Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008

Unsere Lebensmittel haben eine zweifache, auch vom Gesetz vorgegebene Zweckbestimmung, d.h. sie dienen einerseits dem Genuss und andererseits der Ernährung. Aktuelle For-schungsstrategien in der Lebensmittelchemie auf diesen Gebieten lassen sich dahingehend zusammenfassen, dass im ersten Bereich die Suche nach wirksamen Aromastoffen und deren Vorläufern sowie auch zunehmend Probleme der Herkunftsanalytik im Vordergrund stehen. Auf dem Gebiet der Ernährung spiegeln die Schlagworte „Funktionalität“ und „Bioaktivität“ die derzeitigen Entwicklungen wider. Für alle Bereiche bilden instrumentell-analytische Techniken die Grundlage für Bewertungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit haben wir daher das uns zur Verfügung stehende analytische Potential genutzt, in den oben genannten Gebieten einschlägige Beiträge zu leisten, d.h. die Suche nach wertgebenden Aromastoffen fortzuführen, Zuckerkonjugate zu untersuchen, die sowohl als Aromavorläufer als auch im Hinblick auf Bioaktivitätsstudien von Bedeutung sein können, und schließlich Methoden zur Herkunftsanalytik zu forcieren. Zu diesen Studien sind als attraktive und wirtschaftlich be-deutsame Rohwaren Rucola (Eruca sativa Mill.) und Kaffee (Coffea arabica) eingesetzt worden. Mit Hilfe der Kopplung aus S-selektiver Detektion und strukturselektiver massen-spektro-metrischer Analytik sind in Extrakten von Rucolablättern 22 schwefelhaltige Verbindungen strukturell charakterisiert worden. Darunter befanden sich neben Minorkomponenten wie 3-Sulfanyl-1-hexanol, Glucosinolatabbauprodukte wie 4-Methylthiobutylnitril, 4-Methylthiobutylthiocyanat und 4-Methylthiobutylisothiocyanat. Mit [1,3]-Thiazepan-2-thion ist eine bislang nicht bekannte Komponente erstmals beschrieben wor-den. Das Vorkommen von 3-Sulfanyl-1-hexanol, welches im Übrigen anhand von MDGC-MS-Analytik in nahezu racemischer Form (44:56 Prozent, R:S) in Rucola gefunden wurde, forderte dazu heraus, in einer Modellstudie eine allgemeine Methode zur Bestimmung der Absolutkonfiguration azyklischer 2- und 3-Sulfanyl-1-alkanole mittels der ECCD-Methode zu entwickeln. Dabei wurden in einer Ein-Schritt-Synthese die funktionellen Grup-pen der 2- und 3-Sulfanyl-1-alkanole (in der Studie handelte es sich um enantiomerenreine 2- und 3-Sulfanyl-1-hexanole) jeweils mit dem Chromophor 9-Anthroylflourid derivatisiert. Die ent-sprechenden CD-Splitkurven erlaubten eine eindeutige Zuordnung der Konfiguration. Die entwickelte Mikro-Maßstab-Methode wurde ebenfalls er-folgreich zur Bestimmung der Absolutkonfiguration von in der Studie als zusätzliche Modellverbindungen eingesetzten 1,2- und 1,3-Diolen angewendet. 3-Sulfanyl-1-hexanol wurde abschließend in einer Zwei-Schritt-Synthese mit 9- und 2-Anthroylflourid derivatisiert, auch diese Variation erlaubte eine eindeutige Zuordnung der Absolutkonfiguration. Mittels präparativer HPLC-Techniken wurden drei neue Flavonoidglykoside aus Rucolablättern isoliert. Deren Charakterisierung erfolgte mittels Tandemmassenspektrometrie sowie ein- und zweidimensionalen NMR-Messungen. Die Verbindungen sind als Quercetin-3,3’,4’-tri-O-beta-D-glucopyranosid, Quercetin-3’-(6-sinapoyl-O-beta-D-gluco-py-ra-nosyl)-3,4’-di-O-beta-D-gluco-pyranosid und Quercetin-3-(2-sinapoyl-O-beta-D-gluco-pyranosyl)-3’-(6-sina-poyl-O-beta-D-glucopyranosyl)-4’-O-beta-D-gluco-py-rano-sid identifiziert worden. Diese Quercetin-Derivate zeigten sowohl hinsichtlich der Glucosilierung des Aglykons (an den Positionen 3, 3’ und 4’) als auch bezüglich der Acylierung ungewöhnliche Strukturen. Bei Rohkaffee hat man bislang keine Studien über das Vorkommen von Zuckerkonjugaten als Aromastoffvorläufer durchgeführt. Wir konnten diese Lücke anhand der