Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ВОДНО-СПИРТОВОЙ СРЕДЫ НА КАРАМЕЛИЗАЦИЮ ЛАКТОЗЫ В ПРИСУТСТВИИ П-ТОЛУИДИНА

Черепанов И.С. 1
1 ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет»
Представлены результаты исследований по изучению влияния состава водно-этанольной среды на динамику начальных стадий карамелизации лактозы и закономерности образования «браун»-продуктов в модельных системах с п-толуидином. Показано, что увеличение содержания этанола от 15 до 62 % приводит к возрастанию интенсивности окрашивания, что может быть связано с ростом содержания енольных форм в спиртовой среде. Установлено, что активирующее влияние спирта в составе смешанного растворителя наиболее заметно проявляется при его концентрации выше 40 %, что, вероятно, обусловлено совместным влиянием состава среды и присутствием аминокомпонента. По данным ИК-Фурье спектроскопии структура продуктов карамелизации лактозы отличается от структуры продуктов в системах в присутствии ариламина, что позволяет предположить возможность взаимодействия толуидина с промежуточными продуктами карамелизации, о чем также свидетельствует батохромное смещение полос в электронных спектрах в области 340–380 нм. Присутствие в системе щелочи в каталитических количествах позволяет реализовать процесс по ионному механизму диссоциации углевода на начальных стадиях, образующиеся при этом ендиольные формы далее формируют редуктоны, развивая процессы карамелизации, при этом щелочность среды определяет образование моноионизированных форм, конденсирующихся на начальных стадиях в олигомерные продукты, содержащие практически не трансформированные пиранозные кольца. Применение смешанных растворителей позволяет оптимизировать динамику реакций неферментативного окрашивания лактозы путем варьирования содержания этанола, что, в совокупности с подбором других параметров реакционной системы, может быть полезно в технологии переработки углеводного сырья.
лактоза
карамелизация
водно-этанольные среды
п-толуидин
редуктоны
спектроскопия
1. Hellwig M. 3-deoxygalactosone, a «new» 1,2-dicarbonyl compound in milk products / M. Hellwig, J. Degen, T. Henle // J. Agric. Food Chem. – 2010. – Vol. 58. – P. 10752–10760.
2. Pfeifer Y. Investigation of reactive α-dicarbonyl compounds generated from the Maillard reactions of L-methionine with reducing sugars via their stable quinoxaline derivatives / Y. Pfiefer, L. Kroh // J. Agric. Food Chem. – 2010. – Vol. 58. – P. 8293–8299.
3. Smuda M. Novel insights into the Maillard catalyzed degradation of maltose / M. Smuda, M. Glomb // J. Agric. Food Chem. – 2011. – Vol. 59. – P. 13254–13264.
4. Gobert J. Degradation of glucose: reinvestigation of reactive α-dicarbonyl compounds / J. Gobert, M. Glomb // J. Agric. Food Chem. – 2009. – Vol. 57. – P. 8591–8597.
5. Frank O. On the influence of carbohydrate moiety on chromophore formation during food-related Maillard reaction of pentoses, hexoses and disaccharides / O. Frank, T. Hofmann // Helv. Chem. Acta. – 2000. – Vol. 83. – P. 3246–3261.
6. Degen J. 1,2-dicarbonyl compounds is commonly consumed foods / J. Degen, M. Hellwig, T. Henle // J. Agric. Food Chem. – 2012. – Vol. 60. – P. 7071–7079.
7. Черепанов И.С. Формирование структуры продуктов реакции неферментативного окрашивания D-лактозы в присутствии п-толуидина в щелочных водно-этанольных средах / И.С. Черепанов // Ползуновский вестник. – 2017. – № 2. – С. 90–94.
8. de Bruijn J. Alkaline degradation of monosaccharides. Part VII. Mechanistic picture / J. de Bruijn, A. Kieboom, H. van Bekkum // Starch. – 1987. – Vol. 39. – P. 23–28.
9. Vuorinen T. Kinetic of alkali catalyzed isomerization of D-glucose and D-fructose in ethanol-water solution / T. Vuorinen, E. Sjostrom // Carbohydr. Res. – 1982. – Vol. 108. – P. 23–29.
10. Smuda M. Degradation of 1-deoxy-D-erythro-hexo-2,3-diulose in the presence of lysine leads to formation of carboxylic acid amides / M. Smuda, M. Voigt, M. Glomb // J. Agric. Food Chem. – 2010. – Vol. 58. – P. 6458–6464.

