Kasvien polyfenolit ja höyryräjähdyksen vaikutus niiden uuttamiseen ja antioksidanttiseen toimintaan
Kasvipolyfenolit ovat luokka sekundaarisia metaboliitteja, jotka sisältävät useita fenolisia hydroksyyliryhmiä, joita pidetään usein "seitsemänneksi tärkeimpänä ravintoaineena". Niillä on monimutkaisia rakenteita ja erilaisia konjugaatiomuotoja, mukaan lukien pääasiassa fenolihapot, hydroksibentsoe- ja hydroksikanelihappojohdannaiset, flavonoidit, antosyaanit, kumariinit ja tanniinit. Näillä yhdisteillä on laaja valikoima biologisia aktiivisuuksia, kuten antioksidantteja, vapaita radikaaleja poistavia, syöpää ehkäiseviä, antibakteerisia ja virusten vastaisia vaikutuksia, ja ne ovat herättäneet huomattavaa huomiota ravinnon ja terveyden alalla.
Höyryräjähdys on nouseva maatalouden raaka-aineiden esikäsittelytekniikka. Sen periaatteena on korkean -lämpö--höyryn lyhyt levittäminen materiaaliin, jota seuraa välitön paineen vapautus käyttämällä tuloksena olevaa korkeaa-paine-eroa raaka-aineen mikrorakenteen häiritsemiseen. Tämä tekniikka integroi useita vaikutuksia, mukaan lukien happo-kuten hydrolyysi, lämpöhajoaminen, mekaaninen-murtuminen, vetysidoksen katkeaminen ja rakenteiden uudelleenjärjestely, mikä mahdollistaa komponenttien tehokkaan erottamisen kovista-kuvioiduista materiaaleista. Höyryräjähdyksestä on tullut tärkeä tapa parantaa bioaktiivisten yhdisteiden uuttamistehokkuutta kasvimateriaaleista ja lisätä tuotteen lisäarvoa, koska se on -saasteeton, vaatii lyhyttä esikäsittelyaikaa, lisää merkittävästi bioaktiivisten yhdisteiden uuttosaantoa, vähentää energiankulutusta ja prosessointikustannuksia ja on helppo teollistaa. Tässä artikkelissa tarkastellaan systemaattisesti höyryräjähdysesikäsittelyn vaikutusta eri raaka-aineista saatujen uutteiden polyfenolipitoisuuteen ja hapettumisenestovaikutukseen. Tavoitteena on tarjota teoreettinen perusta tämän tekniikan soveltamiselle erilaisten bioaktiivisten yhdisteiden uuttamisessa.
1. Suuret fysikaalis-kemialliset muutokset höyryräjähdyksen aikana
Höyryräjähdyksen aikana kuuman höyryn nopea höyrystyminen altistaa materiaalin kennot välittömälle ja huomattavalle sisäiselle -ulkoiselle paine-erolle, mikä aiheuttaa äkillisen sisäisen paineen nousun ja tilavuuden laajenemisen, joka ylittää kennojen rakenteelliset rajat, mikä johtaa "mekaaniseen -kaltaiseen repeämiseen". Tämä voimakas fysikaalinen vaikutus edistää edelleen vetysidosten katkeamista, amorfisten ja osittainen kiteisten alueiden hajoamista ja indusoi komponenttien rakenteellista uudelleenjärjestelyä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että höyryräjähdys voi alentaa bataatin ja perunan tärkkelysmolekyylien polymeroitumisastetta aiheuttaen tärkkelyksen hajoamista ja voi alentaa sekä pektiinimolekyylien määrää että molekyylipainoa. Kuitu-rikkaiden materiaalien, kuten kookospähkinän kuorien, höyryräjähdys hajottaa osittain selluloosaa ja hemiselluloosaa ja hydrolysoi jossain määrin ligniiniä, katkaisee molekyyliketjuja, pienentää hiukkaskokoa ja vähentää pitkien-ketjujen osia samalla kun lisää lyhyiden-ketjujen komponentteja vesiliukoisissa ravintokuiduissa-. Samanlaisia tuloksia on havaittu saksanpähkinän kuorilla, tattarileseillä ja efedralla.