Strukturaufklärung der nachfolgend aufgeführten Verbindungen schließen. Durch Kombination verschiedener präparativer Techniken (CCC, LC und HPLC) mit verschiedenen Methoden der Strukturaufklärung (HRGC-MS, HPLC-MS/MS, ein- und zweidimensionale NMR) sind aus Rohkaffee fünf Aromastoffprekursoren isoliert und identifiziert worden. Für die beiden aus Rohkaffee isolierten Linalyldisaccharide wurden als Strukturen 3(S)-Linalyl-3-O-beta-D-glucopyranosyl-(1-6)-alpha-L-arabinofuranosid (AK1) und 3(S)-Linalyl-3-O-beta-D-gluco-pyranosyl-(1-6)-beta-D-apiofuranosid ermittelt. Weiterhin sind erstmals drei neue Aromastoffprekursoren in Form von Zuckerestern, d.h. (3-Methylbutanoyl)-1-O-beta-D-glucopyranosyl-beta-D-apiofuranosid, (3-Methylbuta-noyl)-6-O-alpha-D-gluco-pyranosyl-(1-2)-beta-D-fructofuranosid und (3-Methyl-2-butenoyl)-O-beta-D-gluco-pyranosyl-beta-D-apio-furanosid in Rohkaffee charakterisiert worden. Die Kenntnis der Herkunft bestimmter Lebensmittel bzw. einzelner In-haltstoffe spielt für die Lebensmittelindustrie eine wichtige Rolle. Für die Zuordnung der geographischen Herkunft von Rohkaffee wurden in dieser Arbeit die 13C/12C-, 2H-/1H- und 18O/16O-Verhältnisse von extrahiertem Coffein mittels Elementaranalysator-Isotopen-massen-spektro-metrie (EA-IRMS) bestimmt. Zur Bewertung der Multielement-Messwerte wurden diese statistischen Berechnungen unterzogen. Zur Anwendung kamen die Lineare Diskrimi-nanzanalyse (LDA) und die Auswertung mittels sog. „Classification and Regression Trees“ (CART). In der Anpassung wurde dabei eine Probe aus der Klasse 1 (Provenienz Afrika) der Klasse 2 (Provenienz Amerika) zugeordnet und eine Probe der Klasse 2 der Klasse 1 zugeordnet (Fehlerrate von 5,1 Prozent). Bei Kreuzvalidierung wurden drei der 39 Proben falsch zugeordnet (jeweils zwei der Klasse 1 und eine der Klasse 2), die Fehlerrate betrug hier somit 7,7 Prozent. Die Proben der Klasse 3 (synthetisches Coffein) ließen sich zu 100 Prozent von denjenigen natürlichen Ursprungs unterscheiden. / Our foods exhibit two functions defined by legislation, too, i.e. to provide pleasure and nutri-tive effects. Current research strategies in food chemistry in these areas can be summarized as follows, i.e. that in the first-mentioned area the search for effective aroma substances and their precursors as well as, increasingly, also problems of authenticity assessments predominate. In the area of nutrition, the highlights “functionality” and “bioactivity” reflect the actual research trends. In all areas instrumental-analytical techniques form the fundament of evaluations. Thus, we used our analytical potential to provide new informations in the above-mentioned areas, i.e. to continue the search for valuable aroma compounds, to study sugar conjugates being important as flavour precursors and for bioactivity studies, as well as, finally, to strengthen methods for authenticity assessment. For these studies rocket salad (Eruca sativa Mill.) and green coffee (Arabica coffea), both known as attractive industrially important raw materials, were used. In flavour extracts of rocket salad leaves we characterized 22 sulphur-containing constituents by means of HRGC-MS/SCD analysis. This analytical tool allows parallel detection of com-pounds eluting from the GC column by mass spectrometry (to get structural information) and by chemiluminescence (to get selectively signals of sulphur-containing substances). Among the identified constituents we detected minor compounds such as 3-sulfanyl-1-hexanol, by-products of myrosinase hydrolysis such as 4-methylthiobutyl nitrile, 4-methylthio-butyl thiocyanate and 4-methylthiobutyl isothiocyanate as well as [1,3]-thiazepan-2-thion, the latter described for the first time. By means of multidimensional GC-MS (MDGC-MS) the enantiomeric ratio of 3-sulfanyl hexanol was determined as 44 per cent (R) to 56 per cent (S). In addition, a method for the determination of the absolute configuration of chiral 2- and 3-sulfanyl-1-alkanols (and 1,2 diols and 1,3 diols as model compounds) was developed. We demonstrated for the first time that the CD exciton chirality method can be extended to acyclic 2- and 3-sulfanyl-1-alkanols. The simple one-step derivatization using the 9-anthroate chromophore provided a general microscale method for the determination of the absolute configuration. Exciton coupling between the two 9-anthroate chromophores led to intense positive split CD curves for the (R)-configured 2-sulfanyl-1-alkanols and the (S)-configured 3-sulfanyl-1-alkanols as well as vice versa. The developed method was also useful for the stereochemical assignment of 1,2- and 1,3-diols. Furthermore, the application of the two step-derivatization using two different chromophores for both functional groups (2- and 9-anthroate) also resulted in mirror image split CD curves for both enantiomers, allowing the stereochemical assignment of 3-sulfanyl-1-alkanols. Three novel flavonoid glycosides were isolated of leaves of rocket salad by means of preparative techniques. Structural elucidation was performed using LC-MS/MS as well as one and two dimensional NMR experiments. The compounds were identified as quercetin 3’,4’-tri-O-beta-D-gluco-py-ra-no-side, quercetin 3’-(6-sinapoyl-O-beta-D-gluco-pyra-no-syl)-3,4’-di-O-beta-D-gluco-py-ra-no-side and quercetin 3-(2-sinapoyl-O-beta-D-glucopyranosyl)-3’-(6-sinapoyl-O-beta-D-gluco-pyra-no-syl)-4’-O-beta-D-gluco-py-rano-side. These quercetin derivatives exhibited unusual structures as to the glucosylation of the aglycones (at positions 3, 3’ and 4’) and the type of acylation. Studies of bound flavour precursors in green coffee beans (Coffea arabica) have not been carried out to date. We were able to fill out this gap by means of structural analysis of the following compounds. By combination of different preparative analytical steps (CCC, LC and HPLC) with several analytical methods of structural elucidation (HRGC-MS, HPLC-MS/MS, one and two dimensional NMR experiments) five flavour precursors were isolated and identi-fied in green coffee beans. The two isolated linalool disaccharides were identified as 3(S)-linalyl-3-O-beta-D-gluco-py-ra-nosyl-(1-6)-alpha-L-arabinofuranoside and 3(S)-linalyl-3-O-beta-D-gluco-pyra-no-syl-(1-6)-beta-D-apiofuranoside. In addition, three novel flavour precursors were identified as sugar esters, i.e. (3-methyl-butanoyl)-1-O-beta-D-glucopyranosyl-beta-D-apiofuranoside, (3-methylbutanoyl)-6-O-alpha-D-gluco-pyranosyl-(1-2)-beta-D-fructo-furano-side and (3-Methyl-2-buteno-yl)-O-beta-D-gluco-pyranosyl-beta-D-apio-furanoside. The knowledge of the origin of food and its ingredients is actually one of the major topics for the food industry. For the assignment of the geographic origin of green coffee we determined the ratios of 13C/12C, 2H/1H and 18O/16O of extracted caffeine by means of elemental analysator/isotopic mass spectrometry (EA-IRMS). To check the suitability of the analytical data obtained by EA-IRMS we used statistical calculations, i.e. (i) linear discrimination analysis (LDA) and (ii) validation via classification and regression trees (CART). In the course of adap-tion one sample of class 1 (origin Africa) was assigned to class 2 (origin middle and south America) and vice versa, resulting in an error rate of 5.1 per cent. Using cross validation three of the 39 analyzed samples were assigned incorrectly resulting in an error rate of 7.7 per cent. Samples of class 3 (synthetic caffeine) were discriminated from that of natural origin at a rate of 100 per cent.

