X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование корней лопуха как источника инулина для диабетиков
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня сахарный диабет занимает третье место после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. За последние 30 лет количество заболевших в мире увеличилось почти в 3 раза, что, несомненно, указывает, что сахарный диабет является не только медицинской, но и социальной проблемой.
Рисунок 1 –Диаграмма заболеваемости сахарным диабетом в мире
Человек страдает данной болезнью, когда поджелудочная железа не справляется с функцией выделения вещества, называемого инсулином, которое способствует использованию сахара в организме.
Инсулин – гормон, вырабатываемый поджелудочной железой. Когда инсулин поступает в организм, запускаются окислительные процессы: глюкоза расщепляется на гликоген, белки и жиры. Если же в кровь поступает недостаточное количество этого гормона, формируется заболевание под названием сахарный диабет (рисунок 2).
Рисунок 2- Сахарный диабет 1 и 2 типа
Как правило, эта болезнь неизлечима, однако поддерживая уровень сахара в крови можно предотвратить или уменьшить осложнения данного заболевания.
Инулин – полисахарид, который является растительным аналогом инсулина и участвует в регуляции уровня глюкозы, что делает возможным применение его в лечении сахарного диабета. В качестве источника инулина могут выступать корни лопуха.
Цель работы: выделить инулин из корней лопуха, произрастающего в Восточно-Казахстанской области (Казахстан) и рассмотреть методы его использования
К основным задачам работы относятся:
- анализ литературы по данной проблеме;
- рассмотрение биологического значения инулина;
- анализ различных способов выделения инулина из растительного сырья;
- получение инулина из корней лопуха ;
- формулирование выводов
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Корни лопуха и его лечебные свойства
Лопух издавна применялся в народной медицине.В лекарственных целях заготавливают корень и листья.
Существует несколько видов лопуха, но различия между ними незначительные. Чаще всего встречается лопух большой – травянистый двулетник, который может достигать в высоту 0,6–1,8 м.Корень стержневой, маловетвистый, веретеновидный, длиной до 60 см, в первый год жизни - сочный, а на второй становится дряблым и полым внутри [1-2]. Согласно исследованиям[3], запасы лекарственного растения лопуха большого в Республике Казахстан составляет 4 тонны.
Рисунок 3 – Корень лопуха
Полезные свойства лопуха объясняются его богатым и ценным химическим составом. В корнях содержится до 45% полисахарида инулина, 12,3% протеина, эфирное масло (до 0,2%), жирное масло, пальмитиновая, стеариновая кислоты, дубильные вещества, гликозиды, алкалоиды, смолы, белок, крахмал, сахар, минеральные соли, витамины группы В, С, Е.
В таблице 1 представлено содержание витаминов и минеральных веществ в корнях лопуха.
Таблица 1 - Содержание витаминов и минеральных веществ в корнях лопуха [2]
|
Наименование |
Содержание в 100 граммах свежих корней, мг |
|
Витамин В1(тиамин) |
0,01 |
|
Витамин В2(рибофлавин) |
0,03 |
|
Витамин В4(холин) |
11,7 |
|
Витамин В5(пантотеновая кислота) |
0,32 |
|
Витамин В6 (пиридоксин) |
0,24 |
|
Витамин В9 (фолиевая кислота) |
0,023 |
|
Витамин С (аскорбиновая кислота) |
3,0 |
|
Витамин Е (токоферол) |
0,38 |
|
Магний |
0,038 |
|
Калий |
308,0 |
|
Натрий |
5,0 |
|
Кальций |
41,0 |
|
Железо |
0,8 |
Содержание веществ колеблется в зависимости от сезонности и места произрастания.
В таблице 2 приведены данные, полученные при исследовании корней лопуха, собранных в июне 2019 года и проанализированных с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOLJSM-IT 200 c детектором EdxanalysisOxford для элементного анализа (анализ проведен на базе лаборатории Назарбаев университета).
Таблица 2- Данные анализа лопуха, собранного в июне 2019 года
Анализ таблицы показывает наличие в лопухе различных элементов, необходимых для организма человека. Кроме основных элементов, входящих в состав органических соединений, в корнях лопуха присутствуют калий, кальций, натрий и т.д. Минеральные вещества в организме человека контролируют активность ферментов, участвуют в регуляции водно-солевого обмена и т.д.
