PHẢN ỨNG MELANOIDIN

I- ĐỊNH NGHĨA PHẢN ỨNG MELANOIDIN: * hản ứng Melanoidin là phản ứng giữa đường khử hoặc sản phẩm của sự phân huỷ đường bởi nhiệt độ và các chất chứa nhóm amin, trước hết là các amit, axi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ MAY VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

LỚP 041160 CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI : MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM

PHẢN ỨNG MELANOIDIN

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN

NGUYỄN THỊ NGỌC CẦM

NGUYỄN THỊ MỘNG LINH

NGUYỄN QUỐC NGHĨA

PHẠM VĂN THẠNH

HOÀNG THỊ THƠM

VI THÙY TRANG

I- ĐỊNH NGHĨA PHẢN ỨNG MELANOIDIN:

*

hản ứng Melanoidin là phản ứng giữa đường khử hoặc sản phẩm của sự phân huỷ đường bởi nhiệt độ và các chất chứa nhóm amin, trước hết là các amit, axit amin, các peptit và amoniac

P

-Nói tóm gọn, các hợp phần tham gia phản ứng là protein và glucide

*

Thực chất Melanoidin là hợp chất màu ở dạng polyme, sản phẩm của phản ứng

Maillard-một phản ứng tạo màu nâu phi enzym mà bản chất là phản ứng melanoidin

*

-Điều kiện để phản ứng xảy ra được là chất tham gia phản ứng phải có nhóm

cacbonyl C = O

-Phản ứng xảy ra trong cả môi trường kiềm và acid

-Phản ứng bắt đầu ở nhiệt độ 30o C, tăng nhanh khi nhiệt độ bằng 60o C Khi nhiệt độ khoảng từ 100o C đến 120o C thì phản ứng xảy ra rất nhanh

II- CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ( CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHẢN

Sản phẩm của giai đoạn này không màu và không hấp thụ ánh sáng cực tím

+ Giai đoạn thứ hai(giai đoạn trung gian):gồm các phản ứng khử H2O của đường,phản ứng phân huỷ đường và các hợp chất amin

Sản phẩm của giai đoạn này không màu hoặc có màu vàng và hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím

+ Giai đoạn cuối cùng: gồm các phản ứng ngưng tụ aldol, phản ứng trùng hợp hóa aldehitamin 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 tỉ lệ của sản phẩm này hay sản phẩm khác chiếm ưu thế là phụ thuộc mức độ tiến hành của phản ứng

1)Giai đoạn đầu của phản ứng tạo melanoidin:

a)Phản ứng ngưng tụ cacbonylamin:

Giai đoạn đầu tiên của sự tạo thành melanoidin là sự ngưng tụ đường với axit amin

+ Trong điều kiện nhiệt độ sinh lý thì tạo thành bazơ schiff hoặc glucozit (Bazơ schiff là một hợp chất hữu cơ có nhóm – HC = N - )

N-glucozit

Trong điều kiện sản xuất khi ở nhiệt độ cao, phản ứng được bắt đầu không phải từ N-glucozit mà từ sacaroamin( đường amin) theo sơ đồ:

-Phản ứng này có thể tiến hành ở chỗ lạnh và qua một vài giờ thì đạt cân

bằng.Nhưng tốc độ phản ứng có thể tăng rất nhanh khi đun nóng hỗn hợp phản ứng

b)Phản ứng chuyển vị Amadori:

-Khi ở nhiệt độ cao thì phức đường amin bị đồng phân hoá hay còn gọi là bị

chuyển vị nội phân Amadori.Kết quả là giữa nguyên tử cacbon thứ nhất và thứ hai

phát sinh ra nối kép và tạo thành 1- amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza:

O

1C H H C OOH O COOH

H 2C H N C R” R’ 1C 2CH2 NH CH R”

R' 1- amin – 1 – dezoxy – 2 - xetoza Phức đường amin

R’ C CH NH CH R”

Dạng enol của 1 – amin – 1 – dezoxy – 2- xetoza

-Sản phẩm của sự chuyển vị Amadori là hợp chất có khả năng phản ứng và là chất khởi đầu để tạo thành polime có màu sẫm gọi là melanoidin

2) Giai đoạn trung gian của phản ứng melanoidin:

Ở giai đoạn này xảy ra sự khử H2O của 1- amin – 1 – dezoxy – 2 – xetoza tạo

thành các sản phẩm phân ly khác nhau

-Phụ thuộc vào điều kiện của môi trường và nhiệt độ mà giai đoạn này có thể tiến hành bằng một vài con đường:

+ Khử H2O của dezoxyxetoza tạo thành furfurol hoặc hydroxymetylfurfurol

+ Khử H2O của dezoxyxetoza tạo thành reducton mạch hở

+ Phân huỷ hợp phần đường để tạo thành andehit, axeton, diaxetyl

+ Tạo thành ozon

* Tạo thành furfurol và ozon:

