Die artgerechte Erzeugung tierischer Lebensmittel hat einen großen Stellenwert bei Verbrauchern eingenommen. Zum Schutz der Verbraucher, werden analytische Verfahren benötigt, um Lebensmittel verlässlich zu authentifizieren. Von Schwarzenbolz et al. (2016) wurde ein Ansatz beschrieben, bei welchem über die Analyse von freien Maillard-Reaktionsprodukten (MRP) in tierischen Lebensmitteln, wie Milch und Milchprodukten, Aussagen über die Fütterung der Tiere mit thermisch behandelten Futtermitteln getroffen werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein grundlegender Überblick über die Konzentrationen einzelner MRP in unterschiedlichen Futtermitteln für Milchkühe geschaffen, welcher eine Abschätzung der quantitativen Aufnahme von MRP über das Futter von Milchkühen erlaubt. Mithilfe von Untersuchungen zum Carry-over von MRP in verschiedenen Nutztieren erfolgten Abschätzungen zur Bioverfügbarkeit der MRP in den Nutztieren, wobei sich Unterschiede zwischen den untersuchten MRP Pyrralin, MG-H1 und CML zeigten. Erhitzungsexperimente und Modellinkubationen von Milch lieferten neue Erkenntnisse zur Bildung bzw. zum Abbau freier MRP während der Prozessierung von Milch zu Milchprodukten. Diese Ergebnisse können einen Beitrag zur Authentifizierung von tierischen Lebensmitteln leisten, da über die Konzentrationen von freien MRP in den Lebensmitteln Aussagen zum aufgenommenen Futtermittel und einer evtl. artgerechten, d.h. MRP-armen, Tierernährung getroffen werden können. Eine weitere Charakterisierung der Bioverfügbarkeit von MRP, insbesondere in Bezug auf individuelle Unterschiede, ist jedoch noch notwendig. [Schwarzenbolz U, Hofmann T, Sparmann N, Henle T (2016). J. Agric. Food Chem., 64, 5071-5078.]

The Maillard reaction is a network of different non-enzymatic reactions between carbonyl groups of reducing sugars and amino groups from amino acids, peptides, or proteins, which progresses in three major stages and originates a very heterogeneous mixture of reaction products. It is also known as non-enzymatic browning, due to the brown macromolecular pigments formed in the final stage of the reaction. The chemistry underlying the Maillard reaction is complex. It encloses not only one reaction pathway, but a whole network of various transformations. As virtually all foods contain both proteins and carbohydrates, Maillard reaction products are present in the daily diet in considerable amounts. The endogenous formation of Maillard reaction products, especially related to ageing and diabetes, aroused intense discussions about the health consequences of the “glycation”, the term that describes the in vivo reaction corresponding to the Maillard reaction in foods. Melanoidins are the final brown products of the Maillard reaction. They are responsible for the color formed during the heat processing of foods like coffee, bread, malt, and beef. Melanoidins are high molecular weight polydisperse polymers containing nitrogen. Their structure is largely unknown. Coffee melanoidins, which are object of the present study, contain thermally transformed polysaccharides, proteins, and phenolic compounds. Since the mechanisms involved on the formation of these macromolecules, and the chemical transformations which take place during the heat treatment are not completely elucidated, key structural features were analyzed. Especially the incorporation of chlorogenic acids in the melanoidin skeleton was object of attention of the present work. Another major aim of this work was to investigate the influence of the Maillard reaction on the inhibitory potential of food components against zinc metalloproteases. The studied enzymes were three human matrix metalloproteases (MMP-1, -2 and -9), which are able to degrade matrix proteins and participate in many physiological processes, including tissue turnover and repair, but also constitute important targets in malignant and degenerative diseases. A microbial collagenase from Chlostridium histolyticum was chosen due to its subtract similarity to MMPs. Furthermore, Angiotensin Converting Enzyme (ACE), which plays a central role in cardiovascular pathologies such as hypertension and cardiac hypertrophy, was investigated. As a prototypical Maillard reaction product, coffee melanoidin was adopted. Due to the roast dependent inhibitory activity of the coffee melanoidin fractions against matrix metalloproteases, the functionalization caused by the non-enzymatic browning was closer investigated. Na-carboxyalkylated derivatives of a sequence of relevant peptides were synthesized, in a variation of the process-induced formation of Nε-carboxymethyllysine, a major advanced glycation end-product (AGE). The inhibitory activity against zinc metalloproteases of the sequence of selected peptides and their Na-carboxymethyl- (CM-) and Na-carboxyethyl- (CE-) derivates was investigated.:LIST OF CONTENTS I LIST OF TABLES IV LIST OF FIGURES V LIST OF ABBREVIATIONS VII 1 INTRODUCTION 1 2 BACKGROUND 3 2.1 Maillard reaction in food 3 2.1.1 Melanoidins 8 2.2 Coffee 11 2.2.1 General aspects 11 2.2.1.1 Coffee production 12 2.2.1.2 General chemical composition 14 2.2.1.3 Coffee and health 20 2.2.2 Coffee melanoidins 24 2.2.2.1 Chemistry of coffee melanoidins 24 2.2.2.2 Properties of coffee melanoidins 29 2.3 Zinc metallopeptidases 32 2.3.1 Matrix metalloproteinases (MMPs) 33 2.3.1.1 Functions of MMPs 35 2.3.1.2 Structure of MMPs 37 2.3.1.3 Inhibition of MMPs 39 2.3.2 Clostridium histolyticum collagenase (ChC) 43 2.3.2.1 Functions of ChC 43 2.3.2.2 Structure of ChC 43 2.3.2.3 Inhibition of ChC 44 2.3.3 Agiotensin converting enzyme (ACE) 45 2.3.3.1 Functions of ACE 45 2.3.3.2 Structure of ACE 46 2.3.3.3 Inhibition of ACE 48 3 EXPERIMENTAL SECTION 50 3.1 Chemicals, materials and equipment 50 3.1.1 Chemicals 50 3.1.2 Material 52 3.1.3 Equipment 52 3.1.4 Solutions 54 3.2 Synthesis of Nα-carboxyalkylated peptides 55 3.2.1 Nα-carboxyalkylation of GP, LL, IA, GA, GL, AP, IP and IPP by reductive alkylation 55 3.2.2 Nα-carboxyalkylation of IW using sodium cyanoborohydride 56 3.3 Purification 57 3.3.1 Ion Exchange Chromatographic