ملانوئیدینهای قهوه: بازبینی تشکیل، ساختار، نقش حسی و اثرات زیستی
۲۷ تیر ۱۴۰۵
ملانوئیدینها بخشی از پیچیدهترین محصولات شیمیایی رست قهوه هستند. این مواد در مراحل پیشرفته واکنش مایلارد شکل میگیرند و سهم مهمی در رنگ قهوه برشته و نوشیدنی دارند. آنها همچنین با ترکیبات عطری، فنولها، پروتئینها و پلیساکاریدها برهمکنش میکنند. به همین دلیل، اثر آنها فقط به ایجاد رنگ قهوهای محدود نمیشود و میتواند بادی، گسی، تلخی، پایداری عطر و فعالیت آنتیاکسیدانی نوشیدنی را نیز تغییر دهد. [1] [2]
با این حال، واژه «ملانوئیدین» نام یک مولکول مشخص نیست. این واژه یک خانواده ناهمگن از مواد قهوهای، نیتروژندار و عمدتاً پرجرم را توصیف میکند که ساختار دقیق و واحدی ندارند. ترکیب این خانواده به پیشسازهای دانه، فعالیت آبی، دما، زمان، انتقال حرارت، درجه رست و روش استخراج وابسته است. بنابراین، عددی که در یک آزمایش بهعنوان «مقدار ملانوئیدین» گزارش میشود، همیشه به تعریف عملیاتی و روش جداسازی همان آزمایش وابسته است. [1] [3]
این بازبینی شش پرسش را بررسی میکند. ملانوئیدین چگونه در واکنش مایلارد تشکیل میشود؟ ساختار و ویژگیهای فیزیکوشیمیایی آن چیست؟ ملانوئیدینها چگونه رنگ، بادی و پروفایل حسی را تغییر میدهند؟ شواهد مربوط به خواص آنتیاکسیدانی و اثرات زیستی چه محدودیتهایی دارند؟ پروفایل رست چگونه تشکیل و تخریب آنها را کنترل میکند؟ در نهایت، چه روشهایی برای جداسازی، شناسایی و اندازهگیری آنها بهکار میروند؟
فهرست مطالب
- ۱. ملانوئیدین چیست و چگونه در واکنش مایلارد تشکیل میشود؟
- ۲. ساختار شیمیایی و ویژگیهای فیزیکوشیمیایی
- ۳. نقش ملانوئیدینها در رنگ، بادی و پروفایل حسی قهوه
- ۴. خواص آنتیاکسیدانی و اثرات زیستی
- ۵. تأثیر پروفایل رست بر تشکیل و تغییرات ملانوئیدینها
- ۶. روشهای آزمایشگاهی شناسایی و اندازهگیری
- جمعبندی
- منابع
۱. ملانوئیدین چیست و چگونه در واکنش مایلارد تشکیل میشود؟
ملانوئیدین قهوه به مجموعهای از محصولات قهوهای و نیتروژندار گفته میشود که عمدتاً در مراحل پایانی واکنش مایلارد و واکنشهای همراه آن تشکیل میشوند. تعریف کلاسیک، ملانوئیدینها را مواد پرجرم میداند، اما پژوهشهای جدیدتر نشان میدهند که رنگ قهوهای میتواند در جمعیتهایی با جرم مولکولی پایینتر نیز حضور داشته باشد. بنابراین، حدهایی مانند ۱۰ کیلودالتون بیشتر یک مرز آزمایشگاهی برای جداسازی هستند و مرز طبیعی و قطعی این خانواده محسوب نمیشوند. [1] [3]
واکنش مایلارد میان گروه کربونیل یک قند کاهنده و گروه آمین آزاد یک آمینواسید، پپتید یا پروتئین آغاز میشود. ساکاروز خود یک قند کاهنده نیست، اما هنگام رست میتواند هیدرولیز یا تجزیه شود و پیشسازهای کربونیلی واکنشپذیر ایجاد کند. پروتئینها و آمینواسیدهای دانه نیز نیتروژن مورد نیاز واکنش را فراهم میکنند. آب، pH، دما و تحرک مولکولی تعیین میکنند که این واکنشدهندهها با چه سرعتی به یکدیگر دسترسی پیدا کنند. [1] [4]
۱.۱ مراحل آغازین و میانی واکنش مایلارد
در مرحله آغازین، قند کاهنده با گروه آمین واکنش میدهد و یک باز شیف ناپایدار تشکیل میشود. این محصول سپس به محصول آمادوری یا ترکیب مشابه آن بازآرایی میشود. محصولات آمادوری میتوانند از مسیرهای مختلف تجزیه شوند و دیکربونیلها، ردوکتونها، فورانها، اسیدها و ترکیبات کربونیلی کوچکتر را بسازند.
