Pardeamiento no enzimático

Introducción a la Tecnología de los Alimentos María Pía Mogues- 2005

PARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICO Y ALIMENTOS CÁRNICOS

Las reacciones a temperaturas muy altas juegan un papel importantísimo en la preparación de los alimentos. Mediante asado, tostado, fritura y horneado se desarrollan en los alimentos calentados aromas típicos en los que los aminoácidos participan como precursores. De hecho, las operaciones culinarias y su respectivo correlato a nivel de la tecnología industrial: el horneado o asado (terminología que se prefiere según se trate de panes o carnes, respectivamente) y la cocción al microondas, modifican la cantidad final de ciertos elementos químicos denominados compuestos de Maillard, en alimentos tales como las carnes rojas y las aves rostizadas. Este tipo de compuestos son en general de tono oscuro y están asociados al conocido proceso de “pardeamiento no enzimático” (browning) de los alimentos.

La reacción de Maillard ocurre cuando las proteínas y ciertos lípidos de la superficie se recombinan con los azúcares en los alimentos. Estas reacciones químicas de pardeamiento no enzimático son un grupo de transformaciones que dan origen a los colores y algunos sabores típicos de muchos alimentos cuando se someten a un tratamiento térmico; dependiendo de la intensidad, la coloración puede variar desde un ligero amarillo hasta el café intenso. Muchas veces se confunden las reacciones de caramelización con las de Maillard. Ambas son reacciones de pardeamiento, pero las primeras corresponden simplemente a la transformación de los azúcares sometidos a alta temperatura. En cambio, las segundas exigen la participación adicional de grupos amino primario libres. En la siguiente tabla, se resumen algunas características y productos de cada grupo de reacciones (McGee, 2004).

Solamente después del almacenamiento prolongado de un alimento se pueden observar cambios del aroma a temperatura ambiente debidos a reacciones no enzimáticas. En este proceso toman parte la peroxidación lipídica, la degradación de Strecker de los aminoácidos, la heterólisis de los carbohidratos y la posterior interacción entre sus productos intermedios, en la que participan principalmente aldehídos. Estos procesos se aceleran mucho durante el tratamiento térmico del alimento. La diversidad de aromas se enriquece a las temperaturas utilizadas para asar o freír.

En concreto, la reacción de Maillard de ennegrecimiento no enzimático, se lleva a cabo entre grupos reductores de los azúcares y los grupos amino libres de las proteínas o aminoácidos, dando lugar a una serie de compuestos complejos, que a su vez se polimerizan formando una serie de pigmentos oscuros conocidos como melanoidinas (Chichester y Lee,

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1981; Dutson y Orcutt, 1984). En el esquema de reacción del proceso de glucosilación no enzimática o glicación, las primeras etapas reversibles corresponden al reordenamiento de Amadori y reacción de Schiff. La formación de furanos, piridinas, etcétera, constituye los AGEs (por Advanced Glycosylation End-products) [Vlassara et al., 1984], muchos de los cuales son fluorescentes, presentan color pardo amarillento y resultan del entrecruzamiento covalente con otras proteínas o con otras zonas de la misma proteína [Reynolds, 1963]. A diferencia de la generación de la base de Schiff o del producto de Amadori, que son procesos reversibles, la formación de AGEs es un proceso lento y fuertemente desplazado hacia la formación de productos. A través de una serie de reacciones complejas, los productos de Amadori, pueden originar derivados con estructura imidazólica (C); pirrólica (D) y otras diversas (E).

En la noción de flavor de un alimento pardeado está involucrada esta compleja combinación de los azúcares con las demás biomoléculas. Basta decir que entre 1940 y 1950, los científicos determinaron la existencia de más de 600 compuestos diferentes que contribuyen al aroma de la carne asada. Las investigaciones con alimentos y con sistemas modelo han demostrado que los aromas característicos aparecen vía reacción de Maillard y que son compuestos derivados especialmente de cisteína, metionina, ornitina y prolina.

