Procesi prerade prehrambenih proizvoda i priprcme hrane za konzumiranjc obuhvataju temperaturne tretmane koji utiču na promenu sastava i hranljivu vrednost prchrambenog proizvoda, na razvijanje, poželjnih ili ne, konstituenata aromc i stvaranjc krajnjcg reakcionog proizvoda, mrke amorfne supstance — melanoidina. Vrlo često, zavisno od načina i uslova pripreme hrane, mogu nasfati neke mutagene i karcinogenc supstance.
Primena tradicionalnih postupaka pripreme hrane z’a konzumiranje (przcnje, dimljenje, grilovanje i sl.) od sirovina koje se danas dobijaju uglavnom primenom raznih hcmijskih sredstava u svim fazama do konzumiranja, povećava rizik za konzumenta zbogštetnih materija unetih u organizam, a naročito zbog novonastalih jedinjenja interakcijom sa konstituentima prehrambenog proizvoda u uslovima temperaturnog trctmana.
Sve izraženije nastojanje brojnih naučnih institucija i istraživača’da se dobije što boIji prehrambeni proizvod, dovelo je do istraživanja jedne od najvažnijih rcakcija u hemiji prirodnih proizvoda reakcije neenzimskog tamnjenja.
Da bi se shvatila kompleksnost reakcije neenzimskog tamnjenja, potrcba za strogom kontrolom procesnih parametara tehnoloških postupaka u prehrambenoj industriji, kao i potreba promene tradicionalnih načina spravljanja hranc, deo naučnih saznanja o reakcijama neenzimskog tamnjenja, od njene geneze, unazad par decenija, do najnovijih naučnih zaključaka, prikazan je u ovoj knjizi, sa namerom da svako nadje domen svog intcresovanja.
Autori
Sadržaj
I. HEMIJA REAKCIJA NEENZIMSKOG TAMNJENJA (Božidar Milić)
I. 1.0. Uvod
I. 2.0. Reakcija karamelizacije
I. 2.1. Stabilnost fruktoze i glukoze
I. 2.2. Reakcije enolizacije i izomerizacije
I. 3.0. Karbonil-amin reakcije
I. 3.1. Amadori-premeštanje
I. 3.2. Reakcije aldoza i aminokiselina
I. 4.0. Faktori koji utiču na reakciju tamnjenja
I. 5.0. Savremeni aspekti neenzimskog tamnjenja i reakcioni međuproizvodi
I. 5.1. Izolovanje, identifikacija i mehanizam nastajanja pirolderivata
I. 5.2. Identifikacija i mehanizam nastajanja pirazina oksazola i piridin derivata
I. 6.0. Kinetičko ponašanje reakcije između aldoza i aminokiselina
I. 6.1. Elektron spin rezonanta (esr) sprektralna analiza slobodnih radikala između aldoza i aminokiselina
I. 7.0. Mutagene i kancerogene supstance u temperaturom tretiranim namirnicama
I. 7.1. Policiklični aromatični ugljovodonici nekih prehrambenjh proizvoda
I. 7.2. Nove mutagene i karcionogene supstance u prženim i grilovanim namirnicama
I. 7.3. Mutagene supstance namirnica pripremljene uobičajenim uslovima
I. 7.4. Mutagena aktivnost amino-imidazoazaren derivata
I. 8.0. Reakcioni proizvodi reakcije neenzimskog tamnjenja
I. 8.1. Humini, šećer-karameli ili aldokarameli
I. 8.2. Melanoidini
I. 8.3. Određivanje molekulske mase melanoidina
I. 8.4. Struktura melanoidina
Literatura
II. NEENZIMSKO TAMNJENJE MLEČNIH PROIZVODA (Marijana Carić)
II. 1.0. Moguće reakcije neenzimskog tamnjenja u mlečnim proizvodima
II. 2.0. Faktori koji utiču na Malllard-ove reakcije u mlečnim proizvodima
II. 2.1. Intenziviranje Maillard-ovih reakcija
