Фруктозосодержащие углеводы растений семейств – локализация и состав

Полная исследовательская публикация ______________________ Багаутдинова Р.И., Федосеева Г.П. и Оконешникова Т.Ф.

Размещено на http://www.allbest.ru/

16 ___________________ http://chem.kstu.ru ________________ ©--Chemistry and Computational Simulation. Butlerov Communications. 2001. No. 5. 13.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фруктозосодержащие углеводы растений семейств - локализация и состав

Багаутдинова Р.И., Федосеева Г.П., и Оконешникова Т.Ф.

Ботанический сад Уральского государственного университета

Резюме

Проанализировано 130 видов лекарственных растений разного терапевтического применения. Среди них выделены виды, обладающие гипогликемическим свойством, т.е. понижением концентрацию сахара в крови и имеющие экономическую значимость. Это растения, содержащие олигомеры и полимеры фруктозы, которая, как известно, усваивается в организме человека инсулинонезависимо. Наиболее известные из них - топинамбур, георгин, девясил, цикорий, одуванчик, лопух. В работе дана оценка интродукционного состояния этой группы растений и изучены локализация, накопление и состав фруктозосодержащих углеводов.

Введение

В Ботаническом саду Уральского государственного университета в результате многолетней интродукции культивируется свыше 1700 видов растений разных таксонов, экологических групп, жизненных форм, в том числе для терапевтического лечения многих заболеваний и получения фитопрепаратов. Группа лекарственных растений по Международному документу "Стратегия ботанических садов по охране растений" (1996 г) относится к экономически важным. В коллекционных фондах Ботанического сада УрГУ насчитывается около 130 видов лекарственных растений разного терапевтического применения. Среди них выделены виды, обладающие гипогликемическим свойством, т.е. понижением концентрацию сахара в крови. Это растения, содержащие олигомеры и полимеры фруктозы, которая, как известно, усваивается в организме человека инсулинонезависимо.

По литературным данным олиго- и полифруктаны - главные запасные формы углеводов многих растений семейства сложноцветных. Наиболее известные из них - топинамбур, георгин, девясил, цикорий, одуванчик, лопух. Растения других семейств в литературе упоминаются редко.

В настоящей работе дана оценка интродукционного состояния группы растений различных семейств, формирующих корневища, клубни или клубнекорни, и изучены локализация, накопление и состав фруктозосодержащих углеводов.

Методика

Исследования проведены в 1996-2000 гг в Ботаническом саду Уральского государственного университета им. А.М. Горького. Содержание фруктозы произведено у 24 видов растений из 12 семейств, произрастающих на систематическом участке или в естественных условиях: сложноцветные, луковые, амариллисовые, розоцветные, толстянковые, лилейные, ластовневые, камнеломковые, пасленовые, лютиковые (Ranunculaceae), капустные и злаки.

Изучение интродукционного состояния многолетних фруктозосодержащих растений включало оценку способности к семенному и вегетативному размножению, морозоустойчивости, проводимую по 3-4-х бальной шкале [1]. На основании трех показателей складывалась итоговая оценка, дающая представление о перспективе интродукции вида в регионе.

Определяли две фракции углеводов, содержащих фруктозу: низкомолекулярную, в состав которой входят фруктоза и олигофруктаны, и высокомолекулярную, включающую полифруктаны, в том числе инулин. Низкомолекулярную фракцию получали экстракцией сухого растительного образца этанолом. Из растительного остатка водой экстрагировали высокомолекулярную фракцию с последующим гидролизом полифруктанов до фруктозы слабым раствором соляной кислоты. Определение фруктозы проводилось по методике [2] с резорцином.

