Joanna Brzezińska, Daria Błażejewicz, Małgorzata Grembecka, Justyna Brzezicha-Cirocka, Piotr Szefer
SUBSTANCJE O DZIAŁANIU ANTYOKSYDACYJNYM W ŻYWNOŚCI POCHODZENIA ROŚLINNEGO
I METODY ICH EKSTRAKCJI Katedra i Zakład Bromatologii Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego
Kierownik: prof. dr hab. P. Szefer
Hasła kluczowe: antyoksydanty, ekstrakcja, żywność, wolne rodniki, stres oksy-dacyjny.
Key words: antioxidants, extraction, food, free radicals, oxidative stress.
Antyoksydanty stanowią ważną grupę związków w żywności pochodzenia ro-ślinnego. Dzięki zróżnicowanym mechanizmom odpowiadającym za działanie an-tyoksydacyjne, skutecznie zapobiegają stresowi oksydacyjnemu, który jest częścią patomechanizmu wielu chorób. Bogactwo strukturalne tej grupy oraz złożoność ma-trycy roślinnej zmuszają do starannego doboru metod ekstrakcji i oczyszczania, aby wyizolować pożądane związki z akceptowalną wydajnością. Rośliny są bogatym źródłem substancji, które wykazują zarówno działanie odżywcze (węglowodany, białka, tłuszcze, mikro- i makropierwiastki oraz witaminy), jak i farmakologicz-ne (biofl awonoidy, terpeny, glukozynolany, garbniki) (1). Wiele z tych związków posiada silne właściwości antyoksydacyjne. Przeciwutleniacze są substancjami chemicznymi, które neutralizując reaktywne formy tlenu, zmniejszają oksydacyjne uszkodzenia komórek i biocząsteczek. Zapobiegają uszkodzeniu naczyń krwiono-śnych, chronią przed czynnikami powodującymi raka, pozwalają obniżyć ryzyko choroby wieńcowej oraz Alzheimera (2). Mają one zdolność do neutralizacji wol-nych rodników, które nagromadzone w dużych ilościach w organizmie skutkują powstaniem stresu oksydacyjnego, będącego przyczyną wielu chorób (nowotwo-ry, zawały, udary) oraz przyspieszenia procesów starzenia (1). Antyoksydanty są związkami, które nawet przy bardzo niskim stężeniu w porównaniu do podatnego na utlenienie substratu, mogą opóźniać lub zapobiegać jego utlenieniu (3).
Podział substancji antyoksydacyjnych
Wśród substancji o charakterze przeciwutleniającym można wydzielić dwie główne grupy związków. Do pierwszej z nich zalicza się antyoksydanty, które przerywają reakcje rodnikowe przez przekazanie rodnikom albo atomów wodoru
lub też elektronów, co prowadzi do powstania związków o większej stabilności (4). Do takich substancji można zaliczyć fenole typu galusanów, hydrochinonów, trihydroksy-butyro-fenonów i tokoferoli (5).
Do drugiej grupy zakwalifi kowano substancje, które wykazują charakter syner-gistyczny, tj. wychwytują tlen oraz chelatują jony biorące udział w tworzeniu się rodników. Ich aktywność polega na przekazywaniu wodoru do fenoksyrodników, dzięki czemu przywracana jest im pierwotna aktywność przeciwutleniająca (5). Do tej grupy zalicza się substancje wychwytujące tlen, takie jak: kwas askorbinowy, askorbylopalmitynian, związki chelatujące metale, np. kwas cytrynowy i inne wtór-ne antyoksydanty – aminokwasy, fl awonoidy, witaminę A, ß-karoten, selen i wiele innych (5). Według innej klasyfi kacji można wyróżnić antyoksydanty enzymatyczne (endogenne), takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza glutatio-nowa, oraz nieenzymatyczne (głównie metabolity wtórne), czyli witaminę C i E, glutation, kwas α-liponowy, melatoninę, karotenoidy oraz fl awonoidy (6).
Stosując, jako kryterium strukturę szkieletu węglowego, polifenole dzieli się na: kwasy fenolowe, fl awonoidy, stilbeny, lignany (2).
Witaminy posiadające właściwości przeciwutleniające to prowitamina A, wita-mina C oraz E. Witawita-mina C, która występuje w postaci kwasu L-askorbinowego, jest powszechnie stosowanym dodatkiem do żywności, o zdolnościach regeneracji innych antyoksydantów, np. witaminy E (7).