II. 2.2. Inhibiranje Maillard-ovih reakcija
II. 3.0. Komponente koje učestvuju u Malllard-ovim reakcijama u mlečnim proizvodima
II. 3.1. Laktoza
II. 3.2. Kazein
II. 4.0. Uticaj reakcija Maillard-ovog tipa na nutritivnu vrednost mlečnih proizvoda
II. 5.0. Maillard-ove reakcije kod pojedinih mlečnih proizvoda
II. 5.1. Sterilizovana mleka
II. 5.2. Kondenzovana mleka
II. 5.3. Mleka u prahu
II. 5.4. Topljeni sirevi
II. 5.5. Ostali mlečni proizvodi
LITERATURA
III. NEENZIMSKO TAMNJENJE PROIZVODA OD VOĆA I POVRĆA (Biserka Vujičić)
III. 1.0. Sokovi i koncentrati voća i povrća
III. 1.1. Sušeni proizvodi od voća i povrća
III. 2.0. Praktična primena neenzimskog tamnjenja
III. 2.1. Faktori koji utiču na sprečavanje reakcija neenzimskog tamnjenja
LITERATURA
INDEKS REAKCIJA
PREDMETNI INDEKS
I. HEMIJA REAKCIJA NEENZIMSKOG TAMNJENJA
I.1.0 Uvod
Jedan od čestih fenomena u hemiji prirodnih proizvoda, koji se javlja u toku pripreme, prerade i uskladištenja hrane, je neenzimsko tamnjenje. Nasuprot onim reakcijama tamnjenja, koje uključuju dejstvo enzima, ove reakcije ne zahtevaju njihovo katalitičko dejstvo i nazivaju se „Neenzimskim reakcijama tamnjenja“. U pripremi i preradi hrane, mnoge prehrambene industrije su zainteresovane za stvaranje ili sprečavanje pojave reakcije neenzimskog tamnjenja, odnosno za formiranje mrkih reakcionih proizvoda koji su konstituenti arome, boje i ukusa nekih prehrambenih proizvoda (kafa, karamel, hleb, instant pire, pržene cerealije, čips i dr.) ili za njihovo inhibiranje (topljeni sir, koncentrati voćnih sokova, ekstrakti od mesa i dr.).
Reakcije neenzimskog tamnjenja prirodnih sistema praćene su razvijanjem arome, izmenom tkiva i javljanjem žute, crvene, mrke i crne boje, što čini prehrambeni proizvod više ili manje prihvatljiv za potrošača, ali u svim slučajevima hranljiva vrednost biva izmenjena.
Reakcije neenzimskog tamnjenja obuhvataju različite vrste reakcija: dehidrataciju, degradaciju, fragmentaciju, kondenzaciju i polimerizaciju, čiji hemizmi i kinetike nisu u potpunosti opisani čak ni u prostim slučajevima, kada su korišćeni prosti model sistemi. Kada se reakcije odvijaju bez prisustva azotnih jedinjenja, ove reakcije se označavaju kao „Reakcije karamelizacije“, a kada se odigravaju u prisustvu azotnih jedinjenja, naročito u prisustvu primarnih i sekundarnih amina i aminokiselina, one se nazivaju „Karbonil amin reakcije“ ili Maillard reakcije (Hodge, 1953).
Glavni hemijski procesi, koji se javljaju u inicijalnim stupnjevima reakcije neenzimskog tamnjenja, u toku reakcije karamelizacije kao i u toku karbonil amin reakcije, su nejasni i do danas, u nekim slučajevima, neutvrdjeni. Hemizmi ovih reakcija uglavnom zavise od reakcionih uslova: temperature, pH vrednosti, prirode reaktanata i njihove koncentracije, kao i vremena trajanja tih efekata. Isto tako, kasniji stupnjevi reakcije neenzimskog tamnjenja zavrse od eksperimentalnih uslova i daju hemijske proizvode nepoznatog mehanizma nastajanja krajnjih reakcionih proizvoda i uključuju serije različitih reakcija koje imaju znatne medjusobne efekte i utiču na osobine takvog sistema.
