La reacción de Maillard. Oscurecimiento no enzimático.

El oscurecimiento no enzimático es el resultado de reacciones originadas por lascondensaciones entre compuestos carbonilos y derivados de aminas; o por ladegradación de compuestos con enlaces dobles conjugados a grupos carbonilo. Esteproceso  implica  la presencia de carbohidratos en el alimento, ya sea sacarosa, glucosalibre o alguno otro.

Esta serie de reacciones conduce a  la  formación de polímeros oscuros que en algunoscasos pueden ser deseables (aromas cárnicos sintéticos o color caramelo). Pero que enla mayoría de casos conllevan a alteraciones organolépticas y pérdidas del valornutritivo de los alimentos afectados.

Hay cuatro tipos de reacciones de oscurecimiento en los alimentos:

A) La reacción de Maillard. Un compuesto carbonílico (azúcar reductor) y una amina(aminoácido, péptido o proteína)

B) La caramelización (azúcares).

C) La oxidación del ácido ascórbico.

D) El oscurecimiento por fenolasa.

Las primeras tres son de naturaleza no enzimática, y el oscurecimiento por oxidacióncon fenolasa u oscurecimiento por oxidación catalítica enzimática es de importanciacomercial, particularmente en frutas y vegetales en los cuales la fenolasa es muycomún.

A) Reacción de Maillard (Oscurecimiento no enzimático)

Conjunto complejo de reacciones químicas.

Reportada en 1912 por Louis-Camille Maillard.

Aparición de pigmentos (melanoidinas) en los alimentos.

Formación de productos responsables del sabor y del olor (compuestos volátiles)en los alimentos.

Se lleva a cabo entre azúcares (glucosa, fructosa, maltosa, lactosa).

Aminas, principalmente primarias (por ejemplo un grupo α-amino de losaminoácidos lisina, el grupo guanidino de la arginina).

Depende del pH, temperatura, concentración, tiempo.

1

Esta reacción fue descrita por primera vez por el investigador francés Louis-CamilleMaillard (1878-1936).

En 1912, Maillard estaba investigando como se combinaban los aminoácidos paraformar proteínas. Por casualidad (serendipia, ciencia por casualidad) el descubrió laquímica básica que hay detrás de algo que el hombre había estado haciendo desde eldescubrimiento del fuego: calentando carne con un calor  intenso. (L.-C. Maillard, Actiondes acides amines sur les sucres: formation des melanoidines par voie methodique,C. R. Hebd. Seances Acad. Sci., 1912, 154, 66-68).

La reacción de Maillard es un tipo de reacción de oscurecimiento, la cual se llama asípor el color café oscuro que se imparte al alimento. Es una reacción increíblementecompleja. (C. Billaud, J. Adrian, Louis-Camille Maillard, 1878-1936, Food Rev. Intern.,2003, 19, 345-347).

2

Oscurecimiento no enzimático (J. E. Hodge, Chemistry of browning reactions inmodel systems, J. Agric. Food Chem., 1953, 1, 928-943)

ALDOSA+ amino compuesto – H2O

A

GLICOSILAMINAN-SUSTITUIDA

B

Reordenamientode Amadori

1-AMINO-1-DESOXI-2-CETOSA

H

C D

– 3 H2O C – 2 H2O

BASE DE SCHIFF DELHIDROXIMETILFURFURAL

O FURFURAL

AZÚCARES– amino

compuesto

REDUCTONAS

+2H                           –2H

DESHIDRORREDUCTONAS

PRODUCTOS DE FISIÓN(ACETOL, BUTANODIONA,2-OXOPROPANAL, ETC.)

F

E

Degradación

+ H2OF E

de Strecker+ amino

compuestoG

HIDROXIMETILFURFURAL OFURFURAL

– CO2

ALDEHÍDOS

GF                                                                   F

+ aminoG compuesto

+ amino compuestoALDOLES Y POLÍMEROS

SIN NITRÓGENO

+ amino compuestoG

G

+ aminocompuesto

+ aminocompuesto

MELANOIDINASPOLÍMEROS Y COPOLÍMEROS PARDO NITROGENADOS

I Etapa inicial: Productos sin color, sin absorción en el UV.Reacción A: Condensación azúcar-amina.Reacción B: Reordenamiento de Amadori.Reacción H: Ruptura por radicales libres de  los intermediarios de Maillard.

II Etapa intermedia: Productos sin color o amarillos, con fuerte absorción en el UV.Reacción C: Deshidratación de azúcares.Reacción D: Fragmentación de azúcares.Reacción E: Degradación de aminoácidos (Degradación de Strecker).

III Etapa final: Productos muy coloridos.Reacción F: Condensación aldólica.Reacción G: Condensación aldehído-amina y formación de compuestos heterocíclicos nitrogenados.

