Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Смашевский Н.Д. 1 Ионова Л.П. 1

---

1 Астраханский государственный университет

В статье изложены результаты изучения действия сорбиновой кислоты (СБК) на энергию прорастания и всхожесть семян, рост органов, синтез хлорофилла и дыхание проростков пшеницы (Triticum aestivum L.) и риса (Oriza sativum L.). Характер действия СБК зависит от её концентрации и биологических особенностей исследуемых культур. В концентрации 100 и 200 мг/л СБК оказывает дифференцированно ингибирующее действие на энергию прорастания и всхожесть семян, рост органов проростков, синтез в листьях хлорофилла и дыхание, при этом рис был более устойчив. В концентрации 50 мг/л проявляет некоторую стимуляцию образования хлорофилла и интенсивности дыхания обеих культур, тогда как концентрация 400 мг/л вызывает полное подавление у них всех изученных процессов. Повышенная резистентность проростков риса к действию СБК обусловлена высокой устойчивостью к кислородной гипоксии, синтезом высокой активности энергосберегающих ферментов, особенно активной оксидазы гликолевой кислоты. Результаты исследований и анализ литературных данных привели авторов к мысли, что в связи с весьма широким применением СБК в пищевой промышленности в качестве консерванта (консервант Е200) при определенных обстоятельствах она может поступать в организм человека в количествах, превышающих допустимую норму, и наносить вред здоровью. Показаны факты негативного действия СБК на организм человека и животных. Авторы предлагают учитывать это при консервации часто используемых пищевых продуктов.

Статья в формате PDF

154 KB

сорбиновая кислота

торможение

стимуляция

энергия прорастания семян

всхожесть семян

проростки

рост

синтез хлорофилла

дыхание

консервант Е200

1. Аверина Н.Г., Яронская Е.Б. Биосинтез тетрапиролов в растениях. – Минск : Беларусь. Навука, 2012. – 430 с.: ил.

2. Вартапетян Б.Б. Растения и кислородный стресс // Вестник Российской академии наук. – 2013. - Т. 63, № 11. – С. 999-1009.

3. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Юковейникова Т.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. - Л. : Агропромиздат, 1987. – С. 41-45.

4. Керученко Е.А., Глидинин К.Л. Выделение и свойства фумаразы из дрожжей Pichia memranaefaciens // Биохимия. – 1990. - 55 (2). – С. 326-328.

5. Консервант сорбиновая кислота Е200 – вред, применение. - URL: hppt://www.neboleem,net/sorbinovaja-kislota.php (дата обращения: 17.06.2016).

6. Плохинский Н.А. Биометрия. – 2-е изд. – М. : Изд-во Московского университета, 1970. – 367 с.

7. Смашевский Н.Д. Практикум по физиологии растений : учебное пособие / Астраханский государственный университет. – Астрахань : Издательский дом «Астраханский университет», 2011. – 77 с

8. Физиология сельскохозяйственных растений. Т. 5. Физиология кукурузы и риса. – 1969. – С. 285.

9. Azukas J.J., Costilow R.N., Sadoff H.V. Inhibition of alcoholic fermentation by sorbic acid.

// J. Bacteriol. – 1961. - 81. – С. 189-194.

10. George K. York, Reese H. Vaughn. Mechanisms in the inhibition of microorganisms by sorbic acid // Journal of bacteriology. – 1964. - Vol. 88, No. 2. – P. 411-417.

11. Salin J. Wakil and George Hübscher. Quantitative determination of coenzyme A by sorbyl-

coenzyme A formation // J. Biol. Chem. – 1960. - Vol. 235, № 6. – P. 1554-1558.

12. Sofos J.N., Pierson M.D., Blocher J.C., Bosta E.F. Mode of action of sorbic acid on bacterial Sells and spores // Internatinal Journal of Food Microbiology. – 1986. - V. 3. Issue 1. – P. 1-17.

13. Sachs M.M., Jackson M.B., Davies D.D., Lambers H. Plant life under 0xigen deprivation // SPB Academic Publishing. - The Hague< The Netherlads< 1991. – P. 129-140.

14. Tomoko Nishimaki-Mogami, Akira Tanaka, Ken-Ichiro Minegishi and Atsushi Takahash. Effect of sorbic acid feeding on peroxisomes and sorboyl-CoA metabolizing enzymes in mouse liver. Selective induction of 2,4-dienoyl-coa hydratase // Biochemical Pharmacology. – 1991. - Vol. 42. No. 2. – Р. 239-246.

15. Tsuchiya T and Yamaha T, The production of mutagens in the intestine of mice fed on a diet

containing 15% sorbic acid (I) // J Toxicol Sci. – 1983. - 8. – P. 15-24.

16. Tsuchiya T. and Yamaha T. Depletion of the reduced glutathione level in the liver and production of the mutagens in the intestine in the mice inducing hepatoma by feeding on a high level dose of sorbic acid //Mutation Res. – 1984. - 130. – Р. 267-272.

