CC BY
342
УДК [547.918+582.669.2]
Растительные тритерпеновые гликозиды (сапонины) -
натуральные пищевые эмульгаторы
Д.А. Еделев, д-р мед. наук, д-р экон. наук, профессор, Т.П. Юдина, д-р техн. наук, профессор, С.А. Новак Московский государственный университет пищевых производств Г.М. Фролова, канд. хим. наук
Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, г. Владивосток Е.И. Черевач, канд. техн. наук, доцент Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
В настоящее время проблема отказа от синтетических эмульгаторов (ПАВ) и замена их натуральными занимает важное место в различных отраслях промышленности многих стран мира. В связи с этим одна из актуальных задач - поиск природных эмульгаторов и обоснование возможности их широкого практического использования. Сапонины -растительные тритерпеновые глико-
Тритерпеновые гликозиды (сапонины) активно используются в пищевой промышленности в качестве пищевых добавок, формирующих структуру продуктов.
зиды потенциальные природные эмульгаторы [1]. Успехи фундаментальных исследований, доказавшие взаимосвязь структуры гликозидов с их физико-химическими свойствами и биологической активностью, открывают широкие возможности их практического использования в отраслях пищевой, медицинской и косметической промышленности. Ранее сапонины, в силу некоторых негативных свойств, традиционно рассматривали как антипитательные факторы и их использование в пищевой промышленности было ограничено. Однако проводимые на протяжении последних десятилетий многочисленные исследования in vitro и in vivo убедительно доказали пищевую безопасность сапонинов и обнаружили широкий спектр их физиологического действия на организм [2]. В настоящее время сапонины приобретают привлекательность не только как природные пищевые добавки, формирующие структуру продуктов (эмульгаторы, солюбили-заторы и пенообразователи), но и как биологически активные компо-
Ключевые слова: тритерпеновые гликозиды (сапонины); эмульгатор; пищевые добавки; безопасность; функциональные продукты питания.
Key words: triterpene glycosides (saponins); emulsifier; food additives; safety; functional food products.
ненты при производстве функциональных продуктов питания [3]. На регулярно проводимых международных конференциях по структуре и функциям сапонинов: «Saponins used in food and agriculture», «Saponins used in traditional and modern medicine» (США, 1996), «Saponins in food, feedstuffs and medical plants» (Польша, 2000), «Saponins and physiological function» (Польша, 2004) и «New trends in saponins» (Франция, 2009) постоянно открываются новые пути и возможности их использования.
Сапонины обладают широким спектром биологического действия, оказывающего благотворное воздействие на здоровье человека [1].
Сапонины - тривиальное название вторичных метаболитов растений, образующих в водных растворах пену («sapo»). Они относятся к классу гликозидов и, в зависимости от химической природы агликона, разделяются на тритерпеновые (С30) и стероидные (С27) гликозиды [1].
Сапонины широко распространены в растительном мире, однако доминируют тритерпеновые гликози-ды, в основном производные олеа-нолового ряда (b-амирина). Биосинтез сапонинов осуществляется как из тритерпеноидных, так и углеводных предшественников и варьируется по числу функциональных групп и двойных связей в агликоне, а также по числу, положению и природе мо-носахаридных остатков. В связи с
этим существует большое разнообразие химических структур гликозидов, отличающихся как структурой агликона, так и строением углеводных цепей. Продукты полного биосинтеза сапонинов - бидесмозиды -гликозиды, содержащие две углеводные цепи, одна из которых присоединена О-гликозидной связью к С3, вторая - О-ацилгликозидной связью к С28 агликона. Монодесмо-зиды с одной углеводной цепью (при С3 агликона) - промежуточные продукты биосинтеза, присутствуют в меньших количествах (рисунок). Гораздо реже встречаются тридес-мизиды, содержащие три углеводные цепи (например, 3,6,25-тридес-мозид корней Astragaius membranaceus).