3

CH2   OH

Los productos finales del oscurecimiento no enzimático son llamados melanoidinas,mientras que los productos del oscurecimiento enzimático son llamados melaninas.Teóricamente la distinción es clara, pero en la práctica es muy difícil clasificar loscompuestos, que dan el color café oscuro, formados en los alimentos, ya que se formanmezclas químicamente complejas.

La reacción de Maillard se puede subdividir en tres etapas:

I Etapa inicial: Productos sin color, sin absorción en el UV.Reacción A: Condensación azúcar-amina.Reacción B: Reordenamiento de Amadori.Reacción H: Reacciones por radicales libres.

II Etapa intermedia: Productos sin color o amarillos, con fuerte absorción en elUV.

Reacción C: Deshidratación de azúcares.Reacción D: Fragmentación de azúcares.Reacción E: Degradación de aminoácidos (Degradación de Strecker).

III Etapa final: Productos muy coloridos.Reacción F: Condensación aldólica.Reacción G: Condensación aldehído-amina y formación de compuestos

heterocíclicos nitrogenados.

Reacción A: Condensación azúcar-amina. Formación de las glicosilaminasN-sustituidas.

NHR

CHO + RNH2

- H2OHC NR HC

(CHOH)n (CHOH)n (CHOH)n-1 O

CH2 OH

Aldosa en formade aldehído Base de Schiff

HC

CH2 OH

Glicosilamina N-sustituida

4

NHR NR NHR

H OHCHO HC OH CH HC

HO

HOH

H O

OHH

H

HO

H

OH

H

OH

+ RNH2

H

HO

H

OH

H

OH

- H2OH

HO

H

OH

H

OH

H

HO

H

OH

H

OH

O

H OH H OH H OH H OH H

CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH

D-GlucosaBase

D-glucosaGlucosilamina

 N-sustituida

Cada paso es  reversible. La amina puede ser una proteína y se ha demostrado que  lainsulina reacciona con la glucosa a temperatura ambiente. La glicosilamina podríareaccionar con otra molécula de aldosa para dar una diglicosilamina. Las glicosilaminasN-sustituidas al calentarse dan compuestos nitrogenados fluorescentes, los cualesreaccionan rápidamente con la glicina para dar melanoidinas.

Reacción B: Reordenamiento de Amadori para la obtención de las 1-amino-2-desoxi-2-cetosas N-sustituidas.

NHR NHR NHR NHR

HC

(CHOH)n-1 O

+ H+ CH

CHOH-H+

CH

COH

CH2

C O

HC

CH2 OH

Glicosilamina N-sustituida

(CHOH)n-1

CH2 OH

Catión de labase de Schiff

(CHOH)n-1

CH2 OH

Forma enólica

(CHOH)n-1

CH2 OH

Formacetónica

1-Amino-2-desoxi-2-cetosaN-sustituida

Es una reacción catalizada por ácido. Este reordenamiento no es reversible. Sireaccionan aldosas se forman 1-amino-2-desoxi-2-cetosas N-sustituidas, pero si soncetosas las que reaccionan se forman 2-amino-2-desoxialdosas N-sustituidas.

5

Reacción H: Reacciones por radicales libres.

NR NR NR NR

CH

CH OHRetroaldolización

CH

CH2OH

[O]

- H2OCH

CH  O

RNH2 CH

CH

CH OH+

CH ONR

Glioxal bisalquilaminaR

Base de Schiff

Tautomerización

R+2 H2O

-2 RNH2

NHR NRH2NR CH O

+ GlioxalCH

C OH[O]

- H2O

CH

C O+ H2O

CH

C

O

ORetroaldolización

CH

+

CH

O

OCH OH CH OH CH OH

R

R R R

Se ha comprobado la presencia de radicales libres estables en la formación demelanoidinas. Se ha concluido que pueden ser el azúcar o la glicosilamina loscompuestos de partida para esta reacción, con  la  formación de  la base de Schiff y unaoxidación subsecuente a la retroaldolización. (a) M. Namiki, T. Hayashi, Development ofnovel 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 onradical  intermediates  in the early stage of the non-enzymatic browning of carbohydratesand primary amino acids, J. Agric. Food Chem., 1999, 47, 379-390).

6

Reacción C: Deshidratación de azúcares. Reacciones de Maillard, las dos rutasprincipales de la formación de melanoidinas a partir de los compuestos de

+ H2O              - H2O

Amadori.

