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La reaccin de Maillard. Oscurecimiento no enzimtico. El oscurecimiento no enzimtico es el resultado de reacciones originadas por las condensaciones entre compuestos carbonilos y derivados de aminas; o por la degradacin de compuestos con enlaces dobles conjugados a grupos carbonilo. Este proceso implica la presencia de carbohidratos en el alimento, ya sea sacarosa, glucosa libre o alguno otro. Esta serie de reacciones conduce a la formacin de polmeros oscuros que en algunos casos pueden ser deseables (aromas crnicos sintticos o color caramelo). Pero que en la mayora de casos conllevan a alteraciones organolpticas y prdidas del valor nutritivo de los alimentos afectados. Hay cuatro tipos de reacciones de oscurecimiento en los alimentos: A) La reaccin de Maillard. Un compuesto carbonlico (azcar reductor) y una amina (aminocido, pptido o protena) B) La caramelizacin (azcares). C) La oxidacin del cido ascrbico. D) El oscurecimiento por fenolasa. Las primeras tres son de naturaleza no enzimtica, y el oscurecimiento por oxidacin con fenolasa u oscurecimiento por oxidacin cataltica enzimtica es de importancia comercial, particularmente en frutas y vegetales en los cuales la fenolasa es muy comn. A) Reaccin de Maillard (Oscurecimiento no enzimtico) Conjunto complejo de reacciones qumicas. Reportada en 1912 por Louis-Camille Maillard. Aparicin de pigmentos (melanoidinas) en los alimentos. Formacin de productos responsables del sabor y del olor (compuestos voltiles) en los alimentos. Se lleva a cabo entre azcares (glucosa, fructosa, maltosa, lactosa). Aminas, principalmente primarias (por ejemplo un grupo -amino de los aminocidos lisina, el grupo guanidino de la arginina). Depende del pH, temperatura, concentracin, tiempo. 1 Empty page Esta reaccin fue descrita por primera vez por el investigador francs Louis-Camille Maillard (1878-1936). En 1912, Maillard estaba investigando como se combinaban los aminocidos para formar protenas. Por casualidad (serendipia, ciencia por casualidad) el descubri la qumica bsica que hay detrs de algo que el hombre haba estado haciendo desde el descubrimiento del fuego: calentando carne con un calor intenso. (L.-C. Maillard, Action des acides amines sur les sucres: formation des melanoidines par voie methodique, C. R. Hebd. Seances Acad. Sci., 1912, 154, 66-68). La reaccin de Maillard es un tipo de reaccin de oscurecimiento, la cual se llama as por el color caf oscuro que se imparte al alimento. Es una reaccin increblemente compleja. (C. Billaud, J. Adrian, Louis-Camille Maillard, 1878-1936, Food Rev. Intern., 2003, 19, 345-347). 2 Empty page Oscurecimiento no enzimtico (J. E. Hodge, Chemistry of browning reactions in model systems, J. Agric. Food Chem., 1953, 1, 928-943) + amino compuesto H2O ALDOSA GLICOSILAMINA N-SUSTITUIDA A B Reordenamiento de Amadori H 1-AMINO-1-DESOXI-2-CETOSA C D 3 H2O C 2 H2O BASE DE SCHIFF DEL PRODUCTOS DE FISIN HIDROXIMETILFURFURAL (ACETOL, BUTANODIONA, O FURFURAL REDUCTONAS 2-OXOPROPANAL, ETC.) F E AZCARES + 2 H 2 H amino DESHIDRORREDUCTONAS Degradacin compuesto de Strecker + H2O + amino F E G compuesto HIDROXIMETILFURFURAL O CO2 FURFURAL ALDEHDOS F F G + amino G compuesto ALDOLES Y POLMEROS G + amino + amino compuesto SIN NITRGENO compuesto + amino + amino compuesto compuesto G MELANOIDINAS POLMEROS Y COPOLMEROS PARDO NITROGENADOS I Etapa inicial: Productos sin c olor, sin absorcin en el UV. Reaccin A: Condensacin azcar-amina. Reaccin B: Reordenamiento de Amadori. Reaccin H: Ruptura por radicales libres de los intermediarios de Maillard. II Etapa intermedia: Productos sin color o amarillos, con fuerte absorcin en el UV. Reaccin C: Deshidratacin de azcares. Reaccin D: Fragmentacin de azcares. Reaccin E: Degradacin de aminocidos (Degradacin de Strecker). III Etapa final: Productos muy coloridos. Reaccin F: Condensacin aldlica. Reaccin G: Condensacin aldehdo-amina y formacin de compuestos heterocclicos nitrogenados. 