Тритерпеновые гликозиды относятся к классу высокомолекулярных коллоидных ПАВ. Их поверхностно-активные свойства обусловлены ам-фифильным характером строения молекулы: гидрофобной частью служит агликон, гидрофильной - углеводные цепи. Сапонины способны снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз, формировать в водном растворе мицеллы и растворять гидрофобные вещества, причем их коллоидные свойства сопоставимы со свойствами синтетических эмульгаторов [4-7].
В состав молекул гликозидов может входить от одного до 11 моноса-харидных остатков, что сильно влияет на соотношение размеров полярной и неполярной частей молекулы. Величина гидрофильно-липофиль-ного баланса (ГЛБ) - важная характеристика гликозидов, определяющая их физико-химические свойства и биологическую активность. Она колеблется в зависимости от количества входящих в структуру моносахаридов [8]: для монодесмозида soyasaponin III равна 10, для бидесмо-зида soyasaponin А2 - 21,4, для бидес-мозида QS-21 - 36,3 (см. рисунок).
Промышленное использование сапонинов. На мировом рынке коммерческие сапонины представлены в основном экстрактами коры чилийского пенного дерева Quiiiaja saponaria M. (quiiiaja сапонины), коры дерева Yucca schidigera R. (yucca сапонины), корней плантационного женьшеня Panax genus (ген-зиозиды), корней красного мыльного корня Saponaria оfficinaiis L. (са-понариозиды), корней туркменского мыльного корня Acanthophyiium gypsophiioides R. (акантофилозиды), корней солодки Giycyrrhiza giabra L. (глицирризин), семян чайного дерева Cameiiia japonica G (tea сапонины), околоплодника пенной ягоды/
ореха Sapindus saponaria L./S. mukurossi G (sapindus сапонины) и ферментативно-модифицированной сои Glycine max L. (soyasaponins А и В) [1]. Бидесмозиды - основные компоненты этих экстрактов, за исключением глицирризина - сапонина корней солодки.
Лидер среди коммерческих сапо-нинсодержащих экстрактов - quillaja экстракт, отнесен в США к пищевым добавкам (секция 172.50 Natural Flavoring Substances and Natural Substances Used in Conjuction with Flavors) и официально признан безопасным (статус GRAS при уровне 500 мг/кг) при использовании в качестве пенообразователя для производства безалкогольных напитков и пищевой добавки при введении природных ароматизаторов [9, 10]. В Европе он разрешен как пенообразователь Е 999 [11]. В Японии и странах Восточной Азии список разрешенных сапонинсодержащих пищевых добавок включает также ферментативно-модифицированные сапонины сои, сапонины семян чая, юкка экстракт и экстракт Pfaffia paniculata [12].
В настоящее время quillaja сапонины используют как пенообразователи в производстве ароматизированных безалкогольных напитков (группа продовольственных товаров 14.1.4) - спортивных, изотонических, энергетических, имбирного пива, крем-соды, фруктовых коктейлей; как эмульгаторы при производстве эмульсионных соусов, дрессингов, хлебобулочных изделий, конфет, замороженных молочных продуктах, пудингов; как солюбилизаторы для введения жирорастворимых красителей, витаминов и вкусовых добавок в напитки, приправы из ферментированных овощей и др. [1, 13]. Возможность использования сапонинов в пищевой промышленности подтверждена рядом патентов [14-16].
В последние годы особую привлекательность приобретают функциональные продукты питания, содержащие в качестве активного ингредиента сапонины. Это направление активно развивается в странах Юго-Восточной Азии, особенно в Японии - основателе программы функционального питания Food for Specified Health Use (FOSHU). Разработанные продукты способствуют профилактике и лечению различных патологических, воспалительных заболеваний и заболеваний иммунной системы. Защищенная патентами «здоровая пища» обладает различными физиологическими свойствами, в том числе повышает иммунную сопротивляемость организма, улучшает функцию печени, подавляет на-
Ч. F
Бидесмозид QuillajasaponariaU.QS-Z] Бидесмозиды SaponariaoffidnaüsL.