Реакции неферментативного окрашивания лактозы в углевод-аминных системах представляются перспективными [1], что подтверждается возросшим в последние годы интересом к их изучению [1, 2], при этом, как и в системах с другими дисахаридами [3], а также моносахаридами [4], исследования проводились преимущественно в водных системах и алифатическими аминами и аминокислотами, в то время как неводные и смешанные растворители могут оказывать существенное влияние на процессы в углеводных системах [5].

Влияние аминов на процессы превращений углеводов наиболее полно изучено в условиях протекания реакции Майяра, в частности показано, что присутствие аминокислот интенсифицирует реакции неферментативного окрашивания, при этом анализ механизмов амино-карбонильных взаимодействий авторами не приводится. В работе [1] выдвигается предположение о каталитическом ускорении сахар-аминных реакций в присутствии высокомолекулярных аминов, но детального рассмотрения закономерностей процессов авторы работы также не проводят. Аналогичное предположение справедливо и для сред с рН > 7, при этом каталитическое действие аминокислот на ранних стадиях проявляется в процессах отрыва и переноса протона с образованием промежуточных лабильных аминоконъюгатов. Очевидно, что на образование подобных интермедиатов должен оказывать влияние характер реакционной среды, в связи с чем целью настоящего исследования являлось изучение влияния содержания этанола на динамику карамелизации и структуру продуктов в системе D-лактоза – п-толуидин в присутствии щелочи.

Материалы и методы исследования

Динамика карамелизации изучалась термостатированием водно-этанольного раствора лактозы (0,002 моль) в присутствии п-толуидина (0,002 моль) и каталитических количеств щелочи (NaОН, 2·10-4 моль) в 25 мл смешанного растворителя в колбах с обратным холодильником в течение 1 часа при 80 °С. Содержание этанола (EtOH) в смешанном растворителе варьировалось в интервале 15–62 %. Дополнительно в аналогичных условиях изучалась карамелизация лактозы в системе без толуидина. Для контроля динамики процесса выполнялись спектрофотометрические измерения (спектрофотометр СФ-2000), для чего по окончании нагревания отбирались пробы (1 мл), которые разбавлялись растворителем соответствующего состава (1:5), после чего в кварцевых кюветах снимались электронные спектры. Из оставшегося раствора удалялся растворитель, продукты промывались эфиром и высушивались. ИК-спектры выделенных и высушенных «браун»-продуктов снимались на ИК-Фурье спектрометре ФСМ 2201 (KBr, 1:200).

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание этанола в реакционных системах варьировалось до 62 %, что связано с ограниченной растворимостью лактозы в более концентрированных растворах. Использование п-толуидина в качестве аминокомпонента связано с характером реакционной среды, а также недостаточной изученностью ариламинов в качестве реагентов процессов неферментативного окрашивания. Анализ спектров поглощения реакционных систем (рис. 1) показывает увеличение поглощения в ближней УФ и видимой областях с ростом содержания этанола, при этом пологий максимум поглощения при 340–370 нм постепенно батохромно смещается, что может свидетельствовать об образовании конъюгатов взаимодействием редуктонов с аминокомпонентом.

cher1.tif

Рис. 1. Спектры поглощения исследуемых реакционных систем при варьируемом составе растворителя: 1 – 15 % EtOH; 2 – 30 % EtOH; 3 – 45 % EtOH; 4. – 62 % EtOH

ИК-спектры продуктов, выделенных при термостатирования реакционных систем в течение 1 часа, показывают практически идентичный профиль полос во всех интервалах частотного диапазона (рис. 2), что говорит об однотипном механизме взаимодействия независимо от состава растворителя. В спектрах четко прослеживается наличие остатков исходного углевода (тонкая структура сигналов в области 1010–1090 см-1, а также полоса при 1140 см-1), что предполагает наличие связаных гликозидных колец в составе «браун»-продуктов, и, вероятно, в структуре промежуточных конъюгатов.

