The content of carotenoids in plant fruits of Sorbus L. species and varieties when introduced in the North (Komi Republic)

Full Text

Введение

Виды рода Sorbus L. (рябина) – древесные растения, произрастающие в Северном полушарии. Благодаря своим биологическим особенностям – способности произрастать в достаточно экстремальных климатических условиях (низкие зимние температуры, недостаточная теплообеспеченность в период вегетации), неприхотливости к почвам – многие виды рябины отличаются широкой экологической пластичностью, что позволяет культивировать их и в условиях Севера. Представители этого рода интересны как декоративные, пищевые и лекарственные растения. Ранее изучалось накопление различных биологически активных веществ в плодах рябины исследователями из Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина [1; 2], Кубанского государственного аграрного университета [3], Белгородского госуниверситета [4], Павловской опытной станции ВИР [5], Мичуринского государственного аграрного университета [6], Кемеровского технологического института пищевой промышленности [7], Астраханского государственного медицинского университета [8], Центрального ботанического сада НАН Беларуси [9; 10], Южно-Уральского ботанического сада-института [11; 12], исследователями в Брянской области [13; 14] и др. Этими работами показано, что из плодов разных видов рябины можно выделить уникальный комплекс необходимых человеку БАВ для использования как в лечебных, так и в профилактических целях. Интерес к рябине, особенно в северных районах, постоянно возрастает. Виды рябины, интродуцируемые в условиях средней подзоны тайги Республики Коми, привлечены в коллекцию Ботанического сада Института биологии Коми НЦ УрО РАН в разные годы исследований начиная с 1946 года. В настоящее время в Научной коллекции живых растений выращивается 23 вида (более 40 таксонов) этого рода. Это двух-одиннадцатилетние растения, находящиеся в прегенеративном периоде и в молодом генеративном онтогенетическом состоянии генеративного периода развития, а также особи некоторых видов и сортов рябины в средневозрастном и старом генеративном онтогенетических состояниях.

Изучение биохимического состава плодов интродуцируемых видов рябины позволит оценить их дальнейшее культивирование не только как декоративных растений. Несмотря на то, что биохимический состав плодов сортов и некоторых видов рябины в той или иной степени изучен, в качестве фармакопейного сырья в РФ рекомендованы плоды Sorbus aucuparia L. [15]. Вместе с тем следует отметить, что химический состав может значительно варьировать в зависимости как от вида и сорта, так и от почвенно-климатических условий места культивирования растений [2; 11; 7; 16–24]. В связи с этим анализ содержания БАВ в плодах интродуцируемых в условиях Севера видов рябины разного географического происхождения будет интересен для селекции этих растений на наибольшее содержание каких-либо веществ и дальнейшее их использование в качестве плодовых и лекарственных культур в северном садоводстве.

Большое значение в экстремальных экологических условиях приобретают механизмы устойчивости растений, обусловленные активизацией антиоксидантной системы защиты, среди составляющих которой важную роль играют каротиноиды [25; 26 и др.]. В настоящее время известно не менее 600 жирорастворимых пигментов. Исследователи отмечают, что до конца не раскрыты механизмы их регуляции и накопления в растениях [27; 28 и др.]. Функции каротиноидов многогранны – пигментирующая, антиоксидантная защита биомембран клеток от повреждения солнечным излучением и радиацией, способность превращаться в организме человека в витамин А. Также велика роль каротиноидов на разных этапах формирования семян растений [29]. Последние работы показывают новое значение каротиноидов – способность активировать экспрессию генов, кодирующих интегральный компонент межклеточного взаимодействия (коннексин-43), тем самым предотвращая канцерогенез и защищая геном клеток от окислительных повреждений [30; 31 и др.]. Также они регулируют ферментативные процессы в организме, обеспечивая важные биологические функции и улучшая здоровье человека [30; 32; 33 и др.].

Целью наших исследований являлось сравнительное изучение содержания каротиноидов у шести видов и трех сортов рода Sorbus, интродуцируемых в условиях Севера.