purification 57 3.3.1.1 Spotting test 58 3.3.2 HPLC purification of CM-IW 58 3.3.3 Overview of the synthesis and elution conditions 59 3.4 Characterization of carboxyalkylated peptides 61 3.4.1 Mass spectrometry 61 3.4.2 Elemental Analysis 61 3.4.3 Analytical characteristics of carboxyalkylated peptides 62 3.5 Preparation of coffee fractions 65 3.5.1 Roasting conditions 65 3.5.2 Fractionation of coffee samples: Isolation of coffee melanoidins 67 3.6 Structural studies 69 3.6.1 Estimation of the molecular weight 69 3.6.2 C/N ratio 70 3.6.3 Amino acid analysis 70 3.6.3.1 Acid hydrolysis 70 3.6.3.2 General amino acid analysis 70 3.6.3.3 Lysinoalanine 71 3.6.3.4 Pentosidine 72 3.6.4 Total phenols 74 3.6.5 Raman spectroscopy 74 3.7 Study on inhibition of zinc metalloproteases 75 3.7.1 Inhibition of ACE 75 3.7.1.1 General enzymatic assay 75 3.7.1.2 Quantification 78 3.7.2 Inhibition of MMP-1, -2 and -9 79 3.7.2.1 General enzymatic assay 80 3.7.2.2 Effect of zinc addition on the inhibition of MMP-1 by melanoidins 81 3.7.3 Inhibition of ChC 82 3.7.3.1 General enzymatic assay 82 3.7.3.2 Quantification 84 3.7.4 Calculation of IC50 84 4 RESULTS AND DISCUSSION 86 4.1 Coffee melanoidins 86 4.1.1 Isolation of coffee fractions 86 4.2 Inhibition of zinc-dependent peptidases by coffee fractions 89 4.2.1 Inhibition of MMPs 89 4.2.2 Inhibition of other zinc metalloproteases 98 4.2.3 General considerations 99 4.3 Structural studies on coffee melanoidins 101 4.3.1 Gel permeation chromatography 102 4.3.2 Elemental analysis: C/N ratio 113 4.3.3 Amino acid analysis 116 4.3.4 Total phenolics 120 4.3.5 Correlation between total phenols content and C/N ratio in coffee melanoidins 123 4.3.6 Raman spectroscopy 124 4.4 Derivatization of peptides 129 4.4.1 Nα-carboxyalkylation of peptides by reductive alkylation 130 4.5 Preliminary investigations on the inhibitory potential of Nα-carboxyalkyl derivatives of peptides against metalloproteases 133 4.5.1 Inhibition against ACE 134 4.5.2 Inhibition against other zinc metalloproteases 138 5 SUMMARY 141 6 REFERENCES 145 LIST OF PUBLICATIONS AND CONFERENCE CONTRIBUTIONS 168 AKNOWLEDGMENTS 169 ERKLÄRUNG 170

Milch dient der Versorgung neugeborener Säugetiere mit allen lebensnotwendigen Nährstoffen, wie Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten, Vitaminen und Mineralstoffen. Insbesondere die Proteingruppe der Caseine, die in der Milch zum Großteil zu Caseinmicellen assoziiert vorliegen, stellen essentielle Aminosäuren bereit und transportieren große Mengen Calcium und Phosphor (Fox, 2008; Horne, 2008). Neben der Bedeutung als erste Nahrungsquelle für Neugeborene haben sich Milch und Milchprodukte zu einem der wichtigsten Handels- und Verarbeitungsgüter entwickelt. In Deutschland ist vorrangig der Konsum von Kuhmilch verbreitet. Zunehmend wird aber auch die Milch von Büffel, Schaf und Ziege direkt oder verarbeitet konsumiert (Fox, 2008; Töpel, 2016). Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung der Milch zwischen den verschiedenen Tierarten zum Teil beträchtlich. Diese Unterschiede betreffen nicht nur die Anteile der Hauptnährstoffe, sondern auch die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Caseinmicellen (CM) (Fox, 2008). Die Eigenschaften und die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung wurden für bovine Caseinmicellen in der Literatur bereits ausführlich diskutiert (Horne, 1984; Banon & Hardy, 1992; Needs et al., 2000; O’Connell et al., 2001; Huppertz et al., 2004). Über die Micellen anderer Tierarten lagen zu Beginn der Untersuchungen hingegen kaum Informationen vor. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, die Caseinmicellen aus der Milch der wiederkäuenden Paarhufer Kuh, Büffel, Schaf, Ziege und Kamel und der nicht wiederkäuenden Unpaarhufer Pferd und Esel sowie aus Humanmilch bezüglich Größe, Struktur, Zusammensetzung und Stabilität zu charakterisieren und daraus Erkenntnisse zum tierartspezifischen Micellaufbau abzuleiten. Hierzu wurden die Caseinmicellen mit Hilfe der Ultrazentrifugation von der Molke abgetrennt und in tierartspezifischem, synthetischem Milchultrafiltrate (SMUF) resuspendiert. Untersuchungen der hydrodynamischen Durchmesser mittels dynamischer Lichtstreuung zeigten, dass die CM der Nicht-Wiederkäuer Stute und Esel sowie des Kamels deutlich größer waren als die der Wiederkäuer Kuh, Büffel, Schaf und Ziege, wohingegen sich die humanen CM als die kleinsten zeigten. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) konnten aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Oberflächenstrukturen für einige Tierarten Hinweise hinsichtlich einer größen- und κ-Casein-abhängigen Ausbildung von κ Casein ‚bunches‘ oder einer ‚hairy layer‘ an der Oberfläche der kolloidalen Partikel erhalten werden. Anhand der Aminosäurezusammensetzung der micellaren Proteine konnte abgeleitet werden, dass bei allen Tierarten vor allem Phosphoserin sowie die hydrophoben Aminosäuren maßgeblich am Aufbau der CM beteiligt sein dürften. Hierbei wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Bei den Wiederkäuern wurde eine besonders starke Assoziation der Caseinmonomere über Phosphoserincluster vermutet, während bei den Nicht-Wiederkäuern und insbesondere bei den humanen CM auch hydrophobe Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. Calcium und anorganischer Phosphor konnten als die bedeutendsten micellaren Salze identifiziert werden, die in besonders hohen Gehalten in den CM von Stute und Esel vorkamen. Humane Micellen wiesen deutlich niedrigere Mineralstoffgehalte auf, weshalb die Bedeutung der elektrostatischen Wechselwirkungen für die Verknüpfung der Caseinmonomere geringer eingeschätzt wurde als bei den weiteren untersuchten Tierarten. In Bezug auf die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung mit Ethylenglycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N\',N\'-tetraessigsäure (EGTA) unterschieden sich die CM der Tiere sehr deutlich voneinander. Instabile Micellen zeichneten sich durch eine starke Abnahme der Trübung, eine Zunahme des extra-micellaren Caseins sowie eine schneller einsetzende