Χημεία Τροφίμων

Ο (απο)χρωματισμός των τροφίμων είναι ένα πολύ αγαπημένο θέμα των χημικών τροφίμων. Οι χρωματικές χρωστικές είναι πολύ περίπλοκες, όπως και οι αντιδράσεις σχηματισμού τους. Το Browning είναι ιδιαίτερα αγαπημένο. Είναι ενδιαφέρον γιατί υπάρχουν διάφοροι χημικά εντελώς διαφορετικοί τρόποι για να γίνει καφέ κάτι, με το ίδιο τελικό αποτέλεσμα:είναι καφέ (σκεφτείτε παλιές μπανάνες, μαύρο ψωμί, τηγανητή μπριζόλα, καραμέλα ζάχαρης).

Σήμερα θα επικεντρωθούμε σε μια διαδρομή προς το καφέ φαγητό:την αντίδραση Maillard. Η αντίδραση Maillard είναι μια από τις πιο συχνές αντιδράσεις στα τρόφιμα! Προκαλεί μαύρισμα σε:ψωμί, dulce de leche, μπριζόλες, μπισκότα, gumbo, κέικ και πολλά πολλά άλλα τρόφιμα!

Δεδομένου ότι τα θεμελιώδη βασικά έχουν συζητηθεί στο παρελθόν (όταν φτιάχνετε gumbo), αυτή η ανάρτηση θα κάνει μια βαθιά βουτιά στη σκληροπυρηνική χημεία, συζητώντας τον μηχανισμό αντίδρασης Maillard.

Μαγείρεμα φαγητού

Ας επιστρέψουμε σε αυτούς τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους το φαγητό μπορεί να γίνει καφέ. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ροδίσματος των τροφίμων:ενζυματικό και μη ενζυματικό μαύρισμα. Καλύψαμε το ενζυματικό μαύρισμα όταν μιλάμε για καφέ μπανάνες. Αυτός ο τύπος μαυρίσματος διακόπτεται από την υψηλή θερμοκρασία, επομένως δεν ισχύει για τη μπριζόλα ή το ψωμί μας.

Το μη ενζυματικό μαύρισμα μπορεί και πάλι να χωριστεί σε δύο κύριες κατηγορίες:την αντίδραση Maillard και την καραμελοποίηση. Η καραμελοποίηση απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από περίπου 150°C) και απαιτεί μόνο την παρουσία αρκετής ζάχαρης. Η αντίδραση Maillard από την άλλη πλευρά μπορεί να λάβει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου (αλλά επιταχύνεται γρήγορα σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οπότε μην περιμένετε το ψωμί σας να γίνει καφέ σε θερμοκρασία δωματίου) και απαιτεί δύο τύπους μορίων για να συμβεί:τόσο πρωτεΐνη όσο και σάκχαρα.

Ο μηχανισμός αντίδρασης Maillard είναι εξαιρετικός από χημείας, επομένως θα κάνουμε μια πραγματική βαθιά βουτιά στη χημεία αυτής της αντίδρασης!

Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα για την αντίδραση Maillard, αλλά σε πιο βασικό επίπεδο, διαβάστε την ανάρτησή μου σχετικά με τη δημιουργία "dark roux", η οποία περιλαμβάνει μια εισαγωγή στην αντίδραση.

Χημεία αντίδρασης Maillard – μια επισκόπηση

Για την πρώτη περιγραφή των μηχανισμών αντίδρασης Maillard πρέπει να πάμε πίσω στις αρχές του 20ου αιώνα. Ο Γάλλος, LC Maillard, εξ ου και το όνομα, φαινόταν ότι συγκέντρωσε γνώσεις σχετικά με διάφορους τύπους χημικών αντιδράσεων, που μαζί αναφέρονται τώρα ως αντίδραση Maillard. Γιατί, ναι, η αντίδραση Maillard δεν είναι μόνο μία αντίδραση. Αντίθετα, είναι μια σειρά από διαδοχικές αντιδράσεις που μπορούν να συμβούν με όλους τους τρόπους.

