CC BY
3
УДК. 581.192.2 DOI 10.24412/2311-6447-2024-3-118-123
Спектральный анализ плодов паслёна чёрного (Solanum nigrum L.)
Spectral analysis of black nightshade fruits (Solanum nigrum L.)
Студент И.А. Хомякова, студент Л.Е. Дахова, Череповецкий государственный университет, кафедра биологии, тел. +7-996-309-25-99
ladadakhova@mail. ru доцент О.В. Новиченко, Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева, кафедра биотехнологии, аквакультуры, почвоведения и управления земельными ресурсами, тел. +7927-560-47-97
ст. преподаватель М.Н. Кутузов, Череповецкий государственный университет, кафедра биологии,
тел. +7-929-125-00-98
kutuzov35@gmail. com профессор М. А. Егоров Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), отдел аспирантуры и докторантуры, тел. +7-903-349-17-19 egorov@vniro. ru
науч. сотрудник Д.Д. Вилкова, Череповецкий государственный университет, кафедра биологии, тел. +7-937-821-29-91
dariavilkova333@gm ail.com
Student I.A. Khomiakova, Student L.E. Dakhova, Cherepovets State University, chair of Biology, тел. +7-996-309-25-99 ladadakhova@mail. ru Associate Professor О^. Novichenko, Astrakhan State University name of V.N. Tatishchev, chair of Biotechnology, Aquaculture, Soil Science and Land Management, tel. +7-927-560-47-97 [email protected]
Senior Lecturer М.^ Kutuzov, Cherepovets State University, Chair of Biology, тел. +7-929-125-00-98 kutuzov3 [email protected] Professor, M. A. Egorov Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography (VNIRO), Department of Postgraduate and Doctoral Studies, тел. +7-903-349-17-19 egorov@vniro. ru
Researcher Associate D.D. Vilkova, Cherepovets State University, Chair of Biology, тел. +7-937-821-29-91 dariavilkova333@gmail. com
Аннотация. В настоящее время перспективным направлением исследования является комплексное изучение различных растительных организмов с целью поиска нового сырья. Одним из
© И.А. Хомякова, Л.Е. Дахова, О.В. Новиченко, М.Н. Кутузов, М.А. Егоров, Д.Д. Вилкова, 2024
инструментальных методов исследования химического состава растительных компонентов является инфракрасная спектроскопия (ИКС). Данный способ позволяет определить основной состав пищевых продуктов, обнаружить примеси, провести фракционный или структурно-групповой анализ. ИКС отличается относительно простым и автоматизированным получением спектров, приставка НПВО позволяет избежать этапа специальной пробоподготовки. Представлены результаты изучения химического состава высушенных спелых плодов паслёна чёрного (Solanum nigrum L.), поскольку данное растение в настоящее время недостаточно изучено. Полученный спектр пропускания плодов паслёна чёрного был расшифрован по выраженным пикам. Были обнаружены мажорные пики при длинах волн 3271, 2924, 2874, 1 743, 1581 и 1030 см-1. Выявлено, что плоды имеют богатый химический состав, включающий карбоновые кислоты, фенольные соединения, спирты, алканы, ароматические и алифатические вещества и некоторые другие группы. Также обнаружены признаки присутствия соединений бора, серы и фосфора. Исследованы пики пропускания, связанные валентными симметричными и асимметричными колебаниями метиленовых групп, а также растяжение связей в гидроксиль-ной группе. Полученный спектр пропускания схож со спектрами других растений, которые выявлены в исследованиях по изучению их химического состава, но в меньших концентрациях. В перспективе паслён чёрный может использоваться в качестве сырья для некоторых отраслей промышленности, поскольку содержит в себе большое количество групп химических соединений, которые могут обладать биологической активностью.
Abstract. Currently, a perspective of research studies is a comprehensive investigation of various plant in order to find raw materials for industries. One of the instrumental methods for determination of the chemical composition of plant components is infrared spectroscopy (IRS). This technique allows to determine the main composition of food products, and conduct fractional or structural-group analysis. IRS is characterized by a relatively simple and automated, the FTIR Attenuated Total Reflectance attachment also made it possible minimal sample preparation. The paper presents the results of a study of the chemical composition of dried fruits of black nightshade (Solanum nigrum L.) since this plant has not been sufficiently used at present. The obtained transmission spectrum of black nightshade fruits was presents by pronounced peaks. Major peaks were found at wavelengths of 3271, 2924, 2874, 1743, 1581 and 1030 cm-1. It was found that the fruits have a rich chemical composition, including carboxylic acids, phenolic compounds, alcohols, alkanes, aromatic and aliphatic compounds and some other groups. Signs of the presence of boron, sulfur and phosphorus compounds were also found. The transmission peaks associated with valence symmetric and asymmetric vibrations of methylene groups, as well as the stretching of bonds in the hydroxyl group. The result transmission spectrum is similar to the spectra of other plants that were identified in studies on their chemical composition, but in lower concentrations. In the future, black nightshade can be used as a raw material for some industries, since it contains a large number of groups of chemical compounds that can have biological activity.
