Cyclization of reactive carbonyls in foods upon processing: an origin for the formation of pyridine-derived flavours and heterocyclic aromatic amines

El procesado de alimentos genera tanto efectos positivos como negativos en los mismos. Estos efectos son consecuencia de las distintas reacciones producidas. Entre ellas, la formación de aminas heterocíclicas aromáticas (HAAs) tiene un gran interés debido a la toxicidad de estos compuestos. La 2-amino-1-metil-6-fenilimidazo[4,5-b]piridina (PhIP) es una HAA mayoritaria que se produce como consecuencia de la reacción de ciertos compuestos carbonílicos formados durante el procesado de alimentos con creatinina. Análogamente, otras HAAs con estructura de aminoimidazoazareno podrían formarse de forma similar por una cierta tendencia, desconocida hasta ahora, de los compuestos carbonílicos de producir derivados cíclicos en presencia de amino compuestos. El objetivo general de esta tesis es clarificar la contribución de los compuestos carbonílicos a la formación de derivados heterocíclicos en alimentos, particularmente flavors con estructura de piridina y aminas heterocíclicas aromáticas (HAAs) con estructura de aminoimidazoazareno. En este trabajo de investigación se han identificado los compuestos carbonílicos que contribuyen a la formación de piridinas y de HAAs en alimentos, se han determinado las rutas por las que los distintos compuestos son producidos, y se han analizado los procedimientos adecuados para el control de la formación de estos compuestos. En particular, se han abordado seis objetivos específicos, los tres primeros dedicados a entender cómo se producen las piridinas en los alimentos, y los otros tres dedicados a la formación de HAAs. Dentro del primer objetivo se ha investigado el papel que juega la ciclación de diversos compuestos carbonílicos procedentes de oxidación lipídica en la formación de alquilpiridinas, concluyendo que estos compuestos se forman por ciclación de aldehídos de cadena corta en presencia de amoniaco. Así, las 2-alquilpiridinas se forman en mezclas de acetaldehído/crotonaldehído y 2,4-alcadienales con amoniaco; acroleína y 2,4-alcadienales son los responsables de la formación de 3-alquilpiridinas; y la ciclación de 2-alquenales es el origen de las 2,5-dialquilpiridinas. Por el contrario, las 2,6-dialquilpiridinas se forman por ciclación de cetonas insaturadas. Para estas ciclaciones es necesaria la presencia de amoniaco, que puede ser formado in situ. Estos estudios han permitido proponer mecanismos de formación de todos estos compuestos, mecanismos que han sido confirmados mediante estudios de marcaje isotópico. Dentro del segundo objetivo se ha estudiado la formación de 3-hidroxipiridinas a partir de compuestos carbonílicos derivados la oxidación lipídica. Para ello se han identificado los precursores y se han determinado los mecanismos de formación. Los principales precursores de las 3-hidroxipiridinas son los 4,5-epoxi-2-alquenales y los 2,4-alcadienales. Las 3-hidroxipiridinas se producen a temperaturas mayores de 100 ºC, a valores de pH ligeramente básicos, y con una energía de activación de aproximadamente 50 kJ/mol.Para confirmar el papel que juegan los procesos de oxidación lipídica, se ha demostrado que estas piridinas se forman, por ejemplo, cuando aceites oxidados de linaza o pescado se calientan en presencia de glutamina como agente productor de amoniaco. Dentro del tercer objetivo se estudió en papel de la reacción de Maillard como alternativa a la formación de 3-hidroxipiridinas en alimentos, en particular se analizó el papel que el 5-hidroximetilfurfural (HMF), y otros 2-oxofuranos, podría tener en la formación de 3-hidroxipiridinas. Se observó que la 3-hidroxipiridina derivada del HMF, la 2-hidroximetil-5-hidroxipiridina, se formaba mayoritariamente a pH neutro y con una energía de activación de 74 kJ/mol. Análogamente, 3-hidroxipiridina y 3-hidroxi-2-metilpiridina se formaron a partir de furfural y 2-acetilfurano, respectivamente. Se observó que la conversión de HMF en 2-hidroximetil-5-hidroxipiridina ocurría con un rendimiento mayor que la de los otros 2-oxofuranos estudiados, lo que es consecuencia de la presencia de sustituyentes en los carbonos 2 y 5 del anillo de furano en el HMF. Estos resultados se confirmaron en