در مرحله میانی، دیکربونیلهای فعال با آمینواسیدها وارد تخریب استرکر میشوند. این مسیر آلدهیدهای استرکر، دیاکسید کربن و آمینوکربونیلهای جدید را تولید میکند. واکنشهای تراکمی، حلقویشدن و آبگیری نیز پیرازینها، پیرولها، پیریدینها، فورانها و سایر هتروسیکلها را میسازند. بخشی از این ترکیبات فرّار هستند و مستقیماً در عطر مشارکت میکنند. بخش دیگری بهعنوان واحدهای واکنشپذیر وارد ساختارهای قهوهای بزرگتر میشوند. [1] [4]
۱.۲ تشکیل رنگبرها و شبکههای پرجرم
در مراحل پیشرفته، ترکیبات کربونیلی و آمینی بارها وارد واکنشهای تراکمی، افزودن، جانشینی و اتصال عرضی میشوند. این واکنشها سامانههای مزدوجی را ایجاد میکنند که نور مرئی را جذب میکنند. افزایش طول سامانه مزدوج و حضور گروههای حاوی نیتروژن یا اکسیژن، جذب را از ناحیه فرابنفش به ناحیه مرئی گسترش میدهد و رنگ زرد، قرمز-قهوهای و قهوهای تیره ایجاد میکند.
یک مدل ساده نمیتواند تمام ملانوئیدینهای قهوه را توضیح دهد. بعضی ساختارها از پلیمریشدن واحدهای کوچک مایلارد حاصل میشوند. بعضی ساختارها روی یک اسکلت از پیش موجود مانند پلیساکارید یا پروتئین ساخته میشوند. در مدل دوم، رنگبرهای کوچک به یک ماکرومولکول متصل میشوند یا میان زنجیرهها اتصال عرضی ایجاد میکنند. شواهد قهوه نشان میدهند که مدل «اسکلت ماکرومولکولی همراه با رنگبرهای متصل» برای بخش بزرگی از ملانوئیدینهای نوشیدنی مناسبتر است. [1] [3] [5]
کاراملیزاسیون نیز هنگام رست رخ میدهد، اما با واکنش مایلارد یکسان نیست. کاراملیزاسیون از تخریب حرارتی قندها بدون نیاز مستقیم به گروه آمین آغاز میشود. محصولات کاراملیزاسیون و پیرولیز میتوانند با محصولات مایلارد واکنش دهند و وارد مواد قهوهای شوند. از این رو، نسبت دادن تمام رنگ قهوه برشته به یک مسیر منفرد دقیق نیست.
۱.۳ مسیرهای ویژه تشکیل در ماتریس قهوه
ماتریس قهوه مقدار زیادی پلیساکارید، پروتئین، ساکاروز و اسیدهای کلروژنیک دارد. این ترکیب باعث میشود که ملانوئیدین قهوه با ملانوئیدین نان، مالت یا کاکائو یکسان نباشد. آرابینوگالاکتانها، گالاکتومانانها و کمپلکسهای آرابینوگالاکتان-پروتئین در ساخت جمعیتهای اصلی ملانوئیدین قهوه مشارکت میکنند. [3] [5] [6]
اسیدهای کلروژنیک نیز نقش مهمی دارند. بخشی از آنها هنگام رست هیدرولیز، ایزومریزه، اکسید یا تخریب میشوند. بخشی از ترکیبات فنولی بهصورت استری، گلیکوزیدی، متراکم یا از طریق پیوندهای دیگر در ماده پرجرم وارد میشوند. شواهد نشان میدهند که پروتئینها و ترکیبات فنولی از مراحل نسبتاً ابتدایی رست در تشکیل جمعیتهای میانی مشارکت میکنند و ادامه رست سهم جمعیتهای پرجرمتر را افزایش میدهد. [2] [7] [8]
بنابراین، تشکیل ملانوئیدین یک «نقطه» روی منحنی رست نیست. این فرایند یک شبکه پیوسته از تولید، اتصال، بازآرایی، اکسیداسیون و تخریب است. در هر لحظه، مواد جدید تشکیل میشوند و بخشی از مواد قبلی نیز تغییر میکنند. همین پویایی توضیح میدهد که دو قهوه با رنگ نهایی مشابه میتوانند ترکیب ملانوئیدینی متفاوتی داشته باشند.
۲. ساختار شیمیایی و ویژگیهای فیزیکوشیمیایی
۲.۱ یک خانواده ساختاری بهجای یک مولکول
ملانوئیدینها فرمول مولکولی واحد، جرم مولکولی ثابت یا واحد تکرارشونده مشخصی ندارند. آنها یک توزیع پیوسته از ساختارها را تشکیل میدهند. این توزیع میتواند رنگبرهای کوچک، الیگومرها، کمپلکسهای غیرکووالانسی و پلیمرهای دارای اتصال عرضی را شامل شود. به همین دلیل، استفاده از واژه «پلیمر» برای همه اعضای این خانواده نیز همیشه دقیق نیست. واژه «ماده قهوهای ناهمگن» در بسیاری از موارد توصیف محتاطانهتری ارائه میکند. [1]
جرم مولکولی گزارششده به روش اندازهگیری وابسته است. غشاهای اولترافیلتراسیون بر اساس اندازه هیدرودینامیکی جداسازی میکنند و حد برش آنها یک جداسازی مطلق ایجاد نمیکند. کروماتوگرافی طرد اندازه نیز جرم را از روی رفتار هیدرودینامیکی نسبت به استانداردها تخمین میزند. برهمکنش یونی یا هیدروفوب با ستون میتواند این تخمین را منحرف کند. بنابراین، عبارتهایی مانند «بیشتر از ۱۰ کیلودالتون» باید بهعنوان تعریف یک فراکسیون خوانده شوند، نه اندازه قطعی همه ملانوئیدینها.
