Sostanze antiossidanti: aspetti chimici e funzionali. Sintesi del propil gallato, un additivo alimentare antiossidante

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1 X Ciclo di Laboratori Chimici di Aggiornamento per i Docenti delle Scuole Medie Superiori Sostanze antiossidanti: aspetti chimici e funzionali. Sintesi del propil gallato, un additivo alimentare antiossidante Dr.ssa Alessandra Silvani (alessandra.silvani@unimi.it) Commissione Orientamento del Collegio Didattico del Dipartimento di Chimica 09 Settembre 2015 Aula G10, Settore Didattico Golgi Laboratorio 3070, via Golgi 19

2 Sommario RADICALI LIBERI E STRESS OSSIDATIVO I radicali liberi nei sistemi biologici Lo stress ossidativo: la rottura di un equilibrio Fattori che favoriscono la produzione di radicali liberi I danni causati dai radicali liberi ANTIOSSIDANTI Endogeni (enzimatici e non enzimatici) Esogeni (di origine alimentare) Sintetici ESPERIENZA DI LABORATORIO Sintesi del propil gallato (additivo alimentare antiossidante)

3 I RADICALI NEI SISTEMI BIOLOGICI Sostanze antiossidanti I radicali liberi sono specie chimiche con un elettrone spaiato in un orbitale esterno e quindi estremamente instabili e altamente reattive. Nei sistemi biologici, si formano prevalentemente attraverso processi che producono specie reattive dell ossigeno (Reactive Oxygen Specie, ROS). L ossigeno è assolutamente necessario per la vita degli organismi aerobici e di per sé è scarsamente reattivo. Si trova in natura sotto forma di molecole biatomiche che presentano due elettroni spaiati di spin uguali sistemati su due orbitali diversi (tripletto). primo singoletto eccitato ("ossigeno singoletto") secondo singoletto eccitato stato fondamentale di tripletto

4 A concentrazione superiore anche di poco di quella presente nell aria e per tempi prolungati, l ossigeno diventa tossico, a causa dei vari intermedi di riduzione, molto più reattivi dell ossigeno molecolare. In presenza di opportuni transfer di elettroni, l ossigeno va infatti incontro a riduzione monovalente ( 1 e - ). Quando una molecola di ossigeno somma un elettrone, si trasforma in radicale anione superossido, O 2 -. L aggiunta di un secondo elettrone (insieme con due protoni) trasforma quest ultimo in perossido di idrogeno, H 2 O 2.

5 Il perossido non è un radicale, ma reagisce facilmente con metalli di transizione, producendo un radicale idrossilico OH, una particella chimica molto attiva che inizia facilmente reazioni a catena incontrollabili. Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH + OH- (reazione di Fenton) Fe 3+ + O 2 - Fe 2+ + O 2 (reazione di riduzione del Fe 3+ ) (reazione di Haber-Weiss) In assenza dell azione catalitica del ferro, queste reazioni avvengono molto lentamente: il sequestro del ferro mediante proteine di trasporto (transferrina) e proteine di accumulo (ferritina) ha lo scopo di limitarne la disponibilità. La reazione di Fenton rappresenta in vivo la fonte principale di OH soprattutto in patologie (emocromatosi) in cui la quantità di ferro libero aumenta in modo considerevole. Il radicale OH ha emivita molto breve (~ 1 ns) ed è scarsamente diffusibile: reagisce, nel sito stesso in cui viene generato, con qualunque componente cellulare (provoca danni a membrane cellulari, proteine ed acidi nucleici). E considerato la forma radicalica più tossica e più reattiva; è prodotto dai leucociti a partire da H 2 O 2 per distruggere patogeni.

6 Nell attivazione dell ossigeno a dare i ROS devono intervenire dei «transfer» di elettroni (radiazioni, ioni di metalli di transizione nello stato di ossidazione più basso o enzimi che contengono ioni metallici nel loro sito attivo). I ROS sono continuamente prodotti nell organismo come conseguenza dei normali processi metabolici, sia attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che attraverso reazioni di natura non enzimatica.

7 I mitocondri vengono considerati la fonte principale di ROS cellulari poiché il radicale superossido viene generato costantemente durante la fosforilazione ossidativa e può essere convertito in H 2 O 2 ed altre specie reattive dell ossigeno. Durante i processi di fosforilazione ossidativa, il 4-5% dell ossigeno non viene completamente ridotto ad H 2 O, ma forma prodotti intermedi dell O 2 altamente reattivi.

