Betalainele

3 .PROPRIETATILE FUNCTIONALE ALE BETALAINELOR IN NDUSTRIA ALIMENTARA.

3.1 Functiile betalainelor

3.2 Structura betacianinelor si betaxantinelor

3.3 Utilizarea betalainelor

3.4Modificarea betalainelor

3.5.Betalainele din secla rosie. (Beta vulgaris L)

INTRODUCERE

În ultimii ani interesul pentru coloranții naturali a crescut datorită lipsei toxicității, a biodegradabilității lor sporite, puterii tinctoriale ridicate și a impactului pozitiv asupra organismului. Coloranții naturali sunt antioxidanți nutriționali iar prezența lor în dietă poate reduce riscul apariției bolilor cardiovasculare, a celor asociate cu îmbătrânirea și a cancerului putând fi utilizați drept subtituienții coloranților sintetici din industria alimentară și farmaceutică. Coloranții naturali prezintă următoarele dezavantaje: preț de cost ridicat și stabilitate redusă. Datorită procesării au loc numeroase modificări ale coloranților naturali [Longinova si colab,2011].

Importanța betalainelor a crescut în industria alimentară din momentul din care s-a demonstrat că prezintă proprietăți antioxidante; ei se utilizează ca aditivi și în medicamente sau produse cosmetice datorită proprietăților lor naturale colorante netoxice. Betalainele sunt pigmenții majoritari din sfecla roșie, definiți din punct de vedere chimic ca fiind derivați ai acidului betalamic [Butera si colab, 2002].

Înainte de a fi consumată, sfecla este în general procesată lucru care afectează stabilitatea pigmenților modificându-le accesibilitatea. Coloranții din sfeclă se folosesc sub formă concentrată (evaporarea sucului) sau sub formă de pulbere, aceasta din urmă fiind mai stabilă datorită stării de degradare mai scăzute.

Cu toate că antocianii sunt cei mai răspândiți și utilizați pigmenți naturali din domeniul roșu-violet, betalainele sunt stabile pe un domeniul scăzut al pH-ului, domeniu în care antocianii de obicei nu pot fi utilizați. Din cauza stabilității scăzute în apă carotenoidele (galbene, portocalii) pot fi înlocuite în unele produse cu betalainele (galbene). Dacă extractele portocalii care conțin pigmenți betalainici sunt încălzite, intensitatea culorii scade treptat și în final se pierde, lungimea de undă la care absorb scade treptat de la 538 nm la 475, fiind dependente de timpul de încălzire.

BETALAINELE

GENERALITĂȚI

Numele de “betalaină” are originea din latinescul nume al sfeclei comune (Beta vulgaris), din care acestea au fost pentru prima oară extrasa.

Importanța betalainelor a crescut în ultimii 40 de ani, însă majoritatea studiilor s-au realizat în ultimii 10 ani în domenii precum apectele dezvoltării fitochimice, tehnologice și nutritive. Fata de celelalte clase de pigmenți (carotenoide, clorofile și antociani) betalainele au fost studiate mai puțin. Între anii 1960-1970 au fost studiate intens datorită proprietăților fitochimice (Italia, Germania, Elveția), iar in intervalul 1970-1980 au fost studiate din punct de vedere nutritiv și tehnologic (USA). Din 1990 studiile s-au îndreptat spre aspecte de biosinteză.

Betalainele sunt pigmenți care contin azot și se găsesc în concentrațiile cele mai ridicate în sfecla roșie. Betalainele difera din punct de vedere chimic și structural fata de antociani (nu conțin azot) și nu se găsesc împreună în aceeași plantă. Dezavantajul principal al betalainelor este reprezentat de rezistența scăzută a variațiile de temperatură (mai ales la pigmenții purificați).

Cantitatea de betalaine gasita in sfecla roșie variază în limite foarte largi aproximandu-se la 120 mg/kg produs proaspăt sau după parerea unor autori 100 mg/100 g preparat biologic proaspăt și 16-38 mg/100 g sfeclă conservată, 40-200 mg betanină/100 g sfeclă. În fructele de pădure, R.humilis, compoziția în betacianine și betaxantine este de 58-82 mg respectiv 35-38 mg / 100 g fructe proaspete.

STRUCTURA ȘI CLASIFICAREA BETALAINELOR

Betalainele sunt compuși heterociclici cu azot (în jur de 55) ce au ca și cromofor acidul betalamic (sistemul 1,7 – diazeheptanetinimic). In functie de structura lor chimica betalainele pot fi impartite în 2 clase (Fig.1.1, Fig. 1.2) [Chethana si colab 2007].

Betacianine – roșu- violete (glucozidele derivaților iminici care pot fi sau nu acilați)

Betaxantinele – galbene(amine sau derivați ai aminelor fără glicozilare sau acilare)

Raportul dintre betacianine si betaxantine se încadrează de obicei în domeniul 1-3 în funcție de specia de sfeclă, dar și de tehnologia de extracție.

Fig.1.1. Biosinteza betacianinelor si betaxantinelor

Fig. 1.2. Structura chimică a betaninelor în formă protonată

1.2.1. Betacianinele

Betacianinele sunt produșii care condenseaza acidul betalamic cu ciclo-DOPA (3,4-dihidroxifenilalanină – Fig 1.1) sau derivații săi ortoglicozidici extinzând rezonanța electronică spre inelul aromatic difenolic. Extraconjugarea aceasta duce la cresterea absorbției de la 480 nm (galben, betaxantine) la 540 nm (violet, betacianine). S-a evidentiat faptul că pot fi obținuți și prin procesul de esterificare a ortoglicozidelor cu unii acizi (ferulic, p-cumaric sau malonic). Betacianinele sunt derivate ale betanidinei, majoritatea de structuri obținându-se prin glicozilarea sau acilglicozilarea a una sau doua grupe hidroxil.

Betanina a fost prima betacianină caracterizată din punct de vedere structural și reprezintă 75-95% din totalul acestora. Structura betaninei a fost elucidată de Wilcox (Fig. 1.3). Prebetanina este structura de bază analizată din fructul P.americana (sulfat-6’-O-betanina) fiind considerata cea mai predominantă betacianină identificată împreună cu betanina și betanidina 5-O-[5”-O-E-ferurolil)-2’-O-β-D-apiofuranosil]-β-D-glucopiranozida. Structurile betacianinelor indica variații ale grupelor acil și părțile glucidice sau arata prezența unor specii de acil hidroxicinamic [Guesmi si colab, 2012].

Figura 1.3. Structura chimică a betaninei

S-au identificat de asemenea și structurile chimice ale altor betacianine conform Fig.1. 4.

Hilocerenina (3-hidroxi-3-metil-glutaril-izo-betanina)

Filocactina (malonil-izo-betanina)

Fig.1.4. Structurile chimice ale betacianinelor

1.2.2. Betaxantinele

Betaxantinele sunt compuși ai acidului betalamic de condensare cu amine sau aminoacizi (Fig.1.1) (tiramina și dopamina, sulfoxid metionina, acidului glutamic și ai acidului aspartic – proteinogenici/ neprotenogenici). Obtinerea acidului betalamic se face prin degradarea hidrolitică a betaninei. (Fig.1.5)

Fig. 1.5. Structura chimică a acidului betalamic

Betaxantinele pot fi gasite în mod natural într-un număr de 15, 5 dintre acestea prezentand florescență printre care și miraxantina V și vulgaxantina I. (Fig.1.6). Pentru a putea realiza determinarea cantitativa a betaxantinele se folosește HPLC cuplată cu detector florescent.

Indicaxantina este prima betaxantină identificată și caracterizată din pulpa cactușilor (Opuntia ficus indica), este biodisponibilă în organismul uman și prezintă activitate antioxidantă în numeroase medii biologice (Fig.1.6). Pigmenții reduc contractibilitatea mușchilor netezi din intestinul șoarecilor care nu implică canalele de potasiu sau de calciu, însă interferează căile de echilibrare intracelulară a calciului eliberat. Poate fi izolată cu ajutorul metanolului folosind ca metodă cromatografia lichidă si utilizând ca fază staționară Sephadex G-25.

Figura 1.6. Structura chimică a indicaxantinei, Vulgaxantina I (glutamin-betaxantina), MiraxantinaV(dopamina-betaxantina)

RĂSPÂNDIRE

Betalainele sunt raspandite în diferite părți ale plantelor, predominant în fructe sau flori, inclusiv în unele varietăți fluorescente de flori. Florescență este prezenta la toate florile in care se gasesc betalaine.

Principală sursa de betalaine este reprezentata de sfecla rosie, urmată de fructul de cactus. Betalainele din sfecla roșie au biodisponibilitatea scăzută (1%), în timp ce betalainele din cactus se caracterizează printr-o bioabsorbție mai crescuta si mai buna. Specia de cactus Hylocereus, pe lângă betanină, mai conține și filocactina și hilocerenina. De asemenea, pulpa fructului de cactus apartinand subfamiliei Cactoideae conține betacianine.

Betalainele se regăsesc în 13 specii ale familiei de plante Caryophylalle ca un răspuns la absența antocianilor din compoziția lor, florile speciei Mirabilis jalapa, unele specii de fungi, familiile de ciuperci Basidiomycota, Amanita, Hygrocibe, familia de plante Centrospermae, Amarantaceae, Nyctaginaceae, Aizoaceae, Basellaceae, Didieraceae, Phytolaccaceae și Portulaceae [Goncalves si colab 2012].

