The marvellous Maillard reaction — ABC Chemicals

Энди Экстанс рассматривает каскад кулинарной реакции, который выходит за рамки рождественских и праздничных обедов и имеет тревожные связи со здоровьем

Восхитительный запах жареного лука пронизывает воздух — но что-то выглядит очень странно на сковороде, которую держит Энди Чепмен. Чепмен, главный научный сотрудник Carbometrics, демонстрирует сложную химическую реакцию, которую ежедневно выполняют миллионы людей. С одной стороны беловатые полумесяцы нарезанного лука медленно становятся золотистыми и коричневыми, как обычно. Но с другой стороны, лук превратился в тревожный ярко-желтый кашу. Чепмен объясняет, что оба изменения зависят от естественных сахаров и белков лука, и это тепло помогает преобразованию посредством реакции Майяра.

Французский врач и химик Луи-Камиль Майяр первоначально описал, как сахара реагируют с аминокислотами и белками, которые они могут связать вместе, чтобы произвести, в 1912 году.1 Он написал по меньшей мере восемь статей, в которых были обнаружены выбросы углекислого газа при расщеплении аминокислот и образование коричневого пигмента. Тем не менее, работа Майяра лишь раскрыла потенциал реакции.

Теперь мы знаем, что реакция Майяра состоит в том, как хлебные торты становятся тостами и что помогает придать жареному кофе его цвет и вкус. И в это время года он дает нашим праздничным жарким блюдам золотисто-коричневую окраску и хрустящую вкусность. Также выяснилось, что реакция представляет собой чрезвычайно сложную сеть, которая меняется в разных контекстах, как подчеркивает Чепмен. И, если радости, которую она приносит нам через еду и питье, было недостаточно, ученые обнаруживают, что это важно совершенно другим и потенциально вредным способом.

Сначала объединение аминокислот и сахаров было просто названо браунингом, и ученые начали называть его реакцией Майяра только в 1947 году. Это также о том, когда интерес к улучшению нашего недоделанного понимания усилился, поскольку вторая мировая война привела к массовому производству длительная и приемлемая на вкус еда важна. В 1953 году Джон Ходж из Министерства сельского хозяйства США предложил детальные механизмы, разбив реакцию Майяра на три этапа.2

Для Чепмена, который недолгое время работал бесплатно в пионере молекулярной гастрономии Хестоне Блюментале в ресторане «Fat Duck» с тремя звездами Мишлен, самый первый шаг — самый важный. Когда нарезанный лук потеет и размягчается, его клетки разрушаются, выделяя сложную смесь, включающую сахара и белки. «Реакция действительно начинается между сахаром и белком, образуя соединение, называемое основанием Шиффа», — объясняет Чепмен.

Но это сложнее, чем кажется. Поскольку основания Шиффа или имины являются продуктом реакции между конкретными химическими группами, а именно аминами и карбонилами, не все молекулы могут принимать участие. Только редуцирующие сахара, такие как фруктоза, глюкоза и лактоза, имеют доступные карбонильные группы. Обычный столовый сахар, сахароза, состоит из одной фруктозы и одной молекулы глюкозы, связанных вместе. Поэтому сахароза должна распадаться на части, чтобы реагировать, поэтому Чепмен объясняет, что приготовление пищи с глюкозой или фруктозой ускоряет магию Майяра.

Для начинающих

Амины также сталкиваются с ограничениями благодаря классическим кислотно-щелочным взаимодействиям. Основные амины могут захватывать протоны из кислых источников. Следовательно, аминогруппы в аминокислотах, содержащихся в пищевых продуктах, часто содержат протон, который они должны потерять, прежде чем вступить в реакцию с альдегидами сахара. Поэтому Чепмен добавил еще более основное вещество — бикарбонат соды — к половине лука, чтобы повысить их pH и депротонировать амины. Он объясняет, что получающийся в результате ярко-желтый кашель частично вызван бикарбонатом соды, ускоряющим реакцию Майяра.