I.2.0 Reakcije karamelizacije
U mnogim slučajevima, mada to ne mora biti, šećeri su osnovni reaktanti u reakcijama neenznmskog tamnjenja. Ove reakcije koje obuhvataju transformaciju i degradaciju šećera bez prisustva amino-jedinjenja, nazivaju se „Reakcije karamelizacije“.
Pod anhidrovanim uslovima zagrevanja ili pri visokim koncentracijama šećera u razblaženim kiselim rastvorima, inicijalni stupnjevi reakcije-karamelizacije su okarakterisani nastajanjem anhidrošećera. Saopšteno je (Anet, 1962) da glukoza, pod navedenim eksperimentalnim uslovima, daje glukozan, 1,2-anhidro-a-glukozu i levoglukozan, 1,6-anhidro-β-D-glukozu. Ove dve anhidroglukoze se lako razlikuju svojim specifičnim rotacijama. Saopštene vrednosti su Izostavljeno iz prikaza (Anet, 1962). Prvo jedinjenje se lako fermentira pod dejstvom kvasca dok drugo ne.
Fruktoza u početku daje levulozan, 2,3-anhidro-S-D-fruktofuranozu, sa specifičnom rotacijom jog0 | +18.6 (Pictet i Reilly, 1921; Sugisava i Edo, 1964). Dimerizacija ovog jedinjenja daje seriju anhidrida di-D-fruktoze (Anderson i Degn, 1962; Feather i Harris, 1970)r Kada se saharoza zagreva na 200°C javljaju se simultane reakcije hidrolize i dehidratacije, koje prati brza dimerizacija pri čemu se gradi izosakrozan, 1,3′-2,2′-dianhidro-a-D-glukopiranozil-g-D-fruktofuranoza (Slika I. 1.)
Slika 1.1. lzosakrozan (Fcather i Harris, 1970).
Izostavljeno iz prikaza
U razblaženim rastvorima redukujućih šećera, inicijalni stupnjevi reakcije karamelizacije obuhvataju reakcije enolizacije, izomerizacije, dehidratacije i fragmentacije, zatim do reakcije polimerizacije pri čemu se grade pigmenti, slični onima koji se javljaju pri reakciji karamelizacije pod dejstvom visokih temperatura ili u rastvorima velikih koncentracija redukujućih šećera.
Klasična reakcija karamelizacije je fenomen koji je proučavan na primenu zagrevanja saharoze, mada se komercijalni karamel-proizvodi dobivaju iz sirupa glukoze (Linner, 1973). Kada je saharoza istopljena na 160°C i držana na toj temperaturi u toku dužeg vremenskog perioda utvrđena su dva anhidrošećera: glukozan, 1,2-anhidro-a-D-glukoza, i levulozan, 2,3-anhidro-|3-D-fruktofuranoza.
U toku karamelizacije saharoze na 200°C, Shumaker i Buchanan (1932) utvrdili su tri nesumn]ivo jasna endotermna procesa. (Slika I.2.). Posle topljenja saharoze, započinje penušanje istopljene mase koje se prfekida posle 35 minuta. Gubitak u masi iznosi 4,5%, što odgovara gubitku jednog molekula vode po molekulu saharoze, što je analogno formiranju izosakrozana. Ako se istopljena saharoza, posle početka penušanja, zagreva na 200° C u toku 55 minuta, gubitak ukupne mase iznosi 9,0%, što odgovara prosečnoj molekulskoj formuli Karamelana: C24H36O18.
Slika 1.2. Karamelizacija saharoze (Shumaker i Buchanan, 1932)
Izostavljeno iz prikaza
Izolovan karamelan je rastvoren u vodi i etanolu i topi se na 138°C (Mirosnikova i sar., 1970) i ima gorak ukus.
