Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследований 7
1.1. Характеристика черники обыкновенной 7
1.2. Химический состав плодов черники 10
1.2.1. Углеводный состав плодов черники 11
1.2.2. Антоцианы плодов черники и их свойства 12
1.2.3. Витаминный состав плодов черники 17
1.2.4. Макро- и микроэлементный состав плодов черники 19
1.3. Анализ существующих технологий получения биологически активных соединений из плодов черники и задачи исследований 19
Глава 2. Методология выполнения работы 24
2.1. Организация работы 24
2.2. Методы исследований 26
2.3. Методы математического планирования и обработки экспериментальных данных 34
Глава 3. Состав углеводов и органических кислот ягод черники обыкновенной 36
3.1. Состав углеводов ягод черники обыкновенной 36
3.2 Состав органических кислот в плодах черники 40
Глава 4. Изучение антоцианов, содержащихся в плодах черники обыкновенной 44
4.1. Состав антоцианов плодов черники 44
4.2. Изучение кислотного гидролиза антоцианов 49
4.3. Изучение влияния разных видов пчелиного меда на степень гидролиза антоцианов 55
Глава 5. Разработка биотехнологии получения агликонов антоцианов с использованием высокоэффективного комплекса «черника-мед» 66
5.1. Анализ основных принципов создания высокоэффективных производств 66
5.2. Разработка модульного алгоритма биотехнологии получения комплекса «черника-мед» с использованием высокоэффективного комплексного биокатализатора 67
5.3. Обоснование технологических режимов и контроль по формированию качества готовой продукции с использованием высокоэффективного комплекса биокатализаторов по предлагаемой биотехнологии 75
Глава 6. Изучение физико-химических и медико-биологических свойств комплекса «черника-мед» и оценка путей его использования 103
6.1. Состав и физико-химические свойства комплекса «черника-мед» 103
6.2. Медико-биологические свойства биокомплекса «МиртиМед» и некоторые пути их использования 105
Выводы 114
Список использованной литературы 116
Введение к работе
Для реализации государственной политики в области здоровья
необходимо производство в широком ассортименте продуктов питания нового
поколения, что будет способствовать созданию условий для полноценного
^ питания россиян в соответствии с концепцией сбалансированного питания,
укрепления их здоровья и сохранения генофонда нации. Особую роль в
обеспечении здорового питания играют биологически активные вещества,
выделяемые из растений, и получения отдельных их компонентов с
примененеием биотехнологических процессов.
В последние годы население многих стран использует достигнутые успехи в области выделения и получения различных биологически активных соединении из лекарственных растении для восстановления своего здоровья. В то же время все большее распространение получают пищевые добавки, содержащие комплекс биологически активных соединений.
Одним из наиболее перспективных лекарственных растений считается черника обыкновенная, которая используется как пищевой продукт, и как эффективное средство для профилактики многих заболеваний, в том числе и катаракты. Широкое распространение черники обыкновенной в различных сборах и лекарственных препаратах, как самостоятельно, так и в виде различных сочетаний сдерживается из-за неразработанности научных подходов
к выявлению активных начал, воздействующих на биохимические процессы,
протекающие при тех или иных нарушениях обмена веществ. Поэтому
необходимы многосторонние исследования химического состава черники
обыкновенной и выявления биологически активных соединений,
воздействующих на те или иные биохимические процессы. Значительный вклад
в изучение химического состава и свойств черники обыкновенной внесли
отечественные и зарубежные ученые: Т.В. Ставицкая, Г. Я. Мечикова,
Л.Е.Астрологова, S. Talavera, Т. Ichijanagi и другие. Однако работы в этой
области посвящены в основном частным исследованиям и отсутствуют
систематизированные данные о химическом составе черники обыкновенной, характеризующих ее высокую биологическую активность, а также сведения об использовании комплексных высокоэффективных биокатализаторов в технологии получения биологически активных соединений.
