных пищевых систем после 30, 60, 90 и 120 мин нагревания (см. табл. 2).

Установлено, что модельная пищевая система гидролизат-фруктоза чуть более интенсивно меняет экстинкцию и цвет соответственно. Отмечено, что изменение экстинкции модельной пищевой системы подчиняется стойкой линейной зависимости. Причем уравнение у=кхх, где к=[0,002-0,003] справедливо для каждой проверенной модельной пищевой системы (гидролизат белка - углевод) (рис. 3).

С целью изучения изменения цвета продукта при реакции меланоидинообразования образцы белого хлеба выдерживали в течение 60-120 мин при темпе­ратуре 120 °С (табл. 3).

Визуальное восприятие образцов белого пшеничного хлеба, подвергнутых термообработке, показало, что при выдерживании в течение 60-120 мин при темпе­ратуре 120 °С цвет образцов меняется незначительно, однако цветовое различие белого хлеба при 60, 90 и 120 мин нагревания оказалось существенным (см. табл. 3), при этом в продукте происходят значительные потери незаменимых аминокислот, в особенности треонина, метионина, лизина и валина (см. табл. 1).

Заключение

В результате исследования влияния реакции меланоидинообразования на концентрацию аминокислот, цвето­вые характеристики и экстинкцию растворов модельных пищевых систем установлены линейные зависимости уменьшения общего содержания аминокислот в модель­ных пищевых системах от продолжительности протека­ния реакции. Потери общего содержания аминокислот при нагревании до 120 °С в течение 120 мин составляют 23,9%, при этом содержание незаменимых аминокислот снижается на 15,5-24,6%.

Содержание ксилозы в модельной системе интенси­фицирует процесс разрушения аминокислот на 12,7%, в то время как глюкоза провоцирует разрушение амино­кислот всего лишь на 2,3%.

Установлено, что такие аминокислоты, как треонин, изолейцин и гистидин, неустойчивы к разрушению неза­висимо от вида добавленного сахара.

При нагревании белого хлеба показана потеря его пищевой ценности за счет снижения содержания таких незаменимых аминокислот, как треонин (на 26,5%), метионин (на 21,2%), лизин (на 13,3%) и валин (на 12,1%).

Отмечено, что при одинаковой температуре с уве­личением времени протекания реакции меланоиди-нообразования содержание аминокислот в пищевой системе уменьшается при одновременном усилении интенсивности окрашивания растворов. Экстинкция растворов модельных пищевых систем изменялась соответственно следующим уравнениям: гидролизат-глюкоза - y = 0,0022x, гидролизат-ксилоза - у = 0,0028х, гидролизат-фруктоза - у=0,0032х.

Снижение содержания аминокислот в растворах свя­зано с протеканием реакции меланоидинообразова-ния; на скорость ее протекания оказывают влияние температура и продолжительность реакции, вид са­хара. С увеличением температуры и продолжитель­ности реакции увеличивается интенсивность реакции меланоидинообразования, что проявляется в повы­шении интенсивности окрашивания раствора. Таким образом, управляя реакцией меланоидинообразова-ния, можно целенаправленно влиять на химический состав, цвет, потребительские свойства, качество и безопасность пищевой продукции в производственных условиях.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутс­твие конфликтов интересов.

Литература

1. Finot P.-A. Historical perspective of the Maillard reac­tion in food science // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2005. Vol. 1043. Р. 1-8.

2. Echavarria A.P., Pagan J., Ibarz A. Melanoidins formed by Mail-lard reaction in food and their biological activity // Food Eng. Rev. 2012. Vol. 4, N 4. Р. 203-223.

3. Хачатурян Э.Е., Гвасалия Т.С., Якименко Т.П. Двести составляющих реакции меланоидинообразования // Соврем. наука и инновации. 2014. № 4 (8). С. 22-32.

4. Tareke E., Rydberg P., Karlsson P., Eriksson S., Tornqvist M. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs // J. Agric. Food Chem. 2002. Vol. 50, N 17. Р. 4998-5006.

5. Tamanna N., Mahmood N. Food processing and Maillard reaction products: effect on human health and nutrition // Int. J. Food Sci. 2015. Article ID 526762. Р. 1-6.

