Αναζητώντας αντιοξειδωτικές τροφές Teach article

Μετάφραση από Ζαχαροπούλου Όλγα (Olga Zacharopoulou). Όλοι μας έχουμε ακούσει ότι μια διατροφή πλούσια σε αντιοξειδωτικά είναι υγιεινή. Μαζί με τους μαθητές του, ο Gianluca…

Πολλά προβλήματα υγείας, συμπεριλαμβανομένων της αθηροσκλήρωσης, της καρδιακής ανακοπής, της νόσου του Αλτσχάιμερ, μερικών όγκων και ηλικιακών καταρρακτών, συνδέονται με πολύ δραστικά μόρια που ονομάζονται ελεύθερες ρίζες. Αυτά τα μόρια παράγονται κανονικά κατά τη διάρκεια της αεροβικής αναπνοής και χρησιμοποιούνται από το σώμα, για παράδειγμα για να το προστατέψουν από μικροοργανισμούς.

Παρόλα αυτά, αν υπάρχει ανισορροπία μεταξύ των ριζών (οξειδωτικών) και αντιοξειδωτικών, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ασθένεια.

Οι ελεύθερες ρίζες είναι τόσο δραστικές γιατί έχουν ένα ή περισσότερα μονά ηλεκτρόνια. Παράγονται και συναντώνται σε πολλά κύτταρα και κυτταρικά οργανίδια (organelles). Το ανιόν υπεροξειδίου (O₂^–), για παράδειγμα, είναι η πιο κοινή ρίζα στο σώμα μας, η οποία χρησιμοποιείται από τα λευκά αιμοσφαίρια για να επιτεθεί σε ιούς και βακτήρια. Ωστόσο, κατά πολύ η πιο δραστική ρίζα, είναι η ρίζα του υδροξυλίου (HO·), η οποία συναντάται στο υπεροξείσωμα (όπου λιπαρά οξέα διασπώνται) και στο ενδοπλασματικό δίκτυο. Εξωτερικοί παράγοντες επηρεάζουν, επίσης, την παραγωγή των ριζών, για παράδειγμα, το υπεριώδες (UV) φως που πέφτει πάνω στο δέρμα μας, σχηματίζει ρίζες οξυγόνου μονής κατάστασης (¹ΔO₂·).

Μέσα στο σώμα, οι ελεύθερες ρίζες μπορούν να οδηγήσουν σε μια πληθώρα προβλημάτων. Συγκεκριμένα, αντιδρούν με (και καταστρέφουν) τα λιπίδια, τις πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα, συμπεριλαμβανομένου του DNA (Arking, 2006). Το σώμα μας, για να προστατευτεί από τις συνεχείς επιθέσεις των ριζών, έχει δύο βασικούς τρόπους προστασίας: τον ενζυματικό και τον μη-ενζυματικό. Τα πιο σημαντικά ένζυμα που χρησιμοποιούνται για να προστατέψουν το σώμα μας από τις επιθέσεις των ελεύθερων ριζών είναι τα αντιοξειδωτικά ένζυμα δισμουτάση του υπεροξειδίου, καταλάση και υπεροξειδάση της γλουταθειόνης. Τα βασικά μη-ενζυματικά αντιοξειδωτικά είναι η μελατονίνη, α-tocopherol (βιταμίνη Ε), ασκορβικό οξύ (βιταμίνη C) και η β-καροτίνη (πρόδρομος της βιταμίνης Α).

Και τα τέσσερα μη-ενζυματικά αντιοξειδωτικά είναι βασικά στοιχεία της διατροφής και συναντώνται σε μια πληθώρα τροφών. Ο καρκίνος συγκεκριμένα είναι λιγότερα κοινός μεταξύ ατόμων που τρώνε πολλά φρούτα και λαχανικά και έχει προταθεί ότι τα πλεονεκτήματα για την υγεία προέρχονται από τα αντιοξειδωτικά που περιέχουν (Polidori et al., 2009; Swirsky Gold et al., 1997), τα οποία εξουδετερώνουν τις επιβλαβείς επιδράσεις των ελεύθερων ριζών. Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν λίγα στοιχεία που να δείχνουν ότι τα συμπληρώματα αντιοξειδωτικών (π.χ. ταμπλέτες) έχουν κάποια θετική επίδραση στην υγεία.