Εν ολίγοις, τα ακόλουθα βήματα λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Maillard (παρακάτω θα κάνουμε μεγέθυνση στα τρία βήματα με περισσότερες λεπτομέρειες):

1. Όλα ξεκινούν με μια ζάχαρη και μια πρωτεΐνη/αμινοξύ. Αυτά αντιδρούν και σχηματίζουν ένωση.
   • Με πιο χημικούς όρους:ένα αναγωγικό σάκχαρο (είτε μια αλδόζη είτε μια κετόζη) αντιδρά με μια ομάδα αμίνης (μια NH₂ -ομάδα, από την πρωτεΐνη) για να σχηματιστεί μια λεγόμενη ένωση Heyns ή Amadori
2. Αυτά τα μόρια αντιδρούν περαιτέρω για να σχηματίσουν αρωματικές ενώσεις.
   • Από την άποψη της χημικής δομής:τα περισσότερα από αυτά τα μόρια περιέχουν στη δομή τους έναν δακτύλιο που σχηματίζεται σε αυτό το στάδιο.
3. Στο τελικό στάδιο σχηματίζονται μεγάλα πολύπλοκα μόρια, μελανοιδίνες. Αυτά τελικά θα δώσουν στο προϊόν ένα καφέ χρώμα.

Τώρα ας κάνουμε μεγέθυνση σε αυτά τα τρία βήματα του μηχανισμού αντίδρασης Maillard ένα προς ένα. ξεκινώντας από τα μόρια που πρέπει να υπάρχουν για να συμβεί η αντίδραση.

Συστατικό Maillard αρ.1:Αμινοομάδα

Για να συμβεί η αντίδραση Maillard πρέπει να υπάρχει μια λεγόμενη αμινομάδα. Μια αμινομάδα αποτελείται από ένα άτομο αζώτου και δύο άτομα υδρογόνου:NH₂ . Αυτή η ομάδα συνδέεται με ένα άλλο μέρος ενός μεγαλύτερου μορίου (δηλαδή τα αμινοξέα για παράδειγμα). Στη χημεία αυτό αντιπροσωπεύεται από το γράμμα R, δηλώνοντας ότι μπορεί να υπάρχουν ακόμα διάφορα άλλα άτομα σε αυτό το μόριο. Άρα αυτή η αμινομάδα θα αναπαρασταθεί ως εξής:R-NH2.

Αυτός ο τύπος ομάδας μπορεί να βρεθεί συνήθως σε πρωτεΐνες, πεπτίδια και αμινοξέα. Τα αμινοξέα είναι τα δομικά στοιχεία των πεπτιδίων και των πρωτεϊνών (διαβάστε περισσότερα εδώ). Στην αντίδραση Maillard η αμινομάδα προέρχεται συχνά από πρωτεΐνες, για παράδειγμα πρωτεΐνες γάλακτος στο βούτυρο.

Maillard ingredient no.2:Reducing sugar

Εκτός από την αμινομάδα χρειαζόμαστε επίσης ένα λεγόμενο αναγωγικό σάκχαρο. Αυτός είναι ένας ειδικός τύπος ζάχαρης με μια συγκεκριμένη αντιδραστική ομάδα, η οποία επίσης πρέπει να αντιδρά στην αντίδραση Maillard.

Πρώτα η ζάχαρη, μια ζάχαρη είναι ένας υδατάνθρακας. Στην αντίδραση Maillard συμμετέχουν συνήθως μονο- και δισακχαρίτες. Αυτές είναι οι μικρότερες εκδόσεις υδατανθράκων.

Αλλά, πότε μια τέτοια ζάχαρη είναι αναγωγική ζάχαρη; Ένα αναγωγικό σάκχαρο είναι αυτό που μπορεί να δώσει ηλεκτρόνια. Προκειμένου ένα μόριο να δώσει ηλεκτρόνια, ένα άτομο πρέπει να έχει αρκετά ελεύθερα αιωρούμενα ηλεκτρόνια. Στην πραγματικότητα, ένα άτομο οξυγόνου που είναι συνδεδεμένο με ένα άτομο άνθρακα με δύο δεσμούς είναι ένα τέτοιο άτομο. Επομένως, τα σάκχαρα με μια τέτοια ομάδα μειώνουν τα σάκχαρα (υπάρχει πολύ περισσότερη χημεία εδώ, αλλά θα το παραλείψουμε).

