The reactive 1,2-dicarbonyl compound methylglyoxal (MGO) is consumed with food and its concentrations decrease during digestion. In the present paper, the reaction of MGO with creatine, arginine, and lysine during simulated digestion, and its reaction with creatine during the digestion in human volunteers, was studied. Therefore, simulated digestion experiments with a gastric and an intestinal phase were performed. Additionally, an intervention study with 12 subjects consuming MGO-containing Manuka honey and creatine simultaneously or separately was conducted. Derivatization with o-phenylenediamine and HPLC–UV was used to measure MGO, while creatine and glycated amino compounds were analyzed via HPLC–MS/MS. We show that MGO quickly reacts with creatine and arginine, but not lysine, during simulated digestion. Creatine reacts with 56% of MGO to form the hydroimidazolone MG-HCr, and arginine reacted with 4% of MGO to form the hydroimidazolone MG-H1. In the intervention study, urinary MG-HCr excretion is higher in subjects who consumed MGO and creatine simultaneously compared to subjects who ingested the substances separately. This demonstrates that the 1,2-dicarbonyl compound MGO reacts with amino compounds during human digestion, and glycated adducts are formed. These contribute to dietary glycation products consumed, and should be considered in studies investigating their physiological consequences.

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.

Master of Science / Food Science Institute / J. Scott Smith / Carboxymethyllysine (CML) and other advanced glycation end products (AGEs) have been shown to affect diseases such as diabetes, cancer, and Alzheimer’s by inducing oxidative stress, inflammation, and tissue damage. CML is formed in foods through Maillard browning reactions and through various mechanisms that are affected by time, temperature, pH, water activity, trace metals, and antioxidants. Natural antioxidants can be found in plant and fruit extracts, as well as in spices. The research contained herein is in two parts. The first part includes preliminary work, which examines the percent recovery of CML from various solid phase extraction columns, the analysis of CML in maple syrup, barbeque sauce, honey, and infant formula. The data show that solid phase extraction with a C-18 cartridge produced the highest percent recovery when using a CML standard at 100 ppb, with a recovery of 69%. Furthermore, the analysis of the syrups and sauces is inconclusive, due to the very low levels of CML detected in the infant formula, and the complications due to the high levels of reducing sugars. The second part of the research examines the effect that cinnamon, onion, garlic, black pepper, and rosemary have on CML levels in biscuits. The data show that all of the spices inhibit the formation of CML, at each of the 0.5%, 1%, and 2% levels used in the experiment, by a minimum of 3% in 2% onion samples and a maximum of 79% in 0.5% cinnamon samples when looking at the cumulative data. When looking subsets of the data, the CML inhibition was a minimum of 59% in 2% onion samples and a maximum of 74% in 0.5% cinnamon samples. Other trends can be observed in the chroma values in the CML color data, which suggest that chroma values decrease as the spice level increases, but these are not statistically significant. They may be due to color from the spices themselves, or to the chemical changes in the Maillard reaction.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Dresden.

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.

Thermal treatments of dairy products favor oxidations, Maillard reactions, and the formation of sugar or lipid oxidation products. Additives including flavorings might enhance these reactions or even induce further reactions. Here we aimed to characterize protein modifications in four flavored milk drinks using samples along the production chain—raw milk, pasteurization, mixing with flavorings, heat treatment, and the commercial product. Therefore, milk samples were analyzed using a bottom up proteomics approach and a combination of data-independent (MSE) and data-dependent acquisition methods (DDA). Twenty-one small carbonylated lipids were identified by shotgun lipidomics triggering 13 protein modifications. Additionally, two Amadori products, 12 advanced glycation end products (AGEs), and 12 oxidation-related modifications were targeted at the protein level. The most common modifications were lactosylation, formylation, and carboxymethylation. The numbers and distribution of modification sites present in raw milk remained stable after pasteurization and mixing with flavorings, while the final heat treatment significantly increased lactosylation and hexosylation in qualitative and quantitative terms. The processing steps did not significantly affect the numbers of AGE-modified, oxidized/carbonylated, and lipid-carbonylated sites in proteins.

