Food-Info.net> Tematy > Barwniki żywności > Brązowienie

Reakcje Maillarda

Nazwa reakcji Maillarda pochodzi od nazwiska francuskiego chemika Louis Camille Maillarda (1878-1936), który badał reakcje pomiędzy aminokwasami i węglowodanami w 1912 r. w ramach pracy doktorskiej opublikowanej w 1913 r. (źródło 1).

Maillard (Źródło)

Reakcja Maillarda nie jest pojedyncza reakcją lecz złożoną seria reakcji pomiędzy aminokwasami i cukrami redukującymi, zwykle zachodzącą w podwyższonej temperaturze. Podobnie do karmelizacji , należy do reakcji typu brązowienia nieenzymatycznego.

W reakcji tworzą się setki różnych związków smakowo-zapachowych. Z kolei, związki te ulegają rozkładowi do wielu więcej nowych związków podobnego rodzaju. Każdy rodzaj żywności posiada specyficzny skład związków smakowo-zapachowych, powstających w reakcji Maillarda.

Reakcje Maillarda są istotne w pieczeniu, smażeniu i przy ogrzewaniu prawie każdego rodzaju produktu żywnościowego. Odpowiadają (częściowo) za zapach chleba, ciastek, mięsa, piwa, czekolady, prażonej kukurydzy i gotowanego ryżu. W wielu produktach, na przykład w kawie, aromat tworzą produkty reakcji Maillarda i karmelizacji. Jednakże, karmelizacja zachodzi w temperaturze powyżej 120-150 °C, podczas gdy reakcja Maillarda już w temperaturze pokojowej.

Pomimo, że reakcję Maillarda bada się od prawie stu lat, jej złożoność powoduje, że wiele cząstkowych reakcji jest wciąż nieznanych. W powstawaniu produktów reakcji Maillarda odgrywa rolę wiele czynników, od których zależy także ostateczna barwa i zapach produktu. Należą do nich: pH (kwasowość), rodzaj aminokwasu i cukru, temperatura, czas, obecność tlenu, zawartość wody, aktywność wody (a w) i inne składniki żywności.

Pierwszą fazą reakcji Maillarda jest reakcja cukru redukującego, na przykład glukozy, z aminokwasem. Przebieg reakcji przedstawiono na ryc. 1 poniżej, a jej produktem jest związek nazywany Amadori.

Ryc. 1: Początkowa faza reakcji Maillarda pomiędzy glukozą i aminokwasem (RNH₂), gdzie R jest wolną grupą aminokwasu (wg. źródła 2)

Im większa jest cząsteczka cukru, tym wolniej zachodzi reakcja z aminokwasem. Pentozy (5 atomów węgla), na przykład ryboza, reagują szybciej niż heksozy (glukoza, fruktoza) i dwucukry (sacharoza, laktoza). Z kolei, aminokwas lizyna, posiadający dwie grupy aminowe, reaguje najszybciej i powoduje ciemne zabarwienie. Cysteina, z grupą siarkową, wytwarza specyficzny zapach lecz mniejsza zmianę barwy. Alkohole cukrowe lub poliole (sorbitol, ksylitol) nie uczestniczą w reakcji Maillarda. Oznacza to, że podczas wypieku, produkty piekarskie słodzone sorbitolem zmienią barwę nieznacznie lub nie zmienią jej wcale.

Przebieg kolejnych faz reakcji zależy od izomerycznej postaci produktu Amadori. Następuje albo oderwanie grupy aminokwasowej i powstanie reaktywnych związków, które w końcu rozpadają się do ważnych składników zapachowych jak furfural i hydroksymetylfurfural (HMS), albo tzw. przegrupowanie Amadori, które jest początkiem głównych reakcji brązowienia (ryc. 2).

Ryc. 2: Powstawanie HMF i przegrupowanie Amadori (wg źródła 2)

Ryc. 3: Chemiczna budowa furfuralu i HMF

Po przegrupowaniu Amadori, wyróżnić można następujące, trzy dalsze drogi reakcji:

• Odwadnianie,
• Rozpad, gdy tworzą się krótkołańcuchowe produkty hydrolizy, na przykład diacetyl i metyloglioksal,
• “ Degradacje Strekera” aminokwasów lub ich kondensacja do aldoli.

W rezultacie tych trzech głównych reakcji powstaje złożona mieszanina zawierająca związki zapachowe i wysokocząsteczkowe, brązowe pigmenty, melanoidyny .

Melanoidyny są obecne w wielu produktach żywnościowych, w kawie, chlebie i piwie. Jednakże jak dotąd, wciąż niewiele wiadomo o właściwościach strukturalnych, funkcjonalnych i fizjologicznych tej grupy związków.

Produkty reakcji Maillarda zmieniają zatem barwę i zapach żywności i w większości przypadków, zmiany te są akceptowane przez konsumentów. Dodatkowo, melanoidyny posiadają korzystne właściwości przeciwutleniające.

Z drugiej jednak strony, reakcje Maillarda mogą obniżyć wartość żywieniową produktu, ze względu na straty aminokwasów i węglowodanów. Niekiedy, jak w przypadku sterylizowanego mleka, nie jest akceptowany „przypalony” zapach produktu.

Niektóre końcowe produkty reakcji Maillarda mogą być także toksyczne lub rakotwórcze. Jednym z produktów reakcji Maillarda jest akrylamid, związek potencjalnie toksyczny, tworzący się w temperaturze powyżej 180 °C, szczególnie w produktach pieczonych lub smażonych (frytki ziemniaczane). Przy smażeniu w temperaturze poniżej 180 °C, akrylamid nie tworzy się.

Ogólnie należy stwierdzić, że produkty reakcji Maillarda są obecne w żywności od tysięcy lat i są spożywane codziennie przez niemal wszystkich ludzi na świecie.

Przy ogrzewaniu żywności nie jest możliwe powstrzymanie tych reakcji. Jedynym sposobem wyeliminowania reakcji Maillarda jest usunięcie z produktu cukrów lub aminokwasów, lub uczynienie produktu bardzo kwaśnym lub bardzo zasadowym.

Literatura i źródła:

1) Trzy pozycje literatury autorstwa L. C. Maillard pochodzą z http://www.lc-maillard.org/ :

• Réaction générale des acides aminés sur les sucres. Journal de Physiologie, 1912 tome 14 page 813;
• Action des acides aminés sur les sucres: formation des mélanoïdines par voie méthodique. Compte-rendu de l'Académie des sciences, 1912 tome 154, page 66-68.
• Réaction générale des acides aminés sur les sucres: ses conséquences biologiques. Compte-rendu Société de Biologie, 1912, tome 72 (LXXII), page 599 à 601 (559-561)
• Thèse présentée à la Fac des Sciences de Paris. Action de la glycérine et des sucres sur les acides x-aminés : cyclo-glycil-glycines & polypeptides; mélanoïdines et matières humiques. Laval . Imp. De L. Barnéoud 1913. In 8° XV 425 pages . Bibliothèque Nationale 4° R 489. 1508.série A n° 738 & n° 1508

2) Owen R. Fennema, Food Chemistry, 3rd Edition, 1996
3) http://www.chemsoc.org/chembytes/ezine/1997/naughty.htm
4) http://www.gdch.de/vas/tagungen/archiv/5561.htm
5) http://en.wikipedia.org/wiki/Maillard_Reaction