Untersuchungen an Modellsystemen

Kapitel

...wäßrige Modellsysteme

Die Bildungswege, die zu den einzelnen a-Dicarbonylverbindungen beim Abbau der Amadori-Verbindung führen, zeigen eine klare Abhängigkeit vom pH-Wert des untersuchten Modellsystems. Die Bildung des 3-Desoxyosons über den Weg der 1,2-Enolisierung stellt bei pH 3,0 den Hauptabbauweg der Amadori-Verbindung dar. Mit zunehmendem pH-Wert nimmt die Bedeutung dieser Reaktion mehr und mehr ab. Die 2,3-Enolisierung, die zum 1-Desoxyoson führt, gewinnt demgegenüber mit zunehmendem pH-Wert an Bedeutung. Bei pH 7,0 bildet sich das 1-Desoxyoson im größten Maße. Bei den höheren pH-Werten tritt auch die Bildung des Glucosons über die Autoxidation vermehrt in Erscheinung. Hier kommt es in Abhängigkeit von den übrigen Reaktionsbedingungen zu einer klaren Konkurrenz zwischen der 2,3-Enolisierung und der Autoxidation. Während bei Abwesenheit von Schwermetallspuren die 2,3-Enolisierung und die Autoxidation bei einem pH-Wert von 7,0 im gleichen Maße ablaufen, stellt das Glucoson bei Anwesenheit von Kupferionen das Hauptabbauprodukt der Amadori-Verbindung dar. Insgesamt erhöht sich die Bildungsrate des Glucosons bei Anwesenheit von Kupferionen und es bilden sich bereits bei relativ niedrigen Temperaturen (40 - 60 °C) große Mengen Glucoson. Bei der Kupferkatalyse scheint es einen Schwellenwert für die Konzentration zu geben, ab der sich die Anwesenheit von Kupferionen positiv auf die Bildungsrate des Glucosons auswirkt. Erst ab einer Kupferkonzentration von ca. 5 µmol/l konnte in den Modellen ein Anstieg der Glucosonbildung nachgewiesen werden. Durch die Zugabe von EDTA als Komplexbildner konnte die Bildung des Glucosons im Gegenzug gehemmt, nicht jedoch gänzlich unterbunden werden. Die Anwesenheit von Citrat als Puffersubstanz hemmt die Autoxidation nicht, vielmehr wird die Wirkung der Kupferionen durch die stabilisierende Wirkung des Citrats bei höheren pH-Werten eher noch verstärkt.
Bei der Abhängigkeit der Reaktionswege von der Temperatur lassen sich grundsätzliche Unterschiede zwischen den Enolisierungsreaktionen und der Autoxidation aufzeigen. Die Enolisierungsreaktionen laufen demnach bevorzugt bei höheren Temperaturen ab. So zeigt die Bildung des 1-Desoxyosons bei 100 °C ein Optimum; die Bildungsgeschwindigkeit des 3-Desoxyosons erreicht über den untersuchten Temperaturbereich einen Maximalwert bei 120 °C. Demgegenüber zeigt die Bildung des Glucosons schon bei 80 °C ein Temperaturoptimum. Die Autoxidation läuft bei Anwesenheit von Kupferionen auch noch bei niedrigeren Temperaturen in großem Maße ab.
Reduzierende Zucker können unter prooxidativen Bedingungen ebenfalls eine Autoxidation durchlaufen, bei der analog zu den Gegebenheiten bei den Amadori-Verbindungen reaktive a-Dicarbonylverbindungen entstehen. In Modellsystemen, die nur Glucose als Ausgangsverbindung enthielten, konnte folgerichtig ebenfalls das Glucoson nachgewiesen werden. Die Bildungsrate des Glucosons aus Glucose erhöht sich bei Zugabe von Aminosäuren geringfügig. Die Autoxidation der Glucose führt zwar zum Glucoson, die Bildungsrate bleibt aber deutlich unter den Gehalten, die in den Modellen mit der Amadori-Verbindung erreicht werden. Man kann davon ausgehen, daß die Autoxidation der Zucker durch den Zwischenschritt über die Amadori-Verbindung im Verlauf der nicht-enzymatischen Bräunung beschleunigt wird.
Parallel dazu wurde auch der Einfluß unterschiedlicher Zuckerarten auf die Glucosonbildung untersucht. Demnach ist die Fructose anfälliger für den oxidativen Abbau als die Glucose.

