دانلود مقاله آنتی اکسیدان ها

-1- تاریخچه

آنتی‌اکسیدان‌ها احتمالاً خیلی پیش از آن که در تاریخ ثبت شوند برای نگهداری چربی‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در زمان‌های پیش از تاریخ گیاهان علفی و ادویه‌جات نه تنها برای طعم بخشیدن به غذا بلکه به واسطه خواص ضدعفونی و حفاظت‌کنندگی خود به کار می‌رفتند. اولین بار برتولت (1797) و پس از آن داوی (1817) گزارش کردند که برخی ترکیبات معین موجب کندی عمل واکنش‌‌کننده‌های اکسیداتیو می‌شوند. شاید اولین گزارش درباره استفاده از آنتی‌اکسیدان‌ها در چربی‌ها مربوط به دسچامیس (1834) باشد. وی مشاهده نمود که صمغ بنزوئین و عصاره درخت صنوبر قادر هستند فساد پمادهای ساخته شده با چربی خوک را کند نمایند. در نیمه قرن نوزدهم چورئوول ادعا کرد که چوب بلوط یک عامل ضدخشکی برای روغن بذر کتان است زیرا وی مشاهده کرده بود که روغن بذر کتان در ظروفی از جنس چوب بلوط بسیار کندتر از سایر سطوح طبیعی خشک می‌شود.

رایت (1852) مشاهده نمود که بومیان آمریکا در دره اوهایو از پوست نوعی درخت نارون برای محافظت چربی خرس استفاده می‌کردند. او دریافت که نارون در نگهداری کره هم مؤثر است. 30 سال بعد پوست نارون به عنوان یک ماده آنتی‌اکسیدان به ثبت رسید.

دانش و اطلاعات امروزی در مورد خواص شیمیایی در جهت جلوگیری از تجزیه اکسیداتیو روغن‌ها و چربی‌ها با مطالعات کلاسیک مورئو و دووفرایز آغاز گردید. ضمن جنگ جهانی اول و کمی پس از آن این محققان بیش از 500 ترکیب را برای فعالیت آنتی‌اکسیدان مورد آزمایش قرار دارند. این تحقیقات پایه‌ای و اهمیت گسترده اکسیداسیون در کلیه عملکردهای صنعتی موجب شکل گرفتن زمینه‌های تحقیقی در مورد افزودنی‌های شیمیایی تنظیم‌کننده اکسیداسیون شده است و این جستجو و تحقیق هنوز در حال پیشرفت است (79).

1-2- اکسیداسیون روغن‌ ها و چربی‌ ها

1-2-1-اتواکسیداسیون

اتواکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها از طریق یک مکانیسم رادیکال آزاد خودتکثیری روی می‌دهد. بر اساس نظریه فارمر و بولاند[1] واکنش زنجیره‌ای رادیکالی اتواکسیداسیون اسیدهای چرب غیراشباع از 4 مرحله : آغازی، انتشار، شکست هیدروپراکسیدها و پایانی تشکیل شده است (55). از آن جا که واکنش مستقیم اسیدهای چرب غیراشباع از نظر ترمودینامیکی دشوار است، تولید اولین رادیکال‌های لازم برای شروع واکنش از طریق تخریب هیدروپراکسیدهای از پیش تشکیل شده، کاتالیزورهای فلزی، حرارت، تابش نور و یا مکانیسم‌هایی که با کمک اکسیژن یک تابی صورت می‌گیرد، انجام می‌پذیرد. رادیکال اسید چرب از طریق جدا شدن هیدروژن از کربن تا آلفا متیلتیک[2] در مولکول اسید چرب حاصل می‌شود.

به دنبال این مرحله اکسیژن به رادیکال اسید چرب حمله کرده، تولید رادیکال پراکسی می‌کند که این رادیکال‌ها مشابه با رادیکال آلکوکسی، هیدروژن را از گروه‌های آلفامتیلنیک دیگر مولکول‌های سوبسترا می‌گیرند و هیدروپراکسید و رادیکال‌های جدیدی از اسید چرب تولید کرده، باعث گسترش و انتشار اکسیداسیون می‌شوند.

LH: اسید چرب

L: رادیکال اسید چرب (الکیل)

LO: رادیکال آلکوکسی

LOO: رادیکال پراکسی

:LOOH هیدروپراکسید

به خاطر پایداری رزونانس رادیکال‌ های اسید چرب، واکنش با جا به جایی در موقعیت پیوندهای مضاعف همراهی می‌شود که منجر به تشکیل ایزومرهای هیدروپراکسید می‌شود (95). در حضور فلزات نادر یا حرارت پیوند اکسیژن- اکسیژن در هیدروپراکسید می‌شکند و به این ترتیب رادیکال‌های هیدروکسی و آلکوکسی تولید می‌شوند. شکست همولیتیکی[3] در هر طرف از گروه‌های آلکیل منجر به تشکیل فرآورده‌های مخصوصی می‌شود. رادیکال‌های وینیلیک[4] که از شکست هیدروپراکسید به وجود می‌آیند با رادیکال‌های هیدروکسی واکنش کرده، تولید    1-انول‌ها[5] را می‌نمایند که در نتیجه عمل توتومریزاسیون[6] به آلدئیدهای مربوطه تبدیل می‌شوند.

رادیکال‌های آزاد حد وسطی که در واکنش‌های قبل تولید می‌شوند می‌توانند از راه‌های مختلف واکنش کرده، ترکیبات دیمر، پلیمر و حلقوی را ایجاد کنند. این واکنش‌ها شامل ترکیب رادیکال‌های آلکیل با سایر رادیکال‌های آلکیل و یا رادیکال‌های آلکوکسی و اضافه شدن رادیکال‌های آزاد به پیوندهای مضاعف می‌باشند.

هیدروپراکسیدها به دلیل دارا بودن نقطه ذوب بالا و وزن مولکولی زیاد غیرفرار هستند، در نتیجه فاقد هرگونه طعم و بویی می‌باشند بنابراین در مرحله تولید آنها فساد روغن و چربی مشخص نمی‌شود، اما ترکیبات حاصل از تجزیه آنها فرار و عامل ایجاد طعم و بوی فساد هستند. این ترکیبات در درجه اول شامل مشتقات دارای گروه کربونیل (آلدئید و کتون‌ها) و در درجه دوم هیدروکربن‌هایی نظیر آلکان‌ها، آلکین‌ها، آلکیل فوران‌ها و الکل‌ها می‌باشند (58).

شکل 1-1- چگونگی تشکیل محصولات ثانویه اکسیداسیون (آلدئیدها، کتون‌ها و الکل‌ها) از هیدروپراکسیدها.

1-2-2- فتواکسیداسیون

فتواکسیداسیون یا اکسیداسیون حساس شده به نور در مواد غذایی اساساً از طریق مکانیسم زیر انجام می‌شود.

در این مکانیسم 1S که یک حساس‌کننده[7] نظیر کلروفیل است انرژی ماوراء بنفش را جذب کرده، برانگیخته می‌شود. حساس‌کننده برانگیخته شده می‌تواند به حساس‌کننده بنیادی یا یک‌تایی تبدیل شود و یا این که انرژی خود را به مولکول پایه اکسیژن که به فرم سه‌گانه (3O2) می‌باشد منتقل کرده، تولید اکسیژن یک‌تایی کند  (47).

اکسیژن یک‌تایی که به شدت الکتروفیل است می‌تواند به طور مستقیم به اسیدهای چرب غیراشباع حمله کند و به خاطر چگالی الکترونی بالای پیوندهای مضاعف، تولید رادیکال پراکسی  و نهایتاً هیدروپراکسید  بنماید.

مشخص شده که اکسیژن یک‌تایی 1000 تا 1500 بار سریع‌تر از اکسیژن سه‌تایی واکنش می‌کند (86). به این ترتیب در مقایسه با اتواکسیداسیون، فتواکسیداسیون واکنشی بسیار سریع‌تر است. هم‌چنین مکانیسم اکسیداسیون از نظر نوع و مقدار هیدروپراکسیدهای حاصله متفاوت می‌باشد. (شکل 1-2).

شکل 1-2- تفاوت هیدروپراکسیدهای حاصل از اتواکسیداسیون و فتواکسیداسیون اسیدلینولئیک.

این فتواکسیداسیون که به فتواکسیداسیون نوع دوم معروف است توسط غیرفعال‌کننده‌های نور از جمله کاروتنوئید‌ها[8] کند یا متوقف می‌شود. این ترکیبات مانع از انتقال انرژی نور به مولکول‌های حساس‌کننده می‌شوند.

در نوع دیگر فتواکسیداسیون که به فتواکسیداسیون نوع اول معروف است، حساس‌کننده بعد از تحریک شدن توسط نور مستقیماً با اسید چرب واکنش داده، رادیکال آزاد آن را به وجود می‌آورد که در صورت حضور اکسیژن در محیط، مشابه با اتواکسیداسیون، تولید هیدروپراکسید می‌کند. ترکیبات آنتی‌اکسیدان قادر به تأخیر یا توقف این نوع از فتواکسیداسیون می‌باشند (89 و 2).

1-2-3- اکسیداسیون آنزیمی

آنزیم لیپوکسی ژناز[9] قادر به کاتالیز اکسیداسیون تعدادی از اسیدهای چرب غیراشباع به ویژه اسیدهای لینولئیک، لینولنیک و آراشیدونیک به هیدروپراکسیدهای مربوطه‌شان می‌باشد. برای فعال شدن آنزیم لیپوکسی ژناز ابتدا باید یون فرو (که در جایگاه فعال آنزیم قرار دارد) به یون فریک تبدیل شود، این عمل توسط یک مولکول هیدروپراکسید انجام می‌پذیرد.

مکانیسم عمل این آنزیم در شکل 1-3 مشخص شده است.

برخلاف واکنش‌های غیرآنزیمی که در انها پراکسیداسیون روغن‌ها و چربی ها به وسیله رادیکال آزاد میانجی‌گری می‌شود، واکنش لیپوکسی ژنازی از نظر ربایش اولیه هیدروژن و ورود بعدی اکسیژن دارای تخصص یافتگی شکلی و فضایی می‌باشد.

حداکثر سرعت واکنش اکسیداسیون توسط آنزیم لیپوکسی ژناز در دامنه حرکتی 20-0 درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد لذا در فرآیندهای حرارتی روغن، این آنزیم دناتوره و غیرفعال شده، در زمان نگهداری و مصرف مشکل‌ساز نخواهد بود. علاوه بر فعالیت آنزیم لیپوکسی ژناز، اکسیداسیون آنزیمی اسیدهای چرب از طریق اکسیژن فعال حاصل از واکنش آنزیماتیک نیز رخ می‌دهد. در این حالت اکسیژن منجر به تشکیل رادیکال‌های فعال و واکنش‌های زنجیره‌ای مشابه با اتواکسیداسیون می‌گردد (76 و 2).

1-3- پرواکسیدان‌ها [10]

پرواکسیدان‌ها ترکیباتی هستند که بر روی واکنش‌های مختلف اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها تأثیر گذاشته بر سرعت آنها می‌افزایند. شناسایی این فاکتورها در انتخاب مناسب‌ترین روش نگهداری مؤثر می‌باشد. مهم‌ترین پرواکسیدان‌ها عبارتند از:‌ دما، رطوبت، نور، یون‌ها فلزی، آنزیم‌ها و ترکیبات دارای هم. [11]

شکل 1-3- مکانیسم اکسیداسیون آنزیمی توسط لیپوکسی ژناز.

1-3-1- دما

همانند سایر واکنش‌های شیمیایی، با افزایش دما، سرعت اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها افزایش می‌یابد. به طور مثال در فرآورده‌های بوگیری شده به إزاء هر 15 درجه سانتی‌گراد (در دامنه 60- 20 درجه سانتی‌گراد) سرعت اکسیداسیون دو برابر می‌شود.

باید توجه داشت که تأثیر دما به ویژه بر روی اتواکسیداسیون می‌باشد و اثر چندانی بر فتواکسیداسیون ندارد. (سرعت اکسیداسیون به ازء افزایش هر 10 درجه سانتی‌گراد دو برابر می‌شود ).

افزایش دما بر سرعت تولید رادیکال‌های آزاد و تجزیه آنها می‌افزاد و مدت زمان لازم برای سپری شدن مرحله اکسیداسیون کند را کاهش می‌دهد. دما نه تنها بر سرعت اکسیداسیون بلکه بر مکانیسم واکنش نیز اثر می‌گذارد. در دماهای پایین، عمده‌ترین مکانیسم، واکنش‌های مربوط به تولید هیدروپراکسید می‌باشد. در این حالت، ترکیبات غیراشباع کاهش نمی‌یابند اما در دمای بالا به میزان قابل توجهی از بندهای مضاعف اشباع می‌گردند (81 و 55).

1-3-2- رطوبت

تإثیر فعالیت آب  بر روی سرعت اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها پیچیده است. سرعت اکسیداسیون در  حدود 3/0 به حداقل می‌رسد و در رطوبت‌های پایین‌تر و بالاتر از آن، سرعت واکنش افزایش می‌یابد. زمانی که رطوبت بسیار کم باشد، به دلیل هیدراسیون کمتر یون‌های فلزی، تماس با این یون‌ها با سوبسترا زیاد شده، سرعت اکسیداسیون افزایش می‌یابد. در  بیش از 3/0، آب آزاد موجود در روغن با انتقال پرواکسیدان‌ها موجب افزایش مجدد سرعت اکسیداسیون می‌گردد (2).

1-3-3- نور

نور انرژی لازم برای افزایش سرعت اکسیداسیون را تأمین می‌کند. آزمایش‌های مختلف نشان داده است که شدت و طول موج نور بر اکسیداسیون مؤثر است، به طوری که در ناحیه ماوراء بنفش، جذب انرژی به حداکثر خود رسیده، اکسیداسیون با سرعت و شدت زیادی پیشرفت می‌کند. به عبارت دیگر با کاهش طول موج، بر سرعت واکنش‌های اکسیداسیون افزوده می‌شود (2). این مطلب به خوبی در شکل 1-4 نشان داده شده است.

شکل 1-4- تأثیر طول موج نور بر سرعت واکنش‌های اکسیداسیون.

™: روغن آفتابگردان.  روغن بادام‌زمینی. :X روغن سویا. ¨: روغن سویای از قبل اکسیده شده که دوره القایی را پشت سر گذاشته است.

1-3-4- یون‌های فلزی

یون‌های فلزات سنگین کاتالیزورهای بسیار قوی در اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها می‌باشند. این یون‌ها هیدروپراکسید را به رادیکال آزاد تجزیه می‌کنند و در نتیجه واکنش‌های زنجیره‌ای رادیکالی اتواکسیداسیون را تسریع می‌نمایند. بنابراین شرط اصلی برای فعالیت آنها وجود هیدروپراکسیدها می‌باشد.

Men+ : یون فلزی

LOOH: هیدروپراکسیدها

روغن‌ها و چربی‌های تصفیه شده غالباً حاوی یون‌های فلزاتی مانند آهن، مس، منیزیم، کرم، نیکل، کبالت، روی و منگنز می‌باشند. حذف کامل این یون‌های غیراقتصادی است و به طور عمده ناشی از مواد خام، تجهیزات و دستگاه‌های فرآیند و حمل و نقل و مواد بسته‌بندی می‌باشند. تجمع یون‌های فلزات سنگین از عمر انبارداری روغن‌ها و چربی‌ها می‌کاهد. حداکثر غلظت مجاز این ترکیبات بستگی به نوع یون فلزی و اسید چرب دارد. در روغن‌های خوراکی واجد اسید لینولئیک (آفتابگردان و جوانه ذرت) حداکثر غلظت مجاز برای آهن و مس به ترتیب 03/0 و 01/0 پی‌پی‌ام می‌باشد در حالی که این مقادیر برای روغن‌های دارای اسید اولئیک 5 پی پی ام است.

فلزات سنگین علاوه بر واکنش با هیدروپراکسیدها می‌توانند با مولکول اسیدچرب نیز به صورت معادله زیر واکنش کرده، رادیکال آزاد اسید چرب را به وجود آورند. (اگرچه این مکانیسم برای شروع اتواکسیداسیون اهمیت چندانی ندارد).

زمانی که فلز به ظرفیت کمتر خود تبدیل شود (چه در واکنش با هیدروپراکسید و چه با اسید چرب) قادر است با اکسیژن ترکیب شده، کمپلکس‌های تولیدکننده یک‌تایی را به وجود آورد که از این طریق نیز موجب اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها می‌شود (55 و 2).

1-3-5- آنزیم‌ها و ترکیبات دارای هم

این ترکیبات که شامل لیپوکسی ژناز، پراکسیداز[12]، کاتالاز[13]، سیتوکرومC[14]، سیتوکروم P450[15]، هموگلوبین[16] و میوگلوبین[17] هستند، علاوه بر بخش پروتئینی در ساختار غیرپروتئینی خود دارای هم می‌باشند. در اثر خرد شدن دانه‌های روغنی و استخراج روغن به کمک حلال و یا در اثر دناتوره شدن حرارتی، پیوندهای فلزی شکسته شده، اتم هم آن آزاد می‌گردد و در واکنش‌های تجزیه هیدروپراکسید شرکت می‌کند، به این ترتیب سرعت اکسیداسیون را افزایش می‌دهد. بررسی‌های انجام شده بر روی سرعت پراکسیداسیون اسید لینولئیک در خصوص پراکسیداز و حرارت‌های مختلف نشان داده است که با افزایش دما (بیش از 50 درجه سانتی‌گراد) از فعالیت آنزیم کاسته می‌شود، اما بر سرعت پراکسیداسیون اسید لینولئیک افزوده می‌شود. سرعت اکسیداسیون در دماهای بالا، با دناتوره شدن کامل آنزیم فوق‌العاده افزایش می‌یابد. برخلاف پراکسیداز، آنزیم لیپوکسی ژناز تا زمانی که دناتوره نشده باشد، فعال‌ترین آنزیم در پراکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها محسوب می‌شود (55 و 2).

1-4- روش‌های جلوگیری از اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها

به طور کلی روش‌های جلوگیری از اکسیداسیون روغن‌ها و چربی‌ها را می‌توان تحت عناوین زیر بررسی نمود:

1- بهینه‌سازی شرایط فرآیند به طوری که تا حد امکان عوامل پرواکسیدانی نظیر یون‌های فلزی، اکسیژن و رطوبت در فرآیند تولید محصول دخالت نداشته باشد.

2- بهینه‌سازی شرایط بسته‌بندی و نگهداری محصول که عمدتاً شامل حذف اثر پرواکسیدانی حرارت و نور می‌باشد. گرچه در خصوص بازدارندگی از اثر نامطلوب اکسیژن می‌توان به کاربرد روش‌هایی از قبیل بسته‌بندی در خلاء انجماد و استفاده از آنزیم گلوکز اکسیداز[18] اشاره نمود، اما از آنجا که اعمال این روش‌ها برای حذف کامل اکسیژن عملی نمی‌باشد و از دیدگاه اقتصادی نیز مقرون به صرفه نیستند، کاربرد چنین روش‌هایی توصیه نمی‌گردد.

3- افزودن آنتی‌ اکسیدان‌ها، که اغلب برای روغن‌ های گیاهی به کار می‌رود و روش بسیار مؤثری در جلوگیری از اکسیداسیون می‌باشد.

4- هیدروژنه کردن روغن‌های گیاهی که بر این اساس باندهای مضاعف موجود در اسید های چرب به صورت اشباع درآمده، به این تریب اکسیداسیون دشوار می‌گردد (77 و 41).