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An analytical concept is developed for the on-line investigation of the temporal and spatial dynamics in ortho- and retronasal odor perception. It aims at the elucidation of the relationship between the molecular level and perception during and after administration of a chemical stimulus. One basic principle is to apply precisely defined odorous stimuli, and to measure their temporal characteristics using an on-line analytical technique, proton-transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS). In parallel, the subjects' response to the stimulus can be investigated with electrophysiological and psychophysical techniques. This approach can be modified to elucidate the processes involved in the perception of food and drinks. Panellists may take an active role as they modulate chemosensations with certain patterns of mastication/swallowing. Using videofluoroscopy or real-time magnetic resonance imaging these mechanical oropharyngeal processes may be visualized.

In order to better understand the performance of food products during the actual process of eating, it is important to develop techniques that allow exploring foods in-vivo and in real-time during consumption. Here we present first results on the simultaneous anal. of the eating process, combining two techniques. This includes real-time magnetic resonance imaging (MRI) to visualize the mastication, breakdown and swallowing and online nose-space anal. by proton-transfer-reaction mass-spectrometry (PTR-MS) to monitor the in-mouth aroma release.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt zum einen in der Untersuchung zur Ausbildung des Hopfenaromas und zum anderen in der Ableitung technologischer Parameter zur Erzeugung hopfenaromatischer Biere. Die Anwendung spezieller Analysenmethoden und eines neu entwickelten Verkostungsschemas ermöglichen die Differenzierung der durchgeführten technologischen Versuche. Die Untersuchungen erstrecken sich vom eingesetzten Hopfenmaterial über die Bedingungen im Sudhaus bis hin zum forciert gealterten Bier. Die Erarbeitung einer Sufenkontrolle über den Linaloolgehalt ermöglicht die Kontrolle über das zu erwartende Hopfenaroma im Bier. The focal point of this work is on the one side the investigation in the formation of the hop flavor in beer and on the other side the declaration of technological parameters to produce hop flavored beers. New analytical methods and a special sensory scheme make it possible to differentiate the technological experiments in this work. Investigations were done in hops as well as in different conditions in the brewhouse and in staled beer. A step by step control using the linalool amount allows the control of the estimated intensity of the hop flavor in beer.

The Maillard reaction, which produces a plethora of color and flavor compounds, is also responsible for the formation of acrylamide, an undesirable processing contaminant. Acrylamide is a Group 2a carcinogen and was discovered in a variety of popular foods, notably those derived from potatoes and cereals, as well as coffee, in 2002. It forms from free asparagine and reducing sugars, with free asparagine concentration being the main determinant of acrylamide-forming potential in cereal products but reducing sugar concentration being more important in potatoes, the difference arising from the relative concentrations of free asparagine and reducing sugars in the different raw materials. The European Commission set ‘indicative’ levels for acrylamide in food in 2011 and 2013, and is currently reviewing its options for further measures, making the issue one of the most difficult facing the cereal and potato supply chains. Here we review research into agronomic and genetic approaches to reducing the acrylamide-forming potential of wheat, rye and potato.

Syntheses of the labeled Amadori compound [(13)C(6)]-N(epsilon)-(1-deoxy-D-fructos-1-yl)-L-lysine ([(13)C(6)]-DFLys) and the labeled glycated tetrapeptide Ala-[(13)C(6)]-DFLys-Leu-Gly are presented. The compounds were used in the development of stable isotope dilution assays for the quantification of the degree of glycosylation of bovine serum albumin treated for 20 min at 95 degrees C in the presence of glucose. The experiments revealed that the use of the labeled standards in combination with LC/MS allowed the exact quantification of protein-bound DFLys with the high recovery rate of 95% (at a spike level of 150 nmol/mg of protein) and a low detection limit of 5 nmol/mg of protein. The data revealed, however, that DFLys is significantly degraded during the enzymic hydrolysis of the protein backbone generally needed in the quantification procedure and, furthermore, incomplete digestion of the protein was observed. Both sources of errors were clearly overcome by using in particular the labeled peptide as the internal standard.