После образования основания Шиффа могут перестраиваться с образованием молекул, таких как кетозамины, в то, что Ходж идентифицировал как вторую стадию реакции Майяра, фактически включающую несколько реакций. Кетозамины могут затем реагировать многими способами на третьей стадии, образуя молекулы, которые могут реагировать дальше даже на более поздних стадиях. Вместе они производят сотни различных прямолинейных и кольцевых молекул, причем атомы кислорода, азота и серы часто выделяются. Тем не менее, всего несколько десятков обычных подозреваемых в основном несут ответственность за аромат и вкус пищи, включая производные фурана, такие как «клубничный фуранон». Между тем, полимерные меланоидины служат пигментом, придавая готовой пище его коричневый цвет.

The marvellous Maillard reaction - ABC Chemicals

Повара могут взломать вкусы Майяра, изменив условия приготовления. Например, Чепмен часто растапливает лук щепоткой бикарбоната соды, чтобы создать вегетарианскую подливку с мясным вкусом. И действительно, его желтый луковый каштан на вкус странно похож на чипсы со вкусом бекона или говядины. Нечто подобное происходит в кренделях и бубликах. По словам Чепмена, крендели с солью возникли после того, как кто-то случайно покрыл тесто для бублика щелочью, содержащей гидроксид натрия / калия, а не промывку яиц. «Это значительно повышает pH, и теперь он очень быстро станет коричневым», — говорит он, тогда как мытье яиц дает похожее, но менее сильное потемнение. «Когда мы чистим поверхность теста яйцом, мы обеспечиваем [больше] сахара и белка. ‘

Хотя реакция Майяра может происходить при любой температуре, она обычно заметна только при температуре выше 120 ° C. Это, в свою очередь, обычно требует в основном сухих условий, поскольку вода может нагреваться только до температуры кипения, равной 100 ° C. Это одна из причин того, что авиакомпания иногда изо всех сил пытается соответствовать своим наземным конкурентам. Микроволны, используемые для приготовления пищи, делают это, нагревая молекулы воды в пище, поэтому они сталкиваются с температурным пределом 100 ° C. Это означает, что перед взлетом в небо пищу часто нужно предварительно поменять.

Более высокие температуры ускоряют испарение воды и каскад Майяра, но при температуре выше 180 ° C молекулы начинают разлагаться и пищевые ожоги. Поэтому Чепмен рекомендует скороварки, в которых температура может превышать 120 ° C. Это ускоряет реакцию Майяра, обеспечивает различные реакционные каскады и улавливает летучие ароматические и ароматические соединения. Высокое давление также способствует реакциям, продукты которых занимают меньший объем, включая реакции конденсации с образованием меланоидинов, а не разложения на маленькие летучие молекулы аромата.

Это инструменты, которые Джордж Рицци должен был научиться использовать, когда присоединился к Procter and Gamble (P & G) в 1964 году. У него была докторская степень в области органической химии, но не было опыта работы с пищевыми продуктами и ароматами. «Я никогда не слышал о реакции Майяра, — говорит Риззи. И все же он быстро научился, используя его в своем самом первом проекте — изобретении искусственного шоколадного аромата. Rizzi продолжил работу над известными американскими брендами, такими как арахисовое масло Jif и кофе Folgers, а также чипсы Pringles, которые продаются более чем в 140 странах. Законы, регулирующие стандарты идентификации продуктов питания, ограничивают коммерческий взлом Майяра выбором ингредиентов, а также настройкой температуры и давления, добавляет он.

Тот факт, что продукты содержат больше, чем просто сахар и белок, усложняет ситуацию, объясняет Имре Бланк, научный сотрудник Nestlé по пищевой химии и ароматизаторам в центре кулинарных исследований компании в Зингене, Германия. Минералы вызывают окисление жиров, вызванное радикалами, и промежуточные продукты распада, которые образуются, вмешиваются в реакцию Майяра, объясняет он. «Такое взаимодействие может быть желательным для руководства каскадом реакции Майяра; однако это также может привести к таким явлениям, как неприятные запахи или ограниченный срок годности », — говорит Бланк. «Тщательный отбор сырья в сочетании с соответствующей технологией и параметрами процесса позволяет улучшить качество продукции».