Furosin entsteht bei der Salzsäurehydrolyse aus den Amadori-Produkten des Lysins und wird als Marker für den Fortschritt der frühen Maillard-Reaktion, zur Beurteilung von lebensmitteltechnologischen Prozessen sowie zur Berechnung des verfügbaren und des nicht verfügbaren Lysins in Lebensmitteln verwendet. Für die Nutzung von Furosin als Qualitätsparameter ist die reproduzierbare und konstante Bildung während der Salzsäurehydrolyse entscheidend. Dies wird in der Literatur jedoch kontrovers diskutiert. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit galt es deshalb, die molaren Ausbeuten an Furosin und den weiteren Hydrolyseprodukten Lysin, Pyridosin und N[epsilon]-Carboxymethyl-lysin zu bestimmen und damit eine sichere Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen. Dazu wurden peptid-gebundene Amadori-Produkte des N[alpha]-Hippuryl-lysins in chromatographisch reiner Form dargestellt. Weiterhin wurden N[alpha]-Hippuryl-N[epsilon]-carboxymethyl-lysin und Pyridosin als Standard gewonnen. Bei den Hydrolyseexperimenten zeigten die Fructosyl-Amadori-Produkte ein ähnliches Verhalten. Nach Hydrolyse mit 6M Salzsäure wurden molare Ausbeuten an Furosin von 32% für Fructosyl-lysin und jeweils 34% für Lactulosyl- und Maltulosyl-lysin bestimmt. Signifikant höhere Ausbeuten an Furosin waren nach Hydrolyse mit 8M Salzsäure festzustellen, 46% für Fructosyl-lysin, 50% für Lactulosyl-lysin und 51% für Maltulosyl-lysin. Im Gegensatz zu den Fructosyl-Derivaten war die molare Ausbeute an Furosin bei Tagatosyl-lysin unabhängig von der verwendeten Salzsäurekonzentration (6 bis 8M) und wurde zu 42% bestimmt. Anhand der auf Basis der molaren Ausbeuten ermittelten Überführungsfaktoren kann nun erstmals die Lysin-Derivatisierung mittels der Analytik von Furosin sicher bestimmt werden. Das ermöglicht exakte Aussagen zum Fortschritt nichtenzymatischer Glykierungsreaktionen sowohl in Lebensmittel als auch in vivo. Aufgrund der Relevanz für biologische Systeme und für Lebensmittel wurden weiterhin Reaktionen von alpha-Dicarbonylverbindungen mit kurzkettigen Peptiden und dem Protein Insulin unter physiologischen Bedingungen (pH=7,4 und 37°C) untersucht. Bei der Reaktion von Glyoxal mit ausgewählten Tripeptiden wurde eine sehr schnelle Derivatisierung der Peptide und jeweils die gleichzeitige Bildung eines definierten Produktes festgestellt. Mittels nuklearmagnetischer Resonanzspektroskopie und massenspektroskopischer Analyse konnten die Produkte zweifelsfrei, jeweils als die am N-Terminus durch einen 2(1H)-Pyrazinon-Ring modifizierten Peptide, aufgeklärt werden. Das Hauptprodukt der Reaktion von Methylglyoxal mit dem Peptid Gly-Ala-Phe wurde ebenfalls als 2(1H)-Pyrazinon-Peptid aufgeklärt. Nach Inkubation von Insulin mit Glyoxal unter physiologischen Bedingungen in verdünnter Lösung konnte weiterhin gezeigt werden, dass die 2(1H)-Pyrazinon-Bildung ebenfalls an einem Protein erfolgt. Die identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinone weisen charakteristische UV-Absorptions- sowie Fluoreszenz-Spektren auf. Um die Reaktivität des N-Terminus und damit die Bedeutung der 2(1H)-Pyrazinon-Bildung beurteilen zu können, wurden vergleichende Studien mit dem als Hauptreaktionspartner für alpha-Dicarbonylverbindungen angesehenen Arginin durchgeführt. Bei diesen Experimenten zeigte der N-Terminus und peptidgebundenes Arginin eine nahezu identische Reaktivität. Auf Grund dieser Ergebnisse ist fest davon auszugehen, dass es sich bei den identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinonen um eine neue Klasse von sogenannten Advanced Glycation Endproducts (AGEs) mit Bedeutung in physiologischen Systemen und in Lebensmitteln handelt.