сапонариозиды А и В
Бидесмозид Glycinemax L. soyasaponin А, Монодесмозид G.maxL. Soyasaponin III
Бидесмозид Panaxginseng - ginsenoside Re Монодесмозид Р. ginsen g-ginsenoside Rh 1
Химическая структура коммерческих растительных сапонинов: коры пенного дерева Quillajasaponaria М, корней красного мыльного корня Saponaríaоfficinalis L., семян сои Glycinemax L. и корней женьшеня Panaxginseng
копление жира в организме, способствует профилактике рака кишечника, диабета, восстановлению обмена веществ, снимает напряжение и восстанавливает силы после физической нагрузки, усталости и др. [17-20].
Пищевая безопасность сапонинов. Основное ограничение для использования сапонинов в пищевой промышленности - их токсичность, которая базируется на способности этих веществ модифицировать структурно-функциональные свойства клеточных мембран. Доказаны
различные механизмы взаимодействия сапонинов с мембранами, однако одно из основных - способность изменять проницаемость и текучесть мембран в результате гидрофобного взаимодействия с мембранным холестерином [2]. В связи с этим химическая структура гликози-дов является определяющей в проявлении их токсичности. Доказано, что бидесмозиды, имеющие высокие значения ГЛБ и, соответственно, низкую степень гидрофобности молекулы, обладают меньшей токсичнос-
тью по сравнению с монодесмозида-ми [21].
Кроме того, доза и метод введения в организм теплокровных животных также влияют на их токсичность. Так, quillaja сапонины [14] токсичны при внутривенном или внут-рибрюшинном введении (LD50 2 8 0 мг/кг массы тела), но проявляют слабую токсичность при подкожном введении (LD50 650 мг/кг) или при попадании в желудочно-кишечный тракт (LD50 1600 мг/кг). Токсикологические исследования позволили отнести бидесмозиды к группе малотоксичных (умеренно токсичных) веществ, поскольку их острая токсичность при пероральном введении составляет LD50 1500-1700 мг/кг массы тела [22, 23]. Краткосрочные (3090 дней) и долгосрочные (84 нед.) исследования токсичности бидесмо-зидов в рационе питания крыс и мышей позволили установить уровень, не оказывающий вредного влияния (NOEL), который составлял 400 и 700 мг/кг массы тела в сутки соответственно. При этих концентрациях не было выявлено негативного влияния на состояние и поведение животных, не обнаружено отклонений по биохимическим показателям крови, не наблюдалось отклонений от массы внутренних органов; гистологическая экспертиза тканей и внутренних органов соответствовала нормальному их гистологическому строению, канцерогенного эффекта не наблюдалось [14, 23]. Исходя из этих данных была установлена допустимая суточная доза (ДСД) quillaja экстракта - 5 мг/кг массы тела [14].
Пути метаболизма сапонинов в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Безопасность орального введения сапонинов также доказана результатами исследований путей метаболизма в ЖКТ, оценкой фарма-кокинетики и биодоступности лекарственных препаратов на основе три-терпеновых и стероидных бидесмо-зидов - dioscin (корней Dioscorea collettii), ginsenosides (корней Panax ginseng M.), lancemaside (корней Codonopsis lanceolata) и др. [24, 25]. При оральном введении эти соединения очень плохо всасываются в ЖКТ животных и человека. Они не претерпевают изменений в желудке, а подвергаются частичной или полной биодеградации в кишечнике под действием микрофлоры. Гликозиды и их метаболиты обладают слабой кишечной проницаемостью, их абсолютная биодоступность очень низкая и составляет 0,4-2 % и 5-8 % соответственно. Основная их часть выводится из организма с фекалиями. Незначительное количество гликози-
дов, проникающих в кровь, легко распределяются среди большинства тканей (кроме мозга) и быстро выводятся из организма, о чем свидетельствуют основные фармакологические параметры, такие как максимальная концентрация и период полувыведения (например, для ginsenoside Rg1 Cmax 1134 нг/мл и T1/2 менее 2,5 ч). Основной путь их экскреции из организма - желчное выведение, почечный путь не является важным.