Сравнивая положение полос поглощения в «аномерной» области, также можно прийти к выводу о наличии в продукте остатков лактозы: широкая полоса в области 750–780 см-1, относимая к веерным колебаниям нескольких фрагментов углеводного скелета, а также сигналы при 875, 899 и 915 см-1 надежно свидетельствуют о практически нетрансформированных пиранозных циклах в структуре «браун»-продуктов.

В водно-этанольных средах с высоким содержанием воды механизмы реакций неферментативного окрашивания, вероятно, близки к таковым для водных сред. В связи с этим можно предположить ионизацию ацилоинового фрагмента углевода (1) и образование аниона (2), находящегося в таутомерном равновесии с ендиольным анионом (3):

cher3.wmf

Дальнейшие превращения приводят к α-дикарбонильным структурам (4), циклизующимся в β-пироны (5), которые являются ключевыми интермедиатами образования «браун»-продуктов. Рассмотренный механизм характерен в большей степени для моносахаридов (R’ ≡ OH) [4]; в случае дисахаридов производные типа (5) также могут образоваться, в частности авторами [5] описан замещенный 2Н-пиран-3(6Н)-он (R’ ≡ галактозил; R ≡ метил):

cher4.wmf

находящийся в растворах в равновесии с производным с ациклической формой агликона и способный замыкать пятичленный цикл. В системах с моносахаридами подобная структура является предшественником обеспечивающих окраску хромофоров, наличие же гликозидной связи, по мнению авторов [5] является основной причиной пониженной реакционной способности дисахаридов, при этом авторы [6] предполагают возможность трансформации редуктонов (5) в более реакционноспособные интермедиаты.

cher2.tif

Рис. 2. ИК-Фурье спектры твердых продуктов, выделенных из реакционных систем: 1 – 15 % EtOH; 2 – 30 % EtOH; 3 – 62 % EtOH

cher6.tif

Рис. 3. ИК-Фурье спектры твердых продуктов, выделенных из реакционных систем в отсутствие п-толуидина при термостатировании в течение: 1 – 1 ч; 2 – 1,5 ч

Образование хромофорных фрагментов в структуре продуктов в изученных системах отчетливо наблюдается, в связи с чем можно предположить другие механизмы трансформации интермедиатов, в частности процессы β-элиминирования [2]:

cher5.wmf

с образованием 4-дезоксипроизводных, учитывая при этом присутствие амина в системе.

Независимо от механизма формирования редуктонов можно считать, что аминокомпонент принимает непосредственное участие в процессах, на что указывает в том числе отличие характера ИК-спектров продуктов, выделенных из реакционных систем, термостатированных в отсутствие п-толуидина (рис. 3).

Характер и положение полос поглощения существенно меняется, что свидетельствует о различии механизмов трансформации лактозы и непосредственном участии амина в ключевых стадиях процессов.

Интересно сопоставление результатов работы с данными, полученными нами ранее [7] для систем с более высоким (6·10-3 моль) содержанием щелочи. Было показано, что в этом случае превалирующим процессом является распад молекул углеводов с образованием низкомолекулярных редуктонов, продукты дальнейшей конденсации которых претерпевают бензиловую перегруппировку.

Максимумы поглощения реакционных систем в лактоза-п-толуидина в средах с различной щелочностью (62 % EtOH)

Полученные данные

Данные работы [6]1

А350

А420

А280

А350

А420

0,92

0,70

2,50

1,85

1,25

Примечание. 1Представлено с корректировкой на разбавление проб.

