Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 9
Глава 2 Экспертно-аналитический отбор перспективных образцов растений коллекции нбс для создания функцио нальных продуктов и напитков 19
2.1. Отбор растений с использованием источников литературы 19
2.2. Биологические и хозяйственно-ценные признаки отобранных растений 20
Глава 3 Оценка перспективности отобранных культур по химическому составу 27
3.1. Содержание макро - и микроэлементов в растениях 27
3.2. Количественное содержание и качественный состав эфирных масел перспективных образцов растений 35
Глава 4 Оценка химического состава водно-спиртовых экстрактов растений 50
4.1. Содержание сухих веществ в экстрактах 50
4.2. Содержание макро - и микроэлементов в экстрактах растений 51
4.3. Изучение качественного состава эфиромасличной фракции экстрактов растений 53
4.4. Исследование количественного содержания в экстрактах растительных фенолов, полисахаридов и оценка степени антиокислительной активности экстрактов 63
Глава 5 Особенности экстракции биологически активных веществ водно-спиртовыми растворителями с целью создания основ для функциональных продуктов и напитков 69
5.1. Изучение количественного перехода макро- и микроэлементов из растений в водно-спиртовые экстракты 69
5.2. Сравнительный анализ компонентного состава эфирного масла и эфиромасличной фракции водно-спиртовых экстрактов из свежесобранных и высушенных растений 72
5.3. Получение экспериментальных образцов композиций - концентрированной основы для функциональных продуктов и напитков 74
Заключение 80
Выводы 82
Список литературы 84
Приложение
- Биологические и хозяйственно-ценные признаки отобранных растений
- Количественное содержание и качественный состав эфирных масел перспективных образцов растений
- Изучение качественного состава эфиромасличной фракции экстрактов растений
- Сравнительный анализ компонентного состава эфирного масла и эфиромасличной фракции водно-спиртовых экстрактов из свежесобранных и высушенных растений
Введение к работе
В функциональном питании, как в России, так и за рубежом на первый план выходят вопросы, связанные с профилактикой различных заболеваний. Одним из наиболее эффективных подходов в профилактике является использование продуктов функционального питания, которые, наряду с питательными компонентами (белки, жиры, углеводы), содержат в своём составе микронутриенты, необходимые для обеспечения физиологических потребностей организма и поддержания гомеостаза в норме. К таким микронутриентам относятся нутрицевтики (макро- и микроэлементы, жирные и аминокислоты, особенно из числа незаменимых, витамины, вещества, обладающие антиоксидантным эффектом, растительные фенолы и полисахариды и т.д.), парафармацевтики (природные мягкие иммунокорректоры, адаптогены, эфирные масла и другие БАВ). Парафармацевтики позволяют влиять на физиологические процессы в рамках нормы без нарушения гомеостаза.
В обыденной жизни продукты питания обедняются за счёт технологической переработки, поэтому создание продуктов функционального питания возможно за счёт дополнительного введения функционально значимых БАВ, получаемых из природных источников (растения, минералы и т.д.).
В настоящее время перспективным также является более широкое использование БАВ для наружного применения (фито- и ароматерапия, лечебные ванны и т.д.). Такие продукты различного назначения с введёнными в их состав биологически активными компонентами -функциональные продукты, в настоящее время активно разрабатываются и используются как у нас в стране, так и за рубежом (БАД, лечебная косметика, кормовые добавки для животных и т.д.).
О тенденциях и перспективах развития этих направлений говорит тот факт, что количество официально зарегистрированных Фармакологическим комитетом России лекарственных средств на сегодняшний день составляет порядка 2,5 тыс., а количество официально зарегистрированных в Росси биологически активных добавок возросло с нескольких сотен (1995 год) до 4,5 тыс. (2006 год). В связи с этим, актуальным является поиск новых сырьевых источников получения БАВ из известного многообразия лекарственных и эфиромасличных растений.
