БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В РЕГУЛИРОВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Агробиотехнологии»

УДК 664.6

Кузнецова Е.А., доктор технических наук, доцент Учасов Д.С., доктор биологических наук, доцент Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, г. Орёл, Россия

Kuznetsova E. A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor I.S. Turgenev Oryol State University, Oryol Russia, e-mail: elkuznetcova@yandex. ru Uchasov D. S., Doctor of Biological Sciences, Associate Professor I.S. Turgenev Oryol State University, Oryol Russia

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В РЕГУЛИРОВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(Biotechnological approaches in the regulation of biological systems)

Изучена возможность регулирования показателей оксидантно-антиоксидантного статуса биологических систем путем биотехнологической обработки зерна пшеницы и гречихи. Зерно пшеницы и гречихи ферментировали с помощью сухого комплексного ферментного препарата, растворенного в буфере на основе янтарной кислоты. Под действием препарата изменилась микроструктура поверхности зерна, увеличилось количество биологически активных веществ антиоксидантно-го действия. Из ферментированного зерна получили зерновой концентрат, который вводили в течение 30 дней в рацион лабораторных животных крыс-самцов линии Wistar. Полученные экспериментальные данные показали, что введение в рацион лабораторных животных зернового концентрата из модифицированного зерна оказало положительное влияние на окислительно-антиоксидантное состояние организма крыс: снизился в сыворотке крови индекс окислительного стресса - уровень малонового диальдегида и повысилось содержание антиоксидантов - каталазы, витаминов А и Е, микроэлементов по сравнению с контролем. Определение наиболее важных показателей антиоксидантной активности пищевого компонента или пищевого рациона позволяет прогнозировать состояние окислительно-антиоксидантной системы организма животных и человека.

Ключевые слова: антиоксиданты, зерно, пшеница, гречиха, ферментация, окислительно -антиоксидантное состояние.

The possibility of regulating the indicators of the oxidant-antioxidant status of biological systems by biotechnological processing of wheat and buckwheat grains has been studied. Wheat and buckwheat grains were fermented using a dry complex enzyme preparation dissolved in a buffer based on succinic acid. Under the action of the drug, the microstructure of the grain surface has changed, the amount of biologically active substances of antioxidant action has increased. A grain concentrate was obtained from fermented grain, which was introduced for 30 days into the diet of laboratory animals of male rats of the Wistar line. The experimental data obtained showed that the introduction of grain concentrate from modified grain into the diet of laboratory animals had a positive effect on the oxidative-antioxidant state of the rat organism: the oxidative stress index in the blood serum decreased -the level of malondialdehyde and increased the content of antioxidants - catalase, vitamins A and E, trace elements compared with the control. Determination of the most important indicators of the antioxidant activity of a food component or a food diet allows predicting the state of the oxidative-antioxidant system of the animal and human body.

Keywords: antioxidants, grain, wheat, buckwheat, fermentation, oxidative-antioxidant state

Введение. Одной из важнейших проблем, которую вынуждены решать ученые, занимающиеся направлениями регуляции биологических систем -это проблема борьбы с окислительным стрессом.

В организме человека существует специальная система защиты (антиоксидантная система), которая устраняет нарушения клеточных структур и обезвреживает свободные радикалы. Антиокси-дантная система организма включает ряд ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, ферменты системы глутатиона), ряд витаминов и кофермен-тов.

В природе вокруг нас существует множество факторов, способных нарушить упорядоченую

работу антиоксидантной системы, что приводит к возникновению разнообразных патологий.

Что же является источником использованных организмом человека резервов антиоксидантов?

Разработаны эффективные синтетические антиоксиданты: ионол, эмоксипин, пробукол и другие. Однако сегодня физиологи во всем мире выступают против применения синтетических средств защиты против свободных радикалов. Ученые предлагают множество препаратов биологически активных веществ, получаемых из природного сырья. В то же время, исследования показывают, что живые организмы, в которых экспериментально установлено высокое содержание антиоксидантов, не всегда могут защитить биоло-

гические мембраны и клетки от перекисного окисления. Это связано с тем, что антиоксиданты находятся в составе комплексов с высокомолекулярными биополимерами и недоступны для реакций защиты против окислительных агентов [1].

Источником природных антиоксидантов является зерно злаковых и крупяных культур, которое издавна используют для создания продуктов лечебно-профилактического питания. В зерне соединения, обладающие антиоксидантной активностью сосредоточены в периферических частях, где сконцентрированы полифенолы, фитиновая кислота, витамины и минеральные элементы [2]. Известно, что эти соединения расположены в связанных формах внутри клеточных стенок семян, и для их извлечения требуются щелочная, кислотная или ферментативная обработка [3, 4].

Большинство антиоксидантов зерна связаны сложноэфирными связями с компонентами клеточной стенки арабиноксиланами. Также феноль-ные соединения образуют в семенах растений комплексы с минеральными элементами, переводя их в недоступное состояние [5].