Ключевые слова: паслён черный, плоды, спектральный анализ, инфракрасная спектроскопия, Solanum nigrum L.
Keywords: black nightshade, fruits, spectral analysis, infrared spectroscopy, Solanum nigrum L.
Человек в своей деятельности с давних времен начал использовать различные компоненты растений. В настоящее время с развитием технологий, разработкой новых методов и приборов значительно расширился круг областей, в которых можно бы было применять растительные организмы. Особый интерес к вторичным метаболитам растений, которые представляют собой низкомолекулярные соединения. Растения используют их обычно для защиты от вредителей и патогенов, ведь многие вещества из этой группы обладают различной биологической активностью. Поскольку химический состав растений очень богат, в него входит множество групп химических соединений - флавоноиды, терпеноиды, сапонины, танины и органические кислоты, многие из которых обладают различными видами биологической активности. В связи с этим растения могут служить сырьём для некоторых отраслей промышленности: медицины, фармацевтики, парфюмерии, а также пищевой и косметической отраслей [3]. Исходя из этого перспективным направлением научных исследований является всестороннее изучение состава различных видов растений с целью выявления их потенциала для использования в качестве сырья в различных сферах.
Среди растений можно выделить семейство Паслёновые (Solanaceae). К данной группе принадлежат многие сельскохозяйственные культуры, например, баклажан, томат, перец, картофель. Людей часто настораживает использование этих растений, ведь Паслёновые считаются ядовитыми. В их составе действительно присутствуют алкалоиды, в частности соланин, который может быть вреден для организма человека, но это вещество содержится лишь в неспелых плодах, и по мере созревания оно разрушается. Среди представителей данного семейства можно выделить паслён чёрный (Solanum nigrum L.) - растение, которое в нашей стране не так хорошо изучено, зато существует большое количество исследований зарубежных учёных, по-свящённых различным свойствам компонентов, входящих в его состав. Имеется информация о содержании в паслёне чёрном более 100 химических соединений, относящихся к различным группам: флавоноидам, сапонинам, алкалоидам, жирным кислотам и некоторым другим. Стоит также отметить, что S. nigrum довольно легко культивируется и является очень неприхотливым к условиям выращивания. Паслён чёрный заселяет различные местообитания, такие как влажные леса, берега рек, пустыри, старые поля и обрабатываемые земли. Его широкая толерантность к типам среды обитания, способность цвести в молодом возрасте и обильное производство семян - всё это способствует успеху этого растения в качестве широко распространённого сорняка [5].
Широкое применение находят спектральные методы изучения химического состава, основанные на регистрации различных эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения [2]. Важное место среди спектральных методов занимает инфракрасная спектроскопия (ИКС), позволяющая определять химическую структуру различных веществ. У данного метода имеется ряд преимуществ. Он не требует больших затрат времени, и из спектра возможно извлечь много информации при относительно небольшом количестве измерений. ИКС - это недорогой метод, являющийся также экологически безопасным, т. к. при исследовании не используются какие-либо реагенты. Ещё одной особенностью данной методики является отсутствие специальной пробоподготовки, что также позволяет экономить время на проведение анализа.
Объектом нашего исследования стали плоды паслёна чёрного (S. nigrum) - травянистого растения из семейства Паслёновые (Solanaceae). Ягоды этого растения шаровидной формы, матово-чёрного цвета, 8-10 мм в диаметре [6]. После высушивания плоды приобретают коричневую окраску.
Цель исследования - изучение химического состава плодов паслёна чёрного с помощью инфракрасной спектроскопии. Для исследования использовали плоды паслёна чёрного, собранные на территории Астраханского региона. Для получения наиболее полной информации о химическом составе сбор сырья производили в период (август-сентябрь), характеризующийся наибольшим накоплением биологически активных веществ (БАВ) в растении. Плоды высушивали до воздушно-сухого состояния и хранили в затенённом помещении.
Изучение химического состава проводили методом ИКС в среднем диапазоне. Регистрацию инфракрасных спектров проводили на ИК-Фурье-спектрометре «ФТ-801» с использованием приставки нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Сканирование спектров проводили при комнатной температуре (22-24 °С) в диапазоне 4000-540 см-1 с разрешением 4 см-1 при 16 сканированиях. Приставка НПВО была изготовлена из кристалла ZnSe, имеющего угол падения 45° и полное отражение n=10. При измерении образец слегка придавливали для обеспечения хорошего контакта между ним и кристаллом (рис. 1).
