Optimization of natural antioxidant factors of plants through the control of nutrients

The pollution from chemical fertilizers is pronounced in Greek soils (particularly nitrates) and is therefore critical to reduce inputs of agrochemicals in the environment.The decrease of fertilization increases the concentration of antioxidants in plant tissues. Many scientific studies to date relate the diet with plant products of high nutritional value containing phenolic-antioxidants with the prevention of cardiovascular disease, number of cancers and aging. So the aims of the present research are: to reduce environmental pollution by reducing fertilizer applied to crops, and the production of crops with high biological and nutritional value, providing greater amounts of antioxidants in the human body. It should also be noted that the decrease in the quantities of fertilizer that will be required for the cultivation of plants will also lead to economic benefits to farmers and consumers, as it will reduce the cost of production of plant products.For this purpose the effect of varying concentration of nitrate granted via hydroponic nutrient solution, in the production rate of polyphenolic compounds in vegetables (lettuce and beetroot) was studied. It was found that maximizing the production of natural antioxidants is possible through the control of nitrogen nutrition. Also, it was ascertained that a critical point in the concentration of the administered nitrogen exists below which the secondary metabolism of the studied crops i.e. beetroot and lettuce is activated, significantly increasing the rate of production of the highly beneficial for the health compounds such as phenolic phytochemicals and betacyanins. The augmentation of the activity of antioxidants was confirmed by using advanced methods such as EPR. Finally seven different polyphenolic compounds were identified and quantified by the use of liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), in different plant parts of beetroot and lettuce leaves.Η ρύπανση από τα χημικά λιπάσματα είναι έντονη στα ελληνικά εδάφη (ιδιαίτερα από τα νιτρικά άλατα) και επομένως είναι κρίσιμη η μείωση των εισροών αγροχημικών στο περιβάλλον. Η μείωση της λίπανσης αυξάνει την συγκέντρωση αντιοξειδωτικών ουσιών στους φυτικούς ιστούς. Πολλές επιστημονικές μελέτες μέχρι σήμερα συσχετίζουν την διατροφή με φυτικά προϊόντα υψηλής διατροφικής αξίας που περιέχουν φαινολικές-αντιοξειδωτικές ουσίες με την πρόληψη καρδιαγγειακών παθήσεων, πολλών μορφών καρκίνου αλλά και την γήρανση. Έτσι η έρευνα αυτή είχε διπλό στόχο: τη μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος μέσω της μείωσης των λιπασμάτων που χορηγούνται στις καλλιέργειες, και την παραγωγή φυτικών προϊόντων υψηλής βιολογικής και διατροφικής αξίας, αφού θα παρέχουν μεγαλύτερες ποσότητες αντιοξειδωτικών ουσιών στον ανθρώπινο οργανισμό. Επίσης θα πρέπει να αναφερθεί ότι η μείωση των ποσοτήτων των λιπασμάτων που θα απαιτούνται για την καλλιέργεια των φυτών θα επιφέρει και οικονομικό όφελος προς τους καλλιεργητές και τους καταναλωτές, αφού θα μειωθεί το κόστος παραγωγής των φυτικών προϊόντων. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε για πρώτη φορά η επίδραση της μεταβολής της συγκέντρωσης των χορηγούμενων νιτρικών ιόντων μέσω του θρεπτικού διαλύματος υδροπονικής καλλιέργειας στο ρυθμό παραγωγής πολυφαινολικών ενώσεων σε λαχανικά ευρείας κατανάλωσης (παντζάρι και μαρούλι) και διαπιστώθηκε ότι η μεγιστοποίηση της παραγωγής των φυσικών αντιοξειδωτικών παραγόντων είναι δυνατή μέσω του ελέγχου της αζωτούχου θρέψης. Παράλληλα, διαπιστώθηκε και ποσοτικοποιήθηκε η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου στη συγκέντρωση του χορηγούμενου αζώτου που ενεργοποιεί τον δευτερογενή μεταβολισμό των καλλιεργούμενων φυτών παντζαριού και μαρουλιού, αυξάνοντας σημαντικά το ρυθμό παραγωγής των ιδιαίτερα ευεργετικών για την υγεία φυτοχημικών ενώσεων όπως φαινολικών και μπετακυανινών. Η αύξηση όχι μόνο της περιεκτικότητας αλλά και της ενεργότητας των αντιοξειδωτικών παραγόντων επιβεβαιώθηκε με τη χρήση προηγμένων μεθόδων προσδιορισμού όπως το EPR. Τέλος προσδιορίστηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν με σύγχρονη μέθοδο φασματομετρίας μαζών (LC-MS/MS) στα διαφορετικά μέρη των φυτών παντζαριού και στα φύλλα του μαρουλιού συνολικά επτά διαφορετικές πολυφαινολικές ενώσεις

Determination of Antioxidant Charge and Total Phenolic Content in Greek aromatic plants by EPR/UV-Vis Spectroscopy

Aromatic plants and herbs are among the more important sources of phenolic compounds, which have been reported to show strong antioxidant activity. In the present work the total phenolic content and the antioxidant charge of five aromatic plants, Origanum vulgare L., Rosmarinus officinalis L., Ocimum basilicum L., Salvia officinalis L. and Achillea millefolium L., biologically grown in Western Greece, was determined by UV-vis and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy. Dried plant leaves extracted in 50% methanol/ 48,5% H2O/ 1,5% formic acid solution were measured by UV-vis spectroscopy for the determination of total phenolics. Quantitative analysis has been done by using Gallic acid as standard solution. In addition the dry matter of plant leaves was measured at 77Kelvin by EPR spectroscopy. The EPR spectra of all samples contained stable radical signal with g-values 2.0046-49 and a linewidth of 3-5Gauss. These are characteristic of phenolic or quinone-type radicals with the unpaired electron partially on the Oxygen atom of the phenolic ring. Quantitative analysis of the radicals has been done using DPPH [1mm3 2x1013 spins] as reference. The calculations have been done per dry mass of the material. The present results reveal significant differences of radical concentration between samples of different origin by EPR spectra. The higher radical content was measured in Origanum vulgare L. and the lower in Ocimum basilicum L. plant leaves respectively. In addition a significant difference in total phenolics content was determined between plants. The higher concentration was found in Origanum vulgare L. and the lower in Achillea millefolium L. plant leaves respectively. It is concluded that a fraction of the total phenolics accumulation corresponds to the redox active antioxidant charge in plant leaves