phản ứng Maillard

phản ứng Maillard

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT

Phản ứng ozamin, cacbonylamin, aminoza, melanoidin hay phản ứng Maillard là phản ứng có vai trò đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật sản xuất thực phẩm

Phản ứng Maillard là phản ứng giữa đường và axit amin các hợp phần tham gia phản ứng là protein (hoặc các sản phẩm phân giải của chúng) và gluxit

Điều kiện để phản ứng xảy ra được là chất tham gia phản ứng phải có nhóm cacbonyl ( > C = O)

Phản ứng ozamin đòi hỏi năng lượng hoạt hóa bé hơn phản ứng caramel hóa nhưng để tiến hành phản ứng bắt buộc trong môi trường phản ứng phải có nhóm amin hoặc amoniac

Thực chất phản ứng Maillard là một loạt các phản ứng hóa học xảy ra song song hoặc nối tiếp để tạo ra sản phẩm cuối cùng là melanoidin, một loại polyme màu nâu đậm và có chứa nitơ

Dựa vào mức độ về màu sắc của các sản phẩm có thể chia phản ứng Maillard thành 03 giai đoạn kế tiếp nhau:

Giai đoạn đầu: tạo sản phẩm không màu, không hấp thụ ánh sáng cực tím Giai đoạn này bao gồm 2 phản ứng:

- Phản ứng ngưng tụ cacbonnylamin

- Phản ứng chuyển vị Amadori

Giai đoạn trung gian: tạo sản phẩm không màu hoặc có màu vàng, hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím Giai đoạn này bao gồm các phản ứng

- Tạo furfurol và ozon

- Tạo reducton 6C

- Phân hủy đường

- Phân hủy các hợp chất amin

Giai đoạn cuối: Tạo sản phẩm có màu sậm, gồm các phản ứng:

- Ngưng tụ aldol

- Trường hợp hóa aldelhitamin và tạo thành hợp chất dị vòng chứa nitơ

Thực tế trong hỗn hợp phản ứng có chứa đồng thời tất cả các sản phẩm, nhưng tỷ lượng sản phẩm này hay sản phẩm khác chiếm ưu thế là phụ thuộc mức

Xin đề cập đến 1 – amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza, đó là hợp chất có khả năng phản ứng và là chất khởi đầu để tạo ra melanoidin Để tạo ra hợp chất nói trên thì các axit amin phải tác dụng với phân tử đường và ở một nhiệt độ nhất định sẽ tạo ra 1-amin-1-dezoxy-2-xetoza (gọi là chất A), theo chuỗi phản ứng đơn giản sau:

Phức đường amin  A Mục đích của phản ứng melanoidin là để tạo cho sản phẩm thực phẩm trong quá trình chế biến có màu sắc và mùi hương đặc trưng Vì vậy ta sẽ chi đi vào những hợp chất tiền thân tạo màu mùi cũng như những hợp chất tạo ra màu và mùi đặc trưng đó

Khi phản ứng Maillard xảy ra, các sản phẩm sau là các chất trên tiền thân

cơ bản của polyme màu nâu sẫm, melanoidin:

1 Hydroxylmetylfurfurol:

O

2 3- dezoxy glucozon (ozon không no, tồn tại ở dạng cis, trans)

OH

C = O

HC

3 Reducton:

OH OH

4 Dehydroreducton:

O O

Mùi, hay hương vị đặc trưng của sản phẩm tạo nên bởi phản ứng melanoidin là do các aldehit Các aldehit đóng vai trò rất quan trọng trong việc hình thành hương vị của sản phẩm thực phẩm khi chế biến nhiệt

Vậy ta đã có chất khởi đầu tạo melanoidin và các sản phẩm cơ bản để tạo màu sắc và hương vị sản phẩm, quá trình tạo ra chúng như thế nào thì sẽ được nói ngay sau đây, phần sơ đồ phản ứng melanoidin

Sơ đồ phản ứng tạo melanoidin

Ký hiệu:

Dạng furan của dezoxylfructoza: D

Bazơ schiff của hydro xylmêtyl furfurol (furfurol) B

Furfurol: F

Hydroxyl metylfurfurol: K

Axit peroxyl furfurol: P

Sơ đồ

O

CHƯƠNG II ĐIỀU KIỆN TIẾN HÀNH CỦA PHẢN ỨNG TẠI MELANOIDIN

2.1 Ảnh hưởng của axit amin và đường:

Cường độ sẫm màu của phản ứng phụ thuộc vào bản chất của axit amin, bản chất của đường, nồng độ chất khô nói chung với dung dịch, nhiệt độ, pH và một loạt các yếu tố khác

Qua cơ chế phản ứng, ta thấy một trong những phản ứng của giai đoạn trung gian là tạo thành furfurol và oxy metylfurfurol có kèm theo sự tái tạo lại axit amin vốn đã tham gia tương tác với đường từ phản ứng đầu tiên Như vậy axit amin có thể xem như một chất xúc tác ở trong giai đoạn đầu

Melanoidin – sản phẩm cuối cùng của phản ứng lại là chất có chứa nitơ

tác với đường và tạo ra melanoidin

- Các axit amin tham gia phản ứng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, pH và lượng nước

- axit amin có khả năng phản ứng và cho sản phẩm màu mạnh hơn cả là glicocol, alamin, asparagin

Xistin và tirozin cho sản phẩm màu yếu hơn cả

Valin và lơxin cho mùi mạnh mẽ hơn cả

Glicocol cho màu rất đậm, mùi của bia và vị hơi chua

Alamin phản ứng chậm hơn và cho sản phẩm cũng tương tự

Phenyl alanin phản ứng rất chậm, tạo thành sản phẩm có màu nâu sẫm và có mùi thơm hoa hồng

Lơxin cho sản phẩm có màu không đáng kể, nhưng có mùi bánh mì rõ rệt Axit glutamic có hoạt độ cao, nhưng cho sản phẩm có màu nhạt

Protein, peptid, amin, amon và một số chất chứa Nitơ khác cũng có khả năng phản ứng với đường khử tạo thành chất có màu sẫm Chẳng hạn dipeptid và tripeptid phản ứng mãnh liệt với xiloza, arabinoza

mạnh

Khả năng tham gia phản ứng của axit amin phụ thuộc rất mạnh vào độ dài của mạch cacbon và vị trí của nhóm amin so với nhóm cacboxyl Nhóm amin

càng xa nhóm cacboxyl thì tham gia phản ứng càng mạnh mẽ khi axit

- Cường độ phản ứng cũng phụ thuộc vào bản chất của đường khử + Glucoza phản ứng mãnh liệt hơn cả, sau đến galactoza và lactoza

+ Fructoza phản ứng nhanh hơn glucoza

+ Pentoza (arabinoza, xiloza) có hoạt động cao nhất

+ Saccaroza không phản ứng với axit amin

+ Maltoza cũng phản ứng như glucoza

Như vậy, điều kiện cần thiết để tạo phản ứng melanoidin là có nhóm cacbonyl

- Cường độ phản ứng của melanoidin còn phụ thuộc vào nồng độ đường Tỷ lệ giữa axit amin và đường thích hợp chất là ½ hoặc 1/3 Cùng với việc tăng hợp phần đường thừa sẽ làm cho metanoidin tạo được có dạng hòa tan ngay cả khi nồng độ rất cao Do đó người ta có khuynh hướng xê dịch tỷ lệ về phía tăng hàm lượng đường Nói chung phản ứng có thể tiến hành ngay cả khi nồng độ axit amin không đáng kể và tỷ lệ axit amin trên đường rất bé 1/40 thậm chí 1/300

2.2 Ảnh hưởng của nước:

Để phản ứng Maillard tiến hành cực đại thì xung quanh mỗi phân tử protein phải tạo nên lớp đơn phân glucoza và lớp đơn phân nước Như vậy, sự có mặt của nước là điều kiện cần thiết để tiến hành phản ứng Nồng độ chất tác dụng càng cao, lượng nước càng ít thì tạo thành melanoidin càng mạnh

2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH của môi trường

2.3.1 Nhiệt độ

- Tăng nhiệt độ, vận tốc phản ứng tăng lên rất mạnh mẽ

- Ở các nhiệt độ khác nhau, các sản phẩm tạo thành cũng khác nhau

quan tốt hơn cả

- Khi nhiệt độ quá cao thì các melanoidin tạo được sẽ có vị đắng và mùi khét

- Trong sản xuất để thu được malt màu, người ta thường khống chế phản

hòa tan trong nước do đó làm giảm khả năng cho màu và độ trích ly của malt thu được