miel y miel de caña, como modelos de alimentos en los que la reacción de Maillard se produce habitualmente. La reacción consiste en la expansión del anillo de furano que es abierto en presencia de amoniaco y cierra posteriormente para producir la piridina. Para la formación de piridinas, es necesaria la presencia de amoniaco, aunque este compuesto no tiene que estar presente inicialmente en la reacción. Numerosos compuestos son degradados térmicamente para producir amoniaco y todos ellos produjeron piridinas, incluyendo cloruro de amonio, glutamina, creatinina y urea. Curiosamente, los rendimientos siempre fueron mucho menores cuando el compuesto productor de amoniaco ensayado fue creatinina. La razón es que, además de producir amoniaco, la creatinina es capaz de reaccionar con los compuestos carbonílicos como paso inicial a la formación de HAAs. La formación de estos últimos compuestos fue estudiada en los otros tres objetivos específicos de esta tesis. Para el desarrollo de estos objetivos se estudiaron los precursores, las condiciones que promovían la reacción y los mecanismos de reacción conducentes a la formación de MeIQ, IQ y MeIQx. De todos los compuestos carbonílicos empleados, el único que produjo MeIQ fue el crotonaldehído, lo que sugiere que éste es el compuesto carbonílico directamente responsable de la formación de MeIQ. Estos estudios nos han permitido proponer que la formación de MeIQ ocurre por reacción de crotonaldehído, glutamina y creatinina. En el caso del IQ, sólo se produce cuando acroleína y crotonaldehído están presentes simultáneamente como compuestos carbonílicos. Cuando ambos compuestos son calentados en presencia de creatinina y glutamina, se obtiene una mezcla de MeIQ e IQ. Por último, el compuesto carbonílico responsable de la formación de MeIQx es la acroleína. La formación del MeIQ se inicia con la formación de un aducto entre el crotonaldehído y la creatinina, el cual reacciona con amoniaco para producir la correspondiente imina. Una vez se ha producido la imina, ésta se convierte en una enamina mediate una tautomería imino-enamina y dicha enamina vuelve a reaccionar con una segunda molécula de crotonaldehído formando una nueva imina. Este último aducto, que ya tiene el mismo número de átomos que el MeIQ, se transforma en MeIQ para ganar estabilidad.La formación de IQ ocurre de forma similar. Se inicia con la formación de un aducto entre acroleína y creatinina. Una vez formado el aducto, se produce la reacción de éste con amoniaco (que proviene de la descomposición de la glutamina y/o de la creatinina) dando lugar a una imina intermedia (que está en equilibrio con la correspondiente enamina), la cual reacciona con crotonaldehído, obteniéndose así el aducto que producirá el IQ tras una estabilización de este último aducto. Debido a la presencia en el medio de crotonaldehído, la formación del IQ compite con la formación de MeIQ, y ambos compuestos siempre se producen simultáneamente. La formación de MeIQx se inicia de forma análoga con la formación de un aducto entre acroleína y creatinina. Una vez formado el aducto, se produce la reacción de éste con amoniaco dando lugar a una imina intermedia que está en equilibrio con una enamina. El siguiente paso es la reacción de esta enamina con metilglioxal (producido a partir de acroleína) para formar una nueva imina que reaccionará con una nueva molécula de amoniaco para producir en primer lugar la imina y debido a un equilibrio imina-enamina, se formará la correspondiente amina. Esta amina sólo le falta un átomo de carbono para completar la estructura del MeIQ. Análogamente a lo que ocurre con el PhIP, este carbono proviene de una molécula de formaldehído. Todos estos estudios demuestran el papel clave de los compuestos carbonílicos en la formación de piridinas y HAAs en alimentos. Asimismo, sugieren estrategias para el control de los compuestos que afectan negativamente a la calidad y seguridad de los alimentos. Estas estrategias incluyen el controlar la formación de los compuestos carbonílicos implicados, el empleo de condiciones de reacción que eviten la transformación de los compuestos carbonílicos en los compuestos no deseados, y la captura de estos compuestos carbonílicos por agentes captadores de los mismos, como los compuestos fenólicos

