A reação de Maillard nos Alimentos e Medicamentos

A reação de Maillard nos Alimentos e Medicamentos

(Parte 4 de 14)

D-Glicose

OCH2OH OH

Aldose - HO

NH2

NH2 OH (Lys)

NH2

NNH NH2

H Aminoguanidine

− 4HON N

N NH2N OH

NH2 OHH

NH2

Ataque intramolecular do N ao C=O

NH2 OH

NH ONH NH2

NH2 OH

Arginine (Arg) L-Arginina

L-LisinaAminotriazina: N-[4-(3-amino-1,2,4

Didesoxiosona

Aldimina

Figura 5 – Mecanismo de formação do glicosepane. Glicose marcada no C1 reage com lisina presente nas proteínas formando o produto de Amadori. Após sucessivos deslocamentos do grupo carbonila ao longo do esqueleto carbônico do açúcar, o intermediário α-dicarbonílico didesoxiosona é formado. Sua existência é experimentalmente confirmada através da reação com o reagente de captura aminoguanidina que produz a aminotriazina. O intermediário α- dicarbonílico sofre ataque intramolecular do εN ao grupo carbonila em C6, dando a aldimina, um precursor plausível para o agente de ligações cruzadas Lys-Arg, glicosepane (baseado em

Schwack, 2004).

O Oxigênio é um poderoso catalisador das reações de Maillard entre glicose e proteína. Todos os PFGA conhecidos por se acumular na proteína dos tecidos (pentosidina, CML, CMhL), requerem condições autoxidativas (oxigênio molecular e catálise por íons de metais de transição) para sua formação a partir de glicose, nos modelos estudados em laboratório. Na ausência do oxigênio o processo de formação desses compostos é inibido, o mesmo ocorrendo em condições aeróbicas na presença de agentes quelantes, redutores e bloqueadores de radicais livres (antioxidantes). Por essa razão, esses produtos que requerem glicosilação e oxidação na sua formação foram designados produtos da “glicoxidação”. A glicoxidação é um complexo processo in vitro, envolvendo oxidação direta da glicose (glicosilação autoxidativa) e autoxidação da base de Schiff e produtos de Amadori,

Aderson de F. Dias, Ph.D. A Reação de Maillard nos Alimentos e Medicamentos rotas conhecidas como Wolff, Namiki e Hodge.14 Produtos da glicoxidação se acumulam irreversivelmente das proteínas durante a reação de Maillard.15

Uma constelação de fatores exerce seu comando no curso da reação, entre os quais se incluem variada gama de compostos carbonílicos (açúcares redutores16, entre outros), amônia, grupos amina (presentes nos aminoácidos, peptídeos, proteínas), pH, temperatura, umidade, íons de metais pesados, luz e sulfitos, para citar os mais evidentes.17

Na reação de Maillard, o grupo amina (–NH2) dos aminoácidos desaparece. Quimicamente, esse grupo é o responsável pelas propriedades alcalinas dos aminoácidos e de outras classes de compostos nitrogenados. Conseqüentemente, o pH inicial do meio terá efeito decisivo no comportamento da reação de Maillard, pH- dependente. O acastanhamento (browning) diminui quando o pH aumenta podendose afirmar que essa reação é auto-inibitória à medida que o acastanhamento progride, em razão do desaparecimento dos aminoácidos (deMan, 1999).

14 Na etapa inicial da reação de Maillard, glicose reage com uma amina para formar a base de Schiff, a qual se rearranja para o produto de Amadori (ver Fig. 2). A base de Schiff é muito susceptível à oxidação e produção de radicais livres, o que leva à formação de oxaldeidos, glioxal e metilglioxal, ou seja, a assim chamada rota de Namiki da reação de Maillard. Esta forma da glicoxidação também pode provir da autoxidação da glicose catalisada por metais, que leva à formação de glioxal e arabinose. D-glicosona se decompõe rapidamente em ribulose e por isso não é observada in vivo. Nesse processo, H2O2 é liberado. Essa é a chamada rota de Wolff da reação de Maillard e é um processo importante in vitro, observado durante incubação de longa duração de proteínas com açúcares redutores em tampão fosfato. É atribuído à presença de íons dos sais de Cu2+ e Fe3+, contaminantes de todos os tampões baseados em fosfato. Fonte: Monnier, Vincent M.: Intervention against the Maillard reaction in vivo, Arch. Biochem. Bioph., 419 1–15 (2003). A rota de Hodge é a via clássica da reação de Maillard, na qual a base de Schiff reversível e os produtos de Amadori se rearranjam gradualmente resultando em modificações químicas permanentes em proteínas. Fonte: Metz, T. O.; Alderson, N. L.; Thorpe, S. R., and Baynes, John W., Pyridoxamine, an inhibitor of advanced glycation and lipoxidation reactions: a novel therapy for treatment of diabetic complications, Arch. Biochem. Biophys., 419, 41-49 (2003). 15 Litchfeld, John E.; Thorpea, Suzanne R., and Baynes, John W.: Oxygen is not required for the browning and crosslinking of protein by pentoses: relevance to Maillard reactions in vivo, International J. Biochem. & Cell Biol., 31 1297-1305 (1999) 16 Um açúcar redutor é capaz de reduzir determinados agentes oxidantes, dois dos quais são usados em métodos analíticos. Um é o sulfato de cobre alcalino (CuSO4 em tartarato de sódio e potássio – solução de Fehling) ou cloroamina-T (CH3C6H4SO2NClH). Um açúcar com um grupo aldeído, cetona, hemi-acetal ou um hemicetal é um açúcar redutor. Sem um desses grupos, é um açúcar não-redutor.