ISBN-10: 3-938896-38-9 ISBN-13: 978-3-938896-38-9

Flüchtige Inhaltsstoffe von Rhabarber (Rheum rhabarbarum L.) wurden durch Vakuum Headspace Technik (VHS) isoliert und mittels kapillargaschromatographisch/massen-spektrometrischer Methoden untersucht. Die VHS-Extrakte besaßen einen grünen, an geschälte Rhabarberstiele erinnernden Geruch. In dem Spektrum flüchtiger Verbindungen überwogen die C6-Komponenten mit einem Anteil >65 %. Neben ungesättigten Aldehyden ((Z)-3-Hexenal, (E)-2-Hexenal) sowie den entsprechenden Alkoholen ((E)-2-Hexenol, (Z)-3-Hexenol) wurden auch die in pflanzlichen Systemen seltener vorkommenden C6-Säuren ((E)-2-Hexensäure, (E)-3-Hexensäure) nachgewiesen. Geruchsaktive Komponenten wurden mit Hilfe von Kapillargaschromatographie/Olfaktometrie (GC/O) und unter Einsatz der Aromaextraktverdünnungsanalyse ermittelt. Die Bestimmung von Aromawerten zeigte, dass die C6-Verbindungen eine wichtige Rolle für das Aroma ungekochter Rhabarberstiele spielen. Untersuchungen zum Einfluss enzymkatalysierter Reaktionen zeigten, dass das nach Zerkleinerung des Gewebes freigesetzte Spektrum an C6-Verbindungen durch komplexe Folgeraktionen rasch verändert wird. Isomerisierungen und Reduktionen führen zu quantitativen Verschiebungen, woraus unterschiedliche sensorische Beiträge der C6-Komponenten zum Aroma frisch geschälter bzw. durch nachfolgende Reaktionen “gealterter” Rhabarberstiele resultieren. Eine weitere wichtige Gruppe flüchtiger Verbindungen von Rhabarberstielen stellten methylverzweigte Verbindungen dar. Neben den 2-methylverzweigten Vertretern (2-Methylbutanol und 2-Methylbuttersäure) wurden auch die ungewöhnlicheren 4-methylverzweigten Komponenten (4-Methylhexanol und 4-Methylhexansäure) nachgewiesen. Die Enantiomerenzusammensetzungen dieser chiralen Verbindungen wurden mittels Multidimensionaler Gaschromatographie unter Verwendung von Heptakis(2,3,6-tri-O-ethyl)-β-Cyclodextrin als chirale stationäre Phase bestimmt. Die methylverzweigten Verbindungen lagen mit deutlichen Überschüssen an (R)-Enantiomeren vor. Unterschiedliche Isolierungstechniken hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Enantiomerenzusammensetzungen der Komponenten. Die sensorische Bewertung von 4-Methylhexanol und 4-Methylhexansäure mittels GC/O zeigte, dass die Enantiomere unterschiedliche Geruchsqualitäten aufweisen. Als zusätzliche Methoden zur Isolierung flüchtiger Inhaltsstoffe aus Rhabarbersaft wurden die Flüssig-Flüssig Extraktion (LLE) und die Simultane Destillation-Extraktion (SDE) eingesetzt. Die LLE-Extrakte wiesen einen zwar auch grünen jedoch stechenderen Charakter auf als die VHS-Extrakte; nach Anwendung der SDE war darüber hinaus eine Kochnote erkennbar. Die Anteile der Hauptstoffgruppen (C6-Komponenten, Methylverzweigte Alkohole und Säuren) stimmten mit den in den VHS-Extrakten beobachteten Verteilungen überein. In den LLE-Extrakten waren jedoch deutlich höhere Mengen an Essigsäure und (E)-2-Hexensäure enthalten. Nach Einsatz der SDE wurden typische Indikatorsubstanzen für thermische Belastung (Furfural, Pyrrol, Linalooloxid) detektiert. Die Bedingungen der LLE und SDE führten zu unterschiedlichen Bevorzugungen enzymatisch/chemisch-katalysierter Isomerisierungen und Reduktionen, so dass die Spektren an C6-Komponenten sich in Abhängigkeit von der eingesetzten Methode unterschieden. Nach Kochen eines Rhabarber/Wasser-Homogenats (15 