Система ботанических садов, созданная с целью сохранения и поддержания биоразнообразия, является базовой основой для проведения учёными целенаправленного поиска наиболее перспективных образцов растений и создания на их основе устойчивых сортов с повышенным количеством БАВ. Коллекционный генофонд эфиромасличных, лекарственных и технических растений НБС включает около 1500 образцов, относящихся к 30 семействам. Наиболее богато в коллекции представлены ароматические растения семейства яснотковые (130 видов или 40% коллекции). Представители семейства астровые составляют 16%, а растения других семейств - 44%) коллекции.
Цель и задачи исследования
Целью нашей работы явилась оценка перспективности некоторых лекарственных и эфиромасличных культур коллекции Никитского ботанического сада в качестве сырьевых источников при создании функциональных продуктов и напитков. Для этого необходимо провести отбор перспективных сортообразцов растений на основе коллекции и изучить их химический состав. Биологическую ценность представляют не только сами растения, но и извлечения из них (настои, экстракты и т.д.). Изучение химического состава извлечений, позволит установить динамику физиологически активных БАВ и проследить их трансформации в растворах.
Необходимого терапевтического эффекта и оптимальных органолептических характеристик не всегда можно достичь, применяя монопрепараты. Для повышения ценности готового продукта и улучшения вкусовых и ароматических свойств следует изучать, а затем и использовать смеси растительных ингредиентов.
Научная новизна
Выявленные сортообразцы лекарственных и эфиромасличных культур сем. яснотковые (душица обыкновенная, иссоп лекарственный, котовник гибридный) и сем. астровые (полынь эстрагонная, тысячелистник холмовой) ранее не подвергались химической оценке. Нами впервые исследован качественный состав их эфирного масла, количество минеральных веществ и изучен состав БАВ 50%-ных водно-спиртовых экстрактов, полученных на их основе.
Сравнительный анализ содержания минеральных элементов и эфирных масел в растениях и их водно-спиртовых экстрактах позволил выявить специфичность как самих растений, так и их 50%-ных водно-спиртовых экстрактов по составу и содержанию БАВ.
Впервые показаны отличия компонентного состава эфирных масел при извлечении их из свежесобранных растений методом гидродистилляции и при экстракции водно-спиртовым раствором свежих и высушенных растений.
Практическая значимость состоит в том, что на основе перспективных культур коллекции Никитского сада созданы экспериментальные композиции, на которые получены патенты Украины. Разработанные композиции могут применяться для ароматизации функциональных продуктов и напитков, оказывающих оздоровительный эффект на организм человека.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации были доложены на конференциях: Всероссийская конференция «Химия и технология в медицине», Махачкала, 2002 г; Всеукраинская конференция молодых учёных «Актуальные вопросы современного естествознания», Симферополь, 2003 г; IV Конгресс курортологов и физиотерапевтов Автономной республики Крым «Актуальные вопросы организации курортного дела, курортной политики и физиотерапии», Евпатория, 2004 г; Ломоносовские чтения, Севастополь, 2005г; IV Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ», Сыктывкар, 2006 г; VII Международный симпозиум «Нетрадиционные и редкие растения, природные соединения и перспективы их использования», Белгород, 2006 г.
Публикации результатов исследований
По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, утвержденных ВАК Украины и 1 статья в издании, утверждённом ВАК России, 11 тезисов и докладов - в материалах научных конференций. Получено 2 патента Украины.
Положения, выносимые на защиту:
1. Принцип отбора растений, перспективных в качестве биологически
активного сырья для создания функциональных продуктов и напитков;
Химический состав отобранных сортообразцов: количество биологически активных макро- и микроэлементов, содержание и состав основных компонентов эфирного масла;
Химический состав 50%-ных водно-спиртовых экстрактов: количество биологически активных минеральных элементов, основных компонентов эфирного масла, количество растительных фенолов, полисахаридов и степень антиоксидантной активности;
4. Новые рецептурные составы (композиции) и содержание в них
биологически активных веществ, полученных из растительного сырья.
Биологические и хозяйственно-ценные признаки отобранных растений
Основываясь на данных, полученных в ходе анализа патентов и авторских свидетельств, а также учитывая состав коллекции Никитского ботанического сада мы провели отбор наиболее перспективных образцов растений по биологическим и хозяйственно-ценным признакам.
