A növényi polifenolok és a gőzrobbanás hatása kivonásukra és antioxidáns aktivitásukra
A növényi polifenolok több fenolos hidroxilcsoportot tartalmazó másodlagos metabolitok osztálya, amelyeket gyakran a "hetedik fő tápanyagnak" tekintenek. Összetett szerkezettel és változatos konjugációs formákkal rendelkeznek, főleg fenolsavakat, hidroxi-benzoe- és hidroxi-fahéjsav-származékokat, flavonoidokat, antocianinokat, kumarinokat és tanninokat. Ezek a vegyületek számos biológiai aktivitással rendelkeznek, például antioxidáns, szabadgyök-megkötő, rákellenes, antibakteriális és vírusellenes hatásuk, és jelentős figyelmet keltettek az élelmiszer- és egészségügy területén.
A gőzrobbanás a mezőgazdasági nyersanyagok feltörekvő előkezelési technológiája. Elve abban áll, hogy rövid ideig magas-hőmérsékletű, nagy{2}}nyomású gőzt juttatnak az anyagra, majd azonnali nyomást engednek ki, az így létrejövő nagy-nyomás-különbség segítségével megzavarva a nyersanyag mikroszerkezetét. Ez a technológia számos hatást integrál, beleértve a savas-hatásokat, például a hidrolízist, a termikus lebomlást, a mechanikai-törést, a hidrogénkötések megszakadását és a szerkezeti átrendeződést, lehetővé téve az összetevők hatékony elválasztását a kemény -textúrájú anyagoktól. A gőzrobbanás a szennyezésmentesség, a rövid előkezelési idő igénye, a bioaktív vegyületek extrakciós hozamának jelentős növelése, az energiafelhasználás és a feldolgozási költségek csökkentése, valamint az egyszerű iparosítás miatt a gőzrobbanás fontos megközelítéssé vált a bioaktív vegyületek növényi anyagokból történő extrakciós hatékonyságának javításában és a termék hozzáadott értékének növelésében. Ez a cikk szisztematikusan áttekinti a gőzrobbanásos előkezelés hatását a különböző nyersanyagokból származó kivonatok polifenoltartalmára és antioxidáns aktivitására, ezzel kívánva elméleti alapot adni ennek a technológiának a különböző bioaktív vegyületek kinyerésében történő alkalmazásához.
1. Főbb fizikai-kémiai változások gőzrobbanás közben
A gőzrobbanás során a forró gőz gyors elpárologtatása azonnali és jelentős belső -külső nyomáskülönbségnek teszi ki az anyag sejtjeit, ami a belső nyomás hirtelen növekedését és térfogatnövekedést okoz, ami meghaladja a cellák szerkezeti határait, ami "mechanikai-szerű szakadáshoz vezet." Ez az intenzív fizikai hatás tovább segíti a hidrogénkötések felbomlását, az amorf és részleges kristályos régiók lebomlását, valamint a komponensek szerkezeti átrendeződését indukálja. Tanulmányok kimutatták, hogy a gőzrobbanás csökkentheti az édesburgonyában és a burgonyában lévő keményítőmolekulák polimerizációs fokát, ami a keményítő lebomlását okozza, valamint csökkentheti a pektinmolekulák mennyiségét és molekulatömegét egyaránt. Rostban-dús anyagok, például kókuszdióhéj esetében a gőzrobbanás részben lebontja a cellulózt és a hemicellulózt, valamint bizonyos mértékig hidrolizálja a lignint, megszakítja a molekulaláncokat, csökkenti a részecskeméretet és csökkenti a hosszú-lánc komponenseit, miközben növeli a vízben oldható élelmi rostok rövid{7}}lánckomponenseit. Hasonló eredményeket figyeltek meg a dióhéj, a hajdinakorpa és az efedra esetében.
A mechanikai tanulmányok továbbá azt mutatják, hogy a gőzrobbanás részben lebonthatja a lignint és a hemicellulózt, kis -molekula-tömegű fenolokat és vízben-oldható cukrokat hozva létre. Ha azonban túl magas a kezelési nyomás vagy túl hosszú az időtartam, a felszabaduló fenolos vegyületek lebomlanak vagy polimerizálódhatnak. Ezenkívül a gőzrobbanást a keményítő kocsonyásodása és Maillard-reakciók kísérhetik, elősegítve a kovalens kötődést a fehérjék és a cukrok között; a Maillard-reakció mértéke korrelál a gőzrobbanás intenzitásával, amint azt az Amaranthus caudatus magvakon végzett vizsgálatok is alátámasztják.
A mikroszkópos megfigyelések azt mutatják, hogy a gőzrobbanás jelentősen megváltoztatja az anyag szerkezetét, sima és sűrű felületet ráncossá és porózussá változtatva. Például a konjac liszt felülete ráncosodik és a kezelés után számos mikrogödör képződik, ami növeli a fajlagos felületet. A csíráztatott búza töredezett poliszacharid lamelláris szerkezeteket mutat, amelyek porózus szerkezeteket képeznek kisebb rostos ágakkal. A jak combcsontok meglazulnak és porózussá válnak, és jelentős szerkezeti károsodást okoznak a combcsontfejben, míg a tollak szivacsszerű szerkezetűek, repedésekkel és lyukakkal. Ezek a mikroszerkezeti változások elősegítik az extrakciós oldószerek behatolását és érintkezését, elősegítve a bioaktív vegyületek felszabadulását.
2. A gőzrobbanás hatásai a polifenol extrakcióra
2.1 Hatások a gabona- és olajos magvak nyersanyagaira
A gabona- és olajos magvak alapanyagai gazdagok fenolos vegyületekben, amelyek szerkezetileg fenolosavakra, flavonoidokra és proantocianidinekre oszthatók, majd forma szerint szabad fenolokra és kötött fenolokra (pl. fehérjéhez-kötött, glikozidhoz kötött, észter-kötött) sorolhatók. A gabonakorpában a legtöbb fenol szorosan kötődik a sejtfalhoz, ami a hagyományos oldószerekkel történő extrakció alacsony hatékonyságát eredményezi. A gőzrobbanás hatékonyan megbontja a kéreg szerkezetét, és hidrolizálja az éter- és észterkötéseket, elősegítve a megkötött polifenolok felszabadulását.
Tanulmányok kimutatták, hogy a búzakorpa 2,5 MPa-on 30 másodpercig tartó gőzrobbanása körülbelül 50%-kal növeli a szabad fenolokban lévő vanillinsav-tartalmat, míg a p-kumársav és a ferulinsav 36--szorosát, a ferulinsav pedig 11--szer magasabb, mint a kontrollé. A kötött fenolok (pl. glükuronsav, p-kumársav, ferulinsav) szintén tetőznek, a ferulinsav közel 25-szörösére növekszik, és az összes fenoltartalom eléri a 28 mg/g-ot – körülbelül kilencszer magasabb, mint a kezeletlen csoporté. Hasonló eredményeket jelentettek más gabonakorpák esetében is. A 7,4 × 10⁵ Pa feletti gőzrobbanás alkalmazása a csicseriborsónál károsítja a sejtmembránokat és a sejtfalakat, megkönnyíti a megkötött fenolok felszabadulását és kompenzálja a szabad fenolok potenciális termikus lebomlását. A gőzrobbanás emellett fokozza a fenolos extrakciót a szójabab maghéjából, és növeli az okara izoflavontartalmát a robbanás intenzitásának növekedésével, 2,0 MPa-nál 30 másodpercig tetőzve. A nyersanyagok fizikai-kémiai tulajdonságainak és kutatási céljainak különbségei miatt az optimális robbanási feltételek és az aktív komponensekre gyakorolt hatások eltérőek.
Figyelemre méltó, hogy a gőzrobbanás intenzitását megfelelő tartományon belül kell szabályozni. A mérsékelt intenzitás fokozza a polifenol extrakciót, míg a túlzott intenzitás ellenkező hatást válthat ki. Például a túl nagy intenzitással (pl. 2,5 MPa 90 másodpercig) kezelt búzakorpa szerves savakat, például hangyasavat és ecetsavat termel, elősegítve a fenolos lebontást vagy polimerizációt, és csökkentve a tartalmat. A 0,6 MPa-val 60 másodpercig kezelt amaranthus magok összes fenoltartalma 7,798 mg/g-5,3-szor magasabb, mint a kontrollé-, de a nyomás vagy az időtartam további növelése csökkenti a fenoltartalmat, a 120 másodperces kezelés pedig még alacsonyabb, mint a kontrollé. Hasonlóképpen, ha a vörösbabot 0,25–0,75 MPa-on 30–90 másodpercig kezeljük, megnő a fenolos hozam, de 1,0 MPa vagy hosszabb időtartam részleges lebomlást, polimerizációt vagy elszenesedést okoz. A nagy intenzitású gőzrobbanás a lila édesburgonya antocianinokat is lebontja. Számos tanulmány támasztja alá azt az általános elvet, hogy a gőzrobbanás optimális feldolgozási ablakot mutat a gabona- és olajos magvak fenoltartalmára vonatkozóan.