Min.) unter Rückfluss wurde mittels LLE eine neue Verbindung nachgewiesen, deren Struktur auf Grundlage der massenspektrometrischen Daten als 5-Hydroxyfurfural postuliert wurde. Frischer Rhabarber und industriell hergestellte Rhabarber-Konzentrate unterschieden sich signifikant in den Spektren flüchtiger Verbindungen. Die in frisch geschnittenen Rhabarberstielen vorherrschenden C6-Verbindungen spielten in den Konzentraten, die einen sauren sowie gekochten, karamelartigen und an Pflaumenmus erinnernden Geruch zeigten, nur eine untergeordnete Rolle. Aus der Klasse der methylverzweigten Komponenten wurden 2-Methylbutanol, 2-Methylpropanol und ihre entsprechenden Säuren sowie 4-Methylhexanol identifiziert. Neben Essigsäure wurden typische Beispiele für Verbindungen gefunden, die durch thermische Belastung des pflanzlichen Ausgangsmaterials im Zuge der Konzentrierung gebildet wurden. Neben den dominierenden Furanen (5-Hydroxymethylfurfural und Furfural) wurden andere heterocyclische Verbindungen, wie γ-Pyrone (Maltol, 5-Hydroxymaltol und 5-Hydroxy-(5,6)-dihydromaltol) und 2-Formylpyrrol als typische Maillard-Produkte nachgewiesen. In kommerziellen, auf der Basis naturidentischer Aromastoffe aufgebauten Aromen mit der Geruchsnote “Rhabarber” stellten 1-Phenylethylacetat und 1-Phenylethanol, die in Rhabarber nicht nachgewiesen wurden, die Hauptkomponenten dar. Volatiles of rhubarb (Rheum rhabarbarum L.) stalks were isolated by means of vacuum headspace method (VHS) and analyzed by capillary gas chromatography/mass spectrometry. The VHS extracts possessed a “green” odor reminiscent of freshly peeled rhubarb stalks. The spectrum of compounds was dominated (>65 %) by compounds with C6-skeletons. In addition to unsaturated C6-aldehydes ((Z)-3-hexenal, (E)-2-hexenal) and the corresponding alcohols ((E)-2-hexenol, (Z)-3-hexenol), C6-acids ((E)-2- and (E)-3-hexenoic acid), which are less common in plant systems, were also detected. Aroma extract dilution analysis and gas chromatography-olfactometry were applied to characterize aroma-active constituents. The determination of odor activity values revealed the sensory importance of the C6-compounds to the aroma of uncooked rhubarb stalks. Investigations of the influence of enzyme-catalyzed reactions demonstrated that the initial spectrum of C6-components formed after disrupting the cell matrix is changed rapidly due to subsequent reactions. Isomerizations and reductions lead to quantitative changes resulting in different sensory contributions of C6-compounds to the aroma of sliced rhubarb stalks and to the aroma of rhubarb stalks “aged” by enzyme-catalyzed reactions, respectively. Methyl-branched compounds constitute another important class of rhubarb stalk volatiles. In addition to 2-methyl-branched compounds (2-methylbutanol and 2-methylbutyric acid), the less usual 4-methyl-branched compounds (4-methylhexanol and 4-methylhexanoic acid) were identified. The enantiomeric compositions of these chiral constituents were determined via multidimensional gas chromatography using heptakis(2,3,6-tri-O-ethyl)-b-cyclodextrin as chiral stationary phase. For all methyl-branched compounds enantiomeric ratios in favor of the (R)-enantiomers were observed. The isolation procedure applied had no significant impact on the enantiomeric ratios. The sensory evaluation of 4-methylhexanol and 4-methylhexanoic acid enantiomers via