大家好，本周分享一篇2024年发表在Food Chemistry（IF 8.8）的文章，题目为“Effects of structural characteristics of phenolic compounds on oxidation of glycerol trioleate: Action rule and mechanism”。该研究的通讯作者为四川大学食品工程系的曾维才教授。
背景介绍
油的过度氧化不仅会导致食品质量的退化，还会对人体健康带来潜在的危害。一般认为，自由基链反应是油脂氧化的主要反应。因此，抑制自由基链反应的发生和发展是抑制油脂过度氧化的有效途径。合成抗氧化剂虽能清除自由基，抑制油脂的过度氧化，但其对人体的潜在毒性却备受关注。因此，天然来源的抗氧化剂可能是一种替代方法。酚类化合物是重要的天然抗氧化剂，可分为水解类、缩合类和络合类三类。可水解的酚类化合物是由没食子酸通过酯键聚合形成的，如单宁酸。缩合多酚形成的基本结构是由三个C6-C3-C6环组成的黄烷核，如儿茶素。本研究根据结构特征选择了山奈酚、槲皮素、杨梅素、表儿茶素、原花青素、槲皮苷、没食子酸、鞣花酸和单宁酸等9种酚类化合物，如羟基数目、取代结构和分子量等。采用热分析和多光谱方法研究了不同结构特征的酚类化合物对油脂主要成分三油酸甘油氧化的作用规律。利用密度泛函理论测量了不同酚类化合物的分子静电势和前沿分子轨道，探讨了其构效关系和作用机理。本研究对酚类化合物抑制油脂氧化的结构规律有了新的认识，并为酚类化合物在油脂氧化控制中的宝贵应用提供了实验支持。
The structure of different phenolic compounds. (a. kaempferol, b. quercetin, c. myricetin, d. epicatechin, e. procyanidins, f. quercitrin, g. gallic acid, h. ellagic acid, i. tannic acid)
酚类化合物对三油酸甘油酯氧化的影响
Effects of phenolic compounds on the oxidation of glycerol trioleate
由图1A和图1B所示的TG曲线可知，三油酸甘油酯在178℃时开始分解，在308℃时进入快速分解阶段，这是由于氧化产物挥发导致的。随着酚类化合物的处理，三油酸甘油酯的初始分解温度升高(图1A和1B)，这表明酚类化合物抑制三油酸甘油酯的氧化。其中，槲皮素(QC)的抑制能力最强，其抑制作用的顺序为:槲皮素(QC)>杨梅素(MC)>山奈酚(KF)>槲皮苷(QR)>表儿茶素(EC)>原花青素(PC)。同时，可水解酚类化合物的抑制作用顺序为:没食子酸(GA)>鞣花酸(EA)>单宁酸(TA)。
由图1C和1D的DSC曲线可知，三油酸甘油酯的初始氧化温度为129℃。随着酚类化合物的处理，三油酸甘油酯的初始氧化温度升高，这也表明酚类化合物抑制了三油酸甘油酯的氧化。提高三油酸甘油酯初始氧化温度的缩合酚类化合物(图1C)顺序为:QC > KF > MC > QR > EC > PC。同时，可水解的酚类化合物(图1D)的顺序为:GA > TA > EA。从这些结果可以看出，不同结构特征的酚类化合物对三油酸甘油氧化的抑制能力不同，这可能与它们释放氢猝灭自由基链式反应的能力不同有关。
Fig. 1. The thermal analysis of glycerol trioleate with different phenolic compounds. (A. TG curves of condensed phenolic compounds, B. TG curves of hydrolyzable phenolic compounds, C. DSC curves of condensed phenolic compounds, D. DSC curves of hydrolyzable phenolic compounds).
酚类化合物对三油酸甘油酯分子结构的影响
Effects of phenolic compounds on the molecular structure of glycerol
trioleate
如图2所示，所有样品的1H NMR谱均有8个特征峰。在这些信号中，5.21 ppm的信号代表C=C双键上的氢，1.91 ppm的信号代表C=C双键附近亚甲基上的氢。酚类化合物处理后，这两个信号的峰面积减小，表明酚类化合物抑制了三油酸甘油中C=C双键的损伤。对于缩合酚类化合物(图2A)，抑制作用的顺序为:QC > QR > MC > EC > KF > PC。同时，可水解酚类化合物的抑制作用顺序为:GA > EA > TA(图2B)。
Fig. 2. 1H NMR spectra of glycerol trioleate under heating treatment with different phenolic compounds. (A. condensed phenolic compounds, B. hydrolyzable phenolic compounds).
FTIR光谱显示1160 cm−1附近的峰代表酯基上的C-O-C拉伸振动，3005 cm−1附近的峰代表顺式双键(=C-H)C-H键的拉伸振动。与未加热的三油酸甘油酯相比，对照组和样品组这两个峰的吸收都降低了，这表明三油酸甘油酯的酯键和C=C双键在加热过程中被分解。同时，在3005 cm−1(图3A)和1160 cm−1(图3B)处，缩合的酚类化合物的吸收率高于对照组，说明酚类化合物抑制了酯键和C=C双键的损伤。对缩合酚类化合物的抑制效果为:QC > MC > QR > EC > KF > PC。此外，如图3C和3D所示，可水解酚类化合物对酯键和C=C双键的损伤也有类似的抑制作用，抑制作用的顺序为:GA > EA >TA。这些结果表明，酚类化合物能够抑制三油酸甘油的氧化，其抑制能力与其结构特性密切相关。
Fig. 3. FTIR partial spectra of glycerol trioleate under heating treatment with different phenolic compounds. (A-B. condensed phenolic compounds; C-D. hydrolyzable phenolic compounds).
酚类化合物对三油酸甘油酯自由基生成的影响
Effects of phenolic compounds on free radical production in glycerol
trioleate
如图4所示，对照组强度最高，未加热的三油酸甘油酯强度最低，说明加热过程引起了三油酸甘油酯中自由基的产生。与对照组相比，各酚类化合物组均表现出较低的抑制强度，说明酚类化合物能抑制三油酸甘油酯自由基的产生。对于缩合酚类化合物(图4A)，抑制作用的顺序为:MC > QC > KF > EC > QR > PC。对于可水解的酚类化合物(图4B)，抑制作用的顺序为:EA > GA > TA。这些结果表明，不同的酚类化合物对三油酸甘油酯自由基产生的抑制能力不同，与TG和DSC分析结果一致。
Fig. 4. ESR spectra of glycerol trioleate under heating treatment with different phenolic compounds. (A. condensed phenolic compounds, B. hydrolyzable phenolic compounds).
酚类化合物的分子静电势
Molecular electrostatic potential of phenolic compounds
酚类化合物的分子静电势如图5所示，蓝色表示有利于亲电攻击的负极区域，红色表示有利于亲核攻击的正极区域，分子静电势的表面局部极小值和最大值分别用绿色和橙色圆球标记。直方图显示了各分子静电势范围内的面积百分比。
比较山奈酚(a)、槲皮素(b)和杨梅素(c)的结构特征，B环上羟基的数量存在差异。它们的最大正静电势随着B环羟基的增加而变化。这说明酚类化合物B环上羟基的数量会影响其电子密度和电子分布。比较槲皮素(b)和表儿茶素(d)的结构特征，槲皮素在C环上具有C=O双键结构，并且比表儿茶素表现出更高的最大正静电电位。这表明C环上的C=O双键可以提供较大的电子密度，影响酚类化合物B环上的电子分布，从而可能导致相同位置上的最大正静电电位更高。比较表儿茶素(d)和原花青素(e)的结构特征，原花青素具有表儿茶素在C环上的取代结构，且显示出比表儿茶素更高的最大正静电电位。表儿茶素的分子静电电位分布范围高于原花青素。此外，比较槲皮素(b)和槲皮苷(f)的结构特征，槲皮苷在C环上具有糖苷的取代结构，其最大正静电电位低于槲皮素。同时，槲皮苷的分子静电势范围分布也低于槲皮素。因此，这些结果表明，C环上的取代可能会降低酚类化合物的电子密度，影响其电子分布。比较没食子酸(g)和鞣花酸(h)的结构特征，鞣花酸是没食子酸的二聚体衍生物，其最大正静电电位高于没食子酸。这一结果表明，聚合和共轭可能提高了酚类化合物的电子密度，影响了电子分布，从而导致了更高的最大正静电势。由于单宁酸结构复杂，位阻巨大，无法得到单宁酸的分子静电势。因此，酚类化合物的结构特征对其分子静电势有显著影响，从而影响其反应活性以及与三油酸甘油酯的相互作用。对于缩合酚类化合物，B环上羟基的数目、C环的结构、C环上的取代结构等结构特征会影响到酚类化合物的电子密度和电子分布。对于可水解的酚类化合物，聚合和偶联表现出显著的影响。
Fig. 5. Molecular electrostatic potential of different phenolic compounds. (a. kaempferol, b. quercetin, c. myricetin, d. epicatechin, e. procyanidins, f. quercitrin, g. gallic acid, h. ellagic acid).
酚类化合物的前言分子轨道
近年来，基于量子力学的前沿分子轨道被用于探索化学反应中分子的反应性，前沿分子轨道通常包含最高已占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO) 。HOMO上的电子能量最高，容易发生供电子反应。LUMO在所有未占据轨道中能量最低，并且具有电子受体的性质。如图6所示，得到了被测酚类化合物的HOMO和LUMO。山奈酚(图6a)、槲皮素(图6b)和杨梅素(图6c)的HOMO和LUMO轨道分布在分子的整个结构中。表儿茶素(图6d)中LUMO分布在B环上，HOMO分布在A环上，说明C环结构的变化可能会影响酚类化合物的分子轨道分布，进而影响其反应性。此外，槲皮苷的HOMO和LUMO(图6e)都分布在黄酮结构上，而没有分布在葡萄糖结构上。对于原花青素(图6f)， HOMO分布在一个单体的B环上，LUMO分布在另一个单体的B环上。这些结果表明，当在C环上加入一个新的基团时，酚类化合物的分子轨道发生了很大的变化。进一步得到了缩合酚类化合物的HOMO-LUMO能隙(ΔE)(图6)，其顺序为:QC < MC < KF < QR < PC < EC，说明在缩合酚类化合物中，QC的反应活性最高。对于没食子酸(图6g)， HOMO主要分布在苯环和羟基上，LUMO主要分布在羧基结构上。对于鞣花酸(图6h)， HOMO和LUMO都分布在整个结构上。同时，鞣花酸的能隙小于没食子酸，说明鞣花酸的反应活性高于没食子酸。
Fig. 6. Frontier molecular orbitals distribution of different phenolic compounds. (a. kaempferol, b. quercetin, c. myricetin, d. epicatechin, e. quercitrin, f. procyanidins, g. gallic acid, h. ellagic acid).
总结
本研究中所测试的酚类化合物均能提高三油酸甘油酯的氧化稳定性，保护三油酸甘油酯的C=C双键和酯键结构，从而抑制三油酸甘油酯的氧化，这是由于它们在加热过程中能够减少自由基的产生。酚类化合物的结构特性不同，对三油酸甘油酯的氧化作用也不同。缩合酚类化合物的大小顺序为:槲皮素(QC)>杨梅素(MC)>山奈酚(KF)>槲皮苷(QR)>表儿茶素(EC)>原花青素。可水解酚类化合物的作用顺序为没食子酸(GA)>鞣花酸(EA)>单宁酸(TA)。对于缩合酚类化合物，B环羟基的增加可以增强其抑制能力，而C环的结构和C环的取代结构可能会影响其抑制能力，这与酚类化合物分子的电子密度和电子分布的变化有关。对于可水解的酚类化合物，其分子量、聚合度和共轭结构都对其反应性有重要影响，从而影响其对三油酸甘油氧化的抑制能力。不同结构特征的酚类化合物对油脂氧化的抑制动力学和浓度依赖性研究正在进行中。
编辑：李文婷
责任编辑：魏芳
文章引用：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.137361
文章信息：Hao-Xiang Gao , Nan Chen , Qiang He , Bi Shi , Wei-Cai Zeng. (2024).Effects of structural characteristics of phenolic compounds on oxidation of glycerol trioleate: Action rule and mechanism
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