3 Empty page Los productos finales del oscurecimiento no enzimtico son llamados melanoidinas, mientras que los productos del oscurecimiento enzimtico son llamados melaninas. Tericamente la distincin es clara, pero en la prctica es muy difcil clasificar los compuestos, que dan el color caf oscuro, formados en los alimentos, ya que se forman mezclas qumicamente complejas. La reaccin de Maillard se puede subdividir en tres etapas: I Etapa inicial: Productos sin color, sin absorcin en el UV. Reaccin A: Condensacin azcar-amina. Reaccin B: Reordenamiento de Amadori. Reaccin H: Reacciones por radicales libres. II Etapa intermedia: Productos sin color o amarillos, con fuerte absorcin en el UV. Reaccin C: Deshidratacin de azcares. Reaccin D: Fragmentacin de azcares. Reaccin E: Degradacin de aminocidos (Degradacin de Strecker). III Etapa final: Productos muy coloridos. Reaccin F: Condensacin aldlica. Reaccin G: Condensacin aldehdo-amina y formacin de compuestos heterocclicos nitrogenados. Reaccin A: Condensacin azcar-amina. Formacin de las glicosilaminas N-sustituidas. NHR CHO + RNH2 HC NR - H HC 2O (CHOH)n (CHOH)n (CHOH)n-1 O CH2 OH CH2 OH HC Aldosa en forma de aldehdo Base de Schiff CH2 OH Glicosilamina N-sustituida 4 Empty page NHR NR NHR CHO HC OH CH HC H OH H OH H OH H OH H OH H O + RNH - H2O 2 HO HO H HO H HO H HO H O HO H H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H CH2OH CH CH CH 2OH 2OH 2OH Base de Schiff Glucosilamina N-sustituida D-Glucosa de la D-glucosa Cada paso es reversible. La amina puede ser una protena y se ha demostrado que la insulina reacciona con la glucosa a temperatura ambiente. La glicosilamina podra reaccionar con otra molcula de aldosa para dar una diglicosilamina. Las glicosilaminas N-sustituidas al calentarse dan compuestos nitrogenados fluorescentes, los cuales reaccionan rpidamente con la glicina para dar melanoidinas. Reaccin B: Reordenamiento de Amadori para la obtencin de las 1-amino-2-desoxi-2-cetosas N-sustituidas. NHR NHR NHR NHR HC CH + H+ CH CH2 - H+ (CHOH)n-1 O CHOH COH C O HC (CHOH)n-1 (CHOH) (CHOH) n-1 n-1 CH2 OH CH2 OH CH CH 2 OH 2 OH Glicosilamina N-sustituida Catin de la Forma base de Schiff Forma enlica cetnica 1-Amino-2-desoxi-2-cetosa N-sustituida Es una reaccin catalizada por cido. Este reordenamiento no es reversible. Si reaccionan aldosas se forman 1-amino-2-desoxi-2-cetosas N-sustituidas, pero si son cetosas las que reaccionan se forman 2-amino-2-desoxialdosas N-sustituidas. 5 Empty page Reaccin H: Reacciones por radicales libres. NR NR NR NR [O] RNH2 CH CH CH CH - H Retroaldolizacin 2O CH OH CH CH 2OH CH O + CH OH NR CH O Glioxal bisalquilamina R R Base de Schiff +2 H2O -2 RNH2 Tautomerizacin H NHR NR 2NR CH O + Glioxal CH CH CH O CH O [O] + H2O Retroaldolizacin + C OH C O C O - H2O CH O CH OH CH OH CH OH R R R R Se ha comprobado la presencia de radicales libres estables en la formacin de melanoidinas. Se ha concluido que pueden ser el azcar o la glicosilamina los compuestos de partida para esta reaccin, con la formacin de la base de Schiff y una oxidacin subsecuente a la retroaldolizacin. (a) M. Namiki, T. Hayashi, Development of novel free radicals during amino-carbonyl reaction of sugar with amino acids, J. Agric. Food Chem. , 1975, 23, 487-491. b) T. Hofmann, W. Bors, K. Stettmaier, Studies on radical intermediates in the early stage of the non-enzymatic browning of carbohydrates and primary amino acids, J. Agric. Food Chem., 1999, 47, 379-390). 