GC/O revealed differences in odor qualities between the enantiomers. Liquid-liquid extraction (LLE) and simultaneous distillation-extraction (SDE) were applied as additional techniques to isolate volatile constituents from rhubarb juice. The LLE extracts also possessed a “green” odor; however, they exhibited a more pungent character than the VHS extracts. In the extracts obtained by SDE additional cooked notes were detectable. The proportions of the major compound classes (C6-components, methyl-branched alcohols and acids) were in agreement to those observed in VHS extracts. However, LLE extracts contained higher amounts of acetic acid and (E)-2-hexenoic acid. The application of SDE resulted in the formation of compounds indicative of thermal treatment (2-furaldehyde, pyrrole, linalool oxide). The conditions of LLE and SDE led to different preferences of enzyme-catalyzed/chemical isomerisations and reductions. In consequence, the spectra of C6-compounds were dependent on the applied method. After cooking a rhubarb-water homogenate (15 min, reflux), a new component was isolated by means of LLE, which was postulated on the basis of mass spectrometric data as 5-hydroxyfurfural. Fresh rhubarb stalks and industrially produced rhubarb concentrates differed significantly in their spectra of volatile constituents. The C6-components dominating in uncooked rhubarb stalks play only minor roles in the extracts obtained from concentrates, which possessed pungent, cooked and caramel-like odor reminiscent of plum jam. 2-Methylbutanol, 2-methylpropanol and the corresponding acids were identified as representatives of methyl-branched compounds. In addition to acetic acid, typical compounds formed as consequence of thermal treatment of plant material in the course of the concentration process were present. Besides the preponderant furanes (5-hydroxymethylfuraldehyde and 2-furaldehyde), other heterocyclic compounds such as g-pyrones (maltol, 5-hydroxymaltol and 5-hydroxy-(5,6)-dihydromaltol) and 2-formylpyrrole were detected as typical Maillard products. In commercial rhubarb flavorings composed on the basis of nature-identical compounds 1-phenylethyl acetate and 1-phenylethanol, which had not been identified in rhubarb stalks, were the most prominent constituents.

The suitability of on-line LC-GC as analytical approach for the authenticity assessment of fats and oils was investigated. Flexibility and usefulness of the technique were demonstrated by the analysis of several minor lipid constituents (sterols, steryl esters, diterpenes) in various matrices (milk fat, cocoa butter and coffee oil). The results obtained by on-line LC-GC methods were compared with those determined by traditional methods. Scope and limits of these minor constituents as marker compounds were discussed. Die Eignung der Kopplung von Hochdruckflüssigkeitschromatographie und Kapillargaschromatographie (on-line LC-GC) für die Authentizitätskontrolle von Fetten und Ölen wurde untersucht. Anhand der Analyse von Minorbestandteilen (Sterole, Sterylester, Diterpenderivate) in unterschiedlichen Matritzen (Milchfett, Kakaobutter, Kaffeeöl) wurden Flexibilität und Nützlichkeit der Technik demonstriert. Die Ergebnisse der entwickelten Methoden wurden mit denen traditioneller Analyseverfahren verglichen und die Bedeutung der jeweiligen Markersubstanzen für die Authentizitätskontrolle diskutiert.

