CC BY
4
УДК 579.264
Смирягин Е.А., Горчакова Л.Д., Евдокимова С.А., Шакир И.В.
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ ИНУЛИНОВОГО ТИПА ИЗ ПЛОДОВ ЖЕЛУДЕЙ
Смирягин Егор Антонович, студент 3 курса бакалавриата факультета биотехнологии и промышленной экологии, e-mail: egorsmiryagin876@gmail.com
Горчакова Любовь Дмитриевна, студентка 3 курса бакалавриата факультета биотехнологии и промышленной экологии, e-mail: l6tel@mail.ru
Евдокимова Светлана Александровна, аспирант кафедры биотехнологии, ассистент кафедры биотехнологии;
Шакир Ирина Васильевна, к.т.н., доцент кафедры биотехнологии; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В данной работе проведена оценка применения плодов желудей как источника пребиотических полисахаридов инулинового типа. Исследовано влияние гидромодуля и предварительного обезжиривания сырья на выход полисахаридов при водной экстракции измельченного сырья. Результаты показывают, что предварительная экстракция липидов не целесообразна, поскольку она не повышает выход углеводов в пределах варьирования гидромодуля (от 6 до 18). Обезжиренное сырье может показать лучший результат при увеличении гидромодуля, однако повлечет за собой значительное повышение объема экстракционной смеси, усложнит и замедлит дальнейшее выделение. Наибольший выход углеводов получен при экстракции сырья без предварительного обезжиривания при гидромодуле 16 и составил 61% от СВ экстрагируемого сырья. Таким образом желуди являются перспективным источником пребиотиков углеводной природы, что в дальнейшем будет подтверждено микробиологическими исследованиями.
Ключевые слова: пребиотики, полисахариды, экстракция, гидромодуль, желудь
PERSPECTIVE OF ISOLATION OF INULIN TYPE POLYSACCHARIDES FROM ACORNS FRUIT
Smiryagin E.A., Gorchakova L.D., Evdokimova S.A., Shakir I.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
In this work, we evaluated the use of acorns as a source of inulin-type prebiotic polysaccharides. The influence of the hydromodulus and preliminary degreasing of raw materials on the yield ofpolysaccharides during water extraction of crushed raw materials was studied. The results show that pre-extraction of lipids is not advisable, since it does not increase the yield of carbohydrates within the range of hydromodulus (from 6 to 18). Fat-free raw materials can show the best result with an increase in hydromodulus, however, it will entail a significant increase in the volume of the extraction mixture, complicate and slow down further extraction. The highest yield of carbohydrates was obtained during the extraction of raw materials without preliminary degreasing at a hydromodulus of 16 and amounted to 61% of the hydromodulus of the extracted raw materials. Thus, acorns are a promising source of carbohydrate prebiotics, which will be further confirmed by microbiological studies.
Keywords: prebiotics, polysaccharides, extraction, hydromodulus, acorn
В толстом кишечнике человека присутствует сообщество микроорганизмов - микробиота, которое помогает в пищеварении, поддерживает иммунитет, синтезирует витамины, защищает от патогенов и выполняет множество других полезных функций. [1, 2] Употребление некачественных продуктов, отсутствие в рационе достаточного количества необходимых микро- и макроэлементов, нерегулирумое потребление быстрых углеводов, стресс и неблагоприятная экологическая обстановка наносят серьёзный вред человеку, нарушая состав кишечной микробиоты. [2] Отдельного внимания заслуживает проблема регулярного потребления антибиотиков, негативно влияющих на микробное сообщество кишечника и расширяющих спектр антибиотико-резистентных патогенов. Поврежденная
антибиотиками микробиота подвергается
контаминации антибиотико-резистентных
патогенных бактерий, что зачастую вызывает вторичные госпитальные инфекции. [3] Также опасность представляют пищевые контаминанты — конкурентноспособные организмы по отношению к представителям здоровой микробиоты кишечника человека. [4]
Поэтому для поддержания здоровья человека помимо тривиальных компонентов питания необходимы также специализированные продукты, способные определенным образом воздействовать на организм человека и/или микробиоту кишечника. Такие компоненты питания называются функциональными, а наибольший положительный эффект на кишечное микробное сообщество среди