Verkleinerung des hydrodynamischen Durchmessers aus. Für die Micellstabilität ergab sich die folgende Reihenfolge: Kuh << Büffel < Ziege < Schaf < Kamel = Stute < Esel < Mensch. Caseinmicellen eignen sich, neben dem natürlichen Transport von Aminosäuren und Mineralstoffen, als Nanotransporter für bioaktive Substanzen wie Vitamin D2 (Semo et al., 2007), β-Carotin (Sáiz-Abajo et al., 2013), Curcumin (Sahu et al., 2008), Triclosan (Roach et al., 2009) oder auch dem antibakteriellen Enzym Lysozym (de Roos et al., 1998; Anema & de Kruif, 2013). Da zu Beginn der Untersuchungen ausschließlich Daten zur Beladung boviner Caseinmicellen mit Hühnereiweißlysozym (HEWL) verfügbar waren, sollte zunächst die Stabilität der tierartspezifischen Micellen und die Effektivität der Beladung mit Lysozym beurteilt werden. Zusätzlich sollte die antibakterielle Wirksamkeit der mit Lysozym beladenen Caseinmicellen verschiedener Säugetiere sowohl in vitro als auch in orientierenden Untersuchungen gegenüber Bakterien erfasst werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die CM aller untersuchten Tierarten mit HEWL beladen werden können. Hinsichtlich der Stabilität der CM sowie der Aufnahmekapazität wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Allgemein konnten die CM aus Wiederkäuer- und aus Humanmilch als stabiler beschrieben werden, wobei die HEWL-Aufnahme bei den CM der Wiederkäuer höher war. Die lytische Enzymaktivität des HEWL in vitro veränderte sich infolge der Micellassoziation für die meisten untersuchten Tierarten im Vergleich zu frei vorliegendem HEWL nicht. Für die antibakterielle Wirksamkeit gegenüber Bacillus subtilis wurden hingegen Unterschiede zwischen den verschiedenen Tierarten beobachtet. Für die HEWL-haltigen CM von Büffel und Ziege ergaben sich die gleichen Wachstumsverzögerungen wie bei freiem HEWL in SMUF. Im Gegensatz dazu wurde die bakteriostatische Wirkung durch die HEWL-Micellen von Kuh, Kamel und Mensch inhibiert, durch die von Schaf, Stute und Esel hingegen verstärkt. Neben der Funktionalisierung der Caseinmicellen durch den Einbau bioaktiver Substanzen, können die Partikel auch chemisch modifiziert werden. Eine Möglichkeit stellt hierbei die Glykierung dar. Glykierungsreaktionen zwischen den Carbonylgruppen reduzierender Zucker und Aminosäureseitenketten wurden für nicht-micellare Caseine in einer Vielzahl an Studien untersucht (Zin El-Din & Aoki, 1993; Morales & van Boekel, 1996; Pellegrino et al., 1999; Lima et al., 2009; Akıllıoğlu & Gökmen, 2014). Über den Einfluss der micellaren Anordnung der Caseine auf die Glykierungsreaktionen war nur wenig bekannt. Erkenntnisse diesbezüglich könnten einen Beitrag zur Aufklärung des Aufbaus der Caseinmicellen leisten. Die Untersuchungen zeigten, dass bei der Erhitzung von micellaren und nicht-micellaren Caseinen für 0 - 4 h bei 100 °C in Gegenwart der reduzierenden Zucker Lactose und Glucose hauptsächlich die frühe Phase der Maillard Reaktion abläuft. Die Bildung der Amadori-Produkte erfolgte dabei in den CM und im nicht micellaren Natrium-Caseinat (NaCas) in gleichem Maße. Hieraus wurde eine ähnliche Zugänglichkeit der reaktiven Aminosäureseitenketten in den micellaren und nicht micellaren Caseinen geschlussfolgert. Signifikante Unterschiede konnten hinsichtlich der Produktbildung der späten Phase der Maillard-Reaktion beobachtet werden. Während Nε-Carboxymethyllysin (CML) im NaCas in höheren Gehalten detektiert wurde, trat in den CM eine verstärkte Pyrralin-Bildung auf. Zudem bewirkte eine Inkubation in Gegenwart von Lactose eine bevorzugte CML-Bildung, wohingegen mit Glucose Pyrralin in höheren Mengen gebildet wurde. Die Maillard-induzierten Proteinquervernetzungsprodukte Glyoxal-Lysin-Dimer und Pentosidin wurden im Vergleich zum zuckerunabhängig gebildeten Lysinoalanin in deutlich geringeren Gehalten erfasst. Hohe Oligomerisierungsgrade zwischen 50 und 84 % zeigten jedoch, dass die Proteinquer-vernetzungen, die im Zuge der Glykierung entstehen, quantitativ von größerer Bedeutung sind. Anhand der Bestimmung der hydrodynamischen Durchmesser und mit Hilfe von REM-Aufnahmen konnte eine weitgehend intra-micellare Proteinquervernetzung abgeleitet werden. Die Ausbildung intra-micellarer Oligomere bewirkte dabei eine höhere Micellstabilität gegenüber einem Calciumentzug durch EGTA. Die vorliegenden Untersuchungen deuten darauf hin, dass die hydrophilen Zuckermoleküle über die von Dalgleish (2011) vorgeschlagenen Wasserkanäle in die CM eindringen und die frühe Phase der Maillard-Reaktion anschließend vor allem in diesen Regionen erfolgt. Die weiteren Phasen der Maillard-Reaktion könnten dann, durch ein tieferes Eindringen der reaktiven Komponenten, zunehmend auch in dehydratisierteren Bereichen ablaufen. Bezüglich des Aufbaus der Caseinmicellen unterstützen die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse die Vorstellungen des Internal Structure Modells.

New Zealand is the world’s third-largest honey exporter by value behind China and Argentina and honey accounts for up to 80 % of New Zealand’s exports. However, it is only the 16th biggest global supplier by volume. Manuka honey from New Zealand is sold for premium prices and merchandised for its health benefits. Because of its exceptional antibacterial effect, there is a strong market demand and the price for a kilogram of manuka honey has tripled in recent years (Ministry for Primary Industries 2015). When consumers are willing to pay prices up to 200 €/kg manuka honey, the risk of misleading advertisement and intended fraud increases. This thesis aims to further characterize manuka honey and contribute to the development of a manuka honey definition. The first part deals with the antibacterial activity of manuka honey. The effect of manuka honey is mainly due to methylglyoxal, whereas the effect of non-manuka honeys is primarily caused by hydrogen peroxide. The objective is to develop a method to quantify the effect solely due to one of the respective chemical compounds and compare their effectiveness. Finally, an evaluation of the contribution of methylglyoxal and hydrogen peroxide to the