8 I radicali liberi non sono sempre dannosi. Nella cellula, i ROS oltre che nei mitocondri, vengono generati anche in altri compartimenti e da molti enzimi. Le NADPH ossidasi sono enzimi che ossidano il coenzima ridotto NADPH producendo la forma ossidata NADP + e H 2 O 2. NAD(P)H + + H O 2 NAD(P) H 22 O 22 Si produce un derivato di riduzione incompleta dell ossigeno, potenzialmente tossico, a fini metabolicamente utili per l organismo in circostanze particolari. L NADPH ossidasi è presente nelle membrane di alcune cellule specializzate nella funzione fagocitaria, cioè la funzione di inglobare e distruggere microrganismi patogeni nella fase di prima difesa dell organismo contro le infezioni. L inglobamento porta all isolamento dei microrganismi in speciali vacuoli, dove essi sono poi distrutti dai ROS prodotti della reazione della NADPH ossidasi. In particolare il perossido d idrogeno reagisce nelle cellule fagocitarie neutrofile con Cl- e forma ipoclorito HOCl, il principale agente responsabile dell uccisione dei microrganismi nel vacuolo.

9 Produzione di ROS dal catabolismo purinico: La xantina ossidasi (XOS) è un enzima appartenente alla classe delle ossidoriduttasi, che catalizza la conversione della xantina in acido urico in condizioni normali. La xantina è una base purinica proveniente dalla degradazione degli acidi nucleici (DNA e RNA). + H 2 O + O 2 + H 2 O 2 xantina Acido urico Il radicale monossido d azoto (NO ) agisce come importante messaggero intra ed intercellulare regolando molte funzioni: pressione arteriosa, respirazione, coagulazione del sangue e trasmissione nervosa. Per la sua azione ossidante, interviene direttamente nei meccanismi di difesa immunitaria. La sintesi è affidata all enzima monossido nitrico sintetasi (NOS), che utilizza come substrato l amminoacido essenziale arginina.

10 LO STRESS OSSIDATIVO: LA ROTTURA DI UN EQUILIBRIO A concentrazioni moderate i ROS partecipano attivamente ad una varietà di processi biologici, implicati nella normale crescita cellulare. A concentrazioni elevate i ROS sono dannosi per l organismo in quanto attaccano i maggiori costituenti della cellula (proteine, acidi nucleici, lipidi), partecipando così a processi complessi quali l invecchiamento e le patologie ad esso correlate. Lo stress ossidativo è una forma di stress chimico, indotto dalla presenza, in un organismo vivente, di un eccesso ROS, causato da un aumentata produzione degli stessi e/o da una ridotta efficienza dei sistemi fisiologici di difesa antiossidanti. Soprattutto con l avanzare dell età si manifesta una significativa riduzione delle capacità antiossidanti di difesa.

11 Lo stress ossidativo è la conseguenza di uno squilibrio tra processi pro-ossidanti e processi antiossidanti. Radiazioni, farmaci, metalli pesanti fumo di sigaretta, alcool, inquinamento sedentarietà, infezioni Aumento di ROS ridotta assunzione, diminuita sintesi, ridotta capacità di utilizzazione, aumentato consumo (di antiossidanti) Difetto di antiossidanti Danno cellulare Danno tissutale Danno d organo Danno sistemico malattie cardiovascolari demenze, Parkinson invecchiamento precoce infiammazione tumori

12 FATTORI CHE FAVORISCONO LA PRODUZIONE DI RADICALI LIBERI La produzione è funzione dell ambiente in cui viviamo, del metabolismo individuale, dell alimentazione e in generale del nostro stile di vita. Fattori favorenti: inquinamento raggi solari (UV) raggi X cattiva alimentazione sovrappeso fumo di sigaretta eccesso di alcool eccesso di farmaci agenti chemioterapici stress cronico vita sedentaria esercizio fisico eccessivo