2.3.2 pH

Phản ứng Maillard có thể tiến hành trong một khoảng pH khá rộng, tuy nhiên trong môi trường kiềm phản ứng nhanh hơn Trong môi trường axit (pH < 3), quá trình tạo melanoidin thể hiện rất yếu và chủ yếu là sự phân hủy đường Cùng với sự tăng nhiệt độ phản ứng sẽ được tăng nhanh ngay cả khi trong môi trường axit (pH = 2)

2.4 Chất kìm hãm và chất tăng tốc phản ứng melanoidin:

2.4.1 Chất kìm hãm

- Chất kìm hãm là những chất phản ứng được với nhóm cacbonyl, ví dụ: dimedon, hydroxylamin, bisulfit

- Những chất này sẽ kết hợp với các chất khác nhau phát sinh ra ở trong giai đoạn trung gian, do đó làm ngừng các quá trình tiếp theo của phản ứng

* Khí sunfurơ, axit sunfurơ hoặc muối của nó (bisulfit của natri và kali) là nhữntg chất kìm hãm rất mạnh mà phản ứng tạo màu melanoidin

2.4.1.1 Axit sunfurơ:

Tác dụng kìm hãm của axit sunfurơ có liên quan với các reducton:

hợp chất 3,4 – didezoxy-4-Sulfohexozon (III) các dẫn xuất của axit sunfuric là những hợp chất rất bền vững, thậm chí bằng phương pháp thủy phân người ta

tương tự của phản ứng metanoidin đều không được chuyển hóa thành các hợp chất màu cuối cùng

Ngoài ra, khi kết hợp nhóm rượu bậc hai ở glucoza không no dạng trans, axit sunfurơ còn gạt bỏ khả năng vòng hóa sau này của glucozon (khi tương tác với amoniac)

H2SO3

Axit sulfurơ còn thể hiện tác dụng kháng khuẩn mạnh mẽ và là chất chống oxi hóa Axit sulfurơ ổn định được axit ascorbic ở dạng hydroascorbic ở trong các sản phẩm Người ta nhận thấy rằng, trong một số sản phẩm (nước chanh, nước nho, nước táo) khi lượng axit ascorbic bị giảm thì cường độ sẫm màu tăng lên, lượng axit amin và đường khử bị giảm xuống còn hàm lượng furfurol lại tăng lên Có lẽ do tính khử của axit ascorbic và khả năng phản ứng của nó với các sản phẩm trung gian của phản ứng Maillard Do đó khi vitamin hóa các sản phẩm thực phẩm sẽ làm yếu sự tạo thành các melanoidin Tuy chất kìm hãm axit ascorbic này làm tăng giá trị sinh học của sản phẩm, nhưng ý nghĩa thực tiễn lại hạn chế, vì axit ascorbic cũng như những axit hữu cơ khác, khi phân hủy sẽ cho hợp chất có màu sẫm Ngoài ra axit ascorbic là một reducton, nghĩa là một sản phẩm trung gian của phản ứng melanoidin mà sau này sẽ tương tác với axit amin để tạo thành chất có màu sẫm

Trong các sản phẩm có màu đậm do antoxian truyền cho, thì dưới tác dụng của vitamin C, màu tự nhiên sẽ bị nhạt đi Như vậy dùng axit ascorbic để kìm hãm sư sẫm màu là không có giá trị vạn năng Người ta chỉ có thể ứng dụng nó đối với từng sản phẩm cụ thể khi đã nghiên cứu thành phần hóa học của nó

2 Dimedon (dimetyl dihydrorezorxin) là chất kìm hãm phản ứng melanoidin tốt nhất Nó có khả năng liên kết các furfurol và aldehit do đó làm ngừng sự tạo melanoidin

Dimedon trong những điều kiện nhất định có thể kết tủa hoàn toàn furfurol bằng cách tạo ra sản phẩm ngưng tụ furfurol dimedon (hai phân tử)

natri hyposulfit, hydroquinon, hydro mới sinh) đều kìm hãm phản ứng tạo melanoidin nhưng với cường độ khác nhau