Loeffler, Bernd Matthias Nikolaus Untersuchungen zur Pharmakokinetik von Coffein, Theophyllin und Theobromin beim Hund nach Aufnahme von Kaffee, Tee und Schokolade aus dem Institut für Pharmakologie, Pharmazie und Toxikologie der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Leipzig im April 2000 (83 S., 24 Abb., 12 Tab., 187 Lit.) Methylxanthine stimulieren das zentrale Nervensystem, das Herz-Kreislauf-System und führen zur Bronchodilatation. Die Ergebnisse der Dopinguntersuchungen im Windhundrennsport zeigen, daß die Methylxanthine wie Coffein, Theophyllin und Theobromin nicht nur therapeutisch, sondern auch mißbräuchlich zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. In der vorliegenden Studie wurde die Pharmakokinetik von Coffein, Theophyllin und Theobromin bei Hunden untersucht. Speziell in Hinblick auf die Dopingproblematik im Windhundsport wurden bei den Hunden zusätzlich Plasma- und Harnproben nach Applikation von Kaffee, Tee und Schokolade analysiert. Nach oraler Applikation von Coffein und Theophyllin (10 mg/kg KM) wurden im Plasma mittlere Konzentrationsmaxima an Coffein von 61,8 µmol/l und an Theophyllin von 42,5 µmol/l nach 1,6 bzw. 4,8 Stunden erreicht. Die Elimination erfolgte jeweils mit einer Halbwertszeit von etwa 3 Stunden. Im Urin konnten die applizierten Methylxanthine ebenfalls nachgewiesen werden, nach Applikation von Coffein war Theobromin als Metabolit in hohen Konzentrationen nachweisbar. Nach Aufnahme von Kaffee und Tee durch Hunde konnte in Plasma und Urin Coffein, Theophyllin und Theobromin nachgewiesen werden. Nach Verfütterung von Schokolade wurde im Wesentlichen nur Theobromin gefunden, so daß aus dem Metabolitenmuster der Methylxanthine zum Teil auf das aufgenommene Nahrungsmittel geschlossen werden kann. Um nicht in Konflikt mit geltenden Dopingbestimmungen zu kommen, sollten Hundehalter darauf achten, daß ihre Tiere in den Tagen vor einem Rennen keinen Zugang zu methylxanthinhaltigen Produkten wie Kaffee, Tee und Schokolade haben. / Loeffler, Bernd Matthias Nikolaus Investigations of the pharmacokinetics of caffeine, theophylline and theobromine in the dog. Institute of Pharmacology, Pharmacy and Toxicology of the Veterinary Faculty of the University of Leipzig Leipzig, April 2000 (83 p., 24 fig., 12 tab., 187 ref.) Methylxanthines are often used as stimulants of the central nervous system, of the cardiovascular system and as bronchodilators. Doping samples of racing greyhounds demonstrate that methylxanthines like caffeine, theophylline, and theobromine besides their therapeutic use, are illegally used to strengthen the animals. In this study the pharmacokinetics of caffeine, theophylline and theobromine in dogs were examined. Additionally samples of plasma and urine were taken after application of coffee, tea, and chocolate. After oral application of caffeine and theophylline (10 mg/kg) highest plasma concentrations of caffeine were about 61.8 µmol/l and of theophylline about 42.5 µmol/l after 1.6 and 4.8 hours, respectively. The elimination half-lives for both methylxanthines were 3 hours. The methylxanthines administered could also be detected in the urine, after application of caffeine its metabolite theobromine reached high concentrations. After the administration of coffee and tea to dogs caffeine, theophylline and theobromine can be found in plasma and urine. After the feeding of cocoa products (chocolate) theobromine was the predominant methylxanthine to be analysed. Therefore the quantitative relationship of the various methylxanthine metabolites detected can indicate the origin of the ingested methylxanthines. In order to avoid violation of doping regulations, dog owners should assure that their animals have no access to methylxanthine-containing diets in the days before racing competitions.

