Effect of phenolic-rich plant materials on protein and lipid oxidation reactions

The antioxidant activity of natural plant materials rich in phenolic compounds is being widely investigated for protection of food products sensitive to oxidative reactions. In this thesis plant materials rich in phenolic compounds were studied as possible antioxidants to prevent protein and lipid oxidation reactions in different food matrixes such as pork meat patties and corn oil-in water emulsions. Loss of anthocyanins was also measured during oxidation in corn oil-in-water emulsions. In addition, the impact of plant phenolics on amino acid level was studied using tryptophan as a model compound to elucidate their role in preventing the formation of tryptophan oxidation products. A high-performance liquid chromatography (HPLC) method with ultraviolet and fluorescence detection (UV-FL) was developed that enabled fast investigation of formation of tryptophan derived oxidation products. Byproducts of oilseed processes such as rapeseed (Brassica rapa L.), camelina (Camelina sativa) and soy meal (Glycine max L.) as well as Scots pine bark (Pinus sylvestris) and several reference compounds were shown to act as antioxidants toward both protein and lipid oxidation in cooked pork meat patties. In meat, the antioxidant activity of camelina, rapeseed and soy meal were more pronounced when used in combination with a commercial rosemary extract (Rosmarinus officinalis). Berry phenolics such as black currant (Ribes nigrum) anthocyanins and raspberry (Rubus idaeus) ellagitannins showed potent antioxidant activity in corn oil-in-water emulsions toward lipid oxidation with and without β-lactoglobulin. The antioxidant effect was more pronounced in the presence of β-lactoglobulin. The berry phenolics also inhibited the oxidation of tryptophan and cysteine side chains of β-lactoglobulin. The results show that the amino acid side chains were oxidized prior the propagation of lipid oxidation, thereby inhibiting fatty acid scission. In addition, the concentration and color of black currant anthocyanins decreased during the oxidation. Oxidation of tryptophan was investigated in two different oxidation models with hydrogen peroxide (H2O2) and hexanal/FeCl2. Oxidation of tryptophan in both models resulted in oxidation products such as 3a-hydroxypyrroloindole-2-carboxylic acid, dioxindolylalanine, 5-hydroxy-tryptophan, kynurenine, N-formylkynurenine and β-oxindolylalanine. However, formation of tryptamine was only observed in tryptophan oxidized in the presence of H2O2. Pine bark phenolics, black currant anthocyanins, camelina meal phenolics as well as cranberry proanthocyanidins (Vaccinium oxycoccus) provided the best antioxidant effect toward tryptophan and its oxidation products when oxidized with H2O2. The tryptophan modifications formed upon hexanal/FeCl2 treatment were efficiently inhibited by camelina meal followed by rapeseed and soy meal. In contrast, phenolics from raspberry, black currant, and rowanberry (Sorbus aucuparia) acted as weak prooxidants. This thesis contributes to elucidating the effects of natural phenolic compounds as potential antioxidants in order to control and prevent protein and lipid oxidation reactions. Understanding the relationship between phenolic compounds and proteins as well as lipids could lead to the development of new, effective, and multifunctional antioxidant strategies that could be used in food, cosmetic and pharmaceutical applications.

Mehiläisten (Apis mellifera) kukkavierailut mansikalla (Fragaria x ananassa) ja vadelmalla (Rubus idaeus) sekä kukkavierailuihin vaikuttavat tekijät

Hyönteispölytys lisää monien ristipölytteisten viljelykasvien siemensatoa sekä parantaa sadon laatua. Marjakasveilla, kuten mansikalla ja vadelmalla marjojen koko suurenee sekä niiden laatu paranee onnistuneen pölytyksen seurauksena. Aiempien havaintojen mukaan mansikan kukat eivät pääsääntöisesti houkuttele mehiläisiä, kun taas vadelma on yksi mehiläisten pääsatokasveista. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten tehokkaasti mehiläiset vierailevat mansikalla sekä vadelmalla, keskittyen kukkakohtaisiin käynteihin tuntia kohti. Mehiläisiä voidaan käyttää Gliocladium catenulatum-vektoreina torjuttaessa mansikan ja vadelman harmaahometta (Botrytis cinerea). Kukkavierailujen perusteella arvioidaan, onko vektorilevitys riittävän tehokas torjumaan harmaahometta ja miten hyvin mehiläisiä voidaan käyttää pölytyspalveluihin, etenkin mansikalla. Havainnot kerättiin kuudelta eri tilalta Sisä-Savosta kesällä 2007. Kukkavierailuja laskettiin mansikan ja vadelman kukinnan aikana erilaisissa sääolosuhteissa, eri kellonaikoina ja eri etäisyyksillä mehiläispesistä. Kukat valittiin satunnaisesti, ja valintaperusteena oli kukan avonaisuus. Tarkkailuaika riippui mehiläisten lentoaktiivisuudesta. Mansikan koko havaintojakson keskiarvoksi tuli 1,75 käyntiä kukkaa kohti tunnissa. Vadelmalla vastaava luku oli 4,27, joten keskiarvojen perusteella vadelma oli houkuttelevampi kuin mansikka. Kasvukauden vaiheella ei ollut eroja vierailuihin kummallakaan kasvilla, mutta vuorokaudenajan suhteen vierailuja oli enemmän aamupäivällä kuin iltapäivällä. Lämpötila korreloi positiivisesti vierailutiheyden kanssa kummallakin kasvilla. Sääolosuhteet rajoittivat havaintojen keräämistä ja kesä oli erittäin sateinen. Mehiläiset vierailivat kukissa riittävästi haastavissakin sääolosuhteissa niin, että harmaahometorjunta onnistui. Vektorilevitystä suunnitellessa, etenkin mansikalla, tulee ottaa huomioon pesien sijoittelu sekä riittävä lukumäärä. Pesien ravinnontarpeen tulee olla suuri, jotta mehiläiset keräisivät ravintoa kukista mahdollisimman tehokkaasti. Pesiin voidaan lisätä tarvittaessa avosikiöitä tai poistaa siitepölyvarastoja ravinnonkeruuaktiivisuuden lisäämiseksi. Lisätutkimusta tarvitaan pesien sijoittelun, kilpailevien kasvien sekä mansikkalajikkeiden houkuttelevuuden vaikutuksesta vierailutiheyteen. Suomalaisten mansikkalajikkeiden meden sekä siitepölyneritystä olisi myös hyvä selvittää.