Również pierwiastki: selen, cynk, miedź, mangan, wchodzące w skład wielu en-zymów, hamują procesy prowadzące do powstania wolnych rodników. Substancją antyutleniającą jest również wytwarzany w organizmie koenzym Q10 chroniący szczególnie naczynia krwionośne i serce (8).
Mechanizm działania antyoksydantów
Antyoksydanty mogą działać, jako (2, 9, 10):
• substancje zapobiegawcze – dzięki inhibicji zarówno reakcji utleniania przy udziale wolnych rodników jak i tworzenia wolnych rodników kwasów tłuszczo-wych,
• związki zrywające reakcje łańcuchowe – zapobiegają kaskadzie reakcji samo-utleniania,
• wygaszacze tlenu singletowego,
• substancje synergistyczne (z innymi antyutleniaczami),
• reduktory – zamieniają wodoronadtlenki w stabilne cząsteczki,
• związki chelatujące metale – przekształcają prooksydanty metali (związki pro-mujące lub powodujące utlenienie), np. pochodne żelaza i miedzi, w stabilne produkty,
• inhibitory enzymów będących prooksydantami, np. lipooksygenazy.
Roślinne źródła związków o właściwościach przeciwutleniających
Dieta obfi tująca w produkty pochodzenia roślinnego odgrywa istotną rolę w pro-fi laktyce wielu chorób, takich jak cukrzyca, miażdżyca tętnic, choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona (6). Prozdrowotne właściwości żywności wynikają m.in.
z dużej zawartości związków przeciwutleniających, m.in. polifenoli, witaminy C, E, A, karotenoidów, kwasów organicznych oraz selenu (11). Bogatym źródłem substancji o silnych właściwościach antyoksydacyjnych są owoce, wśród których na szczególną uwagę zasługują owoce jagodowe obfi tujące w antocyjany i taniny (tab. I). Największą zawartością antyoksydantów spośród owocowych produktów przetworzonych odznaczają się wina. Obecne w nich naturalne przeciwutleniacze, głównie fl awonoidy, wpływają hamująco na utlenianie tłuszczów (również tych obecnych w LDL) oraz są inhibitorami enzymów oksydacyjnych (6).
Ta b e l a I. Zawartość przeciwutleniaczy oraz aktywność antyoksydacyjna owoców jagodowych (10) Ta b l e I. The content of antioxidants and antioxidant capacity of berries
Gatunek Fenole ogółem (mg/g s.m.) Antocyjany (mg/g s.m.) Zdolność zmiatania rodnika DPPH (μmol troloksu/g) Borówka wysoka 26,4 6,3 128,4 Borówka czernica 55,1 26,3 287,9 Borówka brusznica 35,4 6,1 196,9 Żurawina 20,1 3,1 92,9 Porzeczka czarna 40,9 15,3 200,3 Porzeczka czerwona 13,0 2,3 71,3 Malina 39,0 4,4 208,0 Jeżyna 42,5 10,0 238,5 Truskawka 22,5 2,4 121,6
Warzywa również stanowią bogate źródło związków przeciwutleniających, jed-nak ich zawartość jest znacznie mniejsza niż we wspomnianych wcześniej owocach (tab. II). Największą zdolnością neutralizacji rodników nadtlenkowych odznaczają się substancje zawarte w czosnku, natomiast jarmuż i brukselka najlepiej redukują rodniki hydroksylowe (tab. II) (6).
Na szczególną uwagę zasługują pomidory i ich przetwory, ze względu na zawar-tość likopenu, który wykazuje wysoki potencjał antyoksydacyjny (najwyższy wśród karotenoidów), warunkujący właściwości kardioprotekcyjne (13).
Dużą zawartością przeciwutleniaczy odznaczają się także nasiona roślin strącz-kowych, zwłaszcza soi, której nasiona wykazują duże zróżnicowanie jakościowe i ilościowe izofl awonów (11). Są to m.in. glikozydy fl awonoli, katechiny, antocy-janidyny, izofl awonoidy oraz kwasy fenolowe, których największa koncentracja występuje w okrywach nasiennych tej rośliny (14).
Produkty zbożowe odznaczają się na ogół mniejszą zawartością przeciwutlenia-czy aniżeli owoce przeciwutlenia-czy warzywa. Antyoksydanty powszechnie występujące w tej grupie produktów to: kwasy fenolowe, lignany, witamina E, pierwiastki śladowe pełniące funkcje kofaktorów przeciwutleniaczy enzymatycznych (Se, Cu, Zn oraz Mn), glutation i melatonina (15).