Loeffler, Bernd Matthias Nikolaus Untersuchungen zur Pharmakokinetik von Coffein, Theophyllin und Theobromin beim Hund nach Aufnahme von Kaffee, Tee und Schokolade aus dem Institut für Pharmakologie, Pharmazie und Toxikologie der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Leipzig im April 2000 (83 S., 24 Abb., 12 Tab., 187 Lit.) Methylxanthine stimulieren das zentrale Nervensystem, das Herz-Kreislauf-System und führen zur Bronchodilatation. Die Ergebnisse der Dopinguntersuchungen im Windhundrennsport zeigen, daß die Methylxanthine wie Coffein, Theophyllin und Theobromin nicht nur therapeutisch, sondern auch mißbräuchlich zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. In der vorliegenden Studie wurde die Pharmakokinetik von Coffein, Theophyllin und Theobromin bei Hunden untersucht. Speziell in Hinblick auf die Dopingproblematik im Windhundsport wurden bei den Hunden zusätzlich Plasma- und Harnproben nach Applikation von Kaffee, Tee und Schokolade analysiert. Nach oraler Applikation von Coffein und Theophyllin (10 mg/kg KM) wurden im Plasma mittlere Konzentrationsmaxima an Coffein von 61,8 µmol/l und an Theophyllin von 42,5 µmol/l nach 1,6 bzw. 4,8 Stunden erreicht. Die Elimination erfolgte jeweils mit einer Halbwertszeit von etwa 3 Stunden. Im Urin konnten die applizierten Methylxanthine ebenfalls nachgewiesen werden, nach Applikation von Coffein war Theobromin als Metabolit in hohen Konzentrationen nachweisbar. Nach Aufnahme von Kaffee und Tee durch Hunde konnte in Plasma und Urin Coffein, Theophyllin und Theobromin nachgewiesen werden. Nach Verfütterung von Schokolade wurde im Wesentlichen nur Theobromin gefunden, so daß aus dem Metabolitenmuster der Methylxanthine zum Teil auf das aufgenommene Nahrungsmittel geschlossen werden kann. Um nicht in Konflikt mit geltenden Dopingbestimmungen zu kommen, sollten Hundehalter darauf achten, daß ihre Tiere in den Tagen vor einem Rennen keinen Zugang zu methylxanthinhaltigen Produkten wie Kaffee, Tee und Schokolade haben. / Loeffler, Bernd Matthias Nikolaus Investigations of the pharmacokinetics of caffeine, theophylline and theobromine in the dog. Institute of Pharmacology, Pharmacy and Toxicology of the Veterinary Faculty of the University of Leipzig Leipzig, April 2000 (83 p., 24 fig., 12 tab., 187 ref.) Methylxanthines are often used as stimulants of the central nervous system, of the cardiovascular system and as bronchodilators. Doping samples of racing greyhounds demonstrate that methylxanthines like caffeine, theophylline, and theobromine besides their therapeutic use, are illegally used to strengthen the animals. In this study the pharmacokinetics of caffeine, theophylline and theobromine in dogs were examined. Additionally samples of plasma and urine were taken after application of coffee, tea, and chocolate. After oral application of caffeine and theophylline (10 mg/kg) highest plasma concentrations of caffeine were about 61.8 µmol/l and of theophylline about 42.5 µmol/l after 1.6 and 4.8 hours, respectively. The elimination half-lives for both methylxanthines were 3 hours. The methylxanthines administered could also be detected in the urine, after application of caffeine its metabolite theobromine reached high concentrations. After the administration of coffee and tea to dogs caffeine, theophylline and theobromine can be found in plasma and urine. After the feeding of cocoa products (chocolate) theobromine was the predominant methylxanthine to be analysed. Therefore the quantitative relationship of the various methylxanthine metabolites detected can indicate the origin of the ingested methylxanthines. In order to avoid violation of doping regulations, dog owners should assure that their animals have no access to methylxanthine-containing diets in the days before racing competitions.