6 Empty page Reaccin C: Deshidratacin de azcares. Reacciones de Maillard, las dos rutas principales de la formacin de melanoidinas a partir de los compuestos de Amadori. NHR NHR O O CH CH CH CH 5-Hidroximetil furfural - Amina - H C OH C OH C O + H C O 2O - OH_ 2O - H2O CH OH CH CH2 CH + Amina CH OH CH OH CH OH CH Enolizacin 1,2 pH bajos R R + Amina NHR R R - H2O 1,2-Enaminol 3-Desoxihexosona CH2 Melanoidinas C O NHR - H CH OH 2O CH2 CH + Amina 2 CH3 CH3 CH OH C OH C OH C O + Amina C O - Amina R Enolizacin 2,3 pH altos C OH C O C O C OH Compuesto CH OH CH OH CH OH C OH Fisin de Amadori R Furanonas, R R R C-metil reductonas 2,3-Enediol 1-Metil-2,3-dicarbonilo Una reductona y -dicarbonilos Ocurre por dos caminos. Bajo condiciones cidas se forman furfurales, y en condiciones alcalinas se forman las reductonas. (a) I. Tosun, N. S. Ustun, Nonenzymatic browning during storage of white hard grape pekmez (Zile pekmesi), Food Chem. , 2003, 80, 441-443. b) M. S. Feather, Amine-assisted sugar dehydration reactions, in C. Eriksson (ed), Maillard Reactions in Food: Chemical, Physiological and Technological Aspects, Vol. 5, Pergamon Press, Oxford, 1981). 7 Empty page Reaccin D: Fragmentacin de azcares Compuesto de Amadori NHR NHR CH CH 2 2 CH2 OH C O C O C O Dihidroxicetona - RNH Retroaldolizacin CH OH 2 CH OH 2 CH2 OH + + H2O CH OH CH O CH OH CH OH Gliceraldehdo CH2 OH CH2 OH Enolizacin 2,3 NHR CH3 CH3 CH2 C O C O C OH C O C O Reordenamiento C OH CH OH CH OH CH OH CH OH C O CH OH CH2OH CH3 CH OH 1-Desoxi-2,3-dicetosa Diacetilformoina 2 8 Empty page O CH3 OH OH O Deshidratacin (Formacin de pirano) Deshidratacin (Formacin de furano) COCH3 O Isomaltol CH3 CH cido actico 3 CO2H C O + CO2H C O Fisin oxidativa CH OH CH OH CH OH CH OH CH2OH CH2OH Retroaldolizacin 1-Desoxi-2,3-dicetosa CH3 CH3 cido actico Retroaldolizacin CO2H Fisin C O oxidativa + CH3 CH O C O CO2H cido gliclico C O + CH OH CH CH 2 OH 2 OH CH O CH + 2OH Reordenamiento CO2H sacarnico Piruvaldehdo Gliceraldehdo CH O cido actico CH3 CH2OH + Glicolaldehdo Oxidacin CH O Glioxal CH O 9 Empty page CH CH CH CH3 3 3 3 C OH C O C O C O Butanodiona C OH C OH C O C O - H2O Hidrlisis CH OH CH CH CH 2 3 + C O C O C O CO2H Reduccin cido actico CH CH CH 3 3 3 CH3 CH3 CH CH 3 O C O Hidrlisis C O 2 C O Piruvaldehdo C O C O CH3 Hidrlisis CH2 OH CH OH + CH3 C O CO2H Hidrlisis cido actico C O CH CH 3 3 CH3 Diacetilformoina C O C O Acetol CH O CH + 2 OH Hidrlisis CHO + Acetaldehdo CO2H CH3 C O cido Pirvico CH3 10 Empty page Compuesto de Amadori NHR NHR 3-Desoxiosona CH O CH2 CH CH O C O 2-Oxopropanal C O C OH C O CH3 - OH- CH OH Enolizacin 1,2 CH OH CH Retroaldolizacin + - RNH 2 2 CH OH CH OH CH OH CH O CH OH CH OH CH OH CH OH Gliceraldehdo CH2 OH CH CH 2 OH CH OH 2 OH 2 - H2O Enolizacin CH CH CH O O CH O O C O C OH C OH C O CH Retroaldolizacin CH CH CH Retroaldolizacin CH CH OH CH CH 2 OH + CH OH CH OH 2 CH OH CH O + Glicolaldehdo CH CH OH 2 OH 2 CH Formaldehdo 2 OH CH2 O El mecanismo por el cual ocurre principalmente una retroaldolizacin y una fisin oxidativa. La fragmentacin de las hexosas puede ser en C5/C1, C4/C2 o C3/C3. (H. Weenen, W. Apeldoorn, Carbohydrate cleavage in the Maillard reaction. In Flavour Sciece: Recent Developments, Vol. 197, A. J. Taylor and D. S. Mottram (eds), Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1996, 211-216). 