۲.۲ پلیساکاریدها، پروتئینها و ترکیبات فنولی
بررسی فراکسیونهای نوشیدنی قهوه سه خانواده اصلی را نشان داده است:
- ملانوئیدینهای غنی از آرابینوگالاکتان-پروتئین یک اسکلت کربوهیدراتی و پروتئینی دارند و رنگبرها را در ساختار خود حمل میکنند. [3] [5]
- ملانوئیدینهای غنی از گالاکتومانان بخشی از پلیساکاریدهای دیواره سلولی را در ساختار محلول نوشیدنی حفظ میکنند. [3] [6]
- ملانوئیدینهای دارای مواد فنولی اسیدهای کلروژنیک یا قطعات حاصل از آنها را با پیوندهای کووالانسی یا برهمکنشهای قوی نگه میدارند. [7] [8]
این دستهها کاملاً از یکدیگر جدا نیستند. یک فراکسیون میتواند همزمان پلیساکارید، پروتئین و ماده فنولی داشته باشد. ترکیبات کمجرم نیز میتوانند بهصورت غیرکووالانسی روی ساختار پرجرم جذب شوند. اگر این ترکیبات هنگام خالصسازی حذف نشوند، فعالیت آنتیاکسیدانی یا ترکیب شیمیایی بهاشتباه به خود اسکلت ملانوئیدینی نسبت داده میشود. [9]
۲.۳ جرم مولکولی، بار، حلالیت و جذب نور
ملانوئیدینهای استخراجشده از قهوه معمولاً این ویژگیها را نشان میدهند:
- آنها در آب گرم تا حدی حل میشوند و وارد نوشیدنی میشوند.
- آنها توزیع وسیعی از اندازه هیدرودینامیکی و جرم ظاهری نشان میدهند.
- آنها بهدلیل گروههای کربوکسیلی، فنولی و سایر گروههای یونپذیر، اغلب بار منفی نشان میدهند.
- آنها توان اتصال به فلزات را از طریق گروههای اکسیژندار و نیتروژندار نشان میدهند.
- آنها جذب پیوستهای در ناحیه فرابنفش و مرئی ایجاد میکنند و در طول موجهای حدود ۴۰۵ تا ۴۲۰ نانومتر بهصورت عملی پایش میشوند.
- آنها ترکیبات عطری و غیرعطری را از طریق پیوند کووالانسی، پیوند هیدروژنی، برهمکنش یونی، برهمکنش π–π و نیروهای هیدروفوب نگه میدارند. [3] [10]
شدت جذب در ۴۲۰ نانومتر با قهوهایشدن ارتباط دارد، اما غلظت مولی واقعی را مستقیماً نشان نمیدهد. ضریب جذب به ساختار، pH، حلال و درجه رست وابسته است. دو نمونه با جرم یکسان از ماده پرجرم میتوانند جذب متفاوتی نشان دهند، زیرا تعداد و نوع رنگبرهای آنها یکسان نیست.
۳. نقش ملانوئیدینها در رنگ، بادی و پروفایل حسی قهوه
۳.۱ رنگ
روشنترین اثر ملانوئیدینها ایجاد رنگ قهوهای است. با پیشرفت رست، تراکم رنگبرها و گستردگی سامانههای مزدوج افزایش مییابد. این تغییر بازتابپذیری سطح دانه را کاهش میدهد و جذب نوشیدنی را در ناحیه مرئی بالا میبرد. شاخصهای رنگ رست و جذب نوشیدنی با مقدار مواد قهوهای همبستگی دارند، اما هیچکدام ترکیب شیمیایی آنها را مشخص نمیکنند.
رنگ نهایی حاصل تعادل چند فرایند است. تشکیل رنگبر، اتصال آن به ماکرومولکولها، کربونیزاسیون سطحی و تخریب حرارتی همزمان رخ میدهند. در رستهای بسیار تیره، افزایش تیرگی لزوماً به معنی افزایش متناسب ملانوئیدین محلول نیست. بخشی از مواد میتواند به ساختارهای کممحلولتر یا محصولات پیرولیزی تبدیل شود.
۳.۲ بادی و حس دهانی
ملانوئیدینهای محلول بخشی از ماده خشک پرجرم نوشیدنی را تشکیل میدهند. پلیساکاریدهای همراه آنها میتوانند ویسکوزیته، نگهداشت آب و رفتار کلوئیدی نوشیدنی را تغییر دهند. این اثر میتواند به حس پری، غلظت و ماندگاری بیشتر در دهان کمک کند. برهمکنش با پروتئینهای بزاق نیز میتواند حس دهانی را تغییر دهد. [2] [6]
با این حال، بادی قهوه فقط از ملانوئیدین ناشی نمیشود. روغنهای امولسیونشده، ذرات ریز معلق، گالاکتومانانهای آزاد، غلظت کل مواد محلول، روش فیلتراسیون و دمای سرو نیز نقش دارند. فیلتر کاغذی بخش بزرگی از روغن و ذرات را نگه میدارد، در حالی که فرنچپرس و اسپرسو مواد کلوئیدی بیشتری وارد فنجان میکنند. بنابراین، همبستگی رست تیرهتر با بادی بیشتر، اثبات نمیکند که افزایش ملانوئیدین تنها علت این حس است.