Mekanistiset tutkimukset osoittavat lisäksi, että höyryräjähdys voi osittain hajottaa ligniiniä ja hemiselluloosaa, jolloin syntyy pieni{0}}molekyylipainoinen-fenolia ja vesiliukoisia sokereita. Kuitenkin, kun käsittelypaine on liian korkea tai kesto liian pitkä, vapautuneet fenoliyhdisteet voivat hajota tai polymeroitua. Lisäksi höyryräjähdykseen voi liittyä tärkkelyksen gelatinoitumista ja Maillardin reaktioita, jotka edistävät kovalenttista sitoutumista proteiinien ja sokereiden välillä; Maillardin reaktion laajuus korreloi höyryräjähdyksen voimakkuuden kanssa, kuten Amaranthus caudatus -siemenillä tehdyt tutkimukset tukevat.
Mikroskooppiset havainnot osoittavat, että höyryräjähdys muuttaa merkittävästi materiaalin rakennetta ja muuttaa pinnan sileästä ja tiheästä ryppyiseksi ja huokoiseksi. Esimerkiksi konjac-jauhon pinta rypistyy ja siihen muodostuu useita mikrokuoppia käsittelyn jälkeen, mikä lisää ominaispinta-alaa. Idytetyssä vehnässä on hajanaisia polysakkaridilamellirakenteita, jotka muodostavat huokoisia rakenteita, joissa on pieniä kuituhaaroja. Jakin reisiluun luut löystyvät ja huokoiset aiheuttaen merkittäviä rakenteellisia vaurioita reisiluun päähän, kun taas höyhenet kehittävät sienen kaltaisen rakenteen, jossa on halkeamia ja reikiä. Nämä mikrorakenteen muutokset suosivat uuttoliuottimien tunkeutumista ja kosketusta, mikä helpottaa bioaktiivisten yhdisteiden vapautumista.
2. Höyryräjähdyksen vaikutukset polyfenoliuuttoon
2.1 Vaikutukset viljan ja öljykasvien raaka-aineisiin
Viljojen ja öljysiementen raaka-aineet sisältävät runsaasti fenoliyhdisteitä, jotka voidaan luokitella rakenteellisesti fenolihapoiksi, flavonoideiksi ja proantosyanidiineiksi ja edelleen luokitella muodon mukaan vapaiksi fenolisiksi ja sitoutuneiksi fenolisiksi (esim. proteiini-sidottu, glykosidisidottu, esteri-sidottu). Viljaleseissä useimmat fenolit sitoutuvat tiukasti soluseiniin, mikä johtaa alhaiseen uuttotehokkuuteen tavanomaisilla liuottimilla. Höyryräjähdys häiritsee tehokkaasti aivokuoren rakennetta ja hydrolysoi eetteri- ja esterisidoksia, mikä edistää sitoutuneiden polyfenolien vapautumista.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että vehnäleseen höyryräjähdys 2,5 MPa:n paineella 30 sekunnin ajan lisää vapaiden fenolien vanilliinihappopitoisuutta noin 50 %, kun taas p-kumariinihappo ja ferulihappo saavuttavat 36- ja 11--kertaiset kontrollit. Sitoutuneiden fenolien (esim. glukuronihappo, p-kumaarihappo, ferulihappo) huippu on myös ferulihapon lisääntyessä lähes 25-kertaiseksi ja fenolin kokonaispitoisuudeksi 28 mg/g - noin yhdeksän kertaa suurempi kuin käsittelemättömässä ryhmässä. Samanlaisia löydöksiä on raportoitu myös muista viljaleseistä. Yli 7,4 × 10⁵ Pa:n höyryräjähdyksen käyttäminen kikherneisiin vahingoittaa solukalvoja ja -seiniä, mikä helpottaa sitoutuneiden fenolien vapautumista ja kompensoi vapaiden fenolien mahdollista lämpöhajoamista. Höyryräjähdys tehostaa myös fenolin uuttamista soijapavun siemenkuorista ja lisää isoflavonipitoisuutta okarassa räjähdyksen voimakkuuden kasvaessa saavuttaen huippunsa 2,0 MPa:ssa 30 sekunnin ajan. Raaka-aineen fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien ja tutkimustavoitteiden eroista johtuen optimaaliset räjähdysolosuhteet ja vaikutukset aktiivisiin komponentteihin vaihtelevat.
