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FC Browning reactions 2013

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1
FC Browning reactions
Ulf Svanberg
Food Chemistry 2013
MSc Program in Food Technology
Faculty of Chemical Engineering, UEM
 Browning reactions
 Non-enzymatic browning
 Maillard reaction
• reactants
• mechanism
• low molecular products
• melanoids
 Ascorbic acid oxidation
 Inhibition
Ulf Svanberg
Enzymatic
Phenolase-browning
Non-enzymatic
Maillard reaction
Caramelization
Ascorbic acid oxidation
2
Ulf Svanberg
Desirable
Undesirable
Aroma
Anti-oxidants
Colour Anti-microbial
Taste
Burned taste
Nutrient loss
Toxicity
Miscolouring
Mechanisms for browning reactions
Ulf Svanberg
Mechanism Requires 
oxygen 
Requires 
amino group 
PH optimum 
Maillard - + Neutral to alkaline 
Caramelization - - Acid and alkaline 
Asc. oxidation + - Slightly acid 
Phenolase + - Slightly acid 
 
3
What affects the Maillard reaction?
Ulf Svanberg
Maillard products
Time (storage) Temperature 
Fe/Cu pH 
aw Reactants 
The Maillard reaction
Ulf Svanberg
 Reactants:
Reducing sugars + amino acids/proteins
glucose, (fructose), maltose, lactose;
Lys, Arg (with NH2 in the side chain)
 Reaction conditions:
high temperature
water activity 0.5 - 0.8
pH - optimal between 6 - 8
prolonged storage
 Similar to the reaction with monosaccharides in weak
acid/basic environment. Amino acids (N-) catalyses the reaction
faster at lower temp.
Initial formation of N-glycoside
4
The Maillard reaction
Ulf Svanberg
 Condensation – amine/carbonyl
 Rearrangement – enolization
 Fragmentation
 Strecker degradation
 Polymerization – brown color
Steps in the Maillard reaction
First reaction steps in the Maillard reaction
Ulf Svanberg
Amadori
compound
Formation of Amadori compound
 Present in e.g. dried fruit and dried milk 
(reaction with lysine and lactose)
Source: Coultate p. 34, Figure 2.13
5
…cont.
Ulf Svanberg
Formation of an Amadori compound during storage 
of skim-milk powder
 Lysin no longer available for absorption in humans
 70% of lysin reacted in a mixture of
glucose and casein during storage for 5 days
at 37oC; cp. storage of milk in the tropics
Source: Coultate p. 39, Figure 2.17
N-containing polymers Brown colour
Ulf Svanberg
Simplified scheme of the Maillard reaction
pH<7.0 pH>7.0
6
Reactions with Amadori compounds,
Ulf Svanberg
Hydroxymethyl furfural
…isomaltol


-dicarbonyl
…maltol
Diacetyl and acetol
(aroma compounds) 
 Flavour and aroma compounds in bread
Source: Coultate p. 35, Figure 2.14
…and -dicarbonyl – The Strecker degradation
Ulf Svanberg
Strecker aldehyde -
derived from valine
…and condensation into a pyrazine (aroma compound)
e.g. chocolate and roast meat
Source: Coultate p. 37, Figure 2.15
7
Amadori products in dried carrots
Ulf Svanberg
Increase of Amadori compounds in two stage air drying of carrots as 
influenced by carrot moisture content. 
(— 10, 20, 30 min at 110°C; and then at --- 60°C; 
Sensory assessment: 1) detection threshold, 2) quality limit.
Source: Belitz et al. p. 289, Figure 4.10 (adopted from Waller 
and Feather (1983) in “Maillard reaction in foods and nutrition”)
Strecker degradation of Ascorbic acid
Ulf Svanberg
 Formed in e.g. fruit juices
Brown
pigments
Red 
colour
Sorbamic acid
See Belitz et al. p. 425.
Cp. Ascorbic acid
8
Formation of Acrylamide
Ulf Svanberg
Where Z is,
-CH2CONH2 (side chain in Asn)
-CH2CH2SCH3 (side chain in Met)
Acrylamide formation at temp. of
140 - 180oC.
Cp. potato – high content of
free Asn + free glucose.
with Asn
with Met
z
Source: Mottram et al. (2002) Nature vol. 419:448 and 
Stadler et al. (2002) Nature vol. 419:449.
See Coultate pp. 44-47.
Acrylamide formation from Asn and Glucose
Ulf SvanbergSource: Coultate p. 47, Figure 2.18
9
Formation of mutagenic compounds
Ulf Svanberg
 Formation at rel. low temp. in grilled beef- and fish meat
Mutagenic compounds
IQ – Imidoazo-Quinoline
MeIQ – MethylImidoazo-
Quinoline
MeIQx - MethylImidoazo-
Quinoxaline
Reactants: 
Intermediate products in the Maillard reaction, 
creatinine and amino acids (see also Proteins in foods)
pyrazine
pyridine
creatinine
See: Fennema, pp. 774-776 and Belitz, pp. 24-29
How to control the Maillard reaction?
Ulf Svanberg
Maillard products
Dilution with waterLower temp 
Sulfite
Lower pH 
Lower aw 
10
Inhibition of the Maillard reaction with sulfite
Ulf Svanberg
 Sulfite reacts with carbonyl groups to colourless compounds
and inhibits further reactions with carbonyl groups in the 
Maillard reaction
Colourless
Colourless

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