The objectives of this project were to investigate the critical factors impacting the physicochemical and antibacterial properties of β-chitosan based films derived from jumbo squid (Dosidicus gigas) pens, and to evaluate the feasibility of improving water solubility of β-chitosan through Maillard reaction. The studies examined the effect of molecular weight (1,815 and 366 kDa), acid (formic, acetic, propionic, and lactic acid), and plasticizer (glycerol and sorbitol) on the film properties, as well as reducing sugar (fructose and glucosamine) and heat treatment (high temperature short time (HTST), low temperature long time (LTLT)) on water solubility of chitosan. Results on β-chitosan were compared with α-chitosan in both studies. Tensile strength (TS) and elongation (EL) of β-chitosan films were influenced by molecular weight (Mw), acid and plasticizer types (P < 0.05). High molecular weight (Hw) β-chitosan films had an overall TS of 44 MPa, 53% higher than that of low molecular weight (Lw) β-chitosan films (29 MPa) across all acid types used. The mean TS of β-chitosan acetate and propionate films (43 and 39 MPa) were higher (P < 0.05) than that of β-chitosan formate and lactate films (34 and 29 MPa). Films incorporated with plasticizer (32 MPa) had lower TS than those without plasticizer (48 MPa). Mean EL of Hw β-chitosan films was 10% versus approximately 4% in Lw β-chitosan films. Formate and acetate films had higher EL than that of propionate film. Glycerol and sorbitol increased (P < 0.001) EL 151% and 106% compared with the films without plasticizer, respectively. Water vapor permeability (WVP) of the films was affected by acid and plasticizer. Formate films (34 g mm/m² d KPa) had higher WVP than other acid films. Adding plasticizer increased (11% to 31%) WVP of propionate films except the Lw β-chitosan propionate film with sorbitol. The antibacterial activity of Lw β-chitosan and α-chitosan films delayed (P < 0.05) the proliferation of E. coli, where lactate films showed the strongest effect. The growth of L. innocua at 24 h was completely (P < 0.05) inhibited by chitosan films except Hw β-chitosan acetate film. A soft and cotton-like water soluble chitosan with mesopores was acquired after freeze-drying the Maillard reacted chitosan-sugar solution. The yield of β-chitosan-derivatives (8.48%) was 1.21 times higher than that of α-chitosan products (7.00%) (P < 0.01). Heat treatment only affected the yield of chitosan-glucosamine derivatives. Sugar type did not indicate any impact on the yield of the chitosan-derivative products in general (P > 0.05). The solubility was affected by sugar type (P < 0.01) only occurred in the β-chitosan products prepared with LTLT (P<0.05), where β-chitosan-fructose derivatives (9.56 g/L) had higher solubility than the glucosamine (5.19 g/L).LTLT treatment had given all chitosan-derivatives a higher solubility (8.44 g/L) than HTST (3.83 g/L) did (P<0.001). The results from this study demonstrated the feasibility of creating β-chitosan based film from jumbo squid pens with similar mechanical, water barrier and antibacterial properties compare to α-chitosan films as a food wrap and controlled the properties with several important factors, and developing water soluble chitosan through Maillard reaction that possess the potential as functional substance in a wider range of applications. / Graduation date: 2012

Master of Science / Food Science Institute - Animal Science & Industry / Fadi M. Aramouni / Smoke flavored foods continue to be a popular choice among consumers. In this study, a caramel-type flavor in whipped cream applications via Maillard reaction pathways was evaluated. A highly refined liquid smoke fraction was developed using a delignified pulp wood source, and a patented activated carbon filtration process. To maximize sensory and reactionary capabilities, a liquid smoke fraction with phenol and carbonyl concentrations of 0.07mg/ml and 12.9g/100ml, respectively, was developed. Heavy cream containing a 0.075% addition of the refined liquid smoke fraction was evaluated when reacted at 50, 63, and 72°C for 15 sec prior to chilling at 0°C for 12 h, and whipping for 8 min using a handheld mixer. Sensory analysis showed the addition of liquid smoke increased whipped cream sweetness and caramel flavors, while imparting minimal off-flavors. Probable Maillard pathways were predicted for the reaction taking place between the liquid smoke and the dairy proteins upon thermal processing. This technology can be used to develop other foods which are not traditionally smoke flavored.

