תגובת מייאר

תגובת מייאר (באנגלית: Maillard reaction) היא תגובה כימית בין חומצת אמינו לסוכר מחזר המתרחשת בדרך כלל בחום, לקבלת תוצרים בעלי צבע שחום. תגובה זו חיונית בהכנת מגוון מוצרי מזון ובדומה ליצירת קרמל היא מנגנון של השחמה לא-אנזימטית. התגובה קרויה על שמו של הכימאי הצרפתי לואי-קאמי מייאר (Louis-Camille Maillard), שגילה את התגובה במהלך חקירת סינתזת חלבונים בשנת 1912, אף על פי שבאופן מעשי נוצלה כבר בתקופות פרה-היסטוריות.

לתגובה תפקיד חשוב בשיפור המראה והטעם של המזון. תגובה זו מעניקה למזון ארומות, טעמים וצבעים ייחודיים, במיוחד בתהליכים מסורתיים כגון קליית קפה ופולי קקאו, אפיית לחם ועוגות, קלייה של דגנים ובישול בשר. יתרה מכך, במהלך תגובת מייאר נוצרים מגוון רחב של תוצרים בעלי חשיבות משמעותית לערך התזונתי של המזון^[1].

מהלך התגובה ומנגנון כימי

סוכרים מגיבים יחד עם חומצות אמינו וחלבונים ליצירת מגוון רחב של תוצרים, הכוללים גזים ומלנואידים (אנ'), כאשר חלק מהתוצרים תורמים לארומה ולטעם של מזון בעוד שאחרים לצבע ולמרקם. התגובות הראשונות בתהליך מוגדרות היטב אך התגובות המתרחשות בשלבים מתקדמים יותר, כולל היווצרות המלנואידים, עדיין אינן מוגדרות וידועות^[2].

מנגנון התגובה מורכב משלושה שלבים: שלב הדחיסה, שלב הפירוק ושלב הפילמור.

שלב ראשון – דחיסה

מולקולה המכילה קבוצה אמינית (חומצות האמינו הנפוצות המשתתפות בתגובה הן ליזין וארגינין) עוברת דחיסה עם סוכר מחזר בעל קבוצה קרבונילית. כתוצאה מהדחיסה מתקבלים מולקולת מים ובסיס שיף (אימין) שאינו יציב. לצורך קבלת בסיס יציב יותר מתרחשת התארגנות של האלקטרונים, המכונה שחלוף אמדורי (אנ'). אם הסוכר המחזר שהגיב בתחילת התגובה הוא קטוז (מכיל קבוצת קטון) אז ההתארגנות השקולה לשחלוף אמדורי היא התארגנות היינס. שלב זה מתרחש בטמפרטורה גבוהה, הוא הפיך ולא מתקבלים שינויים בצבע החומר המגיב^[3].

שלב שני – פירוק

בשלב זה מתרחשת דגרדציה (פירוק כימי) של תוצרי אמדורי, לקבלת תוצרים ריאקטיבים ביותר הנקראים רדוקטונים. הרדוקטונים משתתפים בתגובות רבות לקבלת תרכובות מגוונות, תרכובות נדיפות בעלות ארומות שונות. כאשר רדוקטונים מגיבים עם חומצת אמינו מתקבל אלדהיד, תגובה זו נקראת דגרדציית שטרקר.

שלב שלישי – פילמור

שלב מתקדם של התגובה בו מתרחשות מגוון תגובות, איזומריזציות ודחיסות נוספות, חלקן מחזוריות, אשר בסופו של דבר מובילות להיווצרות פולימרים חנקניים חומים הידועים כמלנואידים^[2].

גורמים המשפיעים על התגובה

כמו כל תגובה כימית, תגובת מייאר נתונה לבקרה על ידי מספר רב של גורמים כגון: מבנה המולוקולת המגיבות, ריכוזן, טמפרטורה, לחץ, זמן התגובה, פעילות מים של המוצר, pH, ריכוז יוני מתכות, נוכחות אור ונוכחות מעכבים. באופן כללי, תגובת מייאר מזורזת בטמפרטורות גבוהות ובערכי pH גבוהים, כמו גם בנוכחות חלבונים העשירים בחנקנים, במיוחד בחלבונים העשירים בחומצת האמינו ליזין^[1]. הגורמים הללו אחראים על השינויים בארומה, בטעם ובמראה של המזון העובר את התהליך^[4].

השפעות חיוביות ושליליות של תגובת מייאר על מזון

תוצרי תגובת מייאר הם תרכובות פעילות מגוונות, העשויות להשפיע על איכות המזון ועל תכונותיו השונות, כגון טעם, צבע ומרקם. אחד מתוצרי התגובה המוכרים הוא פיראזין, שתורם בין היתר לטעמים של בשר בקר, שעורה קלויה, קקאו, קפה, בוטנים, פופקורן, צ'יפס מתפוחי אדמה ועוד. תוצרים נוספים שיכולים להיווצר במהלך התגובה הם נגזרות פוראן, בעלי ארומה מתוקה וקרמלית של לחם, ביסקוויטים, דבש ודגני בוקר. השינויים בצבעים של מזון שעבר את התגובה מיוחסים בעיקר למלנואידינים, והם אחראים לצבעים האופייניים של קפה, קקאו לחם ועוד.

