Polifenole roślinne i wpływ eksplozji pary na ich ekstrakcję i aktywność przeciwutleniającą
Polifenole roślinne to klasa metabolitów wtórnych zawierających wiele fenolowych grup hydroksylowych, często uważana za „siódmy główny składnik odżywczy”. Wykazują złożoną strukturę i różnorodne formy koniugacji, obejmujące głównie kwasy fenolowe, pochodne kwasu hydroksybenzoesowego i hydroksycynamonowego, flawonoidy, antocyjany, kumaryny i garbniki. Związki te posiadają szeroki zakres aktywności biologicznej, takiej jak przeciwutleniacz, wychwytywanie wolnych rodników, działanie przeciwnowotworowe, przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe, i przyciągnęły znaczną uwagę w dziedzinie żywności i zdrowia.
Eksplozja pary to nowa technologia wstępnej obróbki surowców rolniczych. Jego zasada polega na krótkim zastosowaniu pary o wysokiej-temperaturze i-ciśnieniu na materiał, a następnie natychmiastowym obniżeniu ciśnienia, wykorzystując powstałą-różnicę ciśnień do rozbicia mikrostruktury surowca. Technologia ta łączy w sobie wiele efektów, w tym hydrolizę-kwasową, degradację termiczną, pękanie-mechaniczne, rozrywanie wiązań wodorowych i przegrupowanie strukturalne, umożliwiając skuteczne oddzielanie składników od materiałów-o twardej teksturze. Ze względu na zalety polegające na braku zanieczyszczeń,-wymaganiu krótkiego czasu obróbki wstępnej, znacznym zwiększeniu wydajności ekstrakcji związków bioaktywnych, zmniejszeniu zużycia energii i kosztów przetwarzania oraz łatwości industrializacji, eksplozja parowa stała się ważnym podejściem do poprawy wydajności ekstrakcji związków bioaktywnych z materiałów roślinnych i zwiększenia wartości dodanej produktu. W artykule dokonano systematycznego przeglądu wpływu obróbki wstępnej eksplozją parową na zawartość polifenoli i aktywność przeciwutleniającą ekstraktów z różnych surowców, mając na celu przedstawienie teoretycznych podstaw do zastosowania tej technologii w ekstrakcji różnych związków bioaktywnych.
1. Główne zmiany fizykochemiczne podczas eksplozji pary
Podczas eksplozji pary szybkie odparowanie gorącej pary poddaje komórki materiału natychmiastowej i znacznej wewnętrznej-zewnętrznej różnicy ciśnień, powodując nagły wzrost ciśnienia wewnętrznego i ekspansję objętości przekraczającą ograniczenia strukturalne komórek, co prowadzi do „mechanicznego-pęknięcia. Ten intensywny efekt fizyczny dodatkowo sprzyja rozrywaniu wiązań wodorowych, rozkładowi obszarów amorficznych i częściowo krystalicznych oraz indukuje strukturalną reorganizację składników. Badania wykazały, że eksplozja pary może zmniejszyć stopień polimeryzacji cząsteczek skrobi w słodkich ziemniakach i ziemniakach, powodując degradację skrobi, a także może zmniejszyć zarówno ilość, jak i masę cząsteczkową cząsteczek pektyny. W przypadku materiałów-bogatych w błonnik, takich jak łupiny orzecha kokosowego, eksplozja pary powoduje częściowy rozkład celulozy i hemicelulozy oraz do pewnego stopnia hydrolizuje ligninę, przerywając łańcuchy molekularne, zmniejszając rozmiar cząstek i zmniejszając-składniki o długich łańcuchach, jednocześnie zwiększając-składniki o krótkich łańcuchach w nierozpuszczalnym{{8} w wodzie błonniku pokarmowym. Podobne wyniki zaobserwowano w przypadku łupin orzecha włoskiego, otrębów gryczanych i efedryny.
Badania mechaniczne wskazują ponadto, że eksplozja pary może częściowo rozkładać ligninę i hemicelulozę, wytwarzając-molekularne-fenole i-cukry rozpuszczalne w wodzie. Jednakże, gdy ciśnienie obróbki jest zbyt wysokie lub czas trwania obróbki jest zbyt długi, uwolnione związki fenolowe mogą ulec degradacji lub polimeryzacji. Dodatkowo eksplozji pary może towarzyszyć żelatynizacja skrobi i reakcje Maillarda, sprzyjające wiązaniu kowalencyjnemu między białkami i cukrami; stopień reakcji Maillarda koreluje z intensywnością eksplozji pary, co potwierdzają badania nasion Amaranthus caudatus.
Obserwacje mikroskopowe pokazują, że eksplozja pary znacząco zmienia strukturę materiału, zmieniając powierzchnię z gładkiej i gęstej na pomarszczoną i porowatą. Na przykład powierzchnia mąki konjac po obróbce ulega pomarszczeniu i tworzą się na niej liczne mikrowgłębienia, zwiększając powierzchnię właściwą. Kiełkująca pszenica wykazuje rozdrobnione polisacharydowe struktury lamelarne, tworzące porowate struktury z niewielkimi włóknistymi rozgałęzieniami. Kości udowe jaka stają się luźne i porowate, co powoduje znaczne uszkodzenia strukturalne głowy kości udowej, podczas gdy pióra mają strukturę przypominającą gąbkę-z pęknięciami i dziurami. Te zmiany mikrostrukturalne sprzyjają penetracji i kontaktowi rozpuszczalników ekstrakcyjnych, ułatwiając uwalnianie związków bioaktywnych.
2. Wpływ eksplozji pary na ekstrakcję polifenoli
2.1 Wpływ na surowce zbóż i nasion oleistych
Surowce zbóż i nasion oleistych są bogate w związki fenolowe, które można sklasyfikować strukturalnie na kwasy fenolowe, flawonoidy i proantocyjanidyny, a następnie podzielić na kategorie według formy na wolne fenole i związane fenole (np. związane{{2} z białkami, związane z glikozydami, związane- estrami. W otrębach zbożowych większość fenoli jest ściśle związana ze ścianami komórkowymi, co skutkuje niską wydajnością ekstrakcji konwencjonalnymi rozpuszczalnikami. Wybuch pary skutecznie rozrywa strukturę kory mózgowej oraz hydrolizuje wiązania eterowe i estrowe, sprzyjając uwalnianiu związanych polifenoli.
Badania wykazały, że eksplozja pary otrębów pszennych pod ciśnieniem 2,5 MPa przez 30 s zwiększa zawartość kwasu wanilinowego w wolnych fenolach o około 50%, podczas gdy kwas p-kumarowy i kwas ferulowy osiągają odpowiednio 36- i 11-krotnie większą niż kontrole. Związane fenole (np. kwas glukuronowy, kwas p-kumarowy, kwas ferulowy) również osiągają szczyt, przy czym kwas ferulowy wzrasta prawie 25-krotnie, a całkowita zawartość fenoli osiąga 28 mg/g, czyli około dziewięć razy więcej niż w grupie nietraktowanej. Podobne wyniki odnotowano w przypadku innych otrębów zbożowych. Zastosowanie eksplozji pary powyżej 7,4 × 10⁵ Pa do ciecierzycy uszkadza błony komórkowe i ściany, ułatwiając uwalnianie związanych fenoli i kompensując potencjalną degradację termiczną wolnych fenoli. Eksplozja pary zwiększa również ekstrakcję fenoli z łupin nasion soi i zwiększa zawartość izoflawonów w okara wraz ze wzrostem intensywności eksplozji, osiągając maksimum przy 2,0 MPa przez 30 sekund. Ze względu na różnice we właściwościach fizykochemicznych surowców i celach badawczych, optymalne warunki wybuchu i wpływ na składniki aktywne są różne.
Warto zauważyć, że intensywność wybuchu pary musi być kontrolowana w odpowiednim zakresie. Umiarkowana intensywność zwiększa ekstrakcję polifenoli, natomiast nadmierna może mieć odwrotny skutek. Na przykład otręby pszenne poddane obróbce ze zbyt dużą intensywnością (np. 2,5 MPa przez 90 s) wytwarzają kwasy organiczne, takie jak kwas mrówkowy i octowy, sprzyjając degradacji lub polimeryzacji fenoli i zmniejszając ich zawartość. Nasiona amarantusa traktowane pod ciśnieniem 0,6 MPa przez 60 s osiągają całkowitą zawartość fenoli wynoszącą 7,798 mg/g-5,3 razy wyższą niż w kontroli-, ale dalszy wzrost ciśnienia lub czasu trwania zmniejsza zawartość fenoli, przy traktowaniu 120 s nawet niższym niż w kontroli. Podobnie obróbka czerwonej fasoli pod ciśnieniem 0,25–0,75 MPa przez 30–90 s zwiększa wydajność fenolu, ale 1,0 MPa lub dłuższy czas powoduje częściową degradację, polimeryzację lub karbonizację. Wybuch pary o dużej intensywności powoduje również rozkład antocyjanów fioletowych słodkich ziemniaków. Liczne badania potwierdzają ogólną zasadę, że eksplozja pary zapewnia optymalne okno przetwarzania zawartości fenoli w materiałach zbożowych i oleistych.
2.2 Wpływ na surowce owocowe i warzywne
Surowce owocowe i warzywne są również bogate w fenole, w tym kwasy fenolowe, antocyjany i flawonoidy. Wybuch pary zakłóca integralność strukturalną owoców i warzyw, zmniejszając opór przenoszenia masy i ułatwiając uwalnianie polifenoli. Badania cytrusów i ich wytłoków, czosnku i skórek czosnku, pozostałości owoców marakui, owoców drzewa lakowego, tunezyjskich czerwonych daktyli, wytłoków z trzciny cukrowej, pozostałości skórek ananasa i owoców Elaeagnus wskazują, że umiarkowany wybuch pary poprawia ekstrakcję polifenoli.
2.3 Wpływ na inne surowce
Oprócz zbóż, nasion oleistych, owoców i warzyw eksplozję parową zastosowano w przypadku innych materiałów roślinnych. Przykładowo, po eksplozji pary pod ciśnieniem 1,5 MPa przez 60 s, igły sosny dały 50,8 mg/g flawonoidów, 2,54 razy więcej niż kontrola, zachowując dobrą stabilność nawet przy 1,5–2,0 MPa przez 60 s. W przypadku pozostałości herbaty i dębu zawartość fenoli początkowo wzrasta wraz z intensywnością, ale maleje przy wyższej intensywności. Całkowity plon flawonoidów z liści figi, korzenia kudzu i liści miłorzębu wykazuje podobny trend. Spadek ekstrakcji może wynikać z częściowej degradacji flawonoidów lub ponownej-polimeryzacji do form nierozpuszczalnych. Badania na gałązkach i liściach oliwnych, liściach Eucommii, rdescie japońskim, liściach Sasa palmata i liściach Populus potwierdzają, że eksplozja pary skutecznie sprzyja uwalnianiu polifenoli.
Zwiększanie uzysku polifenoli w wyniku eksplozji pary opiera się głównie na dwóch mechanizmach: (1) tworzenie nowych fenoli-wysokiej-temperatury,-ciśnienia i warunków kwasowych powoduje termiczną degradację celulozy, hemicelulozy i ligniny, wytwarzając kwasy fenolowe i lotne fenole, takie jak gwajakol, eugenol, wanilina i aldehyd syringowy; (2) sprzyjanie uwalnianiu związanych fenoli-eksplozja rozluźnia strukturę materiału, zwiększając powierzchnię styku, jednocześnie hydrolizując wiązania eterowe i estrowe pomiędzy składnikami ściany komórkowej (polifenole, polisacharydy, lignina), przekształcając związane fenole w wolne fenole i zwiększając rozpuszczalność.
3. Wpływ eksplozji pary na aktywność przeciwutleniającą ekstraktów
3.1 Wpływ na aktywność przeciwutleniającą in vitro
Aktywność przeciwutleniającą in vitro roślinnych polifenoli powszechnie ocenia się za pomocą wychwytywania rodników DPPH·, wychwytywania rodników ABTS⁺· i FRAP (moc przeciwutleniająca redukująca żelazo). Eksplozja pary znacząco zwiększa zdolność antyoksydacyjną ekstraktów polifenolowych in vitro. Na przykład wartości EC₅₀ wychwytywania DPPH· przez ekstrakty ze skórek czosnku zmniejszają się znacząco wraz ze wzrostem ciśnienia i czasu, stabilizując się powyżej 3,0 MPa i wykazują wyższą aktywność niż czarny czosnek. Przypisuje się to zwiększonemu uwalnianiu związanych fenoli oraz degradacji ligniny i hemicelulozy, w wyniku której powstają fenole o niskiej-molekularnej-masie-i cukry rozpuszczalne w wodzie (np. 5-hydroksymetylofurfural). Podobne badania otrębów zbożowych, pozostałości herbaty, nasion amarantusa, fioletowych słodkich ziemniaków, nasion okry, korzenia kudzu, liści Sasa palmata i pędów bambusa konsekwentnie pokazują, że eksplozja pary nie tylko zwiększa zawartość fenoli, ale także zwiększa aktywność przeciwutleniającą. Na przykład po eksplozji pary kwercetyna-3-O-rhamnozyd w owocach drzewa lakowego ulega deglikozylacji, przekształcając się w kwercetynę o silniejszym działaniu przeciwutleniającym.
Jednakże wzrost aktywności przeciwutleniającej zależy również od odpowiednich warunków wybuchu. Nadmierna intensywność może zmniejszyć aktywność. Wysokie ciśnienie lub długotrwałe leczenie może spowodować, że kwasy ferulowy i p-kumarowy ulegną dekarboksylacji, polimeryzacji do dimerów poprzez wolne rodniki lub rozpadu na małe cząsteczki, takie jak metylogwajakol i wanilina, osłabiając zdolność przeciwutleniającą. Badania pokazują, że zmiatanie DPPH i FRAP w ekstraktach z otrębów pszennych osiągają szczyt przy 1,5 MPa przez 90 s i maleją wraz z dalszym wzrostem intensywności. Podobne wyniki zaobserwowano w przypadku nasion amarantusa, fioletowych słodkich ziemniaków i pozostałości herbaty.
Ponadto aktywność przeciwutleniająca jest ściśle skorelowana z zawartością polifenoli. Ekstrakty z czerwonej fasoli po eksplozji pary wykazują istotne dodatnie korelacje pomiędzy stężeniem polifenoli a wartościami zmiatania DPPH·, ABTS⁺· i FRAP. Ekstrakty z nasion okry wykazują dodatnią korelację między całkowitą zawartością polifenoli a wychwytywaniem FRAP, DPPH· i rodników ponadtlenkowych (O₂⁻·), ale ujemną korelację z całkowitą zawartością flawonoidów, co sugeruje, że niektóre związki nie-fenolowe (np. cukry redukujące) powstające podczas eksplozji mogą przyczyniać się do całkowitej aktywności przeciwutleniającej.
3.2 Wpływ na wewnątrzkomórkową aktywność przeciwutleniającą
Badania na poziomie komórkowym dodatkowo potwierdzają korzystne skutki eksplozji pary. W komórkach ludzkiego raka wątroby (HepG2) ekstrakty z otrębów pszennych z materiału poddanego-wybuchowi pary wykazują znacznie wyższą komórkową aktywność przeciwutleniającą (niższe EC₅₀) niż ekstrakty niepoddane obróbce, co wskazuje na silniejsze działanie przeciwutleniające. Inne badanie pokazuje, że niezależnie od przemywania PBS, ekstrakty z otrębów pszennych poddane działaniu ciśnienia 2,5 MPa przez 30 s wykazują wyższą komórkową aktywność przeciwutleniającą niż ekstrakty nietraktowane, głównie ze względu na zwiększoną zawartość rozpuszczalnych fenoli, szczególnie rozpuszczalnego kwasu ferulowego.
W przypadku otrębów gryczanych gorzkich eksplozja pary zwiększa aktywność przeciwutleniającą wolnego ekstraktu fenolowego o 215% w komórkach HepG2, przy EC₅₀ w przybliżeniu dwukrotnie większym niż w próbkach nietraktowanych, jednocześnie znacząco zwiększając hamowanie proliferacji komórek ludzkiego raka okrężnicy (Caco-2). Symulowane eksperymenty z trawieniem żołądkowo-jelitowym wskazują, że niepoddane obróbce produkty trawienia otrębów wykazują minimalną komórkową aktywność przeciwutleniającą, podczas gdy poddane obróbce produkty z otrębów wykazują znaczną aktywność. Podobne wyniki odnotowano dla ekstraktów z liści Populus.
4. Perspektywy
Eksplozja parowa, jako wydajna technologia wstępnej obróbki surowców, wykazuje ogromny potencjał poprawy wydajności ekstrakcji polifenoli i innych związków bioaktywnych, a także zwiększenia ich aktywności przeciwutleniającej. Na skuteczność tej technologii wpływają czynniki wewnętrzne, takie jak rodzaj materiału, skład, zawartość wilgoci,-namoczenie wstępne i wielkość cząstek, a także czynniki zewnętrzne, takie jak ciśnienie pary (temperatura) i czas utrzymywania. Przyszłe badania mogą skupiać się na:
Integracja eksperymentów in vivo i in vitro w celu wyjaśnienia mechanizmów, za pomocą których eksplozja pary wpływa na zawartość i aktywność polifenoli;
Badanie związku-skutku struktury pomiędzy właściwościami matrycy surowców a skutecznością eksplozji pary oraz konstruowanie modeli w celu optymalizacji parametrów eksplozji;
Wyjaśnienie mechanizmów uwalniania i dynamiki przemian związków bioaktywnych podczas eksplozji pary;
Systematyczna ocena wpływu wybuchu pary na różne składniki odżywcze i ich interakcje w surowcach.
Oczekuje się, że dzięki ciągłym badaniom i optymalizacji technologicznej eksplozja pary będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w skutecznej ekstrakcji roślinnych związków bioaktywnych, rozwoju żywności funkcjonalnej i ekologicznej produkcji w przemyśle spożywczym.
