Pardeamiento no enzimático - Departamento de Química Orgánica

Reacciones de deterioro que son susceptibles de
Aplicaciones del análisis avanzado de
alimentos para el estudio de reacciones de
deterioro.
ocurrir en el procesado y almacenaje de alimentos
™ Pardeo no enzimático
™ Oxidación de lípidos
™ Actividad enzimática
™ Inactivación enzimática
Indicadores.
FORMACION DE MELANOIDINAS: reacción de Maillard
Pardeamiento no enzimático
-COH
-NH2
Condensación
Reordenamiento
Ciclación
Azucar Reductor óAminoácidos /
Productos de Ox. Proteínas
lipidica
Reactivos principales
CH
C
Productos de
Amadori
Aldosamina
Cetoamina
ETAPA
INICIAL
Productos Intermediarios
O
R
Productos de
Heyns
Desanimación
Deshidratación
Ciclaciones
Fisión
R2
Enolización
Degradación
α -dicarbonílicos
Piranonas
Furanos
HMF
Pirralinas
Pirazinas (Aromas)
Reactivos / Catalizadores
R
Productos Finales
NH2
Martins, S.I.F.S. (2000). Trends Food Sci.
Technol.11,364-373.
ETAPA
INTERMEDIA
ETAPA
FINAL
Melanoidinas
1
Esquema de interacción de reacciones
Reactivos que intervienen en las reacciones
de pardeo no enzimático:
Hay que centrar la atención primordialmente en compuestos
carbonílicos, con grupos activos (en general, vecinos a un grupo
metino), capaces de sufrir reacciones de condensación.
lípidos
insaturados
Polifenoles
Ácido ascórbico
Azúcares reductores
reacciones oxidativas Reacciones de caramelización
H
O
C
deshidraciones, fragmentaciones
o descomposición
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
Otros:aldehídos y
cetonas, ej: aromas.
Reacción de Maillard
C H2OH
Azúcar reductor
O
C
Ácido ascórbico HO C
HO C
O
C
Polifenol oxidado
H
productos de
bajo peso
molecular
O C
C
Lípido oxidado
O
O
HO C H
C H2OH
Concentración
Intermediarios
Productos
condensaciones,
isomerizaciones
CO2 + aromas aldehídicos
+ heterociclos
condensaciones
O
HC
Evolución de la concentración de reactivos,
intermediarios y productos en una reacción
química
Reactivos
Proteínas y aminoácidos
Compuestos
Amadori
Derivados de
Strecker
compuestos
AGEs
fluorescentes
Pigmentos pardos
Propiedades de los compuestos indicadores.
•Pueden determinarse fácilmente en el laboratorio.
•Se correlacionan con cambios de calidad
•Dependen de variables como temperatura y humedad,
además del tiempo.
•Es ideal que se detecten antes del cambio de las
propiedades sensoriales o nutricionales.
Tiempo de secado
2
Algunos intermediarios característicos
Generación de Furosina
Compuestos de caramelización
1-hidroxi-2-propanona
Maltulosa
Reacción de Maillard
Compuestos de Amadori (medidos luego de la hidrólisis
ácida o enzimática)
Fructosil-histidina,
Furosina: 2-furoilmetil-lisina,
2-furoilmetilarginina,
Lactulosil-lisina
Fructosilglutámico/asp en tomate en polvo
Reacción de Maillard
Degradación de Strecker
Algunos intermediarios característicos
1, 2 - DICARBONILOS
Productos de la degradación de Strecker
NH2
R
C
2-metilpropanal,
H
CO2H
2-metilbutanal
H
Isovaleraldehído en tomate deshidratado
R C
O
CO2
Productos de deshidratación
N
5 hidroximetilfurfural (5-HMF)
N
S
O
N
N
N
S
+ CO2
Metilfurfural
Furfural
pirazina
oxazol
tiazol
pirrol
tiofeno
3
Oxidación de lípidos
Productos de
deshidratación
Algunos intermediarios característicos
¾Intermediarios:
ƒPeróxidos, hidroperóxidos
¾Productos finales:
Productos de
degradación de
Strecker
ƒCompuestos carbonílicos
(Modifican fuertemente el sabor y el olor)
ƒHidrocarburos
(Derivados del furano, alcanos y alquenos)
ƒAlcoholes
Ejemplo del cambio de composición de los volátiles
durante el tostado de café.
