INTRODUÇÃO Produtos intermediários da reação de Maillard e da peroxidação, como os compostos dicarbonílicos, reagem facilmente com grupamentos aminas de proteínas e ácidos nucléicos levando a modificações biológicas que podem resultar em patologias observadas no diabetes, aterosclerose e doenças neurodegenerativas. O consumo de Produtos da Reação de Maillard (PRM) aumentou nas últimas décadas e há evidências de que estas substâncias são absorvidas e podem tomar parte em processos patológicos, embora ainda não haja consenso sobre os possíveis efeitos deletério à saúde a partir do aumento de sua ingestão. Ressalta-se a necessidade de estimar o consumo destes PRMs a partir de dados sobre os conteúdos e a ingestão habitual do alimento em questão como cereais matinais e café. Objetivos: a) validar metodologia para quantificar indicadores da reação de Maillard: hidroximetilfurfural (HMF), furosina (FUR), carboximetilisina (CML) e Compostos Intermediários Fluorescentes (CIF) em cereais matinais (flocos e granola) e café; b) avaliar se há diferenças nos teores desses compostos nas diferentes marcas destes produtos comercializados em São Paulo; METODOLOGIA: Foram analisados dois lotes de três marcas de cereais do tipo flocos, três marcas de cereais do tipo granola e cinco marcas de café presentes em 100 por cento dos hipermercados visitados no município de São Paulo. A validação da metodologia para quantificação, empregando HPLC, consistiu no cálculo da exatidão (recuperação), repetibilidade e sensibilidade para os compostos: HMF e FUR. Foram determinados os teores de CIF por espectrofotometria de fluorescência e os teores de CML por teste imunoenzimático. RESULTADOS: Os métodos de determinação de FUR e HMF foram validados conforme o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e 9 Qualidade Industrial (INMETRO). O teor médio de CIF livre e total foram maiores para as amostras de café, com média de 232CIF/mg e 765CIF/mg respectivamente. Não houve diferença (p>0,05) no teor de CIF livre e total entre os flocos F1 e F2. O mesmo foi observado para a granola marcas. G1, G2 e G3 A granola foi o produto com maior teor médio de HMF (67,5mg/Kg) e furosina (301mg/100g de proteína). A FUR não foi detectado nas amostras de café. Todas as marcas dos alimentos estudados para os indicadores HMF e FUR apresentaram diferença estatisticamente significativa (p<0,05). O café apresentou maior teor médio de CML (1823,5ng/mg de proteína), sem diferença entre as marcas (p>0,05) CONCLUSÕES: Os cereais do tipo flocos contribuem para maior ingestão de PRMs da fase inicial da reação de Maillard (RM), a granola contribui para maior ingestão de PRMs da fase intermediária da RM e o café contribui de forma significativa para maior ingestão de PRMs da fase avançada da RM. O café, por ser submetido a tratamento térmico mais severo apresenta maior concentração de PRMs da fase avançada da reação / INTRODUCTION Maillard reaction products and lipid peroxidation, such as dicarbonyl compounds easily react with amino groups of proteins and nucleic acids leading to biological changes that can result in complications in diseases such as diabetes, atherosclerosis and neurodegenerative. The consumption of Maillard Reaction Products (MRP) has increased in recent decades and there is evidence that these substances are absorbed and can participate in pathological processes, although there is no consensus about the possible harmful health effects from their intake. We highlight the need to identify the consumption of MRP, mainly in vulnerable populations like children and diabetics, in order to establish acceptable daily intakes and guidelines for the food industry. OBJECTIVES: a) validate the methodology to measure indicators of the Maillard reaction: hydroxymethylfurfural (HMF), Furosine (RUF) carboxymethylysine (CML) and fluorescent intermediate compounds (FIC) in breakfast cereals (corn flakes and granola) and coffee, b) to evaluate if there are differences in the levels of these compounds contents among brands commercialized in São Paulo METHODS: two lots of 3 brands of flakes cereal, 3 brands of granola and 5 coffee brands present in 100 per cent of supermarkets visited in the city Sao Paulo were analyzed. HPLC methodology validation was assessed by determining accuracy (recovery), repeatability, and sensibility (linearity, limits of detection and quantitation) for the compounds: HMF and FUR. The contents of the Fluorescent Intermediary compounds (FIC) was measured by spectrophotometric method and the levels of CML by ELISA. RESULTS: Calibration curves determination coefficient (r 2) were higher than 0,99 for all compounds. Recovery ranged from 84 to 110 per cent and repeatability average was 3,5 per cent. The average content of free and total FIC was higher for coffee 232CIF/mg and 765CIF/mg respectively. The brands of granola and flakes was similar but just brands F1 and F2 was similar between brands (p<0,05). For HMF the higher values were for granola 67,5mg/kg. The presence of dried fruit in these grains may 11 have contributed significantly to the higher rate of this indicator. For indicator FUR average was higher in granola samples (301mg/100g of protein) and it was not possible to quantify the levels of FUR for coffee. All brands analyzed for HMF and FUR was similar (p<0,05). CML average was higher for coffee (1823,5ng/mg of protein). The brands analyzed was similar for all samples (p <0.05). CONCLUSIONS: Flakes contribute to higher intake of MRPs from early stage of the Maillard reaction (MR), the granola contributes to higher intake of MRPs from intermediate phase of MR and coffee contributes significantly to higher intake of final MRPs. Data suggest that coffee has more severe thermal treatment causing a higher concentration of MRPs from the final phase of the MR

INTRODUÇÃO Produtos intermediários da reação de Maillard e da peroxidação, como os compostos dicarbonílicos, reagem facilmente com grupamentos aminas de proteínas e ácidos nucléicos levando a modificações biológicas que podem resultar em patologias observadas no diabetes, aterosclerose e doenças neurodegenerativas. O consumo de Produtos da Reação de Maillard (PRM) aumentou nas últimas décadas e há evidências de que estas substâncias são absorvidas e podem tomar parte em processos patológicos, embora ainda não haja consenso sobre os possíveis efeitos deletério à saúde a partir do aumento de sua ingestão. Ressalta-se a necessidade de estimar o consumo destes PRMs a partir de dados sobre os conteúdos e a ingestão habitual do alimento em questão como cereais matinais e café. Objetivos: a) validar metodologia para quantificar indicadores da reação de Maillard: hidroximetilfurfural (HMF), furosina (FUR), carboximetilisina (CML) e Compostos Intermediários Fluorescentes (CIF) em cereais matinais (flocos e granola) e café; b) avaliar se há diferenças nos teores desses compostos nas diferentes marcas destes produtos comercializados em São Paulo; METODOLOGIA: Foram analisados dois lotes de três marcas de cereais do tipo flocos, três marcas de cereais do tipo granola e cinco marcas de café presentes em 100 por cento dos hipermercados visitados no município de São Paulo. A validação da metodologia para quantificação, empregando HPLC, consistiu no cálculo da exatidão (recuperação), repetibilidade e sensibilidade para os compostos: HMF e FUR. Foram determinados os teores de CIF por espectrofotometria de fluorescência e os teores de CML por teste imunoenzimático. RESULTADOS: Os métodos de determinação de FUR e HMF foram validados conforme o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e 9 Qualidade Industrial (INMETRO). O teor médio de CIF livre e total foram maiores para as amostras de café, com média de 232CIF/mg e 765CIF/mg respectivamente. Não houve diferença (p>0,05) no teor de CIF livre e total entre os flocos F1 e F2. O mesmo foi observado para a granola marcas. G1, G2 e G3 A granola foi o produto com maior teor médio de HMF (67,5mg/Kg) e furosina (301mg/100g de proteína). A FUR não foi detectado nas amostras de café. Todas as marcas dos alimentos estudados para os indicadores HMF e FUR apresentaram diferença estatisticamente significativa (p<0,05). O café apresentou maior teor médio de CML (1823,5ng/mg de proteína), sem diferença entre as marcas (p>0,05) CONCLUSÕES: Os cereais do tipo flocos contribuem para maior ingestão de PRMs da fase inicial da reação de Maillard (RM), a granola contribui para maior ingestão de PRMs da fase intermediária da RM e o café contribui de forma significativa para maior ingestão de PRMs da fase