inhibitory effect of honey should be given. The second part deals with chemical reactions of carbonyl compounds in honey. Because of the reactive nature of carbonyl compounds, the formation of specific glycation compounds in honey is assumed. Since the carbonyl profile of manuka honey differs remarkably from non-manuka honeys, the reaction products are expected to vary widely. Specific compounds, solely present in manuka honey, could serve as quality control parameters to ensure manuka honey authenticity. The final part deals with the metabolism of food-derived carbonyl compounds. Carbonyl compounds, like methylglyoxal or 3-deoxyglucosone are discussed to be potentially toxic to human tissues. Until now, only little is known about the impact of the diet on the physiological carbonyl-load and the metabolism of carbonyl compounds. With the help of nutrition studies and the analysis of body fluids, the question of metabolic transit of carbonyl compounds shall be addressed. The antibacterial studies showed that bacterial species are affected differently by bioactive compounds present in honey. Methylglyoxal (MGO), which is solely present in manuka honeys and hydrogen peroxide, which is formed in most conventional honeys by glucose oxidase, are strong inhibitors of the growth of S. aureus and E. coli. The strain of P. aeruginosa used for this work was not inhibited by MGO, whereas B. subtilis was not inhibited by hydrogen peroxide. To compare and quantify the effect of MGO and hydrogen peroxide, a mathematic model was created. By comparing the slopes of the linearized dose-response curves, it was found that S. aureus, E. coli and P. aeruginosa were more sensitive to hydrogen peroxide than to MGO. However, the natural amounts of MGO in honey are higher than the formation of hydrogen peroxide. Although most bacteria are more sensitive to hydrogen peroxide, MGO is the predominantly antibacterial compound in honey, because of its higher concentrations compared to hydrogen peroxide formation. The inclusion of manuka honey in α-cyclodextrin had only minor consequences on bioavailability and antibacterial activity. The commercial product “Cyclopower” (α-cyclodextrin with manuka honey) does not enhance the antibacterial activity of manuka honey on S. aureus, E. coli and P. aeruginosa. With the help of the newly developed quantitative model, it was shown that the growth of B. subtilis is synergistically inhibited with cyclopower compared to manuka honey and α-cyclodextrin alone. The study of bacterial enzymes as possible targets for bacterial inhibition with manuka honey revealed that MGO and DHA inhibited jack bean urease, which was used as a model for Helicobacter pylori urease. The concentration of MGO and DHA in manuka honey positively correlated with its urease inhibition. Conventional honeys, which lack MGO and DHA, showed significantly less urease inhibition. Based on the unique presence of MGO, manuka honey has extraordinary effects on bacteria, which might lead to further application to fight the emerging crisis of antibacterial resistance to antibiotics. Until now, there is no consistent definition for the term “genuine manuka honey”. In the present work, an approach based on unique chemical reactions in manuka honey was followed. It was shown that the exceptional high amounts of MGO induced the formation of 2-acetyl-1-pyrroline (2-AP). In manuka honey containing ≥ 250 mg/kg MGO, the 2-AP concentration was significantly increased compared to conventional honey. Moreover, honey proteins form MGO-derived reactions products, which were studied by measuring the molecular size of honey proteins. Manuka honey proteins significantly shifted to high molecular weights (HMW) with a size above 510 kDa. The amount of HMW protein in non-manuka honey was significantly lower. The cleavage of disulphide bonds led to a decrease of HMW fraction of conventional honeys but not of manuka honeys. It is hypothesized that MGO cross-linking of proteins is mainly responsible for the formation of HMW adducts in manuka honey. The formation of HMW adducts was also shown with fluorescence analysis, whereby manuka honey proteins had higher fluorescence intensities at λex=350 nm and λem=450 nm compared to non-manuka honeys. The artificial addition of MGO and its precursor dihydroxyacetone (DHA) to a non-manuka honey did not lead to an increased fluorescence up to the level of commercial manuka honeys. The MGO-derived modifications of proteins were further studied by quantifying the protein-bound Maillard reaction products N-ε-carboxyethyllysine (CEL) and methylglyoxal-derived hydroimidazolone 1 (MG-H1) after enzymatic hydrolysis of honey proteins and LC-MS/MS analysis. Their amount was significantly higher in manuka compared to conventional honeys and correlated with the MGO content of the honey. Most of the MGO-derived reactions could be simulated by spiking a conventional honey or a low MGO manuka honey with artificial MGO and subsequent storage at elevated temperatures. Higher storage temperatures were associated with a quick increase of 5-hydroxymethylfurfuraldehyd (HMF). The HMF level in honey is used as a quality parameter and should not exceed 40 mg/kg (Codex Alimentarius Commission, 2001). High concentrations of HMF may point to a fraudulent addition of MGO and the production of artificial high-price manuka honey products. Taken together, the Maillard reaction in honey could be used to control the natural origin of MGO and DHA. The consumption of honey and especially manuka honey exposes humans to high levels of dietary dicarbonyl compounds like MGO and 3-deoxyglucosone (3-DG). Both compounds were discussed as potential risk factors for the development of age-related diseases. The simulated digestion of manuka honey in the presence of gastric and ileal fluids showed that only 9 % of the initial concentration can be recovered after 8 h. The honey matrix had no stabilising effect on MGO compared to a synthetic MGO solution. In contrast to MGO, the manuka honey compound DHA was stable during all simulated digestion steps. The complexation