4 Gần đây người ta còn dùng este của axit pirocacbonic làm chất kìm hãm phản ứng melanoidin Este đó có cấu tạo như sau:

C O

H C2 C

H

C O C

C H2

H 3 C

H + O

C

O H

C O

C C H2 + H

H

C

O C

C H2 C

C H 3

C H 3

- H 2 O

O

H 3 C

H 3 C

H 3 C

O H O O

O

H 3 C

H 3 C

O H O O

- H 2 O

O O

5 Trong một số sản phẩm thực phẩm người ta còn dùng các anhydrit

Về phương diện lý thuyết, hiệu quả kìm hãm của piro cacbonat cũng như anhydrit cacbonic thể hiện ở chỗ chúng tương tác với nhóm amin tự do Do đó axit amin trở nên không có khả năng phản ứng với nhóm cácbonyl của đường

2.4.2 Chất tăng tốc:

Các chất tăng tốc phản ứng melanoidin có axit lactic phosphat muối của axit lactic làm tăng tốc phản ứng này rất mạnh Dung dịch đệm phosphat không những làm tăng nhanh vận tốc phản ứng giữa axit amin và glucoza mà còn làm tăng phản ứng nâu hóa dung dịch glucoza tinh khiết

Chương 3:

Như đã nêu ở trên, phản ứng giữa axit amin và đường xảy ra trong điều kiện rất dễ dàng, do đĩ phản ứng này xảy ra rất phổ biến trong sản xuất và bảo quản các sản phẩm trong thực phẩm Tuỳ thuộc vào yêu cầu về tính chất cảm quan của từng sản phẩm mà người ta hoặc tạo điều kiện để tăng cường phản ứng đến tối đa hoặc kìm hảm phản ứng đến mức tối thiểu

đa Màu sắc của vỏ bánh mì hầu như do phản ứng này quyết định Vì vậy những biện pháp kỹ thuật tương ứng trong quy trình sản xuất len men để tạo axit amin tự

do, đường khử, điều chhỉnh nhiệt độ trong giai đoạn nướng đều nhằm mục đích

đĩ

tươi Ở giai đoạn này tính chất cơng nghệ của malt được định hình và ở chừng mực nào đĩ, nĩ quyết định tính chất cảm quan của sản phẩm Quá trình quan

C = O

C = O

C = O

trọng nhất ở giai đoạn sấy malt là phản ứng tạo melanoidin- một hỗn hợp gồm nhiều hợp chất, ở mức độ rất cao chi phối chất lượng của bia vàng và là nhân tố quyết định về hương, vị, màu sắc, khả năng tạo và giữ bọt của bia đen Phụ thuộc vào bản chất của quá trình chuyển hoá trong từng thời điểm, quá trình sấy malt tươi có thể chia làm 3 pha chính: pha sinh lý, pha enzim và pha hoá học

Những quá trình xảy ra ở pha hoá học có ý nghĩa rất quan trọng đối với công nghệ sản xuất malt và bia vì rằng những sản phẩm tạo thành đóng vai trò rất lớn trong thành phần và chất lượng của malt Hương, vị và màu sắc cuối cùng của malt được hình thành chủ yếu ở giai đoạn này, còn chất lượng cảm quan của bia,

kể cả khả năng tạo bọt, và độ bền keo của chúng cũng được quyết định ở giai đoạn này Quá trình quan trọng nhất xảy ra ở giai đoạn này là sự tạo thành

melanoidin

4 Một số loại malt đặc biệt :

Ngoài malt vàng và malt đen, trong công nghiệp sản xuất bia còn sử dụng một số loại malt đặc biệt như malt caramel, malt cà phê, malt melanoid, malt diastalin và malt proteolin

Malt melanoid còn được gọi là melan, là loại malt đen, có mùi thơm rất mạnh, chứa nhiều melanoid, được sản xuất từ đại mạch có hàm lượng protein cao

ngày đêm Sau đó malt được vun thành đống, sau 2 ngày nhiệt độ khối hạt sẽ tăng

ươm mầm như vậy, hệ enzim proteaza hoạt động ở mức tối đa, kết quả là tạo ra nhiều axit amin - tiền đề cho phản ứng tạo melanoid Qua thực tế sản xuầt cho

cần kéo dài thêm 24 –36 h là được Như vậy chu kỳ ươm mầm của loại malt này kéo dài từ 4 – 5 ngày đêm Sau khi ươm mầm kết thúc thì malt tươi được sấy theo chế độ sấy của malt đen

Cường độ màu của malt melanoid được biểu thị bằng số mililit 0,1 N dung dịch I2 / 100 g chất khô Giới hạn tối đa của chỉ số này là 14 ml