Szczególnie bogatym źródłem antyoksydantów jest herbata, która zawiera związ-ki fenolowe. Ich zawartość różni się w zależności od gatunku, części rośliny,
warun-ków uprawy, a w liściach może sięgać 35% suchej masy (16, 17). Są to w głównej mierze katechiny, teafl awiny oraz tearubiginy (18). Związki przeciwutleniające obecne są również w ziołach i przyprawach (19).
Ta b e l a II. Aktywność przeciwutleniaczy zawartych w wybranych gatunkach warzyw (11) Ta b l e II. Antioxidant capacity of substances found in vegetables (11)
Gatunek ORAC* ROO· (μmol troloksu /g s.m.) ORAC OH· (μmol troloksu /g s.m.) ORAC Cu (103 j./g s.m.)* Czosnek 19,4 1,1 2,7 Jarmuż 17,7 6,2 0,2 Szpinak 12,6 2,8 1,6 Brukselka 9,8 5,4 0,6 Brokuł 8,9 2,4 1,6 Burak 8,4 3,1 0,2 Papryka czerwona 7,1 0,6 0,4 Cebula 4,5 0,5 0,6 Kukurydza 4,0 2,2 1,0 Bakałażan 3,9 1,1 0,1 Kalafior 3,8 1,1 0,2 Ziemniak 3,1 1,0 0,5 Kapusta 3,0 1,5 0,3 Groch zielony 2,0 1,7 0,2 Marchew 2,1 0,8 0,5 Dynia żółta 1,5 1,1 0,2 Seler 0,6 0,3 0,2
* pojemność antyoksydacyjna (oxygen radical absorbance capacity)
Rola antyoksydantów
Substancje wykazujące działanie przeciwutleniające pełnią wiele ważnych ról w organizmie człowieka (2, 8, 20, 21):
• neutralizują reaktywne formy tlenu,
• zmniejszają oksydacyjne uszkodzenie komórek i biocząsteczek (białka, DNA), • opóźniają procesy starzenia,
• przeciwdziałają stresowi oksydacyjnemu, dzięki czemu zmniejszają ryzyko wy-stąpienia niektórych chorób neurodegeneracyjnych (choroba Alzheimer’a, Parkin-sona), chorób układu krążenia, chorób nowotworowych, chorób narządu wzroku, • wykazują działanie ochronne, antymutagenne, antykancerogenne (np. barwniki), • zapobiegają peroksydacji lipidów (np. witamina E, koenzym Q, fl awonoidy), • biorą udział w detoksykacji substancji szkodliwych (np. witamina C),
• wykazują działanie ochronne na inne antyoksydanty (kwas askorbinowy regene-ruje witaminę E; fl awonoidy),
• modulują aktywność enzymów błonowych (np. witamina E),
• wykazują działanie ochronne na błony komórkowe (np. koenzym Q),
• fl awonoidy działają przeciwzapalnie, przeciwalergicznie dzięki hamowaniu cy-klooksygenazy, lipooksygenazy, syntezy prostaglandyn i degranulacji neutrofi lów • chelatują jony metali prooksydacyjnych (np. żelaza, miedzi),
• hamują lub wzmacniają działanie wielu enzymów, np. inhibicja enzymów z grupy oksydaz, podnoszenie ekspresji antyoksydacyjnych białek, takich jak katalazy (CAT) i dysmutazy ponadtlenkowej (SOD).
Ekstrakcja
Ekstrakcja jest metodą rozdzielania składników mieszaniny między dwie nie-mieszające się fazy, wykorzystującą selektywną rozpuszczalność jednego lub kilku składników w jednej z faz. Podziału metod ekstrakcyjnych można dokonać na pod-stawie stanu skupienia próbki oraz medium ekstrahującego (ekstrahenta) (ryc. 1).
