Sostanze ad attività antiossidante: presenza negli alimenti e influenza dei

trattamenti tecnologici

Giovanni Lercker e Tullia Gallina Toschi

Dipartimento di Scienze degli AlimentiUniversità degli Studi di Bologna

Le sostanze grasse si ossidano….prima o poi

Dopo un certo tempo le sostanze grasse si ossidano, sviluppando cattivi odori e composti indesiderati

Alimenti contenenti sostanze grasse, una volta riscaldati, si ossidano più rapidamente

Molte sostanze grasse si ossidano anche se poste in contenitori privati dell’aria

Diverse sostanze grasse si ossidano anche a bassa temperatura

Ossidazione della frazione lipidica

• Enzimatica (lipossidasi)– Lipossigenasi– Lipoperossidasi

• Chimica– Autossidazione– Ossidazione fotosensibilizzata

Ossidazione: reazione radicalica?

L’ossidazione delle sostanze grasse, nel suo insieme, ha un andamento radicalico

Possiede un periodo di induzione (a), uno di propagazione (b) ed uno di spegnimento (c)

Alcune delle reazioni che avvengono non sono di tipo radicalico

PROMOZIONE DELL’OSSIDAZIONE

DIRETTARaggi ultravioletti (hν)Ossigeno singoletto (O2

*)PerossidiCalore ad elevata temperatura

INDIRETTARaggi ultraviolettiMetalli di transizione (Fe, Cu, ecc.)Calore

OSSIDAZIONE DEI LIPIDI

• L’innesco dell’ossidazione si attua sulla superficie lipidica che viene a contatto con l’ossigeno (aria, o altre specie reattive dell’ossigeno, ROS); una volta innescata si può propagare anche in ambiente anaerobico

• L’unica difesa è affidarsi all’antiossidazione

DEFINIZIONE DI ANTIOSSIDANTE

• Antiossidante è ogni sostanza o un’azione capace di evitare, ritardare o prevenire negli alimenti lo sviluppo della rancidità o di altre degradazioni dell’aroma dovuti ad ossidazione

• Per convenzione, una sostanza si comporta da antiossidante quando interagisce proteggendone un’altra più importante

ANTIOSSIDANTE IDEALE

• Sicuro nell’impiego• Non impartisce odori, aromi e colori sgradevoli• Attivi a basse concentrazioni• Facili da incorporare nel sistema alimentare• Dovrebbe sopravvivere ai processi di cottura• Disponibile a costi modesti

Funzioni degli antiossidanti

• Spazzino di radicali• Donatore di atomi d’idrogeno• Donatore di elettroni• Distruttore di perossidi• “Quencer” dell’ossigeno “singoletto”• Inibitore di enzimi ossidanti (lipossidasi)• Sinergico in compagnia di altri antiossidanti• Agente chelante di metalli• Agente riducente

Meccanismo di azionedegli antiossidanti antiradicalici

ROO° + A−H ROOH + A°RO° + A−HR° + A−H

ROH + A°RH + A°

ROO° + A° ROOARO° + A° ROA

ROOH + AH RO° + A° + H2O

Conservazione delle sostanze grasse

• Per gli aspetti antinutrizionali

• Per gli aspetti organolettici

• Per la conservazione delle caratteristiche dei prodotti di qualità

Antiossidanti

Tipo I - Gli "inattivatori" di radicali liberi, come il BHA (butil-idrossi-anisolo), BHT (butil-idrossi-toluolo), PG (propil-gallato), il TBQ (ter-butil chinone) e i tocoferoli.

Tipo II - Quelli che prevengono la formazione di radicali liberi, come l’agente chelante EDTA (acido etilen-diammino-tetracetico), l’acido citrico e varie forme di acido ascorbico; il loro meccanismo di azione è soprattutto quello di bloccare i metalli (metal scavengers).

Tipo III - Fattori ambientali, come la temperatura o l’abbassamento della pressione dell’ossigeno.