13 I DANNI CAUSATI DAI RADICALI LIBERI NEI SISTEMI BIOLOGICI I ROS, composti instabili e altamente reattivi ad emivita brevissima, sono responsabili del danno ossidativo a carico di macromolecole biologiche, come DNA, carboidrati e proteine. Soprattutto il radicale idrossile OH. può reagire con quasi tutte le molecole organiche, producendo radicali liberi organici attraverso un processo che prevede tre fasi: 1. Innesco 2. Propagazione a catena di radicali liberi in molecole biologiche (prevalentemente acidi grassi poliinsaturi, ma anche proteine, carboidrati e DNA) Le specie chimiche reattive, radicaliche, agiscono come ossidanti: Elettrone spaiato A + C C A + C C Radicale (ossidante) Molecola bersaglio (doppio legame C=C) Nuova molecola (ridotta, stabile) 3. Termine del processo ad opera di molecole antiossidanti (spazzini o scavenger). Gli scavenger possono essere: enzimi che eliminano l anione superossido e il perossido di idrogeno proteine che trasportano o sequestrano Fe e Cu piccole molecole Nuovo radicale (ossidante)

14 Uno dei siti più sensibili al danno causato dai ROS è la membrana cellulare: Il radicale idrossilico OH sottrae un atomo di idrogeno ad un acido grasso poliinsaturo, iniziando così una catena di reazioni di perossidazione lipidica. I perossidi lipidici vengono degradati per formare dei prodotti caratteristici quali la malonildialdeide (MDA) o l idrossinonenale (HNE). Questi composti reagiscono con le proteine formando legami crociati e addotti chimici con esse (prodotti finali di lipoossidazione avanzata)

15 Danno indotto dalla lipoperossidazione alle membrane biologiche: Il danno è in grado di propagarsi mediante una reazione a catena, in quanto i lipidi privati di elettroni tendono a reintegrare la perdita rubandoli alle molecole contigue, fino a coinvolgere anche le proteine del nucleo centrale ed il DNA. Il radicale idrossilico OH reagisce con vari amminoacidi per formare derivati idrossilati: H 2 O 2 reagisce con la metionina per formare metionina solfossido: Il radicale idrossilico OH reagisce con le basi azotate degli acidi nucleici. Il più comune prodotto dell ossidazione è la 8- ossiguanina (principale indicatore di danno al DNA).

16 In sintesi, il danno ossidativo da ROS non si esplica solo a livello di biomolecole importanti, ma si ripercuote sulla salute dell'intero organismo. Accelerando i processi di invecchiamento cellulare e deprimendo il sistema immunitario, favorisce l'insorgenza di numerose malattie e forme tumorali.

17 Cardiopatia coronarica: dipende dai processi arteriosclerotici a livello della parete delle arterie. Lo stress ossidativo a livello delle lipoproteine LDL rappresenta un fattore importante nella formazione iniziale delle lesioni aterosclerotiche. L ossidazione delle LDL dipende da processi di perossidazione indotti da radicali liberi. Carcinogenesi: il danno ossidativo del DNA provocato dai ROS può portare a rotture di una singola catena o della doppia catena, come pure ad aberrazioni cromosomiche. Le modifiche del DNA possono provocare mutazioni puntiformi, delezioni o amplificazioni geniche che possono costituire la prima fase della carcinogenesi. Cataratta e degenerazioni oculari: la cataratta è un opacizzazione del sistema di lenti dell occhio dovuto ad alterazioni ossidative delle proteine, dovute al fatto che l occhio è esposto alla luce (UV) e all azione ossidante dell ossigeno. Alterazioni neuronali: lo stress ossidativo può intervenire nella degenerazione neuronale alla base di malattie come il morbo di Parkinson, la sclerosi laterale amiotrofica e la malattia di Alzheimer.

18 L invecchiamento cellulare è il prodotto della serie di reazioni ossidative di natura radicalica cui si è necessariamente esposti per il semplice fatto di utilizzare l ossigeno....la longevità dipende dall efficienza dei sistemi di protezione antiossidante. Harman, D Journal of Gerontology 1956

19 DIFESE ANTIOSSIDANTI Per evitare i danni ossidativi, la cellula ha sviluppato un sofisticato sistema di difesa nei confronti dei ROS di natura enzimatica e non (attività scavenger ). Per antiossidante intendiamo qualsiasi sostanza che, presente in concentrazione molto bassa rispetto a quella di un substrato ossidabile, è in grado di ritardare o inibire significativamente l ossidazione di quel substrato (Halliwell & Gutteridge, 1989). Il sistema antiossidante è regolarmente distribuito nella cellula:

20 ANTIOSSIDANTI: CLASSIFICAZIONE Gli antiossidanti possono essere classificati secondo diversi criteri: - in base all origine: endogeni ed esogeni, - in base alla natura chimica: enzimatici e non enzimatici, - in base alla solubilità: liposolubili e idrosolubili, - in base al meccanismo d azione: preventivi (prevengono la formazione dei ROS): proteine chelanti per i metalli di transizione (transferrina, albumina) scavenger (riducono la concentrazione di ROS rimuovendoli dal mezzo in cui si trovano): enzimi specifici, α-tocoferolo agenti di riparo (enzimi che intervengono dopo che il danno da ROS si è instaurato): transferasi, polimerasi agenti di adattamento (sostanze e protocolli di vita attraverso i quali è possibile potenziare il sistema antiossidante fisiologico): corretto esercizio fisico, regime alimentare equilibrato.

21 -in base alla natura chimica: Sostanze antiossidanti antiossidanti enzimatici (endogeni): superossido dismutasi (SOD) catalasi glutatione perossidasi (GPx) e glutatione reduttasi (GRed) Antiossidanti non enzimatici (endogeni): proteine plasmatiche (proteine-sh, leganti metalli (Fe, Cu)) acido urico bilirubina glutatione ubichinone (CoQ10) acido α-lipoico (ALA) Antiossidanti non enzimatici (esogeni): Acido ascorbico (vitamina C) α-tocoferolo (vitamina E) carotenoidi polifenoli

22 I principali sistemi enzimatici, coinvolti nella difesa antiossidante con il ruolo di scavenger, sono: - superossido dismutasi, attiva contro il radicale superossido ( O 2 -) - catalasi, che riduce il perossido di idrogeno (H 2 O 2 ) - glutatione perossidasi (in molti casi selenio-dipendente), che riduce gli idroperossidi organici Poiché molti oligoelementi essenziali, tra cui selenio, rame, manganese e zinco, sono coinvolti nella struttura molecolare o nell attività catalitica di questi enzimi, la nutrizione svolge un ruolo fondamentale nel mantenere l efficacia delle difese enzimatiche antiossidanti endogene.

23 Superossido Dismutasi (SOD) E uno dei più importanti enzimi antiossidanti, esistente in molte forme comuni che possono avere cofattori metallici diversi. Rappresenta la difesa cellulare primaria contro l anione superossido O 2 -. Nell uomo ne sono presenti tre differenti tipi, coinvolgenti Cu, Zn e Mn (nei mitocondri), tutte coinvolte nella dismutazione di O 2-, cioè nella rimozione catalitica del radicale superossido combinandolo a protoni per formare perossido di idrogeno e ossigeno. La reazione catalizzata è: 2 O H + H 2 O 2 + O 2

24 Catalasi Appartiene alla classe delle ossido-reduttasi. Rappresenta la difesa cellulare primaria contro il perossido di idrogeno H 2 O 2. Agisce con la SOD per la rapida detossificazione dell anione superossido ( O 2 - ), inattivando l H2 O 2 prodotta dalla SOD. La reazione catalizzata è: 2H 2 O 2 O 2 + 2H 2 O 1 molecola di catalasi può convertire ~ 6 milioni di molecole di H 2 O 2 ogni minuto!

25 Glutatione Perossidasi (GPx) E una metalloproteina (può contenere Se come cofattore), localizzata sia a livello della membrana cellulare che a livello extracellulare. Catalizza, utilizzando il glutatione (GSH) come substrato e agente riducente, la riduzione di H 2 O 2 ad H 2 O. Il GSH, nella forma inizialmente ridotta (GSH), viene ossidato (GSSG) da GPx, per essere poi nuovamente ridotto dall enzima Glutatione Reduttasi (Gred). La reazione catalizzata è: H 2 O 2 + 2GSH GSSG + 2H 2 O

26 Una seconda linea di difesa è formata dai composti antiossidanti endogeni (non enzimatici), che reagiscono con i composti ossidanti riducendone il potenziale nocivo. Proteine plasmatiche Proteine-SH (albumina), leganti metalli (Fe, Cu) (transferrina, ferritina) Acido urico Prodotto finale del catabolismo delle purine (adenina e guanina), chela i metalli (Fe, Cu) e riduce l ozono (antiossidante del tratto respiratorio). Bilirubina Prodotto di degradazione dell eme, blocca i radicali perossilici a livello plasmatico.

