-Dicarbonylverbindungen Intermediate der nichtenzymatischen Bräunung von L-Ascorbinsäure

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1 -Dicarbonylverbindungen Intermediate der nichtenzymatischen Bräunung von L-Ascorbinsäure von Diplom-Lebensmittelchemikerin Anke Schulz Von der Fakultät III Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation Promotionssausschuss: Vorsitzender: Berichter: Berichter: Berichter: Prof. Dr. rer. nat. A. Hartwig Prof. Dr. rer. nat. L. W. Kroh Prof. Dr. sc. nat. H. Kunzek Prof. Dr. rer. nat. M. Pischetsrieder Tag der wissenschaftlichen Aussprache: Berlin 2006 D 83

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3 Berichte aus der Chemie Anke Schulz a-dicarbonylverbindungen Intermediate der nichtenzymatischen Bräunung von L-Ascorbinsäure D 83 (Diss. TU Berlin) Shaker Verlag Aachen 2006

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Abstract Anke Schulz -Dicarbonylverbindungen Intermediate der nichtenzymatischen Bräunung von L-Ascorbinsäure Zur Untersuchung der nichtenzymatischen Bräunungsreaktion von L-Ascorbinsäure wird der nichtoxidative Abbauweg getrennt von dem oxidativen Weg in Abhängigkeit des Reaktionsmilieus (ph Wert, Temperatur, Konzentration der Ausgangsstoffe) analysiert. Beim Erhitzen einer L-Ascorbinsäurelösung unter nichtoxidativen Bedingungen durch Austausch der Reaktionsatmosphäre Luft mit Argon können neben Furfural unabhängig von den Reaktionsbedingungen die -Dicarbonylverbindungen Diacetyl, Glyoxal, Methylglyoxal und 3-Desoxypentosulose nach Abfangreaktion mit o-phenylendiamin mittels HPLC/DAD und GC/MS nachgewiesen werden. Der oxidative Abbauweg von Vitamin C wird durch Erhitzen einer Dehydro-L-ascorbinsäurelösung initiiert und gibt den Nachweis für die Bildung von Diacetyl, Glyoxal und Methylglyoxal. Untersuchungen einer gebräunten C 13 1 C markierten L-Ascorbinsäurelösung mit ESI/MS bestätigen die postulierten Bildungsmechanismen der -Dicarbonylverbindungen sowohl für den nichtoxidativen als auch für den oxidativen Abbauweg. Erstmals gelingt es, neben L-Threoson als C 4 Fragment eine neue -Dicarbonylverbindung 3-Desoxythreoson über den oxidativen Abbauweg von L-Ascorbinsäure nachzuweisen. Der Zusatz von L-Ascorbinsäure in die Caramelisierungsreaktion von D-Glucose verursacht eine Verringerung aller untersuchten Fragmente mit -Dicarbonylstruktur. Insbesondere im basischen ph Bereich wird eine signifikant geringere Bildung der durch Retro-Aldolreaktion entstehenden kurzkettigen -Dicarbonylverbindungen beobachtet. In einem typischen Maillard Reaktionssystem von D-Glucose/Glycin kommt es in Anwesenheit von L-Ascorbinsäure trotz der schnellen Kondensationsreaktion von Vitamin C mit Glycin ebenfalls zur verminderten Bildung aller -Dicarbonylverbindungen. Eine antioxidative Wirkung von Vitamin C kann gezeigt werden. Vergleichende Untersuchungen in Lebensmitteln und pharmazeutischen Proben zeigen übereinstimmende Verhaltensmuster bei der Bildung von Abbauprodukten. Das ausschließlich aus der L-Ascorbinsäure gebildete Abbauprodukt 3-Desoxythreoson kann erstmalig beim Erhitzen von Baby-Nahrungsmitteln nachgewiesen werden.

6 Die vorliegende Arbeit entstand unter Betreuung von Herrn Prof. Dr. L. W. Kroh am Institut für Lebensmittelchemie der Technischen Universität Berlin. Ich danke ihm für die kompetente Betreuung, die engagierte Hilfe und die stets offene Tür während der Entstehung dieser Arbeit. Für die freundliche Übernahme der zweiten und dritten Berichterstattung danke ich Herrn Prof. Dr. H. Kunzek und Frau Prof. Dr. M. Pischetsrieder. Für die flexiblen Arbeitszeiten, dem großen entgegengebrachten Verständnis und der steten Unterstützung über den gesamten Zeitraum bei der Anfertigung der Dissertation danke ich der Kryolan GmbH. Danken möchte ich allen Mitarbeitern des Arbeitskreises Kroh, insbesondere Frau Dr. B. Cämmerer für die anregenden Diskussionen und die Durchsicht des Manuskriptes, A. Berghäuser und B. Beyerlein für die angenehme Laboratmosphäre und die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Besonderer Dank gilt Frau Dr. C. Trage für die Durchführung der ESI/MS Messungen, der Interpretation dieser Spektren und dem stets freundschaftlichen Rat nicht nur bei der Durchsicht dieses Manuskriptes. Herrn Dr. J. Gottfriedsen danke ich herzlich für seine kritischen und zugleich anregenden Gespräche sowie für seine moralische Unterstützung in jeder Phase der Doktorarbeit.