11 Empty page Reaccin E: Degradacin de Strecker. O:- O CHO O C HC N CH C O:- HC N CH O CH R O R OH R H NH2 H H H - CO2 - H H 2O H OH OH OH CH2OH CH2OH CH2OH Compuesto 1,2-dicarbonlico Base de Schiff + H2O Enaminol HC NH CH OH HC HC NH O 2 OH Aldehdo R OH OH CH O + H H H 2O H + R H H H - NH3 OH OH OH CH CH CH 2OH 2OH 2OH Los compuestos dicarbonlicos de la reaccin de Maillard reaccionan con el grupo -amino de un aminocido para formar una base de Schiff. La forma enlica es un -aminocido que se descarboxila con facilidad para dar un enaminol. El enaminol experimenta una autocondensacin para formar un polmero caf o bien una hidrlisis a la amina y al aldehdo, correspondiendo el ltimo al aminocido original con un tomo de carbono menos. Los aldehdos que se forman por la degradacin de Strecker constituyen muchos de los compuestos ms importantes que tienen sabor en los alimentos. (a) A. Strecker, A note concerning a peculiar oxidation by alloxan, Annalen, 1862, 123, 363-365. b) G. P. Rizzi, The Strecker degradation and its contribution to food flavor, in Flavor Chemistry: Thirty Years of Progress, R. Teranishi, E. L. Wick, I. Hornstein (eds), Kluwer/Plenum, New York, 199, 335-343). 12 Empty page Reaccin F: Condensacin aldlica. Formacin de quinonas a partir de productos de fragmentacin de los azcares. CH H3C 3 O CH3 C O HO C CH2 Adicin Adicin aldlica aldlica OH C O O C C O HO CH CH C O 3 3 H3C Diacetil CH3 O O -2 H2O CH3 2,5-Dimetil- p-benzoquinona H3C O Los aldehdos pueden originarse de las reacciones C, D y E, y pueden reaccionar entre ellos por una condensacin aldlica. Tambin pueden participar en esta reaccin los compuestos carbonlicos derivados de la oxidacin de lpidos. Las benzoquinonas pueden participar como componentes dicarbonlicos en la reaccin de Strecker, formando iminas que pueden ser involucradas en la produccin de melanoidinas. 13 Empty page Reaccin G: Condensacin aldehdo-amina. Formacin de compuestos heterocclicos nitrogenados. HC NH2 CH N 2 NH2 CH2 NH2 OH O O H H R N H H H H CH2 OH OH Dihidropirazina OH OH CH2OH CH2OH Enaminol -Aminocetona N [O] N H H CH2 OH Pirazina OH 1,4-Disacarido OH D (C X 5 + C1) X X X -Eliminacin Polmeros tipo I 2-Desoxipentosa O D (C1 + C5) X Hexosa Pentosa X X D (C5 + C1) X D (C2 + C4) D (C1 + C4) Tetrosa X X X D = Fragmentacin del azcar Polmeros tipo II X = NR, O Los aldehdos, y en particular los ,-insaturados, reaccionan con aminas para dar polmeros de alta masa molecular, que son productos coloridos de estructura 14 Empty page desconocida (melanoidinas). Se han encontrado sistemas heterocclicos como piridinas, pirazinas, pirroles e imidazoles en las melanoidinas. La constitucin de las melanoidinas depende de cmo hayan sido producidas. (H. Kato, F. Hayase, An approach to estimate the chemical structure of melanoidins, in S. Horiuchi, N. Taniguchi, F, Hayese, T. Kurata, T. Osawa (eds), the Maillard Reaction in Food Chemistry and Medical Science: Update for the Postgenomic Era, Vol. 1245, Elselvier, Amsterdam, 2002). Efecto del pH en la formacin de melanoidinas. El pH ejerce un efecto crucial sobre la reaccin de Maillard una vez que el compuesto de Amadori ha sido formado. Enolizacin 1,2 a pH bajos y enolizacin 2,3 a pH altos. (D. S. Mottram, A. Leseineur, The effect of pH on the formation of aroma volatiles in meat-like Maillard systems, in Flavor Science and Technology, Y. Bessire and A. F. Thomas (eds), Wiley, Chichester, 1990, 121-124). 15 Empty page Formacin de la 4-hidroxi-5-metil-3(2 H)-furanona a partir de una pentosa va una enolizacin 2,3 de un compuesto de Amadori. NHR CH2 CH3 HO OH C O C O Enolizacin 2,3 H OH CH OH - Amina C OH Equilibrios O CH OH C OH H CH3 ceto-enlicos R CH2 OH Compuesto de Amadori - H Reductona 2O HO OH O OH CH CH O 3 O 3 4-Hidroxi-5-metil- 3(2 H)-furanona Este compuesto (norfuraneol) contribuye en gran parte al sabor en carnes cocidas y al olor tipo caramelo. 