NHR NHR O O

CH

C OH- OH_

CH

C OH- Amina

CH OH CH CH2 CH

CH   OH CH   OH CH   OH CH+ Amina

Enolización 1,2

NHRpH bajos R

1,2-Enaminol

R R

3-Desoxihexosona

R + Amina

- H2O

CH2

C O NHRMelanoidinas

CH OH CH2 CH2 CH3 CH3

- H2O+ Amina

CH  OH

R Enolización 2,3pH altos

C

C

OH

OH

- Amina C

C

OH

O

C

C

O

O

C

C

O

OH

+ Amina

Compuestode Amadori

CH   OH

R

2,3-Enediol

CH  OH

R

CH  OH

R

1-Metil-2,3-dicarbonilo

C     OH

R

Una reductona

Fisión

Furanonas,C-metil reductonas

y α-dicarbonilos

Ocurre por dos caminos. Bajo condiciones ácidas se forman furfurales, y en condicionesalcalinas se forman las reductonas. (a) I. Tosun, N. S. Ustun, Nonenzymatic browningduring 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

Reacción D: Fragmentación de azúcares

Compuesto de AmadoriNHR

CH2

NHR

CH2CH2 OH

C CHO OH Retroaldolización

C O

CH2 OH +- RNH2

+ H2O C OCH2 OH Dihidroxicetona

CH  OHCH  O

CH OHCH OH Gliceraldehído

CH2 OH

Enolización 2,3

NHR

CH2

CH2 OH

CH3

C   O

CH3

C   O

C

C

OH

OH

C   O

CH  OH

Reordenamiento C   O

CH  OH

CH  OH CH  OH C   O

CH OH CH2OH CH3

CH2 OH 1-Desoxi-2,3-dicetosa Diacetilformoina

8

O CH3

OH OH

ODeshidratación

(Formación de pirano) Deshidratación(Formación de furano)

- H2O                            Hidrólisis

CH3

O

Isomaltol

COCH3

CH3

C       OCO2H

+

Ácido acético

C       O

CH  OH

CH  OH

CH2OH

Fisiónoxidativa

CO2H

CH  OH

CH  OH

CH2OH

1-Desoxi-2,3-dicetosaRetroaldolización

CH3

CH3

Ácido acético

RetroaldolizaciónC   O Fisión

oxidativa

CO2H

+

CH3 CH  O C   O CO2HÁcido glicólico

C       O

CH  O

+ CH  OH

CH2OH

CH2 OH

+

CH2 OH

Reordenamiento CO2H

Piruvaldehído Gliceraldehído CH  O sacarínicoCH3

Ácido acético

CH2OH

Glicolaldehído Oxidación

+

CH  OGlioxal

CH  O

9

CH3

C OH

CH3

C   O

CH3

C   O

CH3

C   OButanodiona

C OH C   OH C   O C   O

CH  OH CH CH2 CH3

+

ReducciónC   O

CH3

C   O

CH3

C   O

CH3

CO2H

CH3

Ácido acético

CH3

CH  OCH3

C      OHidrólisis

2 C O PiruvaldehídoC   O

C      OC      O

CH  OH

HidrólisisCH3

CH2 OH

+

C      O CO2HCH3

CH3

DiacetilformoinaCH3

HidrólisisCH3

Ácido acético C   O

C   OC      O Acetol CH  O

HidrólisisCH2 OH

+

CO2H

+CHO

CH3

Acetaldehído

C      O

CH3

Ácido Pirúvico

10

Compuesto de Amadori

NHR NHR 3-Desoxiosona CH O

CH2 CH CH O C O 2-Oxopropanal

C

CH

O

OH Enolización   1,2

C

CH

OH

OH- OH-

- RNH2

C

CH2

O

Retroaldolización

CH3

+

CH   OH CH   OH CH   OH CH  OCH OH CH OH CH OH CH OH Gliceraldehído

CH2 OH CH2 OH CH2 OH CH2 OH

- H2O Enolización

CH

C

O

O

CH

C

O

O

CH

C

O

OH

CH

C

O

OH

CH

CH

Retroaldolización CH

CH

CH

CH   OH

Retroaldolización CH

CH2 OH

+CH2 OH CH OH CH OH

CH O

Formaldehído

+

CH2 OCH2 OH CH2 OH

CH2 OHGlicolaldehído

El mecanismo por el cual ocurre principalmente una retroaldolización y una fisiónoxidativa. La fragmentación de las hexosas puede ser en C5/C1, C4/C2 o C3/C3. (H.Weenen, W. Apeldoorn, Carbohydrate cleavage in the Maillard reaction. In FlavourSciece: Recent Developments, Vol. 197, A. J. Taylor and D. S. Mottram (eds), RoyalSociety of Chemistry, Cambridge, 1996, 211-216).

11

Reacción E: Degradación de Strecker.