-Nếu cấu tử đầu tiên của sự tạo thành melanoidin là glucoza, thì sản phẩm chuyển

vị Amadori khi đun nóng sẽ chuyển sang dạng furan và sau đó thành bazơ schiff

CH CHHOH2C C C CH = NR

O

bazo schiff của hydroxymetyl furfurol

-Nếu đường khởi đầu không phải là hexoza mà là pentoza thì tạo thành bazơ schiff của furfurol

-Sau này khi bị thủy phân, bazo schiff của hydroxymetylfurfurol hoặc của furfurol

có thể bị phân hủy để tạo thành hydroxymetylfurfurol hoặc furfurol và axitamin tự

do theo sơ đồ:

CH CH

HOH2C C C CH = N R + H2O

O HC CH O

HOH2C C C C + R NH2

O

Hydroxymetylfurfurol axit amin

-Đôi khi bazơ schiff của hydroxymetylfurol và của furfurol cũng có thể ngưng tụ để

tạo thành melanoidin chứa nitơ Trong môi trường axit hoặc trung tính và ở nhiệt

độ cao thì furfurol và các dẫn xuất của nó sẽ tạo thành trước tiên.

-Reinol, Anst và Inglend đã tìm thấy một con đường khử nước khác của

H C H C H C

C = O C = O C = O

CH2 O C H O H C O

-Hydroxymetylfrufurol cũng có thể được tạo thành Các tác giả này cho rằng các

sản phẩm vừa kể trên là những chất tiền thân cơ bản của các polyme có màu nâu sẫm

* Tạo thành reducton có sáu cacbon:

-Các aminodexyxetoza được tạo thành khi chuyển vị Amadori, có thể bị khử đi hai

phân tử H2O để tạo thành các reducton có sáu cacbon.

-Reducton là những hợp chất hữu cơ có tính chất chung là khử mạnh do có nhóm

-Do đó những hợp chất này rất nhạy với phản ứng oxy hóa và khử Chẳng hạn,

reducton đơn giản nhất là triozoreducton:

-Sự tổ hợp nhóm endiol với nhóm cacbonyl làm cho các chất này có khả năng nhạy cảm đặc biệt đối với các phản ứng oxy hoá và khử.

-Khả năng phản ứng của reducton có thể đến sự hủy hidro để chuyển nhóm endiol

thành nhóm cacbonyl:

R C = C R1 2H R C C R1

OH OH O O

reducton dehydroreducton

-Các reducton này cũng dễ dàng kết hợp với oxy và đó chính là điều rất quan

trọng cho sự bền vững của cơvat O

-Reducton không khử nước Feilling nhưng lại dễ dàng khử iot và C

2,6-diclophenolindophenol

-Axit dehydroascobic có thể coi là một ví dụ C = O

của reducton sáu cacbon: O

-Không phải chỉ riêng reducton mà các dạng dehydro của chúng cũng tham gia

vào việc tạo nên màu nâu

* Phân hủy đường:

-Một trong những giai đoạn trung gian của phản ứng tạo melanoidin là sự phân huỷ cấu tử đường của sản phẩm chuyển vị amadori để tạo thành các sản phẩm

khác nhau: triozonreducton , andehit piruvic, axeton, axetoin, diaxetyl.

-Một số chất tạo thành khi phân huỷ đường có mùi và vị dễ chịu, do đó quyết định chất lượng của sản phẩm

* Phân hủy các hợp chất amin:

-Trong quá trình tạo nên melanoidin thì CO2 , andehit và NH3 là những sản phẩm của phản ứng khi ở nhiệt độ cao.Nguyên do của hiện tượng này là sự phân huỷ strecker theo những hướng khác nhau:

♦Sản phẩm của sự chuyển vị Amadori có thể kết hợp với các axit amin để thoát

ra CO2 và H2O:

-Bazơ schiff được tạo thành bị thuỷ phân thành andehit và hợp chất amin Chính

hợp chất amin này sẽ cho các sản phẩm chứa Nitơ và có màu nâu sau này Còn andehit được tạo thành trong phản ứng này, so với axit amin đã tham gia tương tác

với aminodezoxyxetoza thì có ít hơn một cacbon.

♦Giữa furfurol hoặc hydroxymetylfurfurol và axit amin có thể xảy ra sự tương tác

COOH OOH COOH OH

Axit amin axit peroxyfurfurolic axit imin axit furfurolic

R R

C = NH + H2O C = O + CO2 + NH3

COOH COOH

Axit imin andehit

-Kết quả là từ axit amin tạo thành andehit có ít hơn một nguyên tử cacbon

♦ Andehit cũng có thể được tạo thành do kết quả của sự chuyển amin giữa axit

amin với reducton:

R R

CH NH2 + R C C R' C = O + R CH C R9 + CO2 COOH O O H NH2 O

Axit amin reducton andehit aminoreducton

-Do sự chuyển amin mà dẫn đến hình thành nên andehit là phản ứng chủ yếu nên nitơ tham gia vào polyme màu nâu.