Reactive carbonyls and the formation of the heterocyclic aromatic amine 2-amino-3,4-dimethylimidazo(4,5-f)quinoline (MeIQ)

5 Figuras.-- 1 TablaReactions involving reactive carbonyls, creatinine, and ammonia-producing compounds were investigated in order to clarify the formation of the heterocyclic aromatic amine (HAA) 2-amino-3,4-dimethylimidazo(4,5-f)quinoline (MeIQ). Obtained results showed that MeIQ was only produced when 2-butenal (crotonaldehyde) was present. Reaction yields depended on the pH, with a maximum around pH 6.5, and on concentrations of crotonaldehyde and creatinine. Ammonia was also required for MeIQ formation, but ammonia was produced by creatinine decomposition. The amount of MeIQ formed increased with reaction time, temperature, and oxygen content in the reaction atmosphere. Activation energy for MeIQ formation from crotonaldehyde, creatinine, and glutamine was 72.2 ± 0.4 kJ·mol−1. A reaction pathway that explains MeIQ formation is proposed. Obtained results suggest a main role of reactive carbonyls formed in foods (the food carbonylome) on HAA formation. In addition, they provide scientific basis for the understanding of how HAAs are formed and could be mitigated.We are indebted to José L. Navarro for technical assistance. This study was supported by the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MCIU) from Spain, the Agencia Estatal de Investigación (AEI) from Spain, and the Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) from the European Union (Project RTI2018-096632-B-100).Peer reviewe

Oligomerization of reactive carbonyls in the presence of ammonia-producing compounds: A route for the production of pyridines in foods

4 Figuras.-- 2 TablasThe reactions of different lipid-derived reactive carbonyls with ammonia-producing compounds were studied to investigate the formation of pyridines in foods. 2-Alkyl, 3-alkyl-, and 2,5-dialkylpyiridines were produced by oligomerization of short-chain aldehydes in the presence of ammonia. Thus, acetaldehyde/crotonaldehyde mixtures and 2,4-alkadienals were the main responsible for the formation of 2-alkylpyridines; acrolein or 2,4-alkadienals were needed for the formation of 3-alkylpyridines; and 2-alkenals were responsible for the formation of 2,5-dialkylpyridines. On the contrary, 2,6-dialkylpyridines were produced by cyclization of unsaturated ketones. Reactions pathways for formation of these pyridines are proposed, and confirmed by isotopic labelling experiments. Aldehydes and ketones required for their formation are produced in the course of lipid oxidation. Therefore, pyridine formation seems to be an additional consequence of the lipid oxidation pathway. This new knowledge can employed for the optimization of reactions to achieve the desired targeted flavor generation during food processing.We are indebted to José L. Navarro for technical assistance. This study was supported in part by the European Union (FEDER funds), the Plan Nacional de I + D of the Ministerio de Economía y Competitividad of Spain (project AGL2015-68186-R), and the Programa Estatal de I + D + I of the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades of Spain (project RTI2018-096632-B-100)

Reactive carbonyls and the formation of the heterocyclic aromatic amine 2-amino-3,4-dimethylimidazo(4,5-f)quinoline (MeIQ)

5 Figuras.-- 1 TablaReactions involving reactive carbonyls, creatinine, and ammonia-producing compounds were investigated in order to clarify the formation of the heterocyclic aromatic amine (HAA) 2-amino-3,4-dimethylimidazo(4,5-f)quinoline (MeIQ). Obtained results showed that MeIQ was only produced when 2-butenal (crotonaldehyde) was present. Reaction yields depended on the pH, with a maximum around pH 6.5, and on concentrations of crotonaldehyde and creatinine. Ammonia was also required for MeIQ formation, but ammonia was produced by creatinine decomposition. The amount of MeIQ formed increased with reaction time, temperature, and oxygen content in the reaction atmosphere. Activation energy for MeIQ formation from crotonaldehyde, creatinine, and glutamine was 72.2 ± 0.4 kJ·mol−1. A reaction pathway that explains MeIQ formation is proposed. Obtained results suggest a main role of reactive carbonyls formed in foods (the food carbonylome) on HAA formation. In addition, they provide scientific basis for the understanding of how HAAs are formed and could be mitigated.We are indebted to José L. Navarro for technical assistance. This study was supported by the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MCIU) from Spain, the Agencia Estatal de Investigación (AEI) from Spain, and the Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) from the European Union (Project RTI2018-096632-B-100).Peer reviewe