۳.۳ عطر، تلخی و گسی
ملانوئیدینها خود غیرفرّار هستند، اما آزادسازی و ماندگاری مواد فرّار را تغییر میدهند. پژوهشها نشان دادهاند که آنها با تیولهای مهم عطر قهوه، بهویژه ۲-فورفوریلتیول، برهمکنش میکنند. بخشی از این اتصال غیرکووالانسی است و بخشی بهمرور به پیوند کووالانسی تبدیل میشود. این فرایند میتواند نتهای برشته و گوگردی نوشیدنی را هنگام گرمنگهداشتن کاهش دهد و در کهنگی سریع عطر نقش داشته باشد. [10] [11]
اثر ملانوئیدین بر تلخی مستقیم و ساده نیست. خود فراکسیونهای قهوهای میتوانند ترکیبات تلخ یا پیشسازهای تلخی را حمل کنند. در مقابل، برهمکنش آنها با لیگاندهایی مانند کافئین میتواند دسترسپذیری حسی بعضی ترکیبات را تغییر دهد. در نتیجه، شدت تلخی از مجموع غلظت ترکیبات، اتصال آنها به ماتریس و شرایط دهان حاصل میشود و از روی رنگ نوشیدنی بهتنهایی پیشبینی نمیشود.
مواد فنولی متصل به ملانوئیدین و برهمکنش فراکسیون پرجرم با پروتئینهای بزاق میتوانند در گسی مشارکت کنند. گسی یک مزه پایه نیست و از کاهش لغزندگی و افزایش اصطکاک در دهان حاصل میشود. میزان این اثر به pH، غلظت، ترکیب فنولی و حضور سایر کلوئیدها وابسته است. بنابراین، عبارت «ملانوئیدین طعم خاصی ایجاد میکند» بیش از حد ساده است. نقش اصلی این خانواده، تعدیل همزمان رنگ، آزادسازی عطر و حس دهانی است.
۴. خواص آنتیاکسیدانی و اثرات زیستی
۴.۱ سازوکارهای آنتیاکسیدانی
فراکسیونهای ملانوئیدینی قهوه در آزمونهای شیمیایی مانند ABTS، DPPH و FRAP فعالیت آنتیاکسیدانی نشان میدهند. چند سازوکار میتوانند این فعالیت را ایجاد کنند:
- گروههای فنولی و ردوکتونی الکترون یا اتم هیدروژن اهدا میکنند و رادیکالها را پایدار میکنند.
- گروههای نیتروژندار و اکسیژندار یونهای فلزی انتقالی را کلاته میکنند و واکنشهای زنجیرهای اکسیداسیون را محدود میکنند.
- ترکیبات فنولی متصل به اسکلت پرجرم ظرفیت احیاکنندگی ایجاد میکنند.
- ترکیبات کمجرم جذبشده روی فراکسیون پرجرم بخشی از سیگنال آنتیاکسیدانی را تولید میکنند. [2] [8] [9]
نکته آخر اهمیت زیادی دارد. در یک مطالعه، حذف ترکیبات کمجرم غیرکووالانسی با نمک و اولترافیلتراسیون، فعالیت فراکسیون «خالصتر» را تغییر داد. این نتیجه نشان میدهد که آزمون یک فراکسیون پرجرم ناخالص نمیتواند سهم اسکلت ملانوئیدینی را از سهم مواد همراه جدا کند. [9]
فعالیت آنتیاکسیدانی کل قهوه با تیرهتر شدن بهصورت خطی افزایش نمییابد. اسیدهای کلروژنیک آزاد هنگام رست کاهش مییابند و مواد قهوهای جدید تشکیل میشوند. در بسیاری از دادهها، ظرفیت کل در رست سبک تا متوسط به بیشینه میرسد و سپس کاهش پیدا میکند. سهم نسبی ملانوئیدینها در رست تیره میتواند بیشتر شود، اما این افزایش نسبی تا حدی از کاهش آنتیاکسیدانهای کمجرم ناشی میشود. [8] [12]
۴.۲ هضم، میکروبیوتای روده و اثر فیبری
بخش قابل توجهی از ملانوئیدینهای پرجرم در روده باریک بهطور کامل هضم نمیشود. اسکلتهای پلیساکاریدی مقاوم و اتصالات جدید ایجادشده در رست میتوانند آنها را به روده بزرگ برسانند. به همین دلیل، بعضی پژوهشگران از عبارت «فیبر غذایی مایلاردشده» یا «فیبر آنتیاکسیدانی» استفاده میکنند. [2] [13]
میکروبیوتای روده میتواند بخشی از این مواد را تخمیر کند و مواد فنولی متصل را آزاد سازد. مطالعات آزمایشگاهی و مدلهای گوارشی، تغییر در رشد برخی باکتریها و تولید متابولیتها را گزارش کردهاند. این نتایج یک ظرفیت پریبیوتیکی احتمالی را پیشنهاد میکنند، اما اثر به ساختار ملانوئیدین، دوز، ترکیب جامعه میکروبی و رژیم غذایی وابسته است. [2] [13]
فعالیتهای ضدباکتری، ضدالتهاب، ضدگلیکاسیون و مهار آنزیم مبدل آنژیوتانسین نیز در سامانههای آزمایشگاهی گزارش شدهاند. بعضی از این اثرها از کلاتهکردن فلزات، بهداماندازی دیکربونیلها یا اتصال به پروتئینها ناشی میشوند. با این حال، غلظت مؤثر در آزمایشگاه، فراهمی زیستی و متابولیسم انسانی باید پیش از نتیجهگیری بالینی بررسی شوند. [1] [2]
۴.۳ محدودیت شواهد سلامت
بیشتر شواهد اختصاصی ملانوئیدین قهوه از آزمونهای شیمیایی، کشت سلولی، تخمیر برونتنی و مدلهای حیوانی حاصل شدهاند. این روشها برای کشف سازوکار مناسب هستند، اما سود بالینی را اثبات نمیکنند. آزمون ABTS یا DPPH نشان میدهد که نمونه در یک محیط شیمیایی رادیکال را مهار میکند. این آزمون نشان نمیدهد که همان ماده با همان ساختار و غلظت به بافت انسانی میرسد.