-Phần lớn CO2 thoát ra trong quá trình tạo melanoidin đều do axit amin bị phân huỷ strecker

-Các andehit tạo thành đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hương vị của sản phẩm thực phẩm khi chế biến nhiệt Mỗi amino axit kết hợp với một loại đường sẽ cho một mùi hương riêng biệt, tuỳ thuộc vào sự tạo thành một loại andehit nhất định

3) Giai đoạn cuối cùng của phản ứng tạo melanoidin:

-Giai đoạn này bao gồm rất nhiều phản ứng phức tạp Có thể chia thành 2 kiểu phản ứng:

+ Phản ứng ngưng tụ aldol với sự tạo thành polyme màu nâu không chứa nitơ.+ Phản ứng trùng hợp hoá andehitamin với sự tạo thành các hợp chất nitơ dị vòng

♦Ngưng tụ aldol:

Ví dụ như sự ngưng tụ andehit axetic:

CH3 C = O + HCH2 C = O CH3 CH CH2 C = O

H H OH H

Andehit axetic andehit axetic aldol

-Khi đó, nguyên tử hidro của nhóm metyl của một phân tử andehit này được liên kết với nguyên tử oxy của nhóm cacbonyl của phân tử andehit thứ hai

♦Sự trùng hợp hoá:

-Sự trùng hợp hoá và oxy hoá đồng thời các andehit aminoaxetic dẫn đến sự tạo

Andehit aminoaxetic pirazin

-Pirazin có mùi dễ chịu nhưng yếu, hoà tan trong nước.

-Khi trùng hợp hoá dehydroreducton với amoniac và andehit sẽ tạo thành hợp chất

R C = O NH3 R C N

R’ C = O + OHC R” R’ C C R” + 3 H2O

NH3 NH

Imidazon dẫn xuất

-Ngoài những hợp chất trên, do kết qủa của phản ứng ngưng tụ andehit, piridin và pirol cũng có thể được tạo thành

-Sự ngưng tụ aldol chỉ tiến hành được khi caramen hoá dung dịch đường thuần khiết Khi có mặt các hợp chất amin mặc dầu chỉ là vết cũng xảy ra đồng thời cả hai kiểu phản ứng

-Giai đoạn cuối cùng của phản ứng melanoidin sẽ tạo nên đầu tiên là các polyme không no hoà tan được trong H2O, sau đến là các polyme không no và không hoà tan được trong H2O, nhưng đều có màu sậm và cùng có tên gọi chung là melanoidin.Một số cấu trúc monome của melanoidin:

-Khả năng hoà tan của melanoidin phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng

-Khi nhiệt độ cao thì phản ứng xảy ra mãnh liệt hơn nhưng melanoidin tạo thành có hương thơm kém hơn và ít hoà tan trong H2O hơn

III-CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG MELANOIDIN:

1) Aûnh hưởng của axit amin và đường:

-Cường độ sẫm màu của melanoidin tạo thành phụ thuộc nhiều vào bản chất của axit amin và đường

a) Sự phụ vào axit amin:

-Ta thấy trong giai đoạn trung gian khi tạo thành furfurol và oxymetylfurfurol có

kèm theo sự tái tạo axit amin vốn đã tham gia tương tác với đường từ phản ứng đầu tiên.Như vậy có thể xem axit amin như là một chất xúc tác trong giai đoạn đầu Một phần axit amin tham gia sự tạo thành andehit và NH3 , NH3 tương tác với đường và tạo thành melanoidin

* Các axit amin tham gia phản ứng khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ , pH và lượng nước, chẳng hạn:

+Khả năng phản ứng và cho màu mạnh hơn cả là glicocol, alanin, asparagin.Trái lại Xistin và tirozin cho sản phẩm màu rất yếu

+Valin và lơxin cho mùi rất mạnh

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

+Phenylalanin pản 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

* 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 cacbonyl Nhóm amin càng xa nhóm cacbonyl thì tham gia phản ứng càng mạnh mẽ.Chính vì vậy α - axitamin hoạt động kém hơn β - axitamin

* Protein, peptit, amin , amon và một số chất chứa Nitơ khác cũng có khả năng phản ứng với đường khử tạo thành chất có màu sẫm Các protein phản ứng được với đường là do các nhóm –NH2 tự do quyết định

-Nhóm -NH2 trong protein càng nhiều thì khả năng tạo melanoidin càng mạnh.:-Glucoza phản ứng mãnh liệt hơn cả, tiếp theo là đến galactoza và lactoza

-Fructoza phản

b) Sự phụ thuộc vào đường khử:

*Cường độ phản ứng melanoidin phụ thuộc vào bản chất đường khử ứng nhanh hơn glucoza

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

-Sacaroza không phản ứng với axit amin vì không có nhóm cacbonyl.