Результаты исследований

Изучение интродукционного потенциала на основе фенологии, морозоустойчивости, способности к размножению показало, что все исследуемые виды, за исключением растений рода Polymnia (якон), морозоустойчивы и способны к вегетативному или семенному возобновлению в условиях интродукции на Среднем Урале (табл. 1). Растения с итоговым интродукционным баллом в пределах 8-10 являются перспективными для культивирования в регионе. Снижение общей интродукционной оценки до 7 баллов вызвано преобладанием в условиях культуры одного типа размножения, например, вегетативного - у ваточника и нарцисса или семенного - у кровохлебки. Растения рода Polymnia - многолетники в местах естественного местообитания (высокогорья южной Америки) - выращиваются в условиях умеренного климата как однолетники. Высокая интенсивность одного типа размножения данных видов обеспечивает получение посадочного материала для воспроизводства в культуре.

Результаты определения содержания углеводов представлены в таблице 2. Их наибольшее количество выявлено у растений семейства сложноцветных, у которого испытано 7 родов, 10 образцов и 9 видов. Это 2 сорта топинамбура - Скороспелка и позднеспелый сорт Интерес, 2 вида девясила - д. великолепный и д. высокий, 2 вида рода Polymnia - P. Sonchifolia и P. Uvedalia, а также лопух большой, одуванчик обыкновенный, левзея сафлоровидная и цикорий обыкновенный. В подземных органах этих растений пределы варьирования уровня спирторастворимой фракции (фруктоза и олигофруктаны) составили от 7 до 70% на воздушно - сухое вещество, а полифруктанов - от 5 до 64% (табл. 2).

Максимальное количество суммы низко- и высокомолекулярных фруктанов (75-85%) обнаружено в клубнях топинамбура, что соответствует литературным данным [3, 4]. Значительную часть у топинамбура составляет низкомолекулярная фракция. Ранее нами была изучена динамика накоплени фруктозосодержащих углеводов у топинамбура в зависимости от возраста, фаз развития, сорта и метеоусловий [5]. В частности, выявлены сроки максимального накопления исследуемых углеводов в единице сухого вещества, которые различались у ранне - и позднеспелых сортов примерно на 2 недели.

Девясил великолепный Девясил высокий

Рис. 1. Динамика накопления углеводов в течение вегетации у двух видов девясила, % на воздушно-сухое вещество. 1 - высокомолекулярные углеводы (полифруктаны) 2 - низкомолекулярные углеводы (фруктоза и олигофруктаны).

Изучена динамика накопления фруктанов у двух видов девясила - д. великолепного и д. высокого. У одновозрастных растений обоих видов не выявлено существенных различий по сумме углеводов в единице сухого вещества. К концу вегетации количество измеренных фруктанов достигало 55% у д. высокого и 50% - у д. великолепного. Отношение полифруктаны/ олигофруктаны было разное и составило 4.5 - у первого и 1.5 - у второго, что определенно указывает на более высокую степень полимеризации фруктозы у д. высокого (рис. 1). Выявлено, что у цветущих растений д. великолепного по мере старения содержание полифруктанов уменьшалось и их уровень у растений десятого года был в 2 раза ниже в сравнении с растениями второго года жизни (рис. 2). Количество олигофруктанов, наоборот, увеличива-лось. При этом сумма измеряемых углеводов сохранялась примерно на одном уровне и составляла 40-47% в пересчете на воздушно-сухое вещество.

Большой интерес представляют виды рода якон - Polymnia sonchifolia и Polymnia uvedalia. Первый интродуцируется в Ботаническом саду с 1998 года. Наиболее интенсивно это нетрадиционное для средних широт растение изучается сотрудниками ВНИИССОК [6, 7]. По нашим данным, в его корневых клубнях содержится до 45% фруктозосодержащих сахаров (табл. 2). Однако в их составе не обнаружены полифруктаны типа инулина. У другого вида якона (Polymnia uvedalia), впервые выращенного в наших условиях из семян, формировались небольшие корневища и длинные корни, утолщенные у основания. Типичные корневые клубни у него отсутствуют. В корнях этого вида происходила активная полимеризация фруктозы и накапливалось до 60-70% полифруктанов.