...wasserarme Modellsysteme

In den wasserarmen Modellen steigt die Abbaurate der Amadori-Verbindung mit zunehmendem pH-Wert an. Bei allen untersuchten pH-Werten durchläuft der Abbau bei einer Wasseraktivität von 0,3 - 0,4 ein Maximum und fällt mit zunehmender Wasseraktivität ab, da hier das freie Wasser die Reaktionsgeschwindigkeit durch den auftretenden Verdünnungseffekt erniedrigt. Bei Anwesenheit von Kupferionen steigt der Abbau - anders als in den wäßrigen Systemen - nicht an. Es kommt lediglich bei den Modellen, in denen das Kupfer überhaupt katalytisch wirksam ist, zu einer Verschiebung der Abbauwege hin zum Glucoson.
Insgesamt fällt auf, daß die katalytische Wirksamkeit der eingesetzten Mengen an Kupferspuren stark von den jeweiligen Reaktionsbedingungen in den Modellen abhängig ist. So spielt die Kupfer-Katalyse bei einem pH-Wert von 3,0 gar keine Rolle, während bei pH 7,0 die größte Wirksamkeit bezogen auf die gebildete Menge an Glucoson nachgewiesen werden kann. Wichtig für die Wirksamkeit der Kupferionen ist ganz offensichtlich die Form, in der sie bei den unterschiedlichen pH-Werten in den Modellen vorliegen. So hat die als Puffersubstanz zugesetzte Citronensäure nur bei einem pH-Wert von 7,0 durch die Ausbildung eines Komplexes eine stabilisierende Wirkung, die die Kupfer-Katalyse positiv beeinflußt. Bei niedrigeren pH-Werten bildet sich ein entsprechender Kupfer-Citratkomplex nicht aus, so daß die Kupferionen bei zunehmender Hydratisierung in ihrer katalytischen Wirkung gehemmt werden. Dem entsprechend hängt die Glucoson-Bildung in den wasserarmen Modellen stark vom pH-Wert des jeweiligen Systems ab. Die Kupfer-Katalyse hat in den Modellen mit einem pH-Wert kleiner als 5,0 nur einen geringen Einfluß auf die Bildung des Glucosons. Trotzdem stellt das Glucoson bei diesen pH-Werten in Gegenwart von Kupferionen das Hauptprodukt des Abbaus der Amadori-Verbindung dar. Bei einem pH-Wert von 7,0 kommt es zu einer ausgeprägten Konkurrenz zwischen der Bildung des Glucosons und der 2,3-Enolisierungsreaktion, die zum 1-Desoxyoson führt. Während bei a_w-Werten oberhalb von 0,5 das Glucoson in den Modellen mit Kupferionen das Hauptabbauprodukt der Amadori-Verbindung darstellt, ist bei den kleineren a_w-Werten der Abbauweg zum 1-Desoxyoson favorisiert.
Die Bildung des 1-Desoxyosons zeigt bei der Abhängigkeit von der Wasseraktivität mit der Ausbildung eines Maximums im Bereich von 0,3 - 0,4 die gleiche Charakteristik wie der Abbau der Amadori-Verbindung. Bei pH-Werten unter 5,0 spielt die 2,3-Enolisierung nur noch eine untergeordnete Rolle.
Die Bildung des 3-Desoxyosons läuft über dem gesamten pH-Bereich in der gleichen Größenordnung ab. Ein Bildungsmaximum läßt sich bei pH 5,0 erkennen. Auffällig ist, daß die Bildung des 3-Desoxyosons im Gegensatz zur Bildung des 1-Desoxyosons im Bereich der untersuchten Wasseraktivitäten kein Maximum durchläuft. Vielmehr bildet sich das 3-Desoxyoson in den Modellen mit dem geringsten Wassergehalt im größten Maße und nimmt dann mit zunehmender Wasseraktivität mehr und mehr ab.