FONTI DI ANTIOSSIDANTI NATURALI

Piante Oli di semi e di frutti Cereali Fagioli Vegetali, frutti Cere da foglie Cortecce e radici Spezie Rosmarino, origano,

salvia, timo, Piante medicinali Alghe Prodotti microbici Prodotti animali Prodotti fermentati Idrolizzati proteici Prodotti della reazione di Maillard Altri

Genesi dei

carotenoidi

Strutture dei diversi flavonoidi

1. Carnosolo2. Rosmanolo (7α-)3. Isorosmanolo4. Epirosmanolo (7β-) 5. Rosmaridifenolo6. Rosmarichinone7. Acido caffeico difenol glicoside8. Acido rosmarico9. Derivato dell’acido rosmarico10. Flavonoide del timo11. Flavonoide del timo12. Capsicina (irritante)13. Nuovo componente non irrirante14. Amide dell’acido ferulico con la tirosina15. Derivato della piperina16. Pigmento giallo della curcuma17. Pigmento giallo della curcuma18. Tetraidro curcumina

M. Namiki, Antioxidants/antimutagens in food, Crit. Rev.Food Sc. Nutr., 29, 273-300 (1990).

Particolari

componenti

del seme di

SESAMO

FLAVONOIDI

ANTIOSSIDANTI

M. Namiki, Antioxidants/antimutagensin food, Crit. Rev.Food Sc. Nutr., 29,

273-300 (1990).

Principali fonti di antiossidanti catechinici

F. Mattivi et al., 2001

Attività antiossidante di alcuni composti a struttura flavonoide Periodo di induzione con Rancimat (ore) b Controllo Olio di mais deodorato a A B Lardo 1,3 0,35 Isoflavoni Daidzeina (7,4’-diidrossi) 1,4 - Genisteina (5,7,4’-tetraidrossi) 2,6 - Calconi Buteina 94 - Okanina 97 - Acidi fenolici Acido protocateuico (acido 3,4-diidrossibenzoico) - 4,8 Acido gallico (acido 3,4,5-triidrossibenzoico) - 28,6 Acido cumarico (acido p-idrossicinnamico) 120 0,8 Acido ferulico 145 2,0 Acido caffeico (acido 3,4-diidrossicinnamico) 495 23,3 Acido diidrossicaffeico - 31,4 Acido clorogenico (estere caffeoil chinico) 505 - Acido chnico 105 - Esteri fenolici Propil gallato 435 21,8 Miscellanea β-Catechina 410 - Esperedina metilcalcone 135 - Asculetina (6,7-diidrossicumarina) - 15,5 a 0,0004 Molare in olio di mais deodorato (110 h per arrivare a NP = 50). b 0,05 % di composto testato nel lardo, batch A o B.

FENOLI, BIOFENOLI E POLIFENOLI DEGLI OLI DI OLIVA

Acidi fenolici e derivatiAlcoli fenoliciSecoiridoidiLignaniFlavoniAntocianidine

In totale (in media) = 200-300 mg/Kg

TUTTI I COMPOSTI FENOLICI SONO POTENTI ANTIOSSIDANTI, CON AZIONE ANTI-INFIAMMATORIA

PRINCIPALI ANTIOSSIDANTI CARATTERISTICI DEGLI OLI D’OLIVA

Contenuto orientativo di tococromanoli (mg/Kg) negli oli vegetali (P. Schuler, in Food Antioxidants (B.J.F. Hudson Ed.) Elsevier Applied Science, London, 1990, p.99). T o c o f e r o l i T o c o t r i e n o l i ----------------------------------------------- ------------------------------------------- Olio/grasso di

α β γ δ α β γ δ

Cocco 5 – 10 - 5 5 5 tracce 1 – 20 - Cotone 40 – 560 - 270 – 410 0 - - - - Granella di mais 60 – 260 0 400 – 900 1 - 50 - 0 0 - 240 0 Germe di mais 300 – 430 1 - 20 450 – 790 5 - 60 - - - - Oliva 1 – 240 0 0 0 - - - - Palma 180 – 260 tracce 320 70 120 - 150 20 - 40 260 - 300 70Arachide 80 – 330 - 130 – 590 10 – 20 - - - - Colza 180 – 280 - 380 – 590 10 – 20 - - - - Cartamo 340 – 450 - 70 – 190 230 – 240 - - - - Soia 30 – 120 0 – 20 250 – 930 50 – 450 0 0 0 - Girasole 350 – 700 20 – 40 10 – 50 1 - 10 - - - - Mandorla 560 - 590 450 - - - - Germe di grano 560 - 1200 660 - 810 260 270 20 - 90 80 - 190 - - D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

Contenuto di acido L-ascorbico (vitamina C) in alimenti rappresentativi (G.M. Jaffe, in Kirk-Othmer Enciclopedia of Chemical Technology, Vol. 24, Wiley-Interscience, New York, 1978, p. 8.)