O:-

O

CHO O CHC N   CH  C O:- HC N   CH

O CH RO R OH R

H

HOH

NH2- H2O H

H

OH- CO2

H H OH

CH2OHCH2OH

Compuesto1,2-dicarbonílico Base de Schiff

Enaminol

CH2OH

+ H2O

HC O HC NH2HC NH   CH OH

OH OH Aldehído OH R

H

H

+ H2O

- NH3

H

H

+

CH

R

O H

H

OH

CH2OH

OH

CH2OH

OH

CH2OH

Los compuestos dicarbonílicos de la reacción de Maillard reaccionan con el grupoα-amino de un aminoácido para formar una base de Schiff. La forma enólica es unα-aminoácido que se descarboxila con facilidad para dar un enaminol. El enaminolexperimenta una autocondensación para formar un polímero café o bien una hidrólisis ala amina y al aldehído, correspondiendo el último al aminoácido original con un átomode carbono menos. Los aldehídos que se forman por la degradación de Streckerconstituyen muchos de los compuestos más importantes que tienen sabor en losalimentos. (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 foodflavor, in Flavor Chemistry: Thirty Years of Progress, R. Teranishi, E. L. Wick, I.Hornstein (eds), Kluwer/Plenum, New York, 199, 335-343).

12

Reacción F: Condensación aldólica. Formación de quinonas a partir de productosde fragmentación de los azúcares.

CH3H3C O

C

C

O

O

Adiciónaldólica

HO

O

C

C

CH2

C O

Adiciónaldólica

HO

CH3

OH

CH3CH3 C O

Diacetil

CH3O H3C

-2 H2O

O

CH3

2,5-Dimetil-p-benzoquinona

H3C

O

Los aldehídos pueden originarse de  las reacciones C, D y E, y pueden reaccionar entreellos por una condensación aldólica. También pueden participar en esta reacción loscompuestos carbonílicos derivados de la oxidación de lípidos. Las benzoquinonaspueden participar como componentes dicarbonílicos en la reacción de Strecker,formando iminas que pueden ser involucradas en la producción de melanoidinas.

13

Reacción G: Condensación aldehído-amina. Formación de compuestosheterocíclicos nitrogenados.

HC NH2

OH

H

CH2 NH2

O

H

CH2 NH2

O

R

N

N

H

OH

H

OH

CH2

OHOH

HH

Dihidropirazina

CH2OH CH2OH

Enaminol α-AminocetonaN

N

[O]

H

CH2OH

HPirazina

OH

1,4-Disacarido

D (C5 + C1)X

OHX X

β-Eliminación

2-Desoxipentosa

X

Polímeros tipo I

OD (C1 + C5) X

HexosaD (C5 + C1)

PentosaX X

D (C2 + C4)D (C1 + C4)

X

Tetrosa X

X X

D = Fragmentación del azúcar Polímeros tipo II

X = NR, O

Los aldehídos, y en particular los α,β-insaturados, reaccionan con aminas para darpolímeros de alta masa molecular, que son productos coloridos de estructura

14

desconocida (melanoidinas). Se han encontrado sistemas heterocíclicos como piridinas,pirazinas, pirroles e imidazoles en las melanoidinas. La constitución de las melanoidinasdepende de cómo hayan sido producidas. (H. Kato, F. Hayase, An approach to estimatethe 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 formación de melanoidinas.

El pH ejerce un efecto crucial sobre  la  reacción de Maillard una vez que el compuestode Amadori ha sido formado. Enolización 1,2 a pH bajos y enolización 2,3 a pH altos.(D. S. Mottram, A. Leseineur, The effect of pH on the formation of aroma volatiles inmeat-like Maillard systems, in Flavor Science and Technology, Y. Bessière and A. F.Thomas (eds), Wiley, Chichester, 1990, 121-124).

15

Formación de la 4-hidroxi-5-metil-3(2H)-furanona a partir de una pentosa vía unaenolización 2,3 de un compuesto de Amadori.

NHR

CH2

C       O

CH  OH

Enolización   2,3

- Amina

CH3

C

C

O

OH

HO

H                 OH

CH  OH Equilibrios C   OH HO CH3

ceto-enólicosR

Compuestode Amadori

CH2 OH

Reductona - H2O

O OHHO OH

OCH3 O

CH3

4-Hidroxi-5-metil-3(2H)-furanona

Este compuesto  (norfuraneol) contribuye en gran parte al sabor en carnes cocidas y alolor tipo caramelo.

16

Esquema cinético simplificado para la generación de los compuestosresponsables del sabor en la reacción de Maillard.

R1

Productos dedegradación

Azúcar                     AminoácidoCondensación

R2

Productosde Amadorireordenados

R4

H3C                 CH3

Strecker         

R3Ruptura

R8

StreckerIntermediarios

de Strecker

Ciclación AzúcaresR9

R5

reordenadosR6

Strecker R10Condensación

Ciclación

Pirroles FuranosR7

Condensación

Ruptura

Carbonilos       Aldehídos

 de

 Pirazinas

R11 R11 Másreacciones

R11 R11       R11

Melanoidinas

(F. Jousse, T. Jongen, W. Agterof, S. Russell, P. Braat, Simplified kinetic scheme offlavor formation by the Maillard Reaction, J. Food Sci., 2002, 67, 2534-2542).

Formación de color en el oscurecimiento no enzimático.