مطالعات مشاهدهای درباره مصرف قهوه نیز اثر ملانوئیدین را از کافئین، اسیدهای کلروژنیک، تریگونلین، سبک زندگی و سایر عوامل جدا نمیکنند. علاوه بر این، ملانوئیدین یک مخلوط متغیر است و دوز استانداردی ندارد. بنابراین، میتوان از «ظرفیت زیستی امیدوارکننده» سخن گفت، اما نسبت دادن پیشگیری یا درمان بیماری به ملانوئیدینهای قهوه با شواهد کنونی دقیق نیست. [1] [13]
۵. تأثیر پروفایل رست بر تشکیل و تغییرات ملانوئیدینها
۵.۱ دما، زمان و درجه رست
سرعت واکنش مایلارد با افزایش دما بیشتر میشود، اما آب نیز نقش دوگانه دارد. در آغاز رست، آب انتقال حرارت و تحرک واکنشدهندهها را تسهیل میکند. مقدار زیاد آب دمای ماتریس را بهدلیل تبخیر محدود میکند. مقدار بسیار کم آب نیز میتواند تحرک واکنشدهندهها را کاهش دهد. پس از زردشدن و کاهش رطوبت، سرعت تشکیل ترکیبات کربونیلی، رنگبرها و مواد قهوهای افزایش مییابد.
مطالعات درجه رست نشان میدهند که بخش بزرگی از جمعیتهای ملانوئیدینی از مراحل اولیه تا میانی رست شکل میگیرد. حرکت از دانه سبز به رست روشن، تشکیل فراکسیونهای جرم مولکولی میانی را افزایش میدهد. ادامه رست معمولاً سهم مواد پرجرمتر، اتصال عرضی و تیرگی را بالا میبرد. در همان زمان، بعضی گروههای فنولی اکسید میشوند و بخشی از ساختارها تجزیه یا کممحلول میشوند. [5] [8] [12]
درجه رست یک متغیر ترکیبی است. رنگ نهایی اطلاعاتی درباره مجموع تاریخچه حرارتی ارائه میکند، اما دما و زمان را جدا نمیکند. دو رست میتوانند رنگ یکسان داشته باشند و مقدار پروتئین باقیمانده، توزیع جرم مولکولی، فنول متصل، حلالیت و فعالیت آنتیاکسیدانی متفاوتی نشان دهند.
۵.۲ رست سریع و آهسته در رنگ نهایی مشابه
رست سریعتر با دمای بالاتر میتواند نرخ لحظهای مایلارد، تخریب قند و تشکیل رنگبر را افزایش دهد. رست آهستهتر زمان بیشتری برای واکنشهای متوالی، اکسیداسیون و تجزیه فراهم میکند. نتیجه فقط به «زمان مایلارد» یا نسبت زمان توسعه وابسته نیست. دمای واقعی دانه، نرخ انتقال حرارت، رطوبت، جریان هوا و ترکیب گازهای محیط نیز اثر دارند.
دادههای تحلیلی نشان دادهاند که در درجه رست مشابه، پروفایل آهستهتر میتواند ظرفیت آنتیاکسیدانی فراکسیونهای پرجرم و کمجرم را کاهش دهد. این نتیجه با تخریب طولانیتر ترکیبات فعال سازگار است. با این حال، نمیتوان از یک الگوی واحد برای همه رسترها، اندازه بچها و دانهها استفاده کرد. رنگ و زمان باید همراه با اندازهگیری رطوبتکاهی، دانسیته، استخراجپذیری و آزمون حسی تفسیر شوند. [12]
۵.۳ پیامدهای عملی برای طراحی رست
برای مدیریت ملانوئیدینها در رست، این اصول کاربردی هستند:
- رستر باید رنگ را شاخص نتیجه حرارتی بداند و آن را اندازه مستقیم ملانوئیدین تلقی نکند.
- رستر باید رطوبت و فعالیت آبی دانه سبز را ثبت کند، زیرا این متغیرها زمان دسترسی واکنشدهندهها به پنجره مایلارد را تغییر میدهند.
- رستر باید زمان و دمای مراحل زردشدن تا ترک اول را همراه با اتلاف جرم ثبت کند، زیرا هیچ متغیر منفردی تاریخچه واکنش را کامل توضیح نمیدهد.
