Исследование адсорбционной способности некоторых пектинсодержащих продуктов питания и яблочного пектина по отношению к соединениям свинца с аминокислотами in vitro

Полный текст

Введение

Свинец является одним из самых распространенных и опасных токсикантов для организма человека и поражает кроветворную, нервную, пищеварительную, репродуктивную и другие системы. Такое воздействие обусловлено его способностью приводить организм к окислительному стрессу, образовывать комплексы с лигандами, содержащими сульфгидрильные и карбоксильные группы, снижать активность ферментов. Ионы свинца конкурентно ингибируют ионы кальция, магния, железа и др. [1, 2]. Установлена комплексообразующая способность ионов свинца со многими незаменимыми и заменимыми аминокислотами [3–5], что вызывает дисбаланс аминокислотного фонда организма человека и животных [5].

Известны и пути попадания свинца в организм человека: в ходе профессиональной деятельности – преимущественно ингаляционным путем, поскольку свинец применяется во многих отраслях промышленного производства и добычи [2]; большая часть попадает вместе с продуктами питания и водой [2, 6, 7]; в небольшом количестве – через кожные покровы при непосредственном контакте с соединениями металла [8].

Среднее содержание свинца в продуктах питания 0,2 мг/кг, по отдельным группам, мг/кг (в скобках – среднее содержание): фрукты – 0,01–0,60 (0,10); овощи – 0,02– 1,60 (0,19); крупы – 0,03–3,00 (0,21); хлебобулочные изделия – 0,03–0,82 (0,16); мясо и рыба – 0,01–0,78 (0,16); молоко – 0,01–0,10 (0,027); в питьевой воде отмечается от 0,05 до 0,2 мг/л [6, 7].

Экспериментально доказаны факты аккумуляции свинца растениями, произрастающими на загрязненных почвах. Концентрация свинца в таких растениях может превышать допустимые значения от 2 до 100 раз¹. Достаточно подробно исследованы особенности накопления свинца в органах и тканях рыб различных семейств в зависимости от антропогенного воздействия. Выявлено, что содержание свинца в ряде случаев превышает гигиенические нормативы, установленные для пищевых продуктов. Накопление свинца происходит в разных органах рыб, в том числе костях и мышцах [9–13]. В регионах размещения предприятий цветной металлургии свинец относится к приоритетным загрязнителям воздуха, питьевой воды и продуктов питания местного производства [14, 15].

В связи с актуальностью проблемы имеется большое количество публикаций, направленных на исследование адсорбционных свойств различных веществ по отношению к ионам свинца. Установлено, что наиболее эффективными сорбентами и веществами, связывающими ионы свинца, являются пектины [1, 16–19].

Пектины (пектиновые вещества, ПВ) – это группа высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и межклеточных образований растений наряду с целлюлозой (клетчаткой), гемицеллюлозой, лигнином. Пектиновые вещества встречаются во всех частях растений: в корнях, стеблях, соцветиях, листьях и главным образом в плодах и овощах.

В работах [20–22] было доказано, что пектины обладают более высокой адсорбирующей способностью, чем целлюлоза (клетчатка), и способны к выведению из организма токсичных веществ, радионуклидов, тяжелых металлов. Пектаты металлов, образуемые при взаимодействии полисахаридов с солями тяжелых металлов, являются нерастворимыми соединениями. Они не способны к адсорбции в кишечнике и поэтому покидают его вместе с токсическими ионами [19].

Экспериментальным образом определено содержание пектиновых веществ в таких овощах и фруктах: морковь – 0,6–1,6 г/100 г, капуста – 0,3–0,6 г/100 г, яблоко – 1,0 г/100 г [23, 24]. Поскольку в яблоках содержание пектиновых веществ наиболее высокое, их чаще используют в качестве сырья для изготовления пектинсодержащих БАДов.

Практический интерес представляют естественные продукты питания, источники ПВ, которые целесообразно использовать для снижения экологического или профессионального риска как в виде биологически активных добавок к пище, так и за счет оптимизации рационов питания [25–27].

