способ определения суммарной антиоксидантной активности

Формула изобретения

1. Способ определения суммарной антиоксидантной активности растительного сырья и пищевых продуктов на его основе, включающий взаимодействие аналита с реагентом, аскорбиновой кислоты с реагентом, с последующим расчетом величины суммарной антиоксидантной активности по уравнению количественного соответствия между исследуемым объектом и аскорбиновой кислотой, отличающийся тем, что в качестве реагента используют раствор железа (III) - о-фенантролин с концентрациями 0,006 М и 0,01 М соответственно, который добавляют в аналит в соотношении 1:100, инкубируют не менее 90 мин и фотометрируют с последующим расчетом зависимости аналитического сигнала от количества вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фотометрирование осуществляют при 510±20 нм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет суммарной антиоксидантной активности осуществляют по формуле

где а, в - коэффициенты в уравнении регрессии для зависимости аналитического сигнала от количества аскорбиновой кислоты;

а', в' - коэффициенты в уравнении регрессии для зависимости аналитического сигнала от количества исследуемого объекта;

х_вос - масса исследуемого восстановителя (образца), мг.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано при определении суммарной антиоксидантной активности (АОА) растительного сырья и пищевых продуктов на его основе.

Известен кулонометрический способ определения суммарной АОА чая, основанный на взаимодействии водных экстрактов продукта с электрогенерируемыми соединениями брома (И.Ф.Абдулин, Е.Н.Турова, Г.К.Будников Кулонометрическая оценка антиоксидантной способности экстрактов чая электрогенерируемым бромом // Журн. аналит. химии. 2001. Т.56. № 6. С.627-629). Выбор в качестве титранта электрогенерированных соединений брома обусловлен их способностью вступать в различные реакции: радикальные, окислительно-восстановительные, электрофильного замещения и присоединения по кратным связям. Это позволяет охватить широкий круг биологически активных соединений чая, обладающих антиоксидантными свойствами. Недостатками способа являются возможность протекания реакции бромирования с веществами, не являющимися антиоксидантами, и выражение получаемой величины суммарной АОА в единицах количества электричества (кКл/100 г), что затрудняет оценку получаемых результатов.

Известен вольтамперометрический способ определения суммарной антиоксидантной активности по относительному изменению тока электровосстановления кислорода в интервале потенциалов от 0,0 до -0,6 В (отн. насыщ. х.с.э.) на ртутно-пленочном электроде (Пат. 2224997, Россия, МПК⁷ G 01 N 33/01. Вольтамперометрический способ определения суммарной активности антиоксидантов / Короткова Е.И., Карбаинов Ю.А. - № 2002115232/12; заявл. 06.06.2002; опубл. 27.02.2004). Недостаток способа - в протекании побочных электрохимических реакций, в результате которых снижается эффективность определения антиоксидантов, что ведет к снижению достоверности результатов.

Известен способ контроля суммарной АОА профилактических и лечебных антиоксидантных средств по перекисному окислению липидов до малонового альдегида с спектрофотометрическим или хемилюминесцентным детектированием (Пат. 2182706, Россия, МПК⁷ G 01 N 33/15, 33/52. Способ контроля антиокислительной активности профилактических и лечебных антиоксидантных средств / Павлюченко И.И., Басов А.А., Федосов С.Р. - № 2001101389/14; заявл. 15.01.2001; опубл. 20.05.2002). При этом антиоксидантная активность обратно пропорциональна уровню продуктов перекисного окисления липидов. Недостатком данного способа можно считать ограниченный круг анализируемых объектов, так как в данных условиях определяются антиоксиданты только одной группы - липиды.

Известен способ определения суммарной АОА экстракта растений, заключающийся в инкубации экстракта с линетолом и сульфатом железа (II), инициировании реакции окисления УФ-облучением и последующем взаимодействии с тиобарбитуровой кислотой в присутствии тритона Х-100 (Заявка 97111917/13, Россия, МПК⁶ G 01 N 33/00. Способ определения общей антиокислительной активности / Рогожин В.В. - Заявл. 08.07.1997; опубл. 10.06.1999). При проведении спектрофотометрирования используется смесь этанола с хлороформом в соотношении 7:3. Значение АОА биологического материала определяют по отношению накопления продукта реакции - малонового диальдегида в пробе, содержащей экстракт, к пробе с прооксидантом. Недостаток способа заключается в возможности протекания побочных реакций при УФ-облучении, что снижает достоверность получаемых результатов анализа.