La formación del color es la característica principal de la reacción de Maillard, pero elconocimiento que se tiene de los compuestos responsables de esto no está del todoesclarecido. Un amplio  rango de sustancias pequeñas que dan color han sido aisladasde sistemas modelo. Pero falta identificar estructuralmente a las melanoidinas.

17

Estructuras de algunos compuestos coloridos de baja masa molar formados enlos sistemas modelo de Maillard

O O OCH3 O         OH

HO X HO

OHHO O

H3C O O O O

X = O, NCH3, NCH2CO2H

HO

R X

HO O

R

X = O, R = H

X = O, R = CH3

N(C2H5)2

HO                                          HO

X X = NCH3, R = H H3CN

COCOCH3

OCH3

HOOH O

OH NHCH3 O

RN

O             CH3CH3COCH

NO N

NCH3

CH3

H3C COCH3

H3C R = H, CH3

O

O

OHO

CH3O

NCH2OH

H3CO                                             O                                 N

H3C

H

HOO

HOCH2

O O

HOCH2

O O

O                 OO N

CHO

O O OCH3 N

OCH3 OCH3 H3C

O O

NCH3H3C

HO O

O HO2C NN R

HO OO

R = H, CH3

O

18

OHO OH HO

OHHO O HO OH

HO O

HO OH RCHO

N

(H2C)5

CO2H

CHON

(H2C)5

CHO

CO2H

R'

H3C

N O

CO2H

R = 2-furilo, R' = H

R = H, R' = 2-furilo

HO2CO

O

N N

OOH

HO2C OO               R'

R = OH, R' = HR = H, R' = OH

R

OH OR

OO

HON

OO

R = CH2CO2CH3

RO R

O H2NN N

N

N NO

N OH

OO

O O

R = (CH2)3CH(CO2H)NHCOCH3

HO2C

NNH4 O O

OH NCO2H

R NN R

HON

OHO

O

CO2H

CO2H

Azul-M1OH

OH

OO

R = CHOHCH2OH

19

Clasificación de los compuestos volátiles producidos en la reacción de Maillard.

Productos del deshidratación/fragmentación de azúcares:

• Furanos (Hidroximetilfurano).• Pironas (Maltol).• Ciclopentenos (Metilciclopentenolona).• Carbonilos (Diacetil).• Ácidos (Ácido acético).

Productos de la degradación de aminoácidos:

• Aldehídos de la degradación de Strecker.• Compuestos con azufre.

Productos de interacciones posteriores:

• Pirroles.• Piridinas.• Imidazoles.• Pirazinas.• Oxazoles.• Tiazoles.

Propuesta para la formación de la 2-metiltetrahidro-3-furanona a partir de la 1-desoxi-3,4-dicetosa.

HO

O

O HO

OOH

HO

O OHO

+ H2O OH   Reordenamiento      de      OH - CO2

O CH3                                     O CH3

tipo ácido bencílico

O CH3

- H2OO

CH3

2-Metiltetrahidro-3-furanona

Propuesta para la formación de la sotolona y de la abhexona a partir de2-oxoácidos.

Ácido

CH3

CH2

C     O

2-oxopropanoico

CH3

+ C   OCO2H

Adiciónaldólica

RCH2

H3C

OH

O

CO2H

- H2O

- CO2

H3C

H3C

OH

O             O+

H3C        OH

O O

CO2H HO2C H3C

Ácido2-oxobutanoico R = H o CH3                                         Sotolona           Abhexona

20

Formación del furfural y del pirrol-2-carbaldehído N-sustituido.

NHR

CH2

C

CH

O

OH

Enolización 1,2

- NH2

-   2H 2 O

CHO

C   O

CH+ RNH2

CHO

C   NR

CHMelanoidinas

(Producto principal)- H2O

CH   OH Retroaldolización CH CH

CH OH CH2 OH CH2 OH

CH2 OH

Compuesto de Amadori

3,4-Didesoxipentosulos-3-eno

- H2O- H2O

H

N

OCHO

Furfural

N       CHO

R

R = CH2CO2H,

CH CO2H

CH2CH(CH3)2

Pirrol-2-carbaldehídoN-sustituido

Formación de pirazinas a partir de derivados 1,2-aminocarbonílicos obtenidos enla degradación de Strecker.

R NH2 O        R' R N R' R N R'

+- 2H2O

-2H

R' O H2N R R' N       R R' N       RProductos de

la degradación Una dihidropirazina                 Una pirazina

de Strecker

Formación de pirazinas sin la necesidad de un paso de oxidación.

OH OH

NH2

+

OCH3

- 2H2O

NCH3

- H2O

NCH3

NCH3

O H2N N NN

21

Formación de la 2-acetilpirazina a partir del glioxal.

