Скачать (62,0 Кб)

Темное царство меланоидинов

Кандидат химических наук С. Б. Давидянц
Химия и Жизнь №3, 1980 г., с. 44-48

В старом анекдоте два деревенских жителя впервые попадают в ресторан и, рассмотрев внимательно меню, выбирают себе самое дешевое блюдо - пюре. После обеда один глубокомысленно замечает другому: "Если бы я не знал, что это пюре, то решил бы, что это мятая картошка..."

Люди много веков жарили на костре мясо, пекли хлеб и сушили на солнце фрукты. И не догадывались даже, что во всех этих и многих других случаях они наблюдают образование меланоидинов, продуктов реакции между белками и углеводами. Тех самых меланоидинов, которые придают многим пищевым продуктам такую привычную коричневую окраску...

Официальная жизнь азотсодержащих поликонденсатов, именуемых в дальнейшем меланоидинами, началась только в нашем веке. Американский ученый Л. Майлард (у нас его обычно именуют на французский лад - Майар) в 1912 г. впервые и достаточно подробно описал реакцию между аминокислотами и восстанавливающими сахарами. Эта реакция была названа именем Майара, а ее продукты - несколько длинным словом меланоидины, от греческого меланос, что означает "черный".

Несколько лет спустя русские ученые С. П. Костычев и В. А. Бриллиант, экспериментируя с дрожжевыми культурами, показали, что меланоидины, полученные синтетическим путем и выделенные из природных объектов, практически идентичны. Этими веществами стали усиленно заниматься, принимая во внимание их роль во многих природных процессах; в научной литературе появились такие термины, как "неферментативное покоричневение", "сахароаминная реакция", "меланоидинообразование" и пр. Более шестидесяти лет идет работа, накопилось много фактов, но химическое строение меланоидинов до сих пор окончательно не доказано. Орешек оказался не на шутку прочным, хотя скорлупа и покрылась многочисленными трещинами…

Но обо всем по порядку.

КОРКА ХЛЕБА, ТОРФ И РОДИНКИ

Те меланоидины, с которыми мы чаще всего имеем дело, нам же и обязаны своим появлением на свет. Речь идет о пищевых меланоидинах, которые содержатся в аппетитной хлебной корке и в румяной корочке шашлыка, в жареной рыбе и в ряженке, в солоде, пиве, вине, соках, в консервах и пряниках - да мало ли где еще.

Надо заметить, что при сахароаминной реакции образуются не только меланоидины, но и многочисленные летучие вещества различного строения. Именно они формируют запах и отчасти вкус пищевого продукта. Кулинария, без которой большинство из нас обойтись не может, обходится недешево - сахароаминная реакция "съедает" до тридцати процентов белка, значительные количества углеводов, витаминов и других биологически активных веществ. Тем не менее мы не в силах отказаться (да и надо ли это?) от ароматного хлеба и хорошо поджаренного мяса. И на каждой плите - электрической, газовой, дровяной - идет синтез пищевых меланоидинов...

Впрочем, и природа не пренебрегает сахароаминными реакциями. Благодаря фотосинтезу на Земле образуется ежегодно около 80 миллионов тонн органической массы, основные компоненты которой - все те же белки и углеводы. Можно представить себе масштабы сахароаминных реакций в биосфере! Эти реакции имеют немалое значение для формирования каменного угля, торфа, горючих сланцев, гумуса почвы. Однако нет смысла искать там значительные количества меланоидинов: за длительное время они уступили место более сложным образованиям - гуминовым кислотам, в синтезе которых участвовали и микроорганизмы.

Вообще же трудно провести четкую границу между меланоидинами и гуминовыми кислотами. Например, поликонденсаты, выделенные из сравнительно молодого, "недозрелого" торфа, будут походить скорее на меланоидины, а полученные из старых образцов - на гуминовые кислоты. Основное различие между ними не столько в структуре элементарных ячеек, сколько в степени и характере их уплотнения.

Помимо меланоидинов и гуминовых кислот есть еще обширная группа азотсодержащих поликонденсатов,- меланины растений, животных и человека.

Именно эти вещества вырабатываются в нашей коже, когда мы загораем на солнце. Они же служат пигментами микроорганизмов и цветов, волос и родинок. Меланины, в отличие от меланоидинов, образуются в ходе ферментативных процессов. Тем не менее в последнее время появляется все больше доказательств тому, что оба эти класса веществ вместе с гуминовыми кислотами весьма близки между собой, и поэтому их можно объединить в одну большую группу природных соединений, важное звено в круговороте углерода и азота в природе.

Теперь, познакомившись и с ближайшими родственниками, перейдем к самим меланоидинам.

НЕ СЛИШКОМ ЛИ МНОГО ДЛЯ ОДНОЙ РЕАКЦИИ?