В корнях одуванчика обыкновенного и лопуха большого накапливалось значительное количество углеводов обеих фракций - 20-40% (табл. 2). Наряду с топинамбуром и девясилом эти дикорастущие растения являются ценным источником фруктозы.

фруктозосодержащий углевод гипогликемический растение

Рис. 2. Содержание углеводов у девясила великолепного разных лет жизни, % на воздушно-сухое вещество. Темные диаграммы - высокомолекулярные углеводы (полифруктаны) светлые диаграммы - низкомолекулярные углеводы (фруктоза олигофруктаны).

Определение углеводов в подземных частях цикория проводили во второй половине июля в период активного цветения. При этом были обнаружены только низкомолекулярные фруктаны (табл. 2). Возможно в более поздние сроки полимеризация фруктозы происходила активнее. В литературе есть указания, что в корнях цикория обнаружены инулиновые фруктаны с n = 18 [8].

Левзея сафлоровидная (маралий корень) в последние годы подвергается интенсивному изучению как растение многоцелевого использования [9]. Выявлен ее высокий адаптивный и продуктивный потенциал и значительная ценность подземных органов как источника лекарственного сырья. В наших исследованиях в корневищах левзеи обнаружено до 15% суммы фруктозосодержащих углеводов (табл. 2).

Таким образом, обобщая данные определения углеводов у растений семейства сложноцветные, можно заключить, что в этом семействе встречаются виды с очень высоким (46-70%) и высоким (20-30%) количеством низкомолекулярных фруктозосодержащих углеводов: топинамбур, девясил великолепный, якон узколистный, лопух большой, одуванчик обыкновенный. Наибольшее содержание высокомолекулярных фруктанов (40-64%), в том числе инулина, характерно для девясила высокого, одуванчика, лопуха и якона (P.uvedalia).

В отличие от сложноцветных, у растений семейства луковые фруктаны локализованы и в листьях, и в подземных органах (табл. 2). У лука поникающего в исследуемый период вегетации (первая декада июня) фруктозосодержащие углеводы представлены преимущественно низкомолекулярной фракцией. Возможно, что по мере старения синтез и накопление фруктанов у него может происходить и в подземных органах. Например, у лука победного, проба для анализа у которого взята в середине августа, в луковицах и корнях содержалось около 20% полифруктанов (табл. 2). У представителя семейства амариллисовых - нарцисса гибридного обнаружена только низкомолекулярная фракция, причем ее количество в листьях было почти в 2 раза больше, чем в корнях. Возможно, что, как и у лука поникающего, такая локализация связана с возрастом растений.

О высоком содержании фруктозы в корнеплодах дайкона есть данные в литературе [10]. В наших исследованиях у этого вида не обнаружена высокомолекулярная фракция фруктанов, а низкомолекулярная составила 18% на единицу сухого вещества

Табл. 1. Таксономический состав и интродукционное состояние фруктозосодержащих растений.

До 10% полифруктанов обнаружено в корневище ваточника сирийского. Это неприхотливое растение, формирующее мощную надземную массу, обладающее высокой активностью вегетативного размножения и перспективное как кормовое, может быть хорошим источником для получения фруктозы. Литературных данных о возможном синтезе и накоплении фруктозосодержащих углеводов у него мы не встретили.

По литературным данным, злаки также содержат фруктаны разной степени полимеризации. В большинстве случаев это полифруктаны типа левана или флеана. В их молекуле фруктозные остатки соединены в фруктофуранозную цепь 1.6 глюкозидными связями, а у инулина -1,2 связями. Так, из тимофеевки (Phleum pratense) выделены флеаны, молекулы которых включают до 50 фруктозных остатков с 1.6 связями, а из овсяницы красной (Festuca rubra) - флеаны с n = 15 [11]. Есть сведения, что зерновые злаки содержат фруктаны как типа инулина, так и типа флеана. Например, по данным В.Л. Кретовича [12], на ранних стадиях созревания ржаного зерна их содержание достигает 30% на сухое вещество. По мере созревания зерна они постепенно превращаются в крахмал, что указывает на легкость превращения в растениях фруктозы в глюкозу.