Объекты и методы исследования

Работа выполнялась в Ботаническом саду Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Объектами исследований были: виды рода Sorbus из секции Sorbus – S. sambucifolia (Cham. et Schlecht.) – р. бузинолистная (Владивосток), S. pohuashanensis (Hanse) Hedl. – р. похуашанская (Саласпилс), S. amurensis Koehne – р. амурская (Благовещенск), S. discolor (Maxim.) Hedl. – р. двухцветная (Opava, Чехия), S. aucuparia (местная репродукция образца из Ухтинского района Республики Коми (далее РК); Усть-Куломский р-н, РК; г. Йошкар-Ола), из секции Lobatae – S. mougeottii Soy.-Willem. et Codr. – р. Мужо (местная репродукция образца неизвестного происхождения), сорта рябины – Бусинка, Рубиновая, Сорбинка.

Для определения каротиноидов плоды растений рябины собирались в течение сентября по мере их созревания. Растительные образцы, высушенные до воздушно-сухого состояния, перемалывали на лабораторной мельнице до муки, проходящей через сито 0,25 мм.

Экстракция каротиноидов

На лабораторных аналитических весах отбирали навески по 500,0 мг с тройной повторностью. Каждую навеску вносили в коническую колбу емкостью 100 см³ с пришлифованной пробкой. Для экстракции каротиноидов использовали ацетон.

В колбы с навесками сырья вносили по 15 см³ ацетона и выдерживали в ультразвуковой ванне УЗВ-150Н без нагрева в течение 5 мин. После УЗВ обработки в колбы с суспензией сырье-ацетон вносили по 100 мг соды кальцинированной для связывания органических кислот. Суспензию перемешивали в течение 15 мин. на магнитной мешалке. Экстракт отфильтровывали через мембранный фильтр из фторопласта с порами 45 мкм. Растительный жом количественно переносили с фильтра в исходную коническую колбу и повторяли экстракцию каротиноидов ацетоном еще 2 раза. Полученные экстракты объединяли в мерной колбе емкостью 50 см³. Для предотвращения частичной фотодеструкции каротиноидов мерные колбы с экстрактами обертывали алюминиевой фольгой.

Приготовление раствора бихромата калия и построение калибровочного графика зависимости оптической плотности при длине волны 450 нм от условной концентрации β-каротина

На аналитических весах отбирали точную навеску бихромата калия в количестве 0,1800 г и растворяли в мерной колбе на 500 см³. Оптическая плотность полученного раствора при длине волны 450 нм соответствует концентрации β-каротина, равной 0,00208 мг/мл (раствор A). Из раствора A отбирали аликвоту в объеме 50 мл, переносили в мерную колбу вместимостью 100 мл и разбавляли водой до 100 мл (раствор B). Оптическая плотность полученного раствора B при длине волны 450 нм соответствует концентрации β-каротина, равной 0,00104 мг/мл. Из раствора B аналогично отбирали аликвоту 25 мл и переносили в мерную колбу вместимостью 50 мл, разбавляли водой до 50 мл (раствор C). Оптическая плотность полученного раствора C соответствует концентрации β-каротина, равной 0,00052 мг/мл при длине волны 450 нм. На спектрофотометре Shimadzu 1700 последовательно определяли оптическую плотность растворов A, B, C и строили калибровочный график зависимости оптической плотности раствора от концентрации. В качестве раствора сравнения использовали дистиллированную воду. Длина оптического пути в кюветах 10 мм.

Спектрофотометрическое определение концентрации каротиноидов в экстрактах

С применением полученного калибровочного графика определяли концентрацию каротиноидов в ранее полученных экстрактах. Для этого из мерных колб вместимостью 50 мл с ацетоновыми экстрактами каротиноидов отбирали аликвоту в объеме 1 мл (дозирующим устройством Biohit), переносили в мерную колбу емкостью 25 мл и разбавляли гексаном до метки. Фотометрию раствора осуществляли при длине волны 450 нм относительно чистого гексана.

