W poszukiwaniu jedzenia z przeciwutleniaczami Teach article

Tłumaczenie Karolina Ciosek. Wszyscy słyszeliśmy, że dieta bogata w przeciwutleniacze jest zdrowa. Wraz ze swoimi studentami, Gianluca Farusi porównał zawartość przeciwutleniaczy w różnego rodzaju żywności i napojach.

Wiele problemów zdrowotnych, w tym miażdżyca, zawał serca, choroba Alzheimera, niektóre nowotwory i zaćma, jest związanych z bardzo reaktywnymi cząsteczkami zwanymi wolnymi rodnikami. Cząsteczki te są zwykle produkowane w czasie oddychania tlenowego i są wykorzystywane przez organizm, na przykład do obrony przed mikroorganizmami.

Jeśli jednak zostanie zachwiana równowaga pomiędzy rodnikami (utleniacze) oraz przeciwutleniaczami, może to doprowadzić do choroby.

Wolne rodniki są tak bardzo reaktywne, ponieważ posiadają jeden lub więcej niesparowanych elektronów. Są produkowane i zlokalizowane w wielu komórkach i organellach komórkowych; na przykład anionorodnik ponadtlenkowy (O₂^–), jest najczęściej występującym rodnikiem w organizmie i jest wykorzystywany przez krwinki białe w ataku na wirusy i bakterie. Zdecydowanie najbardziej reaktywnym rodnikiem jest jednak rodnik hydroksylowy (HO·), znajdujący się w peroksysomach (gdzie rozkładane są kwasy tłuszczowe) i retikulum endoplazmatycznym. Również czynniki zewnętrzne mają wpływ na produkcję rodników, na przykład promieniowanie ultrafioletowe (UV) padające na naszą skórę powodują powstawanie wolnego rodnika – tlenu singletowego (¹ΔO₂·).

W organizmie wolne rodniki mogą prowadzić do różnego rodzaju problemów. W szczególności reagują z lipidami i je niszczą, białkami i kwasami nukleinowymi, w tym DNA (Arking, 2006). Aby zabezpieczyć się przed ciągłym atakiem rodników, nasze ciało ma dwie podstawowe formy ochrony: enzymatyczną i nieenzymatyczną. Do najważniejszych enzymów chroniących nasz organizm przed atakiem wolnych rodników są enzymy antyoksydacyjne: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa. Głównymi nieenzymatycznymi przeciwutleniaczami są melatoniny, α-tokoferol (witamina E), kwas askorbinowy (witamina C) i β-karoten (prekursor witaminy A).

Wszystkie cztery nieenzymatyczne przeciwutleniacze są niezbędnym składnikiem diety i znajdują się w wielu produktach spożywczych. Na przykład nowotwory występują rzadziej u osób spożywających dużo owoców i warzyw. Sugeruje się, że odpowiadają za to antyoksydanty zawarte w tych produktach (Polidori i wsp., 2009; Swirsky Gold i wsp., 1997), które przeciwdziałają szkodliwemu działaniu wolnych rodników. Obecnie istnieje niewiele dowodów na to, że antyoksydanty (np. w tabletkach) przynoszą jakiekolwiek korzyści zdrowotne.

Eksperyment poniżej pozwala porównać poziom antyoksydantów w różnych rodzajach żywności i napojów, tj. skuteczność różnych rodzajów żywności i napojów jako „wymiataczy” wolnych rodników.

Eksperyment: poszukiwanie przeciwutleniaczy w żywności i napojach

Aby wykształcić w moich 17-letnich uczniach nawyk zdrowego odżywiania, w nadziei na zmniejszenie u nich w przyszłości ryzyka rozwoju wyżej wymienionych chorób, zaprojektowałem ćwiczenie w oparciu o reakcję Briggsa-Rauschera: reakcję oscylacyjną, w której występują naprzemiennie barwne etapy o kolorze bursztynowym w obecności wolnych rodników i kolorze niebieskim, kiedy rodników nie ma.

Dodając próbki różnych rodzajów żywności i napojów do mieszaniny reakcyjnej i mierząc czas pomiędzy zmianami kolorów, uczniowie mogli porównać skuteczność próbek jako „wymiataczy” rodników. Oczywiście jest to metoda porównawcza a nie dokładne wyliczenia. Ale po kolei…

Materiały i sprzęt

• 4 M wodny roztwór nadtlenku wodoru (H₂O₂)
• 0,20 M jodan potasu (KIO₃) i 0,077 M wodny roztwór kwasu siarkowego (H₂SO₄)
• 0,15 M kwas malonowy (CH₂(COOH)₂) i 0,20 M wodny roztwór siarczanu (VI) manganu (II) (MnSO₄)
• Woda destylowana
• Żywność i napoje, np. próbki wina, herbaty, napary; próbki żywności jako wodne ekstrakty (patrz tabela 1^w1)
• Mieszadło magnetyczne
• Zlewki na 100 ml i 400 ml
• Pipetki 2 ml i 10 ml
• Tryskawka
• Łopatka
• Szklana bagietka
• Probówki
• 1l kolba
• Palnik Bunsena

Przygotowanie roztworów

4 M roztwór nadtlenku wodoru: wlej 400 ml wody destylowanej do 1 l kolby. Dodej 410 ml 30% nadtlenku wodoru – używaj rękawiczek ochronnych. Rozcieńcz roztwór wodą destylowaną do 1 l.

0,20 M jodan potasu i 0,077 M roztwór kwasu siarkowego: dodaj 43 g jodanu potasu i około 800 ml wody destylowanej do 1 l kolby. Dodaj 4,3 ml stężonego kwasu siarkowego. Podgrzewaj i mieszaj mieszaninę aż jodan potasu się rozpuści. Rozcieńcz wodą destylowaną do 1 l.

0,15 M kwas malonowy i 0,20 M roztwór siarczanu manganu: rozpuść 16 g kwasu malonowego oraz 3,4 g jednowodnego (monohydratu) siarczanu (VI) manganu (II) w około 500 ml wody destylowanej w 1 l kolbie. W 100 ml zlewce, doprowadź do wrzenia 50 ml wody destylowanej. W 50 ml zlewce, zmieszaj 0,30 g skrobi z około 5 ml wody destylowanej do wytworzenia zawiesiny. Wlej zawiesinę do wrzącej wody i kontynuuj podgrzewanie aż do rozpuszczenia skrobi. Wlej roztwór skrobi do roztworu kwasu malonowego i (VI) manganu (II). Rozcieńcz mieszaninę wodą destylowaną do 1 l.

Próbki żywności: przygotuj próbki jedzenia jako wodne roztwory lub zawiesiny, dodaj 2,0 g badanego jedzenia do zlewki o pojemności 400 ml. Dodaj 100 ml wody destylowanej i wymieszaj szklaną bagietką. Odcedź, część przelej do probówki i zwiruj. Napoje takie jak kawa lub wino: pobierz 2,0 ml napoju, dodaj 100 ml wody destylowanej i wymieszaj.

Metoda

Do 100 ml zlewki, w której jest już mieszadło magnetyczne dodaj pipetą: 10 ml 4 M wodnego roztworu nadtlenku wodoru, 10 ml 0,20 M wodnego roztworu jodanu potasu, 0,077 M kwasu siarkowego, 10 ml 0,15 M wodnego roztworu kwasu malonowego i 0,20 M siarczanu manganu. Uruchom mieszadło magnetyczne. Kiedy roztwór w kolorze bursztynowym zmieni po raz drugi kolor na niebieski, dodaj 1 ml roztworu z próbką żywności. Film ze zmianami kolorów jest dostępny online.^w2

Reakcja Briggsa-Rauschera jest reakcją oscylacyjną – jest to mieszanina substancji chemicznych, która przechodzi przez sekwencję zmian koloru powtarzających się cyklicznie. Dokładny mechanizm reakcji jest wciąż badany, ale charakter oscylacji jest jasny. Do celów niniejszego artykułu, wystarczy wiedzieć, że kiedy trwa reakcja, w której są obecne wolne rodniki, stężenie pośrednie HIO jest wyższe niż stężenie pośrednie I^– i roztwór ma kolor bursztynowy. Kiedy w reakcji brak wolnych rodników, [I^–] jest większe niż [HIO] i jon jodu łączy się z I₂, i tworzy niebieski kompleks skrobi. Bardziej szczegółowy opis reakcji można pobrać ze strony internetowej Science in School^w1.