6. Bertrand E., El Boustany P., Faulds C.B., Berdague J.L. The Maillard reaction in food: an introduction // Reference Module in Food Sci­ence. 2018. Р. 1-10.

7. Echavarria A.P., Pagan J., Ibarz A. Antioxidant activity of the melanoidin fractions formed from DGlucose and D-Fructose with L-Asparagine in the Maillard reaction // Scientia Agropecuaria. 2013. Vol. 4. Р. 45-54.

8. Helou С., Denis S., Spatz M., Marier D., Rame V., Alric M. et al. Insights into bread melanoidins: fate in the upper digestive tract and impact on the gut microbiota using in vitro systems // Food Funct. 2015. Vol. 12. Р. 3737-3745.

9. Hong X., Meng J., Lu R.-R. Improvement of ACE inhibitory activity of casein hydrolysate by Maillard reaction with xylose // J. Sci. Food Agric. 2015. Vol. 95, N 1. Р. 66-71.

10. Lund M.N., Ray C.A. Control of Maillard reactions in foods: strate­gies and chemical mechanisms // J. Agric. Food Chem. 2017. Vol. 65, N 23. Р. 4537-4552.

11. Hong J.-H., Kwon K.-Y., Kim K.-O. Sensory characteristics and con­sumer acceptability of beef stock containing the glutathione-xylose Maillard reaction product and/or monosodium glutamate // J. Food Sci. 2012. Vol. 77, N 6. Р. 233-239.

12. Жаркова И.М., Кучменко Т.А., Росляков Ю.Ф. Исследование запаха хлеба из смеси ржаной и пшеничной муки, приготовленного на разных заквасках и подкислителе // Хлебопродукты. 2015. № 8. С. 47-49.

13. Почицкая И.М., Росляков Ю.Ф., Литвяк В.В., Комарова Н.В., Коваленко Е.И. Влияние термической обработки на аромат и цветовые характеристики белого пшеничного хлеба // Известия вузов. Пищевая технология. 2018. 1. С. 44-48.

14. Wang R., Yang Ch., Song H. Key meat flavour compounds formation mechanism in a glutathione-xylose Maillard reaction // Food Chem. 2012. Vol. 131, N 1. Р. 280-285.

15. Гальченко А.В., Морозова Л.Д., Залетова Т.С. Оценка потребности в белке и аминокислотах, исходя из биосинтетических потребностей и показателей азотистого баланса // Вопр. диетологии. 2017. Т. 7, 2. С. 64-68.

16. Dietary protein quality evaluation in human nutrition: report of an FAO Expert Consultation. Rome : FAO, 2013. 66 p. URL: http://www.fao.org/3/a-i3124e.pdf. (дата обращения: 25.08.2018)

17. Лысиков Ю.А. Аминокислоты в питании человека // Экспер. и клин. гастроэнтерол. 2012. № 2. С. 88-105.

18. Почицкая И.М., Росляков Ю.Ф., Литвяк В.В., Комарова Н.В. Влияние термической обработки на аминокислотный состав белого пшеничного хлеба // Известия вузов. Пищевая технология. 2018. № 2-3. С. 104-108.

19. Обогащение пищевых продуктов и биологически активные добавки: технология, безопасность и нормативная база : пер. с англ. СПб. : Профессия, 2010. 312 с.

20. Росляков Ю.Ф., Почицкая И.М., Литвяк В.В., Курьянович А.Н. Моделирование реакции меланоидинообразования in vitro на примере взаимодействия гидролизата белка куриного яйца и глюкозы // Вопр. питания. 2017. Т. 86, № 3. С. 92­100.

21. Sharma G., Wu W., Dalal E.N. The CIEDE2000 color-difference formula: implementation notes, supplementary test data, and mathematical observations // Color Res. Appl. 2005. Vol. 30, N 1. Р. 21-30.

References

1. Finot P.-A. Historical perspective of the Maillard reaction in food science. Ann N Y Acad Sci. 2005; 1043: 1-8.

2. Echavarria A.P., Pagan J., Ibarz A. Melanoidins formed by Maillard reaction in food and their biological activity. Food Eng Rev. 2012; 4 (4): 203-23.