Таким образом, высокая биодеградация и плохое всасывание слизистой в ЖКТ, быстрое и интенсивное выведение выступают ключевыми факторами, ограничивающими воздействие гликозидов и их метаболитов на организм при оральном применении. Кроме того, способность гликозидов терять токсичность при образовании комплексов с гидрофобными соединениями [26, 27], в том числе пищевыми ингредиентами (жирами, фенольными соединениями и белками), обеспечивает им пищевую безопасность при оральном применении.
Роль сапонинов в регуляции аллергических реакций. Пищевая аллергия - повышенная чувствительность к отдельным пищевым продуктам - важнейшая проблема населения развитых стран, связанная с нарушением функций иммунной системы организма. Под воздействием факторов эндо- и экзогенной природы изменяется соотношение и кооперация различных звеньев иммунитета, в частности, клеточного и гуморального. В результате иммунный ответ приобретает свойства патологической реакции, приводящей к повреждению здоровых органов и тканей. Одна из форм такой патологической реакции - аллергия по гуморальному типу, характеризующаяся повышенным синтезом аллерген-специфических иммуноглобулинов, в основе развития которой, в частности, может лежать нарушение баланса Th1/Th2 клеток. В настоящее время модуляция иммунного баланса -одна из наиболее важных стратегий для иммунотерапии аллергических заболевания и подходов для предотвращения пищевых аллергических заболеваний.
Известно, что к числу пищевых ингредиентов, способных регулировать антиген-специфический иммунный ответ и снижать синтез аллергенных IgE антител, относятся тритерпеновые гликозиды. Оральное введение гликозидов мышам в экспериментальной модели пищевой аллергии тормозит пассивную кожную анафилактическую реакцию,
вызванную овальбумином. Механизмы, лежащие в основе противоаллергического действия тритерпе-новых гликозидов, в настоящее время интенсивно изучаются. Один из них - способность сдвигать специфический иммунный ответ в сторону Th1 типа, тем самым ингибируя продукцию аллергенных антител [28].
Гипохолестеринемический эффект. В ходе клинических испытаний на животных и людях доказано, что добавление в пищу экстрактов сапонинсодержащих растений или очищенных сапонинов приводит к понижению концентрации холестерина в плазме крови и, в некоторых случаях, в печени [1]. Способность сапонинов снижать уровень холестерина в крови теплокровных организмов объясняется образованием смешанных мицелл сапонинов с холестерином и желчными кислотами с последующей экскрецией их из организма. Предполагается, что сапонины могут защитить человечество от двух главных проблем века, связанных с неправильным питанием и избыточным содержанием холестерина в крови - ишемической болезни сердца и рака кишечника [3]. Так, экологические исследования подтверждают малую распространенность сердечных заболеваний среди племени Масаи (Восточная Африка), несмотря на богатую животными жирами/холестерином пищу. По мнению исследователей, причиной этого феномена является местная диета, в которой богатые сапонинами травы обязательно добавляются к молочным и мясным блюдам [1]. В то же время образование комплексов с желчными кислотами и последующая их экскреция из организма может быть использовано для решения актуальной в настоящее время проблемы снижения массы тела. Введение сапонинов в пищевой рацион приводит к прерыванию естественного цикла пищеварения -снижению переваривания и всасывания липидов/жиров, что может быть одним из возможных методов похудения [19].
