Comparative evaluation of antioxidant activity and content of prooxidant factors in different classes of foods

Abstract

By using the biophysical methods (chemiluminescence, amperometry) in laboratory in vitro experiments it was demonstrated that the study of antioxidant and pro-oxidant activities of different food groups allows to perform a preliminary assessment of their pro-oxidant-antioxidant capacity. It have been shown that some food prevails ability to exert pro-oxidant effects (in vitro) due to the short-term induction of free radical oxidation. Thus, among the fresh juices the increase of the maximum of flash chemiluminescence has been detected in avocado (1080,89%) and pear juices (136,33%), whereas the lowest ability to enhance the intensity of free radical processes has been marked for pomegranate (1,63%), orange (9,68%) and apples juices (12,84%). Among milk products it has been marked for sour milk (9,06%) and yogurt (15,11–16,02%), that allows the use of the past to correct pro-oxidant-antioxidant balance diet for people with potential danger gain peroxide processes, such as special physiological states, sport endurance, mental and emotional overload. The ability to increase the intensity of free radical oxidation have been also identified for snacks, especially buns, biscuits, bread sticks, showing the risk of formation of oxidative stress in the body during their prolonged use, particularly under the above described conditions. In some cases, foods (processed cheese and cheese curds) showed dominance factors sustained oxidative effect (in 2,1–20,7%), that indicates the possibility of an imbalance in the prooxidantantioxidant system after its prolonged use in the diet, even in small quantities, especially in individuals with a reduced level of antioxidant potential of the nonspecific defense system. Investigation of antioxidant activity of foods revealed significant predominance of reducing equivalents in all freshly squeezed and some packaged fruit juices, as well as dairy products, indicating their possibility to increase the capacity of reducing components of nonspecific protection system. The presence in a number of products used for snacking (chips, puffed rice) of sufficiently high levels of antioxidant activity demonstrates the content of substances that act as proton donator having significant reducing ability. It is sufficient for high energy value of such products, indicating on the possibility of involvement of their recovery factors in plastic processes with subsequent enhancement, such as lipogenesis, that may be a prerequisite for the development of obesity, atherosclerosis and other pathological processes. Using an integrated approach will enable a timely and appropriate to correct the ratio of pro- and antioxidant indicators of diet in order to improve the adaptive capacity of the organism in a particular physiological or pathological conditions involving oxidative metabolism disorders.

Keywords:antioxidant system, pro-oxidants, food, chemiluminescence, peroxidation

Постоянное воздействие на организм человека разнообразных агрессивных факторов внешней среды физической, химической и биологической природы, а также высокая распространенность вредных привычек (курение, алкоголизм, наркомания) создают условия для снижения адаптационных возможностей организма, следствием чего является изменение окислительного метаболизма и прежде всего увеличение интенсивности процессов свободнорадикального окисления (СРО) с последующим неферментативным окислением биосубстратов, в результате которых образуются различные продукты окислительной модификации, снижающие устойчивость мембран, нарушающие работу ферментов и ускоряющие разрушение клеток, в том числе путем стимуляции апоптоза [6].

Кроме того, в результате усиления реакций СРО в организме формируется окислительный стресс (ОС), являющийся типовым патологическим процессом и встречающийся при многих заболеваниях (сахарном диабете, атеросклерозе, онкологии, ревматической, нейродегенеративной и другой патологии), значительно сокращающих продолжительность жизни населения. Учитывая универсальность течения ОС, представляется возможным уменьшение его отрицательных эффектов, в том числе с помощью своевременной терапии, включающей не только лекарственные препараты, но и биологически активные добавки к пище и пищевые продукты с высоким содержанием нутриентов с антиоксидантной направленностью. Использование пищевых продуктов в целях коррекции дисбаланса прооксидантно-антиоксидантной системы является актуальным, так как известно, что диетотерапия может оказывать выраженное влияние на продолжительность жизни, запуская метаболическую перестройку за счет перераспределения энергетических потоков, сопровождающихся уменьшением продукции активных форм кислорода [1, 5, 2, 12]. Также в литературе описана способность ряда лекарственных препаратов и биодобавок оказывать прооксидантное и антиоксидантное воздействие на организм в зависимости от дозировки, способа применения и функциональной активности эндогенной системы неспецифической защиты, что необходимо учитывать при использовании этих средств с профилактической и лечебной целью. В связи с этим представляется обоснованным предварительное изучение показателей антиоксидантной активности и прооксидантных свойств у нутриентов и пищевых продуктов, что повысит эффективность разрабатываемых способов нутриционной коррекции дисбаланса прооксидантно-антиоксидантной системы.

