Effect of phenolic-rich plant materials on protein and lipid oxidation reactions

Abstract

The antioxidant activity of natural plant materials rich in phenolic compounds is being widely investigated for protection of food products sensitive to oxidative reactions. In this thesis plant materials rich in phenolic compounds were studied as possible antioxidants to prevent protein and lipid oxidation reactions in different food matrixes such as pork meat patties and corn oil-in water emulsions. Loss of anthocyanins was also measured during oxidation in corn oil-in-water emulsions. In addition, the impact of plant phenolics on amino acid level was studied using tryptophan as a model compound to elucidate their role in preventing the formation of tryptophan oxidation products. A high-performance liquid chromatography (HPLC) method with ultraviolet and fluorescence detection (UV-FL) was developed that enabled fast investigation of formation of tryptophan derived oxidation products.

Byproducts of oilseed processes such as rapeseed (Brassica rapa L.), camelina (Camelina sativa) and soy meal (Glycine max L.) as well as Scots pine bark (Pinus sylvestris) and several reference compounds were shown to act as antioxidants toward both protein and lipid oxidation in cooked pork meat patties. In meat, the antioxidant activity of camelina, rapeseed and soy meal were more pronounced when used in combination with a commercial rosemary extract (Rosmarinus officinalis).

Berry phenolics such as black currant (Ribes nigrum) anthocyanins and raspberry (Rubus idaeus) ellagitannins showed potent antioxidant activity in corn oil-in-water emulsions toward lipid oxidation with and without β-lactoglobulin. The antioxidant effect was more pronounced in the presence of β-lactoglobulin. The berry phenolics also inhibited the oxidation of tryptophan and cysteine side chains of β-lactoglobulin. The results show that the amino acid side chains were oxidized prior the propagation of lipid oxidation, thereby inhibiting fatty acid scission. In addition, the concentration and color of black currant anthocyanins decreased during the oxidation.

Oxidation of tryptophan was investigated in two different oxidation models with hydrogen peroxide (H2O2) and hexanal/FeCl2. Oxidation of tryptophan in both models resulted in oxidation products such as 3a-hydroxypyrroloindole-2-carboxylic acid, dioxindolylalanine, 5-hydroxy-tryptophan, kynurenine, N-formylkynurenine and β-oxindolylalanine. However, formation of tryptamine was only observed in tryptophan oxidized in the presence of H2O2. Pine bark phenolics, black currant anthocyanins, camelina meal phenolics as well as cranberry proanthocyanidins (Vaccinium oxycoccus) provided the best antioxidant effect toward tryptophan and its oxidation products when oxidized with H2O2. The tryptophan modifications formed upon hexanal/FeCl2 treatment were efficiently inhibited by camelina meal followed by rapeseed and soy meal. In contrast, phenolics from raspberry, black currant, and rowanberry (Sorbus aucuparia) acted as weak prooxidants.

This thesis contributes to elucidating the effects of natural phenolic compounds as potential antioxidants in order to control and prevent protein and lipid oxidation reactions. Understanding the relationship between phenolic compounds and proteins as well as lipids could lead to the development of new, effective, and multifunctional antioxidant strategies that could be used in food, cosmetic and pharmaceutical applications.