- رستر باید رنگ یکسان را با کاپینگ و سنجش استخراجپذیری تکمیل کند، زیرا ساختارهای قهوهای یکسانی از هر پروفایل حاصل نمیشوند.
- رستر باید برای هدف حسی تعادل ایجاد کند، زیرا افزایش تیرگی میتواند بادی و رنگ را بیشتر کند، اما وضوح عطر، اسیدهای کلروژنیک و ظرفیت آنتیاکسیدانی کل را کاهش دهد.
اگر هدف، بادی بیشتر بدون طعم سوخته باشد، افزایش کنترلشده واکنشهای قهوهایشدن باید با جلوگیری از توقف طولانی در دمای بالا همراه شود. اگر هدف، وضوح عطری و اسیدیته روشن باشد، تشکیل کافی ساختار و شیرینی باید بدون تخریب شدید پیشسازهای فرّار انجام شود. این اهداف از یک عدد ثابت برای زمان توسعه به دست نمیآیند و به دانه و سامانه رست وابسته هستند.
۶. روشهای آزمایشگاهی شناسایی و اندازهگیری ملانوئیدینها
هیچ روش مرجع واحدی تمام ملانوئیدینهای قهوه را بهطور اختصاصی اندازهگیری نمیکند. آزمایشگاه ابتدا باید تعریف کند که «ملانوئیدین» در آن مطالعه به چه معنا است. این تعریف میتواند ماده جذبکننده در ۴۲۰ نانومتر، فراکسیون بزرگتر از ۱۰ کیلودالتون، ماده قهوهای دارای نیتروژن یا یک جمعیت جداشده با کروماتوگرافی باشد. مقایسه نتایج فقط زمانی معتبر است که تعریف، روش استخراج و مبنای گزارش یکسان باشند. [1] [3]
۶.۱ آمادهسازی و جداسازی نمونه
نمونه میتواند از دانه آسیابشده، نوشیدنی، قهوه فوری یا تفاله استخراج شود. آب داغ رایجترین حلال برای مطالعه ملانوئیدینهای نوشیدنی است. نسبت قهوه به آب، دما، زمان، اندازه ذره و نوع فیلتر باید ثابت بمانند، زیرا این متغیرها بازده استخراج را تغییر میدهند.
پس از استخراج، روشهای زیر بهکار میروند:
- دیالیز مولکولهای کوچک و نمکها را از کیسه نیمهتراوا خارج میکند و فراکسیون بزرگتر از حد برش را نگه میدارد.
- اولترافیلتراسیون و دیافیلتراسیون فراکسیونها را با غشاهای معمولاً ۳، ۱۰، ۳۰ یا ۱۰۰ کیلودالتون جدا و شستوشو میدهند.
- کروماتوگرافی طرد اندازه جمعیتها را بر اساس حجم هیدرودینامیکی تفکیک میکند.
- کروماتوگرافی تبادل یونی جمعیتها را بر اساس بار سطحی جدا میکند.
- کروماتوگرافی برهمکنش هیدروفوب تفاوت سطح هیدروفوب ساختارها را بررسی میکند.
- رسوبدهی انتخابی با اتانول یا معرف یاریو بعضی فراکسیونهای گالاکتومانان یا آرابینوگالاکتان-پروتئین را غنی میکند. [2] [3]
تیمار با محلول نمک غلیظ و سپس دیافیلتراسیون میتواند بخشی از مواد کمجرم متصل بهصورت غیرکووالانسی را حذف کند. این مرحله برای تفکیک فعالیت اسکلت ملانوئیدینی از فعالیت مواد همراه اهمیت دارد. بازیابی جرمی در تمام مراحل باید گزارش شود، زیرا جذب روی غشا، رسوب و نگهداشت در ستون میتوانند باعث اتلاف انتخابی شوند.
۶.۲ اندازهگیری رنگ و مقدار ظاهری
طیفسنجی UV–Vis سادهترین روش پایش است. جذب معمولاً در ۴۰۵، ۴۲۰ یا ۴۴۰ نانومتر اندازهگیری میشود. نتیجه میتواند بهصورت جذب در طول مسیر مشخص، ضریب جذب ویژه بر حسب جرم خشک یا شاخص قهوهایشدن گزارش شود.
این روش سریع و تکرارپذیر است، اما سه محدودیت اصلی دارد:
- روش، هر ماده جذبکننده در طول موج انتخابی را اندازه میگیرد و اختصاصی ملانوئیدین نیست.
- ضریب جذب میان نمونهها ثابت نیست و به ساختار رنگبر وابسته است.
- کدورت و ذرات معلق پراکندگی نور ایجاد میکنند و جذب ظاهری را بالا میبرند.
یک رویکرد بهتر، ترکیب جذب نوری با جرم خشک فراکسیون، مقدار نیتروژن و پروفایل کروماتوگرافی است. پارامترهایی مانند Kmix نیز برای برآورد سهم رنگبر در مخلوط فراکسیونها توسعه یافتهاند، اما این پارامترها همچنان به کالیبراسیون و مدل مطالعه وابسته هستند. [3]
۶.۳ تعیین ترکیب و ساختار
برای تعیین ترکیب، چند روش مکمل لازم است:
- آنالیز عنصری مقدار کربن، هیدروژن، نیتروژن و گاهی گوگرد را اندازه میگیرد و نسبتهای عنصری را مشخص میکند.