Для повышения доступности растительных антиксидантов можно рекомендовать биотехнологические приемы обработки семян растений. Так как большинство антиоксидантов прочно связано с некрахмальными полисахаридами клеточных стенок растений, то их модификацию можно осуществить с помощью ферментных препаратов на основе целлюлаз. После деградации ксилановой цепи эндо-ксиланазой антиоксидантная активность зерновых субстратов возрастает за счет высвобождения феруловой кислоты [6, 7].

Цель исследования - изучение возможности регулирования показателей оксидантно-антиоксидантного статуса биологических систем путем биотехнологической обработки зерна злаковых и крупяных культур.

Условия, материалы и методы

Для ферментирования зерна применяли сухой комплексный ферментный препарат, продуцентом которого является гриб Pénicillium canescens. Препарат получили в лаборатории физико-химической трансформации полимеров химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ферменты, входящие в состав препарата, имели активности: целлю-лаза - 58711нкат/г, ксиланаза - 12135 нкат/г, р-глюканаза - 51317 нкат/г. Обработкузерна пшеницы и гречихи ферментным препаратом проводили раздельно. Препарат в виде порошка смешивали 0,5 часа c помощью магнитной мешалки с буфером на основе янтарной кислоты (рН 4,6) и затем в раствор помещали зерно. Для обработки зерна пшеницы использовали концентрацию 0,6 г/л, для зерна гречихи - 0,4 г/л. В качестве образца для сравнения использовали раствор ферментного препарата в воде. Целое зерно пшеницы и гречихи ферментировали, используя следующие параметры гидролиза: соотношение зерно: раствор

1:1,5, продолжительность процесса - 8 часов при температуре 50°С в термостате. После инкубации инактивация ферментов не проводилась. По завершении ферментативного гидролиза зерно промывали проточной водой при комнатной температуре в течение 5-10 мин. Затем промытое зерно пшеницы и гречихи подвергали сушке при температуре не более 50-60°С до влажности не более 1114% и измельчению до дисперсности частиц не более 0,08 мм.

В качестве лабораторных животных использовали 15 крыс-самцов линии Wistar с исходной массой тела 200-220 г. Были сформированы три группы животных по 5 особей в каждой. Первая группа животных была контрольной и получала обычный рацион кормления - комбикорм. Крысам второй опытной группы в течение 30 дней в составе кормового рациона скармливали разработанный зерновой концентрат из ферментированного зерна, который составлял 20% от массы обычного комбикорма.

Результаты и обсуждение

Для установления миграции антиоксидантов в пределах разных анатомических частях зерна использовали спектрофотометрические методы анализа, энергодисперсионную спектрометрию, атомно-абсорбционный анализ и ВЭЖХ. Сочетание этих инструментальных методов позволило получить достоверную картину распределения биологически активных веществ в объектах исследования.

Микрофотографии поверхности зерна пшеницы и гречихи были выполнены с помощью электронного сканирующего микроскопа ZEISS EVO LS. Микрофотографии показали изменение поверхности зерна пшеницы и гречихи в процессе гидролиза комплексным ферментным препаратом в динамике. Прежде всего, микрофибриллы, имеющие продольную ориентацию, обнажились из-за того, что защитный слой гемицеллюлозы подвергся разрушающему воздействию. Углубления, имеющие радиальную ориентацию, появились на поверхности оболочек зерен после 6-8 часов гидролиза. Это означает, что происходят более глубокие процессы, затрагивающие как молекулы ара-биноксилана, так и микрофибриллы целлюлозного матрикса. Установлено, что характер изменения микроструктуры поверхности зерен пшеницы и гречихи идентичен.

Определение антиоксидантной активности зерна пшеницы и гречихи, обработанного в течение 8 часов комплексным ферментным препаратом, показало, что процент ингибирования свободных радикалов DPPG увеличивается с увеличением продолжительности гидролиза.

Состав фенольных соединений в экстракте зерна пшеницы и гречихи после ферментативного гидролиза комплексным ферментным препаратом определяли методом ВЭЖХ. Хроматограмма спиртового экстракта ферментированного зерна

пшеницы позволила идентифицировать органические и гидроксикоричневые кислоты. Была идентифицирована феруловая кислота = 9,6; RS = 0,533). Хроматограмма спиртового экстракта ферментированного зерна гречихи показала присутствие рутина и кварцетина. Установлено, что в процессе ферментации комплексным ферментным препаратом количество фенольных соединений в зерне пшеницы и гречихи увеличилось в среднем в 1,6 раз.

Использование комплексного ферментного препарата для приготовления зернового концентрата возволило увеличить содержание витамина Е с 10,9 до 16,9%, флавоноидов с 25,0 до 36,3%, показателя антиоксидантной активности в зерновом концентрате с 24,91 до 75,3%. Статистическая обработка результатов показывает целесообразность использования ферментного препарата целлюлаз в буферном растворе на основе янтарной кислоты для предварительной обработки зерен пшеницы и гречихи с целью повышения их антиоксидантной активности.