Анализ данных таблицы показывает более высокие значения оптических плотностей в системах с высокой щелочностью, что можно связать с более интенсивно протекающим в этом случае процессом образования реакционноспособных С2-С4-редуктонов, интенсифицирующим карамелизацию. Основываясь на данных авторов [8], можно дать ориентировочную количественную оценку возможности реализации различных процессов с участием углевода. В частности, ориентируясь на константы кислотности модельных дикарбонилов [8], можно показать, что неионизированная форма редуктона существует при концентрациях [OH-] < 10-4M, единожды ионизированная – при выполнении условия 10-4М < [OH-] < 10-1M, и дважды ионизированная – при [OH-] > 10-1M. Таким образом, в принятых условиях реализуется образование единожды ионизированных форм редуктонов, что способствует формированию на начальных этапах их трансформации олигомерных продуктов, включающих остатки углеводов в форме пиранозных колец, что подтверждается также характером ИК-спектров продуктов (рис. 2). С ростом щелочности возрастает вероятность трансформации α-дикетонных фрагментов редуктонов посредством бензильной перегруппировки [7], что связано с активирующим эффектом ионизации на миграцию радикалов к соседней карбонильной группе [8].

Образование конъюгатов между промежуточными продуктами трансформации лактозы и п-толуидином, о чем свидетельствует описанное выше смещение полос поглощения, вероятно, реализуется таким образом, что формируется более протяженная система сопряженных связей в структуре интермедиата. Увеличение содержания этанола в реакционной среде, повышающее интенсивность нарастания окрашивания при постоянстве структуры продуктов, позволяет сделать вывод о влиянии спирта на равновесие между формами лактозы (1), (2) и (3). Данное заключение подтверждается результатами авторов [9], согласно которым рост концентрации этанола симбатно изменяет содержание енольных форм (3) за счет смещения равновесия ионизации в направлении образования продуктов, ускоряя таким образом целевые процессы. Сравнительный анализ значений оптической плотности в области поглощения окрашенных продуктов (А420) показывает, что ускоряющее действие этанола начинает проявляться при его содержании в реакционной среде около 40 % и выше (рис. 1), что, возможно, связано с совместным влиянием смешанной среды и присутствия ариламина. Влияние аминокомпонента может согласно данным [10] дополнительно активировать распад промежуточных продуктов:

cher7.wmf

о чем косвенно свидетельствует более интенсивное возрастание значений А420 в присутствии аминов [7].

Заключение

Результаты проведенных исследований позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Увеличение содержания этанола в реакционной среде от 15 до 62 % приводит к возрастанию интенсивности окрашивания, что может быть связано с ростом содержания енольных форм в спиртовой среде, при этом активирующее влияние спирта в составе смешанного растворителя наиболее заметно проявляется при его концентрации выше 40 %, что, вероятно, обусловлено совместным влиянием состава среды и присутствием аминокомпонента.

2. По данным ИК-Фурье спектроскопии структура продуктов карамелизации лактозы отличается от структуры продуктов в системах в присутствии ариламина, что позволяет предположить возможность взаимодействия толуидина с промежуточными продуктами карамелизации, о чем также свидетельствует батохромное смещение полос в электронных спектрах в области 340–380 нм.

3. Присутствие в системе щелочи в каталитических количествах позволяет реализовать процесс по ионному механизму диссоциации углевода на начальных стадиях, образующиеся при этом ендиольные формы далее формируют редуктоны, развивая процессы карамелизации, при этом щелочность среды определяет образование моноионизированных форм, конденсирующихся на начальных стадиях в олигомерные продукты, содержащие практически не трансформированные пиранозные кольца.


Библиографическая ссылка

Черепанов И.С. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ВОДНО-СПИРТОВОЙ СРЕДЫ НА КАРАМЕЛИЗАЦИЮ ЛАКТОЗЫ В ПРИСУТСТВИИ П-ТОЛУИДИНА // Фундаментальные исследования. – 2018. – № 5. – С. 18-23;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=42136 (дата обращения: 07.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074