Характеристики отбираемых растений представлены в таблице 2.2.1. Из таблицы видно, что отобранные растения являются многолетними (облегчается процесс их возделывания), устойчивы к пониженной влажности почвы и высокой температуре воздуха. Важным показателем является урожайность сырья. По данному показателю наиболее перспективными следует считать душицу и полынь эстрагонную.
Все отобранные растения относятся к эфиромасличным, следовательно, содержат компоненты, обладающие необходимыми для создания функциональных продуктов и напитков свойствами. Накопление эфирного масла зависит от условий произрастания и биологических особенностей строения растений. Представители сем. яснотковые отличаются по данному показателю большей перспективностью, чем растения сем. астровые. На основе коллекции НБС отбор ведётся не только с целью повышения количественного выхода эфирного масла, внимание уделяется также качественному составу компонентов, определяющих биологическую ценность и направление аромата растений (применение в разных отраслях промышленности).
Отобранные растения характеризуются следующими особенностями происхождения и культивирования (Табл. 2.2.2).
Из таблицы следует, что ареалы растений сем. астровых располагаются севернее (в основном, средняя и северная часть Евразии и Америки), а растения сем. яснотковых - южнее и восточнее (южная Европа, Средиземноморье, горы юга Евразии). В целом, ареалы отобранных растений достаточно широки, что позволяет успешно возделывать их в различных регионах.
Коллекционный генофонд эфиромасличных растений Никитского ботанического сада обширен и разнообразен благодаря перспективным очагам привлечения исходного материала, которыми являются Средиземноморский, Среднеазиатский и Европейско-Сибирский [104].
Объектами исследования явились следующие образцы растений коллекции: сем. яснотковые (Lamiaceae Lindl.): котовник гибридный Nepeta hybrida№ 10 (N. mussinii Spreng. xN. grandiflora Bieb.), иссоп лекарственный Hyssopus officinalis L. № 80882, душица обыкновенная Origanum vulgare L. № 39686 и сем. астровые (Asteraceae Dumort.): тысячелистник холмовой Achillea collina J. Beck, ex Reichenb № 12915, полынь эстрагонная Artemisia dracunculus L. № 80988.
Коллекция Никитского ботанического сада расположена в пределах его территории. Почвенный покров представлен окультуренными коричневыми почвами. Метеорологические условия в годы проведения исследований достаточно выравнены (Табл. 1).
Приведённые данные показывают, что метеорологические условия достаточно выравнены на протяжении всего периода исследований. Вместе с тем, более благоприятные для роста и развития растений метеоусловия наблюдались в 2002 году, более влажном (за счёт дождей летом и осенью) и тёплом (весна, осень). Менее благоприятным был 2003 год - сухой (осень), снежный и прохладный (весна), промежуточным - 2001 год. При проведении экспериментальных исследований образцы растений отбирались в летний период каждого года.
При отборе растений проводился анализ рецептур с использованием метода ранжирования, принятого в биологической статистике [111]. При изучении химических показателей лекарственных и эфиромасличных растений и экстрактов из них использовались методы, принятые в научных исследованиях и предусмотренные Государственной фармакопеей СССР [26]. К последним относится, в частности, метод отбора растительных проб, определение содержания примесей в сырье, нормы сушки и хранения растительных образцов. К примесям относятся: части растений, утратившие аромат, части неядовитых растений, минеральные примеси (частички земли, песок). Избежать попадания примесей в отбираемые пробы помогает визуальный осмотр сырья.
Количественное содержание и качественный состав эфирных масел перспективных образцов растений
Следующий этап исследования химических свойств растительного сырья был посвящен изучению количественного накопления эфирного масла в образцах растений. Эфирные масла - вторичные продукты метаболизма -накапливаются в клетках растений в различном количестве. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о довольно значительном варьировании данного показателя в зависимости от сезонно-климатических условий, видовых особенностей растений и т.д. Основными органами, продуцирующими эфирные масла, служат цветки и листья растений, а лучшей фазой сбора является фаза массового цветения.
Результаты изучения количественного содержания эфирного масла в образцах пряно-ароматических растений представлены в таблице 3.2.1.