- روش کجلدال یا دوما نیتروژن کل را اندازه میگیرد و سهم تقریبی مواد نیتروژندار را نشان میدهد.
- هیدرولیز و کروماتوگرافی قندها ترکیب آرابینوز، گالاکتوز، مانوز، گلوکز و سایر مونوساکاریدها را مشخص میکند.
- هیدرولیز پروتئین و آنالیز آمینواسید باقیماندههای پروتئینی و تغییرات آنها را بررسی میکند.
- صابونیکردن، هیدرولیز یا شکافت قلیایی همراه با HPLC یا LC–MS مواد فنولی استری و متراکم را آزاد و اندازهگیری میکند. [7] [8]
- FTIR و Raman گروههای عاملی و تغییرات کلی پیوندها را مقایسه میکنند.
- NMR یکبعدی و دوبعدی محیطهای کربنی و هیدروژنی و برهمکنش با لیگاندها را بررسی میکند.
- طیفسنجی جرمی قطعات کمجرم، محصولات هیدرولیز و بعضی واحدهای ساختاری را شناسایی میکند.
- SEC یا HPSEC با آشکارسازهای UV، ضریب شکست و پراکندگی نور توزیع اندازه، رنگ و جرم ظاهری را همزمان بررسی میکند.
هیچکدام از این روشها بهتنهایی ساختار کامل را بازسازی نمیکنند. ناهمگنی، نامحلولشدن بخشی از نمونه و تخریب هنگام هیدرولیز، شناسایی را دشوار میکنند. نتیجه معتبر باید از همگرایی چند روش حاصل شود.
۶.۴ سنجش فعالیت و کنترل خطا
آزمونهای ABTS، DPPH، FRAP و ORAC جنبههای متفاوتی از ظرفیت آنتیاکسیدانی را اندازه میگیرند. انتخاب حلال، pH، زمان واکنش و استاندارد مرجع نتیجه را تغییر میدهد. رنگ ذاتی ملانوئیدین میتواند با خوانش نوری آزمون تداخل کند. بلانک رنگی نمونه و تصحیح جذب زمینه برای کاهش این خطا ضروری هستند.
اتصال برخط HPSEC به آشکارسازی آنتیاکسیدانی پس از ستون، سهم فراکسیونهای پرجرم و کمجرم را جدا میکند. این روش نشان میدهد که کدام بخش از کروماتوگرام رادیکال را مهار میکند و برای مطالعه اثر رست مناسب است. با این حال، رقیقشدن در ستون و تفاوت سینتیک واکنش آشکارساز باید کنترل شوند. [12]
یک پروتکل مقایسهای مناسب برای رست میتواند این مراحل را اجرا کند:
- آزمایشگاه نمونههای سبز، روشن، متوسط و تیره را از یک ماده اولیه تهیه میکند.
- آزمایشگاه اندازه ذره، نسبت استخراج، دما و زمان استخراج را ثابت نگه میدارد.
- آزمایشگاه جذب ۴۲۰ نانومتر، ماده خشک محلول و توزیع
HPSECرا اندازهگیری میکند. - آزمایشگاه فراکسیون بزرگتر از ۱۰ کیلودالتون را جدا میکند و بازیابی جرمی را گزارش میدهد.
- آزمایشگاه نیتروژن، قند، فنول متصل و فعالیت آنتیاکسیدانی را روی همان فراکسیون اندازهگیری میکند.
- آزمایشگاه دادهها را بر حسب جرم قهوه، جرم نوشیدنی و جرم فراکسیون گزارش میکند.
- آزمایشگاه نتایج شیمیایی را با رنگ رست و ارزیابی حسی مقایسه میکند.
این طراحی از یک خطای رایج جلوگیری میکند. افزایش جذب ۴۲۰ نانومتر ممکن است از افزایش تعداد رنگبرها، تغییر قدرت جذب هر رنگبر یا افزایش استخراج ماده قهوهای ناشی شود. فقط ترکیب داده جرمی، طیفی و کروماتوگرافی میتواند این حالتها را از یکدیگر جدا کند.
جمعبندی
ملانوئیدین قهوه یک مولکول مشخص نیست. این اصطلاح خانوادهای ناهمگن از مواد قهوهای و نیتروژندار را توصیف میکند که در مراحل پیشرفته واکنش مایلارد و در برهمکنش با کاراملیزاسیون، اکسیداسیون فنولها و پیرولیز تشکیل میشوند. پلیساکاریدها، پروتئینها و اسیدهای کلروژنیک در ساختار جمعیتهای اصلی این خانواده مشارکت میکنند.
ملانوئیدینها رنگ نوشیدنی را بهشدت تعیین میکنند و از طریق ماده خشک پرجرم و پلیساکاریدهای همراه، در بادی و حس دهانی مشارکت میکنند. آنها همچنین تیولهای عطری و سایر لیگاندها را متصل میکنند و میتوانند آزادسازی عطر، تلخی و گسی را تعدیل کنند. با این حال، بادی و پروفایل حسی حاصل اثر همزمان روغنها، ذرات، پلیساکاریدها، اسیدها، آلکالوئیدها و ترکیبات فرّار هستند و نباید فقط به ملانوئیدین نسبت داده شوند.