Furosin entsteht bei der Salzsäurehydrolyse aus den Amadori-Produkten des Lysins und wird als Marker für den Fortschritt der frühen Maillard-Reaktion, zur Beurteilung von lebensmitteltechnologischen Prozessen sowie zur Berechnung des verfügbaren und des nicht verfügbaren Lysins in Lebensmitteln verwendet. Für die Nutzung von Furosin als Qualitätsparameter ist die reproduzierbare und konstante Bildung während der Salzsäurehydrolyse entscheidend. Dies wird in der Literatur jedoch kontrovers diskutiert. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit galt es deshalb, die molaren Ausbeuten an Furosin und den weiteren Hydrolyseprodukten Lysin, Pyridosin und N[epsilon]-Carboxymethyl-lysin zu bestimmen und damit eine sichere Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen. Dazu wurden peptid-gebundene Amadori-Produkte des N[alpha]-Hippuryl-lysins in chromatographisch reiner Form dargestellt. Weiterhin wurden N[alpha]-Hippuryl-N[epsilon]-carboxymethyl-lysin und Pyridosin als Standard gewonnen. Bei den Hydrolyseexperimenten zeigten die Fructosyl-Amadori-Produkte ein ähnliches Verhalten. Nach Hydrolyse mit 6M Salzsäure wurden molare Ausbeuten an Furosin von 32% für Fructosyl-lysin und jeweils 34% für Lactulosyl- und Maltulosyl-lysin bestimmt. Signifikant höhere Ausbeuten an Furosin waren nach Hydrolyse mit 8M Salzsäure festzustellen, 46% für Fructosyl-lysin, 50% für Lactulosyl-lysin und 51% für Maltulosyl-lysin. Im Gegensatz zu den Fructosyl-Derivaten war die molare Ausbeute an Furosin bei Tagatosyl-lysin unabhängig von der verwendeten Salzsäurekonzentration (6 bis 8M) und wurde zu 42% bestimmt. Anhand der auf Basis der molaren Ausbeuten ermittelten Überführungsfaktoren kann nun erstmals die Lysin-Derivatisierung mittels der Analytik von Furosin sicher bestimmt werden. Das ermöglicht exakte Aussagen zum Fortschritt nichtenzymatischer Glykierungsreaktionen sowohl in Lebensmittel als auch in vivo. Aufgrund der Relevanz für biologische Systeme und für Lebensmittel wurden weiterhin Reaktionen von alpha-Dicarbonylverbindungen mit kurzkettigen Peptiden und dem Protein Insulin unter physiologischen Bedingungen (pH=7,4 und 37°C) untersucht. Bei der Reaktion von Glyoxal mit ausgewählten Tripeptiden wurde eine sehr schnelle Derivatisierung der Peptide und jeweils die gleichzeitige Bildung eines definierten Produktes festgestellt. Mittels nuklearmagnetischer Resonanzspektroskopie und massenspektroskopischer Analyse konnten die Produkte zweifelsfrei, jeweils als die am N-Terminus durch einen 2(1H)-Pyrazinon-Ring modifizierten Peptide, aufgeklärt werden. Das Hauptprodukt der Reaktion von Methylglyoxal mit dem Peptid Gly-Ala-Phe wurde ebenfalls als 2(1H)-Pyrazinon-Peptid aufgeklärt. Nach Inkubation von Insulin mit Glyoxal unter physiologischen Bedingungen in verdünnter Lösung konnte weiterhin gezeigt werden, dass die 2(1H)-Pyrazinon-Bildung ebenfalls an einem Protein erfolgt. Die identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinone weisen charakteristische UV-Absorptions- sowie Fluoreszenz-Spektren auf. Um die Reaktivität des N-Terminus und damit die Bedeutung der 2(1H)-Pyrazinon-Bildung beurteilen zu können, wurden vergleichende Studien mit dem als Hauptreaktionspartner für alpha-Dicarbonylverbindungen angesehenen Arginin durchgeführt. Bei diesen Experimenten zeigte der N-Terminus und peptidgebundenes Arginin eine nahezu identische Reaktivität. Auf Grund dieser Ergebnisse ist fest davon auszugehen, dass es sich bei den identifizierten N-terminalen 2(1H)-Pyrazinonen um eine neue Klasse von sogenannten Advanced Glycation Endproducts (AGEs) mit Bedeutung in physiologischen Systemen und in Lebensmitteln handelt.