Treći stepen je karakterističan dužim zagrevanjem, posle penušanja istopljene saharoze i građenjem pigmenta Karamelena. Prosečna molekulska masa ovog pigmenta odgovara gubitku osam molekula vode iz tri molekula saharoze i gubitku ukupne mase od oko 14,0%. Karamelen je rastvoran jedino u vodi i ima
3C12H22O11 → 8H2O = C36H50O25
tačku topljenja 154°C (Mirosnikova i sar., 1970). Nastavljeno zagrevanje saharoze vodi formiranju „humina“, tamne infuzione supstance visoke molekulske mase. Janacek (1939) je saopštio da humini imaju prosečnu molekulsku masu koja odgovara bruto formuli C125H188C80 Tehnološki termin za humine je karamelin.
Očito je da šećer-karameli variraju u osobinama i konstituciji zavisno od vremena zagrevanja i od intenziteta takvog tretmana. Dijagram formiranja karamelana, karamelena i karamelina pri karamelizaciji saharoze je prikazan na slici I.2. Reakcija karamelizacije prikazana na slici 1.2. je karakteristična za saharozu, ali ona ne označava jedini fenomen koji se pod navedenim eksperimentalnim uslovima mora javiti pri topljenju drugih šećera, čak niti pri topljenju saharoze ako nisu zadovoljeni standardni uslovi eksperimenta.
Različite količine reverzionih šećera i proizvoda reakcije fragmentacije i dehidratacije određuju karakterističnu aromu karamela. Između brojnih jedinjenja koja se mogu javiti pri karamelizaciji šećera najznačajnija su: acetoin, acetol, furan, furfural, izomaltol, sirćetna kiselina, mravlja kiselina i dr. Prema saopštenjima Jurch-a i Tatum-a (1970) dva degradaciona proizvoda, acetilformoin, 4-hidroksi-2,3,5-heksatrion, i 4-hidroksi-2,5-dimetil-3-furanon, imaju tipičnu aromu karamela.
Neka karakteristična hemijska jedinjenja, nastala reakcijama karamelizacije, sa tipičnim osobinama navedena su u pregledu tablice 1.1.
Karamel-pigmenti su uglavnom polimeri sa jezgrom pirana (O’Colla i sar., 1962) sa dominantnim tipom veze 1,6-, Pigmenti su koloidne prirode i imaju različite veličine čestica. Prema Sapronov-u i sar. (1969) vrednosti srednjih poluprečnika čestica karamel-jedinjenja, koje bi odgovarale karamelanu, karamelenu, odnosno karamelinu iznose 0,46 nm, 0,95 nm, odnosno 4,33 nm. Kao koloidne supstance, karamel-pigmenti imaju izoelektrične tačke koje su različite od jedne do druge karamel-supstance, zavisno od metode dobijanja. Čestice su pozitivno naelektrisane u rastvorima pH vrednosti više alkalnim od njihove izoelektrične tačke, dok su negativnog naboja pri pH vrednostima mnogo kiselijimod njihove izoelektrične tačke (Greenshields i sar., 1969).
Pored hidroksilnih grupa različite baznosti, karamel-pigmenti mogu posedovati karbonilne, karboksilne i enolne grupe (Miroshnikova i sar., 1970). Prema ranijim nalazima (Plunguian i Hibbert, 1935), prisutne su i fenolne hidroksilne grupe, čime se može objasniti pojava da joni gvoždja intenziviraju karamel boju. Osobina gvoždja i fenolnih supstanci da reaguju i daju karakteristično plavo do crno obojenje sistema je dobro poznata u hemiji prirodnih prolzvoda.
Mehanizam polimerizacije fragmenata molekula šećera i dehidratacionih proizvoda sličan je kondenzaciji, pri čemu se dobijaju obojeni polimeri visoke molekulske mase, u kojima se broj C-atoma u molekulu povećava proporcionalno progresivnoj dehidrataciji.
