CC BY
25
УДК 664.002.237
Радиопротекторные и антистрессовые свойства
экструдатов пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой
В.И. Степанов, канд. техн. наук, В.В. Иванов, канд. техн. наук, А.Ю. Шариков, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии
Н.И. Рябченко, д-р биол. наук, В.И. Рябченко, канд. биол. наук, Л.А. Дзиковская, канд. биол. наук, Е.С. Дегтярева
Медицинский радиологический научный центр Минздравсоцразвития России
Пшеничный зародыш является уникальным концентрированным источником биологически активных веществ и может служить высокоэффективной основой для создания функциональных продуктов питания и разнообразных добавок, обладающих широким спектром лечебно-профилактических свойств: пищеварительных, гормональных, антиоксидантных, антивоспалительных, антиканцерогенных и других, связанных с регуляцией генов, клеточной сигнализацией и энергетическим обменом [1-3]. Несмотря на разнообразие макро- и микронутриентов пшеничного зародыша, анализ профиля витаминов, входящих в его состав, свидетельствует об отсутствии одного из важнейших микронутриентов - аскорбиновой кислоты. По данным сотрудников НИИ питания РАМН [4], взрослое население России постоянно испытывает дефицит поступления витаминов С, А, Е, группы В. Несмотря на положительную динамику, недостаточность витамина С испытывают до 56 % обследованных, острым является вопрос с дефицитом витаминов группы В: для В2 - до 60 %, для В12 -до 86 %. Обогащение аскорбиновой кислотой пшеничного зародыша, обладающего высоким уровнем содержания витаминов группы В, позволит существенно повысить лечебно-профилактическую эффективность заро-
дышей пшеницы и расширит спектр его применения.
Технологическим недостатком пшеничного зародыша является высокое содержание жиров и наличие ферментов, катализирующих реакции гидролиза и диоксигенации, вызывающих прогоркание, потерю функциональных и потребительских качеств этого высокоценного компонента зерна в результате длительного хранения. Процессы прогоркания пшеничного зародыша фиксируются уже после 3 нед. хранения [5]. В этом же исследовании для увеличения продолжительности хранения в качестве метода воздействия использовалась микронизация продукта при температуре 45...55 °С, что в результате продляет срок сохранения товарных качеств до 7 нед. Еще одним способом переработки пшеничного зародыша, который может обеспечить минимизацию эффекта окисления липидов путем инактивации ферментов [6], может служить варочная экструзия. Известен способ получения биологически активной добавки [7] на основе пшеничных или ржаных зародышевых хлопьев, которые подвергают обработке в экструдере при температуре 150.190 °С, скорости вращения шнеков 110-160 мин-1 и времени обработки 30-60 с. Технологические преимущества процесса экструзии в контексте возможности совмещения в од-
Рис. 1 Схема комбинированной сборки шнеков экструдера
ном реакторе нескольких операций, таких как доизмельчение, увлажнение, смешивание, кратковременная баротермическая обработка, гомогенизация, формование, стали определяющими при выборе процесса для получения модифицированных, биологически активных пшеничных зародышей, обогащенных аскорбиновой кислотой.
Продукт получали методом варочной экструзии с использованием отечественного двухшнекового экструдера Э-54, обладающего широкими технологическими возможностями. Отношение диаметра шнеков к их длине составляло 1:24, диаметр шнеков - 54 мм. Конфигурация самоочищающихся шнековых рабочих органов [8] была подобрана таким образом, чтобы обеспечить повышение давления в последней зоне камеры экструдера до 4 МПа и разогрев материала за счет диссипации механической энергии. Такой баротермический режим процесса совместно с выбранной схемой конфигурации шнеков обеспечивал высокий уровень гомогенизации и деструкции перерабатываемого материала.
Схема набора элементов шнека представлена на рисунке. Работа экст-рудера осуществлялась в изотермическом режиме с принудительным обогревом и охлаждением четырех секций шестисекционной камеры эк-струдера. В первую зону камеры -зону загрузки сырья - дозировался пшеничный зародыш. Сюда же насосом подавалась вода для установки и регулирования требуемого влагосо-держания смеси. Одновременно в эту зону перистальтическим насосом дозировалась аскорбиновая кислота в количестве 1,15-1,85 мг на 1 г продукта. Температура по зонам экструдера поддерживалась в пределах следующих значений: зона загрузки - не более 25 °С, зона смешения - 80. 140 °С, зона максимального термомеханического воздействия и зона гомогенизации расплава смеси — 170. 180 °С. По коэффициенту заполнения камеры экструдера перерабатываемым материалом, живому сечению формующей матрицы и номинальной нагрузке на привод экструдера скорость вращения шнеков была установлена на значении 240 мин-1. Резка на гранулы выходящих из экструдера жгутов осуществлялась с помощью подвесного режущего устройства.