The marvellous Maillard reaction - ABC Chemicals

На Международном симпозиуме по реакции Майяра в Монреале, Канада, в сентябре 2018 года Бланк объяснил, как направлять каскад в пользу желаемых атрибутов при ограничении негативных последствий. Его стратегии включают использование полифенолов, содержащихся во многих растительных пищевых продуктах, для улавливания реакционноспособных промежуточных продуктов, таких как радикалы и переходные металлы. Бланк также обращает особое внимание на цвет, чтобы контролировать обжарку кофе или мяса. «Пережаренные, темные продукты, как правило, горькие и менее питательные», — говорит он.

Однако мы не можем заранее знать, к каким изменениям условий это приведет заранее, объясняет Аня Ран из Центра превосходства кофе в Цюрихском университете прикладных наук в Швейцарии. «Кофейное сообщество понимает, что реакция Майяра является ключом к химии обжарки кофе, и есть отличные ученые по реакции Майяра», — говорит она. «Тем не менее, это устраняет разрыв между пониманием теоретической стороны реакции Майяра и применением этого понимания в предсказательном порядке к кофе и процессу обжарки, который требует дальнейшего развития. Наша неспособность предсказать реакцию Майяра в пищевых системах свидетельствует о том, что благодаря исследованию реакции Майяра все еще есть ценность. Формула пищи, основанная на знаниях, должна быть целью ».

Темная сторона потемнения

Примерно 20 лет назад такие зрелые знания определили один продукт Майяра, который был особенно непривлекательным: акриламид, потенциальный риск развития рака которого Всемирная организация здравоохранения считает «серьезной проблемой». Рицци начал изучать проблему со своими коллегами незадолго до того, как ушел на пенсию в 1999 году — с тех пор, как P & G продала все свои продукты питания. После серии документов от разных групп, отмечающих опасность в 2002 году,3-5 P & G опубликовала свое исследование в 2003 году.6

The marvellous Maillard reaction - ABC Chemicals

«Я был частью команды, организованной для выявления механизма образования акриламида во время жарки картофеля», — объясняет Рицци. «Наши эксперименты подтвердили, что натуральная аминокислота картофеля аспарагин является ключевым источником термически генерируемого акриламида. Последующие усилия были направлены на сокращение или устранение аспарагина в «сырье» для Pringles.

Правила ЕС по акриламиду вступили в силу в апреле 2018 года. Его базовые уровни содержания акриламина варьируются от 40 мкг на килограмм для детского питания на основе зерновых, до 750 мкг на килограмм для чипсов и 850 мкг на килограмм для кофе. Картофельные продукты составляют 67.1% потребления взрослого акриламида в Великобритании, 60–80% из которых приходится на картофель фри, а остальное — чипсы и картофель, приготовленный в духовке.

Британское агентство по пищевым стандартам отслеживает уровни как акриламида, так и некоторых фуранов — также возможных канцерогенов, и поэтому контролируется, но не ограничивается. В последних результатах за период до ноября 2017 года уровни акриламида были ниже, чем в среднем, но с несколькими компаниями, превышающими их. Pringles, возможно, неудивительно, учитывая работу P & G над акриламидом, была чипсами с самым низким содержанием акриламида, всего 25 мкг на килограмм.

Для тех, кто превышает эталон, многие исследования показали, как успешно избегать акриламида при сохранении аромата, вкуса и цвета. Часто это включает использование ферментов аспарагиназы для расщепления аспарагина в ингредиентах перед приготовлением. Но Стивен Элмор из Университета Рединга в Великобритании и его коллеги изучают выбор сортов картофеля.7 «Образование акриламида довольно хорошо коррелирует с коричневым цветом и обратно пропорционально содержанию крахмала и четкости», — говорит он. «Таким образом, чипсы, изготовленные из картофельных сортов, пригодных для приготовления чипсов, обычно содержат мало акриламида по сравнению с чипсами, изготовленными из картофеля, который можно использовать для приготовления пюре, например, Desiree, Harmony и Maris Piper».

