Investigation of the antioxidant properties of five aromatic plants in model food systems
Authors:   , Azman Nurul Aini Binti Mohd 
Published: September 2023

In this PhD it has been analyzed the antioxidant activity of five plants: Camelia sinensis, Gentian lutea, Betula pendula, Convolvulus arvensis and Arctostaphylos uva-ursi.
An Electronic Paramagnetic Resonance has been tuned up to determine the antiradical activity of white tea against the methoxy radical using ferulic acid as a standard. It has been proven that the components with more antiradical activity, against the methoxy radical, are the ones with the gallate group, EGCG and ECG.
Active ingredients of the Gentian root have been obtained with hydroalcoholic extraction and their antioxidant activity has been demonstrated in both in vitro methods and food models. The antiradical activity of such extracts was determined by FRAP, DPPH, TEAC and ORAC assays. The lyophilized extract, added to the ecological beef meat in a proportion of 2% (by mass), inhibited the meat oxidation (measured by TBARS assay) in high oxygen content atmospheres (80% in volume) as well as in low oxygen content ones (20% in volume). The simultaneous addition of ascorbic acid (0.5% by mass) resulted in significant improvements in color and stability. The lyophilized extract (0.5% by mass) also inhibited oxidation in model systems, oil-in-water emulsions, stored in forced oxidation conditions and constant agitation. The protein BSA addition (0.1% by mass) showed synergic effect and increased the emulsion stability against oxidation. HPLC quantitative analysis found that gentian contained secoiridoid-glycosides (gentiopiocroside and sweroside) and the post-column addition of ABTS cationic radical demonstrated the scavenging activity of each of its compounds.
For Convolvulus and Betula, the effect of the solvent polarity in the total polyphenol extraction (by the Folin Ciocalteau assay) was determined. The 50% ethanol extract was the best performer.
The scavenging activity of the Convolvulus extract was analyzed by TEAC, FRAP and ORAC assays and against methoxy radical (by EPR). Furthermore, lyophilized extract was added to minced meat hamburgers in different proportions (0.1 and 0.3% by mass). They were stored in a modified atmosphere (80% of O2 and 20% of CO2). Lastly, an edible gelatin film, with Convolvulus extract, was designed. All the assays showed capacity to protect the hamburgers against oxidation.
The antiradical activity of the Betula extract was also determined by TEAC, ORAC and FRAP assays and against methoxy radical (by EPR). Some of its phenolic acids were identified by HPLC. Hamburgers, with a proportion of 0.1% and 0.3% by mass of the lyophilized extract, were made and stored under refrigeration (4ºC) and in a modified atmosphere (80% of O2 and 20% of CO2). Colour and percentage of metmyoglobin changes were analyzed as well as the oxidation degree (by TBARS assay). Both percentages provided significant improvements in all the studied parameters.
The last part of this thesis was focused in the study of Arctostaphylos uva-ursi. The scavenging activity against ABTS+ and methoxy radical was determined (by EPR). A percentage of 0.1% by mass of the lyophilized extract was added to oil-in-water emulsions. Oxidation was measured by VP and TBARS. There was a significant delay in oxidation. Extract was incorporated to edible gelatin films with 0.1% by mass. If such a film protects the hamburger, its life is increased.
In conclusion, all five plants presented in this study have antioxidant activity (in the used proportions) that made them suitable to formulate new foods, more stable over time against oxidation without using the controversial synthetic antioxidants. Moreover, they will be able to provide additional advantages (incorporating natural antioxidants), which would provide functional foods.
Se ha analizado la actividad antioxidante de cinco plantas: Camelia sinensis, Gentian lutea, Betula pendula, Convolvulus arvensis y Arctostaphylos uva-ursi. Se ha puesto a punto, con el té blanco, la Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR) para determinar la actividad antiradicalaria frente al radical metoxi, usando como patrón el ácido ferúlico. Se ha demostrado que los componentes del té con más actividad antiradicalaria, frente a los radicales metoxi, son los que tienen el grupo galato, EGCG y ECG. Se han obtenido, por extracción hidroalcohólica, los principios activos de la raíz de genciana y se ha demostrado su actividad antioxidante tanto en métodos in vitro como en modelos de alimentos. La actividad antiradicalaria de dichos extractos se determinó por FRAP, DPPH, TEAC y ORAC. El liofilizado del extracto, añadido a la carne de ternera ecológica en proporción 0,2 % (en masa), inhibió la oxidación de la carne (medida por TBARs), tanto en atmósferas de alto contenido en oxígeno (80% en volumen) como de bajo contenido (20% en volumen). La adición simultánea de ácido ascórbico (0,5% en masa) produjo mejoras significativas en el color y en la estabilidad. El extracto liofilizado (0,5 % en masa) también inhibió la oxidación en sistemas modelo, emulsiones de aceite en agua, almacenadas en condiciones de oxidación forzada y con agitación constante. La adición de la proteína BSA (0,1 % en masa) mostró efecto sinérgico y aumento la estabilidad de la emulsión frente a la oxidación. El análisis cuantitativo mediante HPLC mostró que la genciana contenía glucósidos secoiridoides (gentiopiocrosido y swerosido) y la adición post-columna del radical catiónico ABTS, demostró la actividad antiradicalaria de cada uno de sus compuestos. Para Convulvuvus y Betula se determinó el efecto de la polaridad del disolvente en la extracción de los polifenoles totales (por el método de Folin Ciocalteau). El extracto de etanol al 50% fue el que obtuvo mejores resultados. Se analizó la actividad antiradicalaria del extracto de Convulvuvus mediante el TEAC, el FRAP, el ORAC y frente al radical metoxi (por EPR). Además se añadió el extracto liofilizado a hamburguesas de carne picada en diferentes proporciones (0,1 y 0,3 % en masa). Se almacenó en atmósfera modificada (80% de O2 y 20% de CO2). Finalmente se diseñó un film comestible de gelatina con el extracto de Convulvuvus. Todos los ensayos mostraron capacidad de proteger las hamburguesas frente a la oxidación. Se determinó la actividad antiradicalaria del extracto de Betula por TEAC, ORAC, FRAP y frente al radical metoxi (por EPR). Se identificaron por HPLC algunos de sus ácidos fenólicos. Se hicieron hamburguesas con una proporción de 0,1% y 0,3%, en masa, del extracto liofilizado y se almacenaron en refrigeración (4ºC) y en atmósfera modificada (80% O2 y 20% CO2). Se analizó el cambio de color y el cambio en el porcentaje de metamioglobina, así como el grado de oxidación (a través del TBARs). Los dos porcentajes proporcionaron mejoras significativas en todos los parámetros estudiados. La última parte de esta tesis se centró en el estudio de la Arctostaphylos uva-ursi. Se determinó la actividad antiradicalaria frente al ABTS·+ y frente al radical metoxi (por EPR). Se añadió a emulsiones de aceite en agua un porcentaje de 0,1 % en masa del extracto liofilizado. Se midió la oxidación por VP y TBARs. Se produjo un retraso significativo en la oxidación. Se incorporó extracto a films comestibles de gelatina con 0,1 % en masa. Si dicho film protege la hamburguesa, aumenta su vida útil. En conclusión, las 5 plantas presentadas en este estudio tienen una actividad antioxidante (en las proporciones utilizadas) que las hace aptas para formular nuevos alimentos, más estables en el tiempo frente a la oxidación sin el uso de los controvertidos antioxidantes sintéticos. Además podrán proporcionar ventajas adicionales (incorporación de antioxidantes naturales), lo que permitiría obtener alimentos funcionales.