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Cabe preguntarse cómo es que se producen estos compuestos y en qué cantidad. Es un hecho conocido que el sabor generado en una carne asada difiere según el procedimiento con el que se ase. Sin ir más lejos, en la barbacoa (barbecue) de Estados Unidos, la carne es asada a fuego vivo, lo que genera un tostado intenso de la superficie con generación de compuestos antranílicos y un interior más crudo que el tradicional asado criollo hecho a las brasas de carbón o leña. El producto del asado criollo es más ahumado y el uso de una llama reductora resulta en una carne bien cocida pero roja, ya que se evita oxidar la mioglobina debido al monóxido de carbono y óxidos nitrosos generados por las brasas. El sabor de ambos asados difiere notoriamente, así como la calidad y cantidad de los compuestos de Maillard formados en cada caso. Este ejemplo muestra como partiendo del mismo ingrediente se llega a distinto producto con un similar método de cocción. Si en lugar de cocinar a 140- 180 °C, esto se hace a una temperatura inferior a 100 °C, las reacciones de Maillard tienen lugar, pero en forma poco significativa: la comida se cuece pero no alcanza el sabor apropiado. Por otra parte, es sabido que la cocción en un horno de microondas produce en general un alimento menos sabroso que el cocinado a fuego vivo.

Sin embargo, no siempre este tipo de reacciones mejoran el sabor del alimento. En contraparte, durante el calentamiento de la carne se presentan reacciones y otros fenómenos de cambio que pueden ser indeseables en algunos casos, tales como la coagulación de las proteínas, la salida de jugo por disminución de la capacidad de retención de agua, el ablandamiento por la modificación sufrida por el colágeno, su transformación parcial en gelatina y el incremento de pH. Asimismo, al progresar la reacción de Maillard, se observa que también se disminuye la digestibilidad de las proteínas, así como la cantidad de lisina disponible (Satterlee y Chang, 1981), lo que sugiere la formación de compuestos tóxicos o antinutricionales o simplemente pérdida de nutrimentos (Tanaka, et al 1977).

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Influencia del calentamiento y el pH sobre la capacidad de retenciónde agua del músculo vacuno. (Según Hamm., 1972):

En los años setenta, se demostró que las superficies chamuscadas de carnes y pescados a la parrilla y los condensados de humo captados durante esta operación mostraban una acción mutagénica intensa en los ensayos microbiológicos, debida la función aminoheteroaromática. Además, se demostró en experimentos modelo que los productos de la pirólisis de aminoácidos y proteínas eran los responsables de esta acción: piridoindoles, piridoimidazoles y tetraazafluorantenos.

En el caso de utilizar dietas con una concentración elevada de compuestos de tipo Maillard, se observan diarreas agudas, problemas intestinales (cecum inflamado), una elevada excreción de aminoácidos y un decremento considerable en la actividad enzimática de lactasa, sacarasa y maltasa. También se ha asociado el daño en hígado a compuestos de tipo Maillard, estando relacionado al aumento de actividad de fosfatasa alcalina y de la transferasa de oxalato- glutamato. Incluso se ha demostrado que este tipo de pigmentos son mutagénicos en la prueba de Ames, para la cual se utiliza una cepa mutada de Salmonella dependiente de histidina para su crecimiento, que se revierte a su estado "natural" de independencia de la histidina, después de haber sido expuesta a materiales que provienen de la reacción de Maillard, es decir que son capaces de inducir mutaciones. (Sugimura y Nagao. 1979; Tannenbaum, et al 1978; Taylor, 1982).

Por ejemplo, la degradación pirolítica del triptófano ha dado origen a compuestos mutagénicos potentes, tales como 3-amino-1,4-dimetil-5H-pirido-(4,3b)-indol y 3-amino-1-metil-5H-pirido-(4,3b)- indol, mientras que la fenilalanina puede producir 2-amino-5-fenilpiridina y el ácido glutámico sintetiza 2-amino dipirido (1,2a: 3',2'd) imidazol y 2 amino 6 metil dipirido (1,2a: 3',2'd) imidazol. La acrilamida, que está sindicada como posible carcinogénico ha sido detectada en algunas frituras de carnes rebosadas.

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Al mismo tiempo, se puso de manifiesto que los mutágenos procedentes de aminoácidos y proteínas también se formaban a temperaturas más bajas. Los compuestos enumerados en la siguiente tabla se obtuvieron a partir de extracto de carne(1), carne frita (2), pescado a la parrilla (3) y mezclas modelo calentadas formadas por creatina, algunos aminoácidos (glicina, alanina, treonina) y glucosa (4-5-6). Se trata principalmente de imidazoquinolinas e imidazoquinoxalinas, que no se desaminan por acción de nitritos inactivándose porque no reaccionan a consecuencia de la estructura guanidínica del anillo de imidazol.