В медицине труда лицам, работающим в условиях воздействия свинца и его соединений, назначают рацион лечебно-профилактического питания, включающий 2 г пектина в составе обогащенных им продуктов питания или соков с мякотью, и блюда из овощей, не подвергнутых термической обработке². С целью повышения устойчивости отдельных категорий граждан, проживающих на территориях, загрязненных свинцом, обосновано включение биопрофилактических комплексов, содержащих пектин [28]. Вместе с тем остается актуальной задача по поиску наиболее эффективных комплексов биологически активных веществ, обеспечивающих повышение резистентности организма в условиях воздействия свинца и его соединений. Возможно, что специально созданные рационы питания будут более эффективными по сравнению с готовыми лекарственными формами биологически активных веществ. При этом значение имеет не только отбор продуктов, содержащих наиболее высокие концентрации биологически активных веществ, но и способы их технологической переработки. Все это является перспективным направлением междисциплинарных исследований.

Цель данного исследования – оценить адсорбционную способность моркови и капусты белокочанной по отношению к соединениям свинца с аминокислотами и сопоставить с адсорбционной активностью яблочного пектина.

Материалы и методы

Для приготовления растворов ацетата свинца с концентрациями 0,00125, 0,0025, 0,005 моль/л был взят свинец уксуснокислый 99,50% квалификации «ч. д. а.» (CH₃COO)₂Pbх3H₂O («НеваРеактив»). Для приготовления растворов аминокислот использовались аргинин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, фенилаланин квалификации «ч.д.а» и «ч» («ЛенРеактив»).

Объектами эксперимента были морковь сорта Нантская 4, белокочанная капуста сорта Слава, яблочный пектин без добавок (БАД «Яблочный пектин», компания «Оргтиум», Москва).

Адсорбцию проводили на сырых и термически обработанных овощах. Овощи предварительно мыли, измельчали при помощи овощерезки на мелкие кусочки. Термическая обработка проводилась в небольшом количестве дистиллированной воды при температуре 100 ºС в течение 20 мин.

Условия проведения адсорбции: к растворам ацетата свинца указанных концентраций, взятых в соотношении 1:1 с разными аминокислотами (АК) (объем аликвоты 20 мл), добавляли 5 г измельченного овоща и определяли содержание катиона металла по истечении 20, 40, 60 мин. Аналогичным образом, к 0,5 г яблочного пектина (БАД) добавляли растворы ацетата свинца указанных концентраций с разными АК.

Для определения концентрации ионов свинца до и после адсорбции использовали трилонометрический метод с индикатором (ксиленоловый оранжевый) в среде ацетатного буфера (рН = 5,5). Растворы Трилона Б готовили из фиксанала с концентрацией С^Э = 0,1 н («ЛенРеактив»).

По полученным экспериментальным данным рассчитали адсорбцию ионов свинца, выраженную в мг/г, по формуле:

$\Gamma =\left[\left(C_1-C_2\right)\times Va\times A\left(Pb\right)\times 1000\right]/m$,

где С₁ – молярная концентрация ионов свинца до адсорбции, моль/л; С₂ – молярная концентрация ионов свинца после адсорбции, моль/л; Va – объем аликвоты; A(Pb) – атомная масса свинца, г/моль; m – масса адсорбента, г.

Для оценки адсорбционной способности использовали показатель – степень извлечения ионов, в% (степень адсорбции). Расчет проводили по формуле:

$\omega =\left[\left(C_1-C_2\right)/C_1\right]\times 100$,

где С₁ – молярная концентрация ионов свинца до адсорбции, моль/л; С₂ – молярная концентрация ионов свинца после адсорбции, моль/л.

Полученные результаты были обработаны статистически в программе Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

В публикациях исследована адсорбционная способность пектиновых веществ, выделенных из разных растений по отношению к ионам свинца из растворов с достаточно высокой концентрацией – 0,035 моль/л (7,25 г/л) [19]. Нами были исследованы водные растворы ацетата свинца с достаточно низкими концентрациями, соизмеримыми с риском поступления ионов свинца на химических производствах. Мольное соотношение свинца с аминокислотами составляло 1:1, так как имеются данные, что в растворах с мольными соотношениями 1:1 и 1:2 образуются комплексные соединения свинца с АК [29].

Поскольку мясо рыбы является наиболее распространенным источником попадания свинца в организм человека [9–13], выбирали АК для исследования, исходя из известного аминокислотного состава рыб [30]:

– нейтральные (глицин, фенилаланин, глутамин),

– кислые (глутаминовая кислота),

– основные (аргинин).

Авторами [31] была определена устойчивость комплексных соединений АК с ионами Pb(II), Hg(II) и Cd(II) и доказано, что наиболее устойчивые комплексные соединения образуют АК с ионами Pb(II) за счет координации через атомы азота аминогруппы и кислорода карбоксильных групп с образованием 2 пятичленных циклов.