них оказывают пробиотики, пребиотики и синбиотики. [5] Пребиотики - это вещества, не усваивающиеся и не всасывающиеся в верхних отделах желудочно-кишечного тракта, и попадающие неизменными в толстый кишечник, где избирательно стимулируют полезных членов микробиоты, что, в конечном итоге, приносит пользу макроорганизму. [6]
Наибольшей доказательной базой
пребиотического эффекта обладают такие вещества как инулин и фруктоолигосахариды (ФОС), которые в промышленных масштабах получают из клубней топинамбура и корней цикория. [7] Однако, существуют и другие источники данных пребиотиков: лопух большой [8], лук, чеснок, иерусалимский артишок и другие. [7] При выделении пребиотических углеводов из плодов желудей было доказано с помощью ядерного магнитного резонанса, что выделенные полисахариды имеют структуру соответствующую инулину. [9] Было доказано, что эффективность пребиотических полисахаридов может значительно различаться в зависимости от структуры и степени полимеризации. Так, например, было выявлено, что фруктаны из корней лопуха с большей степенью полимеризации, в синбиотической композиции с пробиотическим штаммом бифидобактерий, лучше подавляют пищевой контаминант, чем менее крупные полисахариды, выделенные из этого растения. [8] В целом, было показано, что при направленном комбинировании пробиотика и пребиотика, синбиотики могут проявлять высокую антагонистическую способность в отношении кишечных патогенов и контаминантов пищи, что делает их потенциальной заменой антибиотикам. [10]
Экстракты растений - источников пребиотических веществ, могут содержать смесь полисахаридов различной структуры и степени полимеризации, а также различные вещества (например, полифенолы) с потенциальным положительным эффектом, что обуславливает значительный интерес к ним как источникам компонентов функционального питания. [11] Для выделения желаемых веществ из растительного сырья в первую очередь необходимо определить экспериментально параметры экстракции и подобрать методы очистки для получения биологически-активного вещества, с минимальным содержанием сторонних примесей.
Поэтому, целью данной работы являлся подбор условий экстракции и предварительной обработки плодов желудей для оптимального выделения пребиотических полисахаридов инулинового типа с целью дальнейшего применения данного сырья как источника высокоэффективных пребиотиков.
Объектом исследования являлись плоды желудей, собранные в Одинцовском районе осенью 2021 года.
Экстракцию полисахаридов проводили по методикам, описанным в работах [8] и [9], с
некоторыми модификациями. Высушенные желуди дробили до образования частиц диаметром 0,1 - 5 мм. Часть сырья предварительно обезжиривали коммерческим органическим растворителем «Нефрас» марки П 65/70 в аппарате Сокслета на водяной бане с температурой 85-90 С в течение 22,5 ч (12-14 циклов). Далее проводили водную экстракцию полисахаридов с варьированием гидромодуля (ГМ) от 6 до 18 и оценивали содержание углеводов в экстрактах по методу Бертрана-Шорля (с предварительным гидролизом 1: 1 2Н HCl, 40 мин, на кипящей водяной бане) и фенол-серным методом. Содержание липидов в исходном и обезжиренном сырье оценивали по экстракции смесью этанол-хлороформ в аппарате Сокслета. Определение содержании белков в сырье проводили по методу Къельдаля.
По результатам физико-химических методов анализа в дробленном растительном сырье содержалось 92,1 % сухих веществ, среди которых было 12,1 % СВ липидов, 4,51 % белковых веществ и 25-30 % СВ веществ углеводной природы. Предварительная экстракция нефрасом снижала содержание жиров до следовых количеств (менее 0,1 %), не влияя на остальные компоненты сырья.
Для оценки влияния ГМ (соотношения воды к сухой массе сырья при водной экстракции) и наличия липидов на выход полисахаридов водную экстракцию проводили с необработанным дробленным сырьем и обезжиренным сырьем при варьировании ГМ от 6 до 18. Выход сахаров оценивали по результатам фенол-серного метода анализа, с калибровкой по коммерческому инулину (марка HSI, Synergy, Orafti, Бельгия) или глюкозе. Результаты представлены на рисунке 1.
ГМ
—Вз1лцдгю инулину, неоОезжкфенное — е-— имод по инулину, оОеэжкфенноесми&е
Рисунок 1. Выход углеводов в %СВ сырья после водной экстракции обезжиренного (прерывистая линия) и необезжиренного сырья (непрерывная линия) в зависимости от гидромодуля.