of MGO with α-cyclodextrin did not enhance the stability of MGO. The metabolic transit of dietary MGO and 3-DG was further studied with an intervention study with healthy volunteers, who collected their daily urine. It was shown that urinary concentrations of 3-DG and its less reactive metabolites 3-deoxyfructose (3-DF) and 2-keto-3-deoxygluconic acid (3-DGA), but not MGO, were influenced by the diet. During the intervention studies, up to 40 % of dietary 3-DG was recovered as the sum of 3-DG, 3-DF and 3-DGA. The metabolite 3-DGA only played a minor role in the metabolism of dietary 3-DG in comparison to 3-DF. The concentrations 3-DF and 3-DGA in plasma only increased after the consumption of dietary 3-DG and not after the uptake of carbohydrate rich meals in general. This led to the conclusion that dietary 3-DG is effectively metabolized to 3-DF extracellularly on the apical site of the intestinal epithelium and is resorbed slowly into the circulation. In contrast, 3-DG, which is formed (intracellularly) postprandial from glucose, bypasses this metabolic system and cannot be metabolized as rapidly to 3-DF. Preliminary results obtained with saliva instead of urine as a bio fluid to study the dietary influence of dicarbonyl compounds, confirmed the hypothesis. Based on the present results, dietary dicarbonyl compounds are effectively metabolized during digestion.

En industrie alimentaire et notamment dans le domaine des produits céréaliers, les ingrédients utilisés et les procédés associés ont des impacts sur les réactions chimiques des constituants ainsi que sur la structure des produits fabriqués. Les réactions peuvent avoir des impacts positifs (arômes, couleur) ou négatifs (développement de composés néoformés potentiellement toxiques). Bien que très étudiées dans des systèmes simplifiés, une meilleure connaissance et maitrise des réactions dans des conditions plus réalistes permettrait de mieux piloter la qualité des produits et de favoriser la balance bénéfices/risques. L’objectif de ce travail était de rendre possible l'étude des réactions dans un milieu solide, certes, simplifié, mais maîtrisé en composition et structure, et fidèle aux procédés de fabrication et à la structure à des produits réels. La génoise a été choisie comme produit de référence.La première étape a consisté à développer un produit modèle constituant une base d’étude de la réactivité. Pour cela, une étude des fonctionnalités apportées par chaque ingrédient à chaque étape du procédé de fabrication a permis d’identifier les dérivés de cellulose comme candidats intéressants pour remplacer les ingrédients réactifs (oeuf, sucre et protéines de la farine). Une étude multiéchelles a permis de mieux comprendre l’impact des principales propriétés apportées par les dérivés de cellulose (viscosité à froid, stabilisation des interfaces, gélification à chaud) sur la structuration du produit. Enfin, le produit modèle a été validé comme étant non-réactif vis-à-vis de la réaction de Maillard et de caramélisation.Dans une seconde étape, des composés réactifs (glucose, leucine) ont été réintroduits dans le produit modèle et un suivi cinétique de marqueurs de la réactivité dans les vapeurs et dans le produit a été réalisé au cours de la cuisson. Ainsi, l’enrichissement du modèle en glucose + leucine a permis de suivre le développement de composés typiques de la réaction de Maillard (aldéhydes de Strecker et pyrazines), qui n’apparaissent pas dans le cas où le produit n’est enrichi qu’en glucose, où seuls les composés issus de la caramélisation ont été identifiés. De plus, la modification des conditions de cuisson (température, convection) a permis de mettre en évidence l’impact des transferts thermiques et du séchage sur les voies réactionnelles. Ces résultats ouvrent ainsi la voie à de futures études cinétiques, couplant expérimentation systématique et modélisation. / In the food industry and notably in the field of cereal products, the type of ingredients used and their associated processes have several effects on the structure of the products and on the chemical reactions occurring during the manufacturing process. These reactions could have positive impacts (aroma, color) as well as negative outcomes (formation of potentially toxic compounds). Although being thoroughly studied in model systems, a better understanding of reactions in more realistic conditions would allow to improve the quality of the products. The aim of this work was to enable the study of chemical reactions occurring in a simplified solid system where the composition and structure were controlled while remaining representative regarding the conditions of the processes and the structure of the real product. Sponge cake was chosen as the product of reference.The first step consisted in developing a model product constituting a basis for studying the reactivity. In this regard, a study on new functionalities brought by each ingredient during each step of the manufacture process allowed to identify the cellulose derivatives as candidates to replace the reactive ingredients (eggs, sugar and wheat flour proteins). A multi-scale study allowed to better understand the impact of the main properties brought by the cellulose derivatives (viscosity at cold temperature, interface stabilization, gelation at high temperature) on the structure of the product. Finally, the model product was validated as a non-reactive media regarding the Maillard reaction and the caramelization.In a second step, reactive compounds (glucose and leucine) were placed in the model product and a kinetic monitoring on reaction markers was set up in the vapors and in the matrix during the baking. Thus, the addition of glucose and leucine in the model allowed to follow the formation of typical compounds coming from the Maillard reaction (Strecker’s aldehyde and pyrazines). These compounds did not developed when the model product was only enriched in glucose, whereas compounds generated by the caramelization reaction were identified. Moreover, changes in baking conditions (temperature, convection) allowed to emphasize the impact of heat transfer and drying on reaction pathways. These results pave the way of future kinetic studies, coupling systemic experiment and reaction modelling.