Учитывая вышеописанное, целями исследования являлись определение общей антиокислительной активности (АОА) и оценка содержания прооксидантных факторов в различных группах пищевых продуктов в тест-системах in vitro.

Материал и методы

Объектом исследования послужили пищевые продукты, приобретенные в оптово-розничной сети Краснодара, в количестве 10 проб для каждого изученного продукта. Всего были изучены 10 разных видов свежевыжатых соков (фрешей), 2 пакетированных сока (производства ОАО "Лебедянский", Россия), 2 йогурта [ОАО "Вимм-БилльДанн" (1) и ООО "Данон Индустрия" (2)], кефир и ряженка российского производства, 6 плавленых сыров [ООО "Лакталис Истра" (1, 2, 3) и "Хохланд Руссланд" (4, 5, 6)], 3 творожных сырка [ОАО "Вимм-Билль-Данн" (1 и 2) и ЗАО "Кореновский МКК" (3)], 2 вида чипсов [бекон (1), зеленый лук (2)], 2 вида попкорна, воздушный рис, вафли, киевские сдобные сухари, соломка соленая, хлебные палочки с сыром, изделие хлебобулочное (плюшка "Московская"), 3 вида печенья [ореховое (1), "Мария" традиционное (2), "Кубаночка" (3)].

Интенсивность СРО определяли с помощью хемилюминесцентного метода, путем оценки вспышки хемилюминесценции (ХЛ), с определением ее максимума (МВХЛ) и площади (ПВХЛ) по люминол-зависимой H2O2-индуцированной ХЛ на хемилюминотестере "ЛТ-01" (НПО "Люмин", г. Ростов-на-Дону, РФ) по методике [3] и выражали в процентах по отношению к МВХЛ в контрольных пробах (без опытного материала), а также в единицах площади (ед. пл.) по отношению к ПВХЛ контрольных проб.

Определение АОА проводили амперометрически на анализаторе антиоксидантной активности "Яуза-01-ААА" (ОАО НПО "Химавтоматика", РФ) на основании методики [8], по которой сначала при определенном потенциале (1,3 В) измеряли электрический ток, возникающий при окислении на поверхности рабочего электрода стандарта (аскорбиновой кислоты в концентрации от 0,1 до 8,0 мг/л), на основании полученных данных выполняли построение калибровочного графика. Исследуемые пищевые продукты гомогенизировали и растворяли в элюенте (2,2 мМ раствор ортофосфорной кислоты) в соотношении 1:10-1:1000, для нежидких пищевых продуктов предварительно проводили стандартизированную предподготовку (гомогенизацию) с последующим растворением в элюенте (с разведением 1 г продукта в 9 мл элюента). Далее измеряли электрический ток, возникающий при окислении опытного образца (в условиях, идентичных калибровке), и сравнивали полученные данные с калибровочным графиком, результаты выражали в аскорбиновых эквивалентах (мг/л vit C). Исследование выполнено в соответствии с заданием

Минобрнауки России (проект № 4.1755.2011).

Статистическую обработку полученных данных осуществляли методами вариационной статистики при помощи ЭВМ с использованием свободного программного обеспечения - системы статистического анализа R ("R Development Core Team", Австрия, 2008, достоверным считали различие при р<0,05).

Результаты и обсуждение

В результате проведенных исследований установлено, что среди изученных пищевых продуктов отмечены существенные различия в показателях АОА и содержании прооксидантных факторов как между разными классами пищевых продуктов, так и среди однотипных. При этом наиболее высокая АОА отмечена для ряда свежевыжатых соков, полученных из гранта > авокадо > мандарина >

апельсина, которая была значительно больше (в 1,95-3,98 раза) АОА свежевыжатых соков из яблока и хурмы. В то же время количество факторов, обладающих прооксидантным воздействием на организм, у этих же соков характеризовалось определенными особенностями, характеризующимися в том числе отсутствием обратной взаимосвязи между интенсивностью ХЛ и показателя- ми АОА исследованных соков. Так, способность свежевыжатого сока авокадо увеличивать МВХЛ и ПВХЛ была существенно больше, чем у остальных соков, особенно сильно превышая аналогичные показатели гранатового, апельсинового и яблочного фрешей (табл. 1). Следует отметить, что АОА и содержание прооксидантных факторов у изученных пакетированных соков также значимо отличались от величин, ожидаемых при наличии обратной корреляции между интенсивностью ХЛ и показателями АОА указанных соков. При этом у апельсинового сока АОА и МВХЛ были сопоставимы с показателями апельсинового фреша, тогда как АОА пакетированного яблочного сока была меньше на 47,2% в сравнении с яблочным фрешем, а показатели МВХЛ и ПВХЛ, наоборот, оказались повышенными соответственно на 46,9 и 275,7%, что в данном случае отражает существенно меньшие возможности пакетированного сока снижать дисбаланс в работе прооксидантно-антиоксидантной системы при использовании его в пищевом рационе по сравнению с большинством свежевыжатых соков (см. табл. 1).