16 Empty page Esquema cintico simplificado para la generacin de los compuestos responsables del sabor en la reaccin de Maillard. Azcar Aminocido R Condensacin 1 R2 Productos de degradacin Productos de Amadori reordenados R4 R8 Ruptura Intermediarios R3 Strecker de Strecker Ciclacin R9 Azcares reordenados Strecker Condensacin R R 5 R 10 6 Ciclacin Ruptura R7 Aldehdos de Pirroles Furanos Carbonilos Pirazinas Strecker Condensacin R R 11 11 Ms R R11 R11 reacciones 11 Melanoidinas (F. Jousse, T. Jongen, W. Agterof, S. Russell, P. Braat, Simplified kinetic scheme of flavor formation by the Maillard Reaction, J. Food Sci., 2002, 67, 2534-2542). Formacin de color en el oscurecimiento no enzimtico. La formacin del color es la caracterstica principal de la reaccin de Maillard, pero el conocimiento que se tiene de los compuestos responsables de esto no est del todo esclarecido. Un amplio rango de sustancias pequeas que dan color han sido aisladas de sistemas modelo. Pero falta identificar estructuralmente a las melanoidinas. 17 Empty page Estructuras de algunos compuestos coloridos de baja masa molar formados en los sistemas modelo de Maillard O O CH O 3 O OH HO X HO HO O OH O O O H CH O 3C H 3 3C X = O, NCH3, NCH2CO2H HO HO O X = O, R = H X R X = O, R = CH3 R H COCOCH X X = NCH3, R = H 3C N 3 O CH3 OH O HO OH NHCH3 O R N N N O CH O CH 3COCH CH3 3 N H3C COCH CH 3 3 H R = H, CH3 3C CH O O 3 HO O HO O HO CH2OH N H O O N H N(C 3C 2H5)2 H3C O HO HOCH2 O O HOCH2 O O CHO O O O N O O OCH3 N OCH OCH H 3 3C 3 O O NCH3 H3C HO O O HO N 2C N R HO O O R = H, CH3 O 18 Empty page O HO OH HO HO OH O HO OH HO O OH HO R CHO N CHO CHO N R' (H N 2C)5 O CO (H2C)5 2H CO2H H3C CO2H R = 2-furilo, R' = H R = H, R' = 2-furilo O HO2C O N N O OH R = OH, R' = H R = H, R' = OH HO O 2C R' O R R OH O O O N HO R = CH2CO2CH3 O O R O R N N O H N 2N O N N H N O O O O O R = (CH2)3CH(CO2H)NHCOCH3 HO2C NH4 O N O CO2H OH N R N N R HO OH N O O CO2H O O CO2H OH R = CHOHCH2OH Azul-M1 OH 19 Empty page Clasificacin de los compuestos voltiles producidos en la reaccin de Maillard. Productos del deshidratacin/fragmentacin de azcares: Furanos (Hidroximetilfurano). Pironas (Maltol). Ciclopentenos (Metilciclopentenolona). Carbonilos (Diacetil). cidos (cido actico). Productos de la degradacin de aminocidos: Aldehdos de la degradacin de Strecker. Compuestos con azufre. Productos de interacciones posteriores: Pirroles. Piridinas. Imidazoles. Pirazinas. Oxazoles. Tiazoles. Propuesta para la formacin de la 2-metiltetrahidro-3-furanona a partir de la 1-desoxi-3,4-dicetosa. O O O OH OH HO O O HO HO + H2O OH Reordenamiento de OH - CO2 tipo cido benclico - H2O O CH CH 3 O CH 3 3 O CH O 3 2-Metiltetrahidro-3-furanona Propuesta para la formacin de la sotolona y de la abhexona a partir de 2-oxocidos. cido 2-oxopropanoico H CH H OH 3C OH 3C 3 H O CH 3C 3 Adicin - H2O CH2 aldlica + + C O - CO2 O C O RCH CO H O 2 2H 3C O O CO OH 2H H CO 3C HO 2H 2C cido Sotolona Abhexona 2-oxobutanoico R = H o CH3 20 Empty page Formacin del furfural y del pirrol-2-carbaldehdo N-sustituido. NHR CH Enolizacin 1,2 2 CHO CHO C O - NH2 C O C NR Melanoidinas + RNH2 CH OH - 2H2O CH CH (Producto principal) - H2O CH OH Retroaldolizacin CH CH CH OH CH CH2 OH 2 OH 3,4-Didesoxipentosulos-3-eno CH2 OH - H Compuesto de Amadori 2O - H2O R = CH2CO2H, CH CO CHO 2H CHO N O CH2CH(CH3)2 R Furfural Pirrol-2-carbaldehdo N-sustituido Formacin de pirazinas a partir de derivados 1,2-aminocarbonlicos obtenidos en la degradacin de Strecker. R NH2 O R' R N R' R N R' - 2H2O + - 2 H R' O H2N R R' N R R' N R Productos de la degradacin Una dihidropirazina Una pirazina de Strecker Formacin de pirazinas sin la necesidad de un paso de oxidacin. OH OH NH O 2 N N CH3 N CH3 CH3 + CH3 - 2H - H 2O 2O O H2N N N N 21 Empty page Formacin de la 2-acetilpirazina a partir del glioxal. H O HO NH2 HO N + 2 NH HO N 3 - 2 H - 2 H 2O 2O + O HO NH2 HO COCH3 HO N COCH N COCH 3 3 Glioxal Reductona C-metiltriosa H 2-Acetilpirazina Propuesta para la formacin del 2-acetilpirido[3,4- d]imidazol va la degradacin