Перечисленные способы определения суммарной АОА имеют ряд недостатков: высокая трудоемкость, малая достоверность, измеренная величина суммарной АОА не отнесена и не сравнима с каким-либо общепринятым веществом.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ определения суммарной АОА лекарственных растений измерением хемилюминесценции, возникающей при реакции с люминолом в присутствии окислителя пероксида водорода (М.Х.Навас, А.М.Химинец, А.Г.Асуэро Определение восстановительной способности настоек семени канарского канареечника методом хемилюминесценции // Журн. аналит. химии. 2004. Т.59. № 1. С.84-86). Для количественной оценки суммарной АОА сравнивали восстановительную способность экстракта лекарственного сырья и активность сильнодействующего антиоксиданта - аскорбиновой кислоты в количестве 25-110 мкг. По сравнению с перечисленными способами в прототипе в качестве окислителя применяют пероксид водорода, взаимодействующий с широким кругом антиоксидантов, и измеренная величина суммарной АОА объекта определяется и выражается относительно аскорбиновой кислоты, являющейся общепринятым антиоксидантом, что позволяет получать достоверные результаты при сохранении остальных недостатков. К недостаткам также следует отнести и сложность применяемого в способе оборудования.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка менее трудоемкого и достоверного способа определения суммарной антиоксидантной активности растительного сырья и пищевых продуктов на его основе.

Для решения технической задачи предлагается взаимодействие аналита с реагентом 0,006 М Fe(III) - 0,01 М о-фенантролин, и аскорбиновой кислоты (АК) с таким же реагентом, который добавляют в соотношении 1:100, инкубируют не менее 90 мин, фотометрируют при 510±20 нм с последующим установлением зависимости величины аналитического сигнала от количества вещества и расчетом величины суммарной АОА. В частности, расчет можно осуществить по формуле (I), выведенной из уравнения количественного соответствия между исследуемым объектом и аскорбиновой кислотой:

где а, в - коэффициенты в уравнении регрессии для зависимости аналитического сигнала от количества АК;

а', в' - коэффициенты в уравнении регрессии для зависимости аналитического сигнала от количества исследуемого объекта;

х_вос. - масса исследуемого восстановителя (образца), мг.

Использование предлагаемого реагента в указанных условиях позволило расширить линейный диапазон и снизить нижнюю границу определяемых количеств аскорбиновой кислоты. Предлагаемая совокупность существенных признаков позволяет определять суммарную АОА широкого круга растительного сырья и пищевых продуктов на его основе.

Уравнения количественного соответствия связывает зависимость аналитического сигнала от количества аскорбиновой кислоты и зависимость аналитического сигнала от количества исследуемого объекта при условии равной антиоксидантной активности.

После обработки результатов фотометрических измерений величины аналитического сигнала методом наименьших квадратов (К.Дерффель Статистика в аналитической химии. - М.: «Мир», 1994. С.164-169; А.К.Чарыков Математическая обработка результатов химического анализа - Л.: Химия, 1984. С.137-144) указанные зависимости были описаны линейной регрессионной функцией: y=ax+b, где а - коэффициент регрессии, b - свободный член. Коэффициент а в уравнении регрессии равен тангенсу угла наклона прямой к оси х; коэффициент b - расстоянию по оси у от начала координат (0,0) до первой точки (x₁ , y₁).

Коэффициенты а и b рассчитываются по формулам:

Уравнение регрессии для зависимости АС от количества аскорбиновой кислоты в данный момент времени имеет вид:

у_АК=а·х_АК(мг)+b,

уравнение регрессии для зависимости АС от количества исследуемого объекта (восстановителя):

у_ВОСТ=а'·х_ВОСТ(мг)+b',

где у_АК, у_ВОСТ - оптическая плотность фотометрируемого раствора;

х_АК(мг), х_ВОСТ (мг) - концентрация аскорбиновой кислоты (восстановителя) в растворе;

тогда, приравнивая значения функций, получаем формулу (I) для расчета антиоксидантной активности исследуемого объекта в единицах количества (мг) аскорбиновой кислоты.

На чертеже отражена зависимость аналитического сигнала от количества восстановителя.

Измерение оптической плотности анализируемых растворов проводили на фотоэлектроколориметре КФК-2МП.

Известно (Ф.Умланд, А.Ясин, Д.Тирик, Г.Вюнш Комплексные соединения в аналитической химии - М.: Мир, 1975. - 531 с.), что о-фенантролин образует с железом(II) растворимый в воде хелат красно-оранжевого цвета, который характеризуется максимумом поглощения при =512 нм. Поэтому в предлагаемом способе фотометрирование проводят при =510±20 нм.

Оптимизацию состава реагента и его количества, вводимого в реакцию, проводили на основании результатов многофакторного планирования эксперимента методом «Латинского квадрата», которое заключалось в изменении в каждом опыте всех изучаемых факторов, причем каждый уровень каждого фактора только один раз встречается с различными уровнями других факторов. Это позволяет выделить и оценить эффект, вызываемый каждым изучаемым фактором в отдельности.

В качестве факторов выступали: количества Fe(III), о-фенантролина и объем реагента, вводимого в реакцию. Совокупность факторов должна обеспечивать широкий диапазон линейности аналитического сигнала (АС) при достаточной чувствительности, с одной стороны, и устойчивости реагента во времени, с другой. Это позволило для каждого фактора выделить следующие уровни:

количество Fe(III): 0,003 М (A₁ ); 0,006 М (А₂); 0,009 М (А₃);

количество о-фенантролина: 0,01 M (B₁); 0,02 М (В₂ ); 0,03 М (В₃);

объем реагента: 0,5 мл (C ₁); 1,0 мл (С₂); 2,0 мл (С₃) (таблица 1).

Для выбора оптимальной комбинации уровней факторов получали градуировочные зависимости АС от количества аскорбиновой кислоты в диапазоне от 10 до 150 мкг (что необходимо для подтверждения линейности функции), рассчитывали уравнение регрессии полученной зависимости, а затем величину АС при заданном количестве (120 мкг) аскорбиновой кислоты. Таким образом, для каждого состава реагента (факторы А, В) был подобран объем (фактор С), при котором значение АС максимально. Это позволило сократить число рассматриваемых комбинаций до девяти (таблица 2).

Таблица 2 Планирование эксперимента методом «Латинского квадрата» (этап II)
А1В 1С2*	A 2B1C2*	А3В1 С2*
0,324**	0,380**	0,362**
A1B 2C2*	A 2B2C1*	А3В2 С1*
0,295**	0,321**	0,335**
А1В 3С3*	А 2В3С1*	А3В3 С1*
0,285**	0,290**	0,296**
* комбинация уровней факторов; ** значение величины максимального АС при данной комбинации уровней факторов.

Сравнивая, суммарный АС для каждого уровня выделили суммы, имеющие максимальное значение: A₂ (0,991); B₁ (1,066); C₂ (1,361). Это позволило заключить, что оптимальным является реагент состава: 0,006 М Fe(III) - 0,01 М о-фенантролина при его объеме, вводимом в реакцию, 1,0 мл на 100 мл раствора.

При оптимальной концентрации реагента изучили изменение зависимости АС от концентрации аскорбиновой кислоты и некоторых восстановителей, распространенных в природных объектах (танин, рутин, кверцетин), при различном времени инкубирования реакционной смеси (30, 60, 90, 120 мин). Было установлено, что для всех изучаемых восстановителей зависимость АС от их содержания линейна в диапазоне 10-150 мкг (см. чертеж) и величина АС зависит от времени инкубирования (таблица 3).

Из чертежа видно, что изменение АС под действием рутина незначительно, танина приближается, а кверцетина превосходит аналогичную зависимость для аскорбиновой кислоты. При рассмотрении изменения АС от времени инкубирования для всех изучаемых восстановителей (таблица 3) установлено, что стабилизация аналитического сигнала во времени наблюдается от 90 минут.

Таблица 3 Изменение АС восстановителей во времени
Исследуемое вещество	m вещества, мг/см3	Аналитический сигнал
		Время инкубирования реакционной смеси, мин
		30	60	90	120
Аскорбиновая кислота	10	0,038	0,042	0,044	0,044
	100	0,340	0,352	0,360	0,363
Танин	10	0,029	0,037	0,042	0,043
	100	0,280	0,295	0,303	0,308
Рутин	10	0,013	0,016	0,019	0,019
	100	0,150	0,166	0,172	0,175
Кверцетин	10	0,031	0,044	0,051	0,053
	100	0,420	0,431	0,438	0,442

Для доказательства суммирующего характера определяемой величины АОА было изучено влияние реагента Fe (III) - о-фенантролин на модельные растворы, в состав которых входили восстановители: танин, рутин, кверцетин и аскорбиновая кислота в различных соотношениях. В таблице 4 представлены результаты анализа модельных смесей.

Таблица 4 Результаты анализа модельных смесей (Р=0,95; n=3)
Количество компонентов в смеси								Суммарная АОА, рассчитано, мкгАК	Суммарная АОА, найдено, мкгАК
введено				в пересчете на АК
АК	Танин	Рутин	Кверцетин	АК	Танин	Рутин	Кверцетин
-	20	20	20	-	16,77	9,56	32,73	59,06	57,08
-	10	10	10	-	8,35	4,77	16,41	29,53	26,95
-	50	10	10	-	42,02	4,77	16,41	63,20	55,04
-	10	50	10	-	8,35	23,93	16,41	48,69	50,06
-	10	10	50	-	8,35	4,77	81,70	94,82	91,61
-	30	10	10	-	25,19	4,77	16,41	46,37	39,24
-	10	30	30	-	8,35	14,35	49,06	71,76	73,47
20	20	20	20	20	16,77	9,56	32,73	79,06	96,29
50	10	10	10	50	8,35	4,77	16,41	87,95	93,07
10	50	10	10	10	42,02	4,77	16,41	73,20	78,15
10	10	50	10	10	8,35	23,93	16,41	58,69	78,74
10	10	10	50	10	8,35	4,77	81,70	104,82	121,45
30	30	10	10	30	25,19	4,77	16,41	76,37	84,59
10	10	30	30	10	8,35	14,35	49,06	81,76	103,31

Расчет теоретической величины суммарной АОА проводили по уравнениям количественного соответствия, характеризующим антиоксидантную способность исследуемого восстановителя по отношению к аскорбиновой кислоте, при условиях равной антиоксидантной активности: .

Величину экспериментальной (найденной) АОА рассчитывали по усредненному уравнению регрессии для зависимости АС от количества аскорбиновой кислоты. Из результатов, представленных в таблице 4, видно, что экспериментально полученные величины АОА удовлетворительно согласуются с теоретически рассчитанными.

Таким образом, определяемая величина АОА является суммарным показателем, а определение ее величины с использованием уравнений количественного соответствия является правильным.

Предлагаемый способ апробирован на реальных образцах. Для определения суммарной АОА реального образца или его экстракта получали градуировочные зависимости АС от количества аналита и аскорбиновой кислоты при времени инкубирования реакционной смеси не менее 90 минут. Расчет суммарной АОА проводили по формуле (I) и выражали в мг аскорбиновой кислоты на грамм исследуемого объекта (мгАК/г).

Для подтверждения правильности предлагаемого способа эти образцы испытывали по известным методикам, оценивая содержание аскорбиновой кислоты (ГОСТ 24556-89 Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витамина С) и преобладающих восстановителей: в чае - танина (ГОСТ 19885-74 Чай. Методы определения содержания танина и кофеина), в плодах шиповника - сумму органических кислот (ГОСТ 1994-93 Плоды шиповника. Технические условия) (таблица 5).

Таблица 5 Результаты анализа реальных образцов
Образец	Определение известным способом		Определение предлагаемым способом
	содержание преобладающего восстановителя, мг/г	содержание аскорбиновой кислоты, мг/г	суммарная АОАср, мгАК/г
Чай «Dilmah»	82	0,5	87,3
Плоды шиповника	39	2,1	44,2

Как видно, суммарное содержание восстановителей, определенных по известным методикам, и суммарная АОА, полученная по предлагаемому способу, удовлетворительно согласуются.

Заявляемый способ по сравнению с прототипом менее трудоемок, более достоверен, не требует сложного оборудования и позволяет анализировать различные объекты в широком диапазоне величины суммарной АОА.