Od dodania próbki żywności po drugiej zmianie koloru na niebieski – kiedy kończy się faza bez wolnych rodników i kiedy zaczyna się faza z wolnymi rodnikami – im dłuższy będzie czas pomiędzy drugą a trzecią fazą niebieską, tym większe właściwości przeciwutleniające ma żywność. Innymi słowy, żywność przereagowała z wytworzonymi rodnikami i reakcja musi trwać dłużej, aby wyprodukować wystarczająco dużo rodników, aby umożliwić kontynuowanie reakcji oscylacji.

Poświęciliśmy bardzo dużo czasu, aby wybrać najlepsze stężenia jedzenia i napojów. Zbyt rozcieńczone roztwory miały obniżone zdolności antyoksydacyjne natomiast zbyt stężone roztwory wydłużały czas reakcji tak bardzo, że praktyczne nie udało się przeprowadzić statystycznie znaczącej liczby prób podczas przebiegu lekcji.

Przykładowe wyniki

Kiedy wykonywałem to doświadczenie z moimi uczniami, największą aktywność przeciwutleniającą zaobserwowaliśmy w kawie espresso: 6970 sekund. Patrz wykres po prawej stronie.

Więcej szczegółów na temat naszych wyników można pobrać ze strony internetowej Science in School^w1. Tabela 1 przedstawia żywność, którą testowaliśmy, działanie antyoksydacyjne (przedziały czasowe) oraz główną substancję którą uważa się, że jest odpowiedzialna za tę aktywność.

Dyskusja

Jakie zatem wnioski powinniśmy wyciągnąć z wyników? Oczywiście, dieta składająca się wyłącznie z kawy może zawierać wysoki poziom przeciwutleniaczy, ale będzie daleka od zdrowego sposobu odżywiania. Po wykonaniu ćwiczenia z moimi uczniami, wywiązała się dyskusja, w której szczegółowo omówiliśmy reakcje, w których biorą udział wolne rodniki. Poniżej znajdują się pytania, które mogą być pomocne, aby rozpocząć dyskusję.

1. Które grupy testowanej żywności zawierają najwyższy poziom antyoksydantów? Czy tego się spodziewaliście? Dlaczego tak/nie?
2. Tabela 1^w1 zawiera listę cząsteczek o własnościach przeciwutleniających, które uważa się, że są odpowiedzialne za działanie antyoksydacyjne testowanej żywności. Wybierz pięć przeciwutleniaczy z tabeli, znajdź ich wzory chemiczne i przedyskutuj, które grupy funkcyjne są odpowiedzialne za ich działanie przeciwutleniające (niszczące wolne rodniki).
3. Niektóre testowane produkty zostały poddane obróbce cieplnej (np. dżemy, czekolada). Czy to może mieć wpływ na ich zdolności antyoksydacyjne? Tabela 2, którą można pobrać ze strony internetowej Science in School^w1, zawiera struktury cząsteczkowe kilku przeciwutleniaczy i podaje przykłady żywności, w której się ona znajdują. Czy patrząc na struktury cząsteczkowe, można się spodziewać, że te przeciwutleniacze są termolabilne?
4. Dlaczego dieta bogata w owoce i warzywa, oprócz właściwości przeciwutleniających, może zmniejszyć ryzyko wystąpienia chorób wymienionych na początku artykułu? Jakie inne korzyści zdrowotne z niej wynikają?