De todas maneras, es menester resaltar que en la reacción de Maillard se llevan a cabo cambios favorables como el color-olor-sabor característico de las carnes rojas o bien de algunas aves rostizadas (Chichester y Lee, 1981; Hoseney, 1984) y el desarrollo del aroma típico de asado o cocido. En cualquier caso se observa, principalmente, la síntesis de pirazinas y de imidazol. Las primeras son fundamentales para el aroma de los alimentos tratados térmicamente (por ejemplo, los rostizados), pero algunas de ellas han presentado propiedades mutagénicas; por su parte, los imidazoles no son tan importantes para el aroma, aunque presentan cierta mutagenicidad (Shibamato, 1982; Taylor, 1982). Entre estos últimos, cabe citar los siguientes compuestos, sus estructuras químicas y precursores estudiados:

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Por otra parte, las emulsiones cárnicas durante el proceso de elaboración son sometidas a un tratamiento térmico con el objeto de fijar la estructura proteica, hecho éste que se logra cuando en el interior de la masa se alcanza los 75 ºC aproximadamente. (Prändl y col., 1994). Si algunos productos cárnicos se someten a calentamiento cuyas temperaturas exceden a los 100 ºC, los aminoácidos de las proteínas en presencia de grupos reductores, pueden formar Productos de Reacción de Maillard (PRM), que prevendrían el desarrollo de sustancias aldehídicas, lo cual podría interpretarse como efectos antioxidantes (Huang y Greene, 1978).

Sin embargo, estos tratamientos térmicos pueden a su vez influir fuertemente en el desarrollo del color y cambios en el aspecto del alimento por excesivo calentamiento, siendo la respuesta de un producto a éste, dependiente de la temperatura final y de la cantidad de calor aplicado (Erickson, 1998). Por otra parte, existen numerosas investigaciones que tratan de explicar el efecto que produce este calentamiento sobre la estabilidad de las grasas que se encuentran dispersas en estructura proteica. El aumento de la temperatura de calentamiento, como así también el tiempo de duración del mismo se cree que influyen en la estabilidad de las grasas durante el período de comercialización de dicho producto, es decir durante el

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almacenamiento. Según investigaciones realizadas por Mielche y Bertelsen en 1993, la mayoría de los tratamientos térmicos a altas temperaturas (60- 80 ºC) aceleran la oxidación de lípidos, como ocurre en la carne cocida, desarrollando durante su posterior almacenamiento refrigerado, sustancias volátiles principalmente aldehídicas que producen olores y sabores desagradables, lo que se conoce como el Warmed Over Flavour (WOF) o sabor a rancio, y mostrando un aumento del desarrollo de las Sustancias Reactivas al Ácido 2- Tiobarbitúrico (TBARS) cuando se trabaja en sistemas modelo calentados en baño de agua. Estos aromas extraños WOF muy extendidos en los alimentos, que se desarrollan cuando se recalienta carne calentada y/o almacenada. Se basa sobre todo en un rápido aumento del hexanal (por ej., de 0,3 a más de 10 mg/kg en la carne de vacuno cocida durante 48 h a 4°C) y en la formación de trans-4,5-epoxi-(E)-2-decenal. Además, durante el almacenamiento en refrigeración se pierden importantes componentes azufrados del aroma. El WOF se inhibe mediante aditivos que ligan iones de hierro, por ejemplo polifosfatos, fitina, EDTA. Por el contrario, los antioxidantes son prácticamente inútiles a este respecto.

Alteración oxidativa de carne de vacuno cocinaday curada con 156 mg/kg de nitritos:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25

Días de Almacenamiento a 4ºC

Tes

t TB

A (

mg/

kg)

Cocida Curada y cocida

En este sentido, el trabajo de investigación de Andreo, Garro y Judis, que tuvo como objetivo relacionar el desarrollo de sustancias aldehídicas, consideradas productos de oxidación, con la formación de productos de la reacción de Maillard, responsables del pardeamiento no enzimático con posible efecto antioxidante, durante la cocción de emulsiones cárnicas a distintos tiempos y temperaturas, permitió concluir que existe una correlación entre dichos parámetros.

Para este estudio, la emulsión cárnica se preparó a partir de carne vacuna (48 %), carne de cerdo (35 %), tocino (15 %) y ClNa (2 %). La materia prima fue picada utilizando un disco con perforaciones de 6 mm de diámetro y emulsionada utilizando un emulsor de dos coronas dentadas. La pasta se moldeó de tal manera que cada sistema modelo (patties) tuviera un peso de 100 g, un diámetro de 90 mm y una altura de 20 mm, los cuales fueron dispuestos en tres grupos, con sus duplicados, y cocinados en un sistema estático de temperatura a 60- 80 y 100 ºC, respectivamente y en oscuridad, durante el calentamiento evaluando el desarrollo de la oxidación de lípidos durante 8 horas, tomándose muestras cada 2 horas. Antes de ser analizadas, las muestras fueron trituradas durante aproximadamente un minuto, para obtener una pasta homogénea, la determinación de sustancias aldehídicas se realizó mediante el análisis de Sustancias Reactivas al Ácido 2- Tiobárbiturico (TBARS) con el método de Jo y Ahn (1998), la determinación de los Productos de Reacción de Maillard (PRM) se realizó sobre la fracción lipídica extraída con el método de Bligh y Dyer (1959), mediante la técnica espectrofotométrica de Aubourg (1998), midiendo la absorbancia a 420 nm.