Полученные в результате экспериментальной экструзионной выработки образцы экструдатов пшеничного зародыша в смеси с аскорбиновой кислотой исследовались на наличие радиопротекторных и антистрессовых
RAW MATERIALS AND ADDITIVES
свойств в медицинском радиологическом научном центре Минздрав-соцразвития.
В качестве лучевого воздействия мышей облучали у-квантами Со60 в дозе 1 Гр/мин. Стрессовое воздействие оказывали путем длительного содержания животных (в течение 24 ч) в условиях ограниченной подвижности в узких индивидуальных ячейках размером 3,0Ч5,5Ч5,5 см без воды и пищи.
Известно, что воздействие облучения и стресса приводит к деградации ДНК в тимусе и увеличивает в сы-вортке крови количество продуктов перекисного окисления липидов, обладающих токсическим действием [9, 10, 11]. Была изучена способность полученного экструдата с аскорбиновой кислотой снижать концентрацию продуктов перекисного окисления липи-дов в сыворотке крови и защищать от деградации ДНК лимфоцитов тимуса мышей, подвергнутых воздействию облучения и стресса.
Степень поврежденности ДНК оценивали кинетическим методом, определяя с помощью бромистого эти-дия процентное содержание двухспи-ральных фрагментов после контролируемого щелочного расплетания ДНК [9, 10]. Интенсивность перекисного окисления липидов в организме оценивали по увеличению в сыворотке крови одного из конечных продуктов перекисного окисления липидов -малонового диальдегида (МДА) [11]. Для повышения чувствительности определения продуктов перекисного окисления липидов сыворотку крови перед прибавлением тиобарбитуро-вой кислоты инкубировали с КМп04 и FeS04.
При постановке экспериментов препарат вводили в корм (50 мг/г корма) и этим обогащенным кормом кормили животных в течение 7 дней перед воздействием облучения или стресса. Степень деградации ДНК в тимусе и уровень продуктов перекис-ного окисления липидов определяли через сутки после облучения или начала иммобилизации животных в узких ячейках.
Накопление активных промежуточных и токсических молекулярных продуктов свободнорадикаль-ного окисления липидов играет существенную роль в развитии патологических процессов при воздействии различных неблагоприятных факторов на организм. В связи с этим в качестве лечебно-профилактических средств особое внимание уделяют антиоксидантам, способным предотвращать индуцированную активацию перекисного окисления липидов [9, 12]. Как сле-
Таблица 1
Влияние экструдата с аскорбиновой кислотой на концентрацию МДА в сыворотке крови мышей, облученных гамма-излучением или подвергнутых
воздействию стресса
Концентрация МДА в сыворотке крови мышей, мкМ
Группа животных Контроль Облучение 1 Гр/мин Стресс
Воздействие без экструдата с аскорбиновой кислотой 38,6+1,0 (n=10) 46,7±2,0*(n=10) 47,9±2,0*(n=10)
Воздействие с экструдатом с аскорбиновой кислотой 39,8±2,2(n=10) 38,3±1,6**(n=10) 38,7±2,8**(n=5)
Примечание: п - число животных в опыте; * - данные достоверно (р<0,05) отличаются от контроля; ** - данные достоверно (р<0,05) отличаются от соответствующего воздействия без экструдата.
Таблица 2
Влияние экструдата пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой на деградацию тимоцитов мышей, облученных гамма-излучением или подвергнутых воздействию стресса
Содержание двухспиральных фрагментов ДН , %
Группа животных Контроль Облучение 1 Гр/мин Стресс
Воздействие без экструдата с аскорбиновой кислотой 81,4+1,0 (n=6) 63,5±2,9*(n=6) 70,6±1,0*(n= 6)
Воздействие с экструдатом с аскорбиновой кислотой 81,5±0,9(n=6) 74,5±1,0**(n=6) 77,2±1,1**(n= 6)
Примечание: п - число животных в опыте; * - данные достоверно (р<0,05) отличаются от контроля; ** - данные достоверно (р<0,05) отличаются от соответствующего воздействия без экструдата.
дует из данных, представленных в табл. 1, облучение в дозе 1 Гр/мин и стрессовое воздействие увеличивают в сыворотке крови концентрацию МДА с 38,6 мкМ до 46,7 мкМ (облучение в дозе 1 Гр) и до 47,9 мкМ (стресс).
По результатам представленных данных кормление животных кормом, обогащенным экструдатом пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой, достоверно снижает индуцированное облучением и стрессом увеличение концентрации МДА в сыворотке крови мышей до уровня контрольных значений.