Определение методом ВЭЖХ некоторых микроэлементов показало, что содержание железа в зерновом концентрате составило 58,12 мг/кг, цинка - 10,50 мг/кг, меди - 2,62 мг/кг и марганца -3,25 мг/кг.

Процесс высвобождения антиоксидантов из зернового концентрата изучали в модельной системе. Установлено, что деструктуризация некрахмальных полимеров покровов зерна приводит к высвобождению связанных форм биологически активных соединений, например, флавонои-дов, и к увеличению антиоксидантной активности зернового продукта.

Введение в рацион лабораторных животных зернового концентрата из ферментированного зерна оказало положительное влияние на окислитель-

но-антиоксидантное состояние организма крыс: снизился в сыворотке крови индекс окислительного стресса - уровень малонового диальдегида и повысилось содержание антиоксидантов - катала-зы, витаминов А и Е, микроэлементов по сравнению с контролем. При изучении микроэлементного состава печени подопытных крыс было установлено, что содержание железа в печени животных опытной группы было выше по сравнению с контролем на 6,1%, содержание меди в печени крыс опытных групп было выше, чем в печени животных контрольной группы на 2,7%. Концентрация марганца в печени крыс опытной группы была выше, чем в контроле, на 7,2%.

Таким образом, экспериментальные данные по содержанию основных показателей антиокси-дантной активности компонента корма и окисли-тельно-антиоксидантной системы у лабораторных животных могут быть использованы для оценки состояния организмов животных.

Выводы

Биотехнологические приемы, в частности, направленная, регулируемая модификация полисахаридов оболочек семян растений с помощью биокатализаторов на основе целлюлаз, может лежать в основе процесса регуляции показателей оксидантно-антиоксидантного статуса животных и человека, при включении модифицированного растительного сырья в рационы кормления и питания.

Разработанный зерновой концентрат может быть использован для приготовления зерновых продуктов, в том числе злакового хлеба, включаемых в рацион людей, живущих в условиях окислительного стресса.

Литература

1. Vitaglione, P. Whole-grain wheat consumption re-

duces inflammation in a randomized controlled trial on overweight and obese subjects with unhealthy dietary and lifestyle behaviors: role of polyphenols bound to cereal dietary fiber / P. Vitaglione, I. Mennella, R. Ferracane, A. Riv-ellese, R. Giacco, D. Ercolini, S.M. Gibbons, A. La Storia, J. Gilbert, S. Jonnalagadda // The American Journal of Clinical Nutrition. -2015. -vol. 101. - p. 251-261.

2. Jeszka-Skowron, M. Determination of antioxidant

activity, rutin, quercetin, phenolic acids and trace elements in tea infusions: Influence of citric acid addition on extraction of metals. / M. Jeszka-Skowron, M. Krawczyk and A. Zgola-Grzeskowiak // Journal of Food Composition and Analysis. - 2015. - vol. 40. - p. 70-77.

3. Hung, P.V. Distribution of phenolic compounds in

the graded flours milled from whole buckwheat grains and their antioxidant capacities / P.V.

Hung, N. Morita // Food Chemistry. - 2008. -vol. 109. - p. 325-331.

4. Ragaee, S. Effects of fiber addition on antioxidant

capacity and nutritional quality of wheat bread / S. Ragaee, I. Guzar, N. Dhull, K. Seetharaman // LWT - Food Science and Technology. - 2011. -vol. 44. - p. 2147-2153.

5. Liyana-Pathirana, C.M. Importance of insoluble-

bound phenolics to antioxidant properties of wheat. / C.M. Liyana-Pathirana, F. Shadidi // Journal of Agricultural and Food Chemistry . -2006. - vol. 54. - p. 1256-1264.

6. De Vries, R. P. Synergy between enzymes from

Aspergillus involved in the degradation of plant cell wall polysaccharides. / R. P. De Vries, H. C. M. Kester, CH. H. Poulsen, J. A. E. Benen, J. Visser // Carbohydrate Research. - 2000. - vol. 327. - no. 4. - p. 401-410

7. Kuznetsova, E. Composition and microstructure alteration of triticale grain surface after processing by enzymes of cellulase comple. / E. Kuznetsova, S. Motyleva, M. Mertvischeva, V.

Zomitev, J. Brindza // Potravinarstvo® Scientific Journal for Food Industry. - 2016 - no.1 - p.23-29

Поступила в редакцию: 20.03.2023 г. Принята к публикации: 15.05.2023 г.

Кузнецова Е. А., д.т.н., доцент Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, Учасов Д.С., д.б.н., доцент Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, г. Орёл, Россия, e-mail: elkuz-netcova@yandex. ru