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Durante el tratamiento térmico, se pudo observar que tanto la formación de TBARS, como la formación de los PRM, variaron significativamente a todas las temperaturas y tiempos de calentamiento ensayados.

Estos datos experimentales fueron ajustados a ecuaciones exponenciales (Gráfico 1). Como puede verse a medida que aumenta la temperatura y el tiempo de calentamiento, el valor de TBARS disminuye, siendo la tendencia descendiente para las de muestras de 80 y 100 ºC, mientras que las de 60 ºC, además de no ajustar a la ecuación exponencial, se mantiene prácticamente constante.

Gráfico 1:

En el caso de la formación de PRM, todos los datos obtenidos ajustaron a ecuaciones exponenciales (Gráfico 2). Los valores de PRM mostraron en todos los casos una tendencia ascendente, cuyo valor aumentaba al incrementarse la temperatura y el tiempo de calentamiento, lo que se correlaciona con el aumento del color marrón.

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Gráfico 2:

El análisis de correlación entre ambos parámetros, para las muestras que fueron tratadas térmicamente a 80 ºC, resultó bueno R2 = 0,8694, siendo el mejor ajuste el de la recíproca (Gráfico 3). En las muestras tratadas a 100 ºC, la correspondencia entre ambos parámetros ajustó a la recíproca con R2=0,8251, mientras que para las muestras tratadas térmicamente a 60 ºC, no hubo estadísticamente correlación entre ambos parámetros.

Gráfico 3: Correlación entre TBARS y PRM durante el calentamiento a 80 ºC.

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Gráfico 4: Correlación entre TBARS y PRM durante el calentamiento a 100 ºC.

De acuerdo con el análisis realizado se pudo concluir que existe una buena correlación entre la formación de los PRM y la desaparición de las TBARS. Siendo mayor el grado de correlación, para el caso de las muestras tratadas a 80 y 100 ºC. Esto podría deberse a que las temperaturas de tratamiento fueron lo suficientemente altas para propiciar la interacción de los grupos carbonilos de los aldehídos con los grupos aminos de las proteínas formando los productos de reacción de Maillard (PRM), enmascarando un efecto antioxidante, de menor producción de TBARS, no porque no se produzcan sino porque reaccionan combinándose para dar otro producto. En el caso de las muestras tratadas térmicamente a 60 ºC, se podría inferir que la temperatura no fue lo suficientemente alta, para lograr la coagulación de la proteína de la carne, por lo que se cree que la desnaturalización juega un rol importante en el proceso de deterioro oxidativo.

Un capítulo aparte merece el tema del aroma de la carne. La superficie de la carne, una vez deshidratada, es sometida a la pirólisis de sus principales constituyentes: carbohidratos, proteínas, lípidos y otros constituyentes, y como consecuencia resulta un espectro aromático diversificado. De este manera, con el calentamiento de la carne -que cruda, solamente posee un aroma débil- se desarrollan, según la especie animal de que se trata y el tipo de cocinado (cocción, estofado, cocción a presión, asado, fritura), numerosos compuestos con aromas variados y muy intensos, que van acompañados de un cambio de color a pardo grisáceo. El efecto del cocinado tiene su origen en las diferentes concentraciones de los reactantes y las diversas temperaturas de calentamiento. Así, con una moderada desecación y posterior calentamiento de un extracto en agua fría de carne se produce el típico aroma a asado, mientras que el simple calentamiento del extracto resulta en un aroma de caldo de carne. Cuando se calienta la carne en una grasa caliente, ésta entra a formar parte adicional de la mezcla de reactantes. El aroma y sabor que resultan en conjunto de la secuencia de reacciones de pardeamiento son la suma de compuestos sápidos no volátiles y compuestos aromáticos volátiles. Los compuestos aromáticos o sus precursores proceden esencialmente de las fracciones solubles de la carne.