de Strecker de la histidina con 2-oxopropanal. O R N R N R + - H2O H O CO 3C H2N CO2H 2H H O CO2H 3C H O 3C R = CH2 - CO2 N N CH3 NH2 N R - 2 H N 2O + H2O - 2 H H - RCHO H3C N H O 3C H O 3C N N - 4 H N N N N CH3 H COCH3 H O 2-Acetilpirido[3,4- d]imidazol 22 Empty page Formacin de la 2-acetiltiazolidina, la 2-(1-hidroxietil)-2-tiazolina y la 2-acetil-2-tiazolina a partir de cisteamina y 2-oxopropanal. O HS SH OH - H S C 2O H + 3 CH3 H O 3C H2N N N O H O H 2-Oxopropanal Cisteamina 2-Acetiltiazolidina S CH3 N OH S CH3 2-(1-Hidroxietil)-2-tiazolina S CH3 N OH - 2 H H N O 2-Acetil-2-tiazolina Formacin de la N-(2-mercaptoetil)tiazolidina a partir de cisteamina y formaldehdo. NH2 S + CH2O S - H2O SH N Cisteamina H N SH Tiazolidina - NH3 S N-(2-Mercaptoetil)tiazolidina Tiirano 23 Empty page Obtencin del 2-acetil-3-hidroxifurano. H H N R CH2OH CH2OH H OH O O H R NH2 HO H OH OH H OH OH OH OH N R H O H OH OH H OH H H H H H H H H H N H N H N R R H R H H O H O H O H O H H R N H + H O H O HO H HO H H H OH H OH H OH H OH H O H H O H H O H H O H OH OH OH OH PRODUCTO DE AMADORI H H H O COMPUESTO O 1,2-DICARBONLICO H OH H O H OH H H H H O O H H O O H O O H O H O H CH3 CH3 O H O H O O O O H O H H H COMPUESTO 1,2-DICARBONLICO H O O H H O O H O H H CH3 CH CH 3 3 H O O O O O O O H H O H O O CH3 24 Empty page El compuesto colorido A se forma cuando se calientan alimentos, como durante la fabricacin del pan o bien durante la formacin de la malta. H O O O H HO CH N O 3 H R COMPUESTO A Se forma a partir de la 1-alquil-2-hidroxi-5-(2-hidroxietil)-3-pirrolona y la 2,4-dihidroxi-2,5-dimetil-3-furanona. H O H O O O H + O H HO H N H3C CH3 O R H O O O H HO CH N O 3 H R 25 Empty page Formacin de la 2,4-dihidroxi-2,5-dimetil-3-furanona. H H N H N H N H H H H H O H O H O H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H O H O H O H H H H H N H N H H H O H O H O H H H O + O H O N H H O H H O H H O H H O H H O H H O H O H O H O H H H H H H H H H H H H H O H O O O O O O O H O H H O H H O H H O H H O H H O H O H O H O H H O H H H H H H H H H + H O H COMPUESTO 1,4-DICARBONLICO H O O O O H H O O H O O H O O H O O H H H O O O O H O O O O H H H COMPUESTO 1,4-DICARBONLICO 26 Empty page Formacin de imidazoles. H H O H O H H N R H NH R H N R H NH R O H OH H OH OH R NH H OH 2 - H HO H HO H 2O HO H HO H HO H H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH OH OH OH OH OH Producto de Base de Schiff 1,2-enaminol Amadori - H2O H H H N R HO NH R O OH OH OH + H2O H H H + H2N R H OH H OH H OH H OH H OH H OH OH OH OH - H2O H H H O HO N R H N R O O O H - H2O 2N R H H H H H H H OH H OH H OH OH OH OH Compuesto H 1,2-dicarbonlico 2N R - H2O H O H N R N N R O H3C O H N H OH OH H H H CH3 2 NH3 H OH - 2 H2N R OH 27 Empty page Formacin de la 1-alquil-2-hidroxi-5-(2-hidroxietil)-3-pirrolona. R R R H N H N H N H O H O H O H H O H H H H O H H O H + H O H + H O H O H H O H H O H H H H O H H O H H O H H H H R R N H H N H H O H H O O H H O H H O H O HO H O O N H O H R H H H H H H O H H O H H H R N H H H O H H H O H O O H H H O O H O HO H HO O N H H H R N O H H H O H R H H O H O H + O H HO H N R 28 Empty page H O H O HO O HO N N H R R H H O H O O O O H O H H H C H C CH CH3 O 3 O H H H O H HO H N O H O O R O H H H HO CH N O 3 H O O H R O H H C CH3 O H H O H O O H O H HO N CH3 O H R H H H O H O O H H O H O O H O H H O H HO CH3 HO N O N CH3 O H R H R H O H O O H H O H O O H HO CH3 HO N O N CH O 3 R H R H COMPUESTO A 29 Empty page ltimas etapas de la reaccin de Maillard. 