Métodos electroquímicos
Indice de peróxido (PV)
ROOH + 2 H+ + KI
I2
+ 2S2O32-
I2 + ROH + H2O
S4O62- +
2I-
El iodo liberado es reducido en un electrodo de
Pt (a potencial cte.) > sensibilidad
Métodos colorimétricos
Fe
Desventajas
T, tiempo, estructura y reactividad de hidroperóxidos
Absorción de iodo por las insaturaciones de ácidos grasos
Liberación de iodo del KI por el oxígeno presente en la
solución a ser titulada.
+2
Fe
+3
( tiocianato férrico)
HPLC, CG- MS
4
Productos finales de oxidación de
ácidos grasos
Dienos Conjugados
• Oxidación PUFA´s
absorción UV producto
• Lípidos con grupos metilenos en dienos o polienos presentan
un desplazamiento en la posición del doble enlace durante la
oxidación debido a la isomerización y formación de compuestos
conjugados
• Dienos y Trienos conjugados absorben a 234 y 268 nm
• El aumento de absorbancia por formación de estos compuestos
es proporcional a la captación de oxígeno y formación de
peróxidos durante los 1eros. estadíos de oxidación
5
Detección de oxidación:
Productos finales característicos de la
oxidación lipídica
ε,ε-2,4-decadienal y nonanal
TBARS: tiobarbituric reactive substances
Producto de
oxidación de
ácidos grasos
Malondialdehído
4,5-epoxi-2-alquenales
4-hidroxi-2-nonenal
Derivados pirrólicos
Hexanal, propanal
1-Penten-3-ol y 2,4-heptadienal
La condensación de 1 molécula malondialdehído con 2 moléculas de
TBA da lugar a la formación de un cromógeno. Muchos alcanales,
alquenales y 2-4 dienales dan un pigmento anaranjado a 450nm, pero
solo los díenales dan color rojo a 530 nm. Por eso es conveniente
efectuar la lectura espectrofotométrica a las 2 λ
Músculo de salmón de mar congelado
• Extracto ácido del alimento
• Destilado
• Exudado desproteinizado
N° TBA (mg/kg carne)
1.0
T = - 5°C
0.8
N°TBA = mg MAL/ kg alimento
T = - 20°C
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
tiempo de almacenamiento (semanas)
6
N°TBA (mg MAL/kg carne)
1.0
Carne vacuna
Carne de pollo
Carne de Pescado
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
tiempo de almacenamiento (semanas)
Ensayos acelerados de
estabilidad oxidativa
Valor p-anisidina
• Aldehídos (2-alquenales y 2,4 alcadienales)
• Buena correlación entre valores panisidina y aceptabilidad flavor
Valor TOTOX
(Oxidación total)
• OSI = Rancimat
(conductividad)
• AOM
TOTOX = 2PV + p-An
TOTOXTBA = 2PV + TBARS
Wanasundara y Shahidi, 1995
7
Estabilidad Oxidativa - Rancimat
Lecitina de Girasol: 250, 500, 1000 y 2000 ppm
DK16h
ti
Figura 1. Aceite de girasol sin el agregado de antioxidantes. Te
st de
oxidaci ó n acelerada. Evoluci ó ón de la conductividad (K) en funci
n deló n del
tiempo de proceso. T: 98 º C. Flujo de aire: 20 L/h. ti: tiempo de inducci
ó n.
n acelerada. Evoluci
Condiciones operativas Temperatura 98ºC y 120ºC
Flujo de aire de 20 L/h, 5 g de muestra
•
• tiempo de inducción (ti)
variación de conductividad (ΔK) a 16 h (98ºC) y 8 h (120 ºC)
Oxitest Reactor
OXITEST Reactor for
accelerated oxidation tests
Reacción de Maillard
AGES: Advanced Glycosilation End Products
Carboximetil-lisina CML
Galactosil isomaltol,
Galactosil beta-piranona
Compuestos fluorescentes
8
Compuestos fluorescentes
El desarrollo de fluorescencia durante la reacción de
Maillard es conocido desde mediados de la década del
40, en que se propuso que la fluorescencia de huevo
deshidratado podría emplearse como índice de
aceptabilidad de los mismos.