Свойства и биологическое значение инулина
Инулин относят к группе полисахаридов, молекулы которых построены из остатков Д-фруктозы, связанных между собой β (2 → 1) [4].
Рисунок 4 – Строение инулина
Инулин в растительном сырье может находиться в нескольких фракциях, которые отличаются между собой степенью полимеризации и соответственно различными свойствами, основным из которых является растворимость в воде и водно-спиртовых растворах. Молекулярная масса не превышает 5000–6000.
Инулин представляет собой аморфный порошок, трудно растворимый в холодный и хорошо в горячей воде. При растворении образует вязкие коллоидные растворы сладковатого вкуса [5-6].
Инулин, являясь антикоагулянтом, предотвращает образование кровяных сгустков, снижает уровень холестерина, триглицеридов и фосфолипидов, принимающих участие в образовании атеросклеротических бляшек. Он увеличивает усвояемость кальция, железа и магния, а также плотность минеральных веществ в костной ткани; улучшает углеводный и липидный метаболизм и нормализует уровень сахара в крови у больных сахарным диабетом.
Инулин частично расщепляется в желудочно-кишечном тракте человека до фруктозы. Нерасщепленная часть инулина, являясь сорбентом, выводит из организма ненужные и опасные вещества. Кроме того, употребление инулина значительно повышает количество бифидобактерий в кишечнике и снижает количество патогенных бактерий.
1.3 Выделение инулина из корней лопуха
Технология выделения инулина из растительного сырья также имеет ряд особенностей: сезонность, особенность хранения сырьевого ресурса, зависимость от сорта, времени уборки и способа последующего хранения.
Анализ рисунка 5 показывает, что наибольшее содержание инулина в растениях достигается в осенний период[7].
Рисунок 5 – Содержание водорастворимых полисахаридов в % ( в пересчете на абсолютное сухое сырье), в корнях лопуха в зависимости от сезона
Для выделения инулина отбор образцов корней лопуха производили в период июнь-сентябрь 2019 года в Восточно-Казахстанской области в 40 км к северо-западу от города Усть-Каменогорск. Корнилопухабыли промыты проточной водой и высушены.
В ходе исследования проанализированы методы выделения инулина из растительного сырья[8-12].Различия между известными в настоящее время способами производства инулина заключаются в выборе режимов предварительной подготовки инулинсодержащего сырья, вида экстрагента и способов экстрагирования, способов очистки экстракта и способов получения готового продукта.
В большинстве рассмотренных способов экстрагирование инулина проводится при повышенных температурах водой или солевыми растворами. Очистка экстракта, содержащего инулин осуществляется с помощью активированного угля, карбоната кальция, ионообменных смол, ультра - и нанофильтрацией и т.д. Для осаждения инулина из инулинсодержащего экстракта используются водные растворы этилового спирта различной концентрации. На завершающем этапе производства инулин перед этапом сушки выделяют кристаллизацией и фильтрацией.
Выделение инулина из корней лопуха было проведено по cхеме, представленной на рисунке 6.
Рисунок 6 – Выделение инулина из корней лопуха
При проведении эксперимента измельченные образцы лопуха массой 50 грамм взвешивали на весах и добавляли 200 мл горячей дистиллированной воды (70оС). По каждому образцу проведены три параллельных опыта.
.
Рисунок 7 – Измельченные образцы лопуха
После выдерживания на водяной бане, смесь отфильтровали. Фильтрат имел темную окраску (рисунок 8), для осветления которого было добавлено в каждый химический стакан по 2 грамма активированного угля. Время выдержки – 1, 5 часа, перемешивают, затем фильтруют.
Рисунок 8 – Фильтрат, полученный в ходе эксперимента
На рисунке 9 приведен пример осветленного раствора по сравнению с исходным.
Рисунок 9 – Пример осветленного и исходного раствора
После упаривания фильтрат охлаждают, добавляют 96% этиловый спирт и осаждают в холодильнике в течение 2 суток (1 способ), морозильной камере 2 суток (2 способ) был получен инулин серого цвета, который промывали холодной дистиллированной водой, высушивали и взвешивали.
Рисунок 10 – Инулин, полученный в ходе эксперимента
Экспериментальные данные по инулину представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Среднее значение массы инулина, полученного различными способами
|
Номер образца |
Масса полученного инулина, г 1 способ |
Масса полученного инулина, г 2 способ |
|
Образец №1 (июнь 2019) |
0,56 |
0,67 |
|
Образец №2 (июль 2019) |
0,67 |
0,76 |
|
Образец №3(август 2019) |
0,81 |
0,98 |
|
Образец №4(сентябрь 2019) |
1,21 |
1,49 |
Анализ таблицы 3 показывает, что при уменьшении температуры выход инулина увеличивается. Наибольший выход наблюдается при выделении инулина из лопуха, который был собран в сентябре, при этом его количество в 2 раза выше по сравнению с инулином, полученным из образцов лопуха, собранных в июне.
При растворении в горячей воде полученный инулин образовывал коллоидный слабомутный раствор.
В ходе исследования проведена качественная реакция на инулин с раствором йода, которая доказывала отсутствие крахмала.
Полученный инулин можно использовать в качестве биологически активного вещества, добавлять для производства мучных, кондитерских и хлебобулочных изделий, поливитаминных напитков для диабетиков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное нами исследование позволяет доказать наличие инулина в корнях лопуха и обосновать целесообразность его выделения и применения при производстве изделий диабетического назначения.
Рекомендуется сбор корня лопуха в сентябре, так как выход инулина выше по сравнению с образцами, отобранными в июне-августе. Понижение температуры способствует выделению инулина.
Инулин, полученный из растительного сырья, можно использовать в качестве пищевой добавки, например, в изготовление мучных изделий или кисломолочной продукции. Это поможет людям, больным сахарным диабетом поддерживать уровень сахара в крови.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Лекарственные растения. Лопух большой. Электронный ресурс. Режим доступа: [http://www.oblepiha.com/lekarstvennye_rasteniya/2388-lopuh-bolshoy.html].
2. Лопух. Электронный ресурс. Режим доступа: https://foodandhealth.ru/travy/lopuh/
3. Лосева И.В. Сырьевая база лекарственных растений Казахстана и ее рациональное использование. – Учебно-методическое пособие. – Караганда. – 2008. – 110 с.
4. Углеводы. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.bio.bsu.by/biohim/files/55.pdf
5. Большая медицинская энциклопедия. Инулин. Электронный ресурс. Режим доступа: https://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%98%D0%9D%D0%A3%D0%9B%D0%98%D0%9D
6. Коренская И.М., Ивановская Н.П., Колосова О.А. Лекарственные растения и лекарственное растительное сырье, содержащие витамины, полисахариды, жирные масла.-Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2008-88с.
7. Дьякова Н. А., Сливкин А. И., Гапонов С. П., Михайловская И. Ю. Изучение динамики изменения содержания инулина в корнях лопуха большого (ArctiumLappal.) и одуванчика лекарственного (TaraxacumOfficinalewebb.) в процессе вегетации// Вестник ВГУ, СЕРИЯ: ХИМИЯ. БИОЛОГИЯ. ФАРМАЦИЯ, 2016, № 4.- С.133-136
8.Муцаев Р.В., Алексанян И.Ю., Титова Л.М. Способы получения инулина из растительного сырья// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 433-436
9. Манукян Л.С., Кочикян В.Т., Андреасян Н.А., Афян К.Б., Балаян А.М. Выделение инулина из различного растительного сырья. Биологический журнал Армении.- 2014.-№4 (66) – С. 71-75
10. Лисовой В.В., Першакова Т.В., Ачмиз А.Д., Викторова Е.П. Современные способы производства инулина из растительного сырья. -Научный журнал КубГАУ- 2016.- №118(04)
11.Кухаренко А. В., Саметова И. Н. Сравнение методик количественного определения инулина в сухом шроте корней лопуха большого // Актуальные аспекты химической технологии биологически активных веществ: сб. научных трудов. - Вып. 190. - РХТУ им. Д.И. Менделеева г.Москва, 2018. - С. 177–179
12.Патент 2360927 РФ, МПК С 08 В 37/00. С 08 В37/18 Способ получения инулина из растительного сырья / Е.А. Струпан, О.А. Струпан. - № 2007138870/13. заявл. 19.10.2007; опубл. 10.07.2009. Бюл. № 19. -5 с.
.