В качестве источника пектинсодержащих веществ выбрали такие продукты питания, для которых известен процент содержания данных веществ: морковь и белокочанную капусту, где этот процент достаточно высок (1,62% – в моркови, 0,56% – в капусте белокочанной) [23, 24].

Яблочный пектин (БАД) – коммерческий пектин содержит пектиновые вещества с молекулярной массой около 85 000 г/моль [22]. Имеются данные о том, что пектины с разной молекулярной массой характеризуются способностью быстро и эффективно связывать ионы свинца, причем свинецсвязывающая активность возрастает прямо пропорционально снижению молекулярной массы пектина. При термической обработке вследствие гидролиза уменьшается молекулярная масса пектиновых веществ [22].

На рис. 1 представлены данные по адсорбции ионов свинца на термически обработанной моркови из растворов, содержащих ионы свинца исследуемых концентраций отдельно и совместно с фенилаланином в соотношении 1:1. Степень адсорбции наибольшая в растворах с минимальным содержанием ионов свинца совместно с фенилаланином.

 

Рис. 1. Степень адсорбции ионов свинца (в %) на моркови отварной из растворов, содержащих ионы свинца различных концентраций отдельно и совместно с фенилаланином, через 60 мин

 

Из данных, представленных на рис. 2, следует, что степень адсорбции ионов свинца целесообразно оценивать через 60 мин.

 

Рис. 2. Степень адсорбции ионов свинца (в %) из растворов, содержащих фенилаланин, в зависимости от концентрации свинца в растворе и времени адсорбции на моркови отварной

 

Экспериментальные данные по адсорбции ионов свинца сырыми и термически обработанными овощами из растворов, содержащих различные АК, приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Степень адсорбции ионов свинца (в %) из растворов, содержащих различные концентрации ионов свинца и фенилаланин, на сырых и термически обработанных овощах через 60 мин

 

Из представленных данных видно, что достаточно высокую адсорбционную способность имеет морковь в сыром и вареном виде, что может быть обусловлено повышенным содержанием пектиновых веществ в ней в сравнении с капустой. Это согласуется и с данными авторов [24]. Адсорбционная способность термически обработанных овощей была выше для всех АК и растворов ионов свинца. При термической обработке происходит размягчение овощей, высвобождаются растворимые в воде пектиновые вещества и другие полисахариды, способные больше адсорбировать, чем связанные.

Следует отметить, что с уменьшением концентрации ионов свинца увеличивалась степень извлечения ионов из растворов, содержащих фенилаланин. Аналогичные тенденции наблюдаются и в растворах других АК.

Адсорбционная способность овощей по отношению к ионам свинца зависит от строения АК и значения рН ее водного раствора (рис. 4). Минимальная степень адсорбции свинца наблюдается при содержании в растворе глутаминовой аминокислоты (кислая АК).

 

Рис. 4. Степень адсорбции ионов свинца (в %) через 60 мин на вареной моркови в зависимости от содержания различных АК в растворе

 

Полученные данные согласуются с данными авторов [22]: сорбционная активность исследованных пектиновых веществ при понижении рН среды уменьшалась. Для раствора, содержащего ионы свинца и глутаминовую кислоту (С = 0,005 моль/л), при значении рН = 4,21 степень адсорбции составила 15,8%, для растворов аналогичной концентрации в присутствии фенилаланина (рН = 5,47) – 38,9% и аргинина (рН = 8,22) – 61,1% (по экспериментальным данным, представленным в работе [32]). Экспериментальные результаты можно объяснить следующим образом. В кислой среде, с очень низкой концентрацией ОН^–-групп, формируются растворимые комплексные соединения АК с ионами свинца, которые характеризуются лиофильным взаимодействием с растворителем (водой). Поэтому закономерно, что при снижении рН адсорбционная способность пектиновых веществ снижается. При увеличении рН (рН = 3 и выше) концентрация ОН^–-групп увеличивается и возникает возможность образования полилигандных соединений, включающих в себя ОН^–-группы. При этом лиофильные свойства снижаются, а адсорбционная способность увеличивается, что подтверждается нашими данными: в присутствии аргинина при рН = 8,22 адсорбционная способность максимальна. Более того, именно присутствие в структуре аргинина дополнительных атомов азота – сильных электрондонорных атомов – увеличивает вероятность образования более устойчивых комплексных соединений его с ионами свинца.

