Antioxidant activity and calcium binding of isomeric hydroxybenzoates

同分異構體羥基苯甲酸鹽的抗氧化活性和鈣結合

來源：Journal of Food and Drug Analysis 26 (2018) 591-598

 

論文總結

研究了三種異構羥基苯甲酸酯（2-、3-和4-羥基苯甲酸酯）與鈣離子的結合能力、抗氧化活性及其相互作用。以下從摘要、研究目的、研究思路、測量數據及意義、結論等方面進行總結，并詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的意義。

一、論文摘要

研究通過電化學方法測定了羥基苯甲酸酯與鈣的結合常數（K_ass），發現2-異構體（水楊酸鹽）結合最強（K_ass = 280 mol/L），而3-和4-異構體結合較弱（K_ass ≈ 7-8 mol/L）。熱力學參數顯示結合為放熱過程。在甲基亞油酸乳液氧化模型中，3-和4-異構體抗氧化性優于2-異構體，但鈣的存在降低其抗氧化效率。電子自旋共振（ESR）顯示所有異構體在Fenton反應中促進自由基形成，表現為促氧化。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絡合或沉淀降低植物酚的抗氧化活性。

二、研究目的

 

評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）的相互作用對其功能的影響尚不明確。

揭示結構效應：比較三種異構體在鈣結合和抗氧化活性上的差異，探討羥基位置的影響。

開發方法學：建立定量測量鈣結合和抗氧化活性的方法，為復雜多酚研究提供基礎。

 

環境與健康啟示：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定性，相關于營養和氧化穩定性。

 

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

研究采用多學科實驗方法：

 

鈣結合測定：使用鈣離子選擇電極，在0.16 M NaCl、不同溫度（0°C、10°C、25°C）下測量游離鈣濃度，計算結合常數和熱力學參數（ΔH°、ΔS°）。

抗氧化活性評估：通過甲基亞油酸乳液氧化模型，使用Unisense微呼吸系統監測氧消耗率，計算抗氧化指數。

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

溶解度測定：EDTA滴定飽和鈣水楊酸鹽溶液，計算溶解度積（K_sp）。

 

數據分析：結合van't Hoff圖分析溫度依賴性，關聯結構（如螯合效應）、鍵解離能（BDE）和功能。

 

四、測量數據、來源及研究意義

研究測量了多維度數據，其意義及來源如下（數據均標注自原文圖/表）：

 

鈣結合常數與熱力學參數（數據來自Table 1）：

 

數據：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-異構體K_ass ≈ 7-8 mol/L，ΔH°分別為-39和-51 kJ/mol。

 

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

 

van't Hoff圖（數據來自Fig. 2）：

 

數據：ln K_ass與1/T呈線性關系，斜率用于計算ΔH°和ΔS°。

 

研究意義：驗證結合過程的熱力學驅動；2-和4-異構體ΔH°更負，但4-異構體ΔS°負值更大（-155 J/mol·K），表明熵減抑制結合。

 

氧消耗率與抗氧化指數（數據來自Fig. 3和Table 2）：

 

 

數據：無鈣時，氧消耗率最低為4-異構體（0.14 μmol/L·s），抗氧化指數為0.48（對照為0.30 μmol/L·s）；鈣存在時，2-異構體指數從0.59升至0.71。

 

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

 

促氧化效應（ESR數據）（數據來自Table 3）：

 

數據：IESR為負值（如4-異構體在0.090 mol/L時為-85%），表明自由基形成增加。

 

研究意義：羥基苯甲酸酯通過還原Fe3?促進Fenton反應，導致促氧化，這可能影響食品消化中的氧化應激。

 

鈣水楊酸鹽溶解度（數據來自Table 4和Fig. 4）：

 

 

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

 

研究意義：溶解為吸熱過程，鈣鹽沉淀可能進一步降低酚類生物利用度，如Fig. 4的van't Hoff圖所示。

 

所有數據通過三重重復驗證，統計顯著。

五、研究結論

 

鈣結合能力差異：2-羥基苯甲酸酯因螯合效應結合最強，3-和4-異構體結合弱。

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

促氧化行為：所有異構體在Fenton反應中促進自由基形成，可能抵消其抗氧化益處。

 

實際啟示：食品中的鈣可通過絡合或沉淀降低植物酚的抗氧化活性和生物利用度，影響食品穩定性和營養。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

丹麥Unisense電極（具體為Unisense微呼吸系統，結合Clark型氧電極）在本研究中用于實時監測甲基亞油酸乳液氧化過程中的氧消耗率，其研究意義如下：

 

高精度實時動力學監測：

 

技術描述：Unisense系統采用70 μL測量池，無頂空設計，Clark電極以10秒間隔記錄氧濃度變化（從初始[O?] = 2.6×10?? mol/L），計算氧消耗率（V(O?) = -斜率 × [O?]_initial × 10?/100）。

數據應用：如Fig. 3所示，直接獲取氧消耗曲線（80%-40%氧濃度線性區），用于計算抗氧化指數（抗氧化指數 = 有抗氧化劑時氧消耗率 / 無抗氧化劑時氧消耗率）。

 

研究意義：提供氧化動力學的實時、定量數據，避免傳統終點法的誤差；高靈敏度可檢測微小變化（如鈣的輕微抑制效應），增強結果可靠性。

 

直接評估抗氧化效率：

 

機制關聯：氧消耗率對應脂質過氧化傳播階段，抗氧化劑通過清除過氧自由基（ROO·）減緩氧化；Unisense數據直接顯示異構體差異（Table 2），如4-異構體V(O?)最低（0.14 μmol/L·s），證實其高效抗氧化。

 

研究意義：將鈣結合數據（Table 1）與功能性抗氧化活性鏈接，揭示鈣通過削弱自由基清除能力降低抗氧化性；方法優于化學法，更貼近食品真實氧化環境。

 

技術優勢與環境應用：

 

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；熱穩定控制（25.0°C）模擬食品儲存條件。

 

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

 

比較與驗證：

 

輔助數據：Unisense數據與ESR結果（Table 3）互補：氧消耗反映抗氧化階段，ESR揭示促氧化 initiation階段，全面評估酚類雙重角色。

 

研究意義：突出Unisense在區分氧化階段中的價值，避免單方法偏見；支持多角度機制闡釋。

 

總之，Unisense電極數據是量化抗氧化活性的核心，通過實時、高精度氧監測，它直接驗證了鈣對酚類抗氧化性的抑制效應，并將結構-功能關系（如BDE與活性關聯）轉化為動力學證據。這強調了先進傳感技術在食品科學中的重要性，尤其用于預測成分相互作用對食品質量和健康的影響。