Ele pot fi regăsite în plante coexistând uneori cu antoxantinele (flavonoidele galbene-portocalii) dar niciodată cu antocianii. Plantele cu flori din familia Caryophylale produc mai mult betalaine și mai putin antociani, excepție fac familiile Caryophylaceae și Molluginaceae.

PROPRIETĂȚI FIZICO-CHIMICE

Betalainele au stabilitate inferioară fata de antociani, dar comparativ cu alți pigmenți din plante (flavonoidele, liganzi sau saponine) sunt mult mai fiind solubile în trei solvenți comuni: a etanol, metanol si apa.

Betalainele au efecte antimicrobiene, antivirale, de asemenea duc la inhibarea dezvoltării celulelor canceroase umane, avand si activitate antiinflamatorie, antimalarie și pot oferi protecție împotriva degenerării neuronilor. Betaxantinele prezintă o activitate mai mare de a neutraliza radicalii liberi, in vitro și in vivo.

Betalainele au o activitatea scăzută împotriva radicalilor liberi, însă aceasta poate fi ridicata prin obținerea un pH bazic. Activitatea antioxidantă în sfecla roșie este asociată cu implicarea antioxidanților în procesul de neutralizare a radicalilor liberi și se poate realiza și în cazul lipoproteinelor care au densitate scăzută, ceea ce duce la creșterea rezistenței la oxidare.

Activitatea antioxidantă a extractelor de betalaină se poate determina prin metoda DPPH. Fracțiunile de betacianine și betaxantine care se obțin (0,1 mL) se incubează 2 minute la temperatura de 25-27˚C cu 2 mL soluție metanolică de DPPH∙(100µmol/L). Standarde de acid galic ( 0,16-7,2µg/mL) și acid ascorbic (2,5-40µg/mL) se folosesc pentru a putea determina acitvitatea antioxidanta. In paralel s-a realizat o probă de lucru în care nu s-a adăugat extractul de pigmenți. Absorbanța se citește la 515 nm.

Activitate (%) = [1-( Aprobă/Acontrol)] x 100 sau

Activitate (%) = [(Acontrol-Aprobă)/Acontrol] x 100

Aminoacizi se condenseaza cu ciclo-DOPA, acest fenomen duce la obținerea agliconului betanidinic care de obicei condensează la randul lui cu glucoza și uneori cu acidul glucuronic ,dar poate fi schimbat în urma procesului de esterificare cu acizi alifatici sau aromatici [Nemzer si colab, 2011]. Reacțiile spontane si enzimatice care au loc în sfecla roșie sunt prezentate schematic în Fig.1.7.

Fig.1.7. Transformările betalainelor în sfecla roșie

FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ STABILITATEA BETALAINELOR

În timpul procesării, betalainele sunt eliberate din compartimentul lor protectiv fiind sensibile la urmatori factori precum: pH, activitatea apei, expunerea la lumină, oxigen, ioni metalici, temperatură, activitatea enzimatică și zaharuri. În lipsa unui domeniu optim de pH și temperatură, betalainele intra in degradare, fiind asociat cu scăderea intensității culorii, pierderea ei sau chiar închiderea la o culoare maronie datorită polimerizării. Toti factorii care influențează procesul de extracție, împiedică si cinetica reacției și duc la reducerea randamentului coloranților, de aceea sunt luați în considerare pentru a se obține culoarea dorită a unui produs finit.

Betainele se stabilizeaza în soluție prin adaos de antioxidanți (acid ascorbic, cisteina etc.). Acizii organici încetinesc degradarea betalainelor în timpul expunerii termice. Studiile sucului fructelor de pitaya arată că betalainele își cresc concentrația dacă acesta este păstrat la 4˚C timp de 72 h.După 24 h are loc regenerarea completa a betacianinei.Aproximativ 70% dintre betacianinele inițiale rămân intacte dacă se adaugă acid ascorbic, după ce sunt depozitate timp de 6 luni, la lumină sau întuneric,

Betaxantinele sunt mai stabile la pH=6 în timp ce pH-ul optim al betacianinelor depinde de cantitatea de acid organic adăugat. Stabilitatea cea mai bună este dată de acidul izoascorbic 0,1% la pH=4 și acid citric 0,1% la pH=6. Concentrația indicaxantinei crește la pH= 4 obținut prin adăugarea de acid izoascorbic 0,1%.

Factorul cel mai important pentru descompunerea betalainei este reprezentat de temperatura chiar dacă pH-ul este optim. Degradarea coloranților începe la temperaturi de peste 60˚C.

Se constată o puternică dependență a culorii soluțiilor apoase de coloranți betainici, de pH (Tabelul 1.1):

Tabelul 1.1. Dependența culorii soluțiilor de coloranți betainici de pH

Betacianinele prezintă activitate antioxidantă la ph scazut, însă la pH fiziologic activitatea scade la 20%. Contrar acestor informații activitatea antioxidantă crește odata cu marirea pH-ului datorită deprotonării la pH ridicat. Constantele de viteză ale degradării, în soluții tampon (accid-citric- fosfat trisodic) la pH 3,4,5,6 și 7 la 100˚C sunt 74, 51, 48, 79, 118 x 10-3 min-1. Rezultă că stabilitatea termică maximă o prezintă soluțiile de betanină la pH=4-5, permițând astfel precipitarea proteinelor/ substanțelor coloidale și pasteurizarea fără a mai necesita tratamente de sterilizare la temperaturi mai mici de 100˚C. Variabilitatea nuanței soluțiilor colorate cu betaină este determinata in mare masura de catre temperatura. Tratamentul termic timp de 5 ore la o temperatură de 30˚C duce la o degradarea minoră a coloranților în timp ce tratamentul termic timp de 1 h la o temperatură de 80˚C este suficient pentru a degrada complet a coloranți.

Solventul reprezintă un factor important în modificările structurale. Soluțiile etanolice promovează decarboxilarea la C17 în timp ce soluțiile apoase conduc la pierderea unei molecule de dioxid de carbon la atomul C2. Betalainele au fost extrase cu soluție de etanol 30, 50 și 70% și cu apă distilată. Deoarece conferă o stabilitate mai ridicată betalainelor, soluția de 50% etanol a fost găsită ca fiind cea mai potrivită pentru extracția acestora.

Procesarea în alimente include procese termice (microunde, fierbere, prăjire) sau procese non-termice (tratamentul în vid).

Procesarea cu microunde în condiții de temperatură înaltă conduce la creșterea conținutului în betaxantine la iradieri de 900 w, 1800 w timp de 30 secunde. Cu creșterea temperaturii, se mareste și conținutul în betacianine. Prin tratamentul de încălzire la 70˚C timp de 2 minute al extractului enzimele sunt inactivate,acesta fiind realizat astfel încât să fie evitată degradarea enzimatică a betalainelor. Acidifierea are un rol important in a îmbunătăți stabilitatea betacianinei și de a evita oxidarea de către polifenoloxidaze. In sfecla roșie se regasesc numeroase enzime endogene cum ar fii: β-gluozidaze, polifenoloxidaze și peroxidaze, care, dacă nu sunt inactivate corespunzător pot duce la degradarea betalainelor și la pierderi de culoare. Cantitatea de betaxantină crește cu 7% la iradierile cu 900 w aplicate timp de 30 de secunde și cu 19% la 1800w (Fig.1.8)

Fig.1.8. Conținutul de betacianine și betaxantine în urma tramentului cu microunde (BC-betacianină și Bx-betaxantină)

Tratamentul la vid include îndepărtarea oxigenului sau scăderea conținutului lui la nivele mai mici, prin urmare degradarea pigmenților scade. În comparație cu standardele, conținutul în betacianine crește cu 20% iar cel în betaxantine cu 12%.

Scăderea conținutului în betaxantine și betacianine este determinata de fierbere si prajire. La timpii crescători de fierbere 60, 120, 180 sec. Betacianinelor scad cantitativ cu 6%, 22% și 51% iar betaxantinele cu 18%, 23% și 33%.

După prăjirea timp de 5 minute continutul betaxantinei scade cu 7%.

Procesarea influențează de asemenea și activitatea antioxidantă. Fructele sau legumele procesate beneficiaza de o activitate mai mica in comparatie cu cele proaspete datorită degradării vitaminei C pe parcursul procesării. Însă studiile demonstreaza că datorită betalainelor, activitatea antioxidanta creste, ele având o activitatea mai ridicată decât a vitaminei C. Tratamentele extractelor conduc la o activitatea si extractibilitate mai ridicată. Variația activității antioxidante este prezentată în Fig.1.9.

Fig 1.9 Activitatea antioxidantă (metoda DPPH) a sfeclei roșii după fierbere și prăjire

Degradarea betaninei se poate face prin rupturi hidrolitice cedând precursorii ai acidului betalamic și 5-O-glucozida a ciclo-DOPA sau deglucozilare ce duc la formarea agliconul specific însoțită de un salt batocromic. Transformarea grupelor hidroxil (electrodonoare) în grupe carbonil (electroacceptoare) provoacă o deplasare hipsocromă a maximului de absorbție și schimbarea culorii betaninei de la rosu spre galben-portocaliu.Regenerarea betaninei este posibila prin recondensarea produselor de hidroliză asociată cu recuperarea culorii după depozitarea la rece a extractelor obținute la cald. După expunere termică, izomerizarea și decarboxilarea betaninei conduce la obținerea stereoizomerului izobetanina și 15-decarboxibetanina. Dehidrogenarea betacianinelor la C14 sau C15 duce la obținerea neocompușilor corespunzători cu colorație galbenă. Decarboxilarea la C17 sau C2 sau dehidrogenarea la C14, C15 schimba stabilitatea pigmenților (Fig. 1.10).

Fig 1. 10. Locuri posibile a decarboxilării (oval, linie punctată), dehidrogenării (pătrat, linie continuă îngroșată) și deglicozilării (cerc, linie-punct) în betacianine

În timp ce betanina hidrolizează la precursorii săi biosintetici asociat cu decolorarea, reacțiile de decarboxilare sau decarboxilare-dehidrogenare duc la obținerea hilocereninei (6’-O-[3’’-hidroxi-3’’-metil-glutaril]-betanina) asociate cu producerea compușilor roșii sau galbeni-portocalii cu stabilitate superioară. Filocactina (6’-O-malonil-betanina) se degradează la betanină și diferiți derivați galbeni și roși, decarboxilați sau dehidrogenați.La filocactina și hilocerenină ruperile hidrolitice se intalnesc mai rar. Decarboxilarea betacianinelor din alimente este mai evidentiata decât în soluția purificată în care apar ruperile hidrolitice.

Variația colorației betaxantinelor este destul de mică, iar schimbările provocate de încălzire sunt mai greu de înțeles. Izomerizarea componentului principal, indicaxantina, este indusă de expunerea termică. Formarea indicaxantinei are loc prin condensarea spontană a acidului betalamic la temperatură ridicată.

UTILIZĂRI

Utilizarea betalainelor sub forma de colorant alimentar (înghețata, iaurt, sosuri, jeleuri etc, deserturi reci, sucuri de fructe, milkshake-uri, gelatine, cofetării, alimente coapte) apare sub forma E-162 ( sau Cl Natural Red 33) si este aprobata de U.E. fiind obținut aproape în totalitate din sfecla roșie. FAO permite utilizarea cu anumite restricții (conținutul de arsen și plumb, calculat ca element, să nu depășească, corespunzător, 5 și 20 mg/kg).

In preparatele alimentare betalainele sunt folosite pe domeniul de pH 3-6, când culoarea lor râmâne aproximativ constantă. Biodisponibilitatea betalainelor este scăzută (0,5-0,37 %) însă aceasta se poate modifica în funcție de sursa alimentară.

Stabilizarea preparatelor alimentare se face cu guma arabică sau caramelul. Produsele stabilizate sunt utilizate in majoritatea caurilor pentru înlocuitorii de carne, cât și în cea farmaceutică și cosmetică. Sursele de betanină care sunt utilizate în colorarea alimentelor conțin și alte substanțe, sunt amestecuri de betanină și epimerul său izobetanina.

În industria farmaceutică este folosit fie ca un sirop roșu cu un continut de 1% betanină, fie ca pudră roșie, ce contine aproximativ 40% betaină.

Comparativ cu antocianii, betalainele au puterea tinctorială de 3 ori mai mare.

In dieta esentiala betaxantinele se pot utiliza drept sursa de aminoacizi. Indicaxantina poate fi folosita ca reglator al motilității intestinale în diferite tulburări, de exemplu: crampele abdominale.

Potențialul antioxidant al betalainelor indica un efect cu rol inhibitor asupra cancerului de piele, hepatic sau pulmonar la șoareci. Pulpa de catus nu este toxică, pigmenții conținuți nu produc reacții adeverse. Betalainele sunt capabile de marirea rezistenței lipoproteinelor cu densitate mica la oxidarea provovata de mieloperoxidază comportându-se ca un radical lipoperoxil. Betalainele asigura protectia celulelor endoteliale vasculare, care sunt atacate direct de stresul oxidativ indus de inflamații. Consumarea fructelor de cactus ce conțin betalaine influențează in mod pozitiv echilibrul redox al organismului, deoarece duce la micșorarea deteriorarii oxidative a lipidelor și la îmbunătățirea starii antioxidante la organismele sănătoase. În doze administrative de aproximativ (50-100 mg/kg) la șoareci, betalainele pot acoperi deficiențele cognitive și pot îmbunătăți activitatea enzimelor antioxidante în creier. Efectele betalainelor sunt mai evidentiate comparativ cu cele ale vitaminei C. Prin urmare betalainele se pot utiliza în tratamentul unor boli neurodegenerative[Stintzing si colab 2007] sau in terapia antiîmbătrânire.

Betalainele din sfecla roșie detin un potențial ridicat în ceea ce privește conversia energiei solare, fiind folosite la construirea celulelor solare sensibilizate cu pigmenți. Preferential indicaxantina se absoarbe pe filmul de TiO2, limitând absorbția betaninei care beneficiaza de proprietăți mai bune la lumină,dar acest lucru poate fi îmbunătățit prin intermediul tratamentului acid al dioxidului de titan facilitând absorbția datorită grupelor COO- ale molecule.

METODE MODERNE DE DETERMINARE A BETALAINELOR

METODE DE EXTRACȚIE

Izolarea structurilor betalainice interesante lor necesită proceduri laborioase și mari consumatoare de timp.

O metodă principala de izolare a pigmenților continuti de sfeclă constă în măcinarea acesteia, urmată de presare și filtrare. Prin evaporarea soluției se obtine o pulbere roșie. O altă categorie de metode propune extracția cu apă sau amestecuri alcool-apă.

O metodă simplă constă în extracția apoasă a colorantului. 20g de sfeclă proaspătă se curăță și mărunțește peste care se adaugă 20 mL de apă. Amestecul se încălzește 30 minute la 60˚C, apoi se centrifughează. Soluția se decantează, iar la sediment se adaugă 20 mL apă fierbinte, se amestecă și din nou se centrifughează. Procedeul se repetă inca o dată. Amestecul poate fi introdus de asemenea într-un balon de sticlă care se atașează unui refrigerent și se supune la încălzire timp de 2 ore pe baie de apă. După fierbere, amestecul obținut este răcit și filtrat.

Extracția betalainelor din fructe de pădure din sp. R. Humilis berries se face cu ajutorul apei, metanolului și a amestecului apă-metanol acidifiat cu 50 mmol/L acid ascorbic până în momentul în care maceratul își schimba de tot culoarea. Solvenții sunt evaporați iar cuntificarea betalainelor se face cu un spectrometru UV. Dacă un extract este supus evaporării rezultă o pulbere de culoare roșie, solubilă în apă.

O metodă modernă este extracția apoasă asistată în câmp electric a betalainelor din sfecla roșie. Schimbările de culoare se observă în Fig. 2.1. Schimbările valorilor conductivității se reflectă prin modificările concentrației coloranților.

Fig 2.1 Imaginea la microscop a țesuturilor de conducere din sfecla roșie înainte și

după extracția apoasă asistată în câmp electric

Zaharurile libere intalnite în extract cauzează fermentația extractului dar și caramelizarea pe parcursul procesării în alimente la temperaturi ridicate. Extracția în sistem apos bifazic (ATPE) este o metodă superioară în procesarea biomoleculelor. Extracția betalainelor în fază organică (Fig.2.2) s-a realizat folosind polietilenglicol cu diferite mase moleculare (1500, 4000, 6000). Cu creșterea masei moleculare se mareste și coeficientul de partiție al betalainelor, în timp ce coeficientul de partiție al zaharurilor rămâne la fel. Calculul coeficientului de partiție (K) pentru betalaine (cât și pentru zaharuri) se poate obtine cu ajutorul formulei: K = CT/CB, unde CT și CB = concentrațiile la echilibru ale betalainelor (zaharurilor) în faza superioară, respectiv faza inferioară.

Fig 2.2. Procedeul de obținere al betalainei sub formă de pudră

Proporția de betalaine din faza superioră (YT) se determină astfel:

VT și V1 = volumele fazei superioare și volumul extractul de sfeclă supus extracției

CT și C1 = concentrațiile betalainelor/zaharurilor din faza superioară a extractului

Betalainele sunt repartizate diferentiat între sărurile utilizate la ATPE folosind fosfat de potasiu, citrat de sodiu, sulfat de amoniu și sulfat de magneziu. În cazul fosfatului de potasiu, degradarea betalainelor a fost comparată cu extractul crud, acest lucru ducând la creșterea pH-ului sistemului (7,2). În cazul citratului de sodiu betalainele se degradeaza mai accelerat datorită pH-ului de 8 al sistemului. Betalainele au prezentat de asemenea o stabilitate mai mare în cazul celorlalte două săruri utilizate deoarece pH-ul sistemului a fost mai scăzut, 5.

Cu creșterea lungimii legăturii interfaciale crește si coeficientul de partiție al betalainelor dar scade cel al zaharurilor. Cu creșterea pH-ului, are loc repartizarea betalainelor în faza superioară, iar la un pH > 6 degradarea acestora crește.

Modificarea tipului și concentrației sării provoaca de obicei o diferență de potențial între cele două faze indusa de preferința unuia dintre ioni pentru una dintre cele două faze. Cu creșterea concentrației clorurii de sodiu, scade coeficientul de partiție al betalainelor ,aratand faptul că betalainele in faza inferioara sunt repartizate preferențial. Zaharurile prezente nu sunt influențate de concentrația clorurii de sodiu.

METODE DE SEPARARE

Purificarea colorantului este posibilă pe rășini schimbătoare de ioni sau prin electroforeza pe hârtie. Deoarece randamentele în pigmenți purificați sunt reduse, metodele menționate nu au importanță tehnologică.

2.2.1 Cromatografie cu permeație în gel (GPC)

Se pot utiliza ca faze staționare Sephadex G-25 (6 g) și Sephadex LH-20 (5 g). Ele sunt introduse în coloana cromatografică de sticlă peste care se trece apă deionizată. Eluția se realizează cu apă deionizată, care reprezintă faza mobilă, cu un debit de 2,2 mL/minut pentru prima fază staționară și 0,25 mL/minut pentru a doua fază staționară [Khan si colab, 2011].

2.2.2 Cromatografie cu fază normală (NPC)

Faza staționară, gelul de silice (15 g) cu solventul, un amestec binar metanol:apă (raport volumetric 8:2) și acid acetic, se introduce într-o coloană din sticlă. Eluția are loc cu același solvent cu un debit de 0,7 mL/minut. Gelul de silice nu se mai poate recupera [Khan si colab, 2012].

2.2.3 Cromatografia cu fază inversă (RPC)

Faza staționară o reprezintă silicagelul 90C18. Aceasta este introdusă în coloana cromatografică de sticlă și este condiționată cu metanol urmat de apă. Eluția are un debit de 0,3 mL/minut. După eluția completă, coloana se poate regenera prin spălarea de 6 ori cu metanol și apă. Acest lucru se realizează după fiecare eluție.

2.2.4 Cromatografie prin schimb ionic (IEX)

Ca faza staționară se foloseste agaroza (25 mL suspensie în etanol 20%) într-o coloană cromatografică din sticlă condiționată cu apă. Probele sunt spălate cu apă și eluate cu soluție de NaCl (0,1-0,5 M) cu un debit de 0,1 mL/minut. Curățarea se face cu soluție de NaCl iar condiționarea cu apă după fiecare eluție.

2.2.5 Cromatografia lichidă de înaltă performanță cu fază inversă (RP-HPLC)

Se poate realiza cu ajutorul unui sistem Waters 600 echipat cu un detector UV-Vis și coloană cromatografică C18, Jupiter-15). Gradienții au fost formați din doi solvenți care nu conțin heliu: solventul A este apă cu 1% acid acetic, solventul B 60% metanol/apă cu 1% acid acetic, cu un debit de 10 mL/minut. Probele se analizează cu ajutorul unui spectrometru la lungimea de undă de 254 nm. Prin această metodă se poate determina și izobetanina care are un timp de retenție de 0,3 minute.

Cromatografia de schimb ionic este cea mai bună metodă de separare a izobetaninei, însă durează un timp mai îndelungat, de aceea RP-HPLC este considerata cea mai reusita metodă datorită balanței dintre viteză și eficiență.

METODE DE DETERMINARE CANTITATIVĂ A BETALAINELOR

Determinarea cantitativă a betalainelor din sfecla roșie se face mai mereu pe cale spectrofotometrică. Alte metode includ separarea pigmenților individuali prin electroforeză; benzile rezultate pe electroforezograme sunt cuantificate, prin compararea picului obținut cu aria picului rezultat, la utilizarea unor soluții etalon. Studiile demonstreaza că betalainele sunt încărcate negativ și în timpul electroforezei se deplasează spre anod. Prin intermediul cromatografiei de lichide de înaltă performanță cuplată (fază mobilă: metanol-apă) cu detector de diode se pot evidentia degradările structurale ale pigmenților.

Raportarea betaxantinelor și betacianinelor se realizeaza de obicei ca și conținutul total de betalaine.

Intensitatea culorii pigmenților betalainici se poate măsura prin folosirea unui colorimetru.

Betalainele din cactusul din sp. Hylocereus se pot evidentia cu ajutorul cromatografiei gazoase cuplată cu spectrometru de masă, spectrometrie electrospray cu spectrometru de masă, HPLC și rezonanță magnetică nucleară cu izotopul 13C și 1H. În Tabelul 2.1 sunt prezentați compușii identificați în cactus. Pigmenții din H. Polyrhizus identificați sunt betacianine (betanina, filocactina și hilocerenina) dar și diastereoizomerii săi la C15. Datorită instabilității lor mici la pH acid, RMN utilizeaza apă deuterică pentru a stabiliza compuși betalainici [Wooton-Beard si colab,2011].

Tabelul 2.1. Speciile identificate prin spectrometrie din sp.Hylocereus

Compușii betalainici determinați din H.ocamponis prin HPLC cuplată cu spectrometria de masă sunt trecuți în Tabelul 2.2

Tabelul 2.2. Timpii de retenție și lungimile de undă la care absorb compușii betalainici identificați în specia H. Ocamponis

Betaxantinele fluorescente s-au determinat prin spectrometria cuplată cu detector de florescența. Betanina și betanidina (ambele betacianine) chiar dacă au atașate prin condensare părți ale acidului betalamic ele nu produc fluorescență. Maximul spectrului de excitație al miraxantinei III apare la 506 nm iar cel al spectrului de elimisie la 464, acest compus avand floresență puternică chiar și în mediu apos. Maximele de excitație și emisie pentru miraxantina II (betaxantina derivată de la acidul aspartic) sunt de 474 și 507 nm, pentru miraxantina V (betaxantina derivată de la dopamină) 465 și 512 nm, pentru vulgaxantina II (betaxantina derivată a acidului glutamic) 466 și 508 nm.

Condensarea cu o amină, transformă grupa aldehidică a acidului betalamic într-una iminică și duce la deplasarea spectrului de absorbție de la 420 (galben pai) la 480 nm (galben intens). Acest sistem prezent în betaxantine implică fluorescența. Când condensarea se face cu ciclo-DOPA, structura aromatică difenolică rezonează cu sistemul responsabil de fluorescență având loc trecerea de la 480 nm la 540 nm (violet). Fluorescența se pierde in acest caz. În concluzie, fenomele fluorescente prezente la betaxantine se datorează prezenței dublelelor legături din acidul betalamic însă numai când condesarea implică un atom de azot care să mareasca rezonanța sistemului datorită unei noi perechi de electroni.

BETANINA-PIGMENTUL BETACIANIN PURIFICAT DIN FRUCTE OPUNTIA FICUS INDUCE APOPTOZA IN LEUCEMIE-LINIA DE CELULE K562

Betalainele sunt pigmenti solubili in apa, prezenti in florile si fructele anumitor plante ce au proprietati antioxidante.In acest studiu, au fost analizate efectele antiproliferative ale betaninei, izolata din fructe de Opuntia ficus-indica,in tratarea celulelor K562 razpunzatoare de leucemie. Rezultatele au aratat o scadere e celulelor canceroase sub tratamentul cu betanina.

Datorita efectelor lor benefice asupra sanatatii umane produsele naturale castiga tot mai mult teren in medicina. Pigmentii naturali sunt o alta clasa de produse naturale care au necesitat o atentie considerabila, datorita proprietatilor lor antioxidante care produc efecte benefice asupra sanatatii. Carotenoidele si antocianii sunt pigmenti naturali care si-au demonstrat efectele benefice in sanatate. Alti pigmenti naturali folositi pe scara larga ca si coloranti alimentari sunt reprezentati de betalaine. Comparativ cu alti pigmenti naturali cum ar fi carotenoidele si antocianii, efectele betalainei nu au fost inca foarte bine evaluate. Intr-un studiu recent, au fost raportate efectele antivirale si antimicrobiene ale betalainei. S-a demonstrat de asemenea ca acest pigment poate lupta impotriva cancerului de plamani si piele. Betanina poate avea rolul de a inhiba proliferarea celulara a mai multor tipuri de cancer [Devaralju si colab,2007 ].

2.5. VOPSIREA SONICA A LANII CU COLORANTI PE BAZA DE BETANINA

Utilizarea de vopsele naturale non-toxice si eco pe textile a devenit o chestiune de o importanta deosebita, deoarece a crescut gradul de constientizare asupra poluarii mediului. Cu toate acestea, la nivel mondial folosirea de vopsele naturale pentru colorarea textilelor a fost in principal limitat la mestesugari, vopsitori la scara mica. Acest lucru se datoreaza in special problemei de reproductibilitate a nuantelor. In acest studiu au fost urmate mai multe etape:

Extractia, separarea si colorarea lanii cu betanina pura si clorofila a ca biomordant

Studiul epuizarii vopselei cu si fara ultrasunete

Obtinerea beneficiilor de mediu, prin utilizarea de coloranti naturali si biomordant

Obtinerea beneficiilor economice prin procesul de purificare [Guesmi si colab,2013].

2.6. EFECTUL INCALZIRII CU MICROUNDE ASUPRA BETANINEI

Descompunerea betaninei sub incalzire dielectrica ( iradiere cu microunde, putere 25-200 W) urmeaza o cinetica de ordinul intai cu o rata constanta similara cu cea obtinuta in timpul incalzirii conventionale.

Decolorarea betaninei se face prin tratament termic, in timp ce sucul de sfecla rosie si pudra uscata de sfecla rosie tind sa obtina produse colorate prin descompunere. Capacitatea antiradicala a betaninei scade prin incalzire, dar este inca mult mai mare decat cea a antioxidantilor standard, cum ar fi acidul ascorbic si trolox. Acidul betalamic este detectat prin spectrometrie de masa si spectrometrie de absorbtie , din probele de betanina supuse unui tratament termic [Goncalves si colab,2013].

3.PROPRIETATILE FUNCTIONALE ALE BETALAINELOR IN INDUSTRIA ALIMENTARA

3.1FUNCTIILE BETALAINELOR

Deoarece betalaina înlocuiește antocianinele în 13 familii de plante ornamentale Caryophyllales, sunt evidente funcțiile similare. Atracția animalelor pentru transfer de polen și a animalelor care mănâncă fructe pentru dispersarea semințelor nedigerabile sunt esențiale pentru a facilita răspândirea plantelor . În schimb, culoarea este ca un semnal de respingere a spinilor cactusului pentru a descuraja ierbivorele.

S-a discutat despre acumularea de betacianină la planta de gheață (Mesembryanthemum crystallinum L.) pentru a analiza țesutul împotriva radiațiilor UV dăunătoare . Cu toate acestea, este mai puțin clară colorarea fructelor subterane, cum ar fi, de exemplu, sfecla roșie, care este considerat a fi legate de creșterea rezistenței agentului patogen și protecție îmbunătățită față de viruși. Aceste ipoteze sunt susținute de un studiu efectuat la sfecla roșie unde cele mai mari concentrații de betacianină s-au găsit în coajă, urmat de coroană și pulpă.

În Salicornia europaea L., sinteza pigmentului a fost indusă ca urmare a concentrației de sare sugerând că betalaina pot funcționa ca osmolit ca să susțină procesele fiziologice. În mod similar, se știe că aminoacidul prolina se acumulează în țesuturile vegetale stresate osmotic , pentru a stabiliza structurile subcelulare , pentru a reduce toxicitatea azotului și a fost raportat, de asemenea, ca un saprofag radical excelent . De obicei, specia Opuntia, cactușii bine adaptați la climatele semi-aride, conțin niveluri ridicate de prolină .

Interesant, indicaxantina de betaxantină corespunzătoare a fost compusul major în fructul cactusului . Această corelație evidentă sugerează ca betaxantinele pot servi drept osmoregulatori fie direct, fie indirect prin modularea gamei de aminoacizi prin separarea betaxantinei sau sinteza betaxantinei. Alte funcții potențiale nedemonstrate până acum includ rolul lor de zaharoză (betacianină), compus aminic (betaxantina) și, în general, ca un rezervor de azot să reducă potențialul osmotic din vacuole sau realimenteze ciclurile metabolice în perioade de dezechilibru fiziologic.

De asemenea, nu s-a analizat încă dacă betalaina acționează ca antioxidant în țesuturile vegetale. Structural, toate betacianinele și betaxantinele care transportă fragmente compuse aminice aromatice sunt susceptibile să stabilizeze radicalii datorită naturii lor aromatice.

3.2. STRUCTURA BETACIANINELOR SI A BETAXANTINELOR

Cu excepția unui studiu unde s-au depozitat betacianine sub formă de cristale in corpurile sferice vacuole, de obicei, betalaina se dizolvă în seva vacuolară ca anioni de tip bis . Structural, betaxantina reprezintă produse de condensare ale acidului betalamic și diferiți compuși aminici, în timp ce betacianinele se caracterizează printr-o structură ciclo-Dopa cu substituții suplimentare prin diferite modele glicozilare și acilare la C-5 sau C-6 .

Reprezentantul lor cel mai comun este betanidina 5-O glucozid (betanină) din sfeclă roșie (Beta vulgaris ssp.). Cu toate acestea, există o varietate mult mai mare de structuri, care explică nuanțele de galben, roșu și violet ale florilor Bougainvillea, Celosia, Gomphrena, Portulaca și specia Mirabilis sau florile și fructele de cactus .

Diferențele structurale menționate se reflectă în aspectul diferit al celor două subgrupuri de betalaină. Se știe că betacianinele au două nivele maxime de absorbție, una în gama UV între 270ș i 280 nm datorită structurii ciclo-Dopa și al doilea în gamă vizibilă la aproximativ 535-538 nm în funcție de sistemul de solvenți. Acilarea cu acizi hidroxicinamici produce un al treilea maxim la aproximativ 300-330 nm, în timp ce derivații acidului alifatic nu se disting de glicozidele betanidine corespunzătoare. Decarboxilarea la-C 2, raportat la 2-descarboxibetanina de la culturi cu rădăcini păroase galbene induce o schimbare hipsocromică ușoară de aproximativ 5 nm. Neobetanina (14,15-dehidrobetanina), care a fost găsit ca un compus natural din sfeclă roșie și fructul cactusului afișează un maxim vizibil similar cu betaxantina la aproximativ 465 nm. Cu toate acestea, co-absorbția distinctă în gama UV descrie structura asemănătoare cu a betacianinei.

Culorile roșu și violet ale plantelor purtătoare de betalaină sunt produse de diferite modele de substituție a betacianinei . Glicozilarea betanidinei vine, în general, cu o schimbare hipocromică de aproximativ 6 nm. Un al doilea fragment de zaharoza atașată de prima aparent nu a afectat semnificativ aspectul vizual , în timp ce glicozilarea la C-6 s-a descoperit că produce un efect batocromic mai mare decât 5-glicozilare . Atât esterificarea betanidinei 5-O- sau 6-O-glicozide cu acizi hidroxicinamici pot induce o schimbare batocromică de până la 12 nm . În schimb, fragmente de acil alifatic, cum ar fi acidul malonic în filocactină sau acid 3-hidroxi-3-metil-glutaric în hilocerenină a modificat ușor (2-3 nm) sau nu a modificat deloc lungimea de undă maximă . În mod similar, epimerizarea la C-15 nu schimbă proprietățile de culoare ale betacianinei. Într-un studiu recent, ratele mai mici d epimerizare s-au găsit în condiții acide când betacianinele a fost acilate cu reziduuri hidroxicinamice .

Prin urmare, substituirea cu acești acizi aromatici nu este responsabilă doar de o schimbare batocromică, ci va spori, de asemenea, stabilitatea betacianinei prin acumulare intramoleculară. Deoarece fragmentele de zaharoză acționează ca un distanțier pentru plierea în formă de U, fenomenele de acumulare au fost mai pronunțate pentru diglicozitele acilate decât pentru monoglucozidele corespunzătoare . Din motive sterice, 6-O-substituția acilglicozidelor s-a presupus că ar fi chiar mai eficientă în prevenirea betacianinelor de atacul hidrolitic (Heuer et al., 1994). În schimb, nu s-au găsit diferențe marcate în ratele de epimerizare atunci când se compară betacianină de la Hylocereus polyrhizus (Weber) Britton & Rose esterificați cu acizi alifatici la structura betaninei nonacilată corespunzătoare (Stintzing, date nepublicate).

Interesant, în funcție de sursa betalainei, diferite rapoarte ale epimerilor C-15 au fost găsite în extractele din plante. Un studiu detaliat al coajei și pulpei din patru soiuri diferite de sfeclă roșie a arătat că acesta din urmă a avut mereu un nivel foarte mare de betanină: rapoarte de izobetanină, dar ratele de izomerizare au variat foarte mult printre soiuri . Într-o altă anchetă pe semințe, frunze și inflorescențe de la diverse specii de Amaranthus, din nou o mare diferență în proporții de izomeri au fost găsite atât între ​​diferite părți ale plantelor de la o specie, cât și, de asemenea, de la o specie la alta. Cu toate acestea, în general, odată cu creșterea concentrației de pigment s-a observat un conținut mai scăzut de izomeri C-15 . Deoarece izobetacianinele pot fi, de asemenea, generate în timpul prelucrării, procedura de extracție și izolare va afecta rata respectivă a epimerului găsită.

Acest lucru trebuie să fie luat în considerare atunci când gradul actual de izomerizare în țesuturile vegetale este de interes. Din datele discutate mai sus, se concluzionează că izomerizarea in vivo este controlată de factorii de mediu, mai degrabă decât condițiile specifice de țesut. Importanța fiziologică a acestei schimbări conformaționale nu este deloc clară. Deoarece izomerizarea in vitro poate fi indusă prin creșterea temperaturii și condiiițlor de pH acid , se suspectează că in vivo, energia poate fi disipată pentru a reduce extinderea separării moleculei și/sau pentru a îmbunătăți integritatea pigmentului în timpul perioadelor de schimbări vacuolare de pH pe termen scurt. Din câte știm, fenomenele de copigmentare intermoleculară cu betacianine nu au fost raportate până în prezent.

De aceea, se recomandă ca plantele purtătoare de betalaină nu necesită acest mecanism de stabilizare, deoarece stabilitatea lor pigmentară optimă se potrivește cu pH vacuolar. Cu toate acestea, este nevoie de cercetare pentru a testa dacă, prin analogie cu antocianinele, compușii matrice care au loc în același timp intensifică sau modifică aspectul betalainei in vivo.

Betaxantinele reprezintă echivalentul galben ale betacianinelor și prin amestecuri, țesuturile vegetale pot ajunge la toate tipurile de nuanțe. Modificările structurale în betaxantine care decurg din condensarea acidului betalamic cu diferiți acizi sau amine produc schimbări hipso- și batocromice.

Conjugații amini afișează întotdeauna un maxim de absorbție mai mic decât omologii lor de aminoacizi respective și indicaxantină (aductul de prolină) împreună cu portulacaxantina I (aduct de hidroxiprolină) arată cea mai mare absorbție raportată până în prezent . In vitro, tipul de solvent și pH-ul mediului pot modifica valorile absolute ale absorbanței maxime. Deși izomerizarea in vitro la C-11 a fost raportată , se crede că până acum betaxantina apare cu adevărat ca 11S și 11S / 2S-izomeri.

În condiții fiziologice, se știe că acidul liber betalamic cu o absorbanță maximă de 424 nm însoțește betaxantina . La sfecla galbenă și rădăcinile păroase corespunzătoare, s-au găsit cantități considerabile de acid betalamic împreună cu betaxantină miraxantină V și vulgaxantină I .

Nu s-a studiat încă dacă acidul betalamic va afecta aspectul țesutului respectiv. Cu toate acestea, deoarece coeficientul de extincție molară a acidului betalamic rămâne cu mult în urma celor din betaxantine, se estimează că impactul său la colorare este minor. Pe lângă variațiile structurale ale betacianinelor și betaxantinelor, aspectul general al țesutului este influențat de amestecurile lor în concentrații diferite.

3.3 UTILIZAREA BETALAINELOR

În timp ce sursele potenițale de plante comestibile exploatate pentru antocianini sunt numeroase, sfecla roșie este singura marfă pe bază de betalaină utilizată în scop comercial. Spectrul său de betalaină se limitează în principal la betanină și, în consecință, variabilitatea culorii este slabă. În plus, un miros de pământ diferit din cauza geosminei și diferitelor pirazine nu sunt de dorit, atunci când, de exemplu, concentratele de sfeclă se aplică produselor lactate ca un constituent tipic de preparate din fructe.

Concentrațiile foarte mari de nitrați asociate cu formarea de nitrozamine cancerogene în corpul uman, atunci când sunt ingerate și riscul de a purta germeni de pământ din materia primă sunt în continuare puncte cruciale. Până acum, sfecla galben nu a fost folosită în calitate de colorant alimentar, probabil din cauza fenolilor care apar în același timp și tind să se oxideze cu ușurință și să mascheze nuanța originală a betaxantinelor.

Prin urmare, este evident că a devenit o sarcină valoroasă căutarea de surse alternative de betalaină pentru a extinde paleta de culori disponibilă. Ca să nu mai vorbim de faptul că betalainele nu sunt la fel de răspândite ca antocianina, nu toate părțile plantelor care poartă betalaine sunt comestibile. Baca extrem de roșii (Phytolacca americana L.) a fost interzisă în alimente de culoare din cauza saponinelor și lectinelor toxice. Betalainele din plantele Amaranthaceae utilizate în medicina tradițională chineză cum ar fi specia Amaranthus și specia Celosia au fost testate pentru fezabilitatea lor de a colora produsele alimentare , dar totuși sunt utilizate numai la nivel local. În plus, conținutul mare de saponină din specia Amaranthus și concentrațiile de dopamină în specia Celosia ar putea restrânge potențialul lor în comercializarea la nivel mondial.

Cea mai promițătoare familie printre plantele purtătoare de betalaină este Cactaceae și principalele soiuri care produc fructe comestibile sunt Opuntia (subfamilia Opuntioideae), Hylocereus (subfamilia Cactoideae) și unele specii Mamillaria (subfamilia Cactoideae) .

Printre acestea, fructul cactusului (specia Opuntia) și pitayas (speciile Cereus, Hylocereus și Selenicereus) sunt cel mai frecvent cultivate ca și culturi de fructe și cele mai potrivite pentru a fi investigate ca surse de betalaină pentru colorarea produselor alimentare .

3.4 MODIFICAREA BETALAINELOR

Betalainele deși își modifică sarcina pe schimbările de pH nu sunt la fel de sensibile la scindarea hidrolitică cum este antocianinele. În schimb, își păstrează aspectul într-o gama largă de pH la 3 la 7, dar se degradează sub pH 2 și peste pH 9, respectiv .

Cu toate acestea, în timpul prelucrării, poate avea loc izomerizarea, decarboxilarea sau scindarea betacianinei prin încălzire sau de către acizi . Întrucât primele modificări nu au consecințe vizibile, ultimele duc la o pierdere totală de culoare . Dacă extrasele proaspăt prelucrate mențin o perioadă de timp valorile pH-ului la aproximativ 5 și temperaturile sub 10°C compensează parțial pierderea randamentului deoarece este posibilă regenerarea betacianinei din produsele cu degradare precoce .

Neobetanina este un pigment endogen din sfecla roșie și fructul cactusului pot fi, de asemenea, generate în timpul procesării și produce o schimbare a culorii galbene asemănătoare betaxantinei. Deoarece sfecla oferă doar un spectru îngust de culori, producătorii încearcă să extindă nuanțele disponibile, profitând de activitatea endogenă a glucozidazei.

Prin transformarea glicozidelor betanidinei la agliconi lor corespunzători, se poate realiza o schimbare batocromică de 4-6 nm. Totuși, acești agliconi sunt chimic mai labili și predispuși la oxidare în continuare ceea ce va duce la pierderea culorii roșii și trecerea ulterioară la culoarea maronie, aceasta din urmă maschează nuanța strălucitoare a sfeclei roșii .

În general, în timpul prelucrării și depozitării, activitățile enzimatice endogene pot contribui la decolorare în urma decompartamentării. În afară de glucozidaze și polifenoloxidazele , degradarea betalainei poate fi promovată prin activități de peroxidază .

Produsele de degradare rezultate sunt similare cu cele ale termice, alcaline sau degradare a acidului . Glucozidazele, polifenoloxidazele și peroxidaze sunt în primul rând legate de membrană, dar mereu aproape de cea mai mare concentrație de pigment de celule , sugerând o funcție biologică a acestor enzime în producția de betalaină.

Pe scurt, decolorarea poate fi redusă în timpul prelucrării și depozitării surselor de betalaină prin alegerea regimurile corespunzătoare de temperatură și pH, precum și reducerea nivelului de oxigen și accesului luminii.

Interacțiunile potențiale ale betalainelor din sfeclă roșie cu compușii lor matrice au fost discutate anterior în detaliu. În analogie cu antocianinele, materiile prime cu puțini fenoli incolori reprezintă o sursă preferată de coloranți de produse alimentare, și, în acest sens, fructele de cactus par să fie foarte promițătoare. În timp ce fructele din Opuntia ficus-indica (L.) Mill furnizează un spectru larg de betaxantine, Hylocereus polyrhizus (Weber) Britton & Rose sintetizează atât betacianinele acilate, cât și betacianinele non-acilate la un raport de 25:75. În funcție de cantitățile relative de betaxantine și betacianine într-o marfă, pot fi produse diferite nuanțe de culori, de la galben la purpuriu. Aceste efecte găsite empiric până în prezent au fost studiate în sucurile de cactus ca amestecuri naturale de betalaine galbene și roșii. S-au înregistrat diferite variații de culoare cu schimbarea procentelor de betaxantine și betacianine. S-a demonstrat, de asemenea, că aceste schimbări pot fi evaluate corespunzător dacă se monitorizează spectrul vizibil complet, pentru că simpla analiză a lungimilor de undă ale absorbției maxime nu ia în considerare și forma curbelor spectrale.

3.5 BETALAINELE DIN SFECLA ROSIE(Beta vulgaris L.)

Culorile sunt indicatori importanți de calitate care determină acceptarea alimentelor de către consumator. În ultimul timp, piața pentru aplicarea coloranților sintetici a scăzut în favoarea coloranților naturali (Fletcher, 2006). Fructele si legumele sunt surse bune de coloranți naturali. Cu toate acestea, dezavantajele culorilor naturale sunt costurile mai mari și stabilitatea redusă (Herbach, Stintzing, & Carle, 2006). Este o practică comună ca alimentele de origine vegetală să fie, în general, prelucrate prin metode termice pentru a extinde durata de conservare, pentru a îmbunătăți aroma și a spori palatabilitatea.

Datorită prelucrării și depozitării există schimbări semnificative în betalaine. Conform Howard (2008), în ultimul timp a crescut consumul de alimente procesate, dar și de fructe și legume proaspete. Betalainele sunt pigmenți care conțin azot solubil în apă care se găsesc în concentrații mari în sfecla roșie (Beta vulgaris). Betalainele sunt de două sub-clase: betacianine (pigmenți roșu-violet) și betaxantine (pigmenți galben-portocalii) (Delgado-Vargas, Jiménez, & Paredes-López, 2000; Stintzing & Carle, 2004). Ei au efecte antimicrobiene și antivirale (Strack, Vogt, & Schliemann, 2003) și, de asemenea, pot inhiba proliferarea celulelor tumorale umane (Reddy, Ruby, Lindo, & Nair, 2005). Betalainele pot fi folosite ca aditivi alimentari care fie evită decolorarea alimentelor sau îmbogățesc alimentele.

Utilizarea betalainelor ca și colorant alimentar este aprobată de Uniunea Europeană și betalainele sunt etichetate ca E-162. Betalainele sunt deosebit de potrivite pentru colorarea produselor alimentare (Von Elbe, Maing, & Amundson, 1974) (Cai, Sun, Schliemann, & Corke, 2001). (Roy, Gullapalli, U.R., & R., 2004). Deși antocianinele sunt pigmenții naturali cei mai larg răspândiți și cei mai utilizați care acoperă gama de culori roșu-violet, betalainele sunt mai stabile la pH și temperatură.

Betalainele prezintă o stabilitate largă a pH, și sunt potrivite pentru alimentele cu nivel scăzut de acid în cazul în care colorarea cu antocianine, de obicei, nu este posibilă. (Stintzing & Carle, 2004). Pentru gama de culori de la galben la portocaliu, carotenoidele sunt pigmenți naturali, dar datorită solubilității slabe în apă, betaxantina ar putea fi folosită în aplicație ca și coloranți alimentari portocalii galben în diferite cazuri . Amestecurile de pigmenți din betalaină pot fi utilizate ca un aditiv natural pentru alimente, medicamente și produse cosmetice sub formă de suc concentrat de sfeclă sau sfeclă pulbere . Consumul de sfeclă roșie, care este o sursă bogată de antioxidanți poate contribui la protecția față de boli legate de vârstă. În conformitate cu sfecla roșie este una dintre legumele cele mai potente în ceea ce privește activitatea antioxidantă. Betacianinele sunt un grup de compuși care prezintă antioxidanți și activități de evacuare a radicalilor . De asemenea, inhibă celulele canceroase cervicale ovariene și ale vezicii urinare in vitro .

Sfecla roșie poate fi utilizat ca și antioxidant a raportat că ingestia unei singure doze de suc de sfeclă roșie a dus la o creștere a compușilor antioxidanți incluzând betalainele din excreția urinară. Betalainele și alți compuși fenolici din sfecla roșie scad daunele oxidative ale lipidelor și îmbunătățesc statutul antioxidant la oameni. Activitatea antioxidantă în sfecla roșie este asociată cu implicarea antioxidanților în baleiajul radicalilor liberi și, în consecință, în prevenirea unor boli precum cancerul, bolile cardiovasculare. Activitatea antioxidantă a fost de asemenea raportată la îmbogățirea lipoproteinelor ​​cu densitate joasă la oameni prin betalainele care cresc rezistența la oxidare . Conform betalainele prezintă efecte anti-inflamatorii, activitate antiradicalică și antioxidantă. Conform maximizarea producției de betalaină în timpul extracției și prelucrării este o condiție prealabilă. Betalainele extrase sunt sensibile la pH, activitatea apei, precum și expunerea la lumină, oxigen, ioni metalici, temperatură și activități enzimatice. Cu toate acestea, temperatura este factorul cel mai decisiv pentru descompunerea betalainei în pH-ul optim. Cu toate acestea, procesarea modifică conținutul betalainelor și, prin urmare, colorantul alimentar, precum și activitatea antioxidantă. Susceptibilitatea betalainelor la factorii menționați mai sus restricționează utilizarea lor ca și coloranți alimentari. Scopul studiului nostru a fost de a investiga influența proceselor termice cum ar fi microunde, fierbere, prăjire și aspirare, cu privire la conținutul betalainei și activitatea antioxidantă a sfeclei roșii. S-a publicat foarte puțin cu privire la rolul fiziologic al betalainelor la mamifere.

În rapoartele anterioare, s-a constatat că sfecla roșie nu a exercitat nicio acțiune hepatotoxică sau mutagenă (Schwartz, Von Elbe, Pariza, Goldsworthy, & Pitot, 1983). Kapadia, Tokuda, Konoshima, and Nishino (1996) au arătat un efect inhibitor semnificativ al sfeclei roșii pentru cancerul de piele și pulmonar la șoareci. În alte studii pe hrana animalelor, fructul violet al cactusului și garambullo (myrtillocactus geometrizans [Mart.] Console; s-au dovedit a fi lipsite de toxicitate și pigmenții lor nu au provocat nicio reacție alergică . Excreția de urină roșie după ingestia de sfecla roșie la 10-14% din populație, așa-numita beeturia, a fost clasificată mai degrabă ca o reacție idiosincratică în funcție de constituția fiziologică individuală, decât un eveniment patologic sau un defect genetic .

Descoperirile recente clasează sfecla printre primele 10 legume cele mai potente în ceea ce privește capacitățile lor antioxidante . Betalainele din sfeclă (Escribano, Pedren˜ o, Garcı´a-Carmona, & Mun˜ oz,1998); (Pavlov, Kovatcheva, Georgiev, Koleva, & Ilieva, 2002);( Pedren˜ o & Escribano, 2001); (Wettasinghe, Bolling, Plhak, Xiao, & Parkin, 2002), dar și din fructul cactusului au fost cel puțin parțial responsabile de aceste proprietăți benefice. Un studiu foarte recent a analizat relațiile dintre structură și activitate a diferitelor betaxantine si betacianine de la membrii Amaranthaceae cu privire la capacitățile de evacuare a radicalilor liberi . S-a dovedit că potențialul antioxidant este legat de caracteristicile structurale ale betalainelor respective. La betaxantine, un număr din ce în ce mai mare de reziduuri hidroxi și imino au îmbunătățit evacuarea radicalilor liberi. La betacianine, glicozilarea a redus activitatea în timp ce acilarea a ridicat, în general, potențialul antioxidant. Mai mult, structurile 5-O-glicozilate au produs valori antioxidante mici decât betacianinele 6-O-glicozilate.

Studiile viitoare vor trebui să verifice efectele promițătoare estimate fiziologice și farmacologice ale betalainelor asupra oamenilor publicate foarte recent (Kanner et al., 2001; Wettasinghe, et al., 2002). La contextualizarea antocianilor și betalainelor în nutriție, se recomandă precauție la analiza bioactivitățile lor reale. Pe lângă factorii care influențează eliberarea lor din matricea alimentară respectivă, interacțiunile cu aceeași factori vor modula, de asemenea, absorbția lor. În studiile viitoare, farmacocinetica exactă și parametrii care guvernează absorbția gastrointestinală după cum au sugerat sau, precum și distribuția țesutului compușilor ingerați trebuie să fie evaluate. Modificările de sarcină, transformările structurale la schimbarea pH-ului și formarea produșilor de degradare , printre altele, trebuie, de asemenea, să fie luate în considerare pentru a evalua beneficiul acestor compuși secundari derivați din plante.

Betaninele sau betalainele sunt coloranți naturali extrași din diferite fructe și legume. Acestea sunt în mare parte utilizate ca și coloranți alimentari din produsele alimentare, cum ar fi iaurturi, înghețată și alte produse . Studiile recente au arătat că betaninele au activitate antioxidantă, antimicrobiană și antivirala. Sfecla roșie (Beta vulgaris) este principala sursă de colorant roșu natural, cunoscut sub numele de "roșu sfeclă". Betanina este principala componentă a colorantului roșu extras din Beta vulgaris. Imediat după extracție, betanina este expusă degradării. Stabilitatea pigmentului este influențată de factori cum ar fi enzimele, temperatura, oxigenul și pH (Pedreno și Escribano, 2001).

Pigmenți de betalaină extrași din rădăcinile de sfeclă roșie (Beta vulgaris) oferă o alternativă naturală la coloranții sintetici roșii. Betalainele au fost folosite ani de zile cu succes în operațiuni de colorare a alimentelor comerciale și continuă să fie o sursă importantă de culoare roșie în industria alimentară. Betalainele sunt derivați ai acidului betalamic și pot fi clasificate în două grupe: betacianine roșu-violet (BC) și betaxantine galbene (BX). Acestea diferă prin conjugarea unui nucleu aromatic substituit cromoforului 1, 7-diazaheptamethinium, care este prezent în betacianină. Betalainele sunt pigmenți solubili în apă care conțin azot, care sunt sintetizați din aminoacidul tirozină în două grupe structurale: betacianină roșu-violet și betaxantine galbene-portocalii.

Pigmentul din sfecla roșie este utilizat comercial ca un colorant alimentar. Își schimbă culoarea atunci când este încălzit, prin urmare poate fi utilizat numai în înghețată, dulciuri și alte produse de cofetărie, dar este ieftin si nu are efecte secundare alergice cunoscute. Sfecla în sine este un ingredient comun în salată – atunci când este gătită, se adaugă oțet în apă pentru a reduce pH-ul. Betalainele au mai multe aplicații în produse alimentare, cum ar fi deserturi, produse de cofetărie, amestecuri uscate, produse lactate și produse din carne. Concentrația de pigment pur necesară pentru a obține nuanța dorită este relativ mică, rar depășește 50 mg/kg, calculată ca betanină . În conformitate cu Codul Alimentar al Comisiei din 2004, betalaina – limitată doar la bună practică de fabricație. Colorantul alimentar cunoscut sub numele de "roșu sfeclă" extras din sfeclă este comercializat în Uniunea Europeană și SUA ca și colorant alimentar . Betanină (C24H27N2O13) reprezintă 75-95% din materia totală de colorat din rădăcina de sfeclă, de aceea este folosit ca agent colorant alimentar natural . Acest pigment, ca și alte betacianine, este foarte sensibil la schimbările induse atât de pH, cât și temperatură (Pedreno și Escribano, 2001). Ca un pigment antioxidant puternic, betanină poate oferi protecție și reduce riscul de boli cardiovasculare și cancer .

Betalainele sunt pigmenți din plante cu conținut de azot ale căror culori variază de la betacianine roșu-violet la betaxantine galbene. Ele sunt folosite pentru colorarea produselor lactate, cărnii și deserturilor congelate. Betalainele au atras un interes suplimentar datorită proprietăților antioxidante, anti-inflamatorii și anticarcinogenice. Principala sursă de betalaine produse comercial este rădăcina sfeclei roșii, dar surse alternative se găsesc în plante din familiile Amaranthaceae și Cactaceae . Scopul acestei lucrări de cercetare a fost de a obține, identifica și caracteriza pigmenții obținuți din sfeclă roșie (Beta vulgaris L.), și utilizarea acestor pigmenți ca și coloranți roșii naturali alternativi în unele alimente procesate (i.e. Jelly și Ice. Sherbet). De asemenea, pentru a investiga activitatea antioxidantă a extractului prin adăugarea uleiului. De asemenea, evaluarea senzorială a fost determinată în jeleu și șerbeturi înghețate după folosirea extractului de sfeclă roșie ca și colorant alimentar.

CONCLUZII

Betalainele sunt pigmenți care conțin azot și se găsesc în concentrațiile cele mai ridicate în sfecla roșie. Pigmenții betalainici se diferențiază de antociani din punct de vedere structural, (nu conțin azot) și nu se găsesc împreună în aceeași plantă.

Cu toate că numărul betalainelor identificate este mult mai scăzut în comparație cu alți pigmenți naturali, interesul față de acestea crește datorită proprietăților lor antioxidante ridicate la pH bazic, a puterii tinctoriale ridicate și a stabilității termice pe un domeniu de pH larg (3 -7).

Betalainele se clasifică în betacianinele roșii-violete și betaxantinele galbene, betanina și indicaxantina fiind principalii reprezentanți pentru cele două clase.

Unele specii de flori produc florescență datorită betaxantinelor prezente.

Extracția apoasă este cea mai utilizată metodă de izolare a betalainelor din plante, fructe sau petalele florilor datorită solubilității crescute a pigmenților betalainici în apă iar determinarea cantitativă se realizează de obicei pe cale spectrometrică. Metodele spectrometrice sunt cuplate deseori cu spectrometria de masă deoarece unii compuși nu se diferențiază foarte bine datorită structurilor lor asemănătoare.

Cel mai cunoscut dezavantaj al betalainelor este rezistența scăzută variațiile de temperatură. Degradarea betalainelor se asociază cu scăderea concetrațiilor lor ceea ce conduce de asemenea la scăderea intensității culorii sau chiar pierderea ei.

Pe lângă activitatea antioxidantă, betalainele prezintă proprietăți antimicrobiene, antivirale, pot inhiba dezvoltarea celulelor canceroase umane, antiinflamatorie, antimalarie și pot oferi protecție împotriva degenerării neuronilor.

BIBLIOGRAFIE

1.Chethana. S, NAYAK . CA, Raghavarao K. Aqueous two phase extraction for purification and concentration of betalains. Journal of Food Engineering, 2007,vol 81,issue 4,pp 679-687

2.Guesmi. A, Ladhari.N, Sakli. F, Ben Hamadi. N. Dyeing properties and colour fastness of wool dyed with indicaxanthin natural dye. Industrial crops and products, 2012, vol 37, issue 1,pp 493-499

3. Junqueira-Goncalves. M.P, Cardoso.L.P, Pinto.M.S,Pereira.R.M, Soares.N.F, Miltz.J. Irradiated beetroot extract as a colorant for cream cheese . Radiation Physics and Chemistry, 2011, vol 80, pp 114-118.

4.Nemzer.B, Pietrzkowski.Z, Spórna.A, Stalica.P, Thresher.W, Michałowski.T, Wybraniec .S. Betalainic and nutritional profiles of pigment-enriched red . Food Chemistry, 2011,vol 127,no1, pp 42-53

5.Khan.M.I,Denny.Joseph.K.M,Muralidhara,Ramesh.H.P, Giridhar.P, Ravinshankar.G.A. Acute, subacute and subchronic safety assessment of betalains rich Rivina humilis L. berry juice in rats. – Food Science and Technology, 2011, vol 49,no 12,pp 3154-3157.

6.Khan.M.I,Sri Harsha.P.S.C,Giridhar.P, Ravinshankar.G.A. Pigment identification, nutritional composition, bioactivity, and in vitro cancer cell cytotoxicity of Rivina humilis L. berries, potential source of betalains. LWT – Food Science and Technology, 2012, vol 47,no 2,pp 315-323.

7.Stintzing, F.C., and R. Carle. “Betalains emerging prospects for food scientists”. Trends in Food Science and Technology,2007,vol 18,pp 514–525.

8.Wootton-Beard.P.C, Ryan.L. A beetroot juice shot is a significant and convenient source

of bioaccessible antioxidants. Journal of Functional Foods 3,2011, pp 329-324.

9.Sreekanth.D, Arunasree.M.K, Roy.K.R, Chandramohan Reddy.T, Reddy.G.V, Reddanna.P. Betanin a betacyanin pigment purified from fruits of Opuntia. Phytomedicine, 2007, vol 14, pp739-746

10. Guesmi.A, Ladhari.N, Ben Hamadi.N, Msaddek.M, Sakli.F. First application of chlorophyll-a as biomordant: sonicator dyeing of wool with betanin dye. Journal of Cleaner Production,2013, vol 39, pp97-104

11. Gonçalves.L.C.P, Di Genova .B.M, Dörr.F.A, Pinto.E, Bastos.E.L. Effect of dielectric microwave heating on the color and antiradical capacity of betanin. ,Journal of Food Engineering,2013, vol 118, pp49-55.

12. Loginova, K. V., Lebovka N. I., E. Vorobiev (). Pulsed electric field assisted aqueous extraction of colorants from red beet. Journal of Food Engineering, 2011, Vol.106, No.2, pp. 127-133.

13.Butera, D., Tesoriere, L., Di Gaudio, F., Antioxidant activities of Sicilian prickly pear (Opuntia ficus indica) fruit extracts and reducing properties of its betalains: betanin and indicaxanthin. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2002, Vol. 50, pp. 6895–6901.

14. Delgardo-Vargas, F., Jime´ nez, A. R., & Paredes-Lo´ pez, O.

Natural pigments: carotenoids, anthocyanins and betalains.

Characteristics, biosynthesis, processing, and stability. Critical

Reviews in Food Science and Nutrition ,2000, vol 40, pp 173–289.

15.Strack, D., Vogt, T., & Schliemann, W. Recent advances in

betalain research. Phytochemistry, 2003,vol 62,pp 247–269.

16.Reddy, K. M., Ruby, L., Lindo, A., & Nair, G. M. Relative inhibition of lipid

peroxidation, cyclooxygenase enzymes and human tumor cells prolifieration by

natural food color. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, vol 53, pp 9268–9273.

17.Von Elbe, J. H., Maing, I., & Amundson, C. H. Colour stability of betanin. Journal of

Food Science, 1974, vol 39, pp 334–337.

18.Cai, Y., Sun, M., Schliemann, W., & Corke, H.Chemical

stability and colorant properties of betaxanthin pigments from

Celosia argentea. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001,vol 49,pp

4429–4435.

19.Roy, K., Gullapalli, S., chaudhuri, U. R., & , R. . The use of a natural

colorant based on betalain in the manufacture of sweet products in India.

International Journal of Food science and Technology, 2004, vol 39, pp 1087–1091.

20.Stintzing, F. C., & Carle, R. . Functional properties of anthocyanins and betalains in

plants, food and in human nutrition. Trends in Food Science and Technolgy, 2004, vol 15, pp 19–38.

21.Schwartz, S. J., von Elbe, J. H., Pariza, M. W., Goldsworthy, T., &

Pitot, H. C. Inability of red beet betalain pigments to

initiate or promote hepatocarcinogenesis. Food and Chemical

Toxicology,1983 ,vol 21, pp 531–535.

22.Kapadia, G. J., Tokuda, H., Konoshima, T., & Nishino, H.

Chemoprevention of lung and skin cancer by Beta vulgaris (beet)

root extract. Cancer Letters,1996,vol 100,pp 211–214.

23.Escribano, J., Pedren˜ o, M. A., Garcı´a-Carmona, F., & Mun˜ oz,R Characterization of the antiradical activity of betalains

from Beta vulgaris L. roots. Phytochemical Analysis,1998,vol 9, pp 124–127.

24.Pavlov, A., Kovatcheva, P., Georgiev, V., Koleva, I., & Ilieva, M Biosynthesis and radical scavenging activity of betalains

during the cultivation of red beet (Beta vulgaris) hairy root cultures.

Zeitschrift fu¨r Naturforschung C,2002,vol 57,pp 640–644.

25.Pedren˜ o, M. A., & Escribano, J. Correlation between antiradical

activity and stability of betanine from Beta vulgaris L

roots under different pH, temperature and light conditions.

Journal of the Science of Food and Agriculture,2001,vol 81,pp 627–631.

26.Wettasinghe, M., Bolling, B., Plhak, L., Xiao, H., & Parkin k.Phase II enzyme-inducing and antioxidant activities of beetroot (Beta vulgaris L.) extracts from phenotypes of different pigmentation. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2002,vol 50, pp 6704–6707.

27.Kanner, J., Harel, S., & Granit, R.Betalains- a new class of

dietary cationized antioxidants. Journal of Agricultural and Food

Chemistry,2001, vol 49, pp 5178–5185.

28.Wettasinghe, M., Bolling, B., Plhak, L., Xiao, H., & Parkin, K.

Phase II enzyme-inducing and antioxidant activities of beetroot

(Beta vulgaris L.) extracts from phenotypes of different pigmentation.

Journal of Agricultural and Food Chemistry,2002, vol 50, pp 6704–6707.