По полученным результатам можно сделать вывод, что предварительная экстракция липидов из желудей незначительно влияет на выход углеводов при последующей водной экстракции. В выбранных пределах варьирования ГМ обезжиренное сырье показывает лучшие результаты при значениях ГМ ниже 14, однако, при больших значениях ГМ сырье без предварительного обезжиривания экстрагируется лучше. Максимальный выход достигается при
использовании необезжиренного сырья при ГМ 16 и составляет 61% СВ.
Следует отметить, что за пределами варьирования, при ГМ выше 18, возможен более высокий выход углеводов для обезжиренного сырья. Однако, при повышении ГМ увеличивается общий объем экстракционной смеси, а значит, понижается концентрация углеводов в экстракте и усложняются процессы очистки и концентрирования. Кроме того, стадия обезжиривания требует больших временных затрат на саму экстракцию и дальнейшее высушивание сырья от органического растворителя, который может негативно повлиять на дальнейшее пищевое применение выделенных полисахаридов.
Таким образом, наиболее оптимальный режим экстракции: водная экстракция измельченного сырья, без предварительного удаления липидов, при соотношении воды и сырья 16:1. При соблюдении подобных параметров можно получить до 60 г углеводов с пребиотическим потенциалом из 100 г сухих желудей, что обуславливает перспективность данного сырья как источника пребиотиков. Однако, требуются дальнейшие исследования для обоснования и оценки пребиотических свойств выделенных фруктанов инулинового типа.
Список литературы
1. Heintz-Buschart A., Wilmes P. Human gut microbiome: function matters //Trends in microbiology. - 2018. - Т. 26. - №. 7. - С. 563-574.
2. Ramos S., Martín M. Á. Impact of diet on gut microbiota //Current Opinion in Food Science. - 2020. -Т. 37. - С. 83-90.
3. Beloborodova N.V. Integration of metabolism in man and his microbiome in critical conditions. Obshchaya Reanimatologiya = General Reanimatology. 2012; 8 (4): 42-54.
4. Кайшев В.Г., Серегин В.С. Функциональные продукты питания: основа для профилактики заболеваний, укрепления здоровья и активного
долголетия // Пищевая промышленность. - 2017. -№. 7. - С. 8-14
5. Tufarelli V. et al. An overview on the functional food concept: prospectives and applied researches in probiotics, prebiotics and synbiotics //Journal of Experimental Biology and Agricultural Sciences. - 2016.
- Т. 4. - №. 3, Suppl. - С. 273-278.
6. Gibson G. R. et al. Expert consensus document: The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics //Nature reviews Gastroenterology & hepatology. - 2017. - Т. 14. - №. 8.
- С. 491-502.
7. Wan X. et al. The physiological functions and pharmaceutical applications of inulin: A review //Carbohydrate Polymers. - 2020. - Т. 246. - С. 116589.
8. A Study on the Synbiotic Composition of Bifidobacterium bifidum and Fructans from Arctium lappa Roots and Helianthus tuberosus Tubers against Staphylococcus aureus/ Evdokimova S.A., Nokhaeva V.S., Karetkin B.A., Guseva E.V., Khabibulina N.V., Kornienko M.A., Grosheva V.D., Menshutina N.V., Shakir I.V., Panfilov V.I. //Microorganisms. - 2021. - Т. 9. - №. 5. - С. 930.
9. Tadayoni M., Sheikh-Zeinoddin M., Soleimanian-Zad S. Isolation of bioactive polysaccharide from acorn and evaluation of its functional properties //International Journal of Biological Macromolecules. -2015. - Т. 72. - С. 179-184.
10. Mathipa M. G., Thantsha M. S. Cocktails of probiotics pre-adapted to multiple stress factors are more robust under simulated gastrointestinal conditions than their parental counterparts and exhibit enhanced antagonistic capabilities against Escherichia coli and Staphylococcus aureus //Gut pathogens. - 2015. - Т. 7. -№. 1. - С. 1-14.
11. Rashmi H. B., Negi P. S. Phenolic acids from vegetables: A review on processing stability and health benefits //Food Research International. - 2020. - Т. 136.
- С. 109298.