2.2 Hatások a gyümölcs- és zöldségnyersanyagokra
A gyümölcs- és zöldség alapanyagok szintén gazdagok fenolokban, beleértve a fenolos savakat, antocianinokat és flavonoidokat. A gőzrobbanás megzavarja a gyümölcsök és zöldségek szerkezeti integritását, csökkenti a tömegátadási ellenállást és megkönnyíti a polifenol felszabadulását. A citrusféléken és törkölyén, a fokhagymán és a fokhagyma héján, a maracuja-maradékokon, a lakkfa gyümölcsén, a tunéziai vörös datolyán, a cukornádbagaszon, az ananászhéj-maradványokon és az Elaeagnus gyümölcsökön végzett vizsgálatok mind azt mutatják, hogy a mérsékelt gőzrobbanás javítja a polifenol-kivonást.
2.3 Más nyersanyagokra gyakorolt hatások
A gabonaféléken, olajos magvakon, gyümölcsökön és zöldségeken kívül a gőzrobbanást más növényi anyagokra is alkalmazták. Például 60 másodpercig tartó 1,5 MPa gőzrobbanás után a fenyőtűk 50,8 mg/g flavonoidot adtak, ami 2,54-szer nagyobb, mint a kontrollé, és jó stabilitást tartott fenn 1,5-2,0 MPa mellett is 60 másodpercig. A teamaradványok és a tölgy esetében a fenoltartalom kezdetben az intenzitással nő, de nagyobb intenzitás esetén csökken. A fügelevél, a kudzu gyökér és a ginkgo levelek összes flavonoid hozama hasonló tendenciát követ. Az extrakció csökkenése a flavonoidok részleges lebomlásából vagy oldhatatlan formákká való re{11}}polimerizációjából adódhat. Az olajágak és -levelek, az Eucommia levelek, a japán göncölő, a Sasa palmata levelek és a Populus levelek vizsgálatai megerősítik, hogy a gőzrobbanás hatékonyan elősegíti a polifenol felszabadulását.
A polifenol hozam gőzrobbanással történő növelése főként két mechanizmuson alapul: (1) új fenolok képződése-magas-hőmérséklet, magas-nyomás, savas körülmények a cellulóz, a hemicellulóz és a lignin termikus lebomlását idézik elő, így fenolsavak és illékony, pguhenaigenolok keletkeznek. vanillin és sziringaldehid; (2) a kötött fenolos felszabadulás elősegítése-a robbanás fellazítja az anyag szerkezetét, növeli az érintkezési felületet, miközben hidrolizálja a sejtfalkomponensek (polifenolok, poliszacharidok, lignin) közötti éter- és észterkötéseket, a megkötött fenolokat szabad fenolokká alakítja és növeli az oldhatóságot.
3. A gőzrobbanás hatása a kivonatok antioxidáns aktivitására
3.1 Hatások az in vitro antioxidáns aktivitásra
A növényi polifenolok in vitro antioxidáns aktivitását általában DPPH· gyökfogó, ABTS⁺· gyökfogó és FRAP (vasredukáló antioxidáns teljesítmény) módszerekkel értékelik. A gőzrobbanás jelentősen növeli a polifenol kivonatok in vitro antioxidáns kapacitását. Például a fokhagyma héjkivonatai által megkötött DPPH· EC50 értékei jelentősen csökkennek a nyomás és az idő növekedésével, 3,0 MPa felett stabilizálódnak, és nagyobb aktivitást mutatnak, mint a fekete fokhagyma. Ez a megkötött fenolok fokozott felszabadulásának, valamint a lignin és hemicellulóz lebomlásának tulajdonítható, ami kis-molekula-tömegű fenolokat és vízben-oldható cukrokat (pl. 5-hidroxi-metil-furfurált) termel. A gabonakorpával, teamaradványokkal, Amaranthus magvakkal, lila édesburgonyával, okra magokkal, kudzu gyökérrel, Sasa palmata levelekkel és bambuszrügyekkel kapcsolatos hasonló tanulmányok következetesen azt mutatják, hogy a gőzrobbanás nemcsak a fenoltartalmat növeli, hanem az antioxidáns aktivitást is. Például gőzrobbanás után a lakkfa gyümölcsében lévő kvercetin-3-O-ramnozid deglikoziláción megy keresztül, és erősebb antioxidáns hatással rendelkező kvercetinné alakul.