Reakcija karamelizacije je autokatolitička(Doss i Grosh, 1949) i povećanjem temperature ne samo da se povećava i menja reakciona brzina formiranja tamnih proizvoda, nego se dobivaju i kvalitativno različiti pigmenti. Efekti pH vrednosti reakcije su veoma značajni. Reakciona brzina pri pH vrednosti 8,0 je deset puta veća od one pri pH 5,9 (Ledon i Lananeta, 1950). Efekat pH vrednosti na stabilnost glukoze u rastvoru, meren intenzitetom formiranja boje rastvora, je prikazan na slici I.3.
Slika 1.3. Efekat pH na intenzitet razvijanja boje zagrevanog rastvora glukoze (Kroner i Kothe, 1939).
Izostavljeno iz prikaza
Iz dijagrama prikazanog na slici I 3 uočljivo je da su reakcije karamelizacije kvalitativno različite pri različitim pH vrednostima. Prikazani rezultati su potvrda činjenice o stabilnost glukoze u rastvoru pH vrednosti 2,8. Ovo je tačno, naravno, jedino u odnosu na sposobnost razvijanja boje rastvora glukoze.
II. Neenzimsko tamnjenje mlečnih proizvoda
II.1.0. Moguće reakcije neenzimskog tamnjenja u mlečnim proizvodima
Reakcije neenzimskog tamnjenja mleka i mlečnih proizvoda pod uticajem povišenih temperatura mogu se klasifikovati kao:
- Reakcije karamelizacije,
- Maillard-ove reakcije,
- Oksidativno tamnjenje.
Karamelizacija nastaje u odsustvu amino jedinjenja, predstavlja termičku degradaciju laktoze i zahteva visoku energiju aktivacije. Ustanovljeno je da su za karamelizaciju mlečnog šećera od značaja sledeći parametri: režim (temperatura i vreme) termičkog tretmana, sastav mleka (koncentracija laktoze, koncentracija fosfatnih jona), pH sredine, prisustvo gasova i katalizatora (Carić, 1980). Međutim, u mleku i mlečnim proizvodima, su uz laktozu uvek prisutni i proteini, a temperature tehnoloških tretmana su relativno niske za iniciranje reakcije karamelizacije, te je osnovni vid tamnjenja ovih proizvoda pod uticajem povišenih temperatura prouzrokovan Maillard-ovim reakcijama, nastajanjem tamnih produkata melanoidina. Oksidativno tamnjenje mlečnih proizvoda se izuzetno retko javlja.
Kako mleko i mlečni proizvodi sadrže relativno visoke koncentracije laktoze i proteina, Maillard-ove rekacije su najznačajnije, i kvantitativno i u nutritivnom smislu. Šematski prikaz ranog stadijuma Maillard-ovih reakcija-dat je na slici 11.1; a kasnog stadijuma na slici II.2. Navedene šeme kao aminokomponentu sadrže lizin, koji je i najaktivnija aminokiselina u Maillard-ovim reakcijama mada ima podataka da i triptofan i metionin vezani u proteinima takođe učestvuju u navedenim reakcijama. Rezultati Finot-a (1983b) ukazuju da je indolov prsten u triptofanu stabilan u prisustvu redukujućih šećera, ali ne i u prisustvu produkata kasnih Maillard-ovih reakcija. Slično je i sa metioninom (Finot, 1983b).
Enolni oblici kondenzovanog proizvoda šećer-amino jedinjenja i Schiff-ove baze — međuproizvodi Maillard-ovih reakcija prvo su identifikovani u kondenzovanom nezaslađenom mleku i obranom mleku u prahu, hidroksimetilfurfural je identifikovan u kondenzovanom nezaslađenom mleku, a laktozin i fruktozim u sterilizovanom (UHT) mleku (Carić, 1980).