The cyto-protective compositions and effects of antiviral Maillard reaction products (MRPs) derived from roots of Isatis indigotica F. were examined using biochemical and biophysical methods. The Maillard reaction was identified as the main source of compounds with antiviral activity, an observation which has led to the proposal of a new class of active compounds that protect cells from influenza virus infection. In the roots, arginine and glucose were revealed to be the predominant reactants for the Maillard reaction. Significant anti-influenza virus effects were demonstrated in the RIE MRPs derived from the roots (RIE refers to the ‘radix Isatidis extracts’), and in Arg-Glc MRPs which are synthesised with arginine and glucose. Arg-Glc MRPs were confirmed as suitable models for the study of the antiviral effects of the root extracts. Furthermore, RIE MRPs and Arg-Glc MRPs were found to bind to the plasma membranes of erythrocytes and MDCK cells, and altered their properties. A novel antiviral mechanism was proposed: that MRPs achieve their cyto-protective effects by binding to the cell membrane rather than by direct action on viral particles. To validate the proposed mechanism, the interaction between MRPs and membrane lipids was investigated by biophysical experiments with phospholipids bilayers. Arg-Glc MRPs affected the rigidity of lipid packing in monolayers and bilayers, while RIE MRPs enhanced the fluidity. Both types of MRPs inserted into the hydrophobic core of bilayers, to differing extents, and induced the stabilisation or destabilisation of bilayers in a concentrationdependent manner. At certain concentrations, MRPs prevented the lamellar structure of bilayers from being destabilised by a viral fusion peptide, improved the lipid order and thereby inhibited cell-virus membrane fusion. The mechanism of the anti-influenza virus activity of RIE was therefore correlated to the interaction between MRPs and phospholipid bilayers, an integral component of the plasma membrane.

O consumo de produtos da reação de Maillard (PRM) formados em alimentos contribui para o aumento dos níveis séricos de produtos finais de glicação avançada, que, por sua vez, estão associados à fisiopatologia e progressão do diabetes, de doenças cardiovasculares e neurodegenerativas. A formação de PRM em alimentos e sistemas modelo-alimento está bem documentada, mas informações sobre os efeitos de diferentes métodos de cocção e uso de receitas são escassas, especialmente para carne vermelha. É importante avaliar se o controle das condições de cocção domésticas pode afetar a formação de PRM em carne, um alimento amplamente consumido. O objetivo deste trabalho foi estudar a formação dos PRM: furosina, carboximetillisina, acrilamida e compostos fluorescentes em carne bovina submetida a técnicas de cocção por calor úmido e calor seco. Hambúrgueres com 50 g de coxão mole (Semimembranosus) moído e 1% de sal de cozinha foram grelhados e empanados e fritos até atingir as temperaturas internas: 60&#176;, 70&#176;, 80&#176;, 90&#176; e 100&#176;C; cozidos por fervura em água até 60&#176;, 70&#176;, e 80&#176;C; e assados a 180&#176;, 240&#176; e 300&#176;C por 30 min. Os produtos da fase inicial da RM predominaram nas carnes grelhadas e empanadas e fritas em temperatura menor que 90 &#176;C, acima de 90 &#176;C ocorreu a degradação de furosina, associada à formação acentuada de compostos fluorescentes e a etapa intermediária da RM está em curso, predominantemente; a formação do marcador da fase avançada da RM (CML) ocorreu apenas na condição térmica mais severa, a carne assada a 300 &#176;C por 30 minutos. Condições de cocção que resultaram em grande aceitação da cor e baixa formação de PRM de fase avançada foram encontradas para carne bovina e podem ser utilizadas em orientações para pacientes com diabetes em ensaios clínicos futuros. / The ingestion of Maillard reaction products (MRP) from foods seems to be correlated with serum advanced glycation end products (AGEs) levels in humans. AGEs are associated with pathological effects in vivo, specifically diabetes complications, cardiovascular and neurodegenerative diseases. Substantial amount of data about MRP content in individual food products and model systems can be found, but there is a lack of information regarding the MRP generation during home cooking, especially for red meat. It is of interest to evaluate whether the control of home cooking conditions can effectively affect MRP content in beef, a food consumed worldwide. The influence of home cooking methods employing dry-heat and boiling on the generation of furosine, carboxymethyllysine, acrylamide and fluorescent compounds in beef was investigated in this study. Fifty grams of raw ground meat (Semimembranosus) with 1.0% of NaCl was made into a hamburger shape and grilled or breaded and fried: meat was cooked to an internal temperature of 60&#176;, 70&#176;, 80&#176;, 90&#176; and 100&#176;C; boiled: meat was cooked to 60&#176;, 70&#176;, and 80&#176;C. For baking, the oven was set at 180&#176;, 240&#176; and 300&#176;C for 30 minutes. Grilling and frying hamburgers to an internal temperature below 90 &#176;C mainly generated furosine. When the temperature reached 90 &#176;C and 100 &#176;C, furosine content decreased and fluorescent compounds increased exponentially. Baking meat at 300 &#176;C, the most severe heat treatment studied, resulted in the formation of carboxymethyllysine. Home cooking conditions leading to low MRP generation and pleasant colors were obtained and could be used to guide diabetic patients in clinical studies.