Из таблицы следует, что наиболее перспективным по количественному выходу эфирного масла следует считать котовник гибридный. Данные ряда исследователей, изучавших разные виды котовника, показывают, что в растениях N. gmndiflora Bieb. (котовник крупноцветковый) эфирного масла накапливается 0,12-0,31% абсолютно сухой массы [89], а в растениях N. mussinii Spreng. (котовник Мюссина) - 0,146%» [131]. Образец котовника, являющийся гибридом этих исходных форм, характеризуется очень высоким (по сравнению с ними в 3-6 раз) выходом эфирного масла из надземной части высушенных растений. Однако, эта форма котовника вдвое уступает по масличности другому виду котовника - N. cataria var. citriodora Beck. (котовник кошачий, вар. лимонный), который содержит эфирного масла до 0,4% от сырой массы [102].
Наименьший выход эфирного масла отмечен для душицы. Данные ряда авторов, исследовавших душицу обыкновенную, показывают, что растения этого вида в фазу массового цветения способны накапливать от 0,11% до 1,2% эфирного масла (от абсолютно сухой массы сырья) или 0,07-0,5% в свежей массе сырья [39,43,100,135]. Данные таблицы 3.2.1. показывают, что изученный нами образец душицы нельзя считать перспективным источником эфирного масла. Коллекционный образец иссопа с синей окраской цветков, отобранный нами для изучения, является, по-видимому продуктом поликросса, т.к. по количеству эфирного масла приближается к розовоцветковым формам иссопа, которые имеют наиболее низкий выход масла. Представители сем. астровые характеризуются меньшим количеством эфирного масла, по сравнению с растениями сем. яснотковые.
Так, в надземной зелёной массе полыни эстрагонной содержание эфирного масла может достигать 0,25-1,23%», а по данным других авторов от 1,5% до 3,1%» [63,116]. Исследованный нами образец полыни не отличается столь высокой масличностью, но свежее и высушенное сырьё обладает при этом приятным пряным ароматом.
Разные виды тысячелистников отличаются широким варьированием изучаемого показателя. Андреевой Н. Ф. [2] был изучен ряд видов тысячелистника, интродуцированного в Никитский ботанический сад из разных областей Земного шара. Наиболее перспективными по эфиромасличности автор считает популяции тысячелистника холмового, т. душистого, т. лабазниколистного, т. обыкновенного. Этим же автором было установлено, что самым интересным из популяции тысячелистника холмлвого является образец, полученный из Венгрии. В его соцветиях обнаружено от 0,15% (0,40% от абсолютно сухой массы) до 0,45% (1,16% от абсолютно сухой массы) эфирного масла в фазу массового цветения растений (исследования проводились в 1968-1985 гг.). Исследования, проведённые нами в 2001-2002 гг. показали, что этот сортообразец содержит существенно меньшее количество эфирного масла (Табл. 3.2.1). Это может быть связано с изменением погодно-климатических условий или с вариациями, происходящими в генотипе.
В зависимости от вида растения, гибридизации, изменений условий обитания в результате интродукции, фазы сбора образцов, климатических условий, экологических факторов, условий переработки и хранения растительного сырья и способов выделения компонентов эфирное масло имеет разный набор компонентов, определяющих аромат и целебные свойства растения.
Нами изучен компонентный состав эфирного масла перспективных образцов растений сем. яснотковые и сем. астровые. Результаты исследований представлены в таблицах 3.2.2 - 3.2.6 и на хроматограммах (Рис. 1-5). В эфирном масле исследованного нами образца душицы обыкновенной идентифицировано 47 компонентов (Табл. 3.2.2, Рис. 1).
Изучение качественного состава эфиромасличной фракции экстрактов растений
Эфиромасличная фракция сообщает водно-спиртовым экстрактам аромат и биологическую ценность. Экстракты из свежесобранных или предварительно высушенных растений по составу компонентов этой фракции значительно отличаются от эфирных масел, получаемых при кипячении, обработке паром или ферментации сырья. В литературе сведений о составе эфиромасличной фракции водно-спиртовых экстрактов на основе свежего сырья обнаружено не было.
