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.