Стандартный меланоидин, основной объект химического исследования, получают на редкость просто; реакция, надо полагать, доступна даже для школьного химического кабинета. Смесь из четырех частей глюкозы, одной части аминоуксусной кислоты (глицина) и пяти частей воды нагревают до кипения в течение двух-трех часов и один час держат при 140°С, а затем продукт реакции промывают водой, спиртом и высушивают. Вот и все.

Однако в литературе можно встретить упоминание об огромном числе меланоидинов, для синтеза которых использованы и амины, и аминокислоты, и пептиды, и белки, а также сахара различного строения. Сахароаминная реакция оказалась вполне управляемой: для нее известны катализаторы и ингибиторы, а максимальный выход достигается, когда сахара взято вчетверо больше, чем азотного компонента. Отработаны до мелочей и выделение меланоидинов, и их очистка (в основном хромато-графическими методами, включая гель-фильтрацию и электрофорез). Изучена их структура: она в основном аморфная, однако в молекулах есть и участки с кристаллическим строением; в этом смысле меланоидины близки к целлюлозе, только степень кристалличности у них меньше, и рентгеновскими методами ее не обнаружить.

Химические свойства меланоидинов тоже неплохо исследованы. Так, эти вещества способны окисляться и восстанавливаться, причем первая реакция идет быстрее второй. В щелочных растворах меланоидины более устойчивы, чем в кислых. При термической обработке идет дальнейшая поликонденсация, а выше 400°С образуются так называемые пиромеланоидины, дающие мощный сигнал ЭПР, который свидетельствует о наличии неспаренных электронов. Одним словом, свойства изучены хорошо, однако ни один исследователь не может пока сказать, что он точно знает структуру меланоидинов. То есть, иными словами, - что он знает точное строение элементарной ячейки и природу связи между ячейками.

Стандартный меланоидин содержит гидроксильные, карбонильные и карбоксильные группировки, кратные, и эфирные связи, а молекулярная масса колеблется между двумя и тридцатью тысячами. Многие исследователи, изучавшие реакцию Майара на различных примерах, выделили производные фурана, пиррола, пиридина, пиразина, карболина, других гетероциклических соединений... Не слишком ли много для одной реакции?

Конечно, можно предположить, что все эти вещества участвуют в построении меланоидинов (хотя это и мало вероятно). Скорее лишь какое-то из этих соединений претендует на звание основной структурной единицы, а остальные - лишь побочные продукты реакции.

Первоначально выбор пал на фурановое кольцо, образующееся из углеводного компонента. Однако затем исследователи переориентировались на пиразиновое кольцо, и публикации начала семидесятых годов свидетельствуют о том, что чаша весов склоняется в сторону пиразиновой структуры. Однако не обходится и без противоречий: во-первых, ни пиразин, ни его ближайшие гомологи не имеют сколь-либо заметной окраски и, во-вторых, пиразиновое кольцо устойчиво к действию окислителей, чего не скажешь о меланоидинах. В общем, поиск продолжался.

ПРОДОЛЖЕНИЕ МАРАФОНА

В 1972 г. к долгому меланоидиновому марафону подключились физики и химики двух институтов, расположенных в Ставрополе: педагогического института, где работает автор статьи, и ВНИИ люминофоров и особо чистых веществ. Мы начали с синтеза и изучения свойств высокомолекулярных меланоидинов, стараясь как можно полнее освободиться от низкомолекулярных примесей и карамелей. Нам удалось синтезировать и охарактеризовать более пятидесяти меланоидинов, причем многие из них ранее не были описаны. Реакции окисления, гидролиза, пиролиза и бромирования, поведение веществ в различных растворителях, оценка различных схем меланоидинообразования применительно к нашим соединениям - все это позволило предложить новую гипотезу строения. Название ее хоть и несколько сложно, зато вполне определенно для специалиста: дикетопиразинохиноидная гипотеза.

Схема образования меланоидинов (и заодно - карамелей)

Схема образования меланоидинов (и попутно карамелей) показана на рисунке. Заметим, что она состоит по меньшей мере из четырех стадий, причем на каждой могут образоваться побочные продукты сахароаминной реакции. Чередующиеся кратные связи хиноидной системы стабилизируются, принимая ароматический характер гетероциклических соединений. Что касается безазотистых конденсатов, то есть карамелей, близких к меланоидинам по внешнему виду и многим свойствам, то они образуются из производных глюкозы (и других восстанавливающих сахаров).

Предложенные структуры меланоидинов и карамелей неплохо объясняли их физические и химические свойства, однако надо было и экспериментально подтвердить, что модель выбрана в целом правильно. Для этого мы решили получить меланоидины, минуя традиционную сахароаминную реакцию, то есть провести встречный синтез, а точнее, два ряда синтезов - на основе дикетопиперазина и оксиальдегидов, глюконовой кислоты и ароматических аминов. Не вдаваясь в подробности, замечу, что и в первом, и отчасти во втором случаях образовались поликонденсаты, которые практически не отличались от эталонных образцов меланоидина. Во всяком случае, аналитические и спектральные исследования подтвердили их идентичность, и поликонденсаты, полученные из дикетопиреразина и оксикислот, были названы не без оснований искусственными меланоидинами.