Таким образом, анализ биохимических свойств черники обыкновенной, систематизации данных о ее химическом составе, прогноз возможности применения высокоэффективных биокатализаторов с целью получения биологически активных соединений оказывается возможным и крайне актуальным в современных условиях.
Целью диссертационной работы являлось проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по химико-технологическим аспектам получения биологически активных соединений из черники обыкновенной с использованием биокатализаторов, разработка методов определения биологически активных соединений в многокомпонентных системах, а также вариантов использования черники обыкновенной с учетом ее медико-биологических свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить физико-химические и биохимические закономерности процесса
гидролиза антоцианозидов в присутствии кислот и комплексного
высокоэффективного биокатализатора на основе ферментов пчелиного меда;
исследовать динамику процесса гидролиза антоцианозидов плодов черники в присутствии комплекса ферментов, содержащегося в пчелином меде;
разработать принципиальную технологическую схему производства биологически активного концентрата «черника-мед» с использованием высокоэффективных биокатализаторов пчелиного меда;
изучить состав и свойства полученного биологически активного концентрата «черника-мед»;
оценить медико-биологические свойства разработанного концентрата «черника-мед».
6 На защиту выносятся следующие основные положения:
методики качественного и количественного определения
антоцианозидов в плодах и препаратах методом высоко-эффективной
жидкостной хроматографии;
системный анализ химического состава и биологических свойств
плодов Черники обыкновенной;
оптимальные параметры для проведения кислотного и
ферментативного гидролиза антоцианозидов;
физико-химические закономерности процесса гидролиза
антоцианозидов плодов черники обыкновенной в присутствии комплексного
высокоэффективного биокатализатора;
рациональная технология получения агликонов антоцианозидов с
использованием высокоэффективного биокатализаторов, присутствующих в
пчелином меде.
Характеристика черники обыкновенной
Черника обыкновенная Родовое название происходит от латинского vacca — ягода и myrtus — по сходству листьев с миртом.
Русское название "черника" связано со способностью окрашивать ("чернить") губы, зубы, пальцы.
Народные названия: чернец, черница, чорница, чернишник, чернижник, черняга, чернега, в старину чернику называли также ворон-ягодой [ 1, 25, 158 ].
Черника — низкий ветвистый кустарничек высотой до 50 см с длинным ползучим корневищем [151, 152]. Стебли прямостоячие или приподнимающиеся, с зеленовато-коричневой корой, молодые ветви зеленые, остро-ребристые. Листья длиной 1—25 мм и шириной 3—20 мм, на очень коротких черешках, опадающие на зиму, слегка кожистые, гладкие, яйцевидные, эллиптические или почти округлые, с тупой или слегка заостренной верхушкой, по краю мелкогородчато-пильчатые.
Цветки поникающие, зеленовато-белые с розоватым оттенком, расположены по одному на коротких цветоножках при основании молодых веточек в пазухах листьев. Венчик кубаревидный длиной 4—7 мм с отгибом из 4—5 коротких, отвороченных наружу треугольных зубчиков.
Плод — ягода, сочная, шаровидная, диаметром около 6—13 мм, черная с синевато-сизым налетом, внутри темно-пурпуровая, с красящим соком; многочисленные семена длиной около 1,2 мм, имеют форму полумесяца. в ф Цветет в мае. Ягоды созревают в июле — августе, вкус приятный, кисловатый, чуть вяжущий. Широко распространена в европейской части нашей страны, исключая южные районы и Крым, на Кавказе, исключая восточное Закавказье, в Западной Сибири с Алтаем, в Восточной Сибири, в Северной Америке. Растет в зоне хвойных, преимущественно еловых и смешанных хвойно широколиственных лесов, в тундрах, на склонах гор и в заболоченной низменности [79, 85,92, 107, 118,128,122,143]. В европейской части РФ и Сибири наиболее распространены в лесной полосе и тундровой зоне, на Кавказе - в субальпийском и альпийском поясах, і # до 3600 м над уровнем моря. Растет на почвах разной кислотности, влажности и механического состава, иногда на скалах и торфяниках, однако предпочитает мелкоземистые почвы [92]. Урожайность ягод в разных типах леса - от 1 до 8 ц/га. Максимальная урожайность в лесотундрах и тундрах - свыше 20 ц/га [25]. к Впервые лечебные свойства черники описали Плиний иДиоскоридес (1 в. н.э.). В 16 веке знахарь Калпеппер обнаружил положительное влияние черники на печень и желудок, при хроническом кашле и заболеваниях легких. Впоследствии ягоды черники стали применять также при острых и хронических расстройствах желудочно-кишечного тракта, колитах, энтероколитах, дизентерии.
