Tiểu luận Phản ứng maillard

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA SINH HỌC TIỂU LUẬN PHẢN ỨNG MAILLARD Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Cao Đăng Nguyên Sinh viên thực hiện:Phạm Thị Mỹ Hằng Lớp: CNSH-K34 Huế, 11/2013 MỤC LỤC GIỚI THIỆU Phản ứng Maillard lần đầu tiên được báo cáo vào năm 1912 bởi Louis- Camille Maillard , người đã mô tả rằng khi làm nóng nhẹ đường và amino axit trong nước , một màu nâu vàng phát triển . Phản ứng dẫn đến các hợp chất nhiều màu sắc, trước hết là mô tả từ một đơn giản quan sát, thực sự là kết quả của một con đường phức tạp của các phản ứng hóa họcMaillard phản ứng đã được quan sát và phân tích , như phản ứng này đã trở thành quan trọng trong việc lĩnh vực khoa học thực phẩm và thuốc. Việc tiêu thụ sản phẩm phản ứng Maillard ( MRPs ) đã tăng lên trong những thập kỷ gần đây và có bằng chứng cho thấy các chất này được hấp thụ và có thể tham gia vào các bệnh lý quá trình như, đục thủy tinh thể, bệnh tiểu đường, các bệnh thoái hóa, xơ vữa động mạch và thận mãn tính thất bại. Mặt khác, những hợp chất chịu trách nhiệm cho các thuộc tính cảm giác cần thiết sản phẩm thực phẩm chế biến của nhiệt, góp phần xuất hiện, hương vị và mùi thơm. Louis Camille Maillard (1878-1936) TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG MAILLARD Định nghĩa Phản ứng Maillard hay còn gọi là phản ứng asamine, cacbonylamine, aminose, melanoidin, là phản ứng khá phổ biến và có vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm. Chất tham gia phản ứng là protein hoặc các sản phẩm phân giải của chúng và glucid qua nhiều giai đoạn trung gian phức tạp cuối cùng tạo thành các melanoidin. Các giai đoạn. Dựa vào màu sắc các sản phẩm có thể chia thành ba giai đoạn kế tiếp nhau: Sản phẩm của giai đoạn đầu không màu và không hấp thụ ánh sáng cực tím. Sản phẩm của giai đoạn thứ hai không màu hoặc có màu vàng nhưng hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím Sản phẩm của giai đoạn cuối có màu đậm SỰ TẠO MÀU CỦA PHẢN ỨNG MELANOIDIN Dựa vào mức độ màu sắc của sản phẩm để chia thành 3 giai đoạn liên tiếp nhau: Giai đoạn đầu: Sản phẩm của giai đoạn đầu không màu và không hấp thụ ánh sáng cực tím. Biến đổi protein trong chế biến và bảo quản thực phẩm Gồm phản ứng ngưng tụ carbonylamin và phản ứng chuyển vị Amadori. Giai đoạn thứ hai: Sản phẩm của giai đoạn này không màu hoặc có màu vàng nhưng hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím. Gồm các phản ứng khử nước của đường, phân hủy đường và các hợp chất amin. Giai đoạn cuối: Sản phẩm của giai đoạn cuối có màu nâu đậm (Do sự tạo nên các polymer không no hòa tan và không hòa tan trong nước nhưng đều có màu nâu đậm và có tên gọi chung là melanoidin) Gồm phản ứng ngưng tụ aldol, trùng hợp hóa aldehydamin, và tạo thành hợp chất dị vòng chứa nitơ. SỰ TẠO MÙI CỦA PHẢN ỨNG MAILLARD Trong quá trình gia nhiệt các acid amin tương tác với đường và tạo thành các aldehyd và reduton theo sơ đồ phản ứng như sau: Hexose + pentose + aicd amin ® FurFurol + Oxymethylfurfurol + các andehyd + các reducton + Bản thân các FurFurol và các oxymethylfurfurol là những aldehyd có mùi đặc trưng. Furfurol có mùi táo do đường pentose tạo thành, còn oxymethylfurfurol có mùi dễ chịu và do đường hexose tạo thành. Ngoài hai aldehyd trên còn có các aldehyd khác đưuọc tạo thành do sự tương tác giữa acid amin với furfurol hoặc với các reducton. Điều này có nghĩa là hương thơm của thành phẩm là do các acid amin quyết định. Ví dụ: từ leucin sẽ cho các aldehyd có mùi thơm của bánh mì ; từ glycin sẽ cho các aldehyd có mùi mật và mùi thơm bia ; từ Valin và