H

O+ 2 NH3

HO NH2

+

HO

- 2 H2OHO N

- 2 H2ON

O HO NH2 HO COCH3 HO                                 COCH3 N             COCH3

Glioxal ReductonaC-metiltriosa                                                                                                       2-Acetilpirazina

Propuesta para la formación del 2-acetilpirido[3,4-d]imidazol vía la degradación deStrecker de la histidina con 2-oxopropanal.

O+ R - H2O N R

O

O

N R

H3C H2N CO2HH3C O

CO2H

H3C OCO2H

R = CH2 - CO2

N

NN       CH3

- 2 H2ONH2

+ H2ON R

H -2H - RCHOH3C N H3C O H3C O

N

N

N

-4HN N

COCH3H

N

H O

CH3

2-Acetilpirido[3,4-d]imidazol

22

Formación 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 SHOH - H2O S C

H3

CH3H3C H2N N N O

2-Oxopropanal Cisteamina H O H

2-Acetiltiazolidina

CH3

S2-(1-Hidroxietil)-2-tiazolina

NH

S

CH3

S CH3 N OH-2H

H

N O

2-Acetil-2-tiazolina

Formación de la N-(2-mercaptoetil)tiazolidina a partir de cisteamina yformaldehído.

NH2

+ CH2OS

S

SH- H2O

N

Cisteamina H                            NTiazolidina SH

- NH3

S N-(2-Mercaptoetil)tiazolidina

Tiirano

23

Obtención del 2-acetil-3-hidroxifurano.

H

OH

CH2OH

OH

O

OH

OH

R NH2

OH

CH2OH

OH

O

OH

N R

H

H

H NR

H OH

HO         HH         OH

H         O H

OH

HH

H R

N

H

 H

O

H

O H

H            H

 H

H OH

H

H

HO

H

NR

O H

H H

H

H       N O H

HO H

H H         OH

H         O HH

H

OH

O H

H

H

OH

O H

H

H

OH

O H

OH OH OH OH

PRODUCTO DE AMADORI

HH H

O

O

H OH

H O H

OH

H

COMPUESTO

1,2-DICARBONÍLICO

H H

OH O O H H O O H

O O HH O H

H O H

H O H

O O

HO

CH3O

O

CH3

H COMPUESTO 1,2-DICARBONÍLICO

O HH O O H H O O H

H

HO

O

CH3O

O

CH3

OO

CH3

H O H

O H

OO

CH3

24

El compuesto colorido A se forma cuando se calientan alimentos, como durante lafabricación del pan o bien durante la formación de la malta.

H O O O H

HO N O         CH3

R H

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 HHO N H H3C O CH3

R

H O O O H

HO N O         CH3

R H

25

Formación de la 2,4-dihidroxi-2,5-dimetil-3-furanona.

H H

HN H

HN H

HN H

H

H O

O H

H H O

O H

H

O

H O         HH O H

H O H

O H

H         O H

H         O H

O H

H

H

O H

O H

O H

H

HH

H

HN

HH

HN

H N H

OHOHH     OHH     OHH     OHH     OH

HO     HHO     H

OH NH RH N   R

+

 

H

O

H        O 

H O H

H O

H         O H

O H

H O

H         O H

H

H         O H

O H

H

H         O H

O H

H

H         O H

O H

H

H H

O HH         H

O

H         HO

H         HO

O

H O H

H O H

O

H         O H

H         O H

O

H         O H

O H

O

H         O H

O

H O H H O H H H H HH H H H

+ H O H COMPUESTO1,4-DICARBONÍLICO

H O O

O

O

H O

H

OH

H O OH

H O OH

H O O

O O O O H

O

H

COMPUESTO1,4-DICARBONÍLICO

O

H

O

H

O

26

Formación de imidazoles.

H O

H OH

HO H

H OH

H OH

OH

HO H

H N R

R NH2     H   OH

HO    HH    OH

H    OH

OH

- H2O

HH NH R

H    OH OHHO    H

H    OH

H    OH

OH

Base de Schiff         1,2-enaminol          Producto de

Amadori

- H2O

H

O

OHH

OH

H

OH

H

+ H2N RH

HO NH ROH

H

H    OH

H    OH

OH

+ H2O

H N ROH

H

H    OH

H    OH

OH

- H2O

H H HO HO N R H    N R

O

H

H

H OH

OHCompuesto

1,2-dicarbonílico

H2N R         O

HH

H    OH

OH

-   H 2 O OH

H

H    OH

OH

H2N R

OH OH H H

NO

NH   CH3

H   O

H3C O

2 NH3

- 2 H2N R

- H2O

H    N RN RH

H

H    OH

OH

27

Formación de la 1-alquil-2-hidroxi-5-(2-hidroxietil)-3-pirrolona.