On huomionarvoista, että höyryräjähdyksen voimakkuutta on säädettävä sopivalla alueella. Kohtalainen intensiteetti tehostaa polyfenolien uuttamista, kun taas liiallisella intensiteetillä voi olla päinvastainen vaikutus. Esimerkiksi liian suurella intensiteetillä käsitellyt vehnäleseet (esim. 2,5 MPa 90 s) tuottaa orgaanisia happoja, kuten muurahais- ja etikkahappoa, mikä edistää fenolin hajoamista tai polymeroitumista ja vähentää pitoisuutta. 0,6 MPa:lla 60 sekuntia käsitellyt Amarantuksen siemenet saavuttavat 7,798 mg/g-5,3 kertaa korkeamman fenolipitoisuuden kuin kontrollissa-, mutta paineen tai keston lisäykset vähentävät fenolipitoisuutta, ja 120 s käsittelyaika jopa alhaisempi kuin kontrollissa. Vastaavasti punaisten papujen käsittely 0,25–0,75 MPa:ssa 30–90 sekunnin ajan lisää fenolisaantoa, mutta 1,0 MPa tai pidempi kesto aiheuttaa osittaista hajoamista, polymeroitumista tai hiiltymistä. Voimakas höyryräjähdys hajottaa myös purppuranpunaiset bataattiantosyaanit. Useat tutkimukset tukevat yleisperiaatetta, jonka mukaan höyryräjähdys osoittaa optimaalisen käsittelyikkunan vilja- ja öljykasvimateriaalien fenolipitoisuudelle.
2.2 Vaikutukset hedelmä- ja vihannesraaka-aineisiin
Hedelmien ja vihannesten raaka-aineissa on myös runsaasti fenoleja, kuten fenolihappoja, antosyaaneja ja flavonoideja. Höyryräjähdys häiritsee hedelmien ja vihannesten rakenteellista eheyttä, mikä vähentää massansiirtovastusta ja helpottaa polyfenolien vapautumista. Tutkimukset sitrushedelmistä ja sen puristemassasta, valkosipulista ja valkosipulin kuorista, passionhedelmäjäämistä, lakkapuun hedelmistä, tunisialaisista punaisista taateleista, sokeriruo'osta, ananaksenkuoren jäännöksistä ja Elaeagnus-hedelmistä osoittavat, että kohtalainen höyryräjähdys parantaa polyfenolien uuttamista.
2.3 Vaikutukset muihin raaka-aineisiin
Viljojen, öljysiementen, hedelmien ja vihannesten lisäksi höyryräjähdystä on sovellettu muihin kasvimateriaaleihin. Esimerkiksi 1,5 MPa:n höyryräjähdyksen jälkeen 60 sekunnin ajan männyn neulat tuottivat 50,8 mg/g flavonoideja, 2,54 kertaa enemmän kuin kontrollissa, säilyttäen hyvän vakauden jopa 1,5–2,0 MPa:ssa 60 sekunnin ajan. Teejäämien ja tammen fenolipitoisuus kasvaa aluksi intensiteetin myötä, mutta laskee korkeammissa intensiteetissä. Flavonoidin kokonaissaanto viikunanlehdissä, kudzu-juuressa ja Ginkgo-lehdissä noudattaa samanlaista suuntausta. Uuttamisen heikkeneminen voi johtua flavonoidien osittaisesta hajoamisesta tai uudelleen{11}}polymeroinnista liukenemattomiin muotoihin. Oliivin oksia ja lehtiä, Eucommia-lehtiä, japanilaista knotweediä, Sasa palmata -lehtiä ja Populus-lehtiä koskevat tutkimukset vahvistavat, että höyryräjähdys edistää tehokkaasti polyfenolien vapautumista.