Bogactwo strukturalne metabolitów wtórnych roślin, a także złożoność matrycy, z której są ekstrahowane zmusza do zastosowania bardziej skomplikowanych metod ekstrakcyjnych, które umożliwią wyodrębnienie pożądanej frakcji lub pojedynczego związku z akceptowalną wydajnością. Związki te charakteryzują się zróżnicowa-nymi właściwościami fi zykochemiczzróżnicowa-nymi i konieczne jest dokładne zaplanowanie kolejnych etapów (ekstrakcji, frakcjonowania, analizy) (22). Do ekstrakcji można wykorzystać świeży lub wysuszony materiał roślinny. Wyodrębnienie substancji we-wnątrzkomórkowych wymaga wydłużenia czasu procesu oraz zastosowania bardziej polarnych rozpuszczalników (metanol, etanol, chloroform) (22). Często wykorzy-stuje się mieszaniny wody i alkoholi (np. metanolu), co pozwala na modyfi kowanie polarności ekstrahenta i umożliwia wstępne oczyszczenie uzyskanego ekstraktu.
Ryc. 1. Podział metod ekstrakcyjnych. Fig. 1. Classifi cation of extraction methods.
Stosowane metody ekstrakcji
Celem wyodrębnienia pożądanych substancji z materiału roślinnego najczęściej stosuje się (22, 23):
• ekstrakcję rozpuszczalnikową wspomaganą ultradźwiękami (ang. Ultrasound-As-sisted Extraction – UAE); przyspieszenie procesu ekstrakcji umożliwiają falowe zmiany ciśnienia i zjawisko kawitacji,
• ekstrakcję rozpuszczalnikową wspomaganą promieniowaniem mikrofalowym (ang. Microwave Assisted Extraction- MAE); zwiększenie efektywności procesu umożliwia wzrost temperatury próbki na skutek pochłaniania energii mikrofalo-wej,
• ekstrakcję płynem w stanie nadkrytycznym (ang. Supercritical Fluid Extraction – SFE) np. ekstrakcja za pomocą CO2 w stanie nadkrytycznym; umożliwia
uzy-skanie znacznej wydajności procesu, bez ryzyka termicznego przekształcenia próbki (ciśnienie i temperatura procesu są ściśle określone, a modyfi kacja tych parametrów umożliwia dużą selektywność),
• ekstrakcję micelarną (ang. Micelar Mediated Extraction – MME) – pożądany składnik ulega solubilizacji, powstają agregaty, które łatwo przenikają przez bło-ny biologiczne,
• ekstrakcję enzymatyczną – jest to proces biologiczny, co zapewnia ekologiczność procesu i powstanie w pełni naturalnego produktu,
• chromatografi ę gazową (GC) dla związków lotnych, • mikroekstrakcję do fazy stałej (SPME),
• ekstrakcję Soxhlet’a.
Podsumowanie
Antyoksydanty są ważną grupą substancji pochodzenia roślinnego, która odgry-wa istotną rolę w zachoodgry-waniu równoodgry-wagi oksydacyjno-antyoksydacyjnej organi-zmu. Ich głównym źródłem jest żywność. W znaczących ilościach występują one w owocach, warzywach, przetworach roślinnych i warzywnych, roślinach zbożo-wych, rybach, kawie, herbacie, a także mogą być przyjmowane w formie suple-mentów diety. Dzięki zróżnicowanym mechanizmom odpowiadającym za działanie antyoksydacyjne, skutecznie neutralizują reaktywne formy tlenu, które są częścią patomechanizmu wielu chorób. Odpowiednio dobrany sposób i warunki prowadze-nia procesu ekstrakcji pozwalają na efektywne wyizolowanie konkretnej substancji lub frakcji o działaniu antyoksydacyjnym. Po dalszej obróbce mogą znaleźć zasto-sowanie w przemyśle farmaceutycznym oraz spożywczym.