Элмор и его коллеги также обнаружили, что в некоторых сортах картофеля крахмал распадается на простые сахара, которые могут участвовать в реакции Майяра больше, чем в других сортах. «Моя работа показала, что Hermes, ранее популярный хрустящий сорт, плохо хранится, в то время как Fontane и Markies были сортами, ранее не использовавшимися для чипсов, которые могут иметь потенциал», — говорит он. Однако Элмор добавляет, что даже им будет трудно достичь предела в 750 мкг / кг. Может быть возможно исследовать другие новые сорта картофеля, но очень высокие уровни крахмала, которые переводят на очень низкие уровни акриламида, «могут давать чипсы, которые слишком хрустящие».

Поэтому людям, обеспокоенным акриламидом, следует хранить картофель в холодильнике, советует Элмор. Это связано с тем, что охлажденное хранение повышает уровень восстанавливающих сахаров и, следовательно, больше акриламида при приготовлении. Но он также делает несколько замечаний, которые могут облегчить умы людей. Во-первых, канцерогенность акриламида у людей до сих пор не доказана. Во-вторых, коричневые полимеры меланоидина, полученные реакцией Майяра, являются антиоксидантами, которые могут противодействовать токсичности соединений, полученных в том же процессе. И в-третьих, реакция Майяра естественным образом происходит в наших телах очень медленно.

Новые взгляды на классические идеи

Эти естественные реакции Майяра становятся все более и более интересными для многих ученых, учитывая их последствия для здоровья, в том числе компанию Чепмена, Carbometrics, базирующуюся в Бристольском инкубаторе Unit DX. «Именно здесь все началось с Луи Майяра, изучающего физиологические системы», — отмечает он. «У нас в крови циркулирует сахар, и мы покрыты аминами из всех наших белков». Процесс происходит медленно, но наши относительно высокие концентрации глюкозы в крови помогают. Это особенно важно для диабетиков, чьи проблемы с регулированием уровня глюкозы в крови означают, что концентрации могут оставаться выше дольше. «Патология заболевания очень сильно связана с изменением функции белков, которое является результатом реакции глюкозы с этими белками», — добавляет Чепмен.

Поэтому Чепмен и его коллеги работают над платформой, связывающей глюкозу, которая изначально была создана в Бристольском университете в Великобритании, как стартап под названием Ziylo. В августе 2018 года датская фармацевтическая компания Novo Nordisk приобрела полные права на платформу в рамках сделки на сумму до 1 млн. 2 800 000 фунтов стерлингов (610 млн. Фунтов стерлингов). Они надеются, что эти молекулы, связывающие глюкозу, могут давать инсулиноподобные вещества, способные выявлять высокий уровень глюкозы в крови и вызвать биологические процессы, чтобы уменьшить их. По словам Чепмана, после приобретения некоторые исследования были проведены в Ziylo, чтобы сформировать Carbometrics, которая теперь хочет «создать датчики глюкозы следующего поколения».

Но когда дело доходит до реакции Майяра в еде, в то время как Чепмен принимает правила, он лично мало беспокоится об акриламиде в своей домашней кухне. «Если вы посмотрите на все соединения, которые образуются в реакции Майяра, я думаю, что многие могут считаться токсичными», — говорит он. «Их там очень мало, и мы ели их много лет».

Этот широкий спектр веществ отражает то, что даже после более чем столетия во многих отношениях мы едва почувствовали вкус того, что может предложить сложность реакции Майяра. Мы, однако, в лучшем положении, чем когда-либо, чтобы использовать его во вкусной еде на Рождество или День Благодарения.

Чепмен говорит, что он будет разделять индейку на суставы, готовить грудки при температуре около 60 ° С (под вакуумом на водяной бане), чтобы они оставались влажными, при этом медленно обжаривая ноги в духовке. Затем он в последнюю минуту вызвал реакцию Майяра, обжаривая мясо на сковороде, чтобы обжарить его. Чепмен добавляет, что современные повара часто делают это при приготовлении мяса, чтобы получить самый нежный и вкусный результат. «Мой главный совет: не готовьте индейку в течение пяти часов в духовке, чтобы она стала коричневой. И, конечно, я сделал бы свой соус в скороварке.

Энди Экстанс — научный писатель из Эксетера, Великобритания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *