ANTIOXIDANT ACTIVITY OF SELENIUM-CONTAINING BAKERY PRODUCTS
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
South Ural State University (Research University), Institute of Economy, Trade, Technology
Type:
Article
Pages:
from 29
to 34
Status:
Published
Received:
30.06.2015
Accepted:
30.06.2015
Published:
30.06.2015
Subject area:
UDK 664.64.019
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Bakery products, fortified foods, selenium, vitamins, antioxidants, antioxidant activity, antioxidant capacity
Abstract (English):
I In the process of technological quality control of foods containing antioxidants, it is necessary to estimate the total content of struc- turally or functionally related analytes. The article presents the results of spectrophotometric investigations (done using FRAP (fer- ric-reducing antioxidant power) and DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) methods) to study the antioxidant activity of individual antioxidants («SELEX» food additive, vitamins E, A, C, and melatonin) and several species of selenium-containing bakery products («Gorodskaya» wheat flour bread and enriched counterparts - «Gorodskaya with selenium» bread, «Gorodskaya with selenium» bread enriched with vitamins) as well as a mathematical processing of the experimental results. It is well established that vitamin C, vitamin E, A exhibit significantly greater antioxidant activity than melatonin and «SELEX» do, regardless of the method of me as- urement. Vitamin C has the highest antioxidant capacity, «SELEX» (using DPPH method) and melatonin (using FRAP method) have the lowest antioxidant capacity. The antioxidant activity of vitamin E is 15 times higher than that of «SELEX» according to the FRAP method and 54 times higher according to the DPPH method. Theoretically and experimentally, it has been found that the anti- oxidant capacity of fortified foods is almost entirely due to the presence of vitamin E in them, and the presence of «SELEX» makes little contribution to the antioxidant properties of bakery products. Thus, the optical density of foods fortified with selenium alone is10.7 % higher than that in the object of enrichment -«Gorodskaya» bread. A vitamin enriched, selenium-containing analogue of«Gorodskaya» bread has an optical density of 2.3 times higher than that of the prototype and 2.1 times higher than that of the productenriched only with a mineral component.
I In the process of technological quality control of foods containing antioxidants, it is necessary to estimate the total content of struc- turally or functionally related analytes. The article presents the results of spectrophotometric investigations (done using FRAP (fer- ric-reducing antioxidant power) and DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) methods) to study the antioxidant activity of individual antioxidants («SELEX» food additive, vitamins E, A, C, and melatonin) and several species of selenium-containing bakery products («Gorodskaya» wheat flour bread and enriched counterparts - «Gorodskaya with selenium» bread, «Gorodskaya with selenium» bread enriched with vitamins) as well as a mathematical processing of the experimental results. It is well established that vitamin C, vitamin E, A exhibit significantly greater antioxidant activity than melatonin and «SELEX» do, regardless of the method of me as- urement. Vitamin C has the highest antioxidant capacity, «SELEX» (using DPPH method) and melatonin (using FRAP method) have the lowest antioxidant capacity. The antioxidant activity of vitamin E is 15 times higher than that of «SELEX» according to the FRAP method and 54 times higher according to the DPPH method. Theoretically and experimentally, it has been found that the anti- oxidant capacity of fortified foods is almost entirely due to the presence of vitamin E in them, and the presence of «SELEX» makes little contribution to the antioxidant properties of bakery products. Thus, the optical density of foods fortified with selenium alone is10.7 % higher than that in the object of enrichment -«Gorodskaya» bread. A vitamin enriched, selenium-containing analogue of«Gorodskaya» bread has an optical density of 2.3 times higher than that of the prototype and 2.1 times higher than that of the productenriched only with a mineral component.
Keywords:
Bakery products, fortified foods, selenium, vitamins, antioxidants, antioxidant activity, antioxidant capacity
Bakery products, fortified foods, selenium, vitamins, antioxidants, antioxidant activity, antioxidant capacity
Введение При действии на организм человека различных неблагоприятных физических или химических фак- торов (соединений тяжелых металлов, радиации), а также стрессовых ситуаций в организме формиру- ется неспецифическая реакция, которая проявляет- ся в повышении свободнорадикальных процессов вследствие патологического метаболизма кислоро- да (т.н. синдром переоксидации или окислительный стресс) [4]. При этом повреждаются белки, липиды, ферменты, изменяется структура макромолекул и нарушается целостность клетки. Повышение ин- тенсивности свободнорадикальных процессов ле- жит в основе развития тяжелых заболеваний, таких как атеросклероз, инфаркт миокарда, онкологиче- ские заболевания, а также ускоренное и прежде- временное старение организма [3]. Вредное воздействие окислительного стресса можно снять с помощью своевременной антиокси- дантной терапии, т. е. путем потребления нормиро- ванного количества антиоксидантов, которые по- вышают устойчивость организма к воздействию неблагоприятных внешних факторов, а следова- тельно и его защитные силы [5]. В связи с этим разрабатываются продукты питания, дополнитель- но обогащенные антиоксидантами различной при- роды (белками - трансферрин, ферритин, лакто- феррин; витаминами - А, Е, С; минеральными веществами - цинк, селен и др.). В отношении пользы для здоровья таких пищевых продуктов еще в 1999 году Международный институт наук о жизни пред- ложил категорию «защита от окислительного стресса» в качестве классифицирующей целевой функции организма, подвергаемой коррекции с помощью обогащенных продуктов [14]. Для контролируемого потребления антиокси- дантов необходимо знать их содержание в продук- тах питания, поскольку при высокой концентрации антиоксиданты становятся проантиоксидантами [8]. Актуальным является определение суммарного содержания антиоксидантов и близкого к нему ин- тегрального показателя - суммарной антиокси- дантной активности, учитывающей не только со- держание, но и удельную активность каждого ком- понента в обогащенном продукте [6]. Одним из важнейших антиоксидантов является микроэлемент селен, который входит в состав ак- тивного центра одного из ферментов, поддержива- ющих перекисный гомеостаз - глутатионперокси- дазы. Известно, что витамин Е защищает селен от окисления, повышая его эффективность, дополни- тельные количества в пище витамина С и селена усиливают гуморальный иммунитет [11]. Экспери- ментально доказано наличие синергического дей- ствия селена и витаминов А, С, В2, В6 [8, 9, 10]. 29 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 Целью наших исследований явилось изучение антиоксидантных свойств нескольких видов селен- содержащих булочных изделий. Объект и методы исследования В качестве объектов исследований были выбраны: булка «Городская» из пшеничной муки высше- го сорта (ГОСТ 27844-88) и ее обогащенные аналоги - булка «Городская с селеном» (ТУ 9115-066- 02068315-07), булка «Городская с селеном», обо- гащенная витаминами (ТУ 9115-022-71554597-12). Производство булочных изделий осуществлялось в условиях ОАО «Первый хлебокомбинат» (г. Челябинск). В качестве обогащающих добавок исполь- зовали: пищевую добавку «Селексен» (ТУ 9229- 014-48363077-03), выпускаемую ООО НПП «Медбиофарм» (г. Обнинск, Калужская обл.), и витаминный премикс 986 (производитель DSM Nutritional Products Europe Ltd (Швейцария)), со- держащий в том числе и витамин Е. Учитывая вышесказанное, нами было дополнительно проведено исследование антиоксидантных свойств индивиду- альных антиоксидантов: пищевой добавки «Селек- сен» (содержание селена в препарате составляет 23-24 %) и химически чистых аналитов - витаминов Е, А, С и мелатонина (производитель - SIGMA- ALDRICH, Saint Louis, USA). Изучение антиоксидантной активности однотипных продуктов требует применения нескольких методов. В связи с чем нами было использовано 2 спектрофотометрических метода: FRAP (ferric- reducing antioxidant power) и DPPH (2,2-diphenyl-1- picrylhydrazyl) [12]. Метод DPPH основан на реакции 2,2-дифенил- 1-пикрилгидразила с антиоксидантом, в ходе кото- рой идет доведение неспаренного электрона DPPH до электронной пары с уменьшением оптической плотности раствора. Делокализация неспаренного электрона обусловливает темно-синий цвет DPPH в растворителе с поглощением в районе 520 нм. Смешение раствора DPPH с антиоксидантом приводит к восстановленной форме с потерей цвета. В железовосстанавливающем методе FRAP ио- ны железа (III) окисляют антиоксидант, восстанав- ливаясь до ионов железа (II). Образующееся двух- валентное железо связывается с комплексоном - 2,4,6-три(2-пиридил)-1,3,5-триазином (2,4,6-tri(2- pyridyl)-1,3,5-triazine, TPTZ) с образованием окра- шенного комплекса. Формируемый комплекс Fe2+- комплексон имеет максимум светопоглощения при 595 нм. Тождественность результатов, полученных раз- ными методами, изучали с помощью регрессионно- го анализа, используя пакет Statgraphics Centurion. Результаты и их обсуждение На первом этапе исследований представляло интерес изучить антиоксидантную активность индивидуальных низкомолекулярных антиоксидантов в сравнительном аспекте для установления приори- тетной роли каждого из них в формировании общей антиоксидантной активности обогащенных продук- тов питания. Результаты светопоглощения представлены в табл. 1. Таблица 1 Показатели антиоксидантной активности индивидуальных антиоксидантов Наименование антиоксиданта Масса в 1 мл метанола Оптическая плотность Наименование антиоксиданта Масса в 1 мл метанола по методу FRAP по методу DPPH Витамин С (L-аскорбиновая кислота) 0,1 мг 2,276±0,097 4,179±0,019 Витамин Е (α-токоферол) 0,1 мг 0,849±0,015 1,836±0,015 Витамин А (ретинола ацетат) 0,1 мг 0,658±0,045 0,088±0,038 Мелатонин 0,1 мг 0,042±0,006 0,063±0,030 Селексен 0,1 мг 0,058±0,018 0,034±0,031 Порядок увеличения антиоксидантной активно- сти исследуемых веществ, измеренной двумя раз- ными методами, совпадает. Взаимная проверка ре- зультатов одного метода результатами другого повышает степень достоверности оценки биологи- ческой активности антиоксидантов. Зачастую срав- нивать результаты, полученные разными методами, не представляется возможным, поскольку сами ме- тоды основаны на различных принципах измере- ния, модельных системах, имеют разную размер- ность показателя антиоксидантной активности [6, 7], поэтому нами для установления наличия или отсутствия тождественности между двумя набора- ми согласованных данных (значениями оптической плотности), полученных разными методами (FRAP и DPPH), было проведено парное сравнение. Для этого использовали следующие тесты: t-тест, тест знаков, ранговый тест знаков и Хи-квадрат тест (о равенстве дисперсий), результаты которых (на уровне значимости не менее 95 %) не установили значимых различий между значениями перемен- ных, полученными методами FRAP и DPPH, что свидетельствует о наличии линейной количествен- ной связи (значимость парного коэффициента кор- реляции ниже, чем 0,05). Степень и структура ре- грессионной зависимости между изучаемыми пе- ременными представлены на рис. 1. Корреляция между полученной моделью и пе- ременной составляет 0,99, что почти совпадает с коэффициентом корреляции между переменными (0,95). При этом нелинейная регрессионная зависи- мость аккумулируют 98 % изменчивости перемен- ных. Стандартная ошибка оценивания мала и со- ставляет 0,287, поэтому модель может быть ис- пользована для прогнозирования. Иногда удобнее иметь для расчетов, может быть, менее точную, но более простую модель. В данном случае линейная модель несколько уступа- 30 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 ет предыдущей (рис. 2), однако не намного. Тем не менее она тоже представляет интерес, поскольку может оказаться, что физика процесса линейна. Рис. 1. Нелинейная модель корреляции значений оптической плотности, полученных разными методами Рис. 2. Линейная модель корреляции значений оптической плотности, полученных разными методами Построенная линейная модель описывает 91 % изменчивости переменных со значимым коэффици- ентом корреляции 0,95. Стандартная ошибка оце- нивания в этом случае больше и составляет 0,311. Следовательно, прогноз будет менее точным. Не- смотря на более высокую точность расчетной мо- дели, рассмотренной выше, линейное описание идейно более приемлемо. Таким образом, достоверно установлено, что из представленных экспериментальных данных по изучению антиоксидантных свойств ряда низкомо- лекулярных антиоксидантов витамины С, Е, А про- являют существенно бόльшую антиоксидантную активность, чем мелатонин и селексен, независимо от метода измерения. Что априори предполагает их главенствующую роль в формировании суммарной антиоксидантной активности пищевых продуктов, обогащенных указанными антиоксидантами. Среди выбранных нами веществ витамин С обладает наибольшей антиоксидантной способностью, наименьшей - селексен (по методу DPPH) и мела- тонин (по методу FRAP). Антиоксидантная актив- ность витамина Е выше, чем у селексена, в 15 раз по методу FRAP и в 54 раза по методу DPPH. При этом важно понимать, что антиоксидантная актив- ность, замеренная in vitro и in vivo, не всегда корре- лирует, поскольку in vivo методы не учитывают метаболические трансформации, тканевую локали- зацию и взаимодействие с ферментами. Поэтому in vitro методы могут быть использованы в качестве предварительных при измерении антиоксидантной активности [13]. В процессах обеспечения технологического контроля качества продуктов питания, содержащих антиоксиданты, необходимо оценивать суммарное содержание аналитов, родственных в структурном или функциональном отношении [6]. В связи с чем на данном этапе исследований была изучена суммарная антиоксидантная активность булочных из- делий (дополнительно содержащих селексен и ви- тамин Е), которую находили расчетным (учитывая количественное содержание в продукте антиокси- дантов (табл. 2), вносимых с обогащающими до- бавками, и их ранее установленную оптическую плотность, мы рассчитали теоретическое значение показателя) и экспериментальным (получили фак- тическое значение показателя) путями, используя только метод DPPH, поскольку метод FRAP харак- теризуется неаддитивностью светопоглощения смесей [1, 2]. Наиболее вероятная причина неадди- тивности - разная чувствительность определения индивидуальных антиоксидантов, зависящая от стехиометрии и скорости соответствующих реак- ций. Известно, что разная чувствительность опре- деления компонентов какой-либо смеси приводит к систематическим погрешностям при оценке их суммарного содержания в пересчете на стандартное вещество [1]. Нутриентный состав булочных изделий Таблица 2 Нутриент Фактическое содержание*, мг/100 г Нутриент булка «Городская» булка «Городская с селеном» булка «Городская с селеном», обогащенная витаминами Селен 0,0007±0,0001 0,021±0,003 0,021±0,001 Витамин Е 1,58±0,02 1,60±0,01 3,56±0,02 Витамин В1 0,08±0,002 0,08±0,002 0,31±0,01 Витамин В2 0,033±0,002 0,035±0,001 0,33±0,01 Витамин В6 н/об** н/об** 0,290±0,001 Витамин В3 0,52±0,02 0,53±0,01 1,32±0,01 Витамин Вс н/об** н/об** 0,068±0,002 Витамин В12 н/об** н/об** 0,00073±0,00002 Витамин РР 0,92±0,03 0,93±0,01 4,57±0,01 Витамин Н н/об** н/об** 0,011±0,002 Примечание. * - указаны те нутриенты, которые отдельно для каждого вида булочных изделий вносились с обогащающими добавками; ** - не обнаружено. 31 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 Результаты исследований суммарной антиокси- дантной активности свежеиспеченных обогащен- ных булочных изделий в сравнительном аспекте с их прототипом представлены в табл. 3. Ввиду низ- кой концентрации антиоксидантов в обогащенной хлебной продукции (по сравнению с химически чистыми аналитами), масса навески булок была увеличена и концентрация ее в 1 мл метанола со- ставила 10,0 мг. Определить теоретическое значе- ние суммарной антиоксидантной активности булки «Городская» не представлялось возможным, по- скольку не известна природа и антиоксидантные свойства соединения селена, входящего в состав булки. Таблица 3 Показатели суммарной антиоксидантной активности булочных изделий по методу DPPH Наименование продукции Масса в 1 мл метанола Оптическая плотность Наименование продукции Масса в 1 мл метанола теоретическое значение фактическое значение Булка «Городская» 10,0 мг - 0,0028±0,0009 Булка «Городская с селеном» 10,0 мг 0,0030 0,0031±0,0007 Булка «Городская с селеном», обогащенная витаминами 10,0 мг 0,0065 0,0066±0,0015 По результатам исследований суммарной анти- оксидантной активности обогащенных булочных изделий, произведенных на основе булки «Город- ская», теоретически и экспериментально установ- лено, что антиоксидантная емкость обогащенных продуктов практически полностью обусловлена наличием в их составе витамина Е (внесенного с витаминным премиксом 986), имеющего сравни- тельно высокие скорости восстановления окисли- тельных (Fe3+) и радикальных частиц (DPPH). Так, оптическая плотность продукции, обогащенной только селеном, лишь на 10,7 % выше аналогично- го показателя объекта обогащения, при этом со- держание микроэлемента в булке «Городская с се- леном» выше, чем в булке «Городская», в 30 раз, а содержание витамина Е находится на одном уровне. Витаминизированный селенсодержащий аналог булки «Городская», несмотря на аналогич- ное содержание селена (как и в булке «Городская с селеном»), имеет в 2,3 раза бόльшую оптическую плотность по сравнению с необогащенными образ- цами на фоне более высокого содержания витамина Е (выше в 2,2 раза). Таким образом, при разработке хлебобулочных изделий антиоксидантного действия путем обога- щения продукции селеном, входящим в состав пи- щевой добавки «Селексен», эффективным действи- ем является дополнительное внесение витаминов - антиоксидантов, в том числе витамина Е, для по- вышения суммарной антиоксидантной емкости функциональных хлебопродуктов, предназначен- ных для снижения окислительного стресса в орга- низме человека.
1. Vershinin, V.I. Vyyavlenie otkloneniy ot additivnosti v spektrofotometricheskom analize nerazdelennyh sme- sey / V.I. Vershinin, I.V. Vlasova, T.G. Cyupko // Metody i ob'ekty himicheskogo analiza. - 2010. - T. 5, № 4. - S. 226-233.
2. Vlasova, I.V. Metodologiya spektrofotometricheskogo analiza smesey organicheskih soedineniy. Problema nead- ditivnosti svetopogloscheniya / I.V. Vlasova, V.I. Vershinin, T.G. Cyupko // Analiticheskaya himiya. - 2011.- T. 66, № 1. - S. 25-33.
3. Voskresenskiy, O.N. Bioantioksidanty - obligatnye faktory pitaniya / O.N. Voskresenskiy, V.N. Bobyrev // Voprosy medicinskoy himii. - 1992. - T. 38. - № 4. - S. 21-26.
4. Konev, S.V. Strukturnoe sostoyanie belkov i biologicheskih membran kak regulyator svobodnoradikal'nyh reakciy / S.V. Konev, G.D. Kisenbaum, I.D. Volotovskiy // Bioantiokisliteli v regulyacii metabolizma v norme i patologii. - M.: Nauka, 1982. - S. 37-50.
5. Turova, E.N. Organicheskie antioksidanty kak ob'ekt analiza / E.N. Turova, G.K. Budnikov, I.F. Abdulin // Za- vodskaya laboratoriya. - Diagnostika materialov. - 2001. - T. 167, № 6. - S. 3-13.
6. Opredelenie summarnogo soderzhaniya antioksidantov metodom FRAP / T.G. Cyupko, I.S. Petrakova, N.S. Brile- nok i dr. // Analitika i kontrol'. - 2011. - T. 15, № 3. - S. 287-298.
7. Yashin, Ya.I. Problema opredeleniya soderzhaniya antioksidantov / Ya.I. Yashin, A.Ya. Yashin // Metrologiya. - 2009. - № 8 (69). - S. 50-53.
8. Brady, P.S. Effects of riboflavin deficiency on growth and glutathione peroxidase system enzymes on the baby pig / P.S. Brady // J. Nutr. - 1979. - Vol. 109. - P. 1615-1617.
9. Combs, G.F. Influence of vitamin A and other reducing compounds on the selenium-vitamin E nutrition of the chicken / G.F. Combs // Proc. Distillers Feed Res. Conf. - 1976. - Vol. 31. - P. 40-43.
10. Cupp, M.S. Studies of the nutritional-biochemical interaction of selenium and ascorbic acid in the chick / M.S. Cupp // Ph. D. Ttesis, Cornell Univ. - Ithaca, 1984. - P. 554-558.
11. Mc Carty, M.F. «Nutritional insurance» Supplementation and corticosterol toxicity // Med. Hypothesis. - 1982. - Vol. 9. - P. 145-156.
12. Müller, L. Comparative antioxidant activities of carotenoids measured by ferric reducing antioxidant power (FRAP), ABTS bleaching assay (aTEAC), DPPH assay and peroxyl radical scavenging assay / L. Müller, K. Fröhlich, V. Böhm // Food Chemistry. - 2011. - Vol. 129. - R. 139-148.
13. Niki, E. Assessment of Antioxidant Capacity in vitro and in vivo / E. Niki // Free Radicals in Biology and Medicine, Ox- ford University Press. - 2010. - Vol. 49. - P. 503-515.
14. Scientific concepts of functional foods in Europe consensus document / A.T. Diplock et al. // British Journal of Nutrition. - 1999. - Vol. 81. - Supp. 1. - 27 p.