Το παρακάτω πείραμα συγκρίνει τα επίπεδα αντιοξειδωτικών σε διάφορους τύπους τροφών και ροφημάτων, δηλ. την αποτελεσματικότητα των διάφορων τύπων τροφών και ροφημάτων ως εξουδετερωτές των ελεύθερων ριζών.

Το πείραμα: αναζητώντας αντιοξειδωτικά σε τροφές και ροφήματα

Για να εκπαιδεύσω τους δεκαεφτάχρονους μαθητές μου προς μια υπεύθυνη διατροφή, με την ελπίδα μείωσης του κινδύνου να εμφανίσουν μια από τις προαναφερθείσες ασθένειες, σχεδίασα μια δραστηριότητα που βασίζεται στην αντίδραση Briggs-Rauscher: μια περιοδική αντίδραση στην οποία εναλλάσσονται οξειδωτικά (κιτρινωπό χρώμα) και μη-οξειδωτικά (μπλε χρώμα) στάδια.

Προσθέτοντας δείγματα από διάφορα είδη τροφών και ροφημάτων στην αντίδραση και μετρώντας το χρονικό διάστημα μεταξύ των χρωμάτων, οι μαθητές μπορούν να συγκρίνουν την αποτελεσματικότητα των δειγμάτων ως εξουδετερωτές ριζών. Φυσικά είναι μια συγκριτική μέθοδος και όχι ποσοτική. Αλλά ένα βήμα κάθε φορά…

Υλικά και εξοπλισμός

• 4 Μ υδατικό διάλυμα του υπεροξειδίου του υδρογόνου (H₂O₂)
• Υδατικό διάλυμα 0.20 Μ ιωδικού καλίου (KIO₃) και 0.077 Μ θειικού οξέως (H₂SO₄) aqueous solution
• Υδατικό διάλυμα 0.15 Μ μηλονικού οξέως (CH₂(COOH)₂) και 0.20 Μ θειικού μαγγανίου (MnSO₄)
• απιονισμένο νερό
• Τροφές και ροφήματα π.χ. μικρές ποσότητες κρασιού, τσαγιού, αποστάγματα, δείγματα τροφών ως υδατικά εκχυλίσματα (βλ. Πίνακα 1^w1)
• Μαγνητική πλάκα ανάδευσης και μαγνητικό αναδευτήρα
• δοχεία των 100 ml και 400 ml
• Σιφώνια των 2 ml και 10 ml
• Φιάλη έκπλυσης
• Σπάτουλα
• Γυάλινη ράβδος
• Δοκιμαστικοί σωλήνες
• Φιάλη 1 lt
• Λύχνος Bunsen

Προετοιμάζοντας τα διαλύματα

Διάλυμα 4 Μ υπεροξειδίου του υδρογόνου: Ρίξτε σε δοχείο 1 lt 400 ml απιονισμένου νερού. Φορώντας γάντια, προσθέστε 410 ml 30% υπεροξειδίου του υδρογόνου. Χρησιμοποιώντας απιονισμένο νερό, αραιώστε το διάλυμα σε 1.0 lt.

Διάλυμα 0.20 Μ ιωδικού καλίου και 0.077 Μ θειικού οξέως: Τοποθετήστε 43 g ιωδικού καλίου και περίπου 800 ml απιονισμένο νερό σε ένα δοχείο 1 lt. Προσθέστε 4.3 ml συμπυκνωμένο θειικό οξύ. Θερμάνετε και ανακατέψτε το μείγμα μέχρι το ιωδικό κάλιο να διαλυθεί. Αραιώστε το διάλυμα σε 1.0 lt με απιονισμένο νερό.

Διάλυμα 0.15 μηλονικού οξέως και 0.20 Μ θειικού μαγγανίου: Διαλύστε 16 g μηλονικού οξέως και 3.4 g μονοενυδατωμένου θειικού μαγγανίου σε περίπου 500 ml απιονισμένο νερό σε ένα δοχείο 1 lt. Σε ένα δοχείο των 100 ml, θερμάνετε 50 ml απιονισμένο νερό μέχρι να βράσει. Σε ένα δοχείο των 50 ml, αναμείξτε 0.30 g διαλυτέο άμυλο με 5 ml απιονισμένο νερό και ανακατέψτε το μείγμα μέχρι να σχηματιστεί ομογενές μείγμα. Ρίξτε το ομογενές μείγμα στο νερό που βράζει και συνεχίστε να το θερμαίνεται ανακατεύοντας το μείγμα μέχρι να διαλυθεί το άμυλο. Ρίξτε το διάλυμα αμύλου στο διάλυμα μηλονικού οξέως και θειικού μαγγανίου. Διαλύστε το μείγμα σε 1.0 lt με απιονισμένο νερό.

Δείγματα τροφών: για να προετοιμάσετε τα δείγματα τροφών ως υδατικά διαλύματα ή αιωρήματα, βάλτε 2.0 γρ. σε ένα δοχείο των 400 ml. Προσθέστε 100 ml αποσταγμένο νερό και ανακατέψτε με μια γυάλινη ράβδο. Μεταφέρετε μια ποσότητα σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα και μετά στη μηχανή φυγοκέντρισης. Για υγρά, όπως ο καφές και το κρασί, πάρτε 2.0 ml, προσθέστε 100 ml και ανακατέψτε.

Μέθοδος

Σε ένα δοχείο των 100 ml που περιέχει ένα μαγνητικό αναδευτήρα, με σιφώνιο ρίξτε 10 ml υδατικού διαλύματος των 0.20 Μ ιωδικού καλίου και 0.077 Μ θειικού οξέως, και 10 ml υδατικού διαλύματος των 0.15 Μ μηλονικού οξέως και 0.20 Μ θειικού μαγγανίου. Ξεκινήστε τη μαγνητική ανάδευση. Όταν το κιτρινωπό διάλυμα γίνει μπλε για δεύτερη φορά, προσθέστε 1 ml διαλύματος ή αιωρήματος φαγητού. Ένα βίντεο της αλλαγής χρωμάτων είναι διαθέσιμο online.^w2

Η αντίδραση Briggs-Rauscher είναι μια περιοδική αντίδραση, αυτό σημαίνει ότι ένα μείγμα χημικών περνάει από μια σειρά χρωματικών αλλαγών η οποία επαναλαμβάνεται περιοδικά. Ο ακριβής μηχανισμός της αντίδρασης είναι ακόμα υπό μελέτη, αλλά η φύση της περιοδικότητας είναι αρκετά ξεκάθαρη. Για τους σκοπούς αυτού του άρθρου, είναι αρκετό να ξέρουμε ότι για όσο διάστημα η οξειδωτική διαδικασία διατηρεί τη συγκέντρωση του ενδιάμεσου ΗΙΟ υψηλότερη από τη συγκέντρωση του ενδιάμεσου I^–, η αντίδραση διατηρεί κιτρινωπό χρώμα. Όταν η μη -οξειδωτική διαδικασία λαμβάνει χώρα, η [I^–] είναι μεγαλύτερη από τη [HIO] και τα ιόντα ιωδίου αντιδρούν με το I₂ για να σχηματίσει ένα μπλε σύμπλεγμα με το άμυλο. Μπορείτε να κατεβάσετε μια πιο λεπτομερή περιγραφή της αντίδρασης από τη σελίδα του Science in School^w1.

Από τη στιγμή που προσθέσουμε το διάλυμα ή το αιώρημα φαγητού μετά τη δεύτερη μπλε φάση, όταν η μη-οξειδωτική φάση τελειώνει και η οξειδωτική φάση είναι έτοιμη να αρχίσει, όσο μεγαλύτερο είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της δεύτερης και τρίτης μπλε φάσης, τόσο μεγαλύτερο το αντιοξειδωτικό περιεχόμενο της τροφής. Με άλλα λόγια, το φαγητό έχει αντιδράσει με τα οξειδωτικά που παράγονται και η αντίδραση χρειάζεται περισσότερο χρόνο να παράγει αρκετά οξειδωτικά για να επιτρέψει στην περιοδική αντίδραση να συνεχίσει.