7 7 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung Ascorbinsäure Abbau von L-Ascorbinsäure Nichtoxidativer Abbauweg Oxidativer Abbauweg Nichtenzymatische Bräunungsreaktion von Kohlenhydraten Caramelisierungsreaktion Maillard Reaktion Anfangsphase Fortgeschrittene Phase Endphase Analytik von -Dicarbonylverbindungen 25 2 Problemstellung 28 3 Ergebnisse und Diskussion Bräunung der L-Ascorbinsäure im Vergleich zur nichtenzymatischen 31 Bräunung von Kohlenhydraten Einfluss der Temperatur Einfluss des ph Wertes Einfluss des Umgebungsgases Einfluss der Ausgangskonzentration Zusammenfassung Identifizierung und Quantifizierung von Zwischenprodukten beim 36 Abbau von L-Ascorbinsäure Bildung von Furfural über den nichtoxidativen Abbauweg Bildung von Furfural über den oxidativen Abbauweg Zusammenfassung 38

8 Bildung von -Dicarbonylverbindungen über den nichtoxidativen 38 Abbauweg Einfluss der Temperatur Einfluss der Ausgangskonzentration Einfluss des ph Wertes Bildung von -Dicarbonylverbindungen über den oxidativen Abbauweg Einfluss des ph Wertes Zusammenfassung Nachweis von Zwischenprodukten des oxidativen und nichtoxidativen 51 Abbauweges von L-Ascorbinsäure mit Hilfe von ESI/MS Strukturaufklärung des OPD Derivates von Dehydro-L-ascorbinsäure Strukturaufklärung des OPD Derivates von 2,3-Diketo-L-gulonsäure Nachweis neuer -Dicarbonylverbindungen Bildung von -Dicarbonylverbindungen aus L-Ascorbinsäure Bildung von -Dicarbonylverbindungen aus Dehydro-L-ascorbin- 60 säure Bildung von -Dicarbonylverbindungen aus 2,3-Diketo-L-gulon- 60 säure Zusammenfassung Caramelisierungsreaktion - Identifizierung und Quantifizierung von 61 Zwischenprodukten beim thermisch induzierten Abbau von D-Glucose Caramelisierungsreaktion von D-Glucose Einfluss der Temperatur Einfluss des ph Wertes Einfluss des Umgebungsgases Zusammenfassung L-Ascorbinsäure als Konkurrent in der Caramelisierungsreaktion von 68 D-Glucose Einfluss der Temperatur Einfluss des ph Wertes Einfluss des Umgebungsgases Zusammenfassung 73

9 9 3.5 Maillard Reaktion - Identifizierung und Quantifizierung von Zwischen- 74 produkten beim thermisch induzierten Abbau von D-Glucose/Glycin Maillard Reaktion von D-Glucose/Glycin Einfluss der Temperatur Einfluss des ph Wertes Einfluss der Aminosäurekonzentration Einfluss des Umgebungsgases Zusammenfassung L-Ascorbinsäure als Konkurrent in der Maillard Reaktion von 82 D-Glucose/Glycin Einfluss der Temperatur Einfluss des ph Wertes Einfluss der Aminosäurekonzentration Einfluss des Umgebungsgases Zusammenfassung Bestimmung der antioxidativen Aktivität von typischen in 93 Lebensmitteln befindlichen Inhaltsstoffen L-Ascorbinsäureabbau Antioxidative Aktivität von L-Ascorbinsäure Antioxidative Aktivität von Dehydro-L-ascorbinsäure Antioxidative Aktivität eines typischen Maillard Reaktionssystems Zusammenfassung Vergleichende Untersuchungen der enzymatischen Bräunungsreaktion 99 von L-Ascorbinsäure mit Lebensmitteln und pharmazeutischen Präparaten Analyse in Lebensmitteln Identifizierung von -Dicarbonylverbindungen Analyse in pharmazeutischen Präparaten Bräunungsverhalten der Proben Ascorbinsäureabbau Bestimmung des Furfuralgehaltes Identifizierung hochmolekularer Verbindungen mittels GPC Identifizierung von -Dicarbonylverbindungen 105

10 10 4 Experimentelle Bedingungen Chemikalien Allgemeine Arbeitstechniken und Derivatisierungsverfahren Thermolyse Derivatisierung Analytische Methoden Photometrische Messung ESR GC/MS HPLC/DAD HPLC/UV HPLC/PAD GPC ESI/MS Synthese von Dehydro-L-ascorbinsäure Synthese von 2,3-Diketo-L-gulonsäure Herstellung von Barium-2,3-diketo-L-gulonsäure Isolierung von 2,3-Diketo-L-gulonsäure Zusammenfassung Literatur 120 Abkürzungsverzeichnis 134 Strukturverzeichnis 135