Στη χημεία ονομάζουμε αυτές τις συγκεκριμένες ομάδες ομάδες αλδεΰδης (-COOH) και κετόνης (-CO-). Στην πράξη, όλοι οι μονοσακχαρίτες (γλυκόζη και φρουκτόζη για παράδειγμα) είναι αναγωγικά σάκχαρα, όπως και η λακτόζη (ένας δισακχαρίτης). Ωστόσο, η σακχαρόζη (κανονική κρυσταλλική ζάχαρη) δεν είναι.

Μηχανισμός αντίδρασης Maillard – βήμα 1 – Amadori &Heyns

Τώρα που έχουμε μια αναγωγική ζάχαρη και μια αμινομάδα, η αντίδραση Maillard μπορεί να ξεκινήσει. Στο πρώτο βήμα αυτά τα δύο θα αντιδράσουν και θα σχηματίσουν ένα μόριο.

Κατά τη διάρκεια συνολικά 4 αντιδράσεων θα αναδιαταχθούν είτε σε μια ένωση Amadori είτε σε μια ένωση Heyns. Ποιο από τα δύο σχηματίζεται εξαρτάται από το είδος της ζάχαρης που συμμετέχει. Εάν είναι ζάχαρη με ομάδα αλδεΰδης (-COOH) θα είναι ένα Amadori. Εάν πρόκειται για σάκχαρο με ομάδα κετόνης (-CO-) θα σχηματιστεί η ένωση Heyns.

Οι πραγματικές χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν αρκετή οργανική χημεία. Αυτό σημαίνει πολλά δομικά σχέδια μορίων και βελών που δείχνουν τις ενώσεις που σχηματίζονται, προστίθενται και τον τρόπο με τον οποίο λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις. Παρακάτω φαίνεται ο σχηματισμός της ένωσης Amadori.

Το πρώτο βήμα του μηχανισμού αντίδρασης Maillard. Σε αυτό το στάδιο ένα σάκχαρο (σε αυτή την περίπτωση η γλυκόζη) αντιδρά με μια αμινομάδα (η οποία μπορεί να συνδεθεί με μια πρωτεΐνη) για να σχηματίσει μια ένωση Amadori. Όλα ξεκινούν με τη ζάχαρη και την αμινομάδα που σχηματίζουν ένα μόριο. Αυτό το ένα μόριο στη συνέχεια διασπά το νερό πριν αναδιαταχθεί στην ένωση Amadori. Οι αντιδράσεις με βέλη και στις δύο πλευρές δείχνουν ότι η αντίδραση είναι αναστρέψιμη.

Μηχανισμός αντίδρασης Maillard – βήμα 2 – Ανακατατάξεις

Μέχρι στιγμής, η επιλογή των αντιδράσεων ήταν περιορισμένη. Θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν περίπου δύο διαφορετικές αντιδράσεις, η μία σχηματίζοντας την ένωση Amadori και η άλλη ένωση Heyns. Και τα δύο εμφανίζονται με πολύ παρόμοιο τρόπο, επομένως δεν χρειάζεται να κάνετε μεγέθυνση και στα δύο. Αλλά από εδώ αρχίζει να γίνεται πιο ακατάστατο. Εδώ μπορεί να λάβει χώρα κάτι περισσότερο από αντίδραση, αλλά για λόγους απλότητας θα παραμείνω σε ένα για να δείξω έναν μηχανισμό.

Το μόριο στα αριστερά είναι η ένωση Amadori από την προηγούμενη αντίδραση. Εάν αυτό το μόριο βρίσκεται σε όξινο περιβάλλον (άρα το Η+), αυτή η αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα. Θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός μορίου με δύο διπλά συνδεδεμένα μόρια οξυγόνου. Θα εξαρτηθεί από τις συνθήκες πόσες ομάδες -OH έχουν απομείνει, αυτό εξαρτάται από τον μηχανισμό και τις συνθήκες. Περισσότερες ομάδες -OH ενδέχεται να χωριστούν με τη μορφή νερού.