Αφιερώσαμε πολύ χρόνο για να διαλέξουμε την προτιμότερη συγκέντρωση τροφής ή ροφήματος που χρησιμοποιούμε, μιας και πολύ αραιωμένα διαλύματα μείωναν την αντιοξειδωτική δυνατότητα και διαλύματα με μεγάλη συγκέντρωση αύξαναν το χρόνο αντίδραση τόσο που γινόταν πρακτικά αδύνατο να κάνουμε ένα στατιστικά σημαντικό αριθμό δοκιμών κατά τη διάρκεια του μαθήματος.

Αποτελέσματα δειγμάτων

Όταν έκανα τη δραστηριότητα αυτή με τους μαθητές μου, βρήκαμε τη μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση στον καφέ espresso: 6970 δευτερόλεπτα. Βλ. διάγραμμα στα δεξιά.

Περισσότερες λεπτομέριες για τα αποτελέσματα μπορείτε να κατεβάσετε από τη σελίδα Science in School^w1. Ο Πίνακας 1 δείχνει τις τροφές που εξετάστηκαν, την αντιοξειδωτική δράση (χρονικό διάστημα) και την κύρια ουσία που θεωρείτε υπεύθυνη για τη δράση.

Συζήτηση

Τι πρέπει να συμπεράνουμε από τα αποτελέσματα; Προφανώς, μια διατροφή που αποτελείτε αποκλειστικά από espresso μπορεί να περιέχει υψηλά επίπεδα αντιοξειδωτικών αλλά απέχει κατά πολύ από μια υγιεινή. Όταν έκανα αυτή τη δραστηριότητα με τους μαθητές μου, οδήγησε σε μια λεπτομερή συζήτηση για τις οξειδωτικές αντιδράσεις. Παρακάτω είναι κάποιες ερωτήσεις που θα μπορούσαν να ξεκινήσουν μια συζήτηση.

1. Ποιες ομάδες τροφών που εξετάστηκαν τείνουν να περιέχουν τα υψηλότερα επίπεδα αντιοξειδωτικών; Είναι αυτές που περιμένατε; Γιατί/γιατί όχι
2. Ο Πίνακας 1^w1 παραθέτει τα αντιοξειδωτικά μόρια που θεωρούνται υπεύθυνα για την αντιοξειδωτική δράση των τροφών που δοκιμάστηκαν. Διαλέξτε πέντε αντιοξειδωτικά από τον πίνακα, βρείτε το χημικό τους τύπο και συζητήστε ποιες χαρακτηριστικές ομάδες είναι υπεύθυνες για την αντιοξειδωτική τους (εξουδετέρωση ελεύθερων ριζών)δράση.
3. Μερικά από τα φαγητά που εξετάστηκαν έχουν θερμανθεί σε κάποιο στάδιο παρασκευής τους (π.χ. μαρμελάδες, σοκολάτα). Φαίνεται αυτό να επηρεάζει την αντιοξειδωτική τους ικανόητα; Ο Πίνακας 2, τον οποίο μπορείτε να κατεβάσετε από τη σελίδα Science in School^w1, δείχνει τη μοριακή δομή διάφορων αντιοξειδωτικών μορίων και δίνει παραδείγματα τροφών στις οποίες συναντώνται. Κοιτώντας τις μοριακές δομές, θα περιμένατε αυτά τα αντιοξειδωτικά να είναι θερμοευαίσθητα;
4. Εκτός από την αντιοξειδωτική τους δράση, γιατί μπορεί μια διατροφή πλούσια σε φρούτα και λαχανικά να μειώσει την πιθανότητα ανάπτυξης των ασθενειών που αναφέρονται στην αρχή του άρθρου; Τι άλλα προνόμια για την υγεία προσφέρει;