Parametri tehnološkog procesa proizvodnje i skladištenja uslovljavaju da kod određenih mlečnih proizvoda dolazi do raznog stepena promena nutritivne vrednosti, boje, izgleda i dr. kao posledica Maillard-ovih reakcija. Najosetljiviji na navedene promene su koncentrovani i sušeni proizvodi: kondenzovano nezaslađeno mleko, kondenzovano zaslađeno mleko, mleko-u prahu, surutka u prahu, sladoledna smeša u prahu, instant mlečni proizvodi, sterilizovana mleka, i u manjoj meri sterilizovana pavlaka i pavlaka u prahu (Patton, 1955) zbog relativno manjeg sadržaja laktoze i proteina, kao reaktanata. Najoštriji temperaturno-vremenski režimi i najveće promene dešavaju se pri sušenju mleka na valjcima i sterilizacije u bocama i limenkama (Porter, 1977), tokom produženog skladištenja UHT mleka, i tokom skladištenja mleka u prahu, ako je sadržaj vode veći od 5%. Kod svih mlečnih proizvoda namenjenih direktnoj upotrebi u ishrani, promene organoleptičkih osobina, nastale kao posledica Maillard-ovih reakcija, smatraju se nepoželjnim, i cilj je pravilnim vođenjem procesa svesti ih na najmanju moguću meru. Izuzetak čine mlečni prahovi namenjeni za primenu u izvesnim tehnologijama konditorske industrije.
Slika II.1. Rani stadijum Maillard-ovih reakcija (Finot, 1983 b)
Izostavljeno iz prikaza
Slika II.2. Kasni stadijum Maillard-ovih reakcija (Finot, 1983 b)
Izostavljeno iz prikaza
Slika II. 3. Stabilnost triptofana za vreme ranog i kasnog stadijuma Maillard-ovih reakcija (Finot, 1983 b)
Izostavljeno iz prikaza
III.2.0. Praktična primena reakcija neenzimskog tamnjenja
Reakcije neenzimskog tamnjenja nisu samo izvor „dobrih“ i „loših“ aroma prehrambenih proizvoda nego se mogu koristiti i za sintetizovanje nekih poželjnih aroma, koje se doziraju u „nearomatičnu“ hranu, radi popravke organoleptičkih osobina.
Labahov i Kerebinski (1958) su dobili smešu sa aromom na gljive zagrevanjem glukoze sa Na-glutaminatom na 195°C u toku 1,5 h. Ova praktična primena je zasnovna na fundamentalnim hemijskim reakcijama koje uključuju Maillard reakciju, Amadori premeštanje, odnosno Strecker degradaciju. Maltol, kao krajnji produkt reakcija neenzimskog tramnjenja, nalazi se u tragovima (Hodge i sar., 1963., Bohnsack, 1964). U koncentracijama od samo 5 250 ppm (u kojima se njegova sopstvena aroma ne primećuje) poboljšava aromatičnost i „slatkost“ bezalkoholnih napitaka, voćnih sokova i sirupa (Olsen, 1964) i često se smatra kao „spasonosno“ sredstvo za aromatiziranje (Bohnsack, 1964., Olsen, 1964). 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon je dobijen reakcijom 6-deoxyhexose, ramnose sa piperidinacetatom u etanolu na 75°C (Hodge i sar., 1963). Ovo jedinjenje je izolovano iz ananasa preparativnom gasnom hromatografijom (Rodin i sar., 1965) i označeno je kao osnovna karakteristična komponenta arome ananasa.
Aroma karamela, kao proizvod reakcije karamelizacije šećera, nije poželjna kod proizvoda koji imaju svoj specifičan miris na određenu vrstu voća ili povrća. Pojava mirisa na karamel se kod ovih proizvoda uzima kao znak dugog zagrevanja i nepoželjnih hemijskih reakcija.
Prijatna karamel aroma, koja nastaje zagrevanjem saharoze na oko 160°C sa žuto ili svetlomrkom bojom, Koristi se u proizvodnji veštačkih gaziranih napitaka i alkoholnih pića. Pri karamelizaciji se obično dodaje mala količina vinske ili druge organske kiseline da bi se ubrzala hidroliza saharoze.