לצד התרומות החיוביות של תגובת מייאר למזון, לתהליך זה גם מספר חסרונות, כגון: היווצרות קומפלקסים עם חלבונים הגורמת לקשיים בעיכולם בגוף וקבלת תכונות של אמולסיה. בנוסף, נמצא גם שהחומר אקרילאמיד, חומר אשר מעורר חשש רב לסכנה בריאותית, יכול להיווצר בתגובה זו. מצד אחד, תוצרי התגובה יוצרים מאפיינים תחושתיים חיוביים במזון, אך מהצד השני, הם עשויים להיות בעלי השפעות בריאותיות בלתי רצויות על בני אדם. בנוסף, תוצרי התגובה יכולים לגרום לשינויי צבע או טעם לא רצויים במזון, שעלולים להפחית את אטרקטיביות המוצר ולגרום לאובדן בערך התזונתי של המזון עקב הרס של חומצות אמינו חיוניות בכלל והרס של החומצה האמינית ליזין בפרט^[4]^[5].

מאפיינים שליליים ייחודיים של תוצרי התגובה

היווצרות אקרילאמיד

אקרילאמיד הוא תוצר לוואי המתקבל בעקבות תגובת מייאר ספציפית בין החומצה האמינית אספרגין לבין סוכר מחזר. רמת האקרילאמיד משתנה מאוד בהתאם לשיטת עיבוד המזון, שיטת בישול המזון (טיגון, אפייה ועוד) אופי המזון, זמן הבישול, טמפרטורה, פעילות מים, ריכוז האספרגין במוצר וכו׳. אקרילאמיד מסווג כגורם סרטן פוטנציאלי אך עדיין לא ברור אם הוא מגביר את הסיכון לפתח סרטן בקרב בני האדם. ברוב המחקרים אשר התבצעו בבעלי חיים נמצא כי חשיפה לאקרילאמיד מגבירה את הסיכון לפתח מספר סוגים של סרטן. לאחר ספיגתו והפצתו לאיברים השונים, בדגש על הכבד, המוח, הכליות והלב, הוא עובר חמצון על ידי אנזימי ניקוי רעלים (המצויים בכבד, ריאות, כליות ותאי דם לבנים) והופך לאפוקסיד-גליצידמיד תגובתי, חומר הפוגע במטען הגנטי ורעיל יותר מאקרילאמיד. אקרילאמיד וגם גליצידמיד יכולים לעבור שלב ניקוי שני ולהיצמד לגלוטתיון המסלק אותם מהגוף דרך מערכת השתן. עם זאת, לפני יציאתם מהגוף, שני החומרים עלולים להגיב עם הדנ"א, המוגלובין או עם חלבונים אחרים, ליצירת תרכובות העלולות לפגוע בתאים ונחשבים כסמנים ביולוגיים להימצאות אקרילאמיד בגוף לאחר חשיפה. עם זאת השפעת אקרילאמיד על מערכות אנושיות הניבה תוצאות שאינן חד משמעיות לעומת המודלים בבעלי החיים^[6]^[7]^[8].

היווצרות AGES

Advanced glycation end products) AGEs) נוצרים בשלבים מתקדמים של תגובת מייאר במזונות ובמערכות ביולוגיות. תוצרים אלה נוצרים בעיקר על ידי תגובות של סוכר מחזר או תוצרי פירוק של פחמימות, שומנים וחומצה אסקורבית. AGEs קיימים בריכוז גבוה במזון, אך נמצאים בריכוזים נמוכים יחסית ברוב המערכות הביולוגיות. חלק מה-AGEs דווחו כרעילים ועלולים להיות גורמים סיבתיים לסוגים שונים של מחלות, במיוחד סוכרת והפרעות בכליות^[9].

שימושים בתעשיית המזון

תוצר תגובת מייאר הנותר באפיית לחם ונמצא גם בפופקורן Acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine

תגובת מייאר היא הבסיס לתעשיית חומרי הטעם והריח. מאות חומרים נוצרים בצלייה, בטיגון או באפייה בתגובת מייאר, וחלקם מתפרקים עוד לקבלת עוד חומרי טעם וריח. בשביל לייצר את תגובת מייאר נדרשת טמפרטורה של 140 מעלות צלזיוס לפחות, ולכן היא לא תתרחש לרוב במאכלים שנוצרו בבישול. לכל סוג מזון קבוצה אופיינית של חומרים שנוצרו בתגובת מייאר והם הקובעים את הארומה האופיינית לו.

דוגמאות למזונות המקבלים ארומה וצבע מתוצרי תגובת מייאר:

במאפים דוגמת לחם, החומר האחראי לארומה הוא 6-Acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine שניתן לזהותו בהרחה בריכוז של 0.06 ננוגרם לליטר.

