Chemical and thermal degradation of beta-carotene and its relation to the antioxidant properties and color

Resumo: Muitos processos utilizados na indústria de alimentos empregam altas temperaturas e proporcionam o contato dos alimentos com substâncias pró-oxidantes. Tais condições tornam a sequência de ligações duplas conjugadas presente nos carotenoides susceptível à isomerização geométrica, oxidação e degradação. Portanto, o objetivo principal deste trabalho foi estudar a degradação térmica e química do b-caroteno, através da identificação dos compostos primários de degradação e sua relação com a capacidade antioxidante e as propriedades de cor. Os experimentos realizados foram: a) aquecimento a 120 °C na presença de ar; b) aquecimento a 120 °C sob fluxo de oxigênio, c) aquecimento a 120 °C na presença de ar e adição de galato de propila; d) aquecimento a 150 °C na presença de ar; e) aquecimento a 150 °C sob fluxo de oxigênio; f) aquecimento a 150 °C sob fluxo de nitrogênio; g) clivagem oxidativa com permanganato de potássio (KMnO4) e h) reação de epoxidação com ácido meta-cloro-perbenzóico (MCPBA). A degradação do b-caroteno foi monitorada através da análise de carotenóides totais por espectrofotometria, a avaliação da cor por colorimetria (parâmetros CIELAB) e análise do perfil de carotenóides por cromatografia líquida de alta eficiência com detectores de arranjo de fotodiodos e espectrometria de massas (HPLC-DAD-MS/MS). As alterações na capacidade antioxidante foram avaliadas por meio da capacidade de desativação do radical ABTS¿+ (2,2¿-azinobis-(3-etilbenzotiazolina-6-sulfonato)) e da proteção contra o oxigênio singlete (1O2) utilizando o 9,10-dimetil-antraceno como actinômetro e azul de metileno como sensibilizador. Foram identificados 16 carotenóides gerados pela degradação térmica e química do b-caroteno. O aquecimento resultou na diminuição da concentração de all-trans-b-caroteno com a formação de isômeros (13-cis, 9-cis, 15-cis, 9,13-di-cis, 9,15-di-cis, 9,13¿-di-cis, 13,15-di-cis-ß-caroteno), epóxidos (5,6 e 5,8-epóxi-ß-caroteno) e, em menor quantidade, apocarotenóides (ß-apo-8¿-carotenal, ß-apo-10¿-carotenal, ß-apo-12¿-carotenal). Na oxidação química com KMnO4, o all-trans-b-caroteno foi totalmente degradado após 30 min de reação com formação de b-apo-8¿-carotenal, b-apo-10¿-carotenal, b-apo-12¿-carotenal, b-apo-15-carotenal e semi-b-carotenona. Já na reação com MCPBA, o all-trans-b-caroteno não foi completamente degradado e os produtos de degradação formados em maior proporção foram 5,6-epóxi-b-caroteno, 5,6:5¿,6¿-diepóxi-b-caroteno, 5,6:5¿,8¿-diepóxi-b-caroteno e 5,8-epóxi-b-caroteno, além de pequena quantidade de 13-cis-b-caroteno e 9-cis-b-caroteno. Em todos os experimentos foi observada a existência de correlação superiores a 0,91 entre alguns parâmetros físicos de cor (b* e C*ab) e o parâmetro químico (teor de carotenóides totais), indicando que estes parâmetros de cor podem ser utilizados para monitorar a degradação de carotenóides. O mecanismo proposto para os dois tipos de degradação (térmica e química) envolveu reações reversíveis e irreversíveis, para formação de compostos de isomerização e de oxidação, respectivamente. A análise da capacidade antioxidante mostrou que a presença isolada de b-caroteno ou a mistura de b-caroteno com produtos de degradação térmica apresentaram valores similares de TEAC (capacidade antioxidante equivalente a trolox) e de porcentagem de proteção contra 1O2. Por outro lado, os produtos de oxidação gerados na reação química com KMnO4 resultaram em um aumento nos valores de TEAC e maior eficiência da desativação do 1O2 com o aumento do tempo de reaçãoAbstract: Many processes in the food industry aplly high temperatures and allow the contact with pro-oxidant substances, such conditions in which the sequence of conjugated double bonds, present in carotenoids, is susceptible to geometric isomerization, oxidation and degradation. Therefore, the main aim of this work was to study the thermal and chemical degradation of b-carotene, identifying the primary degradation compounds and its relation with the antioxidant capacity and colour properties. The experiments were: a) heating at 120 °C with air exposure; b) heating at 120 °C under flow of pure oxygen; c) heating at 120 °C with air exposure and addition of propyl gallate; d) heating at 150 °C with air exposure; e) heating at 150 °C under flow of pure oxygen; f) heating at 150 °C under a flow of pure nitrogen; g) oxidative cleavage with potassium permanganate (KMnO4); and h) epoxidation with meta-chloroperbenzoic acid (MCPBA). In all experiments, the degradation and formation of isomerization and oxidation products were monitored by analysis of total carotenoids by spectrophotometer, colour evaluation by colorimetry and carotenoid profile analysis by high-performance liquid chromatography with photodiode array detector and mass spectrometry (HPLC-DAD-MS). Changes in the antioxidant capacity were monitored by the scavenging capacity against the ABTS¿+ (2,2-azinobis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid)), and protection against singlet oxygen (1O2) using 9,10-dimethyl-anthracene as actinometer and methylene blue as sensitizer. A total of sixteen carotenoids were identified in both the chemical and thermal degradation of b-carotene. Heating caused a decrease in the all-trans-b-carotene content with the formation of cis isomers (13-cis, 9-cis, 15-cis, 9,13-di-cis, 9,15-di-cis, 9,13¿-di-cis, 13,15-di-cis-b-carotene), epoxides (5,6 and 5,8-epoxy-b-carotene) and apocarotenoids (b-apo-8'-carotenal, b-apo-10'-carotenal, b-apo-12'-carotenal). The chemical degradation with KMnO4 completely degraded the all-trans-b-carotene in 30 minutes of reaction, with the formation of b-apo-8'-carotenal, b-apo-10'-carotenal, b-apo-12'-carotenal, b-apo-15-carotenal and semi-b-carotenone. In the reaction with MCPBA, all-trans-b-carotene was not completely degraded and the major products were 5,6-epoxy-b-carotene, 5,6:5¿,6¿-diepoxy-b-carotene, 5,6:5¿,8¿-diepoxy-b-carotene and 5,8-epoxy-b-carotene, with small amounts of 13-cis-b-carotene and 9-cis-b-carotene. All experiments showed correlations above 0.91 between some physical colour parameters (b* and C*ab) and chemical parameters (content of total carotenoids), indicating that some colour parameters can be used to monitor carotenoid degradation. The proposed mechanism in both types of degradation (thermal and chemical) involved reversible and irreversible reactions, to the formation of isomerization and oxidation compounds, respectively. The analysis of the antioxidant capacity showed that both pure b-carotene and the mixture of b-carotene with thermal degradation products had similar values of TEAC (trolox equivalent antioxidant capacity), as well as similar protection percentage against 1O2. On the other hand, the products formed in the chemical reaction with KMnO4 resulted in increase in both the TEAC values and protection against 1O2 with the increase in reaction tim