Массовую долю каротиноидов X (мг/%) в образцах плодов рябины вычисляли по формуле:

X = D₁ × 0,00208 × V₀ × V₁ × 100 × 100 / D₂ × m × V₂ × (100 − w),

где D₁ – оптическая плотность испытуемого раствора; 0,00208 – количество β-каротина в мг в растворе, соответствующем по окраске раствору стандартного образца бихромата калия; V₀ – объем экстракта, мл; V₁ – объем анализируемого раствора, мл; D₂ – оптическая плотность стандартного раствора бихромата калия, усл. ед.; m – навеска растительного сырья, г; V₂ – объем пробы экстракта, отобранного для анализа, мл; w – потеря массы при высушивании, %.

Методика описана в Патенте RU 2302 253 и адаптирована для использования спектрофотометра Shimadzu 1700 [34].

Результаты и обсуждение

Содержание каротиноидов в растениях зависит от вида, сорта, экологических условий места произрастания растений и других факторов. Довольно хорошо накопление этой группы веществ исследовано в таких овощных растениях, как брокколи, тыква, томат, перец, батат и др., во фруктах – абрикос, мушмула, грейпфрут, папайя [16], вместе с тем продолжается их выявление не только в культивируемых, но и в дикорастущих представителях флоры [35]. Большой селекционно-генетический анализ среди видов и сортов рода Sorbus проведен Н.Л. Кочегаровой [13] с комплексной биохимической характеристикой данных растений. Ею показано, что S. aucuparia – ведущий вид не только внутри рода, но и среди других плодово-ягодных растений по содержанию каротиноидов.

В результате наших исследований в плодах видов рябины разных секций и ее сортов выявлено различное содержание суммы каротиноидов. Наибольшими значениями этого показателя отличались плоды растений восточноазиатских видов секции Sorbus (рис. 1): S. amurensis – 43 ± 1,1 мг/%, S. discolor – 31,9 ± 2,3 мг/%, S. pohuashanensis – 30,3 ± 1,7 мг/%. Биохимический анализ плодов S. amurensis в окрестностях Хабаровска [17] и в Уфе [11] показал более низкое содержание каротиноидов (почти в 3 раза), чем их сумма в плодах растений этого вида, выращиваемых на Севере. Наименьшим (более чем в 12 раз в сравнении с предыдущими видами) содержание каротиноидов оказалось в плодах дальневосточной рябины S. sambucifolia. Следует отметить, что значение данного показателя для этого вида сходно с минимальным значением такового в условиях Мичуринска, где он в разные годы, по данным Т.К. Поплавской [36, с. 71, 77], изменялся от 5,0 до 12,7 мг/%.

Рисунок 1 – Содержание каротиноидов в плодах различных видов и сортов рода Sorbus в условиях интродукции в Республике Коми

Различное содержание этой группы веществ установлено у образцов S. aucuparia: сумма каротиноидов у образца из Йошкар-Олы (15 ± 4 мг/%) в 3 раз выше, чем таковая у образца из Усть-Куломского р-на РК, и в 5 раз – чем у образца из Ухтинского района РК. Значения этого показателя у образцов, интродуцированных из естественных местообитаний РК, более чем в 2–10 раз ниже таковых для данного вида, выращиваемого в условиях Уфы (11,2 ± 0,46 мг/% [11; 12]), в окрестностях Рязани (16,3 мг/% [37]) или в Белгороде (26–32 мг/% [4]). Но вместе с тем сумма каротиноидов, определенная в плодах S. aucuparia, произрастающей в Пензенской, Московской, Саратовской областях и Республике Мордовия, находящаяся в пределах 4,54–6,32 мг/% [21], только в 1–2 раза превышает либо не достигает этого показателя в плодах образцов S. aucuparia из РК. Содержание каротиноидов в плодах йошкар-олинского образца S. aucuparia выше в 1,3–3 раза, нежели в сырье этого вида рябины в Уфе и вышеназванных регионах России, но в 1–2 раза ниже, чем в Рязани и Белгороде.