Die Maillard-Reaktion und ihre Produkte (MRPs) sind aus der Lebensmittelchemie bekannt. Der Nachweis der Derivate in physiologischen Medien und die Beobachtung erhöhter Gehalte im Zusammenhang mit Alterungsgeschehen und Stoffwechselerkrankungen führte zur Diskussion möglicher pathophysiologischer Konsequenzen in vivo. Auf diesem Hintergrund stellt sich die Frage nach der Relevanz der täglichen Nahrung als MRP-Quelle. Grundlage zur Beurteilung sind quantitative Daten zum Vorkommen der Verbindungen in Lebensmitteln. Heterogenität und Vielzahl der Produkte machen die Betrachtung individueller und die Berücksichtigung noch unbekannter Derivate notwendig. Durch Bestimmung von Lysin, dem Amadori-Produkt (AP) Ne-Desoxylactulosyl-1-lysin, Pyrralin, Ne-Carboxymethyllysin (CML), Glyoxal- und Methylglyoxal-Lysin-Dimer (GOLD, MOLD) und 2-Amino-6-(3-hydroxy-2-methyl-4-oxo-4H-pyridin-1-yl)-hexansäure (Maltosin) in verschiedenen Milchprodukten konnte gezeigt werden, dass AP das Hauptprodukt der Lysinderivatisierung in diesen Proben darstellt. CML und Pyrralin gewannen mit zunehmender Erhitzung an Bedeutung, wobei Pyrralin auch in den stark thermisch behandelten Proben nur in relativ geringen Mengen gebildet wird. GOLD und MOLD waren nicht nachweisbar. Mit den erfassten Derivaten konnte nur ein Teil, 40-50 % in flüssigen Proben, der Lysinmodifizierung erklärt werden. Es kommt demnach in erheblichem Maße zur Bildung weiterer in Nahrungsmitteln noch nicht erfasster Derivate. Das hier erstmals in Lebensmitteln quantifizierte Maltosin leistet keinen relevanten Beitrag zur weiteren Aufklärung der Lysinmodifizierung, da es erst in sehr stark erhitzten Produkten und in deutlich geringeren Mengen als Pyrralin entsteht. Zur Beurteilung der ernährungsphysiologischen Relevanz alimentärer MRPs sind neben der zugeführten Menge deren Resorbierbarkeit und Elimination aus dem Körper von Interesse. Anhand der renalen Exkretion definierter Lysinderivate in Abhängigkeit von der nahrungsbedingten Zufuhr sollten Aussagen zu deren metabolischem Transit getroffen werden. Es wurde eine Ernährungsstudie durchgeführt, in der die Probanden zunächst auf MRP-haltige Lebensmittel verzichteten, dann, bis auf eine Kontrollgruppe, Mahlzeiten mit bekannten Gehalten verzehrten und im Anschluss wieder MRPfrei lebten. Die 24h-Urinproben der Teilnehmer wurden hinsichtlich der Gehalte an freiem AP, Pyrralin, CML und Pentosidin untersucht. Die Gehalte lagen für AP, Pyrralin und CML in der Größenordnung weniger mg pro Tag, für Pentosidin dagegen nur bei wenigen µg pro Tag. Der Verzicht auf MRP-haltige Nahrung führte innerhalb von 48 bis 72 h zum Absinken der Gehalte auf ein Basislevel. Es zeigte sich, dass mehr als 85 % des AP, ca. 90 % des Pyrralins aber nur 30 bis 40 % des Pentosidins im Urin aus alimentären Quellen stammen. AP, Pyrralin und Pentosidin werden demnach grundsätzlich aus der Nahrung resorbiert und über die Nieren eliminiert. Im Gegensatz zu Literaturberichten waren die im Urin messbaren CML-Gehalte durch die MRP-freie Diät nicht beeinflussbar, was auf eine geringe oder fehlende proteolytische Freisetzung und/oder schlechtere Resorbierbarkeit der Verbindung hindeutet. Nach Verzehr definierter MRP-Mengen zeigten sich stark unterschiedliche Wiederfindungen. Während freies Pentosidin und proteingebundenes Pyrralin nahezu vollständig bzw. zum überwiegenden Teil (50 bis 60 %) über den Urin eliminiert werden, trifft dies nur auf einen geringen Prozentsatz des proteingebundenen Pentosidins (2 %) und des AP (<3 %) zu. Eine ernährungsphysiologische Beurteilung kann demnach nur nach Kenntnis der im Lebensmittel enthaltenen Derivate und deren individuellen metabolischen Transits erfolgen. Ausgehend von der vorliegenden Arbeit und der Literatur ist das von der Nahrung ausgehende Gefährdungspotential als gering anzusehen. Zu berücksichtigen bleibt, dass ein großer Teil der MRPs noch immer unbekannt ist, ernährungsphysiologische Konsequenzen damit nicht abschließend einzuschätzen sind.