Kasvimateriaaleissa esiintyvien fenolisten yhdisteiden kuten flavonoidien ja fenolisten happojen kykyä toimia antioksidantteina voidaan hyödyntää lisäämällä niitä elintarvikkeisiin, ja siten estää tai hidastaa hapettumisreaktioita, jotka johtavat elintarvikkeiden ravitsemuksellisen ja aistinvaraisen laadun huonontumiseen. Antioksidatiivisesti vaikuttavilla yhdisteillä on todennäköisesti myös monipuolisia ja myönteisiä terveysvaikutuksia elimistössä. Lipidien hapettuminen (eli rasvan härskiintyminen) on tärkeimpiä elintarvikemateriaalissa tapahtuvista laatua heikentävistä kemiallisista reaktioista. Elintarvikkeiden hapettumisen seuranta onkin pääsääntöisesti perustunut rasvan hapettumistuotteiden analysointiin. Elintarvikemateriaalissa tapahtuu rasvan hapettumisen lisäksi myös muiden ainesosien, kuten proteiinien ja hiilihydraattien hapettumista. Proteiinien hapettuminen muuttaa elintarvikkeen rakennetta, vähentää proteiinien liukoisuutta, aiheuttaa tuotteen ruskettumista ja alentaa ravintoarvoa. Eräät proteiinien hapettumistuotteista voivat myös olla myrkyllisiä tai jopa syöpää aiheuttavia. Proteiinien hapettumisen seuranta antaakin laajemman kuvan elintarvikkeessa tapahtuvista ravitsemuksellisista ja aistinvaraisesti havaittavista muutoksista.

Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia kotimaisten marjojen ja öljyn puristuksessa muodostuvien sivutuotteiden sisältämien fenolisten yhdisteiden mahdollisia antioksidanttivaikutuksia elintarvikkeiden ainesosien kuten proteiinien ja lipidien hapettumisreaktioissa. Antioksidanttivaikutuksia tutkittiin erilaisissa elintarvikemalleissa kuten lihamallissa ja emulsioissa. Lisäksi tutkittiin fenolisten yhdisteiden vaikutuksia ihmiselle välttämättömän aminohappo tryptofaanin hapettumisreaktioissa. Tryptofaania on luontaisesti kaikissa proteiinia sisältävissä elintarvikkeissa, ja sillä on myös tärkeä rooli elimistön aineenvaihdunnassa. Työssä kehitettiin myös nopea analyyttinen nestekromatografinen menetelmä tryptopfaanin hapettumistuotteiden seuraamiseen. Yksittäisten hapettumistuotteiden seurannan avulla voidaan siten myös arvioida kunkin antioksidantin kohde ja tehokkuus.

Elintarvikkeiden mallikokeissa todettiin, että öljynpuristuksessa muodostuvat sivutuotteet, kuten rypsi-, camelina-, ja soijarouhe yksinään sekä seoksena kaupallisen rosmariiniuutteen kanssa että männynkuori estivät tehokkaasti proteiinien ja lipidien hapettumista kuumennetuissa sianlihapihveissä. Marjojen fenoliset yhdisteet, kuten mustaherukan antosyaanit ja vadelman ellagitanniinit osoittautuivat hyviksi antioksidantteiksi emulsioissa. Marjojen antioksidanttiteho oli parhain, kun emulsioihin oli lisätty β-laktoglobuliinia (maidon proteiini). Tutkittaessa malliaineeksi valitun aminohappo tryptofaanin hapettumista, todettiin, että männynkuoren, camelina- ja soijarouheen fenoliset yhdisteet sekä mustaherukan antosyaanit ja karpalon proantosyanidiinit estivät parhaiten tryptofaanin hapettumista ja sen hapettumistuotteiden muodostumista. On kuitenkin otettava huomioon, että antioksidanttivaikutukset ovat riippuvaisia käytetyistä koeolosuhteista.

Väitöskirjan tulokset toivat uutta tietoa kasvimateriaalien fenolisten yhdisteiden vaikutuksista estää erityisesti proteiinien ja aminohappojen mutta myös lipidien hapettumisreaktioita. On erityisen tärkeää ymmärtää fenolisten yhdisteiden ja proteiinien sekä lipidien välisiä vuorovaikutuksia, jotta voitaisiin kehittää tehokkaita antioksidantti-strategioita elintarvike-, kosmetiikka- ja lääkesovelluksiin. Lisäksi fenolisia yhdisteitä sisältävät kasvimateriaalit voisivat tarjota mahdollisuuksia terveysvaikutteisten eli funktionaalisten elintarvikkeiden kehittelylle.