R

H N

R

H       NR

H       NH

O H

H O H

H O H

H O H + H

O H

H

O H H O H +

O H

H

O H

H O H H         O H H H

H O H H O H H O HH H H

H

R

N HR

H       N

H OH

H O H

O HO H

O H H

HO O N

HR

H O

H         HH O H

H O H H

H

O

H

O H

H H

R

N H

H O H

O HH

H

OH H

H

O

H

O

H H

H O H

HO O N

HR

O

H HO

HO N

R

O H

H

H

H O

H O H +

HO N

R

O H

H

28

H O H O

HO N

R

O

H

HO N

R

H

H O O H O O

H O HO H

H C

HO         CH3 H C

HO CH3

H O

HO N H O H O OH

H O

R

H

OHO

N

R

H                         O H

O         CH3

H

H C

HO

O H

CH3

H O H O O H

O H

HO N O CH3

R H

H H

H O H O O HH O H O O H

H O HO H

HO N

R HO CH3

HO N

R HO CH3

H O HO O H H       O  H O O H

HO N O         CH3 HO N O         CH3

R H R H

COMPUESTO A

29

Últimas etapas de la reacción de Maillard.

30

Los procesos metabólicos normales del cuerpo,  también producen moléculas deMaillard a través de rutas metabólicas que no usan alimentos.

Se ha incrementado el interés por estudiar la reacción de Maillard in vivo (enorganismos vivos como  lo opuesto a  in vitro,  i. e., en “tubos de ensayo” o bien en otrassituaciones fuera de un organismo vivo) y en forma particular en relación con ladiabetes y el envejecimiento. Se piensa que el entrecruzamiento entre las proteínas quetienen un  tiempo de vida media prolongado como el colágeno y  los azúcares  libres  (enespecial la fructosa, la cual tiene un alto potencial de entrecruzamiento) produceproductos finales de Glicación Avanzada (AGEs, por sus siglas en inglés) (los productosde la reacción de Maillard en una etapa avanzada) los cuales contribuyen a ladegeneración del tejido [Baynes y Monnier 1989]. Para el  lector  intrigado,  la fructosa esun producto intermediario de una cadena de reacciones llamadas la “ruta del sorbitol”,la cual es una de las posibles vías metabólicas del metabolismo de la glucosa.

El oscurecimiento de la reacción de Maillard, crea sabor y cambios en el color delalimento. Hasta que ocurre la reacción de Maillard, la carne tiene relativamente pocosabor. Las reacciones de Maillard empiezan a ocurrir, en general, arriba de los 140 °C.

31

Si se coloca la carne en una cacerola, para hacer un estofado, y se utiliza una estufacon cocimiento lento, o bien si se asa en un horno de baja temperatura, en el cual latemperatura nunca llegue arriba del punto de ebullición del agua (100 °C ), así nunca sellevarán a cabo las reacciones de Maillard. La carne estará cocida, pero no tendrásabor. Esta es la razón por la que en las recetas casi siempre primero dan instruccionespara oscurecer la carne por todos lados, para desarrollar el sabor de la carne.

Las reacciones de Maillard ocurren sólo en la superficie de la carne, ya que la humedaden  la carne se mantiene en el  interior, ya que aquí  la temperatura no  llega arriba de  los100 °C. Para obtener un mayor sabor en la carne, esta se debe de cortar en piezaspequeñas para exponer una mayor área de superficie al oscurecimiento.

32

B) La caramelización.

La caramelización es una reacción de oscurecimiento que experimentan los azúcaresen ausencia de aminas. El término caramelo relaciona a los productos de color más omenos café  intenso. No confundir con  los azúcares aromáticos usados para dar sabor.El caramelo es el producto del calentamiento (>150 ºC) de azúcares comestibles ytienen cuatro clasificaciones según su proceso de obtención. El caramelo es el únicocolor permitido en el pan de malta, en el vinagre y en las bebidas alcohólicas talescomo la cerveza, whisky y licores.

Algunos caramelos son parecidos a las melanoidinas, pero no hay detalles de suestructura. Los colores caramelo son ampliamente usados como agentes para dar coloren los alimentos (en un 90% de los colorantes totales usados). Al igual que en lareacción de Maillard se forman compuestos responsables del olor y se libera agua ybióxido de carbono.

Además de los azúcares, también los polisacáridos, los ácidos polihidroxicarboxílicos,las reductonas, los compuestos α-dicarbonílicos y las quinonas experimentan eloscurecimiento en ausencia de aminas.

33

La formación del color se favorece a pH altos. Las reacciones principales son laenolización 1,2 (reordenamiento de Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein,reordenamiento de Amadori), la deshidratación de furfurales y la fisión.

Los compuestos volátiles producidos por  la degradación de  los azúcares contribuyen alsabor.

Como consecuencia de la desestabilización térmica de los azúcares aparecen dosgrupos diferentes de compuestos:

• Compuestos de baja masa molar, formados por deshidratación y ciclación. Entreellos se encuentran furanos y piranosas, muchos de ellos volátiles yresponsables del olor y sabor típicos del caramelo.