Az antioxidáns aktivitás növekedése azonban a megfelelő robbanási körülményektől is függ. A túlzott intenzitás csökkentheti az aktivitást. Nagy nyomás vagy hosszan tartó kezelés hatására a ferulinsav és a p-kumársav dekarboxilálódik, szabadgyökös intermediereken keresztül dimerekké polimerizálódhat, vagy kis molekulákká, például metil-guajakollá és vanillinné bomlik, gyengítve az antioxidáns kapacitást. A tanulmányok azt mutatják, hogy a búzakorpa-kivonatok DPPH-eltávolítása és FRAP-ja 1,5 MPa-nál tetőzik 90 másodpercig, ami az intenzitás további növekedésével csökken. Hasonló eredményeket figyeltek meg az Amaranthus magvak, a lila édesburgonya és a teamaradványok esetében.
Ezenkívül az antioxidáns aktivitás szorosan összefügg a polifenoltartalommal. A vörösbab-kivonatok gőzrobbanás után szignifikáns pozitív korrelációt mutatnak a polifenol-koncentráció és a DPPH·, ABTS⁺· scavenging és FRAP értékek között. Az Okra mag kivonatok pozitív korrelációt mutatnak a teljes polifenoltartalom és a FRAP, DPPH· és szuperoxid gyökök (O₂⁻·) között, de negatív összefüggést mutatnak az összes flavonoiddal, ami arra utal, hogy egyes nem -fenolos vegyületek (pl. redukáló cukrok) hozzájárulhatnak a teljes antioxidáns aktivitáshoz.
3.2 Hatások az intracelluláris antioxidáns aktivitásra
A sejtszintű{0}}vizsgálatok tovább erősítik a gőzrobbanás jótékony hatásait. Humán májrák (HepG2) sejtekben a gőzrobbanással kezelt anyagból származó búzakorpa-kivonatok szignifikánsan magasabb sejtszintű antioxidáns aktivitást (alacsonyabb EC5₀) mutatnak, mint a kezeletlen kivonatok, ami erősebb antioxidáns hatást jelez. Egy másik tanulmány azt mutatja, hogy a PBS-mosástól függetlenül a 2,5 MPa-on 30 másodpercig kezelt búzakorpa-kivonatok magasabb sejtszintű antioxidáns aktivitást mutatnak, mint a kezeletlen kivonatok, főként a megnövekedett oldható fenoltartalom, különösen az oldható ferulinsav miatt.
A keserű hajdinakorpa esetében a gőzrobbanás 215%-kal növeli a szabad fenolos kivonat antioxidáns aktivitását a HepG2 sejtekben, EC₅₀-értéke nagyjából kétszerese a kezeletlen mintáknak, ugyanakkor jelentősen fokozza a humán vastagbélrák (Caco-2) sejtproliferáció gátlását is. A szimulált gasztrointesztinális emésztési kísérletek azt mutatják, hogy a kezeletlen korpa emésztési termékek minimális sejtszintű antioxidáns aktivitást mutatnak, míg a kezelt korpatermékek jelentős aktivitást mutatnak. Hasonló eredményekről számoltak be a Populus levélkivonatoknál.
4. Kilátások
Hatékony nyersanyag-előkezelési technológiaként a gőzrobbanás nagy lehetőséget mutat a polifenolok és más bioaktív vegyületek extrakciós hozamának javítására, valamint antioxidáns aktivitásuk fokozására. A technológia hatékonyságát olyan belső tényezők befolyásolják, mint az anyag típusa, összetétele, nedvességtartalom, előáztatás és részecskeméret, valamint külső tényezők, például gőznyomás (hőmérséklet) és tartási idő. A jövőbeli kutatások a következőkre összpontosíthatnak:
In vivo és in vitro kísérletek integrálása azon mechanizmusok tisztázására, amelyek révén a gőzrobbanás befolyásolja a polifenoltartalmat és -aktivitást;
A nyersanyagmátrix tulajdonságai és a gőzrobbanás hatékonysága közötti szerkezet-hatás összefüggés vizsgálata, valamint modellek készítése a robbanási paraméterek optimalizálására;
Bioaktív vegyületek kibocsátási mechanizmusainak és átalakulási dinamikájának tisztázása gőzrobbanás során;
A gőzrobbanás hatásának szisztematikus értékelése a különböző tápanyagokra és azok kölcsönhatásaira a nyersanyagokban.
A folyamatos kutatással és technológiai optimalizálással a gőzrobbanás várhatóan egyre fontosabb szerepet fog játszani a növényi bioaktív vegyületek hatékony kinyerésében, a funkcionális élelmiszerek fejlesztésében, valamint az élelmiszeripari zöld gyártásban.