phenylalanin sẽ cho aldehyd có mùi thơm dễ chịu của hoa hồng CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG CỦA PHẢN ỨNG MAILLARD Giai đoạn đầu của phản ứng melanoidin Giai đoạn đầu của phản ứng melanoidin là sự ngưng tụ đường với acid tamin tạo thành base schiff (hợp chất hữu cơ có nhóm –HC=N) hoặc glucoside N-glucoside base schiff glucose Hình 1: Sơ đồ giai đoạn đầu của phản ứng melanoidin Giai đoạn kế tiếp là phản ứng chuyển vị amadori do khi ở nhiệt đọ cao phức hợp đường amine bị đồng phân hóa còn gọi là bị chuyển vị nội phân tạo 1-amine1-deoxy-2-cetone. Hình 2: Sơ đồ phản ứng chuyển vị amadori Giai đoạn trung gian của phản ứng meilanoidin Phụ thuộc vào điều kiện môi trường giai đoạn trung gian có thể tiến hành theo các con đường sau: Tạo thành furfurol và hoặc hydroxymetylfurfurol Tạo thành reducton mạch hở Phân hủy đường để tạo thành aldehide, aceton, diacetyl Tạo thành ozone Tạo thành furfurol và ozone Nếu saccharide ban đầu là glucose thì sản phẩm chuyển vị Amadori khi đun nóng sẽ là furan sau đó chuyển thành base schiff của hydroxymetylfurfurol. Tạo thành reducton có 6 nguyên tử C Reducton là những hợp chất hữu cơ có tính khử mạnh do có nhóm endiol. Thông thường, nhóm endiol của reducton được liên kết với gốc aldehyde hoặc acid. Do đó những hợp chất này rất nhạy với phản ứng oxy hóa khử. Ví dụ về reducton có sáu nguyên tử C là acid dehydroascobic. Không phải chỉ riêng reducton mà cả các dạng dehydro của nó cũng góp phần tạo nên màu nâu. Phân hủy đường Một trong những giai đoạn trung gian của phản ứng tạo melanoidin là sự phân hủy đường từ sản phẩm chuyển vị Amadori để tạo thành các sản phẩm khác nhau: triozoreducton, aldehyde piruvic, aceton, diacetyl. Một số chất tạo thành khi phân hủy đường có mùi và vị dễ chịu. Phân hủy các hợp chất amine Sản phẩm chuyển vị Amadori có thể kết hợp với acidamin tạo ra CO2 và H2O: Base schiff tạo thành bị thủy phân thành aldehyde và hợp chất amino. Chính hợp chất amino này sẽ cho các sản phẩm chứa nitrogen và có màu nâu sau này. Còn aldehyde được tọa thành trong phản ứng này, so với acidamino đã phản ứng với aminoodezoxycetose thì có ít hơn một nguyên tử C. Giữa furfurol hoặc hydroxymetylfurfurol và amino acid có thể xảy ra sự tương tác oxy hóa. Kết quả là từ acidamino tạo thành aldehyde có ít hơn 1 nguyên tử C. Aldehyde cũng có thể được tạo thành do kết quả của sự chuyển amin giữa amino acid với reducton Giai đoạn cuối của phản ứng meilanoidin Giai đọan cuối cùng này bao gồm rất nhiều phản ứng phức tạp, chủ yếu là hai phản ứng sau: Phản ứng ngưng tụ andol tạo thành polyme màu nâu không chứa nitrogen; Phản ứng trùng hợp aldehydeamino tạo thành các hợp chất nitrogen dị vòng. Sự ngưng tụ aldehyde acetic là thí dụ về ngưng tụ andol. Sự trùng hợp và oxy hóa đồng thời các aminooacetic dẫn đến tạo thành pirazine.   Ngoài những hợp chất trên, do kết quả của phản ứng ngưng tụ aldehyde, piridin và pirol cũng có thể được tạo thành. Sự ngưng tụ andol chỉ xảy ra khi caramel hóa dung dịch đường. Khi có mặt các hợp chất amino dù chỉ là lượng vết cũng xảy ra đồng thời cả hai kiểu phản ứng. Giai đoạn cuối cùng của phản ứng melanoidin sẽ tạo nên các polyme không no hòa tan được trong nước, sau đó là các polyme không no và không hòa tan được trong nước, nhưng đều có màu đậm và gọi chung là melanoidin. Các melanoidin hấp thụ mạnh tia cực tím (λ < 220nm), không khử được dung dịch Fehling, nhưng khử được iot và 2,6- diclophenolondophenol. Khả năng hòa tan của melanoidin phụ thuộc vào nhiệt độ của phản ứng. Khi nhiệt độ cao thì quá trình xảy ra mãnh liệt hơn nhưng melanoidin tạo thành có hương thơm kém hơn và ít hòa tan trong nước hơn. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG MAILLARD Ảnh hưởng của amino acid và đường Đối với peptide, protein thì khả năng phản ứng do nhóm –NH2 quyết định, NH2 có trong protein càng nhiều thì khả năng phản ứng càng mạnh. Biến đổi protein trong chế biến và bảo quản thực phẩm Đối với acid amin thì khả năng tham gia phản ứng phụ thuộc vào độ dài mạch carbon và vị trí nhóm amin so với các nhóm carboxyl (Nhóm amin càng xa nhóm carboxyl thì tham gia phản ứng càng mạnh) , a-acid amin hoạt động kém hơn b-acid amin Các acid amin sẽ cho sản phẩm những mùi và độ sẫm khác nhau Ví dụ: - Glucocol phản ứng nhanh cho màu rất đậm, có mùi bia và vị hơi chua. - Alanin phẩn ứng chậm cho màu nâu sẫm và có mùi thơm hoa hồng. - Leucin cho sản phẩm màu không đáng kể nhưng có mùi bánh mì rõ rệt Đối với đường khử thì điểu kiện cần thiết để tạo ra phản ứng melanoidin là có gốc carboxyl Ví dụ: Glucose phản ứng mảnh liệt nhất, rồi đến galactose va lactose. Fructose phản ứng nhanh hơn glucose Ngoài ra cường độ của phản ứng melanoidin còn phụ thuộc vào nồng độ đường. Tỷ lệ giữa acidamino và đường thích hợp nhất là 1/2 hoặc 1/3. Nếu tăng nồng độ đường sẽ làm cho melanoidin tạo ra có thể tan được ngay cả khi nồng độ của chúng rất cao. Tuy nhiên phản ứng trên vẫn có thể tiến hành ngay cả khi tỉ lệ trên rất nhỏ (1/30-1/400) 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 glucose và lớp đơn phân nước. Như vậy, sự có mặt của nước là điều kiện rất cần thiết để tiến hành phản ứng. Nồng độ chất tác dụng càng cao, lượng nước càng ít thì phản ứng xảy ra càng mạnh. Ảnh hưởng của nhiệt độ Ở và dưới 00C, phản ứng melanoidin không xảy ra. 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. Ở  nhiệt  độ  95-1000C, phản ứng sẽ cho các sản phẩm có tính chấ cảm 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 khoáng chế  phản  ứng  melanoidin  ở  1600C  vì  ở  nhiệt  độ  trên  1600C  melanoidin  tạo thành sẽ không hòa tan trong nước do đó làm giảm khả năng cho màu  và độ trích ly của malt thu được. Ảnh hưởng của pH Phản ứng Melanoidin có thể tiến hành trong một khoảng pH khá rộng, tuy nhiên trong môi trường kiềm phản ứng xảy ra nhanh hơn. Trong môi trường acid pH < 3, quá trình tạo melanoidin rất yếu và chủ yếu là sự phân hủy đường nhưng khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng nhanh ngay cả trong môi trường acid (pH = 2). Chất kìm hãm và chất tăng tốc của phản ứng Phản ứng caramel hóa, oxy hóa và melanoidin là những phản ứng có sự tham gia của các hợp chất cacbonyl. Do đó chất kìm hãm phản ứng là những chất phản ứng được với nhóm cacbonyl như dimedon, hydroxylamino, bisunfit. 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. Các chất tăng tốc phản ứng melanoidin có acid lactic và phosphat. Muối của acid lactic làm tăng tốc phản ứng này rất mạnh. Dung dịch đệm phosphat không những làm tăng nhanh tốc độ phản ứng giữa amino acid và glucose mà còn làm tăng phản ứng nâu hóa dung dịch glucose tinh khiết. ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG MAILLARD TRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM Trong các sản phẩm thực phẩm đều có chứa đường và acidamino ở các hàm lượng khác nhau do đó phản ứng Maillard rất phổ biến trong quá trình sản xuất và bảo quản thực phẩm.Tùy thuộc vào yêu cầu về tính chất cảm quan của từng sản phẩm mà người ta tạo điều kiện để tăng cường phản ứng đến tối đa hoặc kìm hãm phản ứng đến mức tối thiểu. Sản xuất bánh mì:  Là quá trình tạo điều kiện phản ứng melanoidin phát triển tối 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 