Novel food products are fortified with plant sterols and stanols because of their ability to lower the LDL-cholesterol levels in plasma up to 10−15%. These compounds are added to food either in their free form or as fatty acyl esters. Like other unsaturated lipids, sterols are also prone to oxidation in the presence of oxygen and initiators such as heat, light, metal ions and enzymes. Oxidation may occur already during the manufacture of sterol preparations or during food processing and storage. The known adverse health effects of the oxidation products of cholesterol have prompted the evaluation of the biological effects of plant sterol oxides. The oxidation behaviour of free cholesterol has been extensively studied, whereas those of plant sterols have been less thoroughly examined. The oxidation behaviour of mainly free sterols has been investigated, but knowledge on those of fatty acyl esters or other conjugates is deficient.
This study investigated the effects of chemical (i.e., esterification, unsaturation degree of the acyl moiety and sterol structure) and external (i.e., temperature and medium) factors on the oxidation of sterols. Development of solid-phase extraction and HPLC-DAD-ELSD methods for the isolation and determination of intact steryl ester monohydroperoxides allowed the primary oxidation of steryl esters to be followed both in neat preparations and in saturated lipid media. The oxidation of steryl and acyl moieties could be distinguished; therefore, the oxidation of both moieties could be followed in intact molecules. Further reactions of the monohydroperoxides were followed in terms of secondary oxidation products of sterol and oligomers.
Introduction of an acyl moiety to a sterol altered the physical state and polarity of the sterol and affected its oxidation. In neat preparations at 100 °C, esterified sterols were liquefied and thus oxidised greatly, whereas the free sterol remained in a solid state and was therefore unaltered. Increased unsaturation of the acyl moiety increased the oxidation rate of both the steryl and acyl moieties. No differences in the initial reactivities of these two moieties were observed, but they oxidised concomitantly. For esters with monounsaturated acyl moieties, greater contents of steryl than of acyl moiety hydroperoxides were measured, whereas for an ester with polyunsaturated acyl moiety, greater contents of the acyl moiety hydroperoxides were measured. Increased temperature (140 °C) induced the oxidation of both steryl esters and free sterol. In a saturated lipid medium at 100 °C, the oxidation of steryl esters was decelerated, whereas the oxidation of free sterol was accelerated. Due to reduced oxidation rates, the accumulation of further reaction products was also delayed. In neat preparations and in the lipid medium, the steryl ester hydroperoxides decomposed into traditionally determined sterol secondary oxidation products and also underwent polymerisation as a rival reaction.
By altering the chemical and physical properties of sterols, their oxidisabilities may be affected. If these factors are regulated in the manufacture of the preparations and in the food processing, formation of oxidation products may be controlled and the desired functionality of plant sterols preserved.Steroleita esiintyy kaikkialla eläin- ja kasvikunnassa, ja näin ollen myös ravinnossamme. Eläinkunnan yleisin steroli, kolesteroli, toimii elimistössä muun muassa solukalvojen rakennusaineena sekä D-vitamiinin että hormonien esiasteena. Kasvisteroleilla on vastaavia tehtäviä kasvikunnassa. Ravinnosta saatavien kasvisterolien on jo pitkään tiedetty alentavan veren kolesteroliarvoja ja ehkäisevän näin muun muassa sydän- ja verisuonitauteja. Siksi elintarvikkeita on ryhdytty rikastamaan kasvisteroleilla. Tyydyttymättömien rasvojen tavoin sterolit ovat kuitenkin alttiita hapettumiselle ruoanvalmistuksessa ja -säilytyksessä, mikä heikentää niiden laatua ja turvallisuutta. Hapettumisen aikaan saavat muun muassa kuumennus, astioiden sisältämät metallit, ilmassa oleva happi, entsyymit ja valo. Sterolien hapettumisreaktioiden tunteminen on tärkeää, jotta tätä sterolien kemiallista pilaantumista voitaisiin ehkäistä.
Kasvisterolit ja kolesteroli esiintyvät ravinnossamme sekä vapaina että esteröitynä steroleina. Kasvisterolit lisätään elintarvikkeisiin usein rasvahappoestereinä, joiden rasvaliukoisuus on vapaata sterolia parempi. Vapaiden sterolien hapettumista on tutkittu melko kattavasti, mutta esteröityjen sterolien hapettumismekanismeja ei juuri tunneta. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli kerätä lisätietoa esteröityjen sterolien hapettumisreaktioista selvittämällä miten näiden yhdisteiden kemialliset ominaisuudet ja erilaiset ympäristötekijät vaikuttavat niiden hapettumiseen. Työssä tarkasteltiin miten esteröinti ja siihen käytetyt erilaiset rasvahapot sekä sterolirakenteet vaikuttavat hapettumisnopeuteen ja reaktioihin. Lisäksi selvitettiin lämpötilan ja ympäröivän väliaineen vaikutuksia. Syntyneet hapettumistuotteet mitattiin sellaisenaan ilman esterisidoksen pilkkomista, ja näin ollen voitiin seurata hapettuiko esteri steroli- vai rasvahappo-osastaan.
Saadut tulokset osoittivat, että keittolämpötilassa (100 °C) esteröinti muutti sterolin hapettumiskäyttäytymistä vaikuttamalla sen olomuotoon ja sijaintiin väliaineessa. Estereissä hapettumista tapahtui yhtäaikaisesti sekä steroli- että rasvahappo-osassa. Mitä tyydyttyneempi rasvahappo-osa esterissä oli, sitä hitaammin koko molekyyli hapettui, ja sitä pysyvämpiä syntyneet tuotteet olivat. Alkuvaiheen hapettumistuotteiden jatkoreaktioissa syntyi jo tunnettujen hapettumistuotteiden lisäksi myös merkittävä määrä polymeroitumistuotteita. Nämä tuotteet saattavat heikentää sterolien hyödynnettävyyttä elimistössämme. Lämpötilan nosto 140 °C:seen kiihdytti hapettumista ja polymerisaatiota odotetusti. Esteröityjen sterolien hapettuminen keittolämpötilassa hidastui, kun ne liuotettiin tyydyttyneeseen rasvaan. Vapaan sterolin hapettuminen puolestaan kiihtyi tyydyttyneessä rasvassa, sillä se hakeutui rasvakerroksen pinnalle.
Tämän työn tuloksia voidaan hyödyntää kehitettäessä uusia kasvisteroleilla rikastettuja elintarvikkeita ja niiden prosessointimenetelmiä. Hapettumismekanismien tunteminen auttaa kehittämään valmistus- ja säilytysmenetelmiä, joissa sterolit eivät pilaannu. Lisäksi reaktioiden tunteminen mahdollistaa oikeanlaisten hapettumisen estäjien, antioksidanttien, valinnan. Koska sterolien hapettuminen riippui niiden rakenteesta ja olomuodosta sekä ympäröivästä rasvasta että sterolien sijainnista siinä, on sterolien säilyvyys syytä varmistaa erikseen kussakin elintarvikkeessa
