Betalaine: alleate della natura

Le betalaine sono sostanze fitochimiche di interesse per l’industria alimentare, non solo per la loro presenza naturale in alimenti e bevande, ma anche per la loro utilità come coloranti alimentari. Grazie alle loro diverse bioattività, come quella antiossidante, antimicrobica e antinfiammatoria le betalaine possono essere considerate molecole multifunzionali. Grazie alle loro proprietà hanno suscitato grande interesse in ambito nutrizionale, cosmetico e farmaceutico.

Inoltre, possono rilevare variazioni di pH negli alimenti e sono considerate promettenti bioindicatori colorimetrici. Le betalaine sono più stabili nell’intervallo di pH da 3 a 7 rispetto alle antocianine, che hanno un intervallo di pH ottimale da 5 a 6.

Fino al 1957, le betalaine erano considerate antocianine azotate tuttavia la cristallizzazione della betanina e la sua idrolisi a betanidina e il successivo rapporto sull’isolamento dell’indicaxantina fornirono la prova che si trattava di un diverso insieme di pigmenti contenenti un sistema 1,7-diazaeptametina responsabile del loro colore

Le betalaine sono pigmenti idrosolubili appartenenti alla famiglia degli alcaloidi, responsabili delle vivaci tonalità rosse, viola e gialle di molte piante, in particolare della barbabietola rossa (Beta vulgaris).  A differenza delle antocianine, che si trovano comunemente nelle piante appartenenti alle angiosperme, le betalaine sono presenti esclusivamente in piante appartenenti all’ordine delle Caryophyllales che non sintetizzano antociani.

Classificazione delle betalaine

Sono derivati ​​indolici aromatici e costituite da un nucleo centrale di acido betalamico, molecola dotata di un sistema coniugato che contribuisce all’assorbimento della luce visibile.

Le betalaine si suddividono in due principali gruppi:

Betacianine: pigmenti di colore rosso-violaceo. Un esempio rappresentativo è la betanina, principale pigmento della barbabietola rossa usata come colorante artificiale e dotata di proprietà antiossidanti, antinfiammatorie, ipolipemizzanti, antidiabetici, antiobesità

Betaxantine: pigmenti di colore giallo-arancio, derivati dalla condensazione dell’acido betalamico con ammine o amminoacidi a cui appartiene l’indicaxantina presente in alcune piante mediterranee e, in particolare, nel fico d’India

Dalla combinazione dei colori delle betacianine e delle betaxantine si ottengono tonalità rosse e arancioni che coesistono in natura con i colori viola e giallo puri

Fonti e produzione

Le principali fonti alimentari di betalaine oltre al fico d’india e alla barbabietola rossa e gialla, sono bietola colorata e l’amaranto da granella o da foglia. Sono presenti anche nella quinoa una pianta erbacea annuale della famiglia delle Amarantacee, come gli spinaci o la barbabietola e nelle Cactacee, comunemente chiamate cactus famiglia di piante succulente dell’ordine Caryophyllales

I semi della quinoa, sottoposti a macinazione, forniscono una farina contenente prevalentemente amido, il che consente a questa pianta di essere classificata merceologicamente a pieno titolo come cereale nonostante non appartenga alla famiglia botanica delle graminacee

La principale coltura di betalaine sfruttata commercialmente è la barbabietola rossa perché l’estratto contiene principalmente betanina, che è approvata come colorante alimentare rosso E162 in diversi prodotti alimentari a bassa acidità e neutri (pH 3–7), dalle bevande alle caramelle e dai latticini ai prodotti bovini, sia dall’Unione Europea che dagli Stati Uniti.

Cellule vegetali e colture tissutali sono fonti alternative di betalaine che garantiscono la fornitura continua di prodotti facilmente estraibili con qualità e resa uniformi, indipendentemente dalla loro posizione geografica.

L’estrazione delle betalaine viene comunemente eseguita con un solvente organico acquoso come, ad esempio, il metanolo tuttavia è necessaria l’aggiunta di acido ascorbico al mezzo di estrazione per abbassare leggermente il pH, il che stabilizza le betacianine e inibisce la possibile ossidazione da parte delle polifenolossidasi.

Struttura chimica e proprietà

La struttura delle betacianine comprende un sistema ciclico derivato dall’acido betalamico, associato a un anello simile all’indolo, mentre le betaxantine si formano dalla coniugazione dell’acido betalamico con ammine o amminoacidi

Le betalaine sono pigmenti naturali appartenenti alla classe delle basi di Schiff e sono composti azotati, contraddistinti dalla presenza di gruppi fenolici e un sistema cromoforo esteso. Presentano alta idrosolubilità e sono particolarmente sensibili a pH, calore, ossigeno e luce, fattori che ne influenzano stabilità e colore.

In ambiente acido, tendono a mantenere colori brillanti, mentre in ambiente neutro o basico possono decomporsi o virare di colore. A temperature elevate, le betacianine, si degradano in prodotti come l’acido betalamico, le neobetacianine e le betaxantine di nuova formazione.

Identificazione

Le betalaine possono essere identificate semplicemente dal loro cambiamento di colore in diverse soluzioni acide/basiche. Questi composti sono rosso-viola in acqua e stabili nell’intervallo di pH tra 4.0 e 7.0; quando il valore di pH è minore di 4.0 o maggiore di 7.0, il colore della soluzione cambia da rosso a viola. Infine quando il pH è maggiore di 10.0, il colore della soluzione diventa rapidamente giallo.

Le betalaine possono essere identificate dalla loro assorbanza che può essere utilizzata per calcolare il contenuto il cui valore è dato da: [BC] (μg g ⁻¹ ) = [(A · DF · MW · 1000)/(ε · L)] dove:
DF è il fattore di diluizione e L è il cammino ottico espresso in cm

L’assorbanza A, misura della capacità di una sostanza di assorbire la luce di una specifica lunghezza d’onda, vale 538 per la betacianina e 465 per la betaxantina

MW è il peso molecolare che vale 550 g mol ⁻¹ per la betanina e 308 g mol ⁻¹ per l’indicaxantina
ε è il coefficiente di estinzione molare che vale 60.000 L mol ⁻¹ ·cm ⁻¹ per la betanina e 48.000 L mol ⁻¹ ·cm ⁻¹ per l’indicaxantina.

Biosintesi

Le betalaine derivano dalla via dello shikimato e sono sintetizzate nel citoplasma e nel reticolo endoplasmatico. Il percorso di sintesi delle betalaine necessita solo di tre principali catalizzatori enzimatici e inizia con la idrossilazione della tirosina a L-DOPA (L-3,4-diidrossifenilalanina), grazie all’azione della citocromo P450 monoossigenasi CYP76AD.

La L-DOPA è un α-amminoacido non proteico, strutturalmente simile alla L-fenilalanina e, soprattutto, alla L-tirosina dalla quale deriva che, grazie all’azione dell’enzima DOPA-ossidasi. La L-DOPA può seguire due percorsi diversi. Nel primo percorso per azione DOPA-ossidasi  dà luogo alla formazione del dopachinone, che ciclizza per formare ciclo-DOPA. Nel secondo percorso la L-DOPA per azione della 4,5-diossigenasi (DODA) dà luogo alla formazione del 4,5-seco-DOPA che ciclizza per formare acido betalamico.

L’acido betalamico è un intermedio cruciale nel percorso metabolico delle betalaine in quanto può coniugarsi spontaneamente con il gruppo amminico della ciclo-DOPA con formazione di betacianine oppure condensarsi spontaneamente con il gruppo amminico di ammine alifatiche o aromatiche per formare le betaxantine

Ruolo nelle piante

Le betalaine così come le antocianine possono essere utilizzate come spazzini dei ROS per rimuovere le specie reattive dell’ossigeno che causano uno stress ossidativo nelle piante e possono mantenere l’omeostasi come una sostanza osmotica che regola la pressione osmotica cellulare per aiutare le piante ad adattarsi ad ambienti esterni difficili.

Le ROS possono distruggere le membrane delle cellule e degli organelli, denaturare le proteine ​​e danneggiare gli acidi nucleici (DNA o RNA), influenzando i normali processi biologici delle piante. Durante il processo evolutivo a lungo termine, le piante hanno acquisito un sistema di eliminazione delle ROS.

Esistono due tipi di sistemi antiossidanti negli organismi viventi ovvero un sistema antiossidante enzimatico come, ad esempio, la superossido dismutasi (SOD), e un sistema antiossidante non enzimatico, ad esempio la vitamina C, l’antocianina, la betalaina e la catechina.

Oltre a fornire pigmentazione per aiutare la riproduzione delle piante esercitando un effetto attrattivo nei confronti degli impollinatori a causa dei loro colori brillanti colori brillanti sia i metaboliti delle antocianine che delle betalaine svolgono ruoli importanti nella resistenza delle piante allo stress abiotico e biotico.

Benefici

I benefici per la salute umana associati a molti vegetali sono dovuti alla presenza di metaboliti naturali tra cui le betalaine che proprietà antiossidante, antinfiammatoria, nel controllo della dislipidemia, nella regolazione glicemica, nel mantenimento della salute cardiovascolare, nella protezione epatica, nella neuroprotezione e nelle attività antimicrobiche. Le varie bioattività delle betalaine sono prevalentemente legate alla loro capacità di modulare lo stress ossidativo e le risposte infiammatorie.

Antiossidante

Le betalaine sono potenti antiossidanti e hanno dimostrato significative proprietà di rimozione delle specie reattive dell’ossigeno in vitro. Lo stress ossidativo e l’infiammazione sono riconosciuti come componenti attivi nella fisiopatologia di varie malattie. Il rilascio eccessivo di ROS destabilizza i meccanismi cellulari e l’omeostasi redox, oltre a promuovere la mutagenesi genetica.

La capacità anti-radicali liberi della betanina è spiegata dalla sua struttura chimica contenente serie di idrossili e insaturazioni nell’anello benzenico. La betanina previene il danno ossidativo alle proteine ​​inibendo la nitrazione dell’amminoacido tirosina.

La soppressione dei radicali liberi mediata dall’azione delle betalaine presenti negli estratti di alcune piante è stata evidenziata in quanto esse hanno mostrato di bloccare l’azione della lipossigenasi-1, un enzima che, tra le altre funzioni, agisce nella generazione di ROS come perossile e idrossile

Antinfiammatorio

Il processo infiammatorio è un meccanismo fisiopatologico endogeno, essenziale per la difesa contro i patogeni ma anche per eliminare le cellule morte e consentire la riparazione dei tessuti. Tuttavia, un’infiammazione prolungata o una risposta autoimmune che porta all’infiammazione possono diventare la malattia stessa.

Una proprietà notevole delle betalaine descritta in letteratura è la capacità di limitare la risposta infiammatoria e le prove in vivo e in vitro dimostrano che le betalaine provenienti da varie fonti possono ridurre l’infiammazione.

Il principale meccanismo bersaglio delle betalaine è il fattore di trascrizione NFkB e le risposte antiossidanti. Come risultato di questi meccanismi d’azione, le betalaine riducono al minimo la produzione di citochine, ROS e specie reattive dell’azoto (RNS), riducendo così l’infiammazione

Antipertensivo

L’ipertensione arteriosa cronica, condizione in cui la pressione sanguigna rimane costantemente alta, affatica il cuore e danneggia i vasi sanguigni, aumentando il rischio di malattie cardiache, ictus e insufficienza renale.

Alcuni studi hanno dimostrato che gli integratori ricchi di betalaina/betacianina hanno abbassato significativamente la pressione sanguigna sia sistolica che diastolica nei pazienti maschi affetti da coronaropatia.

Date le elevate proprietà antinfiammatorie e antiossidanti delle betalaine, è ragionevole ipotizzare che possano interferire con i meccanismi infiammatori e ossidativi attivi nell’ipertensione e avere il potenziale per proteggere dal danno tissutale mediato dall’ipertensione.

Studi clinici hanno dimostrato che gli integratori ricchi di betalaine possono abbassare significativamente la pressione sanguigna e migliorare la funzione vascolare, sebbene i loro effetti possano essere sinergici con altri composti, come, ad esempio, i nitrati. Sebbene gli esatti meccanismi delle betalaine nel controllo della pressione sanguigna non siano del tutto noti il loro potenziale nel ridurre lo stress ossidativo, la produzione di citochine e il danno vascolare evidenzia il loro ruolo come approccio dietetico funzionale per la gestione dell’ipertensione e la promozione della salute cardiovascolare

Ipolipidemico

Le betalaine hanno dimostrato un’attività promettente nella gestione della dislipidemia. È stato dimostrato che questi composti riducono efficacemente i livelli di colesterolo totale (TC), trigliceridi (TG) e lipoproteine ​​a bassa densità (LDL), aumentando al contempo i livelli di lipoproteine ​​ad alta densità (HDL) in soggetti animali e umani.

Inoltre, i loro meccanismi antiossidanti e antinfiammatori possono contribuire a più ampi benefici metabolici, tra cui la mitigazione dello stress ossidativo e della disregolazione del metabolismo lipidico associata all’infiammazione. La loro applicazione nel trattamento delle condizioni di lipidemia potrebbe essere incoraggiata dalla loro natura non tossica rispetto ai farmaci sintetici

Antidiabetico

Le betalaine, oltre alle loro proprietà ipolipidemiche, hanno un significativo potenziale antidiabetico. Studi hanno dimostrato che le betalaine possono abbassare efficacemente i livelli di glucosio nel sangue, migliorare la secrezione di insulina e ridurre lo stress ossidativo, rendendole un prezioso componente alimentare funzionale per il controllo del diabete.

I risultati preclinici e clinici suggeriscono che gli alimenti ricchi di betalaine presentano promettenti proprietà antidiabetiche. Questi alimenti possono aiutare a regolare i livelli di glucosio nel sangue, ridurre i marcatori infiammatori e modulare gli enzimi chiave che metabolizzano i carboidrati, rendendoli preziosi nella gestione del diabete di tipo 2 e dei disturbi metabolici associati.

Le betalaine influenzano positivamente la gestione di diversi fattori di rischio della sindrome metabolica, tra cui iperglicemia e dislipidemia e pertanto gli alimenti ricchi di betalaine hanno un potenziale elevato come specie funzionali per migliorare la salute metabolica e mitigare iperglicemia e dislipidemia.

Antimicrobico

Le betalaine dimostrano una significativa attività antimicrobica contro un’ampia gamma di patogeni. Gli effetti antimicrobici e antimalarici delle betalaine sono stati supportati dal fatto che Amaranthus spinosus, ricco di betalaine, ha mostrato una significativa attività antimalarica e gli estratti di Opuntia matudae hanno inibito il tasso di crescita di Escherichia coli.

Si ritiene che questi effetti siano dovuti alla capacità delle betalaine di interferire con l’integrità della membrana cellulare batterica, con conseguente lisi cellulare. Oltre alla loro azione diretta sulle membrane, le betalaine possono generare specie reattive dell’ossigeno all’interno delle cellule microbiche, inducendo stress ossidativo e danni al DNA, che contribuiscono alla loro attività antimicrobica.

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