Alimento acido L-ascorbico (mg/100 g)

vegetali Asparagi 15 – 30 Broccoli (Brussel) 90 – 150 Cavoli 30 – 60 Cavolfiori 60 – 80 Carote 9 Cavoli ricci 120 – 180 Porri 15 – 30 Cipolle 10 – 30 Fagioli 10 – 30 Prezzemolo 170 Pepe 125 - 200 Patate 10 – 30 Spinaci 50 - 90 Pomodori 20 - 33 frutti Mele 10 - 30 Banane 10 Pompelmi 40 Guava (pero delle Indie) 300 Biancospino (bacche) 160 – 180 Aranci, limoni 50 Pesche 7- 14 Ananas 17 Rosa canina 1000 Fragole 40 - 90 carni, pesci e latte Carni vitello maiale e pesci ≤ 2 Fegato, reni 10 – 40 Carne bovina 1 - 2

Contenuto di acido citrico in alcuni frutti e vegetali (E.F. Bouchard, E.G. Merritt, in Kirk-Othmer Enciclopedia of Chemical Technology, Vol. 6, Wiley-Interscience, New York, 1978, p. 150.).

Frutto/vegetale Acido citrico/citrato %

frutti Limoni 4,0 – 8,0 Pompelmi 1,2 – 2,1 Mandarini 0,9 – 1,2 Aranci 0,6 – 1,0 Ribes rosso 0,7 – 1,3 Ribes nero 1,5 – 3,0 Lampone 1,0 – 3,0 Ribes 1,0 Fragole 0,6 – 0,8 Mele 0,008 vegetali Patate 0,3 – 0,5 Pomodori 0,25 Asparagi 0,08 – 0,2 Rape 0,05 – 1,1 Fagioli 0,05 Melopoponi 0,007 – 0,025 Granella di mais 0,02 Lattuga 0,016 Melanzana 0,01

D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

Effetto dell’acido citrico sulla stabilità ossidativa dell’olio di soia (H.G. Dutton, A.W. Schwab, H.A. Moser, J.B. Cowan, j. Am. Oil Chem. Soc., 25, 385 (1948)).

Numero di perossidi (condizioni del saggio A O M, dopo 8 ore)

Sale (ppm)con ac. citrico senza ac. citrico

Controllo 10,7 46,6

Cloruro ferrico (3,0) 125 293

Cloruro manganoso (3,0) 13,1 85,4

Cloruro di cobalto (3,0) 9,1 239

Cloruro di cromo (3,0) 17,8 153

Cloruro di rame (3,0) 291 294

STABILITÀ E CARATTERISTICHE ORGANOLETTICHE IN RELAZIONE

ALL’ANTIOSSIDAZIONE

olio additivoa shelf-life relativa

(settimane) b

Mantenimento dell’aromac

Olio da insalata Nessuno 5 215 0,02% IC 7 325 0,15% SC 7,5 425 Margarina Nessuno 5 165 0,02% IC 14+ 550+ 0,15% SC 14+ 700+ Olio parzialmente idrogenato

Nessuno

7

315

0,02% IC 14+ 625+ 0,15% SC 14+ 600+ a IC = isopropil citrato; SC = stearil citrato. b Numero di settimane con valutatazione superiore a mediocre. c Shelf-life relativa x grado di accettabilità.

Attività antiossidante dell’ascorbil palmitato (AP) in oli vegetali a 45 °C (W.M. Cort, J. Am. Oil Chem. Soc., 51, 321 (1974)). Giornia necessari a raggiungere il numero di perossidi 70 (meq di O2 attivo/Kg sostanza grassa.