В соответствии с новой гипотезой меланоидины - это циклические амиды (лактамы), а карамели - циклические эфиры (лактоны), и от карамели возможен переход к меланоидину (в среде глицерина и с помощью ароматических диаминов).

Конечно, авторы работы далеки от утверждения, что их гипотеза окончательна. Напротив, она порождает очередные вопросы, решение которых требует очередных экспериментов. И может быть, эти новые эксперименты приведут к следующей гипотезе, а там появится еще одна - и так до тех пор, пока не восторжествует единая и всеми признанная концепция. Что ж, будем довольствоваться тем, что преодолели хотя бы одну ступеньку...

ЧЕТВЕРТЫЙ КИТ

Принято считать, что в растительном и животном мире господствуют три поликонденсата: белки, полисахариды и лигнин. Нам кажется справедливым добавить к этим трем высокомолекулярным китам, на которых покоится жизнь, и четвертого. Как догадывается читатель, речь идет именно о продуктах сахароаминной реакции.

О положительных или отрицательных свойствах меланоидинов нельзя говорить столь же определенно, как, скажем, о пользе витаминов и вреде канцерогенов. Меланоидины скорее напоминают белки - настолько многообразна их роль. Ростовые, витаминные, противо-окислительные, антикоагулянтные, антимикробные, антигрибковые и прочие свойства меланоидинов изучены и изучаются, а иногда и используются.

Конечно, синтетические меланоидины из-за своей молодости пока не нашли практического применения, однако их доступность и невысокая стоимость исходных веществ дают основание предполагать, что за использованием дело не станет.

Начнем с медицины. Меланоидины не расщепляются пищеварительными ферментами, и, следовательно, они не усваиваются. Однако они могут образовать комплексы с белками-ферментами, влияя тем самым на их каталитическую активность. А недавно было высказано даже предположение, что меланоидины - это протоферментные системы, игравшие роль матрицы в процессах зарождения жизни...

Так нужны ли человеку меланоидины? Определенного ответа пока нет. Тем не менее мы постоянно поглощаем эти коричневые вещества, не ведая о том, балластные ли они, или малополезные, или же, напротив, весьма полезные. Во всяком случае разговор о лекарственном применении меланоидинов станет конкретным лишь после того, как будут найдены гарантии их безвредности. Сегодня таких гарантий нет, и поэтому сведения о возможном использовании меланоидинов, скажем, в бальнеологии или в кардиологии будем считать сугубо предварительными.

А вот ростовые свойства меланоидинов уже сейчас могут оказаться полезными в растениеводстве и животноводстве. Например, в Ставропольском политехническом институте из отходов молочного производства получен так называемый препарат "ПВ" (по имени автора - П. Ф. Ведяшкина). Этот препарат рекомендован для широкого применения в качестве биостимулятора. Его активные свойства обусловлены продуктами сахароаминной реакции.

И технология приготовления пищи вряд ли останется в стороне от проблемы меланоидинов. Можно предположить, что стремление сохранить максимум полезных свойств будет иметь следствием отказ (во многих случаях) от варки, обжарки, выпечки - словом, от того, что называют высокотемпературной обработкой. Но как же быть тогда с сахароаминной реакцией, которая формирует запах и вкус? Многие ли согласятся есть безвкусную пищу?

Сама собой напрашивается мысль: а нельзя ли вводить продукты сахароаминной реакции в здоровую пищу, чтобы сделать ее впридачу и вкусной? Впрочем, об этом подумали и до нас - многие ароматизаторы и интенсификаторы запахов получены именно на основе сахароаминной реакции. И не исключено, что эти или подобные вещества будут когда-нибудь добавлять к натуральным продуктам.

Как бы то ни было, меланоидины имеют прямое отношение к каждому из нас. И чем меньше загадок будет с этими темными веществами, тем лучше для всех...

ЧТО ЧИТАТЬ О МЕЛАНОИДИНАХ

1. Б. Э. Дамберг. Реакция меланоидинообразования и ее биологическое значение. "Известия АН Латвийской ССР", 1976, т. 1, с. 97.

2. А. Р. Сапронов, Р. А. Колчева. Красящие вещества и их влияние на качество сахара. М., "Пищевая промышленность", 1975.

3. Р. А. Венер. Состав и свойства меланоидинов. "Химия твердого топлива", 1967, т. 6, с. 58.

4. В. Л. Кретович, Р. Р. Токарева. Взаимодействие аминокислот и Сахаров при повышенных температурах. "Биохимия", 1948, т. 13, с. 508.

5. О. P. Ellis. The Maillard Reaction. "Advances in Carbonhydrate Chemistry", New York, Acad. Press Inc, 1959, v. 14, p. 63-134.