Analysis of the chemical composition represents an important step in the safety assessment of genetically modified foods. In addition to the targeted investigation of single compounds, non-destructive techniques and metabolite profiling methodologies can be applied for analysis of low-molecular weight food constituents. In the present study, the suitability of these approaches for the analytical characterisation of rice grains within a food safety assessment framework was investigated. Potential and limitations of the techniques were exemplarily demonstrated by analysis of low-molecular weight compounds in conventional and genetically modified (GM) rice grains. The suitability of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) for non-destructive determination of minor compounds was investigated by using phytic acid, an anti-nutritional rice grain constituent, as example. Applicability of the methodology for rapid screening of rice samples from different origins regarding low, medium, and high phytic acid contents was demonstrated. Results obtained by NIRS for GM and parental rice lines were in agreement with those determined by the traditional method. Sample preparation is reduced to a minimum by the non-destructive approach. However, extensive calibration and validation is required in order to gain reliable results by means of NIRS. Assessment of NIRS data obtained from GM lines has to take into account spectral features of corresponding parental lines. A gas chromatographic metabolite profiling method for unbiased screening of a broad spectrum of compounds was elaborated using rice as model crop. It is based on a fractionation approach which eventually allows non-targeted investigation of major and minor rice grain constituents. General applicability of the technique for analysis of cereals with metabolite compositions similar to rice was demonstrated. Reliability of the profiling approach was proven by investigation of rice, maize and barley samples with known and expected differences on the metabolite level. Software tools for comparative analysis of metabolite profiling data were developed. They include methods for manual and automated correction of retention times and responses by means of corresponding standards. This allows transfer of normalised datasets into databases and eventually automated unbiased chromatogram comparison. Application of the metabolite profiling methodology to the analysis of GM and conventional rice revealed the suitability of a non-targeted approach for detection of statistically significant differences between metabolite levels in different genotypes. The usefulness of databases established through investigation of a broad spectrum of conventional rice cultivars for evaluation of differences in metabolite profiling data was demonstrated. The unbiased screening of a broad spectrum of compounds combined with powerful methods for data analysis may help to increase the chances to detect unintended effects due to the application of recombinant DNA techniques. Die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung stellt einen wichtigen Bestandteil der Sicherheitsbewertung gentechnisch veränderter Lebensmittel dar. Neben der spezifischen Analyse von Einzelverbindungen können nicht-destruktive Verfahren und Screening–Techniken zur Untersuchung niedermolekularer Lebensmittelinhaltsstoffe eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Methodenansätze hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur chemisch-analytischen Charakterisierung von Reis im Rahmen einer Sicherheitsbewertung beurteilt. Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken wurden beispielhaft anhand der Untersuchung konventioneller und gentechnisch veränderter Reissorten aufgezeigt. Die Eignung der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) zur nicht-destruktiven Analyse von Minorbestandteilen wurde am Beispiel der Phytinsäure, einem Reisinhaltsstoff mit antinutritiven Eigenschaften, untersucht. Es wurde gezeigt, dass die NIRS bei minimalem Probenvorbereitungsaufwand zur schnellen Einteilung von Reissorten nach hohem, mittlerem und niedrigem Phytinsäuregehalt geeignet ist. Die mit der NIRS erhaltenen Ergebnisse für konventionelle und gentechnisch veränderte Reissorten stimmten gut mit denen der klassischen nasschemischen Referenzmethode überein. Dies setzte jedoch einen erheblichen Aufwand für die Kalibration und Validation voraus. Weiterhin stellte sich heraus, dass die Beurteilung quantitativer NIRS Daten für die gentechnisch veränderten Linien nur unter Einbeziehung der Daten für die Elternlinien möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein gaschromatographisches Analysenverfahren entwickelt, welches das Screening eines breiten Spektrums niedermolekularer Stoffe in Reis als Modell-Lebensmittel erlaubt. Das Prinzip der Methode besteht in der Anwendung von Fraktionierungsschritten, die schließlich eine separate Untersuchung der Haupt- und Minorbestandteile von Reis ermöglichen. Die allgemeine Anwendbarkeit der zugrundegelegten Analysenprinzipien für Getreidesorten mit einer dem Reis ähnlichen Zusammensetzung wurde demonstriert. Die Verlässlichkeit der mit dem Screeningverfahren erhaltenen Ergebnisse wurde durch die vergleichende Untersuchung von Reis-, Mais- und Gerstenproben mit bekannten bzw. vorhersehbaren Unterschieden in der Metabolitenzusammensetzung bestätigt. Zur vergleichenden Auswertung der komplexen Daten wurde eine Software erarbeitet. Sie ermöglicht eine Normalisierung von Chromatogrammen mit Hilfe von Werkzeugen zur automatischen und manuellen Korrektur von Rententionszeit- und Responseunterschieden. Dies erlaubt die Aufnahme standardisierter Datensätze in Datenbanken und schließlich einen automatisierten Chromatogrammvergleich. Bei der vergleichenden Untersuchung von gentechnisch verändertem und konventionellem Reis wurde gezeigt, dass mit Hilfe des Screeningverfahrens statistisch signifikante Unterschiede in der Metabolitenzusammensetzung zwischen verschiedenen Genotypen detektiert werden können. Zur Beurteilung des Ausmaßes von Unterschieden können Datenbanken herangezogen werden, die durch Untersuchung einer großen Anzahl von Reissorten erstellt wurden. Das Screening eines breiten Spektrums niedermolekularer Verbindungen in Kombination mit der Anwendung leistungsfähiger Methoden zur Datenauswertung erhöht die Wahrscheinlichkeit, unerwartete Effekte in gentechnisch veränderten Lebensmitteln zu detektieren.