O L I O Antiossidante Olio di

cartamo Olio di girasole Olio di

arachide Olio di mais

Nessuno 7 6 15 12 AP (0,01%) 11 10 26 21 AP + PG + TPDA (0,01% ciascuno)

25

22

46

31

BHA (0,02%) 8 8 15 15 BHT (0,02%) 10 9 15 13 PG (0,02%) 16 19 26 21 AP = ascorbil palmitato; PG = propil gallato; TDPA = acido tiodipropionico; BHA = butil idrossianisolo; BHT =di-ter-butil idrossitoluolo.

D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

Livelli di BHA e di BHT impiegati in pratica in diversi prodotti alimentaria. Prodotto

Livello % di BHA Livello % di BHT

Grassi animali 0.001 – 0,01 0.001 – 0,01 Oli vegetali 0,002 – 0,02 0,002 – 0,02 Prodotti da forno 0,01 – 0,04 0,01 – 0,04 Cereali 0,005 – 0,02 0,005 – 0,02 Purea disidratata di patate 0,001 0,001 Oli essenziali 0,01 – 0,1 0,01 – 0,1 Chewing gum base Fino a 0,1 Fino a 0,1 Canditi Fino a 0,1b / Materiali di confezionamento per alimenti

0,02 – 0,1 0,02 – 0,1

a Spesso impiegato in combinazione con altri antiossidanti, quali BHT (BHA) gallati e acido citrico. b Calcolato sul grasso.

D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

Confronto del comportamento antiossidante di alcuni antiossidanti di sintesi, valutato attraverso il saggio AOM (Active Oxygen Method) (E.R. Shervin and J.W. Thompson, Food Technol., 21(6), 912 (1967)). Ore necessarie per ottenere un numero di perossidi pari a 20 pari a 70 pari a 70 pari a 70 Trattamento con

Strutto Olio di cotone

Olio di soia Olio di cartamo

Controllo 4 9 11 6 0,010 di TBHQ 23 24 29 40 0,020 di TBHQ 38 34 41 29 0,030 di TBHQ 55 42 53 77 0,010 di BHA 27 9 12 8 0,020 di BHA 36 9 10 6 0,030 di BHA 42 9 10 7 0,010 di BHT 12 10 12 10 0,020 di BHT 18 11 13 7 0,030 di BHT 33 13 15 8 0,010 di PG 12 19 21 13 0,020 di PG 20 30 26 10 0,030 di PG 42 37 31 12 TBHQ = ter-butil idrochinone; BHA = butil idrossianisolo; BHT = di-ter-butil idrossitoluolo; PG = propil gallato.D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

TEST DI OSSIDAZIONE ACCELERATA

OLIO DI GIRASOLE

PC = fosfatidil colina; GTE = estratto di tè verde; PL = fosfolipidi. Condizioni sperimentali T = 110 °C; flusso d’aria = 150 ml/min

controllo + 3% PC

+ 3% PC + 0,2% GTE

+ 0,2% GTE + 3% PC (fresca)

+ 3% PC (fresca) 0,2% GTE

+ 3% PL +0,2% GTE

OSI time (ore)

4,50

4,66 3,96 18,78 5,55 4,63 20,25

SD 0,09

0,03 0,64 1,87 0,36 0,51 0,43

CV% 2,0 0,6 16,2 10,0 6,5 11,0 2,1

Stabilità delle patate chips fritte in olio di cotone con vari antiossidanti, valutata a 45 °C.

Antiossidante (0,02%)

Giorni per raggiungere la

rancidità

Nessuno 10 BHA 10 AP 15 BHT 14 PG 24 DLTDP 14

BHA = butil idrossianisolo; AP = ascorbil palmitato; BHT = di-ter-butil idrossitoluolo; PG = propil gallato; DLTDP = dilauril tiodipropionato..

D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

Effetto sinergico dei fosfati Attività antossidante dei tocoferoli relativamente ad antiossidanti sintetici (B.T. Lehmann, B.M. Watts, J. Am. Oil Vhem. Soc., 28, 475 (1951).)

Giornia necessari all’insorgenza di rancido a 45 °C

Fosfati

Controllo

Tocoferolo 0,005%

BHA 0,005%

PG 0,005%

Soluzione tamponeb 2 4 22 11 DSP 2 7 43 7 STP 3 12 48 18 SHMP 7 - 57 28 IMP 8 - 64 28

a tempo richiesto per decolorare metà del carotene presente (addizionato). b concentrazione, 0,1% in pH 7,5 di tampone borato. DSP = ortofosfato disodico; STP = tripolifosfato di sodio; SHMP = esametafosfato di sodio; IMP = metafosfato insolubile o sale di Maddrell; BHA = butil idrossianisolo; PG = propil gallato.