Ягоды черники приводят в норму перистальтику кишечника и улучшают обменные процессы в нем. Их используют местно при стоматитах и гингивитах в качестве вяжущего и антисептического средства. Ягоды черники находят применение и при циститах. Листья и плоды содержат вещества, благоприятно действующие при сахарном диабете: обладая инсулиноподобным действием, способствуют снижению уровня сахара в крови.
Янтарная кислота, содержащаяся в чернике, способствует сохранению эластичности кровеносных сосудов. Давно известно, что ягоды черники значительно улучшают зрение в сумерках, усиливают остроту зрения, щ ф обеспечивают увеличение поля зрения и уменьшают усталость глаз.
Доказано, что черника ускоряет обновление сетчатки глаз. Во время Второй мировой войны английские летчики ели чернику и черничное варенье с целью улучшения зрения ночью и в сумерках. Черника входит в меню космонавтов. Сегодня черника - одно из самых популярных средств для улучшения зрения. Это свойство черники обыкновенной обусловлено наличием в ней антиоксидантов из группы биофлавоноидов. Они оказывают антиоксидантную защиту, способствуют улучшению ночного зрения, нормализуя состояние клеточных мембран, восстанавливают нарушенную микроциркуляцию при t # различных заболеваниях, в том числе при атеросклерозе, диабете.
Организация работы
Работа выполнялась на кафедре биологической химии Ставропольского государственного университета с 2001 года в соответствии целевыми научно-техническими программами, координируемыми Отделением наук о Земле РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозироание приизучении природных ресурсов аридного климата». НИР # №00-05-53 «Разработка субкритических технологий получения биологически активных веществ из природного растительного сырья». Часть исследований проводилась на опытно-экспериментальном оборудовании и в производственных условиях ЧП Маршанов Б.М. Объектом исследований были ягоды (плоды) черники обыкновенной, выращенной в Карачаевском (аул Хурзук, Тебердинское ущелье), Малокарачаевском (аул Хасаут) и Урупском (пос. Курджиново) районах Карачаево-Черкесской республики, соответствующие требованиям нормативно технической документации, а также плоды, выращенные в различных регионах Российской Федерации, соки и экстракты, полученные из ягод. Пчелиные меда получены в Карачаево-Черкесской республики с разной ферментативной активностью - от 5-7 единиц диастазной активности до 50. Меда с низкой диастазной активностью были получены с цветов белой акации и подсолнечника, а меда с высокой диастазной активностью - с цветов гречихиПосле проведения оптимизации процесса получения биологически активного комплекса объектом исследований были различные смеси и продукты, полученные на промышленной установке в цехе ЧП Маршанов Б.М. с разной степенью гидролиза, концентраты «черника-мед», полученные на различных этапах технологического цикла, а также товарные образцы фирмы "Тенториум" с различными добавками черники и меда натурального. Для опытно-промышленных выработок была разработана и смонтирована установка в цехе ИП Маршанов Б.М. 2.2. Методы исследований В диссертационной работе использовались стандартные и общепринятые методы исследований, представленные ниже: 1. Массовую долю сухих веществ в плодах черники обыкновенной, а также в концентрате определяли на рефрактометре RL-2 в соответствии с ГОСТ к 24908-84, а также методом высушивания по ГОСТ 3626-73. 2. Массовую долю золы - минерализацией при 400С в соответствии с ОСТ 49 63-85. 3. Активную кислотность (рН) - потенциометрически по ГОСТ 26781-85 на иономерерН-150. і # 4. Температуру - термометрически, использовались термометры по ГОСТ 9177-74, а также с использованием электронного датчика температуры в процессе кислотного и ферментативного гидролиза. 5. Диастазную активность меда натурального в соответствии с ГОСТ 19724. » 6. Инвертазную активность пчелиного меда в соответствии со стандартом Международной комиссии по меду от 22.12.1999. 7. Микробиологические показатели:
Состав углеводов ягод черники обыкновенной
Углеводы плодов (ягод) черники обыкновенной составляют значительно количество в общем содержании сухих веществ. Поэтому для исследования состава и свойств ягод черники обыкновенной необходимо было начинать определять именно содержание углеводов. Для исследования состава углеводов нами был выбран наиболее информативный метод - газожидкостная хроматография на набивных колонках, і ф Данный метод позволяет определять не только качественный состав углеводов, но и их количественное содержание в исследуемой пробе. Несмотря на то, что до этого проводились исследования углеводов в ягодах черники обыкновенной, однако данный метод использовался впервые и поэтому полученные результаты превзошли все наши ожидания и в ягодах t Черники обыкновенной впервые были обнаружены новые дисахариды. Результаты исследования состава Сахаров черники обыкновенной с помощью газожидкостной хроматографии представлены в табл. 3.1.1. Как видно из данных табл. 3.1.1, качественный состав углеводов плодов черники обыкновенной достаточно разнообразен и представлен как ф моносахаридами - арабинозой, фруктозой, глюкозой, галактозой; так и дисахаридами - сахарозой, лактозой и мальтозой. При этом дисахарид лактоза идентифицирован предположительно по временам удерживания. В данном исследовании впервые был выявлен в плодах черники такой і дисахарид, как мальтоза. Было проанализировано также количественное содержание отдельных углеводов. Как и указывалось в литературных источниках, соотношения глюкоза: фруктоза в ягодах черники обыкновенной были практически равны 1:1. В то же время соотношение других углеводов в ягодах черники обыкновенной может быть использовано с целью идентификации мест произрастания черники.
Соотношения отдельных углеводов в ягодах черники обыкновенной представлены в табл. 3.1.2.
Таблица 3.1.2 - Соотношение отдельных углеводов в плодах черники обыкновенной, выросшей в разных регионах РФ
Как видно из данных табл.2, соотношение глюкоза/фруктоза как в плодах черники, выращенной в КЧР, так и в других регионах РФ, практически не изменяется, в то же время соотношение фруктоза/сахароза колеблется в большом диапазоне и этот показатель значительно меньше в плодах черники, выращенной в северных регионах РФ. Однако для выявления этой зависимости необходимо было провести исследования на значительно большем количестве образцов ягод черники обыкновенной, собранной в разных регионах РФ.
Для этого были исследованы 15 образцов из региона КЧР и 23 образца ягод черники обыкновенной, выращенной в различных регионах РФ. Полученные обобщенные данные приведены в табл. 3.1.3. Как видно из полученных данных, соотношение фруктоза/сахароза в плодах черники обыкновенной, выращенной в северных регионах РФ, имеет более низкие значения, чем подобное соотношение в плодах черники, выращенной в КЧР. Это хорошо коррелируется с географической широтой местности произрастания ягод. Чем больше солнечная активность, тем больше в растениях синтезируется фруктозы и меньше сахарозы. Подобная тенденция встречалась ранее и опысывалась некоторыми авторами [ 40 ].