Рис. 1. ИК-Фурье-спектрометр «ФТ-801»
Для каждого образца снимали 4 спектра. Перед каждым измерением снимали опорный спектр (спектр кристалла ZnSe). Между измерениями образцов кристалл протирали спиртом и затем дистиллированной водой, а после полного его высушивания происходило измерение образца. Статистическую обработку ИК-спектров проводили с помощью программы управления ZaIR 3.5. Вычисление средних показателей спектров проводили с помощью стандартной программы Microsoft Office Excel 2019.
В результате проведенных исследований был получен ИК-спектр пропускания плодов паслёна чёрного ( S. nigrum). На нём наблюдается несколько выдающихся пиков при длинах волн 3271, 2924, 2874, 1743, 1581 и 1030 см-1 (рис. 2).
Рис. 2. ИК-спектр плодов паслёна чёрного
Мажорный пик при длине волны 3271 см-1 может быть обусловлен растяжением связи О-Н в молекулах воды, карбоновых кислот, спиртов и фенолов. Полосы пропускания с центром при данной длине волны может указывать на растяжение связи К-И. Кроме того в этой же области находится слабо выраженный пик при длине волны 3657 см-1, который также свидетельствует о растяжении связи О-Н [8].
Далее расположенный пик при 2924 см-1 характерен для асимметричных валентных колебаний метиленовой группы -СИ2 в липидах. Показатели пропускания при длине волны 2847 см-1 могут указывать на симметричные валентные колебания -СН2. Такие показатели могут свидетельствовать о наличии предельных углеводородов - алканов [7, 4]. Имеется слабовыраженный пик пропускания при 2098 см-1, обусловленный растяжением связи С=К [8].
Растяжением связи С=О обусловлены значения пропускания при 1743 см-1, и такой показатель характерен для сложных эфиров и насыщенных алифатических соединений. Пик при 1581 см-1 указывает на растяжение связей, характерных для ароматических соединений [8].
На рис. 2 заметен минорный пик при длине волны 1242 см-1, обусловленный растяжением связи С-О в гемицеллюлозе [4]. Значения пропускания при 1142 см-1 могут указывать на растяжение связей С-К и Э-О. Также выдающийся пик виден при длине волны 1030 см-1, он может быть вызван растяжением связи С-О. Появление данных показателей связано с наличием целлюлозы [8].
Кроме того, у плодов паслёна чёрного имеются менее выраженные пики. Например, ~ 821 и 871 см-1, обусловливается асимметричным растяжением связи Р-О, при этом последний характерен для ароматических соединений. Также интерес представляет пик при 925 см-1, свидетельствующий о наличии соединений бора (растяжение связи В-Н) [8].
Полученные ИК-спектры пропускания соотносятся с некоторыми литературными данными. Так, при исследовании химического состава этанольного экстракта мякоти плодов маракуйи были выявлены сходные полосы пропускания. Например, учёные из Саудовской Аравии выявили пик при длине волны 3334 см-1, также характерный для растяжения связи О-Н в спиртах и фенолах. Кроме того, имеются сходные с нашим исследованием пики при 2975 и 2893 см-1, которые авторы связывают с асимметричным и симметричным растяжением -СН2 соответственно. Также арабскими исследователями был выявлен пик при 1043 см-1, указывающий на растяжение связи С-О. При этом величины пропускания в нашей работе меньше, что может свидетельствовать о больших концентрациях выявленных веществ [7].
Также сходные спектры пропускания были выявлены учёными из Южной Африки при изучении химического состава листьев и стеблей Отвю1а ¡авюсагра Е.Меу. ех Иагу. Были обнаружены пики при длинах волн 3302 и 3293 см-1, которые авторы связывают с растяжением связи С-Н. Помимо этого на полученных спектрах видны пики при 2920 и 2919 см-1, указывающие на ассиметричные валентные колебания в липидах. Сходство результатов, полученных нами, также выражается в наличии пиков, свидетельствующих о присутствии в растении гемицеллюлозы, алифатических и ароматических соединений, карбоновых кислот и алканов [4].
В результате исследования химического состава корней и побегов синюхи голубой были получены спектры пропускания, выраженные пики которых совпадают с результатами, полученными в нашей работе. Обнаружены пики, указывающие на валентные колебания -ОН (3750-3600 см-1) и -СН2 (1460-1450 и 1380-1300 см-1). Также выявлен пик при 1900-1580 см-1, свидетельствующей о валентных колебаниях С=О [1].