L’étuvage de poudre de protéines sériques (PS) de lait permet l’amélioration des propriétés techno-fonctionnelles des protéines : aptitude à la formation de gel, mousse, ou émulsion. L’objectif de cette thèse était d’étudier le mécanisme de formation et les propriétés physico-chimiques et rhéologiques d’assemblages de PS de taille micronique ou AMI produits par étuvage à 100 °C d’une poudre d’isolat de PS ajustée à pH 9.5 et à une activité d’eau proche de 0,2. Pour cela, la caractérisation morphologique des assemblages, la dénaturation des protéines, la diminution de lactose libre et la formation de produits de Maillard ont été suivies au cours du temps d’étuvageLe rôle de chacun des constituants de la poudre a aussi été étudié en faisant varier sa composition. Les résultats obtenus montrent que l’étuvage à pH 9.5 permet la formation d’assemblages de taille et de forme relatives à celle des particules de poudre étuvée. Dans un premier temps, des réactions de glycation des protéines s’opèrent, des agrégats solubles sont produits et les poudres brunissent, tandis que les produits terminaux de la réaction de Maillard se forment. Ensuite, la quantité d’agrégats solubles diminue avec la formation concomitante des AMI. Les AMI possèdent des propriétés de rétention d’eau très élevées ce qui leur confère des propriétés viscosifiantes. L’addition de lactose à la poudre d’isolat de PS permet d’accélérer la cinétique de formation des AMI et d’obtenir des AMI plus denses en protéines. Les caséines sont aussi intégrées dans les AMI, mais ont très peu d’effets sur leurs propriétés stru / The dry heating of whey protein powder increases the functional properties of proteins such as their ability to form gels, foams or emulsions. The aim of this PhD thesis was to study the mechanism of formation and the physicochemical and rheological properties of protein assemblies of micrometer sizes that were produced by dry heating at 100 °C a whey protein powder isolate adjusted at pH 9.5 at a water activity of 0.2. Thus, morphological properties, protein denaturation, lactose conjugation and products of the Maillard reaction were studied during the time course of the dry heating. The role of each compound of the powder has also been studied by modification of the powder composition. Dry heating at pH 9.5 was able to form large assemblies of size and shape related to the size of the dry heated powder particles.In the first step, the glycation of proteins increased. Soluble aggregates formed and the powder browning progressed, while advanced glycated end products of the Maillard reaction were found. Then, the content in soluble aggregates decreased and large protein assemblies of micrometer sizes formed. These large assemblies were highly hydrated, and had very high viscosity values. Addition of lactose to the whey protein isolate powder allowed increasing the speed of formation of these large assemblies, increasing their density, and reaching higher yields of production. Caseins were able to join to whey proteins in the large assemblies, and had very poor effects on their structural properties and ability to retain the aqueous phase.