*Cường độ phản ứng còn phụ thuộc vào nồng độ đường:

-Tỷ lệ giữa axit amin và đường thích hợp nhất là ½ hoặc 1/3

-Việc tăng hợp phần đường sẽ làm cho melanoidin tạo được có dạng hoà tan ngay cả khi nồng độ rất cao

-Mặc dầu vậy, thực tế phản ứng có thể tiến hành ngay cả khi nồng độ axitamin không đáng kể và tỷ lệ axit amin/đường rất bé:1/40, thậm chí 1/300

2) Aûnh hưởng của H 2 O:

-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 H2O Như vậy , sự có mặt của H2O là điều kiện cần thiết để tiến hành phản ứng

-Nồng độ chất tác dụng càng cao, nồng độ H2O càng ít thì tạo thành melanoidin càng mạnh.Khi hàm lượng nước là 30% so với trọng lượng hợp chất thì phản ứng xảy ra thuận lợi.Khi hàm lượng nước là 90% thì phản ứng hầu như không phát sinh

3) Aûnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ có ảnh hưởng quan trọng đến sự tạo thành màu

-Ở 0o C và dưới 0o C, phản ứng melanoidin không xảy ra

Cùng với sự tăng nhiệt độ, vận tốc phản ứng tăng lên mạnh mẽ(khoảng ở 60o C thì vận tốc phản ứng bắt đầu tăng nhanh)

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

+Khi nhiệt độ từ 95o C đến 100o C ,phản ứng sẽ cho ra các sản phẩm có tính chất cảm quan tốt hơn cả

+Nhiệt độ quá cao thì melanoidin tạo thành sẽ có vị đắng và mùi khét

+Ở nhiệt độ trên 160o C, melanoidin tạo thành không tan trong nước

+Lượng chất màu sẽ đạt cực đại ở nhiệt độ 190o C

4) Aûnh hưởng của pH:

5) Chất kìm hãm và chất tăng tốc phản ứng melanoidin

a) Chất kìm hãm:

-Chất kìm hãm phản ứng melanoidin thường là những chất phản ứng được với nhóm cacbonyl như: dimedon( dimetyldihydrorezorxin), hydroxylamin, bisunfit.Những chất này sẽ kết hợp với các chất khác nhau phát sinh ở giai đoạn trung gian, do đó làm ngừng các quá trình tiếp theo của phản ứng

* Khí sunfurơ , axit sunfurơ hoặc muối của nó(natri bisunfit hoặc kalibisunfit) là những chất kìm hãm rất mạnh mẽ phản ứng tạo màu melanoidin

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

CHO CHO CHO

CO COH CO

CH2 CH H2SO3 CH2

CHOH CHOH CHSO3H

CHOH CHOH CHOH

CH2OH CH2OH CH2OH

3,4-didezoxy - sulfonexozon

CHO

CO

CHCHCHOH

-Ngoài ra, khi kết hợp nhóm rượu bậc 2 ở glucozon không no dạng trans, axit

sunfurơ còn gạt bỏ khả năng vòng hoá sau này của glucozon( khi tương tác với amoniac)

-Axit ascobic còn có tác dụng kìm hãm sự sẫm màu trong các sản phẩm nước trái cây như nước chanh, nước nho, nước táo…

* Chất kìm hãm phản ứng melanoidin tốt nhất là dimedon.Nó có khả năng liên kết với các furfurol và các andehit do đó làm ngừng sự tạo thành melanoidin

-Trong những điều kiện nhất định có thể kết tủa hoàn toàn furfurol bằng cách tạo ra sản phẩm ngưng tụ furfuroldimedon

* Các chất oxy hoá như :KMNO4 , H2O2 , quinhidron và các chất khử :H2SO3, natri hiposunfit, hydroquinon, hydro mới sinh đều kìm hãm phản ứng tạo melanoidin nhưng với các cường độ khác nhau

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

R1 O C O C O R2

O O

R1,R2 có thể là các gốc ankyl, aryl hoặc các gốc dị vòng (furfuryl)

-Ngoài ra, người ta còn dùng các anhydrit cacbonic của các α - hydroxyaxit và pirocacbonat vì chúng tương tác với nhóm amin tự do làm cho các amin không còn khả năng phản ứng với các nhóm cacbonyl của đường

Trường hợp dùng axit lactic trường hợp dùng axit tartric

b) Chất tăng tốc phản ứng :