The potentials of C-S β-lyases and lipases to generate sensorially active thiols from non-volatile sulfur-containing precursors were investigated. The substrates were synthesized by Michael-type addition of nucleophiles (cysteine, thioacetic acid) to α,β-unsaturated carbonyls (pulegone, E-2-hexenal). Their structures were elucidated by means of GC-MS, LC-MS and 1H/13C NMR. A cell-free extract obtained from Eubacterium limosum, a commercially available tryptophanase preparation from E. coli, and yeast (Saccharomyces cerevisiae) were used as sources for C-S β-lyases. For the lipase-catalyzed hydrolyses commercially available enzyme preparations of microbial, plant and animal origin were employed. The stereochemical course of the reactions was followed by capillary gas chromatography using modified cyclodextrins as chiral stationary phases. The addition of cysteine to the double bond of pulegone resulted in the preferred formation of the trans-configured diastereoisomeric products, irrespective of the configuration at position C1 of the starting material. 8-S-L-cysteinyl-p-menthan-3-one was accepted as substrate by the three β-lyase sources tested resulting in the liberation of 8-mercapto-p-menthan-3-one, a powerful flavoring substance exhibiting a “cassis”-type odor note. The cleavage was shown to proceed with only low enantioselectivity; a preference of the (1S,4S)-stereoisomer was observed for tryptophanase. Diastereoselectivity was more pronounced; tryptophanase and the extract from E. limosum exhibited a preference of the (1R,4S)- and (1S,4R)-diastereoisomers. Screening of β-lyases from other sources, e.g. plants in which thiols play important sensory roles, revealed cysteine conjugate β-lyase activities in passion fruits and in the leaves of blackcurrant and box tree. The product resulting from the reaction between E-2-hexenal and L-cysteine was shown to be a diastereoisomeric mixture of 2-(2-S-L-cysteinylpentyl)-1,3-thiazolidine-4-carboxylic acid. Treatment of the conjugate with tryptophanase from E. coli and the enzyme extract from E. limosum resulted in the formation of 3-mercaptohexanal. The reaction proceeded with a slight preference for the (S)-configured product, however with low conversion rate. The role of 3-S-L-cysteinylhexanal as substrate for β-lyases was demonstrated by in situ generation of this compound from 3-S-(N-acetyl-L-cysteinyl)hexanal using acylase. Opposite enantioselectivities were observed for the liberation of 3-mercaptohexanol, the key aroma compound occurring in yellow passion fruits and various grape musts, from 3-S-L-cysteinylhexanol by the enzyme preparation from E. limosum and tryptophanase, respectively. Various yeasts produced 3-mercaptohexanol starting from 2-(2-S-L-cysteinylpentyl)-1,3-thiazolidine-4-carboxylic acid as well as from 3-S-L-cysteinylhexanol. The reactions proceeded without preferential formation of one of the enantiomers. Structural effects on the activities of C-S β-lyases were investigated by employing synthesized analogues as substrates. The hydrolysis of 3-acetylthiohexanal was catalyzed by all lipases tested. The enzyme preparations varied significantly in terms of activity and enantioselectivity. The most pronounced enantioselectivity was observed for the hydrolysis of 3-acetylthiohexanal catalyzed by lipase B from Candida antarctica resulting in the (S)-configured thiol-product. Immobilization of the enzyme and the use of tert-butanol as co-solvent improved the enantioselectivity. Modification of the acyl moiety of the substrate by a bulkier moiety (3-benzoylthiohexanal) reduced conversion rates but had no significant impact on enentioselectivities. For