Polyfenolisaannon lisääminen höyryräjähdyksellä perustuu pääasiassa kahteen mekanismiin: (1) uusien fenolien muodostuminen-korkea-lämpötila, korkea-paine, happamat olosuhteet aiheuttavat selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin lämpöhajoamista, jolloin muodostuu fenolihappoja ja haihtuvia pguhenaigenoleoleja, haihtuvia happoja vanilliini ja syringaldehydi; (2) sitoutuneen fenolin vapautumisen edistäminen-räjähdys löysää materiaalin rakennetta, lisää kosketuspinta-alaa, samalla kun hydrolysoi eetteri- ja esterisidoksia soluseinän komponenttien (polyfenolit, polysakkaridit, ligniini) välillä, muuntaa sitoutuneita fenoleja vapaiksi fenoleiksi ja lisää liukoisuutta.
3. Höyryräjähdyksen vaikutukset uutteiden antioksidanttiseen aktiivisuuteen
3.1 Vaikutukset in vitro -antioksidanttiaktiivisuuteen
Kasvipolyfenolien in vitro -antioksidanttiaktiivisuutta arvioidaan yleisesti DPPH·-radikaalinpoistolla, ABTS⁺·-radikaalinpoistolla ja FRAP:lla (ferriä vähentävä antioksidanttivoima). Höyryräjähdys parantaa merkittävästi polyfenoliuutteiden in vitro -antioksidanttikapasiteettia. Esimerkiksi valkosipulin kuoriuutteiden aiheuttaman DPPH:n poistamisen EC50-arvot laskevat huomattavasti paineen ja ajan kasvaessa, stabiloituen yli 3,0 MPa:n ja osoittavat korkeampaa aktiivisuutta kuin mustavalkosipuli. Tämä johtuu sitoutuneiden fenolien lisääntyneestä vapautumisesta sekä ligniinin ja hemiselluloosan hajoamisesta, jolloin muodostuu pieni-molekyylipainoinen-fenoliyhdisteitä ja vesiliukoisia sokereita (esim. 5-hydroksimetyylifurfuraalia). Samanlaiset tutkimukset viljaleseistä, teetähteistä, Amaranthus-siemenistä, violetista bataattista, okran siemenistä, kudzu-juuresta, Sasa palmata -lehdistä ja bambunversoista osoittavat johdonmukaisesti, että höyryräjähdys ei ainoastaan lisää fenolipitoisuutta, vaan myös lisää antioksidanttiaktiivisuutta. Esimerkiksi höyryräjähdyksen jälkeen lakkapuun hedelmissä oleva kversetiini-3-O-ramnosidi käy läpi deglykosylaation, joka muuttuu kversetiiniksi, jolla on vahvempi antioksidanttiaktiivisuus.
Antioksidanttiaktiivisuuden lisääntyminen riippuu kuitenkin myös sopivista räjähdysolosuhteista. Liiallinen intensiteetti voi heikentää aktiivisuutta. Korkea paine tai pitkäkestoinen käsittely voi saada feruli- ja p-kumariinihapot dekarboksyloitumaan, polymeroitumaan dimeereiksi vapaiden radikaalien välituotteiden kautta tai hajoamaan pieniksi molekyyleiksi, kuten metyyliguajakoliksi ja vanilliiniksi, mikä heikentää antioksidanttikapasiteettia. Tutkimukset osoittavat, että vehnäleseuutteiden DPPH-puhdistus ja FRAP saavuttavat huippunsa 1,5 MPa:ssa 90 sekunnin ajan, ja ne laskevat intensiteetin lisääntyessä. Samanlaisia löydöksiä on havaittu Amaranthus-siemenistä, violetista bataatista ja teejäämistä.