Плоды растений европейско-средиземноморского вида S. mougeottii (секция Lobatae) были близки по содержанию каротиноидов к плодам образцов S. aucuparia из Усть-Куломского р-на РК и сорта Бусинка.

Условно промежуточное положение, когда процент суммы каротиноидов не достигал высоких значений, как у S. amurensis, и не опускался ниже, чем у образцов S. aucuparia из РК и S. sambucifolia, заняли сортовые растения рябины. Так, содержание каротиноидов в плодах разных сортов рябины изменялось от 7,2 ± 0,1 мг/% (сорт Бусинка) до 12,3 ± 1,7 мг/% (сорт Сорбинка). Сорт Бусинка в условиях Мичуринска накапливал в среднем 6,7 ± 1,3 мг/% [36, с. 77], что почти не отличается от значения этого показателя у данного сорта в условиях интродукции в РК. В тех же условиях [36, с. 77] сорт Сорбинка в 1,6 раза уступает по сумме каротиноидов в плодах растениям, интродуцированным в РК.

В литературных данных имеются сведения о содержании каротиноидов в сырье представителей рода Sorbus, изученных в разных природно-климатических условиях, однако они не всегда поддаются сравнению, например, по причине того, что исследователи применяют различные подходы в пробоподготовке плодов рябины для биохимического анализа [5; 19 и др.].

В РФ качество плодов рябины обыкновенной, согласно Государственной фармакопее Российской Федерации [15], характеризуется по сумме органических кислот (в пересчете на яблочную кислоту). В Государственной фармакопее Республики Беларусь [38] приводится информация о содержании в сухих плодах S. aucuparia каротиноидов, сумма которых не должна быть ниже 3 мг/%. В связи с этим, оценивая накопление каротиноидов в плодах разных видов и сортов рябин, интродуцированных в РК, можно говорить о достаточном количестве в них веществ этой группы, поэтому представляется возможным продолжить дальнейшее изучение качественного биохимического состава сырья этих растений для выявления закономерностей накопления биологически активных веществ в условиях северного региона.

Выводы

Впервые в условиях интродукции в Республике Коми изучено содержание каротиноидов в плодах разных видов и сортов рода Sorbus. Выявлено, что они характеризуются накоплением различного количества каротиноидов: от 2,6 до 43 мг/% в зависимости от вида, образца и сорта. Сравнение значений суммы каротиноидов в плодах разных видов и сортов рябины, интродуцированных в условиях Севера и произрастающих в других регионах России, показало, что содержание этой группы веществ в сырье растений, выращиваемых в Республике Коми, преобладает у представителей секции Sorbus с восточноазиатским ареалом (S. pohuashanensis, S. discolor, S. amurensis), исключением оказался дальневосточный вид S. sambucifolia. Установлено разное содержание каротиноидов в плодах растений образцов S. aucuparia: максимальным этот показатель был у йошкар-олинского образца, который в 3–5 раз превышал таковой у S. aucuparia из РК. Определено содержание этой группы веществ в плодах рябины трех изучаемых сортов, показано их преобладание у сорта Сорбинка.

Исследование биохимического состава растительного сырья видов и сортов рябины с наибольшим содержанием каротиноидов в условиях интродукции на Севере следует продолжить с целью последующей оценки его качественного состава и для разработки рекомендаций по его использованию в качестве лекарственного, а также как источника функциональных ингредиентов для фармацевтической и пищевой промышленности.

Работа проводилась на базе УНУ «Научная коллекция живых растений» Ботанического сада Института биологии Коми НЦ УрО РАН, Рег. номер 507428. Исследования выполнены в рамках государственного задания по теме: «Закономерности процессов репродукции ресурсных растений в культуре на европейском Северо-Востоке» № АААА–А17–117122090004–9.

About the authors

Olga Valerievna Skrotskaya

Author for correspondence.
Email: skrockaja@ib.komisc.ru

candidate of biological sciences, head of Botanical Garden

Vasiliy Vitalyevich Punegov

Email: punegov@ib.komisc.ru

candidate of chemical sciences, senior researcher of Botanical Garden

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1

Download (16KB)

Indexing metadata