Die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf die globale Kaffeeproduktion in einem integriertem Modell war das Ziel dieser Arbeit. Der vorwiegende Teil der globalen Kaffeeproduktion stammt von zwei Arten: dem hitzeempfindlichen Coffea arabica (Arabica) Strauch und vom frostempfindlichen Coffea canephora (Robusta). Eine zunehmende Zahl Studien zeigt, dass der Klimawandel bereits heute die Produktion mindert. Maschinenlernklassifizierung wurde hier genutzt um ein Modell der globalen Klima-Kaffee-Wechselwirkungen zu entwickeln. Zur Integration der modellierten Klimafolgen mit ökonomischen Faktoren war ein detailliertes Wissen über die räumliche Verteilung der Kaffeeproduktion notwendig. Da existierende Datensätze unzureichend waren, wurde ein neuer methodischer Ansatz auf der Grundlage der maschinenlern-basierten Anbaueignungsklassifizierung entwickelt. Diese beiden Schritte waren Voraussetzung für die Inklusion eines Modells des Kaffeesektors in dem räumlich expliziten partiellen Gleichgewichtsmodell Globiom. Auf der Hälfte der heute für den Anbau geeigneten Fläche muss bis 2050 2,5-mal so viel Kaffee produziert werden um die zukünftige Nachfrage zu sättigen. Niedrigere Ernten und höhere Preise werden das Volumen des Kaffeemarktes um über 5 Mio. Tonnen pro Jahr reduzieren. Dieser Verlust entspricht dem Marktvolumen im Modellbasisjahr. Kaffeeproduktion wird zukünftig in höheren Lagen angebaut werden müssen, sofern dort landwirtschaftliche Fläche zur Verfügung steht. Die Produktion wird größtenteils innerhalb der gegenwärtigen Breitengrade bleiben, aber wichtige Produzenten, wie Brasilien und Vietnam werden Probleme haben wettbewerbsfähig zu bleiben mit weniger betroffenen Ländern in Ost-Afrika. Modellunsicherheit auf lokaler Ebene erschwert jedoch die Entwicklung eindeutiger Anpassungsempfehlungen. Es wird also auch in Zukunft Kaffee geben, aber dieser Kaffee wird von geringerer Qualität sein und mehr kosten. / To model the impacts of climate change on global coffee production in an integrated modeling framework was the objective of this thesis. The majority of coffee is produced using either one of two species which form a single market: the heat sensitive Coffea arabica (Arabica) and the cold sensitive Coffea canephora (Robusta). Recently, evidence is increasing that climate change has begun to affect production. Machine learning classification was used to develop a global biophysical impacts model for both coffee species. Integrating these biophysical effects with demand side effects required a detailed understanding of the spatial distribution of coffee production. Because existing datasets were found to be insufficient a novel methodology was developed that built upon the machine learning classification of coffee suitability. These two steps were preconditions to include a model of the coffee sector in the spatially explicit partial equilibrium modeling framework Globiom. On only half the area that is currently available for coffee production by 2050 2.5-times as much coffee will have to be produced to meet future demand. Reduced yields and increased prices were shown to reduce the coffee market by more than 5million tons per year, equivalent to the size of the baseyear market volume. Coffee production will migrate to higher elevations where area is available for agricultural production. Production will remain within current latitudinal ranges but major producers like Brazil and Vietnam will struggle to remain competitive with relatively less affected countries in East Africa. Substantial uncertainty about the impacts on local scale prevails and impedes the development of unambiguous adaptation strategies. Thus, there will be coffee on the table in 2050, but it will be of lower quality and will cost more.

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.

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Zugl.: Regensburg, Universiẗat, Diss., 2009.

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

Kaffee ist seit vielen Jahren das beliebteste Getränk der Deutschen. Im Handel wird Kaffee auf mannigfaltige Art angeboten z.B. als Röstkaffee, Instantkaffee oder auch als Bestandteil von anderen Getränken. Eingesetzt werden fast ausschließlich die Kaffee Arten Coffea arabica und Coffea canephora var. Robusta, dabei wird Arabica Kaffee fast doppelt so teuer gehandelt wie Robusta-Kaffee. Werden Kaffees als „100 % Arabica“ ausgelobt, so sollten auch solche Bohnen zu 100 % enthalten sein. Mit dieser Dissertation ist es gelungen, erstmalig mit einer Schnellmethode Robustazumischungen zu Arabica-Kaffee über die 16 OMC Ester zu bestimmen. Außerdem konnte die Analytik der schwierigen Matrix Instantkaffee wesentlich verbessert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die Veränderungen der Einstellungen an einem Kaffeeautomaten die Cafestolgehalte im Espresso drastisch reduziert werden können und so das Risiko deutlich minimiert wird, an koronaren Herzerkrankungen zu erkranken. Weiterhin wurde die Sterolfraktion von Roh und Röstkaffees untersucht, dabei wurden erstmalig Sterolglucoside für Kaffee beschrieben. In einem weiteren Abschnitt wurden Milchmischgetränke mit Kaffeezusatz untersucht, um den wertgebenden Inhaltsstoff Kaffee zu quantifizieren.