The aim of this study was to investigate the amino acid composition and the amount of individual glycation compounds in hot trub formed during boiling of wort prepared from different malts. Compared to the initial amino acid composition of the used malts, some Maillard reaction products (namely MG-H1, pyrraline) and hydrophobic amino acids (leucine, isoleucine, valine, phenylalanine) accumulated in the hot trub, whereas hydrophilic amino acids remained in the boiled wort. For MG-H1, a threefold increase was observed during wort boiling, whereas the other Maillard reaction products, namely CML, CEL, pyrraline and maltosine increased only slightly (1.1–2-fold). Furosine as a hallmark for peptide-bound Amadori compounds showed a small decrease. The results suggest that mainly glycated amino acids derived from small dicarbonyl compounds such as methylglyoxal and glyoxal are formed during wort boiling. Furthermore, the studies indicate that the modification of the protein structure as a result of the Maillard reaction has an influence on the hydration of the denatured proteins during the wort boiling process, thus affecting the coagulation process and, therefore, precipitation of the hot trub. The work carried out contributes to the understanding of the chemical reactions influencing the amino acid and Maillard reaction product transfer from malt to beer.

Abstract There are eight foods that contribute to food allergies in the western world and peanut is the most common. Currently, there are no medical treatments that can cure an individual of food allergy, so avoidance of the allergic food is the only option. In the United States, there are three immunodominant allergic proteins accountable for patient sensitization to peanut, Arachis hypogea 1, 2, and 3 (Ara h 1, Ara h 2, Ara h 3). Therefore, research into why peanuts are more allergic than other foods that have homologous proteins is critical and may be obtained by studying the structural and allergenic properties of individual allergens and the changes that occur due to food processing. In this study, the basic and acidic subunits of Ara h 3 were cloned, expressed, and purified, and compared with each other and with the native Ara h 3 purified from peanut for differences in binding to IgE from peanut allergic individuals. Also, an in vitro Maillard reaction was performed on purified native raw Ara h 3 and patient serum IgE western blots were performed. This study concluded that an in vitro Maillard reaction enhanced IgE binding to Ara h 3, IgE binding to native Ara h 3 was in most cases higher than to the recombinant Ara h 3 subunits, and recognition of the acidic subunit was much higher than the and basic subunits in both the recombinant and native forms of the protein were investigated. Keywords:

Il est maintenant établi que les facteurs alimentaires participent à la survenue des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI). Le traitement thermique des aliments génère des substances néoformées telles que les produits de Maillard (MRPs) dont les effets sur la santé sont controversés. D’autres contaminants retrouvés dans les aliments sont issus des emballages. L’ensemble de ces molécules ont été associées à des réactions inflammatoires mais peu de données existent sur leurs conséquences sur la sphère digestive. L’objectif de cette thèse était d’étudier l’effet du traitement thermique des aliments sur la modulation d’une colite chez la souris. Dans un premier temps, nous avons dosé quelques marqueurs des MRPs dans deux régimes : peu et fortement chauffés. Ensuite, nous avons évalué l’impact de ces matrices sur la réponse inflammatoire chez des souris soumises à deux modèles de colites (DSS, TNBS). Enfin, nous avons observé les conséquences de l’effet cumulé de l’ingestion de MRPs et d’un contaminant d’emballage (le phtalate DEHP) chez les animaux atteints d’une colite. Le niveau de traitement thermique de la matrice était proportionnel aux teneurs en produits avancés et terminaux de la réaction de Maillard. Un fort traitement thermique a permis de prévenir la réponse inflammatoire chez les animaux soumis aux colites mais nous n’avons observé aucune modification de la réponse inflammatoire colique suite à l’ingestion couplée de MRPs et de DEHP. A terme, ces résultats descriptifs pourraient, sous réserve d’en identifier les mécanismes, servir à l’élaboration de recommandations nutritionnelles pour les patients souffrant de MICI. / It is acknowledged that alimentary factors participate in the etiology of inflammatory bowel diseases (IBD). On the other hand, food heat treatment generates neoformed compounds such as Maillard Reaction Products (MRPs) with controversial effects on human health but also results in contamination coming from packaging. All of these compounds are incriminated in inflammatory reactions but there are few data related to their consequences on gut. This work was aimed at determining the effect of food heat treatment on the modulation of an experimental colitis in mice. At first, we assessed some markers of MRPs in two moderately and highly heated diets. We then evaluated the consequences of these diets on the inflammatory response of animals submitted to two models of experimental colitis (DSS, TNBS). At last, we observed the consequences of cumulative effects of oral repeated exposure to MRPs and to a packaging contaminant the phthalate DEHP in DSS colitic mice. We revealed that the thermic level treatment was proportional to level of advanced and terminal MRPs and that the highest heat treatment resulted in the prevention of both the colitis models. By contrast, we observed no change in the inflammatory response following the coupled exposure to DEHP and the highly treated diet. While being descriptive, those results are promising and, after understanding the mechanisms involved, could be of interest in the conception of nutritional recommendations for IBD patients.