O consumo de produtos da reação de Maillard (PRM) formados em alimentos contribui para o aumento dos níveis séricos de produtos finais de glicação avançada, que, por sua vez, estão associados à fisiopatologia e progressão do diabetes, de doenças cardiovasculares e neurodegenerativas. A formação de PRM em alimentos e sistemas modelo-alimento está bem documentada, mas informações sobre os efeitos de diferentes métodos de cocção e uso de receitas são escassas, especialmente para carne vermelha. É importante avaliar se o controle das condições de cocção domésticas pode afetar a formação de PRM em carne, um alimento amplamente consumido. O objetivo deste trabalho foi estudar a formação dos PRM: furosina, carboximetillisina, acrilamida e compostos fluorescentes em carne bovina submetida a técnicas de cocção por calor úmido e calor seco. Hambúrgueres com 50 g de coxão mole (Semimembranosus) moído e 1% de sal de cozinha foram grelhados e empanados e fritos até atingir as temperaturas internas: 60&#176;, 70&#176;, 80&#176;, 90&#176; e 100&#176;C; cozidos por fervura em água até 60&#176;, 70&#176;, e 80&#176;C; e assados a 180&#176;, 240&#176; e 300&#176;C por 30 min. Os produtos da fase inicial da RM predominaram nas carnes grelhadas e empanadas e fritas em temperatura menor que 90 &#176;C, acima de 90 &#176;C ocorreu a degradação de furosina, associada à formação acentuada de compostos fluorescentes e a etapa intermediária da RM está em curso, predominantemente; a formação do marcador da fase avançada da RM (CML) ocorreu apenas na condição térmica mais severa, a carne assada a 300 &#176;C por 30 minutos. Condições de cocção que resultaram em grande aceitação da cor e baixa formação de PRM de fase avançada foram encontradas para carne bovina e podem ser utilizadas em orientações para pacientes com diabetes em ensaios clínicos futuros. / The ingestion of Maillard reaction products (MRP) from foods seems to be correlated with serum advanced glycation end products (AGEs) levels in humans. AGEs are associated with pathological effects in vivo, specifically diabetes complications, cardiovascular and neurodegenerative diseases. Substantial amount of data about MRP content in individual food products and model systems can be found, but there is a lack of information regarding the MRP generation during home cooking, especially for red meat. It is of interest to evaluate whether the control of home cooking conditions can effectively affect MRP content in beef, a food consumed worldwide. The influence of home cooking methods employing dry-heat and boiling on the generation of furosine, carboxymethyllysine, acrylamide and fluorescent compounds in beef was investigated in this study. Fifty grams of raw ground meat (Semimembranosus) with 1.0% of NaCl was made into a hamburger shape and grilled or breaded and fried: meat was cooked to an internal temperature of 60&#176;, 70&#176;, 80&#176;, 90&#176; and 100&#176;C; boiled: meat was cooked to 60&#176;, 70&#176;, and 80&#176;C. For baking, the oven was set at 180&#176;, 240&#176; and 300&#176;C for 30 minutes. Grilling and frying hamburgers to an internal temperature below 90 &#176;C mainly generated furosine. When the temperature reached 90 &#176;C and 100 &#176;C, furosine content decreased and fluorescent compounds increased exponentially. Baking meat at 300 &#176;C, the most severe heat treatment studied, resulted in the formation of carboxymethyllysine. Home cooking conditions leading to low MRP generation and pleasant colors were obtained and could be used to guide diabetic patients in clinical studies.

Submitted by Gabriela Lopes (gmachadolopesufpel@gmail.com) on 2017-03-31T13:38:17Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação franciene villanova.pdf: 1735262 bytes, checksum: f9a950bdf67d2961e687eac6378b79bd (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-04-13T19:48:56Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação franciene villanova.pdf: 1735262 bytes, checksum: f9a950bdf67d2961e687eac6378b79bd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-13T19:48:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação franciene villanova.pdf: 1735262 bytes, checksum: f9a950bdf67d2961e687eac6378b79bd (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-02-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / O arroz é o principal alimento para mais da metade da população mundial, principalmente nos países em desenvolvimento. O processo de parboilização consiste em três etapas adicionais ao processo convencional de industrialização do arroz, realizadas antes do