Ниже приведены значения адсорбции ионов свинца из растворов, содержащих малую концентрацию металла и аминокислот, пектинсодержащими овощами и яблочным пектином (табл. 1, 2).

 

Таблица 1. Адсорбция ионов свинца из растворов с АК на вареной капусте, мг/г

Концентрация ионов свинца, моль/л	Аргинин	Глутаминовая кислота	Глутамин	Глицин	Фенилаланин
0,005	2,33	1,81	1,55	2,59	1,55
0,0025	0,91	0,78	1,04	1,04	0,65
0,00125	0,71	0,71	0,71	0,71	0,84

 

Таблица 2. Адсорбция ионов свинца из растворов, содержащих фенилаланин, мг/г

Концентрация ионов свинца, моль/л	Морковь отварная	Капуста отварная	Яблочный пектин
0,005	1,81	1,55	62,16
0,0025	1,04	0,65	34,19
0,00125	1,04	0,84	21,76

 

В моркови или яблоке содержится около 1% пектина [23, 24], следовательно, при прочих равных условиях адсорбция на яблочном пектине (БАД) составит 0,21–0,62 мг/г, в то время как на моркови и капусте – 1,04–1,81 и 0,84–1,55 мг/г соответственно. Можно предположить, что процесс адсорбции овощами включает адсорбцию и на пектине, и на клетчатке и является более эффективным, чем на яблочном пектине – БАДе.

Если принять среднее содержание свинца в рыбе 0,16 мг/кг, то для приготовления 1 кг целесообразно включить в блюдо 10–100 г моркови или капусты.

Таким образом, проведенное исследование подтвердило известные ранее данные о способности ПВ адсорбировать свинец. При этом показано, что процесс адсорбции происходит более активно на цельном продукте, причем прошедшем термическую обработку, чем на пектине в виде БАД, а также в присутствии аминокислот. Данные результаты свидетельствуют о перспективности разработки корректировок рационов питания населения, проживающего на экологически неблагополучных территориях или работающих во вредных условиях труда. Результаты данного исследования свидетельствуют о важности предварительных исследований in vitro для подбора наиболее эффективных компонентов рационов до проведения экспериментальных исследований на животных и пациентах.

Выводы

Степень адсорбции ионов свинца в растворах, содержащих овощи (морковь и капусту), увеличивается со временем экспозиции и в присутствии аминокислот, особенно аргинина и глицина. Наиболее эффективно удаляются ионы свинца на термически обработанных овощах.

Адсорбционная способность моркови в отношении ионов свинца выше по сравнению с капустой, что обусловлено повышенным содержанием пектиновых веществ [23, 24]. Адсорбционная способность моркови и капусты значительно выше по сравнению с яблочным пектином, связано это с адсорбционной способностью клетчатки, входящей в состав овощей помимо пектиновых веществ.

Полученные данные могут быть использованы для снижения экологического риска от возможного присутствия соединения свинца в продуктах питания и для организации питания с использованием овощей в качестве гарниров.

¹ Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Свердловской области в 2021 году» / Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Свердловской области. 2022. (http://www.66.rospotrebnadzor.ru).

² Приказ Минздравсоцразвития России № 45н от 16 февраля 2009 г. «Об утверждении норм и условий бесплатной выдачи работникам, занятым на работах с вредными условиями труда, молока или других равноценных пищевых продуктов, Порядка осуществления компенсационной выплаты в размере, эквивалентном стоимости молока или других равноценных пищевых продуктов, и Перечня вредных производственных факторов, при воздействии которых в профилактических целях рекомендуется употребление молока или других равноценных пищевых продуктов». (https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=155863); Приказ Минздравсоцразвития России № 46н от 16 февраля 2009 г. «Об утверждении Перечня производств, профессий и должностей, работа в которых дает право на бесплатное получение лечебно-профилактического питания в связи с особо вредными условиями труда, рационов лечебно-профилактического питания, норм бесплатной выдачи витаминных препаратов и Правил бесплатной выдачи лечебно-профилактического питания» (https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=332418).

Об авторах

Ирина Леонидовна Тихонова

Уральский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: koritca14@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-9287-2451

кандидат химических наук

Россия, Екатеринбург

Надежда Анатольевна Белоконова

Уральский государственный медицинский университет

Email: 89221503087@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0198-3016

доктор технических наук, кандидат химических наук, доцент

Россия, Екатеринбург

Галия Максутовна Насыбуллина

Уральский государственный медицинский университет

Email: gdp43@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7513-5741

доктор медицинских наук, профессор

Россия, Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы