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.

Anionorodnik ponadtlenkowy

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.

Rodnik hydroksylowy
Zdjęcia dzięki uprzejmości
Gianluca Farusi

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).

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicola Graf

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 1w1)
  • 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

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicola Graf

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 Schoolw1.

Autor, Gianluca Farusi
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gianluca Farusi

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.

Wskazówki bezpieczeństwa

Zarówno kwas malonowy jak i jodowy (powstający podczas reakcji) może podrażniać skórę, oczy i błony śluzowe, dlatego reakcja musi być przeprowadzone pod wyciągiem laboratoryjnym.

Ponieważ 30% nadtlenek wodoru jest bardzo silnym środkiem utleniającym, używając go należy nosić okulary ochronne, fartuchy laboratoryjne i rękawiczki. Należy unikać jakiegokolwiek kontaktu nadtlenku wodoru z materiałami łatwopalnymi.

Kwas siarkowy jest silnym środkiem odwadniającym używając go należy nosić okulary ochronne, fartuchy laboratoryjne i rękawiczki.

Aby bezpiecznie pozbyć się mieszaniny na koniec eksperymentu, należy powoli dodać do produktów reakcji tiosiarczan sodu (Na2S2O3), aż nadmiar jodu stanie się bezbarwnymi jonami jodu (reakcja jest bardzo egzotermiczna).

Przykładowe wyniki

Działanie przeciwutleniające
różnych rodzajów jedzenia i
napojów. Wartości na
wykresie zostały uzyskane z
około 0,02 g próbek (100 ml
wody destylowanej dodaje
się do 2,0 g próbki jedzenia
lub napojów). Przygotowana
w ten sposób 0,02 g próbka
dżemu jeżynowego ma na
przykład 50 razy większe
działanie antyoksydacyjne
niż woda destylowana! Kliknij
na obrazek aby powiększyć

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 Schoolw1. 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 1w1 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 Schoolw1, 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?

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
  • Streszczenie artykułu jest dostępne na stronie internetowej 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.
  • Ten rozdział jest dostępny bezpłatnie tutaj: http://potency.berkeley.edu/text/maff.html

Web References

Resources

  • Opis metod eksperymentalnych podobnych do opisanej w artykule, można znaleźć tutaj:
    • 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
  • Dobre, dostępne bezpłatnie artykuły na temat działania wolnych rodników, można znaleźć tutaj:
    • Sies H (1997) Oxidative stress: oxidants and antioxidants. Experimental Physiology 82: 291-295.
    • This article and all other Experimental Physiology articles older than 12 months can be downloaded free of charge from the journal website: http://ep.physoc.org
  • Aby dowiedzieć się więcej o hemochromatozie, chorobie, w której główną rolę odgrywają wolne rodniki, zobacz:
  • Więcej informacji o wolnych rodnikach i ich aktywności w organizmie znajdziesz tu:
    • 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
  • Zobacz też poprzednie artykuły Gianluca Farusi’a w Science in School:

Author(s)

Gianluca Farusi uczy chemii w szkole technicznej (Istituto Tecnico Industriale) Galilei Galileo w Avenza-Carrara we Włoszech i stechiometrii na Uniwersytecie w Pizie we Włoszech. Uczy od 12 lat i największą nagrodą dla niego jest radość na twarzach swoich uczniów, kiedy zrozumieją trudne pojęcia chemiczne.
Gianluca Farusi uczy chemii w szkole technicznej (Istituto Tecnico Industriale) Galilei Galileo w Avenza-Carrara we Włoszech i stechiometrii na Uniwersytecie w Pizie we Włoszech. Uczy od 12 lat i największą nagrodą dla niego jest radość na twarzach swoich uczniów, kiedy zrozumieją trudne pojęcia chemiczne.


Review

Jest to wspaniały artykuł, który podkreśla znaczenie chemii w zachowaniu systemów biologicznych. Ważne jest, aby pokazać, że wiedza naukowa jest interdyscyplinarna. Nauczyciele i uczniowie mogą wykorzystać artykuł do ćwiczeń w dziedzinie chemii, biochemii, nauki o żywieniu i zdrowiu. Może również stanowić podstawę projektów.

Jeśli część eksperymentalna zostanie pominięta, wprowadzenie, dyskusja i wyniki mogą być dobrą podstawą do zrozumienia tematu. Pomocnicze pytania, które mogą zapoczątkować dyskusję na temat żywności i zdrowia, lub chemii w życiu codziennym:

  1. Wyjaśnij pojęcie wolnych rodników.
  2. Co rozumiesz przez pojęcie „przeciwutleniacz”? Wyjaśnij, w jaki sposób tego typu substancja może być ważna dla zachowania dobrego zdrowia.
  3. Jakie rodzaje żywności są najlepszym źródłem przeciwutleniaczy?
  4. Jak na co dzień zapewnić sobie dietę bogatą w przeciwutleniacze?

Marie Walsh, Irlandia




License

CC-BY-NC-SA