avançada da RM. O café, por ser submetido a tratamento térmico mais severo apresenta maior concentração de PRMs da fase avançada da reação / INTRODUCTION Maillard reaction products and lipid peroxidation, such as dicarbonyl compounds easily react with amino groups of proteins and nucleic acids leading to biological changes that can result in complications in diseases such as diabetes, atherosclerosis and neurodegenerative. The consumption of Maillard Reaction Products (MRP) has increased in recent decades and there is evidence that these substances are absorbed and can participate in pathological processes, although there is no consensus about the possible harmful health effects from their intake. We highlight the need to identify the consumption of MRP, mainly in vulnerable populations like children and diabetics, in order to establish acceptable daily intakes and guidelines for the food industry. OBJECTIVES: a) validate the methodology to measure indicators of the Maillard reaction: hydroxymethylfurfural (HMF), Furosine (RUF) carboxymethylysine (CML) and fluorescent intermediate compounds (FIC) in breakfast cereals (corn flakes and granola) and coffee, b) to evaluate if there are differences in the levels of these compounds contents among brands commercialized in São Paulo METHODS: two lots of 3 brands of flakes cereal, 3 brands of granola and 5 coffee brands present in 100 per cent of supermarkets visited in the city Sao Paulo were analyzed. HPLC methodology validation was assessed by determining accuracy (recovery), repeatability, and sensibility (linearity, limits of detection and quantitation) for the compounds: HMF and FUR. The contents of the Fluorescent Intermediary compounds (FIC) was measured by spectrophotometric method and the levels of CML by ELISA. RESULTS: Calibration curves determination coefficient (r 2) were higher than 0,99 for all compounds. Recovery ranged from 84 to 110 per cent and repeatability average was 3,5 per cent. The average content of free and total FIC was higher for coffee 232CIF/mg and 765CIF/mg respectively. The brands of granola and flakes was similar but just brands F1 and F2 was similar between brands (p<0,05). For HMF the higher values were for granola 67,5mg/kg. The presence of dried fruit in these grains may 11 have contributed significantly to the higher rate of this indicator. For indicator FUR average was higher in granola samples (301mg/100g of protein) and it was not possible to quantify the levels of FUR for coffee. All brands analyzed for HMF and FUR was similar (p<0,05). CML average was higher for coffee (1823,5ng/mg of protein). The brands analyzed was similar for all samples (p <0.05). CONCLUSIONS: Flakes contribute to higher intake of MRPs from early stage of the Maillard reaction (MR), the granola contributes to higher intake of MRPs from intermediate phase of MR and coffee contributes significantly to higher intake of final MRPs. Data suggest that coffee has more severe thermal treatment causing a higher concentration of MRPs from the final phase of the MR

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.

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.]

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.

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.

Zahlreiche Studien belegen, dass Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) in vivo einen Einfluss auf den physiologischen Metallionenhaushalt haben können. Da bisher noch keine Korrelation zwischen dem Entstehen von definierten MRP und einem erhöhten Metallionenbindungsvermögen ermittelt werden konnte, war es das Ziel dieser Arbeit, die Komplexbildungseigenschaften der ausgewählten MRP Nε-Carboxymethyllysin, Isomaltol und Maltosin sowie deren Strukturanaloga Maltol, Deferipron, Mimosin und Pyridosin mit den physiologisch relevanten Metallionen Cu(II), Zn(II), Fe(III), Al(III) und Mn(II) zu untersuchen. Dazu wurden die MRP Nε-Carboxymethyllysin und Maltosin sowie die parallel untersuchten Substanzen Pyridosin, Maltosin-3-benzylether, Nα-Hippuryl- und Nα-Acetylmaltosin in ausreichender Menge und Reinheit synthetisiert. Dabei gelang es, für Maltosin und Pyridosin neue und effiziente Synthesewege zu entwickeln, bei welchen zum ersten Mal beide Substanzen gezielt aufgebaut wurden. Die