30 Empty page Los procesos metablicos normales del cuerpo, tambin producen molculas de Maillard a travs de rutas metablicas que no usan alimentos. Se ha incrementado el inters por estudiar la reaccin de Maillard in vivo (en organismos vivos como lo opuesto a in vitro, i. e., en tubos de ensayo o bien en otras situaciones fuera de un organismo vivo) y en forma particular en relacin con la diabetes y el envejecimiento. Se piensa que el entrecruzamiento entre las protenas que tienen un tiempo de vida media prolongado como el colgeno y los azcares libres (en especial la fructosa, la cual tiene un alto potencial de entrecruzamiento) produce productos finales de Glicacin Avanzada (AGEs, por sus siglas en ingls) (los productos de la reaccin de Maillard en una etapa avanzada) los cuales contribuyen a la degeneracin del tejido [Baynes y Monnier 1989]. Para el lector intrigado, la fructosa es un producto intermediario de una cadena de reacciones llamadas la ruta del sorbitol, la cual es una de las posibles vas metablicas del metabolismo de la glucosa. El oscurecimiento de la reaccin de Maillard, crea sabor y cambios en el color del alimento. Hasta que ocurre la reaccin de Maillard, la carne tiene relativamente poco sabor. Las reacciones de Maillard empiezan a ocurrir, en general, arriba de los 140 C. 31 Empty page Si se coloca la carne en una cacerola, para hacer un estofado, y se utiliza una estufa con cocimiento lento, o bien si se asa en un horno de baja temperatura, en el cual la temperatura nunca llegue arriba del punto de ebullicin del agua (100 C ), as nunca se llevarn a cabo las reacciones de Maillard. La carne estar cocida, pero no tendr sabor. Esta es la razn por la que en las recetas casi siempre primero dan instrucciones para oscurecer la carne por todos lados, para desarrollar el sabor de la carne. Las reacciones de Maillard ocurren slo en la superficie de la carne, ya que la humedad en la carne se mantiene en el interior, ya que aqu la temperatura no llega arriba de los 100 C. Para obtener un mayor sabor en la carne, esta se debe de cortar en piezas pequeas para exponer una mayor rea de superficie al oscurecimiento. 32 Empty page B) La caramelizacin. La caramelizacin es una reaccin de oscurecimiento que experimentan los azcares en ausencia de aminas. El trmino caramelo relaciona a los productos de color ms o menos caf intenso. No confundir con los azcares aromticos usados para dar sabor. El caramelo es el producto del calentamiento (>150 C) de azcares comestibles y tienen cuatro clasificaciones segn su proceso de obtencin. El caramelo es el nico color permitido en el pan de malta, en el vinagre y en las bebidas alcohlicas tales como la cerveza, whisky y licores. Algunos caramelos son parecidos a las melanoidinas, pero no hay detalles de su estructura. Los colores caramelo son ampliamente usados como agentes para dar color en los alimentos (en un 90% de los colorantes totales usados). Al igual que en la reaccin de Maillard se forman compuestos responsables del olor y se libera agua y bixido de carbono. Adems de los azcares, tambin los polisacridos, los cidos polihidroxicarboxlicos, las reductonas, los compuestos -dicarbonlicos y las quinonas experimentan el oscurecimiento en ausencia de aminas. 33 Empty page La formacin del color se favorece a pH altos. Las reacciones principales son la enolizacin 1,2 (reordenamiento de Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein, reordenamiento de Amadori), la deshidratacin de furfurales y la fisin. Los compuestos voltiles producidos por la degradacin de los azcares contribuyen al sabor. Como consecuencia de la desestabilizacin trmica de los azcares aparecen dos grupos diferentes de compuestos: Compuestos de baja masa molar, formados por deshidratacin y ciclacin. Entre ellos se encuentran furanos y piranosas, muchos de ellos voltiles y responsables del olor y sabor tpicos del caramelo. Polmeros de azcares de tipo muy variado y complejo; en su mayora son polidextrosas, oligosacridos de glucosa. Productos ms tpicos de la caramelizacin son los dianhdridos de fructosa (DAF) o mixtos de fructosa y glucosa. 