chỉnh nhiệt độ trong giai đoạn nướng đều nhằm mục đích đó. Sản xuất bia. Giai đoạn cuối cùng của quá trình malt hóa đại mạch là sấy malt tươi. Ở giai đoạn này tình chất công nghệ của malt được định hình và ở chừng mực nào đó, nó quyết định tính chất công nghệ của malt được định hình và ở chừng mực nào đó, nó quyết định tính chất cảm quan của sản phẩm. Quá trình quan trọng nhất ở giai đoạn sấy malt là phản ứng tạo melanoin-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 hóa trong từng thời điểm, quá trình sấy malt tươi có thể chia làm 3 pha chính: pha sinh lý, pha enzyme và pha hóa 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 trị 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.  Sản xuất rượu: Trong sản xuất rượu người ta kìm hãm phản ứng tạo melanoidin 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 enzyme. Zavroxki đã đề ra kỹ thuật nấu nguyên liệu với một lượng lớn nước để khắc phục ảnh hưỏng xấu của phản ứng này, đồng thời giảm tổn thất đường và tăng hiệu suất rượu.  Sản xuất đường: Quá trình cô đặc:   Trong nhà máy đường hiện đại, nước mía cô đặc ở hệ cô đặc 4 – 5 lần hiệu với nhiệt độ khoảng 60-1300C. Kết quả là hơi nước bị bốc đi và 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:  Phân huỷ đường khử: Trong quá trình nấu xảy ra hiện tượng thay đổi khả năng quay cực của đường khử, phản ứng tạo chất màu giữa đường khửvới acid 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.  Phản ứng của các chất không đường hữu cơ: Một số axit amin trong quá trình kết tinh trở thành không tan, kết tủa ở dạng muối canxi và magie. Ví dụ: calci aconitate, magie aconitate và canxi oxalate. Một số acid amin kết hợp với đường khử tạo thành hợp chất hữu cơ chứa nitơ tan trong dung dịch. Độ tinh khiết của đường 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.  Sản xuất thuốc lá:  Quá trình sấy, trước khi lên men và lên men cũng do phản 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 lệgiữa acid 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.  Chế biến và bảo quản rau quả:  Phản ứng melanoidin không những làm giảm tính cảm quan của sản phẩm mà còn làm giảm giá trị dinh dưỡng của sản phẩm (do mất đi một số acid amin không thay thế như cystein, methyonin, lysin, ) Trong quá trình bảo quản rau tươi, saccarose cũng dần dần bị thuỷ phân tạo thànhđường khử dưới tác dụng của ezyme invectase. Trong quá trình sống của rau quả chủ yếu xảy ra quá trình tổng hợp saccarose từ đường khử.  Khi đun nóng lâu và ở nhiệt độ cao, các rau quả có chứa đường, có thể xảy ra hiệntượng caramen hoá tức là sự phân huỷ chưa hoàn toàn các đường còn gọi là sự cháy đường. Ở giai đoạn đầu của sự phân huỷ đường, các chất được tạo nên thường làm cho rau quả có mùi thơm( mùi rau rán ). Tuy nhiên, nếu ở nhiệt độ cao, lâu thì các sản phẩm giàu đường sẽ bị sẫm mầu và vị đắng.  Làm cho siro và nước quả bị sẫm màu khi bảo quản nhất là ở nhiệt độ cao. Trong đồ hộp và rau quả: làm xấu đi màu sắc và hương thơm của sản phẩm. KẾT LUẬN Tóm lại phản ứng Mailard là phản ứng giữa các acid amin và đường, sản phẩm tạo ra những hợp chất có màu sẫm và mùi đặc trưng (melanoidin). Phản ứng melanoidin rất phổ biến trong mọi sản phẩm thực phẩm có liên quan với gia nhiệt và thời gian bảo quản lâu dài. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoá sinh công nghiệp (PGS.TS Cao Đăng Nguyên, TS Phạm Thị Ngọc Lan, Nhà xuất bản Đại học Huế) Hoá sinh công nghiệp (Lê Ngọc Tú (chủ biên), La Văn Chứ, Đồng Thị Thu, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Hợi, Lê Doãn Diên, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội)