Development and application of a new assay for the electrochemical determination of the antioxidant capacity of model compounds and of complex matrices

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicações práticas de uma nova e simples metodologia eletroquímica para a determinação da capacidade antioxidante de moléculas modelo específicas e/ou algumas amostras complexas de alimentos normalmente consumidas no Brasil. Outros sistemas de interesse teórico ou tecnológico também foram investigados. O método se baseia no uso de uma quantidade conhecida de um íon inorgânico como oxidante e na determinação cronoamperométrica de sua concentração remanescente após reação com as espécies antioxidantes de interesse. Contudo, testes iniciais para diferentes marcas comerciais de sucos de laranjas usando Fe3+ como oxidante (ensaio FRAP modificado), só obtiveram êxito quando o antioxidante apresenta um comportamento eletroquímico totalmente irreversível como, por exemplo, o ácido ascórbico. Para superar esse problema, o ensaio foi então desenvolvido usando o Ce4+ como oxidante (ensaio CRAC) uma vez que sua redução após reação pode ser realizada em 0,8 V vs Ag/AgCl, uma região de potencial na qual não ocorre a redução das espécies formadas pela oxidação reversível ou quase reversível do antioxidante. Devido ao elevado potencial anódico requerido quando o Ce4+ é usado, foi necessário um filme de diamante dopado com boro como eletrodo de trabalho. Após uma rigorosa caracterização do sistema eletroquímico, foram realizadas determinações da capacidade antioxidante de oito compostos padrões (ácido ascórbico, ácido gálico, ácido tânico, BHA, catequina, quercetina, rutina e trolox), usando o ensaio CRAC. Os resultados mostraram uma correlação satisfatória com ensaios mais complexos reportados na literatura e foram aplicados em um conjunto de sucos de frutas industrializados, mostrando valores máximos com quase uma ordem de grandeza superior ao apresentado pelo composto de referência (trolox), com a seguinte seqüência de capacidade antioxidante: caju > goiaba > uva > manga > laranja > maracujá. Considerando a busca da indústria local de \"cachaça\" por madeiras alternativas em contrapartida aos tonéis de carvalho, o ensaio CRAC foi realizado usando quatro extratos etanólicos de madeiras brasileiras [Pequi (Caryocar brasiliense), Imbuia (Octea porosa), Cabreúva (Myrocarpus frondosus) e Cabreúva-vermelha (Myroxylon balsamum)] assim como um extrato de Carvalho (Quercus sp), para comparação. Os resultados indicaram um aumento na capacidade antioxidante na ordem apresentada acima e, apesar da melhor amostra (Cabreúva-vermelha) ter apenas 60% da capacidade antioxidante apresentada pelo carvalho, sua disponibilidade e preço despertam o interesse por pesquisas futuras. Uma avaliação comparativa dos resultados obtidos usando os ensaios CRAC e DPPH foi realizado para extratos metanólicos de cana-de-açúcar e polpa de maracujá. Essa comparação revelou uma diferença quantitativa entre os valores dos ensaios, porém, a hierarquia foi mantida para cada conjunto de resultado. Esse efeito foi atribuído às diferenças nos mecanismos dominantes para a desativação radicalar, bem como para as condições experimentais de cada ensaio. A correlação entre a estrutura e a atividade antioxidante de moléculas modelo de flavonóides sob investigação foi relatada devido à presença de certos grupos substituintes na estrutura de difenilpirano. A atividade hierárquica para tais grupos foi estabelecida como: OH(C2´C4´) > OH(C4´) ~ OH(C3´C4´) > C2=C3 + 4-oxo > OH(C3,C5) + 4-oxo > OH(C3) + 4-oxo > OH(C5) + 4-oxo > OH(C3,C5). A formação de complexos entre flavonóides e íons metálicos, tal como o Fe2+, tem um forte efeito sobre a capacidade antioxidante e o ensaio CRAC mostrou que para a morina, quercetina e fisetina, esse aumento foi de 15,3; 31,8 e 27,9%, respectivamente. Por outro lado, para a catequina e crisina, o aumento foi de apenas 1,8 e 7,8%, respectivamente. Esses aumentos foram relatados devido à presença de, pelo menos, um dos três tipos de sítios ativos na molécula polifenólica que interage com íons metálicos. Todos esses resultados confirmam que o ensaio CRAC é uma ferramenta simples e viável para a determinação da capacidade antioxidante de uma variedade de sistemas práticos e moléculas modelo.This work describes the development and practical applications of a novel and simple electrochemical methodology for the determination of the antioxidant capacity of specific model molecules and/or some complex food samples currently consumed in Brazil. Other systems having either theoretical or technological interest were also investigated. The method is based on the use of a known amount of an inorganic ion as the oxidant and in the chronoamperometric determination of its remaining concentration after reaction with the chosen antioxidant species. However, initial tests for different commercial brands of orange juices using Fe3+ as the oxidant (modified FRAP assay) were only successful when the antioxidant has a totally irreversible electrochemical behavior as, for example, ascorbic acid. To overcome this problem, the assays were then performed using Ce4+ as the oxidant (the CRAC assay) since its reduction after reaction can be carried out at 0.8 V vs Ag/AgCl, a potential region where the reduction of species formed by the reversible or quasi-reversible oxidation of the antioxidant does not occur. Due to the high anodic potentials required when using Ce4+, it was necessary to have a boron-doped diamond film as the working electrode. After a rigorous characterization of the electrochemical systems, measurements of the antioxidant capacity of eight standard compounds (ascorbic acid, gallic acid, tannic acid, BHA, catechin, quercetin, rutin and trolox) were carried out using the CRAC assay. The results showed a satisfactory correlation with those reported in the literature using other more complex assays and these studies were then applied to a set of industrialized fruit juices showing maximum values almost one order of magnitude higher than that of the reference compound (trolox) and following the antioxidant capacity sequence: cashew>guava>grape>mango>orange>passion fruit. Considering that the local \"cachaça\" industry is looking for alternative woods to the use of oak barrels, CRAC assays were carried out using four ethanol extracts of Brazilian woods [Pequi (Caryocar brasiliense), Imbuia (Octea porosa), Cabreúva (Myrocarpus frondosus) e Cabreúva-vermelha (Myroxylon balsamum)] as well as an Oak (Quercus sp) extract, for comparison. The results indicate an increasing antioxidant capacity in the order presented above and, although the best sample (Cabreúva-vermelha) has only 60% of the capacity shown by oak, its local availability and price makes it interesting for further research. A comparative evaluation of the results obtained using the CRAC and the DPPH assays was carried out for methanol extracts of sugar cane juice and passion fruit pulp. That comparison revealed a quantitative difference between the assay values but the hierarchy was maintained for each set of results. Such effect was attributed to differences in the prevailing mechanism for radical deactivation, as well as, the experimental conditions used for each assay. The correlation between structure and antioxidant activity of model flavonoid molecules under investigation was related to the presence of certain groups in the diphenilpyrene structure. The activity hierarchy for them was established as: OH(C2´C4´) > OH(C4´) ~ OH(C3´C4´) > C2=C3 + 4-oxo > OH(C3,C5) + 4-oxo > OH(C3) + 4-oxo > OH(C5) + 4-oxo > OH(C3,C5). The complex formation between flavonoids and metal ions, such as Fe2+, has a strong effect on the antioxidant capacity and CRAC assay showed that for morin, quercetin and fisetin the increase was 15.3, 31.8 and 27.9%, respectively. On the other hand, for catechin and chrysin the increase was only 1.8 and 7.8%, respectively. These increases were related to the presence of, at least, one of three types of active sites in the polyphenolic molecule that can interact with metal ions. All these findings confirm that the CRAC assay is simple and convenient tool for the determination of the antioxidant capacity of a variety of practical systems and model molecules