Известно, что наиболее чувствительны к воздействию повреждающих факторов лимфоциты лимфоид-ных тканей, особенно тимуса, которые в организме обеспечивают нормальное функционирование иммунной системы [9, 10]. Одним из ранних признаков повреждения лимфоцитов тимуса является деполимеризация ДНК хроматина в результате индуцирования повреждающими факторами интерфазной гибели этих клеток. Как следует из данных, представленных в табл. 2, облучение в дозе 1 Гр/мин и стрессовое воздействие увеличивают деградацию ДНК в тимусе, о чем свидетельствует снижение процентного содержания двухспиральных фрагментов ДНК с 81,4 до 63,5 %
(облучение в дозе 1 Гр) и до 70,6 % (стресс).
Кормление животных кормом, обогащенным экструдатом пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой, достоверно снижает эффективность деполимеризации ДНК тимоцитов, индуцированной облучением или стрессом. Содержание двуспираль-ных фрагментов ДНК у подвергнутных негативным воздействиям животным, в рацион питания которых был включен экструдат пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой, сохранялось на более высоком уровне - 74,5 % по сравнению с 63,5 % - для животных с необогащенным рационом в случае облучения и на уровне 77,2 и 74,5 % соответственно для стрессового воздействия при контрольном значении 81,5 %.
Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что экстру-дированные пшеничные зародыши с аскорбиновой кислотой обладают ан-тиоксидантным действием, препятствуя развитию индуцированной облучением и стрессом активации пере-кисного окисления липидов. Полученный экструдированный продукт с аскорбиновой кислотой защищает от повреждающего действия облучения и стресса лимфоциты тимуса, играющие важную роль в нормальном функционировании иммунной системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Brandolini, A. Wheat germ: not only a by-product / A. Brandolini, A. Hidalgo // International Journal of Food Sciences and Nutrition. - 2012. -Vol. 63. - Р. 71-74
2. Казаков, Е.Д. Биохимия зерна и хлебопродуктов / Е.Д. Казаков, Г.П. Кар-пиленко. - СПб.: ГИОРД, 2005. - 512 с.
3. Fardet, A. New hypotheses for the health-protective mechanisms of whole-grain cereals: what is beyond fibre? / A. Fardet // Nutrition Research Reviews. - 2010. - Vol. 23. -Р. 65-134.
4. Коденцова, В.М. Изменение обеспеченности витаминами взрослого населения Российской Федерации за период 1987-2009 гг. (к 40-летию лаборатории витаминов и минеральных веществ НИИ питания РАМН) / В.М. Коденцова, О.А. Врже-синская, В.Б. Спиричев // Вопросы питания. - 2010. - № 3. - С. 68-72.
5. Sjtfvall, O. Development of rancidity in wheat germ analyzed by headspace gas chromatography and sensory
analysis / О. Sjyvall, T. Virtalaine, A. Lapvetelaeinen, H. Kallio // Journal of Agricultural and Food Chemistry. -2000. - 48(8). - С. 3522-3527.
6. Gomez, M. Effect of extruded wheat germ on dough rheology and bread quality / M. Gomez, J. Gonzalez, B. Oliete // Food and Bioprocess Technology. -2012. - № 5. - Р. 2409-2418.
7. Пат. 2115340 Российской Федерации, МПК A23L1/30, A23L1/10 Биологически активная добавка и способ ее производства / В.С. Дроздов, Ю.И. Павлюк, А.В. Михайлов, И.А. Козлов, Н.С. Красовский, В.И. Степанов; заявитель и патентообладатель АООТ «Мелькомбинат в Сокольниках» - № 97109649/13; заявл. 09.06.1997; опубл. 20.07.1998.
8. Лынский, Л.В. Практическое решение вопроса получения самоочищающейся поверхности двухшнеко-вого экструдера / Л.В. Лынский, А.П. Лифанов, В.И. Степанов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 1998. -№ 5. - С. 35-36.
9. Рябченко, Н.И. Радиопротекторные и антистрессовые свойства моду-
ляторов продукции оксида азота / Н.И. Рябченко [и др.] // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2005. -Т. 45. - № 1. - С. 88-93.
10. Рябченко, Н.И. Флуориметри-ческий анализ появления и репарации разрывов в ДНК облученных клеток / Н.И. Рябченко, С.Я. Проскуряков, Б.П. Иванник, Л.И. Кутмин // Радиобиология. - 1984. - Т. 24. -Вып. 2. - С. 154-157.