En la incubación, de todos los sistemas que
contienen compuestos carbonilo y compuestos
con grupo amino aparecen sustancias
fluorescentes que son a su vez intermediarias
en la formación de los pigmentos pardos.
Observación
bajo luz UV
También se genera fluorescencia cuando los lípidos
oxidados reaccionan con proteínas o aminoácidos.
muestras control
pardeadas
Repaso de lo ya
estudiado
Sustancias fluorescentes de extractos
diluidos de productos a base de cereal y
café dan espectros fluorescentes
similares a los obtenidos en reacciones
de glucosa con glicina.
Diagrama de Jablonski
9
Tiempo, h
0
0.5
1
2
4
8
16
Color
-
-
-
-
Amarillo
pálido
Amarillo
claro
Naranja
Abs. 490 nm
0
0
0.002
0.004
0.018
0.140
0.330
Fluorescencia
*
0
4.5
7.1
13.9
51.5
190.0
450.0
Espectro de emisión de Fluorescencia
Fluorescence intensity normalized
La determinación de fluorescencia es un método más sensible que la
determinación de absorbancia en la evaluación de las etapas
tempranas de pardeamiento en sistemas que contienen azúcares y
grupos amino. La Tabla muestra el desarrollo de color (medido por
absorbancia) y de fluorescencia de una mezcla glicina:glucosa (0.1 M)
en distintas etapas del pardeamiento.
300nm
320nm
340nm
350nm
400nm
1,0
0,8
0,6
En la reacción
de Maillard se
forman varios
compuestos
fluorescentes
0,4
0,2
0,0
350
400
450
500
550
600
Wavelenght (nm)
En general, la longitud de onda
correspondiente al máximo de excitación
para los comp. de Maillard está entre 350
y 380 nm, y la correspondiente al máximo
de emisión es entre 400 y 450 nm.
Sustancias fluorescentes de extractos
diluidos de productos a base de cereal y
café dan espectros fluorescentes similares
a los obtenidos en reacciones de glucosa
con glicina.
Espectros de excitación (emisión a 450 nm) y emisión
(excitación a 380 nm) de sistemas modelo (A) lisinaglucosa-buffer (B) proteína-glucosa-buffer.
10
Efecto del tiempo de reacción
Exc 280nm
Em 340nm
250000
35000
200000
150000
100000
50000
0
275
Exc 380nm
Em 450nm
40000
0 hs
282 hs
315 hs
Intensidad de fluorescencia (U.A.)
Intensidad de fluorescencia (U.A.)
300000
0 hs
282 hs
315 hs
716 hs
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
300
325
350
375
400
425
450
475
500
Longitud de onda (nm)
Tryptophane fluorescence
525
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
Longitud de onda (nm)
Maillard fluorescence
denaturation
Desarrollo de fluorescencia de superficie
durante la cocción de grits de maíz.
300
5' control
120' glucosa
0 min
200
100
0
400
425
450
475
500
525
550
575
600
Master WL
11
Fluorescencia de superficie durante la cocción de los grits de maíz
Fluorescencia de superficie en la producción de copos de maíz
2.0
2.0
1.8
1.5
520/440
520/440
1.6
1.4
1.2
1.0
0.5
1.0
0.8
0.0
0
25
C
50
75
tiempo (min)
G
M
100
125
G
GG
GL
CF
GM
Relación de intensidad de fluorescencia de superficie 520/440 nm en
función del tiempo para diferentes formulaciones.
C: control; G con glucosa; M con malta; GM con glucosa y malta
Fluorescencia de superficie de las diferentes etapas del proceso de
producción de copos de maíz expresada como relación de las alturas de
los hombros de 520 nm y 440nm con el pico de 488 nm.
G: grit, GC grit cocido, GL laminado y CM copo de maíz.