J. B r z e z i ń s k a, D. B ł a ż e j e w i c z, M. G r e m b e c k a, J. B r z e z i c h a-C i r o c k a, P. S z e f e r
SUBSTANCES WITH ANTIOXIDANT ACTIVITY FROM FOOD OF PLANT ORIGIN AND METHODS OF THEIR EXTRACTION
PIŚMIENNICTWO
1. Czech A., Rusinek E:. Zawartość związków przeciwutleniających w wybranych warzywach kapust-nych. Bromat. Chem. Toksykol. 2012; 45(1): 59-65. – 2. Kisala J.: Antyutleniacze pochodzenia roślinnego i syntetycznego-ich rola i właściwości. Płd.-Wschod. Oddz. Tow. Inż. Ekol. z Siedzibą Rzesz. Zeszyty Naukowe 2009; 11: 109-114. – 3. Halliwell B.: How to characterize a biological antioxidant. Free Radic Res. 1990; 9(1): 1-32. – 4. Olędzka R.: Znakowanie żywności pod względem wartości antyoksydacyjnej. Nauk Inżynierskie i Technol. 2013; 3(10): 80-91. – 5. Grajek W.: Rola przeciwutleniaczy w zmniejszaniu ryzyka wystąpienia nowotworów i chorób układu krążenia. Żywn. Nauk Technol. Jakość. 2004; 1(38): 3-11. – 6. Stolarzewicz I. A., Ciekot J., Fabiszewska A.U., Białecka-Florjańczyk E.: Roślinne i mikro-biologiczne źródła przeciwutleniaczy. Postepy Hig. 2013; 67: 1359-1373. – 7. Szwaczka P., Grembecka
M., Brzezicha-Cirocka J., Szefer P.: Substancje o charakterze antyoksydacyjnym w suplementach diety
na bazie herbaty. Bromat. Chem. Toksykol. 2017; 50(4): 306-312. – 8. Wojtanowska-Rzytki M.: Rola naturalnych antyoksydantów w profi laktyce chorób cywilizacyjnych. Farm. Przegląd Nauk., 2009; 1: 23-27. – 9. Puzanowska-Tarasiewicz H., Kuźmicka L., Tarasiewicz M.: Antyoksydanty a reaktywne formy tlenu. Bromat. Chem. Toksykol. 2010; 43(1): 9-14. – 10. Koszowska A., Dittfeld A., Puzo A., Nowak J.: Polifenole w profi laktyce chorób cywilizacyjnych. Post. Fitoter. 2013; 4: 263-266.
11. Szajdek A., Borowska J.: Właściwości przeciwutleniające żywności pochodzenia roślinnego. Żywn. Nauk Technol. Jakość. 2004; 4(41): 5-28. – 12. Katsube N., Iwashita K., Tsushida T., Yamaki K., Kobori
M.: Induction of apoptosis in cancer cells by bilberry (Vaccinium myrtillus) and the anthocyanins. J.
Agric. Food Chem., 2003; 51(1): 68-75. – 13. Cao G., Sofi c E., Prior R.L.: Antioxidant capacity of tea and common vegetables. J. Agric. Food Chem., 1996; 44(11): 3426-3431. – 14. Lee J., Hwang Y-S., Kim
ST., Yoon W-B., Han WY., Kang I-K.: Seed coat color and seed weight contribute differential responses
of targeted metabolites in soybean seeds. Food Chem. 2017; 214: 248-258. – 15. Sidhu JS., Kabir Y.,
Huffman F.G.: Functional Foods from Cereal Grains. Int J. Food Prop. 2007; 25; 10(2): 231-244. –
16. Zhang C., Suen C.L., Yang C., Quek S.Y.: Antioxidant capacity and major polyphenol composition of teas as affected by geographical location, plantation elevation and leaf grade. Food Chem. 2018; 244: 109-119. – 17. Kerio L.C., Wachira F.N., Wanyoko J.K., Rotich M.K.: Total polyphenols, catechin profi les and antioxidant activity of tea products from purple leaf coloured tea cultivars. Food Chem. 2013; 136(3-4): 1405-1413. – 18. Wang Y., Chen S., Yu O.: Metabolic engineering of fl avonoids in plants and microorganisms. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2011; 91(4): 949-956. – 19. Wawrzyniak A., Krotki M.,
Stoparczyk B.: Właściwości antyoksydacyjne owoców i warzyw. Med. Rodz. 2011; 1: 19-23. – 20. Zujko M.E., Witkowska A.: Aktywność antyoksydacyjna popularnych gatunków owoców, warzyw, grzybów
i nasion roślin strączkowych. Bromat. Chem. Toksykol. 2009; 3: 895-899.
21. Zabłocka A., Janusz M.: Dwa oblicza wolnych rodników tlenowych. Post. Hig. Med. Dośw. 2008; 62: 118-124. – 22. Haliński Ł., Czerwicka M., Stepnowski P.: Współczesne metody ekstrakcji, izolacji i analizy metabolitów wtórnych roślin. Lab. 2015; 6: 16-21. – 23. Kulik N.: Innowacyjne metody eks-trakcji sposobem na pozyskanie najwyższej czystości surowców kosmetycznych. http://biotechnologia. pl/kosmetologia/innowacyjne-metody-ekstrakcji-sposobem-na-pozyskanie-najwyzszej-czystosci-surow cow-kosmetycznych, 16020 [Online; dostęp 09.07.2018]