В наших исследованиях не обнаружены фруктаны у растений семейства злаковых (табл. 2). Выявленные 2-3% соответствуют, очевидно, свободной фруктозе. Для обнаружения фруктозосодержащих углеводов у растений семейства злаковых необходимо изучение их образования и накопления в разных органах от всходов до полного созревания.

Растения других исследованных семейств (родиола розовая, чемерица Лобеля, бадан толстолистный, скополия, аконит и др.) содержат в корневище 2-5% низкомолекулярных фруктанов, что соответствует уровню свободной фруктозы, которая является необходимым компонентом метаболизма у всех видов растений независимо от их систематического положения (табл. 3).

Таким образом, необходимо отметить, что полимеризация фруктозы и, следовательно, соотношение низко - и высокомолекулярных углеводов изменяются в зависимости от возраста растений, их зрелости, условий произрастания и хранения. Исследованные виды растений могут быть ценным источником сырья для переработки с целью получения продуктов питания, пищевых добавок, фруктозы, инулина и других биологически активных веществ. Однако, с каждым видом растений, у которых обнаружены фруктозосодержащие углеводы, необходима работа по изучению их содержания в течение всего вегетационного периода.

Табл. 2. Содержание углеводов в органах растений разных видов.

Табл. 3. Содержание фруктозы в подземных органах растений из разных семейств, % на воздушно-сухое вещество.

Литература

[1] Бодунг М.В. Оценка успешности интродукции эфиромасличных растений в Молдовии. Интродукция и акклиматизация растений. Ботанические исследования. Вып.3.-Кишинев: Штиинца. 1988.

[2] Ермаков А.И., Арасимович В.В., Смирнова - Иконникова М.И., Ярош Н.П., Луковникова Г.А. Методы биохимического исследования растений. Под ред. Ермакова А.И.. Л.: Колос, Ленингр.отд-ние. 1972.

[3] Кахана Б.М., Арасимович В.В. Биохимия топинамбура. Кишинев. 1974.

[4] G. Soja, G. Dersch, W. Prasnik. Harvestdates, fertilizer and varietal effekts yield, concentration and molekular distribution of fruktan in Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.). J. Agron. Crop. Sci. 1990. 165: 181-189.

[5] Багаутдинова Р.И., Федосеева Г.П. Продуктивность и фракционный состав углеводного комплекса разных по скороспелости сортов топинамбура. С. -х. биол. Сер. Биол. раст. 2000. №1. С.55-63.

[6] Кононков П.Ф., Гинс В.К., Смирнова Н.И., Щербукин В.Д. Об углеводном составе запасающих клубней интродуцированных растений якона. С.-х. биол. Сер. Биол. раст. 1997. №5. С.112-114.

[7] Методические рекомендации по интродукции якона в России. Москва. 1999.

[8] M. Ben Chekroun, J. Amzile, A. Mokhtari, N.E. El Haloui, J. Prevost. Quantitative change of carbohidrate content of two varieties of Jerusalem artichoke tubers (Heliantus tuberosus L.) during cold storage conditions (4^o С). J. Agron. and Crop Ski. 1997. 179. №3. C.129 - 133.

[9] Литвиненко В.И., Попова Н.В., Оккерт И.Л. Биологически активные вещества левзеи и методы их определения. Фармац. ж. 1997. №6. С.86 - 88.

[10] Пивоваров В.Ф., Кононков П.Ф., Никульшин В.П. Овощи - новинки на вашем столе. М. 1995.

[11] D.J. Мackenzie, C.B. Wylam. J. Sci. Food Agr. 8. 38. 1957.

[12] Кретович В.Л. Основы биохимии растений. Из-во "Высшая школа". М. 1964.

Размещено на Allbest.ru