D. Rajalakshmi, S. Narasimhan, in Food Antioxidants, D.L.Madhavi, S.S. Deshpante and D.K. Salunkhe Eds.,Cap. 3, Marcel Dekker, USA, 1996

TEST ACCELERATI DI STABILITÁ

• Test di ossidazione accelerata (Saggio AOM, Rancimat® test e OSI® time)

• Test di invecchiamento accelerato (T = 40-60 °C)

• Test di termo-ossidazione (T > 110 °C)

LIMITI DEI TEST DI OSSIDAZIONE ACCELERATA

• CONSUMO DELL’OSSIGENO• VELOCITÁ DI REAZIONE DIPENDENTE DALLA

CONCENTRAZIONE DELL’OSSIGENO• SPOSTAMENTO DELLA FINE DEL PERIODO D’INDUZIONE• DOVREBBERO ESSERE CONSIDERATE LE REAZIONI DI

CICLIZZAZIONE E DI POLIMERIZZAZIONE• ANTIOSSIDANTI TERMOLABILI• ANTIOSSIDANTI VOLATILI

• Frankel E.N., Trends Food Sci. Technol., 4, 220-225 (1993)

EFFETTI DELLA CONSERVAZIONE

• In tutti i casi la conservazione riduce l’attività antiossidante, in maniera differente per tipo di antiossidante e per le condizioni di conservazione

• In alcuni casi durante la conservazione l’idrolisi provoca la liberazione di antiossidanti, riducendo la diminuzione dell’attività antiossidante

EFFETTI DEI PROCESSI DI TRASFORMAZIONE

• La trasformazione tecnologica riduce l’attività antiossidante andando a eliminare gli antiossidanti in misura differente

• In generale i processi che prevedono riscaldamenti a temperature elevate riducono maggiormente il potere antiossidante

• I prodotti della reazione di Maillard, quando formati, riducono la distruzione degli antiossidanti

FATTORI PRO-OSSIDANTI E SCELTE DI ANTIOSSIDAZIONE

Pro-ossidanti Anti-ossidanti Acidi grassi insaturi Riduzione dell'insaturazione degli acidi

grassi Ossigeno, ossigeno attivo Scambio gassoso, rimozione

dell'ossigeno Confezionamento sotto vuoto

Ioni di metalli pesanti e chelati metallici Rimozione degli ioni metallici Complessazione dei metalli

Luce e pigmenti coloranti Rimozione della luce, confezionamento opaco

Radiazione elettromagnetica ad elevata energia

"Spazzino" di radicali

Radicali perossidi liberi Antiossidanti Riscaldamento Refrigerazione Lipossigenasi Inattivazione enzima Tempo Scelta di periodo breve della shelf life Contenuto di umidità (molto basso o molto alto)

Umidità intermedia

Bilancio antiossidanti-proossidantinell’intestino

K.P. SURAI et al., Nutritional Genomics & Functional Foods, 1 (1), 1-20 (2003)

Tocoferoli e tocotrienoliCoenzima QCarotenoidiFlavonoidiAcido ascorbicoSpezie, oli essenzialiVitamina ASeleno-metionina

PUFAs ossidatiOssisteroliInquinanti organici persistentiFe2+ e Cu+NitritiMetalli pesantiMicotossineAlcoli

Mantenimento del sistema antiossidante=Buona salute

Sistema antiossidante compromesso=Cattiva salute

CONCLUSIONI• L’ossidazione delle sostanze grasse è spesso un’attività con

esito negativo• L’antiossidazione e un processo complesso• Gli antiossidanti naturali sono numerosissimi• La misura del potere antiossidante è critica• La presenza di più antiossidanti può essere più o meno efficace• Ciascun antiossidante ha un intervallo ottimale di

concentrazione in cui è attivo• Gli antiossidanti sono additivi indispensabili• Le fonti naturali di antiossidanti sono molteplici• Conservazione e trasformazione tecnologica riducono l’attività

antiossidante• Previsione della shelf life in relazione all’ossidazione