אחד החומרים הנוצרים במזון עקב תגובת מייאר שבה חומצת האמינו היא אספרגין, הוא אקרילאמיד.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תגובת מייאר בוויקישיתוף

נעמי זיו, איך סטייק הופך לסטייק?, "מדע בצלחת"
רותי שטנגר, אקרילאמיד במזון על-כימיה, גיליון 17
ד"ר בועז קרני-הראל, תגובת מייאר, באתר מדע גדול, בקטנה, ‏3 לינואר 2019
ד"ר דפנה מנדלר, שחום, ריחני וטעים, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 20 במאי, 2022

הערות שוליים

^ ¹ ² Sara I.F.S Martins, Wim M.F Jongen, Martinus A.J.S van Boekel, A review of Maillard reaction in food and implications to kinetic modelling, Trends in Food Science & Technology 11, 2000-09, עמ' 364–373 doi: 10.1016/S0924-2244(01)00022-X
^ ¹ ² S. E. Fayle, The Maillard reaction, Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2002, ISBN 978-1-84755-210-5
^ Dazhou Zhu, Baoping Ji, Hyang Lan Eum, Manuela Zude, Evaluation of the non-enzymatic browning in thermally processed apple juice by front-face fluorescence spectroscopy, Food Chemistry 113, 2009-03, עמ' 272–279 doi: 10.1016/j.foodchem.2008.07.009
^ ¹ ² Franz Ledl, Erwin Schleicher, New Aspects of the Maillard Reaction in Foods and in the Human Body, Angewandte Chemie International Edition in English 29, 1990, עמ' 565–594 doi: 10.1002/anie.199005653
^ Małgorzata Starowicz, Henryk Zieliński, How Maillard Reaction Influences Sensorial Properties (Color, Flavor and Texture) of Food Products?, Food Reviews International 35, 2019-11-17, עמ' 707–725 doi: 10.1080/87559129.2019.1600538
^ Neda Mollakhalili-Meybodi, Nasim Khorshidian, Amene Nematollahi, Masoumeh Arab, Acrylamide in bread: a review on formation, health risk assessment, and determination by analytical techniques, Environmental Science and Pollution Research International 28, 2021-04, עמ' 15627–15645 doi: 10.1007/s11356-021-12775-3
^ The Maillard reaction : an overview, New York, 2018, ISBN 978-1-5361-4540-3
^ Gema Arribas-Lorenzo, Francisco J. Morales, Recent Insights in Acrylamide as Carcinogen in Foodstuffs, כרך 6, Elsevier, 2012, עמ' 163–193, ISBN 978-0-444-59389-4. (באנגלית)
^ Nguyen Van Chuyen, Toxicity of the AGEs generated from the Maillard reaction: on the relationship of food-AGEs and biological-AGEs, Molecular Nutrition & Food Research 50, 2006-12, עמ' 1140–1149 doi: 10.1002/mnfr.200600144

[:0-1] ¹ ² Sara I.F.S Martins, Wim M.F Jongen, Martinus A.J.S van Boekel, A review of Maillard reaction in food and implications to kinetic modelling, Trends in Food Science & Technology 11, 2000-09, עמ' 364–373 doi: 10.1016/S0924-2244(01)00022-X

[:1-2] ¹ ² S. E. Fayle, The Maillard reaction, Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2002, ISBN 978-1-84755-210-5

[3] Dazhou Zhu, Baoping Ji, Hyang Lan Eum, Manuela Zude, Evaluation of the non-enzymatic browning in thermally processed apple juice by front-face fluorescence spectroscopy, Food Chemistry 113, 2009-03, עמ' 272–279 doi: 10.1016/j.foodchem.2008.07.009

[:2-4] ¹ ² Franz Ledl, Erwin Schleicher, New Aspects of the Maillard Reaction in Foods and in the Human Body, Angewandte Chemie International Edition in English 29, 1990, עמ' 565–594 doi: 10.1002/anie.199005653

[5] Małgorzata Starowicz, Henryk Zieliński, How Maillard Reaction Influences Sensorial Properties (Color, Flavor and Texture) of Food Products?, Food Reviews International 35, 2019-11-17, עמ' 707–725 doi: 10.1080/87559129.2019.1600538

[6] Neda Mollakhalili-Meybodi, Nasim Khorshidian, Amene Nematollahi, Masoumeh Arab, Acrylamide in bread: a review on formation, health risk assessment, and determination by analytical techniques, Environmental Science and Pollution Research International 28, 2021-04, עמ' 15627–15645 doi: 10.1007/s11356-021-12775-3

[7] The Maillard reaction : an overview, New York, 2018, ISBN 978-1-5361-4540-3

[8] Gema Arribas-Lorenzo, Francisco J. Morales, Recent Insights in Acrylamide as Carcinogen in Foodstuffs, כרך 6, Elsevier, 2012, עמ' 163–193, ISBN 978-0-444-59389-4. (באנגלית)

[9] Nguyen Van Chuyen, Toxicity of the AGEs generated from the Maillard reaction: on the relationship of food-AGEs and biological-AGEs, Molecular Nutrition & Food Research 50, 2006-12, עמ' 1140–1149 doi: 10.1002/mnfr.200600144

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]