3. Hachaturyan Eh.E., Gvasaliya T.S., Yakimenko T.P. Two hundred com­ponents of the melanoidin reaction. Sovremennaya nauka i innovatsii [Modern Science and Innovation]. 2014; 4 (8): 22-32. (in Russian)

4. Tareke E., Rydberg P., Karlsson P., Eriksson S., Tornqvist M. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs. J Agric Food Chem. 2002; 50 (17): 4998-5006.

5. Tamanna N., Mahmood N. Food processing and Maillard reaction products: effect on human health and nutrition. Int J Food Sci. 2015; 526762: 1-6.

6. Bertrand E., El Boustany P., Faulds C.B., Berdague J.L. The Maillard reaction in food: an introduction. In: Reference Module in Food Sci­ence. 2018: 1-10.

7. Echavarria A.P., Pagan J., Ibarz A. Antioxidant activity of the melanoidin fractions formed from DGlucose and D-Fructose with L-Asparagine in the Maillard reaction. Scientia Agropecuaria. 2013; 4: 45-54.

8. Helou С., Denis S., Spatz M., Marier D., Rame V., Alric M., et al. Insights into bread melanoidins: fate in the upper digestive tract and impact on the gut microbiota using in vitro systems. Food Funct. 2015; 12: 3737-45.

9. Hong X., Meng J., Lu R.-R. Improvement of ACE inhibitory activity of casein hydrolysate by Maillard reaction with xylose. J Sci Food Agric. 2015; 95 (1): 66-71.

10. Lund M.N., Ray C.A. Control of Maillard reactions in foods: strategies and chemical mechanisms. J Agric Food Chem. 2017; 65 (23): 4537-52.

11. Hong J.-H., Kwon K.-Y., Kim K.-O. Sensory characteristics and con­sumer acceptability of beef stock containing the glutathione-xylose Maillard reaction product and/or monosodium glutamate. J Food Sci. 2012; 77 (6): 233-9.

12. Zharkova I.M., Kuchmenko T.A., Roslyakov Yu.F. The study of the smell of bread from a mixture of rye and wheat flour, cooked on different ferments and acidulant. Khleboprodukty [Bakery]. 2015; (8): 47-9. (in Russian)

13. Pochickaya I.M., Roslyakov Yu.F., Litvyak V.V., Komarova N.V., Kovalenko E.I. Effect of heat treatment on the aroma and color character­istics of white wheat bread. Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya [News of Institutes of Higher Education. Food Technology]. 2018; (1): 44-8. (in Russian)

14. Wang R., Yang Ch., Song H. Key meat flavour compounds formation mechanism in a glutathione-xylose Maillard reaction. Food Chem. 2012; 131 (1): 280-5.

15. Gal'chenko A.V., Morozova L.D., Zaletova T.S. Assessment of protein and amino acid requirements, based on biosynthetic needs and nitrogen balance indicators. Voprosy dietologii [Problems of Dietol-ogy]. 2017; 7 (2): 64-8. (in Russian)

16. Dietary protein quality evaluation in human nutrition: report of an FAO Expert Consultation. Rome: FAO, 2013: 66 p. URL: http://www.fao.org/3/a-i3124e.pdf. (дата обращения: 25.08.2018)

17. Lysikov Yu.A. Amino acids in human nutrition. Eksperimental'naya i klinicheskaya gastoenterologiya [Experimental and Clinical Gastroenterology]. 2012; (2): 88-105. (in Russian)

18. Pochickaya I.M., Roslyakov Yu.F., Litvyak V.V., Komarova N.V. Effect of heat treatment on the amino acid composition of white wheat bread. Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya [News of Institutes of Higher Education. Food Technology]. 2018; 2-3: 104-8. (in Russian)

19. Enrichment of food products and biologically active additives: tech­nology, safety and regulatory framework: Transl. from Engl. Saint Petersburg: Professiya, 2010: 312 p. (in Russian)

20. Roslyakov Yu.F., Pochickaya I.M., Litvyak V.V., Kur'yanovich A.N. Modeling of the reaction of melanoidin formation in vitro using the example of the interaction of chicken egg protein hydrolyzate and glucose. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2017; (3): 92-100. (in Russian)

21. Sharma G., Wu W., Dalal E.N. The CIEDE2000 color-difference formula: implementation notes, supplementary test data, and math­ematical observations. Color Res Appl. 2005; 30 (1): 21-30.