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…

Ανιόν υπεροξειδίου

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.

ρίζα υδροξυλίου
Η εικόνα προσφέρθηκε από
Gianluca Farusi

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).

Η εικόνα προσφέρθηκε από Nicola Graf

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 1w1)
  • 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

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Nicola Graf

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

Ο συγγραφέας, Gianluca
Farusi

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Gianluca Farusi

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 Schoolw1.

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.

Οδηγίες προφύλαξης

Το μηλονικό οξύ και το ιώδιο (τα οποία παράγονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης) μπορεί να ερεθίσουν το δέρμα, τα μάτια και τις βλεννώδεις μεμβράνες. Για αυτό το λόγο η αντίδραση πρέπει να πραγματοποιηθεί κάτω από έναν απορροφητήρα.

Επειδή ένα διάλυμα 30% υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι ένας πολύ ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας, πρέπει να φορεθούν προστατευτικά ματιών, ρόμπες εργαστηρίου και γάντια.

Το θειικό οξύ είναι ένας ισχυρός αφυδατικός παράγοντας, πρέπει να φορεθούν προστατευτικά ματιών, ρόμπες εργαστηρίου και γάντια.

Για να πετάξετε με ασφάλεια στο τέλος του πειράματος το μείγμα, προσθέστε αργά θειοθειικό νάτριο (Na2S2O3) στα προϊόντα της αντίδρασης μέχρι η περίσσεια ιωδίου να μετατραπεί σε άχρωμα ιόντα ιωδίου (η αντίδραση είναι αρκετά εξώθερμη).

 

Η αντιοξειδωτική δράση των
τροφών και ροφημάτων που
εξετάστηκαν. Οι τιμές στο
διάγραμμα βρέθηκαν
χρησιμοποιώντας δείγματα
των 0.02 γρ. περίπου (100
ml αποσταγμένου νερού
προστέθηκαν σε 2.0 γρ.
δείγματος φαγητού ή
ροφήματος). Έτσι, 0.02 γρ.
μαρμελάδας βατόμουρου,
για παράδειγμα, έχουν
αντιοξειδωτική δράση 50
φορές μεγαλύτερη από αυτή
του αποσταγμένου νερού!
Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση

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 Schoolw1. 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 1w1 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 Schoolw1, 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;

Download

Download this article as a PDF

References

  • Arking R (2006) The Biology of Aging: Observations and Principles 3rd edition. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780195167399
  • Polidori CM et al. (2009) High fruit and vegetable intake is positively correlated with antioxidant status and cognitive performance in healthy subjects. Journal of Alzheimer’s Disease 17: 921-927. doi: 10.3233/JAD-2009-1114
  • Σύντομη περιγραφή του άρθρου είναι διαθέσιμη στην ιστοσελίδα του Science Daily: www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090909064910.htm
  • Swirsky Gold L, Slone TH, Ames BN (1997) Prioritization of possible carcinogenic hazards in food. In Tennant DR (ed) Food Chemical Risk Analysis, pp 267-295. New York, NY, USA: Chapman and Hall.
  • Αυτό το κεφάλαιο είναι διαθέσιμο δωρεάν ηλεκτρονικά: http://potency.berkeley.edu/text/maff.html

Web References

Resources

  • Για περιγραφές των πειραματικών μεθόδων παρόμοιων με αυτών που χρησιμοποιήθηκαν στο άρθρο, δείτε:
    • Höner K, Cervellati R (2002) Attività antiossidante di bevande. Esperimenti per le scuole secondarie superiori. La Chimica nella Scuola 24: 30-38
    • Shakhashiri BZ (1985) Chemical Demonstrations Volume 2. Madison, WI, USA: University of Wisconsin Press. ISBN: 9780299101305
  • Για ένα καλό (δωρεάν διαθέσιμο) άρθρο σχετικά με τις επιδράσεις των ελεύθερων ριζών, βλ.:
    • Sies H (1997) Oxidative stress: oxidants and antioxidants. Experimental Physiology 82: 291-295.
    • Αυτό το άρθρο και όλα τα υπόλοιπα άρθρα του Experimental Physiology που είναι παλαιότερα από 12 μήνες μπορείτε να τα κατεβάσετε χωρίς καμία χρέωση από τη σελίδα του περιοδικού: http://ep.physoc.org
  • Για να μάθετε για την αιμοχρωμάτωση, μια ασθένεια στην οποία οι ελεύθερες ρίζες παίζουν ένα ρόλο, δείτε:
  • Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις ελεύθερες ρίζες και τη δράση τους στο σώμα, δείτε:
    • Dansen TB, Wirtz KWA (2001) The peroxisome in oxidative stress. IUBMB Life 51: 223-230. doi: 10.1080/152165401753311762
    • Rosen GM, Rauckman EJ (1981) Spin trapping of free radicals during hepatic microsomal lipid peroxidation. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 78: 7346-7349
  • Δείτε επίσης τα προηγούμενα άρθρα του Gianluca Farusi στο Science in School:

Author(s)

Ο Gianluca Farusi διδάσκει Χημεία στο τεχνολογικό σχολείο (Istituto Tecnico Industriale) Galileo Galilei στη Avenza-Carrara, Ιταλία, και στοιχειομετρία στο Πανεπιστήμιο της Πίζας, Ιταλία. Διδάσκει εδώ και 12 χρόνια και τίποτα δεν τον ικανοποιεί περισσότερο από την ευχαρίστηση στα πρόσωπα των μαθητών του όταν καταλαβαίνουν μια δύσκολη έννοια χημείας.
Αυτή η δραστηριότητα, η οποία πραγματοποιήθηκε με τους σχολικούς μαθητές του, κέρδισε για το Gianluca ένα EIROforum βραβείο διδασκαλίας επιστήμης: το Βραβείο ILL (Η Επιστήμη στο προσκήνιο 2, 2007). Βραβεύτηκε επίσης με το Βραβείο ESRF (Η Επιστήμη στο προσκήνιο 1, 2005) και το Βραβείο Illuminati της Ιταλικής Χημικής Εταιρείας για τη Διδακτική της Χημείας (2006).


Review

Αυτό είναι ένα καταπληκτικό άρθρο το οποίο υπογραμμίζει τη σημασία της χημείας στη συμπεριφορά των βιολογικών συστημάτων. Είναι πολύ σημαντικό να εκτιμήσουμε σιγά σιγά το πως η επιστημονική γνώση είναι διεπιστημονική. Δάσκαλοι και μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το άρθρο σαν μια πρακτική δραστηριότητα σε μαθήματα χημείας, βιοχημείας, επιστήμης τροφίμων ή υγείας-επιστήμης. Θα μπορούσε επίσης να είναι η βάση για προγράμματα «Γιορτάζοντας την Επιστήμη».

Αν το πειραματικό κομμάτι παραληφθεί, η εισαγωγή και τα αποτελέσματα μπορούν να είναι μια καλή αρχή για μια άσκηση κατανόησης. Κατάλληλες ερωτήσεις, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να πυροδοτήσουν μια συζήτηση σχετικά με το φαγητό και την υγεία, ή για τη χημεία στην καθημερινή ζωή, μπορεί να είναι:

  1. Εξηγήστε τον όρο ελεύθερη ρίζα.
  2. Τι καταλαβαίνετε από τον όρο «αντιοξειδωτικό»; Εξηγήστε πως αυτός ο τύπος ουσίας μπορεί να είναι σημαντικός για μια καλή υγεία.
  3. Ποια είδη τροφών είναι καλές πηγές αντιοξειδωτικών μορίων;
  4. Πως ο μέσος άνθρωπος μπορεί να σιγουρευτεί ότι η δίαιτά του μεγιστοποιεί τα επίπεδα αντιοξειδωτικών;

Marie Walsh, Δημοκρατία της Ιρλανδίας




License

CC-BY-NC-SA