Результаты наших исследований показывают, что компонентный состав эфирных масел претерпевает определённые изменения при изготовлении водно-спиртовых экстрактов на основе растений. Особенно глубокие модификации происходят в составе фракции минорных компонентов, придающих оттенки аромату экстрактов. Состав основных компонентов остаётся практически прежним, изменяясь в количественном отношении [68].
Компоненты эфиромасличной фракции водно-спиртовых экстрактов изученных сортообразцов растений представлены в таблицах 4.3.1-4.3.5 и на хроматограммах (Приложение А). Душица обыкновенная - наиболее интересный из изученных нами образцов лекарственных и эфиромасличных растений (Табл. 4.3.1, Рис. 1, 2 приложения).
Идентифицировать в эфиромасличной фракции экстракта из свежих растений душицы удалось 29 веществ, основным является сабиненгидрат (сумма изомеров - 18,9%). Октенол-3, 4-этоксиметилфенол, 3,5-диоксифенилуксусная кислота и у-элемен являются сопутствующими. Благодаря такому составу основных и сопутствующих компонентов, экстракт обладает бактериостатическим эффектом. Аромат экстракта пряный цветочно-смолистый, поскольку минорными компонентами являются терпинен-4-ол, пинокамфон, а-кадинол, сабинен, эвтенол, кониферилловый спирт и другие.
Основными соединениями эфиромасличной фракции экстракта из высушенных растений душицы являются: цис-, транс-сабиненгидрат (сумма 24,6%) и цитронеллол (17,4%). Сопутствующими можно назвать цис-р-оцимен, сабинен, терпинен-4-ол, транс-Р-оцимен, кадинол, кариофилленоксид, сесквитерпены и их соединения, мирцен, 1,8-цинеол, борнеол. Цис- Р-оцимен отсутствует в экстракте из свежих растений, а в экстракте из высушенного сырья его обнаружено приблизительно в два раза больше, чем транс- формы.
По биологическому действию экстракт из высушенных растений душицы близок к экстракту на основе свежих растений, но дополняется ещё свойствами, присущими сесквитерпенам и их лактонам. Аромат экстракта из высушенных растений душицы отличается от аромата экстракта на основе свежих растений, так как имеет несколько иной набор минорных компонентов. Аромат пряно-фруктовый с лимонным оттенком.
В таблице 4.3.2 и на рисунках 3, 4 (см. Приложение А) показаны результаты анализа компонентного состава экстрактов из иссопа лекарственного. Эфиромасличная фракция экстракта из свежих растений иссопа содержит более 46% пинокамфона, являющегося основным действующим веществом этой фракции. Благодаря пинокамфону экстракт обладает наркотическим, успокаивающим эффектом, который дополняется свойствами пинокамфеола, изопинокамфона и элемицина. Остальные компоненты влияют на органолептические показатели экстрактов (нюансы аромата), и, поскольку их концентрация не превышает 1%, они являются минорными.
В экстракте из высушенных растений иссопа идентифицировано 19 компонентов, из которых основными являются пинокамфон (23,58%) и изопинокамфон (33,23%). Из сопутствующих наиболее существенны [3-пинен, пинокамфеол, а-копаен (последний отсутствует в экстракте из свежих растений) и 1,8-цинеол. Больше 1% в экстракте сабинена, мирцена, транс-Р-оцимена, линалоола, гермакрена D и транс-а-фарензена.
Поскольку изопинокамфон является изомером пинокамфона, биологическое действие экстракта существенно не меняется. Аромат экстракта на основе высушенных растений близок к цветочно-фруктовому, тогда как для экстракта на основе свежего сырья иссопа в аромате отмечено присутствие камфарно-кумариновых оттенков. В таблице 4.3.3 и на рисунках 5, 6 (см. Приложение А) приведены данные, компонентного состава эфиромасличной фракции экстрактов из котовника гибридного.