Таким образом, в ходе проведённых исследований с помощью метода ИКС было выявлено наличие в спелых плодах паслёна чёрного некоторых групп соединений. Обнаружены признаки присутствия алканов, карбоновых кислот, фенольных соединений, спиртов, ароматических и алифатических веществ, а также молекул, содержащих в своём составе фосфор, бор и серу. Наиболее информативными полосами пропускания стали значения параметра при длинах волн 10002000 см-1. Из данной области спектра удалось извлечь много информации о составе компонентов плодов паслёна чёрного. Исходя из результатов можно заключить, что паслён чёрный имеет богатый химический состав и может стать источником биологически активных веществ для различных отраслей промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гудкова, А.А. ИК-спектроскопия в анализе растительного сырья синюхи голубой / А.А. Гудкова, С.А. Матвейчук, А.И. Сливкин// Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции: сб. науч. трудов. - Пятигорск, 2018. - С.101-103.
2. Зотеева, И.В. Физико-химические методы анализа одноатомных спиртов / И.В. Зотеева// Интеграция науки, общества, производства и промышленности: проблемы и перспективы: сб. ст. по итогам Междунар. науч.-практич. конф. - Стерлита-мак, 2021. - С.180-183.
3. Носов, А.М. Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения / А.М. Носов// Биотехнология. - 2010. - № 5. - С.8-28.
4. Akvu, N.A., Naidoo Y., Singh M. A comparative study of the proximate, FTIR analysis and mineral elements of the leaves and stem bark of Grewia lasicarpa E.Mey. ex Harv.: An indigenous southern African plant// South African journal of botany. - 2019. - Vol. 123. - рр.9-19.
5. Edmonds, J.M., Chweya J. Black nightshades Solanum nigrum L. and related species, promoting the conservation and use of under utilized and neglected crops // A Institute of plant genetic and crop plant research. International Plants genetic resource institute. - Rome, Italy: IPGRI. - 1997. - 115 рp.
6. Padmashree A., Sharma G.K., Semwal A.D., Mahesh C. Antioxygenic activity of Solanum nigrum L. leaves in sunflower oil model system and its thermal stability // Food and nutrition science. - 2014. -Vol. 5. - рр.1022-1029.
7. Rizwana, H., Otibi F.A., Al-malki N. Chemical composition, FTIR studies and antibacterial activity of Passiflora edulis f. edulis (Fruit) // Journal of pure and applied microbiology. - 2019. - Vol. 13. - № 4. - рр.2489-2498.
8. Stuart, B. H. Infrared spectroscopy: fundamentals and applications. - John Wiley & Sons Ltd, 2004. - 248 pр.
REFERENCES
1. Gudkova, A.A., Matveychuk S.A., Slivkin A.I. IK-spektroskopiya v analize ras-titel'nogo syr'ya sinyukhi goluboy [IR spectroscopy in the analysis of plant raw materials of blue cyanosis], Razrabotka, issledovanie i marketing novoy farmatsevticheskoy produk-tsii: sb. nauch. Trudov. Pyatigorsk, 2018. - pp.101-103.
2. Zoteeva, I.V. Fiziko - khimicheskie metody analiza odnoatomnykh spirtov [Phys-icochemical methods of analysis of monohydric alcohols], Integratsiya nauki, ob-shchestva, proizvodstva i promyshlennosti: problemy i perspektivy: sb. st. po itogam Mezhdunar. nauchno-praktich. konf. -Sterlitamak, 2021. - pp.180-183.
3. Nosov, A.M. Ispol'zovanie kletochnykh tekhnologiy dlya promyshlennogo polu-cheniya biologicheski aktivnykh veshchestv rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Use of cellular technologies for industrial production of biologically active substances of plant origin], Biotekhnologiya. - 2010. - № 5. - pp.8-28.
4. Akvu, N.A., Naidoo Y., Singh M. A comparative study of the proximate, FTIR analysis and mineral elements of the leaves and stem bark of Grewia lasicarpa E.Mey. ex Harv.: An indigenous southern African plant, South African journal of botany.- 2019, Vol. 123. - pp.9-19.
5. Edmonds, J.M., Chweya J. Black nightshades Solanum nigrum L. and related species, promoting the conservation and use of under utilized and neglected crops // A Institute of plant genetic and crop plant research. International Plants genetic resource institute. - Rome, Italy: IPGRI. -1997. - 115 рp.
6. Padmashree, A., Sharma G.K., Semwal A.D., Mahesh C. Antioxygenic activity of Solanum nigrum L. leaves in sunflower oil model system and its thermal stability, Food and nutrition science. - 2014, Vol. 5. - pp.1022-1029.
7. Rizwana, H., Otibi F.A., Al-malki N. Chemical composition, FTIR studies and antibacterial activity of Passiflora edulis f. edulis (Fruit) // Journal of pure and applied microbiology. - 2019, Vol. 13. - № 4. - pp.2489-2498.
8. Stuar,t B. H. Infrared spectroscopy: fundamentals and applications, John Wiley & Sons Ltd, 2004. - 248 рp.