Lisäksi antioksidanttiaktiivisuus korreloi läheisesti polyfenolipitoisuuden kanssa. Punapapuuutteilla höyryräjähdyksen jälkeen on merkittäviä positiivisia korrelaatioita polyfenolipitoisuuden ja DPPH·-, ABTS⁺·-poisto- ja FRAP-arvojen välillä. Okra-siemenuutteet osoittavat positiivista korrelaatiota kokonaispolyfenolipitoisuuden ja FRAP-, DPPH·- ja superoksidiradikaalien (O₂⁻·) välillä, mutta negatiivista korrelaatiota flavonoidien kokonaismäärän kanssa, mikä viittaa siihen, että jotkin ei--fenoliset yhdisteet (esim. pelkistävät sokerit), jotka syntyvät räjähdyksen aikana, voivat myötävaikuttaa hapettumisenestoaineen kokonaisvaikutukseen.
3.2 Vaikutukset solunsisäiseen antioksidanttiaktiivisuuteen
Solutason{0}}tutkimukset vahvistavat edelleen höyryräjähdyksen hyödylliset vaikutukset. Ihmisen maksasyövän (HepG2) soluissa höyryräjähdys-käsitellystä materiaalista saadut vehnäleseuutteet osoittavat merkittävästi korkeampaa solujen antioksidanttiaktiivisuutta (alempi EC₅₀) kuin käsittelemättömät uutteet, mikä osoittaa voimakkaampia antioksidanttisia vaikutuksia. Toinen tutkimus osoittaa, että PBS-pesusta riippumatta vehnäleseuutteet, joita on käsitelty 2,5 MPa:lla 30 sekunnin ajan, osoittavat korkeampaa solujen antioksidanttiaktiivisuutta kuin käsittelemättömät uutteet, mikä johtuu pääasiassa lisääntyneestä liukoisesta fenolista, erityisesti liukoisesta ferulihaposta.
Karvaan tattarileseen höyryräjähdys lisää vapaan fenoliuutteen antioksidanttiaktiivisuutta 215 %:lla HepG2-soluissa, ja EC₅0 on noin kaksinkertainen käsittelemättömiin näytteisiin verrattuna, samalla kun se lisää merkittävästi ihmisen paksusuolensyövän (Caco-2) solujen lisääntymisen estoa. Simuloidut maha-suolikanavan digestiokokeet osoittavat, että käsittelemättömillä leseillä on minimaalista antioksidanttiaktiivisuutta soluissa, kun taas käsitellyillä lesetuotteilla on merkittävää aktiivisuutta. Samanlaisia löydöksiä on raportoitu Populus-lehtiuutteista.
4. Näkymät
Tehokkaana raaka-aineiden esikäsittelyteknologiana höyryräjähdys tarjoaa suuria mahdollisuuksia parantaa polyfenolien ja muiden bioaktiivisten yhdisteiden uuttosaantoa sekä tehostaa niiden antioksidanttiaktiivisuutta. Tämän tekniikan tehokkuuteen vaikuttavat sisäiset tekijät, kuten materiaalityyppi, koostumus, kosteuspitoisuus, esiliotus ja partikkelikoko, sekä ulkoiset tekijät, kuten höyrynpaine (lämpötila) ja pitoaika. Tuleva tutkimus voisi keskittyä:
Integroidaan in vivo- ja in vitro -kokeita niiden mekanismien selvittämiseksi, joilla höyryräjähdys vaikuttaa polyfenolipitoisuuteen ja -aktiivisuuteen;
Raaka-ainematriisin ominaisuuksien ja höyryräjähdystehokkuuden välisen rakenne{0}}vaikutussuhteen tutkiminen ja mallien rakentaminen räjähdysparametrien optimoimiseksi;
Selvennetään bioaktiivisten yhdisteiden vapautumismekanismeja ja transformaatiodynamiikkaa höyryräjähdyksen aikana;
Arvioi systemaattisesti höyryräjähdyksen vaikutuksia eri ravinteisiin ja niiden vuorovaikutuksia raaka-aineissa.
Jatkuvan tutkimuksen ja teknologisen optimoinnin myötä höyryräjähdyksen roolin odotetaan kasvavan entistä tärkeämmäksi kasvibioaktiivisten yhdisteiden tehokkaassa uuttamisessa, terveysvaikutteisten elintarvikkeiden kehittämisessä ja vihreässä valmistuksessa elintarviketeollisuudessa.
