Antioxidant activity and calcium binding of isomeric hydroxybenzoates

同分異構(gòu)體羥基苯甲酸鹽的抗氧化活性和鈣結(jié)合

來(lái)源：Journal of Food and Drug Analysis 26 (2018) 591-598

 

論文總結(jié)

研究了三種異構(gòu)羥基苯甲酸酯（2-、3-和4-羥基苯甲酸酯）與鈣離子的結(jié)合能力、抗氧化活性及其相互作用。以下從摘要、研究目的、研究思路、測(cè)量數(shù)據(jù)及意義、結(jié)論等方面進(jìn)行總結(jié)，并詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的意義。

一、論文摘要

研究通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定了羥基苯甲酸酯與鈣的結(jié)合常數(shù)（K_ass），發(fā)現(xiàn)2-異構(gòu)體（水楊酸鹽）結(jié)合最強(qiáng)（K_ass = 280 mol/L），而3-和4-異構(gòu)體結(jié)合較弱（K_ass ≈ 7-8 mol/L）。熱力學(xué)參數(shù)顯示結(jié)合為放熱過(guò)程。在甲基亞油酸乳液氧化模型中，3-和4-異構(gòu)體抗氧化性優(yōu)于2-異構(gòu)體，但鈣的存在降低其抗氧化效率。電子自旋共振（ESR）顯示所有異構(gòu)體在Fenton反應(yīng)中促進(jìn)自由基形成，表現(xiàn)為促氧化。鈣水楊酸鹽溶解度低（K_sp = 4.49×10^-6）。研究表明食品中的鈣可通過(guò)絡(luò)合或沉淀降低植物酚的抗氧化活性。

二、研究目的

 

評(píng)估鈣與植物酚的相互作用：植物酚（如羥基苯甲酸酯）是重要抗氧化劑，但與非氧化活性金屬（如鈣）的相互作用對(duì)其功能的影響尚不明確。

揭示結(jié)構(gòu)效應(yīng)：比較三種異構(gòu)體在鈣結(jié)合和抗氧化活性上的差異，探討羥基位置的影響。

開發(fā)方法學(xué)：建立定量測(cè)量鈣結(jié)合和抗氧化活性的方法，為復(fù)雜多酚研究提供基礎(chǔ)。

 

環(huán)境與健康啟示：鈣在食品（如乳制品-植物組合）中可能影響酚類生物利用度和食品穩(wěn)定性，相關(guān)于營(yíng)養(yǎng)和氧化穩(wěn)定性。

 

背景基于植物酚在食品和健康中的重要性，以及鈣廣泛存在于食品體系，但二者相互作用的研究較少。

三、研究思路

研究采用多學(xué)科實(shí)驗(yàn)方法：

 

鈣結(jié)合測(cè)定：使用鈣離子選擇電極，在0.16 M NaCl、不同溫度（0°C、10°C、25°C）下測(cè)量游離鈣濃度，計(jì)算結(jié)合常數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)（ΔH°、ΔS°）。

抗氧化活性評(píng)估：通過(guò)甲基亞油酸乳液氧化模型，使用Unisense微呼吸系統(tǒng)監(jiān)測(cè)氧消耗率，計(jì)算抗氧化指數(shù)。

促氧化效應(yīng)檢測(cè)：ESR光譜結(jié)合Fenton反應(yīng)（Fe2?/H?O?），使用POBN自旋捕獲劑量化自由基形成。

溶解度測(cè)定：EDTA滴定飽和鈣水楊酸鹽溶液，計(jì)算溶解度積（K_sp）。

 

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合van't Hoff圖分析溫度依賴性，關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（如螯合效應(yīng)）、鍵解離能（BDE）和功能。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及研究意義

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義及來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均標(biāo)注自原文圖/表）：

 

鈣結(jié)合常數(shù)與熱力學(xué)參數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Table 1）：

 

數(shù)據(jù)：2-羥基苯甲酸酯K_ass = 280 mol/L（25°C），ΔH° = -51 kJ/mol，ΔS° = -122 J/mol·K；3-和4-異構(gòu)體K_ass ≈ 7-8 mol/L，ΔH°分別為-39和-51 kJ/mol。

 

研究意義：2-異構(gòu)體結(jié)合最強(qiáng)歸因于螯合效應(yīng)（酚羥基與羧酸鹽協(xié)同），如Fig. 1所示；溫度升高降低K_ass，表明結(jié)合為放熱過(guò)程。這解釋了鈣對(duì)抗氧化活性的差異化影響。

 

van't Hoff圖（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2）：

 

數(shù)據(jù)：ln K_ass與1/T呈線性關(guān)系，斜率用于計(jì)算ΔH°和ΔS°。

 

研究意義：驗(yàn)證結(jié)合過(guò)程的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)；2-和4-異構(gòu)體ΔH°更負(fù)，但4-異構(gòu)體ΔS°負(fù)值更大（-155 J/mol·K），表明熵減抑制結(jié)合。

 

氧消耗率與抗氧化指數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 3和Table 2）：

 

 

數(shù)據(jù)：無(wú)鈣時(shí)，氧消耗率最低為4-異構(gòu)體（0.14 μmol/L·s），抗氧化指數(shù)為0.48（對(duì)照為0.30 μmol/L·s）；鈣存在時(shí)，2-異構(gòu)體指數(shù)從0.59升至0.71。

 

研究意義：3-和4-異構(gòu)體抗氧化性更強(qiáng)，因BDE較低（383-392 kJ/mol），利于氫原子轉(zhuǎn)移；鈣削弱抗氧化性，尤其對(duì)2-異構(gòu)體（結(jié)合強(qiáng)），如Fig. 3顯示鈣加速氧化。

 

促氧化效應(yīng)（ESR數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)來(lái)自Table 3）：

 

數(shù)據(jù)：IESR為負(fù)值（如4-異構(gòu)體在0.090 mol/L時(shí)為-85%），表明自由基形成增加。

 

研究意義：羥基苯甲酸酯通過(guò)還原Fe3?促進(jìn)Fenton反應(yīng)，導(dǎo)致促氧化，這可能影響食品消化中的氧化應(yīng)激。

 

鈣水楊酸鹽溶解度（數(shù)據(jù)來(lái)自Table 4和Fig. 4）：

 

 

數(shù)據(jù)：K_sp = 4.49×10??（25°C），ΔH° = 67 kJ/mol，ΔS° = 123 J/mol·K。

 

研究意義：溶解為吸熱過(guò)程，鈣鹽沉淀可能進(jìn)一步降低酚類生物利用度，如Fig. 4的van't Hoff圖所示。

 

所有數(shù)據(jù)通過(guò)三重重復(fù)驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)顯著。

五、研究結(jié)論

 

鈣結(jié)合能力差異：2-羥基苯甲酸酯因螯合效應(yīng)結(jié)合最強(qiáng)，3-和4-異構(gòu)體結(jié)合弱。

抗氧化性排序：3- ≈ 4- > 2-異構(gòu)體，反比于BDE；鈣存在降低抗氧化效率，尤其對(duì)2-異構(gòu)體。

促氧化行為：所有異構(gòu)體在Fenton反應(yīng)中促進(jìn)自由基形成，可能抵消其抗氧化益處。

 

實(shí)際啟示：食品中的鈣可通過(guò)絡(luò)合或沉淀降低植物酚的抗氧化活性和生物利用度，影響食品穩(wěn)定性和營(yíng)養(yǎng)。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)有什么研究意義

丹麥Unisense電極（具體為Unisense微呼吸系統(tǒng)，結(jié)合Clark型氧電極）在本研究中用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲基亞油酸乳液氧化過(guò)程中的氧消耗率，其研究意義如下：

 

高精度實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)：

 

技術(shù)描述：Unisense系統(tǒng)采用70 μL測(cè)量池，無(wú)頂空設(shè)計(jì)，Clark電極以10秒間隔記錄氧濃度變化（從初始[O?] = 2.6×10?? mol/L），計(jì)算氧消耗率（V(O?) = -斜率 × [O?]_initial × 10?/100）。

數(shù)據(jù)應(yīng)用：如Fig. 3所示，直接獲取氧消耗曲線（80%-40%氧濃度線性區(qū)），用于計(jì)算抗氧化指數(shù)（抗氧化指數(shù) = 有抗氧化劑時(shí)氧消耗率 / 無(wú)抗氧化劑時(shí)氧消耗率）。

 

研究意義：提供氧化動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)、定量數(shù)據(jù)，避免傳統(tǒng)終點(diǎn)法的誤差；高靈敏度可檢測(cè)微小變化（如鈣的輕微抑制效應(yīng)），增強(qiáng)結(jié)果可靠性。

 

直接評(píng)估抗氧化效率：

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：氧消耗率對(duì)應(yīng)脂質(zhì)過(guò)氧化傳播階段，抗氧化劑通過(guò)清除過(guò)氧自由基（ROO·）減緩氧化；Unisense數(shù)據(jù)直接顯示異構(gòu)體差異（Table 2），如4-異構(gòu)體V(O?)最低（0.14 μmol/L·s），證實(shí)其高效抗氧化。

 

研究意義：將鈣結(jié)合數(shù)據(jù)（Table 1）與功能性抗氧化活性鏈接，揭示鈣通過(guò)削弱自由基清除能力降低抗氧化性；方法優(yōu)于化學(xué)法，更貼近食品真實(shí)氧化環(huán)境。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與環(huán)境應(yīng)用：

 

微量化與高通量：小體積樣品（70 μL）減少試劑消耗，適合篩選多種酚類；熱穩(wěn)定控制（25.0°C）模擬食品儲(chǔ)存條件。

 

研究意義：為復(fù)雜食品體系（如乳-植物混合物）的氧化穩(wěn)定性研究提供模板；可擴(kuò)展至其他抗氧化劑或金屬相互作用研究。

 

比較與驗(yàn)證：

 

輔助數(shù)據(jù)：Unisense數(shù)據(jù)與ESR結(jié)果（Table 3）互補(bǔ)：氧消耗反映抗氧化階段，ESR揭示促氧化 initiation階段，全面評(píng)估酚類雙重角色。

 

研究意義：突出Unisense在區(qū)分氧化階段中的價(jià)值，避免單方法偏見；支持多角度機(jī)制闡釋。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)是量化抗氧化活性的核心，通過(guò)實(shí)時(shí)、高精度氧監(jiān)測(cè)，它直接驗(yàn)證了鈣對(duì)酚類抗氧化性的抑制效應(yīng)，并將結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系（如BDE與活性關(guān)聯(lián)）轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)證據(jù)。這強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)傳感技術(shù)在食品科學(xué)中的重要性，尤其用于預(yù)測(cè)成分相互作用對(duì)食品質(zhì)量和健康的影響。