Interacción Lípidos Oxidados - Proteínas
Determinación de compuestos fluorescentes
CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA
DE MELANOIDINAS
Espectroscopia de absorción UV-Vis
Espectroscopia de Fluorescencia
Determinación de parámetros de color
Escala CIELAB: L* (luminosidad), a* (rojo-verde) y b* (amarillo-azul)
Los valores valores de C* (chroma) se calcularon como:
C * = [( a*) 2 + (b*) 2 ]
1
2
Jimenez A. (2001).Color.. Editorial Acribia. España. 325.
12
Indicadores de las etapas finales: Melanoidinas.
ESTRUCTURA QUÍMICA DE LAS MELANOIDINAS
Las melanoidinas formadas en las etapas finales de la reacción de
Maillard, en su mayoría no identificadas, presentan estructuras
que dependen de las condiciones tecnológicas aplicadas.
Absorben en el rango visible (390-500nm).
La evolución de color se pueden medir
espectrofotométricamente,
mediante espectrocolorímetros triestímulo
o a través de análisis de imágenes.
MD en sistemas modelo
Azúcar- Aminoácido
MD en alimentos
ó AGE en organismos
R. Tressl.. 1998. Agric. Food. 46, 1765-1776.
Hofmann, T. 1999. J. Agric. Food Chem. 47,391-396.
Hofmann, T. 1998 Z. Lebensm.-Unters. Forsch., 206, 251–258.
50
Productos pardos
Espectrocolorímetro
Medición de color
Gabinetes estandarizados
Esquema del cálculo para obtener los valores triestímulo
Fuente de luz
Reflectancia objeto Sensibilidad del ojo
Resultado:
color
X,
Y,
Z
13
Tipo de reacción
Compuesto
Alimento
Amadori
fructosil-histidine
Tomate en polvo
ácido 2-Furoilmetil-γ-aminobutírico, 2furoilmetil-lisina (furosina), and 2furoilmetilarginina
Cebolla y ajo
deshidratadosc
Ácido N-(1-deoxi-D-fructos-1-il)-Lglutámico
Tomate deshidratado
fructosil-arginina
Extracto de ajo
Luego de la hidrólisis
Ácida o enzimática
espectrocolorímetro
Lactulosyl-lysine
Prod. lácteos
2-Furoylmethyl-gamma-aminobutyric acid;
2-furoilmetil-arginine; furosine
Frutas deshidratadas
Deshidratación
Hydroximetilfurfural, furfural, metil
furfural
Galletas, pan, prod. de
cereales; jamón y
fórmulas para bebés
Caramelización
1-hidroxi-2-propanona
Maltulosa
Pasta, pan, miel
Strecker
2-metilpropanal, 2-metilbutanal
Vegetales
AGES
Carboxymetillisina
3-metilbutanal
Galactosil isomaltol,
galactosyl beta-piranona
Prod. lácteos
Compuestos fluorescentes
Prod. Lácteos,
Factores que influyen en la cinética de las
Tipo de reacción
Oxidación de lípidos
Compuesto
Alimento
E,E-2,4-decadienal y nonanal
Fase vapor de
horneados,
malondialdehído
Carnes, cereales,
4,5-epoxi-2-alquenales
Vegetales
deshidratados
4-hidroxi-2-nonenal
4-oxo-2-nonenal
ácidos grasos epoxioxo no
saturados
pirroles
hexanal, propanal
reacciones químicas en alimentos
™Presión parcial de oxígeno
™ pH
™ Presencia de tampones
™ Temperatura
™Presencia de prooxidantes
™ aw y contenido acuoso
™ Presencia de inhibidores o catalizadores
™ Transiciones de estado y cambios de fase
14
FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS
REACCIONES DE PARDEO
1
2
Naturaleza de los reactivos
pH
La intensidad de color aumenta a pH
alcalinos y disminuye a pH ácidos
El color de los productos depende del tipo de azúcar
3
Tiempo y temperatura de cocción
El aroma generado depende del aminoácido y de la temperatura de
cocción
Glc + AA Æ aroma
Tiempo
4
Temperatura
Actividad del agua (aw)
Valor óptimo para la RM ⇒ 0.55 < aw < 0.85.
Los alimentos deshidratados son los más estables
57
58
5. Efecto de las transiciones de fase sobre
la cinética de reacciones químicas
(próxima teórica)
15