27 Glutatione (o GSH) E un tripeptide (γ-glutammilcisteinilglicina), costituito da cisteina e glicina legate da un normale legame peptidico e acido glutammico legato alla cisteina con un legame peptidico atipico. Contiene un gruppo tiolico ( SH). E il più importante antiossidante tiolico solubile intracellulare che l'organismo è in grado di produrre (endogeno). La sua concentrazione è molto elevata nel citosol, nei nuclei e nei mitocondri. GSH è coinvolto in numerosi processi cellulari: - è cofattore di numerosi enzimi (GPx) - può agire da scavenger nei confronti di OH - può detossificare H 2 O 2 e i perossidi lipidici - può rispristinare la forma ridotta di importanti antiossidanti (vitamine C ed E)

28 Il suo potere antiossidante deriva dalla capacità del gruppo SH del residuo cisteinico di donare facilmente un e - (e un H + ): GSH + R GS + RH Il radicale tiile (GS ) ha emivita lunga ed è disattivato per dimerizzazione, evento che porta alla formazione della forma ossidata di glutatione (GSSG): 2GS GSSG I livelli di GSH vengono poi ripristinati dalla GSH reduttasi-nadph-dipendente: GSSG + NADPH + H + GSH + NADP + Il rapporto GSH/GSSG rappresenta una buona misura dello stress ossidativo di un organismo. In un organismo sano e giovane, il rapporto GSH/GSSG nel sangue è di >10/1, che significa che oltre il 90% del glutatione totale è presente in forma libera.

29 Ubichinone (CoQ10) E l unico antiossidante lipofilo sintetizzato dall uomo. E localizzato in tutti i tessuti, nel sangue ed in ogni tipo di membrana, dove è presente principalmente nella sua forma attiva: l ubichinolo (CoQ10-H 2 ). Previene la perossidazione lipidica e mantiene la vitamina E nella forma ridotta (azione indiretta). Acido α-lipoico (ALA) Esiste in natura sotto due forme: disolfuro ciclico (acido α-lipoico, ALA) e catena aperta (acido diidrolipoico, DHLA). E coinvolto nella rigenerazione del GSH e delle vitamine C ed E, è in grado di chelare metalli e di ripristinare la forma ridotta di proteine ossidate.

30 Esistono infine gli antiossidanti di origine alimentare (non enzimatici, esogeni), complementari ed integrativi a quella del sistema immunitario naturale. E dimostrato che un aumento dell intake di antiossidanti da fonti naturali, in particolare frutta e vegetali, può essere utile nella prevenzione di varie malattie. In realtà, le molecole antiossidanti di origine alimentare hanno una vasta gamma di funzioni, molte delle quali sono estranee alla capacità di assorbire i radicali liberi. Il loro effetto benefico per la salute sembrerebbe quindi derivare da molteplici e non del tutto conosciuti meccanismi d'azione. I dati sul supplemento di antiossidanti sono invece ancora insufficienti per raccomandare l uso generalizzato di tali sostanze in quantità superiori a quello naturalmente presente in una dieta salutare. Le sostanze antiossidanti di origine naturale sono idonee, oltre che per l assunzione orale, anche per essere incorporate in preparati cosmetici, al fine di esplicare la loro funzionalità per via topica.

31 Antiossidanti di origine alimentare (non enzimatici, esogeni) Sostanze antiossidanti Acido ascorbico (vitamina C) Tocoferoli (vitamina E) Carotenoidi Flavonoidi Acido ascorbico (vitamina C) E uno dei più potenti antiossidanti naturali. Solubile in acqua, è presente a concentrazioni significative nel plasma (60 μmol/l) e in molti tessuti. E presente sia in forma ossidata (deidroascorbato) che in forma ridotta (acido ascorbico). acido L-ascorbico acido L-deidroascorbico E particolarmente efficace nei confronti del radicale superossido, idrossilico e dell 1 O 2. Protegge i tocoferoli dall ossidazione, rigenerandone la forma ossidata che si forma durante i processi di difesa contro la perossidazione lipidica. La rigenerazione di ascorbato ridotto avviene per opera di una ascorbato reduttasi NADPHdipendente.

32 La vitamina C si trova in tutti i tipi di frutta e di verdura crudi. E facilmente ossidabile e molto sensibile alla luce e al calore, dunque con la cottura e si perde. La biodisponibilità della vitamina C da fonti naturali è del tutto simile a quella della vitamina C sintetica. Tocoferoli (vitamina E) Vitamina E è il termine generico per definire la famiglia dei derivati dell α tocoferolo, composti molto liposolubili che agiscono quindi a livello di membrane cellulari e di lipoproteine, inibendo la perossidazione lipidica. Nel nostro corpo si trova immagazzinata nel tessuto adiposo, nel fegato e nei muscoli. L α -tocoferolo è in grado di bloccare la perossidazione lipidica donando e - e H + del suo gruppo idrossilico ai radicali perossilipidici, rendendoli meno reattivi e bloccando la propagazione della loro perossidazione.

33 Fonti naturali sono frutta secca e oli vegetali ottenuti da semi (soia, frumento, arachide, mais, girasole). L olio più ricco in vitamina E è quello che si ricava per estrazione dai semi germinati di frumento (olio di germe di grano). La comprovata azione antiossidante dell olio di germe di grano ne permette l uso anche a fini cosmetici. Carotenoidi Sono pigmenti naturali rossi, gialli e arancioni (circa 600) contenuti in molti vegetali e nei tessuti di animali che si cibano di tali vegetali. Sono operativi nei confronti dei perossidi e dell 1 O 2. Essendo lipofili, entrano nei meccanismi di protezione delle lipoproteine esposte alla perossidazione lipidica.

34 Vengono suddivisi in xantofille (contenenti ossigeno) e caroteni (non contenenti ossigeno): I più noti sono: -β-carotene (precursore della vitamina A) -licopene che si ritrova nel pomodoro e nel cocomero - astaxantina, una xantofilla presente nei crostacei marini e in un alga - luteina, una xantofilla che si ritrova nei fiori di Tagetes, spinaci, cavolo e carota.

35 Polifenoli Sono un ampia ed eterogenea classe di composti derivati dal metabolismo secondario delle piante. Sono derivati ciclici del benzene sostituiti con uno o più gruppi idrossilici. Comprendono molecole sia semplici, come gli acidi fenolici, oppure chimicamente trasformati, come i flavonoidi e gli stilbeni. Sono efficaci scavenger nei confronti dei radicali liberi, possono agire come riducenti e chelanti di metalli. acidi fenolici I flavonoidi e gli stilbeni, come gli acidi fenolici, sono contenuti nella frutta, in molti vegetali e in bevande come il tè, il vino e il caffè. flavonoidi stilbeni

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37 Protezione antiossidante: visione d insieme Sostanze antiossidanti

38 Anche molte piante aromatiche, come rosmarino, salvia, menta, erba cipollina ed origano contengono composti antiossidanti. La santoreggia (Satureja montana), grazie ai derivati fenolici timolo e carvacrolo, contenuti nell olio essenziale, espleta attività antiossidante di lipo-protezione. Il cavolfiore (Brassica oleracea) contiene nelle parti tenere flavonoidi (canferolo e derivati della quercetina) e acidi idrossicinnamici, tutti a marcata attività antiossidante.

39 La corteccia di pino marittimo (Pinus pinaster) fornisce un estratto ricco in flavonoidi e acidi fenolici idrosolubili. Accanto all'attività antiossidante, l'estratto di pino marittimo è caratterizzato da marcate proprietà antiinfiammatorie e capillaroprotettrici. Della cannella (Cinnamomum zeylanicum), oltre la marcata attività antimicrobica e antifungina, dovuta in particolare al suo contenuto in cinnamaldeide (componente principale dell olio essenziale), è da ricordare l elevata attività antiossidante. L olio essenziale di geranio (Pelargonium graveolens) è attivo soprattutto quale inibitore della lipoperossidazione, grazie probabilmente alla presenza di citronellolo e geraniolo. Largamente utilizzato quale antiossidante è l estratto dell alga verde Haematococcus pluvialis. Contiene astaxantina, che agisce neutralizzando i radicali perossidi e favorisce nel contempo l attività degli altri antiossidanti presenti, ad esempio vitamina C.

40 Edelweiss o stella alpina (Leontopodium alpinum) contiene molte sostanze dotate di attività antiossidante: acidi fenolici (caffeico, clorogenico, vanillico), derivati cumarinici e, soprattutto, acido leontopodico. Ai numerosi derivati flavonoidici (quercitrina, isoquercitrina, ecc.) presente nelle bacche di mirtillo (Vaccinium myrtillus) è ascritta una significativa azione che ostacola la perossidazione lipidica, sia catturando i radicali liberi, sia inibendo l enzima lipossigenasi.

41 Il frutto dell acai (Euterpe oleracea), una pianta dell Amazzonia di recente comparsa nella produzione cosmetica, contiene una dose elevata di ingredienti attivi ai fini antiossidanti, antocianidine, in particolare cianidina 3-glucoside. Si ritiene che esplichi una funzione antiossidante superiore a quella dell uva rossa. Le bacche di goji (Lycium barbarum), frutti di un arbusto spontaneo di origine tibetana, vantano diversi pregi nutrizionali. Sono da tempi immemorabili un elemento essenziale della medicina tradizionale cinese e, più in generale, del territorio asiatico. Contengono una discreta quantità di vitamine, in particolare di tocoferoli (vitamina E), carotenoidi (pro-vitamina A) e acido ascorbico (vitamina C) e possono quindi considerarsi efficaci nella protezione dallo stress ossidativo.

42 L aronia è una pianta che sviluppa bacche poco conosciute in Italia, ma tipiche del Nord Europa, specialmente delle zone boschive umide. Contiene antiossidanti, polifenoli, sali minerali e vitamine in quantità 3 volte superiori rispetto ai mirtilli. Le bacche di aronia vengono utilizzate per preparare succhi, tisane, tinture e marmellate. Viene dalla Patagonia cilena uno dei frutti più ricchi di antiossidanti del mondo. Si tratta del maqui, conosciuto fin dall antichità come un elisir di lunga vita. Il maqui è ricco di un particolare tipo di antocianine, le delfinidine, che sono i più potenti tra i polifenoli: infatti, occorrerebbe bere 500 bicchieri di vino rosso per assumere la stessa quantità di delfinidine contenute in una capsula di estratto purificato di maqui. delfinidina

43 Antiossidanti nell industria alimentare Il processo di ossidazione è una delle cause più comuni e frequenti di alterazioni, anche sostanziali, del colore, dell'aroma, della consistenza, del gusto e del contenuto nutrizionale degli alimenti, durante i processi di produzione, distribuzione e preparazione degli stessi. Gli antiossidanti hanno la funzione di impedire o interrompere il processo ossidativo, prolungando significativamente la shelf-life dei cibi ed agendo di conseguenza come conservanti. Gli antiossidanti primari sono composti riducenti che si ossidano al posto dell'alimento, reagendo loro stessi con i radicali liberi e convertendoli in composti più stabili (un esempio è dato dalla vitamina E). I secondari, invece, sono composti in grado di ridurre gli antiossidanti primari dopo che questi hanno reagito con i radicali liberi, ripristinandoli e facendo in modo che continuino a svolgere la loro funzione (un esempio è dato dalla vitamina C nei confronti della E).

44 Antiossidanti nell industria alimentare Naturali. A questa categoria appartengono le vitamine C ed E. Quando è possibile farlo, si cerca di privilegiare questo tipo di antiossidanti, che sono considerati i più sicuri. Ampiamente studiati, hanno svariate proprietà benefiche sull organismo, intervenendo in molteplici processi metabolici. I tocoferoli (vitamina E) vengono utilizzati soprattutto per la conservazione di oli, grassi, insaccati. L acido ascorbico (vitamina C) viene addizionato a bibite e succhi di frutta. Natural-identici. Sono ottenuti per sintesi chimica copiando la formula di quelli naturali. Sono composti economicamente meno costosi. Un esempio è la sintesi chimica dell acido ascorbico (vitamina C), procedimento complesso che prevede molti passaggi chimici che partono dal D-glucosio. Gli antiossidanti naturali o natural-identici hanno una vita breve, pertanto nei cibi a lunga e lunghissima conservazione si predilige l'uso di antiossidanti sintetici. Sintetici. Sono antiossidanti che non esistono in natura. Necessitano di essere sottoposti ad un processo di valutazione della sicurezza prima di essere autorizzati per l'uso alimentare. I più utilizzati sono butilidrossianisolo (BHA), butilidrossitoluene (BHT) e propil gallato.

45 In Europa la valutazione della sicurezza viene effettuata dall'agenzia per la Sicurezza Alimentare (EFSA), e a livello internazionale dal Comitato congiunto di esperti sugli additivi alimentari (JECFA - Joint Expert Committee on Food Additives) dell'organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura (FAO) e dell Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS). Gli additivi autorizzati a livello europeo sono contrassegnati da una sigla numerica preceduta dalla lettera E (antiossidanti: E300-E340 circa). E300-E305 acido ascorbico e derivati E306-E309 tocoferolo e derivati E310-E312 gallati E320 BHA E321 BHT

46 Il BHA (Butilidrossianisolo) e il BHT (butilidrossitoluene) sono chimicamente fenoli alchilati. Si presentano come polvere bianca, poco solubile in acqua e solubile in solventi organici. Sono entrambi antiossidante primari, cioè donatori di idrogeno che agiscono interrompendo la reazione a catena innescata dai radicali liberi che porta alla degradazione degli acidi grassi. In virtù di questa proprietà il BHA e il BHT sono in grado di prevenire l irrancidimento degli oli vegetali. Sono utilizzati in salse, zuppe, carne disidratata e condimenti. Sono anche utilizzati in un ampia gamma di formulazioni cosmetiche come antiossidanti per prevenire la formazione di radicali liberi nei lipidi insaturi. Vengono impiegati in concentrazioni variabili comprese tra 0,0002% e 0,5%. Il Cosmetic Ingredient Review (CIR) ha stabilito dei limiti di dosaggio per questa sostanze (0,5% max) a causa del loro dubbio profilo tossicologico e del potenziale potere irritante su cute e mucose. BHT BHA

47 Il propil gallato è un additivo antiossidante sintetizzato a partire da propanolo ed acido gallico (molecole che si riformano nell intestino durante il processo degradativo). Viene utilizzato in alcuni prodotti grassi a cui viene aggiunto per prevenirne la rancidità. Questo additivo è anche utilizzato ampiamente nei cosmetici.

48 Sintesi del propil gallato (E310) Reagenti M.M. / g mol -1 n / mmol quantità equivalenti acido gallico 170,12 2, mg 1 eq H 2 SO 4 98% / / 3 gocce catalitico Solvente n-propanolo: 3 ml / [1 M] Mettere a scaldare il bagno ad olio alla temperatura di 105 C. Nel frattempo, pesare l acido gallico direttamente in un pallone da 50 ml, aggiungere n-propanolo e, sotto agitazione, tre gocce di acido solforico: la sospensione così formata viene tenuta sotto agitazione a riflusso.

49 Trascorsi 45 min (per ottenere una resa migliore, aumentare il tempo di reazione (4-6 h)) a riflusso, lasciar raffreddare a temperatura ambiente (usare un bagno a ghiaccio, se necessario), diluire la miscela di reazione con acetato di etile (10 ml) ed aggiungere una soluzione acquosa satura di bicarbonato di sodio (10 ml). Lasciare sotto agitazione per qualche minuto, poi trasferire il sistema bifasico nell imbuto separatore, lavando il pallone con altri 10 ml di acetato di etile e ed altri 10 ml di soluzione acquosa satura di bicarbonato di sodio. Separate le fasi, lavare una volta la fase organica con una soluzione acquosa satura di cloruro di sodio (20 ml). Raccogliere la fase organica in una beuta ed anidrificarla con solfato di sodio (quanto basta): filtrare la miscela su cotone o carta da filtro, raccogliendo la soluzione filtrata in un pallone da 50 ml, e lavare con acetato di etile (circa 5 ml) il solfato di sodio raccolto sul filtro. Portare a secco il solvente raccolto nel pallone e calcolare la resa di reazione (circa 40%, con 45 min di riscaldamento). Eventualmente, è possibile aggiungere dell esano per provocare la precipitazione del prodotto come solido bianco, poi evaporare bene a secco il solvente.

50 Verificare la purezza del prodotto mediante TLC, deponendo sulla lastrina l acido gallico (R), il propil gallato appena sintetizzato (P) e la loro sovrapposta (S).

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