Isotope labelling technique in conjunction with pyrolysis Gas Chromatography/Mass Spectrometry (Py-GC/MS) was utilized to conduct an in-depth investigation into the formation of lysine specific products in the Maillard reaction. Following the pyrolysis of the lysine/glucose models including their labelled counterparts for 20s at 250°C and extensive data analysis it was concluded that lysine can generate piperidine, a reactive secondary amine capable of undergoing Maillard type interactions. The formation of piperidine has been postulated to follow two pathways depending on whether lysine pyrolysis is conducted in the presence or absence of sugars. In the presence of glucose, lysine similar to asparagine and phenylalanine can undergo carbonyl-assisted decarboxylative-deamination reaction to generate Nε-pent-4-ene-1-amine, which is the counterpart of acrylamide - a known food toxicant. Nε-pent-4-ene-1-amine has been shown to cyclize into piperidine. Specifically labelled precursors such as [15N-α]lysine.2HCl, [15N-ε]lysine.2HCl, [U-13C6]lysine.2HCl, [13C-6]lysine.2HCl and [U-13C6]glucose were used to confirm the potential adducts of Nε-pent-4-ene-1-amine and piperidine in the model systems which lead to the characterization of two piperidine and one Nε-pent-4-ene-1-amine derivatives. Products simultaneously possessing Nε nitrogen atom and five carbon atoms from lysine (C2' to C6') in addition to either 3 or 6 glucose carbon atoms were targeted for this analysis. The mechanism of formation of the two piperidine derivatives involved the chemical activation of piperidine with formaldehyde followed by aldol addition. The reactivity of piperidine was further demonstrated through detection of various pyridine derivatives postulated to be formed after oxidation reactions. During the course of this study it was also observed that in the presence of lysine, the glucose moiety was converted into 5-hydroxymethyl-furfural (HMF) and 5-methylfurfural (MF). Analyses of HMF/lysine and glucose/lysine models using high resolution TOF-MS/MS and Py-GS/MS have indicated the formation of Schiff base adducts of HMF with Nε-pent-4-ene-1-amine and piperidine, respectively. The latter being a secondary amine was shown to undergo further stabilization through a vinylogous Amadori rearrangement (vAR) process. Reaction models consisting of HMF with primary and secondary amino acids such as glycine and proline, further confirmed the observed trend that primary amines generated Schiff base adducts and secondary amines resulted in the formation of covalent adducts through vAR. In the absence of amino acids, HMF was discovered to form a dimer through a newly proposed mechanism. The subsequent degradation of the HMF dimer was shown to generate MF and 2,5-furandicarboxaldehyde (FDA), important sugar-specific furans. Furthermore, HMF was shown to form glycosidic linkages with glucose and undergo chain elongation reactions. In addition, reaction of lysine with sugars other than glucose was also explored using ribose/lysine models. These models led to the discovery of furfurylamine, a ribose-specific reactive intermediate whose furfuryl-pyrrole derivatives have been detected in a number of different foods as aroma compounds. The furfuryl-pyrroles were also detected in the model systems generating furfurylamine such as ribose/lysine and in various roasted coffee beans. The formation mechanism of furfuryl-pyrroles was postulated to involve a double adduct of furfurylamine with 3-deoxyribose which was characterized using isotope labelling techniques. / La formation des produits dérivés de la lysine lors de la réaction de Maillard est analysée par l'entremise d'une technique utilisant des traceurs isotopique en combinaison avec la pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse (Py-CG/SM). En étudiant la pyrolyse de différents modèles de lysine/glucose ainsi que celle de leur traceurs isotopiques pendant 20s à 250°C, il appert que la lysine peut générer de la pipéridine, un aminé secondaire très réactif pouvant aussi participer à des interactions de type Maillard. Deux mécanismes de formation de la pipéridine ont été démontrés, variant selon la présence ou l'absence de sucres lors de la pyrolyse de la lysine. En présence de glucose, tout comme l'asparagine et la phénylalanine, la lysine peut subir une déamination decarboxylative lieé à un groupement carbonyle, afin de générer le Nε-pent-4-en-1-amine, ce produit étant un homologue de l'acrylamide, un élément toxique alimentaire reconnu. Il a été démontré que le produit Nε-pent-4-en-1-amine peut se «cycliser» afin de former la pipéridine. Des précurseurs isotopiquement marqués tels que [15N-α/ε],[U-13C6],[13C-6]lysine.2HCl et [U-13C6]glucose ont été utilisés afin de confirmer les composés d'addition potentiels de Nε-pent-4-en-1-amine et de la pipéridine dans les systèmes modèles permettant la caractérisation de deux dérivés de la pipéridine et un dérivé du Nε-pent-4-en-1-amine. Les produits ciblés lors des analyses possédaient un atome d'azote de type Nε et cinq atomes de carbone provenant de la lysine (C2' à C6') ainsi que 3 ou 6 atomes de carbone provenant du glucose. En bref, le mécanisme de formation des deux dérivés de la pipéridine implique l'activation chimique de la pipéridine avec le formaldéhyde suivi d'une addition de type aldol. La réactivité de la pipéridine fut démontrée davantage lors de la détection de plusieurs dérivés de la pyridine quiont été formés suite à des réactions d'oxydation. De plus, il fut aussi observé au cours de l'étude que la présence de la lysine favorisait la conversion du glucose en 5-hydroxymethylfurfural (HMF) et 5-methylfurfural (MF). Des analyses comparatives de modèles HMF/lysine et glucose/lysine à l'aide d'un TOF-MS/MS à haute résolution et du Py-CG/SM ont indiqué la formation de composés d'addition de base de Schiff du HMF avec le Nε-pent-4-ene-1-amine et la pipéridine. Étant donné que le deuxième composé d'addition est un aminé secondaire, il peut se stabiliser davantage par l'entremise du processus de réarrangement vinylogue d'Amadori (vAR). De plus, la réaction de systèmes modèles combinant le HMF avec des acides aminés primaires et secondaires comme la glycine et la proline confirment qu'il y a une tendance pour que les aminés primaires générant des composés d'addition de base de Schiff et les aminés secondaires mènent à la formation de composés d'addition covalents par le processus de vAR. En l'absence d'acides aminés, cette étude démontre que le HMF forme un dimère par l'entremise d'un nouveau mécanisme proposé. La dégradation subséquente du dimère produit deux furanes spécifiques aux sucres, soit le MF et le 2,5-furandicarboxaldéhyde. Cette étude démontre aussi que le HMF forme des liens glycosidiques avec le glucose et participe à des réactions d'élongation de la chaine. De plus, la réactions de la lysine avec de ribose ont permis de faire la découverte du furfurylamine, un intermédiaire réactif spécifique au ribose produisant plusieurs dérivés de furfurylpyrrole qui ont été détectés en tant que composés aromatiques dans plusieurs aliments. Dans les systèmes modèles produisant du furfurylamine, ces furfurylpyrroles furent aussi détectés tout comme dans des grains de café rôtis. Le mécanisme de formation des furfurylpyrroles proposé implique un double composé d'addition du furfurylamine avec le 3-deoxyribose qui fut caractérisé à l'aide de marqueurs isotopiques.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114216 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Nikolov, Plamen |
| Contributors | Varoujan Yaylayan (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Food Science and Agricultural Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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