34 Empty page CH3 CH3 O C O C O H H + C O H O O H H C O H C O H O C O + H H C O H O H C O H H C O H H H C O H H H H O O H O H H O H O O - + O H O H O O + O O H H H O O O H O H + + H O H O O PIRANONA MALTOL C) La oxidacin del cido ascrbico. O C CO2H HO C HO C CHOH O CHO HO C HO C HO C Cetonizacin - 3 H + H CHOH 2O 2O - CO2 CH CH OH CHO CH OH CH OH O HO CH HO CH HO CH HO CH Furfural CH2 OH CH2 OH CH2 OH CH2 OH cido L-ascrbico Enol del cido cetogulnico Pentosa [O] Productos O C CO2H de fisin CO2H O C CO O CO O C + H2O CO Enolizacin C OH CH CH OH C OH HO CH HO CH HO CH CH2 OH CH2 OH CH2 OH cido deshidroascrbico cido 2,3-dicetogulnico 35 Empty page El cido ascrbico se vuelve caf produciendo furfural y bixido de carbono. El pardeamiento con cido ascrbico se favorece arriba de un pH de 7. A pH cidos el pardeamiento ocurre por la degradacin del cido ascrbio a compuestos carbonlicos altamente reactivos (3-desoxipentosona y 3,4-didesoxipentosulos-3-eno) los cuales reaccionan con aminas para dar el color. D) El pardeamiento por fenolasa. Pardeamiento enzimtico. El pardeamiento enzimtico es poco comn en un tejido intacto, ya que los sustratos fenlicos y las fenolasas se encuentran separados. El pardeamiento enzimtico es muy comn en cuando se corta la superficie de frutas y vegetales ligeramente coloridas. La superficie cortada puede cambiar con rapidez a un color caf debido a la oxidacin de fenoles a orto-quinonas, las cuales a su vez se polimerizan con rapidez para formar pigmentos oscuros o melaninas. Las enzimas que catalizan la oxidacin de los fenoles se pueden clasificar como fenolasas, las cuales son oligmeros en los alimentos y contienen un grupo prosttico de cobre por subunidad. Estas enzimas pertenecen a las xidorreductasas y se conocen con diferentes nombres: Fenoloxidasa. Tirosinasa. Catecolasa. Polifenoloxidasa. Polifenolasa. Fenolasa. Estn involucrados dos tipos de reaccin en la reaccin cataltica de la fenolasa: la hidroxilacin. la oxidacin. La hidroxilacin de los monofenoles es lenta y es el paso que determina la rapidez de la reaccin. Tanto la tirosina como el cido clorognico son dos de los sustratos ms frecuentes de la fenolasa debido a su rapidez de reaccin relativamente alta. La fenolasa es activa a pH 5 a 7, y puede se inactivada en forma irreversible a pH menor a 3. 36 Empty page O O O O 2 + O2 + Enzima HO Enzima O OH OH OH NH NH NH 2 2 Rpida 2 HO Muy lenta al principio HO O y despus muy rpida (Oxidacin) TIROSINA DOPA DOPA Quinona (Hidroxilacin) + O Rpida 2 O O + O2 HO O C OH C OH N O HO N H H - CO2 Halacromo (Rojo) HO HO O C OH N HO N HO H H 5,6-Dihidroxiindol cido 2-(5,6-Dihidroxiindol)-carboxlico + O2 Rpido + O2 O + O2 Melanina N O Relativamente H lento Indol 5,6-quinona La reaccin de Maillard. La reaccin de Maillard es excepcionalmente compleja. Ocurre en los alimentos, particularmente en procesos a temperaturas elevadas (asar, cocer, preparar) o durante el almacenado por periodos largos. Es importante en las reacciones que producen el sabor en el caf y chocolate. Tambin sucede en los tejidos. Tiene un papel importante en las sustancias aromticas cidas de color oscuro (humic) que hay en suelos y mares. Los cambios que brinda a los alimentos tienen efectos tanto nutricionales como toxicolgicos. Tiene implicaciones mdicas importantes, ya que tambin ocurre en el cuerpo en donde hay contacto entre amino compuestos y azcares reductores, particularmente en periodos prolongados (envejecimiento, cataratas, diabetes, dilisis, fibrosis pulmonar, alzheimer). ( H. Nursten, The Maillard Reaction, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2005). 37 Empty page