Μόλις σχηματιστούν αυτά τα μόρια με δύο διπλά συνδεδεμένα άτομα οξυγόνου, μπορούν να συμμετάσχουν στην αντίδραση Strecker. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Strecker σχηματίζονται αρωματικά μόρια και η διακύμανση στις οδούς αντίδρασης αρχίζει επίσης να αυξάνεται δραστικά.

Όπως είδατε με τις προηγούμενες αντιδράσεις, από την αρχή υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να προχωρήσει αυτή η αντίδραση. Αυτό είναι το βήμα όπου αρχίζει να γίνεται πολύ ακατάστατο. Τα δύο προϊόντα που σχηματίζονται σε αυτή την αντίδραση μπορούν να κάνουν όλα τα είδη των πραγμάτων. Μια επιλογή είναι ότι η αμινοκετόνη (ανώτερο προϊόν) μπορεί να αντιδράσει με μια άλλη αμινοκετόνη σχηματίζοντας δακτύλιο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πυραζινών, οι οποίες είναι πολύ αρωματικές.

Το τελευταίο βήμα του μηχανισμού αντίδρασης Maillard

Πολλές διαφορετικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα τώρα, με προϊόντα από όλες τις διαφορετικές αντιδράσεις να αντιδρούν μεταξύ τους, ακριβώς με όποια είναι κοντά και ποια αντίδραση ενθαρρύνεται από τις τρέχουσες συνθήκες. Έχετε ήδη διαβάσει μερικές από τις πιθανές διαδρομές για το σχηματισμό αρώματος. Αυτό είναι το σημείο όπου σχηματίζεται και το καφέ χρώμα. Αυτά τα μόρια θα αντιδράσουν και θα σχηματίσουν σύνθετες δομές με πολλούς δακτυλίους μέσα τους.

Ένα παράδειγμα έγχρωμου μορίου που μπορεί να σχηματιστεί κατά την αντίδραση Maillard.

Στρογγυλοποίηση

Λοιπόν, ας το συνοψίσουμε γρήγορα. Μόλις είδατε ότι η αντίδραση Maillard είναι ένας μεγάλος σωρός χημικών αντιδράσεων. Δεν είναι πολύ ελεγχόμενο και πολλά διαφορετικά μόρια σχηματίζονται και αντιδρούν ξανά με άλλα. Ήταν πάντα μια πραγματική πρόκληση να καταλάβεις τι ακριβώς συμβαίνει. Με αυτές τις λίγες χημικές αντιδράσεις, έχετε κατανοήσει αρκετά την αντίδραση για να βελτιώσετε τη βασική σας κατανόηση.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη γνώση σχετικά με τον μηχανισμό αντίδρασης Maillard, μπορείτε τώρα να αρχίσετε να συλλογίζεστε πώς μπορούμε να ελέγξουμε αυτήν την αντίδραση στα τρόφιμα.

Μια σημείωση κλεισίματος για το όνομα

Υπάρχει μια συνεχής συζήτηση για το αν η αντίδραση Maillard θα έπρεπε να ονομάζεται αντίδραση Maillard. Αποφασίσαμε να μείνουμε με το όνομα μιας και αναφέρεται τόσο συχνά. Αλλά, από την οπτική γωνία ενός χημικού, υπάρχουν πιο κατάλληλα ονόματα.

Πηγές

Όλα τα σχήματα αντίδρασης έχουν γίνει μόνος μου, χρησιμοποιώντας τη γαλλική περίληψη για τον μηχανισμό αντίδρασης Maillard, καθώς και πολλές διαφάνειες διαλέξεων για τη χημεία των τροφίμων που είχα ακόμα.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για την αντίδραση του Maillard, ρίξτε μια ματιά σε αυτήν την ενδιαφέρουσα ανάρτηση από τον Khymos.

Για αυτό το άρθρο χρησιμοποίησα τον ιστότοπο lc-maillard. Δυστυχώς, από τότε αυτός ο ιστότοπος, ο οποίος περιέχει την πλήρη διατριβή για αυτήν την αντίδραση, έχει εξαφανιστεί.

Αυτό, Herve, Don't talk of Maillard αντιδράσεις :είναι αντιδράσεις γλυκοζυλίωσης, 2021, σύνδεσμος