most of the enzymes tested, activities and enantioselectivities for the hydrolysis of 3-acetylthiohexanol were significantly lower than those for the aldehyde substrate. The 3-acetylthio-compounds investigated possess attractive sensory properties. The odors of the stereoisomers differed significantly; only one of the enantiomers exhibited the pleasant citrus-type note. The data elaborated demonstrate that it is worthwhile to invest in methods to obtain optically pure (enriched) stereoisomers of sulfur-containing flavor compounds and to exploit the stereoselectivity of enzyme-based approaches. The properties revealed for β-lyases and lipases in the course of kinetic resolutions should be useful for preparative purposes as well as for further biogenetic studies. Das Potential von C-S β-Lyasen und Lipasen zur Freisetzung sensorisch aktiver Thiole aus nichtflüchtigen schwefelhaltigen Vorstufen wurde untersucht. Die Substrate wurden durch Michael-Addition von Nucleophilen (Cystein, Thioessigsäure) an α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen (Pulegon, E-2-Hexenal) synthetisiert. Ihre Strukturen wurden mittels GC/MS, LC-MS und 1H/13C NMR untersucht. Als Quellen für C-S β-Lyasen wurden ein aus Eubacterium limosum gewonnener zellfreier Extrakt, eine kommerziell erhältliche Tryptophanase aus E. coli sowie Hefe (Saccharomyces cerevisiae) verwendet. Für die Lipase-katalysierten Hydrolysen wurden kommerziell verfügbare Enzympräparate mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Ursprungs eingesetzt. Der stereochemische Verlauf der Umsetzungen wurde mittels kapillargaschromatographischer Untersuchungen auf chiralen stationären Phasen verfolgt. Die Addition von Cystein an die Doppelbindung von Pulegon resultierte in der bevorzugten Bildung der trans-konfigurierten diastereoisomeren Produkte, unabhängig von der Konfiguration an Position C1 des Ausgangsmaterials. Die eingesetzten β-Lyasen akzeptierten 8-S-L-Cysteinyl-p-menthan-3-on als Substrat und setzten 8-Mercapto-p-menthan-3-on, eine intensiv nach Cassis riechende Verbindung frei. Die Spaltung verlief mit nur geringer Enantioselektivität; für Tryptophanase war eine Bevorzugung des (1S,4S)-Stereoisomers zu beobachten. Die Diastereoselektivität war stärker ausgeprägt; Tryptophanase und der Extrakt aus E. limosum zeigten eine Bevorzugung der (1R,4S)- und (1S,4R)- Diastereoisomere. Ein Screening von β-Lyasen aus anderen Quellen, z.B. Pflanzen, in denen Thiole wichtige Aromastoffe darstellen, zeigte, dass Passionsfrüchte sowie die Blätter von Schwarzer Johannisbeere und Buchsbaum Cysteinkonjugat-β-Lyase-Aktivitäten aufwiesen. Das aus der Reaktion von E-2-Hexenal und L-Cystein resultierende Produkt konnte als 2-(2-S-L-Cysteinylpentyl)-1,3-thiazolidin-4-carbonsäure identifiziert werden. Die Umsetzung dieses Konjugats mit Tryptophanase aus E. coli bzw. dem Extrakt aus E. limosum führte zur Bildung von 3-Mercaptohexanal. Die Reaktion verlief unter leichter Bevorzugung des (S)-konfigurierten Produkts, jedoch mit nur geringer Umsatzrate. Die Rolle von 3-S-L-Cysteinylhexanal als Substrat für β-Lyasen wurde durch in situ Bildung dieser Komponente aus 3-S-(N-acetyl-L-cysteinyl)hexanal mittels Acylase aufgezeigt. Entgegengesetzte Enantioselektivitäten wurden für die Freisetzung von 3-Mercaptohexanol, der in Passionsfrüchten und verschiedenen Traubenmosten vorkommenden Schlüsselaromakomponente, aus 3-S-L-Cysteinylhexanol durch den Extrakt aus E. limosum bzw. Tryptophanase beobachtet. Verschiedene Hefen bildeten 3-Mercaptohexanol ausgehend sowohl von 2-(2-S-L-Cysteinylpentyl)-1,3-thiazolidin-4-carbonsäure als auch von 3-S-L-Cysteinylhexanol. Die Reaktionen verliefen