1,2-Dicarbonylverbindungen spielen aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber Aminosäureseitenketten von Proteinen eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Maillard Reaktionsprodukten (MRP) und werden auch im Zusammenhang mit der Entstehung pathophysiologischer Konsequenzen bei metabolischen Erkrankungen diskutiert. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage nach der physiologischen Relevanz alimentär aufgenommener 1,2 Dicarbonylverbindungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst eine Bestandsaufnahme zum Vorkommen von 1,2-Dicarbonylverbindungen in einem Spektrum von Lebensmitteln, gefolgt von Untersuchungen zum metabolischen Transit von 3 Desoxyglucoson (3-DG) und Methylglyoxal (MGO) bzw. spezifischer Metabolite in Abhängigkeit der alimentären Aufnahme und zur Stabilität der Verbindungen während einer simulierten gastrointestinalen Verdauung. 1a Die 1,2-Dicarbonylverbindungen 3-DG, 3 Desoxygalactoson (3-DGal), MGO und Glyoxal (GO) sowie das Zuckerabbauprodukt 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) als ein wichtiger Indikator für Erhitzungsprozesse in Lebensmitteln wurden in 173 Lebensmittelproben mittels einer optimierten RP-HPLC-Methode mit UV-Detektion bestimmt. Darunter waren neben alkoholfreien und alkoholischen Getränken auch süße Aufstriche, Brot- und Backwaren. In allen untersuchten Lebensmittelproben war 3 DG die quantitativ bedeutendste 1,2 Dicarbonylverbindung. Hohe 3-DG-Gehalte wurden in Bonbons, Honig und süßen Aufstrichen (Mediane: 165–626 mg/kg) und in Essig (Aceto balsamico bis 2622 mg/L) analysiert. Lebensmittel wie Fruchtsäfte, Bier, Brot- und Backwaren wiesen geringere 3 DG-Gehalte auf (Median: 27–129 mg/L bzw. mg/kg). In allen untersuchten Lebensmitteln lagen die Gehalte des 3-DG höher als die des HMF. 3-DGal konnte erstmals in nahezu allen Lebensmittel detektiert werden, mit einem Maximalwert von 162 mg/L in Aceto balsamico. In dieser Probe wurde auch ein hoher MGO-Gehalt (53 mg/L) gemessen. GO kommt in etwa gleichen Konzentrationsbereichen wie MGO vor. Generell lagen die Gehalte für 3-DGal höher als die für MGO. Eine Ausnahme stellt der untersuchte Manuka-Honig dar (463 mg MGO/kg). 1b Auf Basis der quantitativen Daten wurden Gehalte von 1,2-Dicarbonylverbindungen in verzehrüblichen Portionsgrößen verschiedener Lebensmittel berechnet und eine tägliche alimentäre Aufnahme von 20–160 mg (0,1–1,0 mmol) 3-DG und 5–20 mg (0,1–0,3 mmol) MGO abgeschätzt. 2a Der metabolische Transit von 3-DG und MGO wurde jeweils in einer dreitägigen Ernährungsstudie untersucht. Während der 3 Tage hatten die Probanden eine Dicarbonyl- und MRP-freie Diät (Rohkosternährung) einzuhalten. Am Morgen des zweiten Tages erhielten die Probanden eine definierte Menge 3-DG bzw. MGO (je 500 µmol), enthalten in Waldhonig bzw. Manuka-Honig. In den 24 h Urinproben der 3-DG-Interventionsstudie wurde 3-DG und dessen Metabolit 3-Desoxyfructose (3-DF) analysiert, außerdem Pyrralin und 3 DG-Hydroimidazolon (3-DG-H) als 3-DG-spezifisches MRP. In den 24 h Urinproben der MGO-Interventionsstudie wurde MGO und dessen Metabolit D-Lactat analysiert, außerdem MGO-Hydroimidazolon 1 (MG-H1) als charakteristisches MRP des MGO. Alle Verbindungen waren in den Urinproben nachweisbar. 2b Am ersten Tag der 3-DG-Interventionsstudie betrug der Median der renalen 3-DG- und 3 DF-Exkretion aller 9 Probanden 4,6 bzw. 77 µmol/d. Am Tag der definierten 3-DG-Aufnahme (Tag 2) stieg der Median der renalen 3-DG- und 3-DF-Exkretion signifikant auf 7,5 bzw. 147 µmol/d an. An Tag 3 unterschieden sich die täglichen renalen Ausscheidungen von 3-DG und 3-DF nicht signifikant von denen an Tag 1 (P > 0,05). Der Median der renalen Wiederfindung des an Tag 2 alimentär aufgenommenen 3-DG wurde mit 14 % abgeschätzt (Spannweite: 6–25 %). Der Median der renalen Exkretion von Pyrralin und 3-DG-H sank im Verlauf der dreitägigen Studie von 2,5 bzw. 1,0 auf 1,2 µmol/d bzw. 0,5 µmol/d. Diese Ergebnisse deuten erstmalig darauf hin, dass 3-DG aus der Nahrung resorbiert, resorbiertes 3 DG zu 3-DF metabolisiert und resorbiertes 3-DG hauptsächlich als 3-DF renal eliminiert wird. Die Exkretion der untersuchten MRP erwies sich in dieser Studie als nicht abhängig von der alimentären Aufnahme des 3 DG. 2c Die renale MGO- sowie D-Lactat-Ausscheidung wies keinen Zusammenhang mit der oralen Aufnahme einer hohen MGO-Menge auf. An allen 3 Tagen der MGO-Interventionsstudie lag die renale MGO-Exkretion aller 4 Probanden zwischen 0,11 und 0,30 µmol/d und die D-Lactat-Ausscheidung zwischen 52 und 224 µmol/d. Der Median der renalen MG-H1-Ausscheidung sank im Verlauf der dreitägigen Studie von 3,8 auf 1,2 µmol/d an Tag 3. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass keine Resorption des MGO in die Zirkulation erfolgte. 3a Zur Beurteilung der Stabilität von 3-DG und MGO während der gastrointestinalen Verdauung wurde ein zweistufiges System von Hellwig et al. (2013b) adaptiert, bestehend aus einer zweistündigen „Magenstufe“ (Pepsin, pH = 2) und einer sechsstündigen „Darmstufe“ (Pankreatin/Trypsin, pH = 7,5). Für die Verdauungssimulation wurden jeweils wässrige 3 DG- und MGO-Standardlösungen mit Konzentrationen im lebensmittelrelevanten Bereich eingesetzt. Weiterhin wurde die simulierte Verdauung in Anwesenheit von Casein als Modellprotein, durchgeführt. 3b Nach achtstündiger simulierter Verdauung war im Verdauungsansatz noch 70 ± 10 % der initialen 3-DG-Menge bestimmbar. Die Anwesenheit des Caseins zeigte keinen Effekt auf die 3-DG-Konzentration. Damit dürfte nach gastrointestinaler Verdauung ein Großteil des alimentär aufgenommenen 3-DG zur Resorption zur Verfügung stehen. 3c Im Gegensatz zum 3-DG sank die MGO-Konzentration im Verlauf der achtstündigen simulierten Verdauung auf 15 ± 4 % der Ausgangskonzentration. In Anwesenheit von Casein verstärkte sich die Abnahme der MGO-Konzentration auf 9 ± 1 %. Es konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der MGO-Konzentration auf Reaktionen mit den in den Verdauungsansätzen enthaltenen Enzymen und Proteinen zurückzuführen ist. MGO wird damit nach gastrointestinaler Verdauung nur noch in begrenztem Maße zur Resorption zur Verfügung. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Resultate lassen den Schluss zu, dass die biologische Verfügbarkeit alimentärer 1,2-Dicarbonylverbindungen gering (3-DG) bis vernachlässigbar (MGO) ist und selbst stark erhitzte Lebensmittel damit keinen maßgeblichen Beitrag zum „Gesamtpool“ an Dicarbonylverbindungen in vivo und den damit möglicherweise einhergehenden physiologischen Konsequenzen leisten.

Le principal objectif de ce travail de thèse était d’étudier l’influence de la fonctionnalisation des protéines par des sucres ou des polyphénols de raisin dans la formulation et le comportement de microsphères de vitamine A. La formulation de différents conjugués issus soit de la réaction de Maillard soit de la complexation des polyphénols sur les protéines a été effectué sur trois matières premières protéiques : les protéines de pois, le caséinate de sodium de lait de vache et la gélatine de type A porcine. Dans une première partie, les caractéristiques et le pouvoir émulsifiant des conjugués ont été étudiés, et ont confirmé le potentiel de stabilisation d’une huile dans le temps. Une seconde partie s’est concentrée sur les observations au microscope électronique à balayage des microsphères et sur une méthodologie d’observation spécifique à ce genre d’échantillon. Une troisième partie a étudié l’influence des fonctionnalisations sur la stabilité de la vitamine A dans le temps, sur sa libération dans des milieux de digestion gastriques et entériques simulés, et sur la libération de géraniol co-encapsulé. La dernière étude a porté sur le potentiel muco-adhésif des microsphères en utilisant une technique d’analyse originale. / The main objective of this thesis was to study the influence of functionalization of proteins by sugars or grape polyphenols in the vitamin A microsphere formulation and behavior. The formulation of different conjugated stemming either from the Maillard reaction or from the complexation of polyphenols on proteins was made on three proteins : pea proteins, sodium caseinate and type A gelatin. In a first part, the characteristics and the emulsifying power of the combined were studied, and confirmed the potential of stabilization of oil in the time. A second part was on the observations with scanning electron microscope of microspheres and on the methodology of specific observation in this kind of sample. The third part studied the influence of functionalization on vitamin A stability in the time, liberation on gastric or enteric digestion media, and liberation of co-encapsulated geraniol. The last study concerned the muco-adhesive potential of microspheres by using an original analysis.