Melan được sử dụng trong sản xuất bia đen vì chúng có khả năng làm cho sản phẩm mang vị ngọt đậm đà, hương thơm đặc trưng và cải thiện khả năng tạo

chính )

Khi sử dụng các loại mail đặc biệt, dịch đường thu được có tính khử rất cao, nguyên nhân là vì nó chứa nhiều hợp chất reducton Dịch đường đã có tính khử cao thì bia được lên men từ dịch đường đó cũng có tính khử cao Tính khử cao của bia được thể hiện ở độ bền của nó kháng lại các hiện tượng gây đục dạng keo và gây đục do các quá trình sinh học (hay nói cách khác, sản phẩm có độ bền keo và độ bền sinh học cao) Các hợp chất reducton liên kết với oxy xâm nhập vào, và sẽ cản trở quá trình oxy hoá các thành phần khác của bia như polyphenol, protein,…Với sự can thiệp như vậy của reducton sẽ hạn chế đến mức tối thiểu khả năng gây đục dạng keo- oxy hoá cho bia Mặt khác các hợp chất reducton đã kết hợp hết lượng oxy tự do, điều kiện đó không cho phép vi sinh vật còn có khả năng phát triển, ngăn chặn được sự vẩn đục do chúng gây ra Hàm lượng reducton

cao ở trong bia đen và thế oxy hoá - khử thấp do chúng tạo ra là một trong những nguyên nhân quan trọng nhất tạo nên độ bền vững của loại bia này

một cách triệt để Vì phản ứng sẽ gây tổn thất tinh bột và đường, đồng thời

melanoidin tạo thành có tác dụng kìm hãm hoạt động của enzim Zavroxki đã đề

ra kỹ thuật nấu nguyên liệu với một lượng lớn nước để khắc phục ảnh hưưỏng xấu của phản ứng này, đồng thời giảm tổn thất đường và tăng hiệu suất rượu

ứng maillard quyết định Việc làm giảm độ ẩm của môi trường sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng đó và tăng cường màu sẫm Nguyên nhân cơ bản của sự tự

ẩm hoá thuốc lá là phản ứng melanoidin có kèm theo thoát nước Khi tỉ lệ giữa axit amin và đường bằng ½ thì lượng ẩm thoát ra là cực đại và lượng chất khô là cực tiểu Thay đổi tỉ lệ này sẽ có ảnh hưởng nhanh chóng đến lượng nước thoát ra trong phản ứng

7 Sản xuất đường:

trên cơ bản không có sự thay đổi thành phần hoặc tính chất của chất khô trong dung dịch Tuy nhiên trong quá trình cô đặc vẫn xảy ra nhiều phản ứng hoá học

và hóa lý dẫn đến thay đổi thành phần và đặc tính của chất tan Nước ngưng tụ trong hệ cô đặc nhiều nơi không phải là nước nguyên chất mà chứa ít đường và chất không đường Sự có mặt của đường trong nước ngưng sẽ dẫn đến ăn mòn nồi hơi Mặt khác dưới tác dụng của nhiệt độ, xảy ra sự phân huỷ đường và chất không đường

Đường khử bị phân huỷ hoặc kết hợp với những chất chứa nitơ tạo thành melanoidin tạo thành màu sắc của nước mía Sự tăng màu sắc của nước mía trong quá trình bốc hơi phụ thuộc vào hiệu quả làm sạch nước mía, thời gian và nhiệt độ cô đặc

 Nấu đường:

năng quay cực của đường khử, phản ứng tạo chất màu giữa đường khử với axit amin Phản ứng tạo màu xảy ra nhiều khi nấu đường non các sản phẩm cuối vì nồng độ đường non cao, nhiệt độ một số vùng trong thiết bị cao Phản ứng này tiếp tục xảy ra trong thiết bị kết tinh làm lạnh

trình kết tinh trở thành không tan, kết tủa ở dạng muối canxi va magie Ví

dụ : canxi aconitat, magie aconitat và canxi oxalat Một số axit amin kết hợp với đường khử tạo thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ tan trong dung dịch Độ tinh khiết của đưưòng non càng thấp, nồng độ chất màu càng cao

Sự tăng màu còn xảy ra nhiều do rửa nồi nấu không sạch sau khi xả đường non

8 Chế biến và bảo quản rau quả: