DOI: https://doi.org/10.48048/tis.2026.11664
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Kittisak Kittisak Sangthongchin وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة جودة ما بعد الحصاد وعمر الرف
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة إمكانيات المركبات الفينولية المستخلصة من النباتات كمثبطات طبيعية لإنزيم أكسيد الفينول (PPO) للتخفيف من البنيان الإنزيمي في المنتجات المقطعة حديثًا. مع التركيز على تسعة أنواع نباتية من جنوب شرق آسيا، تحدد الأبحاث أوراق Glochidion perakense كمصدر فعال بشكل خاص، حيث تظهر قدرة مضادة للأكسدة ملحوظة (88.11% من إزالة DPPH؛ IC50 = 3.04 ± 0.17 µg/mL) وتثبيط PPO متفوق (89.93% تثبيط؛ IC50 = 278.00 ± 2.04 µg/mL)، متفوقة على المثبط التجاري حمض الكوجيك (IC50 = 311.58 ± 1.83 µg/mL). كما تستخدم الدراسة تقنية الميكروكبسولة المعتمدة على الكيتوزان لتعزيز استقرار المستخلصات، كاشفة أن نسبة 1:1 من الكيتوزان إلى المستخلص تحافظ بشكل كبير على محتوى الفينول على مدى 30 يومًا، مما يؤدي إلى زيادة بمقدار 2.5 مرة في تثبيط PPO في البطاطس المقطعة حديثًا مقارنة بالمستخلصات غير المغلفة.
توضح تحليلات الربط الجزيئي آلية التثبيط، حيث تحدد (-)-أمورنسيسين كمركب رئيسي له أقوى قدرة ارتباط بـ PPO (ΔG = -7.13 kcal/mol)، متجاوزًا مثبطات أخرى تم تحديدها مثل الكاتيشين والبرغينين. تؤكد النتائج على إمكانيات G. perakense كمادة حافظة طبيعية مستدامة، مع عمل الميكروكبسولة المعتمدة على الكيتوزان كنظام توصيل فعال لتعزيز مدة صلاحية المنتجات الطازجة وتقليل الفقد بعد الحصاد. تضع هذه الأبحاث أساسًا لتطبيقات مستقبلية لمثبطات الإنزيمات الطبيعية في استراتيجيات حفظ الطعام.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات التي تواجه صناعة المنتجات المقطعة حديثًا، وخاصة مشكلة البنيان الإنزيمي الناتج عن أكسيد الفينول (PPO)، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة تقدر بمليارات سنويًا. يقوم PPO بتحفيز أكسدة المركبات الفينولية، مما يؤدي إلى تغييرات غير مرغوب فيها في اللون وانخفاض القيمة الغذائية. تواجه الطرق التقليدية للتخفيف من البنيان، مثل المواد الحافظة الاصطناعية، تدقيقًا تنظيميًا بسبب المخاوف الصحية، مما يدفع نحو التحول إلى بدائل طبيعية. يتم استكشاف المستخلصات النباتية، وخاصة تلك المستمدة من الطب التقليدي في جنوب شرق آسيا، لخصائصها الحافظة، حيث أظهرت عدة نباتات خصائص مضادة للأكسدة واعدة وإمكانية لتثبيط PPO.
تركز الدراسة على نباتات مختلفة من جنوب شرق آسيا، بما في ذلك Glochidion perakense وAnacardium occidentale، الغنية بالفينولات التي قد تثبط PPO من خلال آليات مثل التثبيط التنافسي وخلط أيونات النحاس. يتم التأكيد على العلاقة بين النشاط المضاد للأكسدة وتثبيط PPO، حيث تكشف دراسات الربط الجزيئي عن تفاعلات حاسمة بين الفينولات النباتية وموقع ارتباط PPO. ومع ذلك، تتطلب التحديات مثل عدم استقرار المستخلصات النباتية استخدام تقنية الميكروكبسولة، وخاصة الأنظمة المعتمدة على الكيتوزان، التي تعزز استقرار وتوصيل المركبات النشطة بيولوجيًا. تهدف هذه الأبحاث إلى تحديد مثبطات PPO الطبيعية الفعالة وتطوير نظام ميكروكبسولة معتمد على الكيتوزان لتحسين حفظ البطاطس المقطعة حديثًا، مما يساهم في تقدم طرق حفظ الطعام الآمنة والمستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام استخراج الموجات فوق الصوتية لتحضير المواد النباتية، التي تم غسلها أولاً، وتجفيفها عند 50 درجة مئوية، وطحنها إلى مسحوق، وتخزينها في مجفف. تم تقييم النشاط المضاد للأكسدة للمستخلصات باستخدام اختبار DPPH المعدل. للت screening الأولي، تم دمج 100 ميكرولتر من محلول المستخلص (200 ميكروغرام/مل في 10% إيثانول) مع 150 ميكرولتر من محلول DPPH بتركيز 0.2 مليمول في لوحة ميكرو 96 بئر، مما أدى إلى تركيز نهائي للمستخلص قدره 80 ميكروغرام/مل. تم حضن المزيج في الظلام عند درجة حرارة الغرفة لمدة 30 دقيقة قبل قياس الامتصاص عند 517 نانومتر.
لتحديد قيم IC50، تم اختبار المستخلصات التي تظهر نشاطًا مضادًا للأكسدة ملحوظ عبر تركيزات مختلفة، وتم تحسينها بناءً على النتائج الأولية لضمان حسابات دقيقة ضمن نطاق الاستجابة الخطية. تم تقييم مضادات الأكسدة القوية عند تركيزات نهائية تتراوح بين 2-20 ميكروغرام/مل، بينما تم اختبار المستخلصات الأضعف عند 20-150 ميكروغرام/مل. تم حساب نسبة إزالة DPPH باستخدام الصيغة:
\[
\% \text{ إزالة DPPH} = \left( \frac{A_{\text{control}} – A_{\text{sample}}}{A_{\text{control}}} \right) \times 100
\]
حيث \(A_{\text{control}}\) هو الامتصاص لمحلول DPPH مع 10% إيثانول و\(A_{\text{sample}}\) هو الامتصاص مع المستخلص. تم اشتقاق قيم IC50 من خلال تحليل الانحدار الخطي. تم استخدام الإيثانول كتحكم سلبي، بينما تم استخدام حمض الأسكوربيك كتحكم إيجابي.
نتائج
استكشفت الدراسة إمكانيات المستخلصات النباتية، المعروفة بمحتواها العالي من مضادات الأكسدة، كمثبطات طبيعية لأكسيد الفينول (PPO). تم تقييم مستخلصات نباتية مختلفة من حيث أنشطتها المثبطة لـ PPO ونشاطها المضاد للأكسدة باستخدام التحليلات الطيفية والمحاكاة الحاسوبية. حددت النتائج المستخلص الأكثر فعالية، الذي تم تغليفه بعد ذلك في مصفوفة كيتوزان لتقييم استقراره وتأثيراته المثبطة لـ PPO.
أظهرت التحليلات المقارنة بين المستخلصات الحرة والمغلفة استقرارًا محسّنًا وفعالية في منع البنيان الإنزيمي في عينات البطاطس. تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى مهمة حول صياغة أنظمة الحفظ الطبيعية التي تهدف إلى تقليل البنيان في الفواكه والخضروات المقطعة حديثًا، مما يبرز إمكانيات الحلول المستندة إلى النباتات في حفظ الطعام.
مناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على الإمكانيات الواعدة لمستخلص أوراق Glochidion perakense كمادة حافظة طبيعية، حيث تعرض نشاطًا مضادًا للأكسدة متفوقًا وقدرات تثبيط أكسيد الفينول (PPO). استخدمت الدراسة منهجيات متنوعة، بما في ذلك اختبارات تثبيط PPO وكروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS/MS) لتحديد المركبات، كاشفة أن أوراق G. perakense أظهرت أعلى تثبيط لـ DPPH (88.11%) وقيمة IC50 منخفضة (3.04 ميكروغرام/مل)، مما يشير إلى خصائص مضادة للأكسدة قوية. بشكل ملحوظ، أظهر المستخلص تثبيطًا ملحوظًا لـ PPO (89.93%) مع IC50 قدره 278.00 ميكروغرام/مل، متفوقًا على المثبط التجاري حمض الكوجيك. كما حددت الدراسة مركبات نشطة بيولوجيًا رئيسية مثل (-)-أمورنسيسين، الكاتيشين، والبرغينين، التي أظهرت قدرات ارتباط كبيرة بموقع النشاط لـ PPO، مما يشير إلى دورها في التأثيرات المثبطة الملحوظة.
علاوة على ذلك، عززت تغليف مستخلص G. perakense في كبسولات كيتوزان بشكل كبير استقرار ووظائف المركبات النشطة بيولوجيًا، مما حافظ على محتوى الفينول والنشاط المضاد للأكسدة خلال التخزين. أظهرت التركيبات المغلفة نشاطًا أقل لـ PPO في البطاطس المقطعة حديثًا مقارنة بالتحكم غير المغلف، مما يشير إلى فعالية الكيتوزان في الحفاظ على تثبيط الإنزيم. بشكل عام، تؤكد النتائج على الوظيفة المزدوجة لمستخلص G. perakense في كل من اختبارات النشاط المضاد للأكسدة وتثبيط PPO، مما يضعه كمرشح قيم للتطبيقات في حفظ الطعام وصياغات مستحضرات التجميل. هناك حاجة لمزيد من التحقيق في المكونات الكيميائية المحددة المسؤولة عن هذه الخصائص لتحسين استخدامها في التطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.48048/tis.2026.11664
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Kittisak Kittisak Sangthongchin et al.
Primary Topic: Postharvest Quality and Shelf Life Management
Overview
This study investigates the potential of plant-derived polyphenolic compounds as natural inhibitors of polyphenol oxidase (PPO) to mitigate enzymatic browning in fresh-cut produce. Focusing on nine Southeast Asian plant species, the research identifies Glochidion perakense leaves as a particularly effective source, demonstrating remarkable antioxidant capacity (88.11% DPPH scavenging; IC50 = 3.04 ± 0.17 µg/mL) and superior PPO inhibition (89.93% inhibition; IC50 = 278.00 ± 2.04 µg/mL), outperforming the commercial inhibitor kojic acid (IC50 = 311.58 ± 1.83 µg/mL). The study also employs chitosan-based microencapsulation to enhance the stability of the extracts, revealing that a 1:1 chitosan-to-extract ratio significantly preserves phenolic content over 30 days, yielding a 2.5-fold increase in PPO inhibition in fresh-cut potatoes compared to unencapsulated extracts.
Molecular docking analyses further elucidate the mechanism of inhibition, identifying (-)-amurensisin as a key compound with the strongest binding affinity to PPO (ΔG = -7.13 kcal/mol), surpassing other identified inhibitors such as catechin and bergenin. The findings underscore the potential of G. perakense as a sustainable natural preservative, with chitosan microencapsulation serving as an effective delivery system to enhance the shelf life of fresh produce and reduce post-harvest losses. This research lays a foundation for future applications of natural enzyme inhibitors in food preservation strategies.
Introduction
The introduction highlights the challenges faced by the fresh-cut produce industry, particularly the issue of enzymatic browning caused by polyphenol oxidase (PPO), which results in significant economic losses estimated in the billions annually. PPO catalyzes the oxidation of phenolic compounds, leading to undesirable color changes and reduced nutritional value. Traditional methods to mitigate browning, such as synthetic preservatives, face regulatory scrutiny due to health concerns, prompting a shift towards natural alternatives. Plant-based extracts, particularly those from Southeast Asian traditional medicine, are being explored for their preservative qualities, with several plants demonstrating promising antioxidant properties and potential for PPO inhibition.
The study focuses on various Southeast Asian plants, including Glochidion perakense and Anacardium occidentale, which are rich in polyphenols that may inhibit PPO through mechanisms such as competitive inhibition and copper ion chelation. The relationship between antioxidant activity and PPO inhibition is emphasized, with molecular docking studies revealing critical interactions between plant polyphenols and the PPO binding site. However, challenges such as the instability of plant extracts necessitate the use of microencapsulation technology, particularly chitosan-based systems, which enhance the stability and delivery of bioactive compounds. This research aims to identify effective natural PPO inhibitors and develop a chitosan-based microencapsulation system to improve the preservation of fresh-cut potatoes, contributing to the advancement of safe and sustainable food preservation methods.
Methods
In this study, ultrasound-assisted extraction was employed to prepare plant materials, which were first washed, dried at 50 °C, ground into powder, and stored in a desiccator. The antioxidant activity of the extracts was assessed using a modified DPPH assay. For initial screening, 100 µL of the extract solution (200 µg/mL in 10% ethanol) was combined with 150 µL of 0.2 mM DPPH solution in a 96-well microplate, resulting in a final extract concentration of 80 µg/mL. The mixture was incubated in the dark at room temperature for 30 minutes before measuring absorbance at 517 nm.
For the determination of IC50 values, extracts demonstrating significant antioxidant activity were tested across various concentrations, optimized based on preliminary results to ensure accurate calculations within the linear response range. Strong antioxidants were evaluated at final concentrations of 2-20 µg/mL, while weaker extracts were tested at 20-150 µg/mL. The DPPH scavenging percentage was calculated using the formula:
\[
\% \text{ DPPH scavenging} = \left( \frac{A_{\text{control}} – A_{\text{sample}}}{A_{\text{control}}} \right) \times 100
\]
where \(A_{\text{control}}\) is the absorbance of the DPPH solution with 10% ethanol and \(A_{\text{sample}}\) is the absorbance with the extract. IC50 values were derived through linear regression analysis. Ethanol served as a negative control, while ascorbic acid was used as a positive control.
Results
The study investigated the potential of plant extracts, known for their high antioxidant content, as natural inhibitors of polyphenol oxidase (PPO). Various botanical extracts were assessed for their PPO inhibitory and antioxidant activities using spectroscopic analyses and computational simulations. The findings identified the most effective extract, which was subsequently encapsulated in a chitosan matrix to evaluate its stability and PPO inhibitory effects.
Comparative analyses between free and encapsulated extracts demonstrated enhanced stability and effectiveness in preventing enzymatic browning in potato samples. This research contributes significant insights into the formulation of natural preservation systems aimed at reducing browning in fresh-cut fruits and vegetables, highlighting the potential of plant-based solutions in food preservation.
Discussion
The research highlights the promising potential of Glochidion perakense leaf extract as a natural preservative, showcasing its superior antioxidant activity and polyphenol oxidase (PPO) inhibition capabilities. The study employed various methodologies, including PPO inhibition assays and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) for compound identification, revealing that G. perakense leaves exhibited the highest DPPH inhibition (88.11%) and a low IC50 value (3.04 µg/mL), indicating strong antioxidant properties. Notably, the extract demonstrated remarkable PPO inhibition (89.93%) with an IC50 of 278.00 µg/mL, outperforming the commercial inhibitor kojic acid. The study also identified key bioactive compounds such as (-)-amurensisin, catechin, and bergenin, which displayed significant binding affinities to the PPO active site, suggesting their role in the observed inhibitory effects.
Furthermore, the encapsulation of G. perakense extract in chitosan microcapsules significantly enhanced the stability and functionality of the bioactive compounds, preserving phenolic content and antioxidant activity during storage. The encapsulated formulations exhibited lower PPO activity in fresh-cut potatoes compared to unencapsulated controls, indicating the effectiveness of chitosan in maintaining enzyme inhibition. Overall, the findings underscore the dual functionality of G. perakense extract in both antioxidant and PPO inhibition assays, positioning it as a valuable candidate for applications in food preservation and cosmetic formulations. Further investigation into the specific chemical constituents responsible for these properties is warranted to optimize its use in practical applications.