descascamento: (1) encharcamento, (2) autoclavagem e (3) secagem. Embora a parboilização promova benefícios nutricionais e tecnológicos ao arroz, comparado ao arroz branco polido, o produto parboilizado é mais escuro e amarelado, o que afeta negativamente a aceitabilidade no mercado. Neste contexto, objetivou-se com o estudo avaliar a capacidade do ácido gálico, da glicina, da glutationa reduzida e da L-cisteína na inibição de reações de escurecimento em arroz parboilizado. A cor dos grãos, a composição proximal, as propriedades de pasta da farinha, a massa molecular e a complexação de proteínas, o percentual de proteína solúvel, o percentual de grãos quebrados, manchados e danificados, o tempo de cocção, o perfil texturométrico, o teor de lisina livre, o teor de mono e dissacarídeos, e o teor de 5-hidroximetil-2-furaldeído livre (HMF) foram determinados. A utilização de glicina e as concentrações de 1,0 e 2,0% de glutationa reduzida foram capazes de conferir uma coloração mais branca aos grãos parboilizados, no entanto, esses tratamentos aumentaram o percentual de grãos quebrados, a solubilidade proteica e o conteúdo de lisina livre. Além disso, estes tratamentos provocaram redução no percentual de grãos manchados e nos níveis de HMF. O tempo de cocção do arroz parboilizado tratado com glicina, independente da concentração, foi semelhante ao tempo de cocção do arroz parboilizado sem adição de inibidores. No entanto, a glutationa reduzida foi capaz de diminuir o tempo de cocção em comparação ao arroz parboilizado convencionalmente, e aumentar o percentual de grãos danificados, exceto na concentração de 2,0%. Os teores de glicose no arroz parboilizado com glicina e glutationa reduzida aumentaram, entretanto, não foram observadas alterações nos níveis de frutose e de sacarose. Desta forma, o uso de glicina é recomendável para retardar o escurecimento dos grãos e melhorar propriedades tecnológicas, no entanto, deve ser considerada em estudos futuros a avaliação sensorial destes grãos. / Rice is a staple food for over the half of the world's population, mainly in developing countries. The parboiling process consists of three additional staps to the conventional rice industrialization process, which are done prior dehusking: (1) soaking, (2) pressure steaming, and (3) drying. Although parboiling improves the nutritional and technological properties of rice, compared to polished white rice, the parboiled product is dark, yellowish, which negatively affects their consumers’ acceptability. The objective of the present study was to evaluate the ability of gallic acid, glycine, reduced glutathione and L-cysteine to inhibit browning reactions during the parboiling process of the rice. The color, the proximate composition, the flour pasting properties, the molecular mass and complexation of proteins, the percentage of soluble protein, the percentage of broken, stained and damaged grains, the cooking time, the texturometric profile, the free lysine content, the mono- and disaccharides contents, and the free 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (HMF) content were determined. The use of glycine and higher concentrations of reduced glutathione at 1.0 and 2.0% levels were able to provide a whiter color to parboiled grains. However, these treatments increased the percentage of broken grains, thr protein extractibility, and the free lysine content. Furthermore, 1.0 and 2.0% levels of glycine and reduced glutathione treatments caused a reduction in the percentage of stained grains and HMF levels. The cooking time of parboiled rice treated with glycine, independent of concentration, was similar to the cooking time of parboiled rice without anti-browning. However, reduced glutathione decreased the cooking time of rice compared to rice parboiled without anti-browning of ati-browning agent, and increased the percentage of damaged grains, except at the 2.0% concentration. Glucose content in parboiled rice with glycine and reduced glutathione increased. However, no changes were observed in fructose and sucrose levels. Thus, the use of glycine is recommended to retard the browning of the grains and improve technological properties. However, the sensorial evaluation of these grains should be considered in future studies.

Schätzungsweise 1 – 2 % der europäischen Bevölkerung reagieren allergisch auf bestimmte Lebensmittel. Die verantwortlichen Allergene sind meist Proteine und können während der Lebensmittelverarbeitung, vor allem infolge thermischer Prozesse, erheblich modifiziert werden. Daraus kann sowohl eine Senkung als auch eine Erhöhung des allergenen Potentials resultieren. Insbesondere die Entstehung von sog. „Neoepitopen“ in der Folge der Maillard-Reaktion ist bereits diskutiert worden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Glykierung und dem allergenen Potential von Lebensmitteln, im Speziellen von Karotten und Erdnüssen, untersucht. Die Karottenallergie ist in der europäischen Bevölkerung relativ häufig. Etwa 23 – 25 % aller Nahrungsmittelallergiker leiden an dieser meist pollenassoziierten Allergie. Es ist bekannt, dass das allergene Potential von Karotten durch Hitzebehandlung, infolge der irreversiblen Denaturierung des Hauptallergens Dau c 1, stark gesenkt wird. Daher stellte sich die Frage, ob bestimmte Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) als Indikatoren für die Senkung des allergenen Potentials infolge der Hitzebehandlung geeignet sind. Da zum Ausmaß der Maillard-Reaktion in hitzebehandelten Karotten bisher kaum Daten vorlagen, wurden zunächst Untersuchungen zu relevanten Glykierungsprodukten und zur resultierenden Aminosäuremodifizierung durchgeführt. In verschiedenen Handelsproben (Säfte, Breie, Konserven und getrocknete Karotten) waren neben Fru-Lys die Amadori-Produkte (AP) zahlreicher Aminosäuren, wie Fru-Ala und Fru-GABA nachweisbar. Als Produkte der fortgeschrittenen Phase der Maillard-Reaktion (advanced glycation endproducts, AGEs) wurden erstmals Pyrralin, Carboxymethyllysin (CML) und Pentosidin detektiert. Die resultierenden Aminosäure-modifizierungen waren in Produkten mit hohem Wasseranteil (Säfte, Breie sowie Konserven) mit bis zu 5 % gering. Dagegen zeigten getrocknete Karotten sehr hohe Derivatisierungsgrade (z. B. Lysin bis 58 %). Dabei war besonders die frühe Phase der Glykierung von Bedeutung, während die fortgeschrittene Phase kaum eine Rolle spielte. Das AP Fru-Lys bzw. dessen Hydrolyseprodukt Furosin gilt zwar als anerkannter Erhitzungsmarker für Lebensmittel, erwies sich aber in Karottenprodukten aufgrund von schnell stagnierenden Gehalten nur als bedingt geeignet. Insbesondere FM-GABA zeigte eine wesentlich bessere Korrelation mit der Intensität der Hitzebehandlung. Zudem korrelierte der Anstieg dieses AP gut mit der Senkung des Gehaltes an IgE-reaktivem Dau c 1. Damit ist FM-GABA ein geeigneter Parameter sowohl für die Hitzebehandlung von Karotten als auch für die damit verbundene Senkung des allergenen Potentials. Die Erdnussallergie gewinnt mit dem ansteigenden Verzehr von Erdnüssen zunehmend an Bedeutung. Diese Allergie zeichnet sich durch eine mitunter sehr schwere Symptomatik aus, so dass Erdnüsse hinsichtlich lebensbedrohender und letal verlaufender Nahrungsmittel-allergien an erster Stelle stehen. Bereits der Verzehr kleinster Mengen an Erdnuss, selbst Hautkontakt oder Inhalation können eine allergische Reaktion auslösen. Die Hauptallergene der Erdnuss, Ara h 1 und Ara h 2, sind bekanntermaßen stabil und behalten ihr allergenes Potential während der Hitzebehandlung bei. Dennoch besteht die Vermutung, dass die Zubereitung von Erdnüssen deren Allergenität maßgeblich beeinflusst. Daher wurde der Einfluss des Röstens bereits untersucht, jedoch sind die erhaltenen Ergebnisse bisher sehr widersprüchlich. Während in einigen Studien keine Unterschiede zwischen rohen und gerösteten Erdnüssen beobachtet wurden, berichteten andere Autoren von einer 90-fachen Erhöhung des IgE-Bindungsvermögens infolge der Röstung, die mit der Bildung von Neoepitopen durch die Maillard-Reaktion in Verbindung gebracht wurde. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss der Röstung und insbesondere der Glykierung auf das allergene Potential von Erdnüssen untersucht. Da bisher kaum Daten zu MRP-Gehalten in Erdnüssen vorlagen, wurden zunächst verschiedene handelsübliche Proben (ungeröstete und geröstete Erdnüsse, Erdnussbutter und Erdnussflips) auf ihre Gehalte an Glykierungsprodukten und die resultierende Aminosäure-modifizierung untersucht. Dabei wurde erstmals das AP Fru-Lys und die AGEs Pyrralin und CML identifiziert und quantifiziert. Definierte Erhitzungsexperimente zeigten, dass während der Röstung von Erdnüssen insbesondere Pyrralin in hohen Mengen gebildet wird. Während in erhitzten Lebensmitteln üblicherweise Fru-Lys das dominierende MRP darstellt, trug Pyrralin in gerösteten Erdnüssen in vergleichbarem oder höherem Maße zur Lysinmodifizierung bei als das AP. Aufgrund der stetigen Zunahme ist Pyrralin als Erhitzungsparameter in Erdnüssen wesentlich besser geeignet als das Hydrolyseprodukt Furosin, dessen Gehalt schnell ein Plateau erreichte. Durch die Röstung von Erdnüssen wurden hohe Lysinmodifizierungen bis zu 55 % erreicht, die jedoch nur zu einem Zehntel durch die gemessenen MRP erklärbar waren. Da zahlreiche andere Aminosäuren ebenfalls deutliche Abnahmen zeigten, müssen andere Reaktionen neben der Maillard-Reaktion einen wesentlichen Beitrag zur Aminosäurederivatisierung leisten. Aufgrund des hohen Gehaltes an ungesättigten Fettsäuren liegt die Vermutung nahe, dass es sich um Reaktionen mit Lipidperoxidationsprodukten handeln könnte. Der Einfluss der Röstung auf das allergene Potential der Erdnüsse wurde anhand des Antikörperbindungsvermögens bewertet. Dabei zeigten die Proteinextrakte roher und gerösteter Erdnüsse keine Unterschiede in der IgE-Reaktivität. Jedoch sind aufgrund der schlechten Extrahierbarkeit gerösteter Erdnussproteine keine Rückschlüsse auf das allergene Potential der gesamten Erdnüsse möglich. Vor allem das Allergen Ara h 1 bildete zunächst Di- und Trimere, unter drastischeren Bedingungen kam es zur weiteren Aggregation und damit zur Unlöslichkeit. Analog wurde auch die Löslichkeit aller anderen Erdnussproteine deutlich reduziert. Folglich konnten insbesondere stark modifizierte, aggregierte Proteine mit der verwendeten Extraktionsmethode nicht erfasst werden. Mittels Immunoblot wurde gezeigt, dass das IgE-Bindungsvermögen des Ara h 1 bei der Röstung nicht verändert wurde, solange das Allergen noch löslich war. Aussagen zum allergenen Potential des aggregierten Proteins waren noch nicht möglich. Hingegen wurden deutliche Hinweise auf die Erhöhung der IgE-Reaktivität des Ara h 2 infolge der Röstung erhalten. Um den Einfluss der Maillard-Reaktion im Einzelnen auf die beiden Hauptallergene der Erdnuss, Ara h 1 und Ara h 2, untersuchen zu können, wurden diese Allergene aus rohen Erdnüssen isoliert und unter röstungsrelevanten Bedingungen glykiert. Durch diese Modifizierung wurde deren Antikörperbindungsvermögen jedoch nicht beeinflusst. Folglich liegen keine Hinweise auf die Bildung von Neoepitopen im Zuge der Maillard-Reaktion vor. Die beobachtete Erhöhung der IgE-Reaktivität des Ara h 2 infolge der Röstung ist daher auf andere Reaktionen, vermutlich mit Produkten der Lipidperoxidation, zurückzuführen. Die Grundvoraussetzung für eine allergische Reaktion ist, dass die verantwortlichen Epitope die gastrointestinale Verdauung überstehen und intakt aufgenommen werden. Durch thermische Behandlung und die daraus resultierende Umfaltung sowie kovalente Modifizierung kann die Verdauungsresistenz erheblich beeinflusst werden. Daher wurde mit Hilfe einer simulierten gastrointestinalen Verdauung der Einfluss der Röstung von Erdnüssen sowie der Glykierung von Ara h 1 und Ara h 2 auf die Verdaubarkeit der Allergene untersucht. Diese orientierenden Verdauungsstudien gaben Hinweise auf eine erhöhte Verdauungsresistenz der Proteinaggregate in gerösteten Erdnüssen. Durch Glykierung der Allergene Ara h 1 und Ara h 2 wurde hingegen keine Veränderung der Verdaubarkeit erreicht. Für die hohe Proteolyseresistenz der Proteine in gerösteten Erdnüssen sind offenbar wiederum Reaktionen mit peroxidierten Erdnusslipiden verantwortlich.

Proteingebundene Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) und Crosslink-Aminosäuren (CLAS) werden mit der Nahrung täglich in nicht unerheblichen Mengen aufgenommen. In Humanstudien wurde gezeigt, dass einzelne dieser Produkte resorbiert werden. Die Beteiligung einzelner MRP und CLAS an pathophysiologischen Prozessen wird diskutiert. Im ersten Teil der Arbeit wurden MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, CML, CEL, Pyrralin, MG-H1, Pentosidin) und CLAS (LAL, Glutamyllysin) in Casein angereichert und die Caseine einer simulierten gastrointestinalen Verdauung unterzogen. Mit der posttranslationalen Modifizierung ging eine Verschlechterung der Verdaubarkeit einher. Dies zeigte sich daran, dass während der Verdauung bei zunehmendem Modifizierungsgrad Peptide mit Molmassen > 1000 Da schlechter abgebaut wurden und somit die Bildung von Peptiden < 1000 Da abnahm. Die Verschlechterung der Verdaubarkeit ließ sich vor allem auf die Quervernetzung der Caseine, weniger auf die Modifizierung von Aminosäuren zurückführen. Zudem wurde die Freisetzbarkeit einzelner Aminosäuren durch posttranslationale Modifizierung gesenkt. Dies konnte praktisch ausschließlich auf die Modifizierung von Lysinresten, nicht auf die Quervernetzung, zurückgeführt werden. Vor allem Aminosäuren, die im Casein in der Nähe von Lysinresten überrepräsentiert sind, wurden mit zunehmender Modifizierung schlechter freigesetzt. Die modifizierten Aminosäuren selbst wiesen ein sehr differenziertes Freisetzungsmuster auf. Amadori-Produkte wurden sehr gut freigesetzt, quervernetzende Aminosäuren dagegen nur zu einem geringen Anteil. Als Referenzsubstanzen für chromatographische Messungen und als Testsubstanzen für Inhibitions- und Transportexperimente wurden im zweiten Teil der Arbeit insgesamt 19 freie MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, Tagatoselysin, Ribuloselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, 3-DG-H, PIO, Argpyrimidin, Pentosidin) und CLAS (Lysinoalanin, π- und τ-Histidinoalanin, Ornithinoalanin, Lanthionin) in hohen Ausbeuten synthetisiert und charakterisiert. Zwölf der Produkte (Fructoselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, Argpyrimidin, Lysinoalanin, π- und τ-Histidino¬alanin und N-ε-(γ-Glutamyl)-Lysin) wurden erstmals auch Dipeptidderivate (Ala-Xaa bzw. Xaa-Ala) synthetisiert und charakterisiert. Mithilfe von Kompetitionsexperimenten an Caco-2-Zellen konnte gezeigt werden, dass freie MRP und CLAS die Aufnahme von L-[3H]Lysin kaum hemmten und somit nicht mit Transportsystemen für basische Aminosäuren wechselwirken können. Der überwiegende Teil der dipeptidgebundenen Derivate hemmte jedoch in konzentrationsabhängiger Weise den Transport von [14C]Gly-Sar . Diese Dipeptide stellen somit z.T. hoch affine Inhibitoren des Peptidtransporters dar. Die Affinität zum Transporter ist stark sequenzabhängig. Caco-2-Zellen, die als Monolayer wachsen, wurden auf porösen Polycarbonatmembranen kultiviert und zu Transportstudien eingesetzt. Keines der freien MRP und CLAS wurde aktiv über den Monolayer transportiert. Wurden die Derivate dagegen dipeptidgebunden eingesetzt, stieg, außer bei fructosylierten Peptiden, der transepitheliale Transport stark an. Allerdings wurden die Peptide meist nicht intakt transportiert, sondern intrazellulär gespalten und die freien Aminosäuren basolateral abgegeben. Zum Teil reicherten sich die modifizierten Aminosäuren, besonders die hydrophilen, intrazellulär an. Hydrophobe Aminosäuren (Pyrralin, Formylin, Maltosin, Argpyrimidin) konnten die Zelle dagegen schnell verlassen. Diese Aminosäuren sollten daher auch in vivo effektiv resorbiert werden. In Kompetitionsexperimenten an OK-Zellen zeigte sich, dass modifizierte Aminosäuren auch an Nierenzellen nicht mit Transportsystemen für Lysin wechselwirken. Keine der freien Aminosäuren wurde aktiv über den OK-Zellmonolayer transportiert. Somit ist nicht von einer renalen Reabsorption der untersuchten MRP und CLAS auszugehen.

Master of Science / Food Science Institute - Animal Sciences and Industry / J. Scott Smith / The popularity of convenience foods and consumer awareness have indirectly increased the demand for novel and naturally occurring compounds that can delay oxidative deterioration and maintain nutritional quality of foods. Natural antioxidants from certain herbs and spices such as rosmarinic acid from rosemary, thymol from oregano, eugenol from clove, curcumin from turmeric are rich in polyphenolic compounds that provide long term oxidative stability as well as offer additional health benefits. High antioxidative capacity of herbs and spices phenolics could potentially substitute synthetic antioxidants such as butylated hydroxytoluene (BHT), butylated hydroxyanisole (BHA), propyl gallate (PG), octyl gallate, and tert-butylated hydroquinone (TBHQ) in the food system. Synthetic antioxidants such as butylated hydroxytoluene (BHT) and butylated hydroxyanisole (BHA) are thermally unstable and decompose at higher temperatures. However, widely used cooking methods such as baking, frying, boiling, and roasting use high thermal temperature that can chemically degrade herbs and spices and diminish their antioxidative capacity, but they have been little studied. In this context, this review deals with the need of natural antioxidants, spices and herbs as natural antioxidants, their origin, chemical composition, pharmacological, and antioxidant properties. Moreover, the impact of temperature on total antioxidant capacity (TAC) of various herbs and spices such as cinnamon, clove, nutmeg, mace, oregano, rosemary, sage, and turmeric is highlighted. Different antioxidant assays are also studied and this approach revealed that there is a clear correlation between total phenolic content (TPC) and TAC of herbs and spices and specific phenolic compounds are responsible for the antioxidative capacity of particular herb and spice. These findings identified the optimum cooking temperature-time combination which results in the highest retention of antioxidative capacity and assures higher quality of food for the maintenance of human health.