Сравнительный анализ компонентного состава эфирного масла и эфиромасличной фракции водно-спиртовых экстрактов из свежесобранных и высушенных растений
В результате наших исследований выявлено, что имеются определённые отличия в составе и соотношении компонентов в эфирных маслах растений и в водно-спиртовых экстрактах, приготовленных на основе свежих и высушенных растений. На примере изменения основных компонентов эфирных масел и экстрактов видно, что в процессе перегонки масла, сушки растений и экстракции растворителями компоненты претерпевают не только количественные, но и качественные изменения. Результаты, полученные в ходе исследования, представлены на диаграммах (Рис. 1-3).
Для объяснения различий в соотношении и составе компонентов в эфирном масле и экстрактах можно привлечь концепцию связанных форм терпеновых соединений, в основе которой лежит тот факт, что эфирные масла в растениях находятся не только в свободных, но и в связанных формах. Извлечение последних требует предварительного высвобождения эфирного масла с помощью различных методов. При этом следует отметить, что на состав и соотношение основных компонентов эфирного масла и эфиромасличной фракции экстрактов обработка растений сказывается в меньшей степени, чем на сопутствующие и минорные компоненты. Последние ответственны за нюансы ароматических характеристик масел и экстрактов, тогда как основные компоненты обусловливают их биологическую активность и ценность, поэтому растения и водно-спиртовые экстракты обладают различными биохимическими свойствами и разной биологической активностью, что необходимо учитывать при создании композиций.
Из экстрактов перспективных образцов растений путём купажирования были составлены три композиции, являющиеся основой для создания функциональных продуктов и напитков. Использование в качестве ароматических ингредиентов экстрактов отдельных растений на наш взгляд менее целесообразно, чем применение композиций. При создании композиций происходит объединение биологически активных свойств и ароматических характеристик нескольких растений, что способствует общему повышению оздоровительного эффекта.
При составлении композиций органолептически осуществляли подбор гармоничной концентрации каждого компонента. Композиция № 1 («Авунда») составлена на основе экстрактов из высушенных растений тысячелистника, иссопа, полыни эстрагонной и котовника с четырёхкратным преобладанием последнего (соотношение 1:1:1:4). Композиции № 2 и № 3 («Спирада») включают экстракты тысячелистника, иссопа, полыни и душицы, причём в композиции № 3 душицы содержится в пять раз меньше (1:1:1:0,2), чем в композиции № 2 (1:1:1:1). На композиции получены патенты Украины (Приложение Б). Оценка химического состава показала, что композиции имеют некоторые отличия в содержании биологически активных веществ (Табл. 5.3.1).
Установлено, что композиция № 1 отличается более низким общим содержанием исследованных нами биологически активных соединений на фоне довольно высокой концентрации сухих веществ. Это может быть связано с наличием котовника. В состав композицияй № 2 и 3 вместо котовника входит душица. В них обнаружено больше фенольных веществ и полисахаридов. Следует отметить высокую антиоксидантную активность композиции № 2, которая может быть связана с большим количеством фенольных веществ (катехины и полимерные фенолы). Композиция № 3 отличается наиболее высокой концентрацией полисахаридов. рН всех купажных экстрактов находится в пределах 5-6.
Качественный состав и количество эфирного масла в растении не является постоянной характеристикой и может существенно меняться. В связи с этим оценка качества растительного сырья по содержанию эфирного масла может служить лишь предварительным этапом. Окончательным критерием качества должны стать результаты хроматографического определения основных действующих веществ. Особый интерес представляет изучение качественного состава эфиромасличной фракции экстрактов, так как эфирные масла в чистом виде в качестве основ функциональных продуктов и напитков не применяются.
Хроматографирование эфиромасличной фракции многокомпонентных смесей позволяет с большой долей вероятности установить набор исходных растительных экстрактов, на основе которых составлен купаж. Трудность анализа многокомпонентных смесей (купажей) состоит в том, что с большой степенью вероятности можно идентифицировать лишь ограниченное число компонентов, поэтому в результате хроматографического анализа в каждом из полученных купажей композиций нами было определено по 12 одноимённых компонентов.
Похожие диссертации на Растения семейств яснотковые (Lamiaceae Lindl. ) и астровые (Asteraceae Dumort. ) - перспективный сырьевой источник для создания функциональных продуктов и напитков