Komplexbildungskonstanten der Liganden mit den Metallionen wurden pH-potentiometrisch bestimmt (I[KNO3] = 0,15 M; θ = 25 °C). Durch die Auswertung der Protonierungskonstanten der gebildeten Komplexe und das Vermessen geeigneter Derivate konnten für die untersuchten Komplexe zusätzlich die Koordinationsstellen der Liganden aufgeklärt werden. Die Untersuchungen zu den Komplexbildungseigenschaften bestätigten erstmals die Vermutung, dass MRP in der Lage sind, Metallionen zu binden. Dabei wurde weiterhin ermittelt, dass die Bindung von Cu(II) durch Nε-Carboxymethyllysin und von Fe(III), Al(III) und Cu(II) durch Maltosin durchaus von physiologischer Relevanz sind. Die Bedeutung der Ergebnisse wurde qualitativ durch Versuche mit Maltosin-derivatisiertem Rinderserumalbumin unterstrichen. Als besonderes Ergebnis der Arbeit ist herauszustellen, dass das MRP Maltosin und die Verbindung Pyridosin deutlich stabilere Komplexe mit Fe(III) bilden als das zur Fe(III)-Chelattherapie eingesetzte Medikament Deferipron. Diese festgestellte Eigenschaft bietet interessante Perspektiven für zukünftige Studien zur möglichen Anwendung von z. B. Maltosin als Pharmakon. / Several studies show that Maillard reaction products (MRP) may influence the physiological metal ion balance. But none of these studies prove a correlation between the formation of defined MRP and an enhanced metal ion binding. Therefore it was the aim of this work to investigate the complex formation characteristics of the selected MRP Nε-carboxymethyllysine, isomaltol and maltosine as well as the structural analogues maltol, deferiprone, mimosine and pyridosine with the physiological relevant metal ions Cu(II), Zn(II), Fe(III), Al(III) and Mn(II). For that purpose the MRP Nε-carboxymethyllysine and maltosine plus the parallel analysed substances pyridosine, maltosine-3-benzylether, Nα-hippuryl- and Nα-acetylmaltosine were synthesised. Thereby new and efficient syntheses for maltosine and pyridosine were developed. The stability constants of the ligands with the metal ions were determined by pH-potentiometry (I(KNO3) = 0,15 M; θ = 25 °C). Furthermore the donor atoms within the formed complexes were determined by the evaluation of the protonation constants of the formed complexes and by the analysis of adequate derivatives. The studies to the complex formation characteristics confirm for the first time the assumption, that MRP are able to form stable complexes with metal ions. Withal it was ascertained that the coordination of Cu(II) by Nε-carboxymethyllysine and of Fe(III), Al(III) and Cu(II) by maltosine may be of physiological relevance. The significance of the results was pointed out by experiments with maltosine derivatised bovine serum albumine. The fact that the MRP maltosine and the compound pyridosine form more stable complexes with Fe(III) as the medicament for the Fe(III) chelate therapy deferiprone is a particular result of this work. This property affords interesting perspectives for future studies about a possible appliance of e.g. maltosine as pharmaceutical.

Zahlreiche Studien belegen, dass Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) in vivo einen Einfluss auf den physiologischen Metallionenhaushalt haben können. Da bisher noch keine Korrelation zwischen dem Entstehen von definierten MRP und einem erhöhten Metallionenbindungsvermögen ermittelt werden konnte, war es das Ziel dieser Arbeit, die Komplexbildungseigenschaften der ausgewählten MRP Nε-Carboxymethyllysin, Isomaltol und Maltosin sowie deren Strukturanaloga Maltol, Deferipron, Mimosin und Pyridosin mit den physiologisch relevanten Metallionen Cu(II), Zn(II), Fe(III), Al(III) und Mn(II) zu untersuchen. Dazu wurden die MRP Nε-Carboxymethyllysin und Maltosin sowie die parallel untersuchten Substanzen Pyridosin, Maltosin-3-benzylether, Nα-Hippuryl- und Nα-Acetylmaltosin in ausreichender Menge und Reinheit synthetisiert. Dabei gelang es, für Maltosin und Pyridosin neue und effiziente Synthesewege zu entwickeln, bei welchen zum ersten Mal beide Substanzen gezielt aufgebaut wurden. Die Komplexbildungskonstanten der Liganden mit den Metallionen wurden pH-potentiometrisch bestimmt (I[KNO3] = 0,15 M; θ = 25 °C). Durch die Auswertung der Protonierungskonstanten der gebildeten Komplexe und das Vermessen geeigneter Derivate