11. Рябченко, Н.И. Влияние предварительного адаптирующего облучения на содержание продуктов пере-кисного окисления липидов в сыворотке крови и повреждение ДНК в тимусе облученных мышей / Н.И. Рябченко [и др.] // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2000. -Т. 40. - № 6. - С. 661-663.
12. Рябченко, Н.И. Молекулярные, клеточные и системные механизмы радиопротекторного действия поливитаминных антиоксидантных комплексов / Н.И. Рябченко [и др.] // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1996. Т. 36. Вып.6. - С. 895899.
Радиопротекторные и антистрессовые свойства экструдатов пшеничного зародыша c аскорбиновой кислотой
Ключевые слова
антистрессовые свойства, аскорбиновая кислота, гамма-излучение, перекисное окисление липидов, пшеничный зародыш, радиопротекторные свойства, экструзия.
Реферат
Методом варочной экструзии получен экструдированный продукт из зародыша пшеницы с добавлением аскорбиновой кислоты. Полученный экструдат был исследован на наличие радиопротекторных и антистрессовых свойств. Он вносился в виде 5 % добавки в корм мышам, подвергнутым стрессовому и лучевому воздействию. Была изучена способность полученного экструдата с аскорбиновой кислотой снижать концентрацию продуктов перекисного окисления липидов в сыворотке крови и защищать от деградации ДНК лимфоцитов тимуса мышей, подвергнутых отрицательным воздействиям. Установлено, что облучение в дозе 1 Гр/мин и стрессовое воздействие увеличивают в сыворотке крови концентрацию малонового диальдегида с 38,6 до 46,7 мкМ и до 47,9 мкМ соответственно. Кормление животных кормом, обогащенным экструдатом пшеничного зародыша с аскорбиновой кислотой, достоверно снижает индуцированное увеличение концентрации малонового диальдегида до уровня контрольных значений. Исследования показали также снижение эффективности деполимеризации ДНК тимоцитов, индуцированной облучением или стрессом. Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что экструдированные пшеничные зародыши с аскорбиновой кислотой обладают антиоксидантным действием, препятствуя развитию индуцированной облучением и стрессом активации перекисного окисления липидов.
Radioprotection and Anti-Stress Properties of Extrudates Wheat Germ with Ascorbic Acid
Key words
wheat germ, ascorbic acid, extrusion cooking, stress, gamma radiation, lipid peroxidation, radioprotective and antistressful properties
Abstracts
Product containing wheat germ and ascorbic acid was produced by high-temperature short-time extrusion technology. Radioprotective and antistressful properties of extruded product were investigated. Extrudate was used as 5% additive to feed of experimental mices exposed to radiation and stress. It was studied ability of extruded wheat germ with ascorbic acid to prevent radiation-induced and stress-induced lipid peroxidation and DNA degradation in thymus. According to research, irradiation and stress caused increasing of malondialdehyde concentration from 38,6 Micromole to 46,7 micromole and to 47,9 micromole respectively. Mice feeding enriched with extruded wheat germ with ascorbic acid decreased raised concentration of malondialdehyde to normal level. Also studies indicated, that double-helical DNA fragments content kept on more high level for experimental mices with feed allowance enriched by extruded wheat germ with ascorbic acid. Studies have shown that extruded wheat germ with ascorbic acid have antioxidant properties and prevent radiation- and stress-induced lipid peroxidation and DNA degradation in thymus of experimental mices.
Авторы
Степанов Владимир Иванович, канд. техн. наук, Иванов Виктор Витальевич, канд. техн. наук, Шариков Антон Юрьевич, канд. техн. наук,
ВНИИ пищевой биотехнологии, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4б, [email protected] Рябченко Николай Ильич, д-р биол. наук, профессор, Рябченко Валентина Ивановна, канд. биол. наук, Дзиковская Лариса Анатольевна, канд. биол. наук, Дегтярева Елена Сергеевна,
Медицинский радиологический научный центр Минздравсоцразвития России, 249036, Калужская область, г. Обнинск, ул. Королева, д. 4, [email protected]
Authors
Stepanov Vladimir Ivanovich, Candidate of Technical Science, Ivanov Viktor Vitalyevich, Candidate of Technical Science, Sharikov Anton Yuryevich, Candidate of Technical Science, Research Institute of Food Biotechnology, 4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033, [email protected]
Ryabchenko Nikolay Ilyich, Doctor of Biological Science, Professor, Ryabchenko Valentina Ivanovna, Candidate of Biological Science, Dzikovskaya Larisa Anatilyevna, Candidate of Biological Science, Degtyareva Elena Sergeevna,
Medical Radiological Research Center of Ministry of Health and Social Development of Russia, 4, Korolyova St., Obninsk, Kaluga Region, 249036, [email protected]