• Polímeros de azúcares de tipo muy variado y complejo; en su mayoría sonpolidextrosas, oligosacáridos de glucosa. Productos más típicos de lacaramelización son los dianhídridos de fructosa (DAF) o mixtos de fructosa yglucosa.

34

H +

CH3C O

C O H

CH3

C O

H C O H

HO

O

O H

C O H C O O H +H C O H

H C O H

H

H C O H

H C O H

H

O

H

O H OH

OO

H-

+     O H

HO O H

O H

O+

O

HO

O

OH

O

OH

H O H + O

+ H2O                   - CO2                 CetonizaciónHO C

O + H O H

PIRANONA MALTOL

C) La oxidación del ácido ascórbico.

O C CO2H

HO CO HO C CHOH CHO

HO C HO C CHOH - 3 H2O

CH CH OH CH OH CH OH O             CHO

HO CH HO CH HO CH HO CH FurfuralCH2 OH

Ácido L-ascórbico

CH2 OH

Enol del ácidocetogulónico

CH2 OH CH2 OH

Pentosa

[O]

O C CO2HProductosde fisión CO2H

O CO

CO CO

O C + H2O COEnolización C OH

CH CH OH C OH

HO CH HO CH HO CH

CH2 OH CH2 OH

Ácido deshidroascórbico Ácido 2,3-dicetogulónicoCH2 OH

35

El ácido ascórbico se vuelve café produciendo furfural y bióxido de carbono. Elpardeamiento con ácido ascórbico se favorece arriba de un pH de 7. A pH ácidos elpardeamiento ocurre por la degradación del ácido ascórbio a compuestos carbonílicosaltamente reactivos (3-desoxipentosona y 3,4-didesoxipentosulos-3-eno) los cualesreaccionan con aminas para dar el color.

D) El pardeamiento por fenolasa. Pardeamiento enzimático.

El pardeamiento enzimático es poco común en un tejido intacto, ya que los sustratosfenólicos y  las fenolasas se encuentran separados. El pardeamiento enzimático es muycomún en cuando se corta  la superficie de frutas y vegetales ligeramente coloridas. Lasuperficie cortada puede cambiar con  rapidez a un color café debido a  la oxidación defenoles a orto-quinonas, las cuales a su vez se polimerizan con rapidez para formarpigmentos oscuros o melaninas.

Las enzimas que catalizan la oxidación de los fenoles se pueden clasificar comofenolasas, las cuales son oligómeros en los alimentos y contienen un grupo prostéticode cobre por subunidad.

Estas enzimas pertenecen a las óxidorreductasas y se conocen con diferentesnombres:

• Fenoloxidasa.• Tirosinasa.• Catecolasa.• Polifenoloxidasa.• Polifenolasa.• Fenolasa.

Están involucrados dos tipos de reacción en la reacción catalítica de la fenolasa:

• la hidroxilación.• la oxidación.

La hidroxilación de los monofenoles es lenta y es el paso que determina la rapidez de lareacción. Tanto la tirosina como el ácido clorogénico son dos de los sustratos másfrecuentes de la fenolasa debido a su rapidez de reacción relativamente alta. Lafenolasa es activa a pH 5 a 7, y puede se inactivada en forma irreversible a pH menor a3.

36

O

OH

O2 +

Enzima HO

O

OH

O2 +

Enzima O

O

OH

HONH2 Muy lenta al principio HO                       NH2

Rápida O                         NH2

TIROSINA y después muy rápida(Hidroxilación)

DOPA (Oxidación) DOPA Quinona

+ O2 Rápida

O O + O2 HO O

C OH C OH

O N HO N

- CO2H

Halacromo (Rojo)H

HO

HO N

H

HO

HO N

H

O

C OH

5,6-Dihidroxiindol Ácido 2-(5,6-Dihidroxiindol)-carboxílico

+ O2

Rápido + O2

O

O N

H

+ O2

Relativamentelento

Melanina

Indol 5,6-quinona

La reacción de Maillard.

La reacción de Maillard es excepcionalmente compleja. Ocurre en los alimentos,particularmente en procesos a  temperaturas elevadas  (asar, cocer, preparar) o duranteel almacenado por periodos largos. Es importante en las reacciones que producen elsabor en el café y chocolate. También sucede en  los tejidos. Tiene un papel  importanteen las sustancias aromáticas ácidas de color oscuro (“humic”) que hay en suelos ymares. Los cambios que brinda a  los alimentos  tienen efectos  tanto nutricionales comotoxicológicos. Tiene implicaciones médicas importantes, ya que también ocurre en elcuerpo en donde hay contacto entre amino compuestos y azúcares reductores,particularmente en periodos prolongados (envejecimiento, cataratas, diabetes, diálisis,fibrosis pulmonar, alzheimer). ( H. Nursten, The Maillard Reaction, The Royal Society ofChemistry, Cambridge, 2005).

37