فراکسیونهای ملانوئیدینی در آزمونهای شیمیایی فعالیت آنتیاکسیدانی نشان میدهند و میتوانند مانند فیبر مایلاردشده به روده بزرگ برسند. شواهد آزمایشگاهی ظرفیت آنتیاکسیدانی، کلاتهکنندگی و اثر بر میکروبیوتا را پشتیبانی میکنند. با این حال، داده انسانی اختصاصی هنوز برای ادعای پیشگیری یا درمان بیماری کافی نیست.
پیشرفت رست معمولاً تشکیل رنگبرها و جمعیتهای پرجرم را افزایش میدهد، اما تخریب، اکسیداسیون و کاهش حلالیت نیز همزمان رخ میدهند. به همین دلیل، تیرگی بیشتر با افزایش خطی ملانوئیدین محلول یا ظرفیت آنتیاکسیدانی کل برابر نیست. شکل پروفایل، دمای دانه، زمان، رطوبت اولیه و انتقال حرارت میتوانند در رنگ نهایی مشابه، ساختارهای متفاوتی بسازند.
اندازهگیری ملانوئیدین به یک تعریف عملیاتی روشن نیاز دارد. جذب ۴۲۰ نانومتر برای پایش رنگ مناسب است، اما سنجش اختصاصی محسوب نمیشود. دیالیز، اولترافیلتراسیون، HPSEC، آنالیز عنصری، آنالیز قند و پروتئین، روشهای فنولی، NMR و طیفسنجی جرمی باید بهصورت مکمل استفاده شوند. تنها با این رویکرد چندروشی میتوان تشکیل، ساختار، نقش حسی و فعالیت زیستی ملانوئیدینهای قهوه را با دقت تفسیر کرد.
منابع
- Moreira, A. S. P., Nunes, F. M., Domingues, M. R., & Coimbra, M. A. (2012). Coffee melanoidins: structures, mechanisms of formation and potential health impacts. Food & Function, 3, 903–915. DOI: 10.1039/C2FO30048F
- Iriondo-DeHond, A., Elizondo, A. S., Iriondo-DeHond, M., Ríos, M. B., Mufari, R., Mendiola, J. A., Ibáñez, E., & del Castillo, M. D. (2021). Interest of coffee melanoidins as sustainable healthier food ingredients. Frontiers in Nutrition, 8, 730343. DOI: 10.3389/fnut.2021.730343
- Bekedam, E. K. (2008). Coffee brew melanoidins: Structural and functional properties of brown-colored coffee compounds [Doctoral dissertation, Wageningen University]. DOI: 10.18174/122022
- Martins, S. I. F. S., Jongen, W. M. F., & van Boekel, M. A. J. S. (2000). A review of Maillard reaction in food and implications to kinetic modelling. Trends in Food Science & Technology, 11(9–10), 364–373. DOI: 10.1016/S0924-2244(01)00022-X
- Bekedam, E. K., Loots, M. J., Schols, H. A., van Boekel, M. A. J. S., & Smit, G. (2008). Roasting effects on formation mechanisms of coffee brew melanoidins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56(16), 7138–7145. DOI: 10.1021/jf800999a
- Nunes, F. M., & Coimbra, M. A. (2007). Melanoidins from coffee infusions: Fractionation, chemical characterization, and effect of the degree of roast. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55(10), 3967–3977. DOI: 10.1021/jf063735h
- Bekedam, E. K., Schols, H. A., van Boekel, M. A. J. S., & Smit, G. (2008). Incorporation of chlorogenic acids in coffee brew melanoidins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56(6), 2055–2063. DOI: 10.1021/jf073157k
- Perrone, D., Farah, A., & Donangelo, C. M. (2012). Influence of coffee roasting on the incorporation of phenolic compounds into melanoidins and their relationship with antioxidant activity of the brew. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60(17), 4265–4275. DOI: 10.1021/jf205388x
- Delgado-Andrade, C., & Morales, F. J. (2005). Assessing the antioxidant activity of melanoidins from coffee brews by different antioxidant methods. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(20), 7832–7836. DOI: 10.1021/jf0512353
- Gigl, M., Frank, O., & Hofmann, T. (2021). NMR-based studies on odorant–melanoidin interactions in coffee beverages. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 69(50), 15334–15344. DOI: 10.1021/acs.jafc.1c06163
- Hofmann, T., & Schieberle, P. (2002). Chemical interactions between odor-active thiols and melanoidins involved in the aroma staling of coffee beverages. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 50(2), 319–326. DOI: 10.1021/jf010823n
- Smrke, S., Opitz, S. E. W., Vovk, I., & Yeretzian, C. (2013). How does roasting affect the antioxidants of a coffee brew? Exploring the antioxidant capacity of coffee via on-line antioxidant assays coupled with size exclusion chromatography. Food & Function, 4, 1082–1092. DOI: 10.1039/C3FO30348B
- Pérez-Burillo, S., Rajakaruna, S., Pastoriza, S., Paliy, O., & Rufián-Henares, J. A. (2020). Bioactivity of food melanoidins is mediated by gut microbiota. Food Chemistry, 316, 126309. DOI: 10.1016/j.foodchem.2020.126309