ohne bevorzugte Bildung eines Enantiomers. Strukturelle Einflüsse auf die Aktivitäten von β-Lyasen wurden durch Umsetzung synthetisierter Substratanaloge untersucht. Die Hydrolyse von 3-Acetylthiohexanal wurde durch alle getesteten Lipasen katalysiert. Die Enzympräparate zeigten deutliche Unterschiede hinsichtlich Aktivität und Enantioselektivität. Die Lipase B aus Candida antarctica zeigte die am stärksten ausgeprägte Enantioselektivität und setzte die (S)-konfigurierte Thiol-Verbindung frei. Durch Immobilisierung des Enzyms und Einsatz von tert.-Butanol als zusätzliches Lösungsmittel konnte die Enantioselektivität gesteigert werden. Eine Modifizierung des Acylrestes im Substrat durch eine voluminösere Gruppe (3-Benzoylthiohexanal) verringerte die Umsatzrate, hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Enanatioselektivität. Für die meisten der getesteten Enzympräparate waren Aktivität und Enantioselektivität für die Hydrolyse von 3-Acetylthiohexanol deutlich geringer als für die des Aldehydsubstrats. Die untersuchten 3-Acetylthioverbindungen besitzen attraktive sensorische Eigenschaften. Die Stereoisomere zeigten deutliche Unterschiede; nur eines der Enantiomere besaß die angenehme Zitrus-Note. Die erarbeiteten Daten zeigen, dass es lohnenswert ist, in Methoden zur Gewinnung optisch reiner (angereicherter) Stereoisomere schwefelhaltiger Aromastoffe zu investieren und die Stereoselektivität Enzym-katalysierter Reaktionen zu nutzen. Die für β-Lyasen und Lipasen im Zuge kinetischer Racematspaltungen aufgezeigten Eigenschaften sollten sowohl für präparative Anwendungen als auch für weitere biogenetische Studien von Nutzen sein.

Ferulasäureestern von Phytosterolen (γ-Oryzanol) werden antioxidative und cholesterinsenkende Eigenschaften zugeschrieben. Bisher beschriebene Methoden zur Analytik von γ-Oryzanol in Reis erforderten eine aufwendige Aufreinigung des Probenextrakts. In dieser Arbeit wurde basierend auf der on-line LC-GC eine Methode entwickelt, die die simultane Bestimmung von γ-Oryzanol-Gehalt und Sterylferulat-Verteilung ohne Aufreinigung des Probenextrakts erlaubt. Mit Hilfe der Technik wurden die natürlichen Schwankungsbreiten von γ-Oryzanol-Gehalt und Sterylferulat-Verteilung in europäischen Reisproben ermittelt. Gentechnisch veränderte Linien und ihre Elternlinie wurden miteinander verglichen und Unterschiede im Lichte der natürlichen Schwankungsbreiten bewertet. Weiterhin wurde der Einfluss einer Verarbeitung zu Reisflocken untersucht. Mit Hilfe isolierter Enzyme und künstlicher Verdauungssäfte wurde die Hydrolyse von Sterylferulaten in-vitro verfolgt. Phytosteryl ferulates (γ-oryzanol) have been shown to exhibit antioxidative and cholesterol-lowering activities. Methods proposed for the analysis of γ-oryzanol in rice require laborious clean-up steps. In the present study an approach based on on-line coupled liquid chromatography–gas chromatography (on-line LC-GC) was developed for the simultaneous determination of γ-oryzanol contents and steryl ferulate distributions in rice extracts without previous purification. The method developed was applied to investigate the natural variation of γ-oryzanol contents and steryl ferulate distributions in European brown rice. Genetically modified rice lines and their corresponding parental lines were compared and differences between the lines were assessed in the light of natural variation. In addition, the influence of rice flake production on γ-oryzanol content and steryl ferulate distribution was investigated. Commercial enzymes and artificial gastrointestinal fluids were used to study the hydrolysis of steryl ferulates in-vitro.

ISBN:3-89820-956-3