Таким образом, в настоящее время тритерпеновые гликозиды (сапонины) - природные ПАВ, имеющие характерную структуру, состоящую из тритерпенового агликона и нескольких углеводных цепей, активно используются в пищевой промышленности в качестве пищевых добавок, формирующих структуру продуктов - эмульгаторов, солюбилиза-торов и пенообразователей. Высокая биодеградация в ЖКТ, плохое всасывание слизистой, быстрое и ин-
тенсивное выведение, а также способность терять токсичность при связывании с гидрофобными пищевыми ингредиентами (жирами, фе-нольными соединениями и белками) обеспечивает им пищевую безопасность при оральном применении. Научное доказательство их биологической активности (гипохолестери-немической, противоаллергической, иммуностимулирующей, противовоспалительной, антираковой и др.) делает их перспективными пищевыми добавками для разработки функциональных продукты питания, способствующих профилактике различных заболеваний.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации за счет средств государственного контракта № 16.522.12.2018.
ЛИТЕРАТУРА
1. Guclu-Ustundag, O. Saponins: properties, applications and processing/O. Guclu-Ustundag, O. Mazza//Crit. Rev. Food Sci. Nutr. -2007. - V. 47. - P. 231-258.
2. The biological action of saponins in animal systems: a review/G. Francis [et al.]//Br. J. Nutr. - 2002. - V. 88. -P. 587-605.
3. Rao, A.V. Dietary saponins and human health/In Saponins in food, feedstuffs and medical plants: Proceeding of the Phythochemical Society of Europe. Eds Oleszek W./ A.V. Rao, D.M. Gurfinkel//Kluwer Academic Publishers. - 2000. - V. 45. - P. 255-270.
4. Mitra, S. Micellar properties of quillaja saponin. 1. Effects of temperature, salt and pH on solution properties/S. Mitra, S.R., Dungan//J. Agric. Food Chem. - 1997. - V. 45. -P. 1587-1595.
5. Isolation, Characterization, and Surfactant Properties of the Major Triterpenoid Glycosides from Unripe Tomato Fruits/T. Yamanaka [et al.]//J. Agric. Food Chem. - 2008. - V. 56. -P. 11432-11440.
6. Юдина, Т.П. Мицеллярные свойства сапонинов из корней Saponaria officinalis L, культивированной на территории Приморского края/Т.П. Юдина//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. -№ 4. - С. 33-35.
7. Солюбилизирующая способность сапонинов корней Saponaria officinalis/Е.В. Власова [и др.]//Изв. вузов. Пищевая технология. -2010. - № 5-6. - С. 41-44.
8. Relationship between adjuvant activity and amphipathic structure of soyasaponins/K. Oda [et al.]//
Vaccine. - 2003. - V. 21. - P. 21452151.
9. U.S. Food and Drug Administration, Center for Food Safety & Applied Nutrition. 2003. Code of Federal Regulations Title 21, Volume 3 Title 21-Food And Drugs Chapter I-Food And Drug Administration, Department Of Health And Human Services Part 172-Food Additives Permitted For Direct Addition To Food For Human Consumption. http:// www.cfsan.fda.gov/lrd/FCF172.html
10. U.S. Food and Drug Administration, Center for Food Safety & Applied Nutrition/Office of Food Additive Safety. - 2005. Summary of All GRAS Notices.
11. Office for Official Publications of the European Communities. 1996. Commission directive 96/77/EC of 2 December, 1996.
12. Japanese Ministry of Health and Welfare. 2005. List of Existing Food Additives.
13. WHO Food Additives series: 48. Safety evaluation of certain food additives and contaminants. Quilaia extracts. - 2001.
14. Pat. JP 60064919 (A), A61K31/ 355; A61K9/14. Production of powdery or granular vitamin E preparation/ Kojima Yukio, Takano Yasushi, Shirakawa Youichi, Itou Makoto. Assignee: Ajinomoto KK, Asahi Denka Kogyo KK. Appl. № JP19830172527 19830919. - 1985-04-13.