konnten für die untersuchten Komplexe zusätzlich die Koordinationsstellen der Liganden aufgeklärt werden. Die Untersuchungen zu den Komplexbildungseigenschaften bestätigten erstmals die Vermutung, dass MRP in der Lage sind, Metallionen zu binden. Dabei wurde weiterhin ermittelt, dass die Bindung von Cu(II) durch Nε-Carboxymethyllysin und von Fe(III), Al(III) und Cu(II) durch Maltosin durchaus von physiologischer Relevanz sind. Die Bedeutung der Ergebnisse wurde qualitativ durch Versuche mit Maltosin-derivatisiertem Rinderserumalbumin unterstrichen. Als besonderes Ergebnis der Arbeit ist herauszustellen, dass das MRP Maltosin und die Verbindung Pyridosin deutlich stabilere Komplexe mit Fe(III) bilden als das zur Fe(III)-Chelattherapie eingesetzte Medikament Deferipron. Diese festgestellte Eigenschaft bietet interessante Perspektiven für zukünftige Studien zur möglichen Anwendung von z. B. Maltosin als Pharmakon. / Several studies show that Maillard reaction products (MRP) may influence the physiological metal ion balance. But none of these studies prove a correlation between the formation of defined MRP and an enhanced metal ion binding. Therefore it was the aim of this work to investigate the complex formation characteristics of the selected MRP Nε-carboxymethyllysine, isomaltol and maltosine as well as the structural analogues maltol, deferiprone, mimosine and pyridosine with the physiological relevant metal ions Cu(II), Zn(II), Fe(III), Al(III) and Mn(II). For that purpose the MRP Nε-carboxymethyllysine and maltosine plus the parallel analysed substances pyridosine, maltosine-3-benzylether, Nα-hippuryl- and Nα-acetylmaltosine were synthesised. Thereby new and efficient syntheses for maltosine and pyridosine were developed. The stability constants of the ligands with the metal ions were determined by pH-potentiometry (I(KNO3) = 0,15 M; θ = 25 °C). Furthermore the donor atoms within the formed complexes were determined by the evaluation of the protonation constants of the formed complexes and by the analysis of adequate derivatives. The studies to the complex formation characteristics confirm for the first time the assumption, that MRP are able to form stable complexes with metal ions. Withal it was ascertained that the coordination of Cu(II) by Nε-carboxymethyllysine and of Fe(III), Al(III) and Cu(II) by maltosine may be of physiological relevance. The significance of the results was pointed out by experiments with maltosine derivatised bovine serum albumine. The fact that the MRP maltosine and the compound pyridosine form more stable complexes with Fe(III) as the medicament for the Fe(III) chelate therapy deferiprone is a particular result of this work. This property affords interesting perspectives for future studies about a possible appliance of e.g. maltosine as pharmaceutical.

The Maillard reaction products (MRPs) 3-deoxyglucosone (3-DG) and 5-hydroxymethylfurfural (HMF), which are formed during the thermal processing and storage of food, come into contact with technologically used yeasts during the fermentation of beer and wine. In order for the yeast cells to work efficiently, handling of the stress-inducing carbonyl compounds is essential. In the present study, the utilization of 3-DG and HMF by 13 Saccharomyces yeast strains (7 brewer’s yeast strains, 1 wine yeast strain, 6 yeast strains isolated from natural habitats) was investigated. All yeast strains studied were able to metabolize 3-DG and HMF. 3-DG is mainly reduced to 3-deoxyfructose (3-DF) and HMF is completely converted to 2,5-bishydroxymethylfuran (BHMF) and 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA). The ratio of conversion of HMF to BHMF and FFCA was found to be yeast strain-specific and no differences in the HMF stress tolerance of the yeast strains and species were observed. After incubation with 3-DG, varying amounts of intra- and extracellular 3-DF were found, pointing to a faster transport of 3-DG into the cells in the case of brewer’s yeast strains. Furthermore, the brewer’s yeast strains showed a significantly higher 3-DG stress resistance than the investigated yeast strains isolated from natural habitats. Thus, it can be shown for the first time that Saccharomyces yeast strains differ in their interaction of 3-DG induced carbonyl stress.