При изучении молочных продуктов установлено, что антиоксидантный потенциал кефира, йогуртов и ряженки в несколько раз превосходит АОА плавленых сыров и творожных сырков.

Кроме того, среди данной категории продуктов у ряженки отмечена наименьшая способность увеличивать интенсивность СРО, что объясняется незначительным содержанием в ней прооксидантных факторов краткосрочного и пролонгированного действия, которые на 40-55% ниже даже при сравнении с соответствующими показателями йогуртов и кефира и значительно меньше аналогичных значений у изученных плавленых сыров и творожных сырков (табл. 2). В целом необходимо отметить достаточно высокую способность плавленых сыров и творожных сырков усиливать интенсивность свободнорадикальных процессов, в связи с чем необходимо периодическое ограничение их использования в повседневном пищевом рационе, особенно у лиц с пониженным потенциалом антиоксидантного звена системы неспецифической защиты организма при патологических и особых физиологических состояниях (беременности, занятиях спортом, ментальных и эмоциональных перегрузках), сопровождающихся развитием дисбаланса в прооксидантноантиоксидантной системе.

Следует учитывать, что в ряде исследований, проведенных разными научными группами, показана возможность увеличения продолжительности жизни за счет изменения пищевого рациона, например при ограничении энергетической ценности пищевого рациона [9, 11], реализуемого в том числе путем повышения экономичности метаболизма и снижения продукции активных форм кислорода и свободных радикалов при неизмененной потребности в кислороде [10, 12].

Описанные метаболические процессы позволяют замедлить старение организма путем уменьшения скорости накопления негативных изменений в клетках, что необходимо для поддержания стационарного гомеостаза и повышения адаптационных возможностей организма, поэтому становится понятно, почему при систематическом поступлении нутриентов с преобладанием прооксидантных факторов возможно смещение равновесия в сторону избыточного образования свободных радикалов и сокращение продолжительность жизни.

Другим не менее важным механизмом, регулирующим старение, является функциональная активность репаративных механизмов, которые ликвидируют клеточные повреждения, возникающие в результате активной жизнедеятельности. В связи с этим снижение потенциала антиоксидантного звена системы неспецифической защиты, которое может возникнуть при недостаточном содержании факторов с антиоксидантной направленностью в пищевом рационе, способно привести к преждевременной гибели клеточных структур даже при физиологической интенсивности образования метаболитов радикальной природы, что будет сопровождаться в том числе ускорением старения организма.

При анализе показателей антиоксидантной активности и содержания прооксидантных факторов в пищевых продуктах, использующихся для перекуса, было установлено, что при их употреблении возможно нарушение прооксидантно-антиоксидантного равновесия с превалированием прооксидантного звена. Последнее объясняется достаточно высокими показателями вспышки и ПВХЛ, в 10 и более раз превышающими аналогичные данные соков и молочных продуктов (табл. 3), особенно выраженные у чипсов, попкорна, воздушного риса, некоторых сортов печенья. Кроме того, необходимо отметить значительно более низкие показатели антиоксидантной активности у данной категории продуктов, которые были в несколько раз меньше АОА всех свежевыжатых и пакетированных соков, а также существенно уступали показателям АОА у исследованных молочных продуктов.

Следует указать, что присутствие восстановительных факторов, установленное с помощью амперометрического метода, в использующихся для перекуса продуктах (печенье, попкорн, вафли, чипсы), также обладающих достаточно высокой энергетической ценностью, можно рассматривать и как неблагоприятный фактор, что объясняется способностью эндогенных компонентов антиоксидантной системы [например, никотинамидадениндинулеотидфосфата (NADPH+Н)] участвовать в условиях избыточного образования макроэргов в пластических процессах, в том числе липогенезе, приводя при чрезмерном потреблении продуктов с высокой энергетической ценностью к развитию ожирения, являющегося одной из социально значимых патологий современного общества [7].

Заключение

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что совместное применение хемилюминесцентного и амперометрического методов позволяет одновременно получить информацию как о содержании прооксидантных факторов, так и о суммарной АОА в пищевых продуктах, способных оказывать противоположное влияние на состояние прооксидантноантиоксидантной системы в организме. Также полученные результаты указывают на существенное преобладание восстановительных эквивалентов у свежевыжатых и некоторых пакетированных фруктовых соков, молочных продуктов, что свидетельствует об их потенциальной способности повышать емкость восстановительных компонентов системы неспецифической защиты организма. Следует отметить, что наличие достаточно высоких показателей АОА у ряда продуктов, использующихся для перекуса (чипсы, воздушный рис), может указывать на способность последних выступать в роли донатора протона, т.е. в качестве восстанавливающих факторов. При этом достаточно высокая энергетическая ценность этой категории продуктов говорит о возможности вовлечения поступающих восстановительных факторов в пластические процессы с последующим усилением, например, липогенеза, что может стать предпосылкой для развития ожирения, атеросклероза и других патологических процессов. Поэтому при формировании пищевого рациона в целях замедления процесса старения целесообразно отдавать предпочтение продуктам с более высокой АОА, меньшим содержанием прооксидантных факторов пролонгированного действия и, насколько это возможно, меньшей энергетической ценностью.

Кроме того, использование комплексного подхода с преклинической оценкой прооксидантно-антиоксидантного потенциала нутриентов позволит своевременно и адекватно корригировать пищевой рацион в целях повышения адаптационных возможностей организма при патологических или особых физиологических состояниях, сопровождающихся нарушением окислительного метаболизма.

Литература

1. Басова А.А., Быков И.М. Изменение антиоксидантного потенциала крови экспериментальных животных при нутриционной коррекции окислительного стресса // Вопр. питания. - 2013. - Т. 82, № 6. - С. 75-81.

2. Басова А.А., Быков И.М. Сравнительная характеристика антиоксидантного потенциала и энергетической ценности некоторых пищевых продуктов // Вопр. питания. - 2013. - Т. 82, № 3. - С. 77-80.

3. Басов А.А., Павлюченко И.И., Плаксин А.М., Федосов С.Р. Использование аналогово-цифрового преобразователя в составе системы сбора и обработки информации с хемилюминитестером LT-01 // Вестн. новых мед. технологий. - 2003. - Т. 10, № 4 - С. 67-68.

4. Басов А.А., Федосов С.Р., Канус И.С. и др. Современные способы стандартизации антиоксидантных лекарственных средств и биологически активных добавок // Соврем. пробл. науки и образования. - 2006. - № 4. - Прил. 1. - С. 149.

5. Новосельцев В.Н., Новосельцева Ж.А. Ограничение диеты увеличивает продолжительность жизни у стерильных и нестерильных самок D. melanogaster: системный анализ // Успехи геронтологии. - 2010. - Т. 23, № 2. - С. 186-195. 6. Северин Ф.Ф., Скулачёв В.П. Запрограммированная клеточная смерть как мишень борьбы со старением организма // Успехи геронтологии. - 2009. - Т. 22, № 1. - С. 37-48.

7. Симонова Г.И., Тутельян В.А., Погожева А.В. Питание и атеросклероз // Бюл. СО РАМН. - 2006. - Т. 2. - С. 80-85.

8. Яшин А.Я. Инжекционно-проточная система с амперометрическим детектором для селективного определения антиоксидантов в пищевых продуктах и напитках // Рос. хим. журн. - 2008. - Т. LII, № 2. - С. 130-135.

9. Chapman T., Partridge L. Female fitness in Drosophila melanogaster: an interaction between the effect of nutrition and encounter rate with males // Proc. R. Soc. Lond. - 1996. - Vol. 263. - P. 755-759.

10. Hulbert A. J., Clancy D. J., Mair W. et al. Metabolic rate is not reduced by dietary restriction or by lowered insulin/IGF1 signalling and is not correlated with individual lifespan in Drosophila melanogaste // Exp. Gerontol. - 2004. - Vol. 39. - P. 1137-1143.

11. Mair W., Goymer P., Pletcher S.D., Partridge L. Demography of dietary restriction and death in Drosophila // Science. - 2003. - Vol. 301. - P. 1731-1733.

12. Ross R.E. Age-specific decrease in aerobic efficiency assosiated with increase in oxygen free radical production in Drosophila melanogaster // J. Insect. Physiol. - 2000. - Vol. 46. - P. 1477-1480.