Haciendo referencia a los compuestos químicos específicos, las notas a asado y quemado del perfil aromático de la carne de vacuna asada están provocadas por 2-acetil-2- tiazolina, furaneol, guayacol, 2-etil-3,5- dimetilpirazina y 2,3-dietil-5-metilpirazina. También el diacetilo y el metional forman parte de las notas aromáticas importantes; por el contrario, los furanos azufrados, esenciales en la carne cocida, no desempeñan ningún papel en el aroma de la carne asada. Pertenecen a los aromas típicos del pescado cocido el 2-metil-3-furanotiol y su producto de oxidación, el bis(2-metil-3-furil)disulfuro, ambos con umbrales extraordinariamente bajos y formados por hidrólisis de tiamina. Se postula que en este caso la 5-hidroxi-3-

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mercaptopentano-2-ona, muy reactiva, es un producto intermedio. El metional es responsable del sabor típico de los caldos de carne. Al cocer carne, el ácido sulfhídrico liberado a partir de la cisterna o del glutatión provoca la formación del 2-metil-3-furanotil y su disulfuro. El trisulfuro de dimetilo, que es un compuesto con una excepcional actividad aromática, también contribuye al aroma de la carne. A partir de acetaldehído y sulfuro de hidrógeno se forman compuestos azufrados heterocíclicos, pero no está claro si los sulfuros 2,4,6-trimetil-s-tritiano y 2,4,6-trimetil-5,6-dihidro-1,3,5-ditiazina, y la triacetona análoga al tritioacetaldehído se forman efectivamente durante el cocinado de la carne o si se forman en el transcurso de la marcha analítica al concentrar la fracción volátil. También se ha demostrado que a partir de la 5-hidroxi-3-mercaptopentan-2-ona formada por hidrólisis de tiamina, también pueden formarse tiofenos, con un aroma a carne cocida, por ejemplo 2-metil-3-tiofenotiol. No obstante, todavía debe aclararse si los tiofenos desempeñan o no un papel importante en la carne cocida. En particular, los tiazoles y tiazolidinas han recibido mucha atención como ingredientes con flavor a carne, después de que fueran aislados a partir de carne cocida. Estos compuestos se forman en muchos sistemas modelo, conteniendo azúcar y aminoácidos como la cisteína. El 2-Acetil-tiazol forma parte de los componentes aromáticos característicos en la carne cocida.

Las diferencias en el aroma de la carne de diferentes especies están causadas en gran medida por la grasa, puesto que la carne magra calentada (vacuno, cerdo, oveja) tiene en todos los casos una nota aromática a vacuno. Los aromas específicos de especie aparecen cuando se añade el tejido adiposo. La carne de gallina contiene aproximadamente diez veces tanto ácido linoleico que la de vacuno. Al cocer un caldo de gallina, este ácido graso sufre una

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peroxidación, formándose (E,E)- 2,4-decadienal como compuesto con un aroma más intenso, que modifica el aroma antes citado de los furanos azufrados hacia el aroma “a gallina”.

La obtención de aromas similares a los de la carne es posible por calentamiento de una mezcla de cistina, cisteína, metionina y tiamina con azúcares reductores, por reacción de ácido sulfhídrico con alquenales e hidroxidihidrofuranos y por toda una serie de reacciones alternativas. Se ha demostrado con un sistema modelo en el que eran los aminoácidos y azúcares los precursores de los aromas formados, que el tipo de aroma y la intensidad del color dependían, a igual tiempo y temperatura de calentamiento, sólo de la masa seca de la mezcla de reacción.

La siguiente reacción modelo presenta los productos tal y como se formarían a partir de aminoácidos por calentamiento en presencia de triacilglicerol.

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En ella, la cisteína y la tributirina se mantuvieron 2 horas a 200-220 ºC, donde: (1) es la 2-Metiltiazolina; (2) 2-Metiltiazolidina; (3) 2-Propiltiazol; (4) 2-Propiltiazolina; (5) Ácido butírico; (6) N-Etilbutiramida; (7) Butiramida; (8-9-10) Mono o diglicéridos del ácido butírico; (11) 2,5-Dimetildioxopiperazina; y (12) N,N’-Dibutirilcistamina.

REFERENCIAS:

La combinación de los azúcares con las biomoléculas. Juan Pablo F. C. Rossi. Toxicologyand antioxidant activities of non- enzymatic browning reaction products. Kwang-Geun Lee and Takayuki Shibamoto. Department of Environmental Toxicology, University of California, Davis, One Shields Avenue, Davis, CA 95616. The Maillard Reaction and Food Protein Crosslinking. Antonia G. Millera, and Juliet A. Gerrarda. BELITZ. Química de los alimentos.

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