15. Pat. FR 2945936 (A1), A61K8/ 04; A61K9/10. Preparing aqueous emulsion of oily active substance, useful for e.g. cosmetic and food use, comprises mixing hydrophilic component (water and saponin emulsifier), mixing lipophilic components (substance and stabilizer) and homogenizing/Epiphani Jean Claude. Assignee: EPIPHANI JEAN CLAUDE. Appl.№ FR20090002520 20090526. - 2010-12-03.
16. Pat. EP 2359698 (A1), WO 2011089249 (A1), A23D9/00; A23L1/ 22. Compositions with a surfactant system comprising saponins, and lecithin/Schrader Dirk; Sabater-Luentzel Christppher; Homner Cornella. Assignee: SYMRISE AG [DE]. Appl. № EP20100151491 20100122. -2011-08-24.
17. Pat. WO 2004111069 (A2) A23L1/ 30; A61K8/97; A61Q19/00. New saponin compound, saponin solution containing the same a preparation method thereof, and pharmaceutical compositions, health foods and cosmetics containing the saponin as an active component/Choi Jang Youn. Assignee: CHOI JANG YOUN [KR]. Appl. № WO2004KR01459 20040618. - 2004-12-23.
18. Pat. CN 101361568 (A) A23L1/29 Functional food capable of reinforcing human immunity/Binchang Deng, Zhenshan Zhang, Tao Wang. Assignee: BINCHANG DENG [CN]. Appl. № CN20081058901 20080911.2009-02-11.
19. Pat. JP 2009234962 (A) A23L1/ 30; A61K31/704; A61K36/28. Depressant for absorbing neutral lipids obtained from daisy, and saponin compound and its application/ Muraoka Osamu, Yoshikawa Masayuki, Morikawa Toshio, Matsuda Hisashi. Assignee: UNIV KINKI, DIA BETYM KK [JP]. Appl. № JP20080081460 20080326. -2009-10-15.
20. Pat. JP 2010030950 (A) A23L1/ 30; A61K31/704; A61K36/00. Prophylactic and therapeutic agent for metabolic syndrome and functional food/Nakai Tadanobu. Assignee: NAKAI KOSAN KK [JP]. Appl. № JP20080194528 20080729. - 201002-12.
21. Adjvant and haemolytic activities of 47 saponins derived from medicinal and food plants/K. Oda [et al.]//Biol. Chem. - 2000. - V. 381. - P. 67-74.
22. Oleszek, W. Determination and toxicity of Saponins from Amaranthus cruentus Seeds/W. Oleszek, M. Junkuszew, A. Stochmal//J. Agric. Food Chem. - 1999.- №47.- Р. 3685-3687.
23. Определение токсичности растительного эмульгатора - водного экстракта из корней мыльнянки лекарственной Saponaria officinalis L./ Т.П. Юдина [и др.]//Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 56. - C. 28-29.
24. Studies on absorption, distribution and metabolism of ginseng in humans after oral administration/J. Lee [et al.]//J Ethnopharm. - 2009. -V.122. - No 1. - Р. 143-148.
25. Pharmacokinetics, Tissue Distribution, Metabolism, and Excretion of Ginsenoside Rg1 in Rats/L. Feng [et al.]//Arch. Pharm. Res. -2010. - V.33. - No 12. - Р. 1975-1984.
26. Solid lipid nanoparticle (SLN) formulations as a potential tool for the reduction of cytotoxicity of saponins/ H. Van de Ven [et al.]//Pharmazie. -2009. - V. 64. - N. 3. - P. 172-176.
27. Пищевая безопасность сапонинов корней Saponaria officinalis/Т.П. Юдина [и др.]//Изв. вузов. Пищевая технология. - 2010. - № 5-6. - С. 22-25.
28. Shigeru, K. Quillaja saponin can modulate ovalbumin-induced I g E allergic responses through regulation of Th1/Th2 balance in a murine model/ K. Shigeru, M. Yoshinori//J. Agric. Food Chem. - 2006. - V. 54. - P. 3271-3276.