17 Montgomery, M. W. and Day, E. A., J. Food Sci., 30, 828-832 (1965).

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A complexa química por trás dessas transformações somente começou a ser desvendada no início dos anos 50, quando Hodge18 publicou o primeiro esquema reacional compreensível da reação de Maillard. Uma das características da reação é a sua difícil controlabilidade, em razão da miríade de produtos e intermediários. Muitos desses produtos já foram caracterizados e o mecanismo de sua formação compreendido.

Em termos nominais, a reação consiste numa condensação entre a função carbonila (grupo ceto, >C=O) de um açúcar redutor19 como a glicose e o grupo –NH2 (ou amônia, um aminoácido, peptídeo ou uma proteína) de uma amina biológica

(freqüentemente o grupo ε-amina da lisina de uma proteína é o mais reativo dos aminoácidos que incluem no grupo além da lisina, a glicina, o triptofano e a tirosina20), formando um produto de condensação (imina ou base de Schiff, Fig. 6). Uma série de reações tem lugar a seguir, incluindo ciclizações, desidratações, retroaldolizações, rearranjos, isomerizações e mais condensações culminando com a formação de polímeros castanhos nitrogenados conhecidos como melanoidinas.21

3 – Formação do N–Glicosídeo: Aldose/Cetose + Grupo amina

D-Glicosamina (N-glicosídeo)

Imina (Base de Schiff) β-anômero

D-Glucose

Íon imônio α-anômero

18 Hodge, J. E.: Chemistry of browning reactions in model systems J. Agric. Food Chem., 1, 928-943 (1953). Agricultural and Food Chemistry, 1(15), 928–943. 19 Carboidrados não redutores tais como manitol, sacarose e trehalose não sofrem a reação de Maillard. 20 Ashoor, S. H. and Zent, J. B., J. Food Sci., 49, 1206-1207 (1984). 21 Ames, Jennifer M.: Applications of the Maillard reaction in the food industry, Food Chemistry, 62, 431-439 (1998)

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Figura 6 – Primeiras etapas da reação de Maillard: Um açúcar redutor (seu tautômero cíclico está em equilíbrio com sua forma aldeídica, –CHO, mais reativa) e um aminoácido primário reagem com perda de uma molécula de água para formar uma imina (base de Schiff) a qual sofre ciclização dando a D-glicosamina. Os anômeros alfa e beta do N-glicosídeo existem no equilíbrio (mutarrotação)2 como resultado de uma isomerização por catálise ácida, via o íon imônio.

1-amino-1-desoxicetose: Produto de Amadori α-Dicarbonila

Íon imônio

Rearranjo de AmadoriOH

Enolização

Enol

1,2-Enolamina

Figura 7 – Ao invés de ciclizar, o íon imônio sob catálise alcalina, poderá sofrer o rearranjo de Amadori, formando o produto de Amadori. Enolização e clivagem oxidativa da aminocetose (ou produto de Amadori) formam vários produtos de pesos moleculares inferiores.

22A D-Glicose em solução aquosa produz, por mutarrotação, uma mistura equilibrada de anômeros nas formas α e β. A D-glicose de cadeia aberta está em equilíbrio com os dois hemiacetais cíclicos e duas formas furanosídicas (ao todo, 4 tautômeros). Devido à reatividade química do grupo aldeído da forma aberta, a glicose existe em solução aquosa nesta forma numa diminuta quantidade (0,0026%) que reage formando β−D-glicose a qual existe no equilíbrio numa quantidade duas vezes maior (64%) que a α−D-glicose (36%). É a forma aberta que reage com grupos amina de aminoácidos e proteínas presentes nos alimentos. Logo que o grupo aldeído reage, o equilíbrio se desloca para formar mais D-glicose de cadeia aberta, que continua reagindo até o consumo total dos reagentes. α−D-glicose e β−D-glicose como sólidos cristalinos possuem rotação especifica +112,2º e +18,7º respectivamente e diferem entre si na solubilidade, forma cristalina, higroscopicidade e poder adoçante. Quando dissolvidos em água a rotação especifica de ambos gradualmente se converte ao valor de +52,7º, que corresponde à rotação especifica da mistura em equilíbrio. Essa mudança na rotação especifica é chamada de mutarrotação. Fontes: Bruice, Paula Y., Organic Chemistry, 4th Ed. (2003).

β-D-Glicose (64%) α-D-Glicose

(36%) Mutarrotação β (equatorial) α (axial)A conformação da β-D-Glicose é mais estável que a α-D-Glicose; há mais espaço para substituintes em equatorial que em axial. Para surpresa geral, na formação da D-glicose a configuração que se forma preferencialmente é o α−Glicosídeo (substituinte em axial: é o efeito anomérico.

0,14% Furanosideo

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