Cорбиновая кислота (СБК) 2,4 гексадионовая  кислота (СН3СН=СНОН=СНСОН) является природным противомикробным веществом. Впервые СБК была получена в 1859 году из рябинового сока Миллером (Германия) и несколько месяцев спустя независимо от него  Гуддингом (США). В 1950 году она была синтезирована и  установлено её высокое бактериостатическое и фунгистатическое действие, после чего она в возрастающих масштабах стала применяться как консервант пищевых продуктов. По основному характеру антиметаболического действия СБК связана с функциями КоА, катализирующего более 130 биохимических реакций, с которым она образует трудно метаболизируемый сорбил-КоА [11].

Поэтому по сравнению с другими антимикробными средствами СБК имеет весьма широкий спектр действия на микробные организмы. Это обусловлено её механизмом действия с охватом важных метаболических и ростовых процессов, с изменением структуры клеточных мембран, ингибированием транспортных систем и клеточных ферментов, потоком протонов в клетку и изменением pH внутренней среды [12]. Также установлено, что СБК конкурентно подавляет энолазу, предотвращая ферментацию глюкозы у дрожжей Saccharomyces cerevisiae [9].

Важным моментом основы механизма антиметаболического действия СБК является блокирование сульфгидрильных ферментов. СБК вызывает ингибирование активности фермента фумаразы, которое снижается добавлением в среду цистеина. Известно, что фумараза из винных дрожжей Pichia memranaefaciens содержит в активном центре имидазольную группу гистидина с SH-группой цистеина [4], и которая обнаружена как в  митохондриях, так и в цитозоле клеток животных тканей. СБК тормозит также  аспартазу и сукцинатдегидрогеназу, действие которой снижалось также добавлением тиола, что подтверждает механизм её действия против сульфгидрильных ферментов или кофакторов, которое обусловлено реакцией присоединения тиола с насыщением её двойных связей [10].

Все выше сказанное свидетельствует, что СБК является полифункциональным  ингибитором  с  антиметаболическим действием.

Такой широкий спектр антиметаболического действия СБК, взаимодействующей с большим количеством важнейших ферментов, и особенно с КоА, вызывает значительный  интерес к расширению исследований характера действия СБК и на растениях, как модели иной формы метаболизма  клеток и растения в целом, на которых исследований крайне  мало.

Целью наших исследований было изучение действия СБК на ключевые физиологические и метаболические процессы высших растений: энергию прорастания семян, их всхожесть, рост проростков, синтез  хлорофилла и дыхание   пшеницы и риса.

Материал и методы исследований

Изучали действие синтетической сорбиновой кислоты на проростки пшеницы (Triticum aestivum L.) и риса (Oriza sativum L.). Семена изучаемых культур стерилизовали 5%-ной перекисью водорода в течение 30 мин, раскладывали по 30 штук в чашках Коха на бумажную фильтровальную подложку и заливали 10 мл дистиллированной воды (контроль) и в опытные варианты растворы сорбиновой кислоты с концентрацией 50; 100; 200 и 400 мг/л. Семена проращивали в термостате при температуре 27 °С. Энергию прорастания в % определяли на 3-и сутки по количеству проросших семян, всхожесть в % – на 7-е сутки подсчетом всех проросших и наклюнувшихся семян. Сразу после этого выставляли проростки на свет под лампы ДРЛ -250 и через 24 часа определяли содержание хлорофилла в зеленеющих листьях в спиртовой вытяжке колориметрическим методом [7] c помощью электроколориметра КВК-2мП, с красным светофильтром длиной волны 670 нм, и рассчитывали по калибровочной кривой в мг на 1 г сырого веса. Интенсивность дыхания определяли методом Варбурга по количеству поглощенного кислорода в мкл 7-дневными проростками  и пересчитывали на 1 г растительной массы за 1 час [3]. Рост корня и надземной части в мм измеряли на 10-е сутки у  10 растений каждого варианта и повторности. Повторность всех вариантов и биохимических определений  трёхкратная. Результаты всех вариантов обрабатывали статистически с вычислением средней арифметической и стандартной ошибки опыта [6].

Результаты и их обсуждение

СБК оказала подавляющее действие как на энергию прорастания, так и на всхожесть семян обеих культур, соответственно возрастающим концентрациям. Однако пороговая концентрация 100 мг/л действует на эти процессы у пшеницы и риса по-разному. Оказалось, что в этой концентрации подавляющее действие СБК на энергию прорастания и всхожесть семян риса значительно слабее. Если у пшеницы энергия прорастания подавлялась на 43%, а всхожесть на 43,4%, то у риса подавление составило всего 17,4% и 12% соответственно.

Но уже в концентрации 200 мг/л тормозящее действие СБК на обеих культурах  на эти процессы сравнялось и было в пределах для  пшеницы соответственно 51,5% и 50% и для риса 57,6% и 55,5%, тогда как 400 мг/л вызывали у них полное подавление (табл. 1).

Стоит обратить внимание на пониженную чувствительность прорастающих семян риса к действию пороговой концентрации СБК. Мы считаем, что это может быть связано с  биологическими особенностями риса. Установлено, что прорастание семян риса происходит при значительно низкой потребности в содержании кислорода, чем семян пшеницы. Семена риса легко прорастают при строжайшем исключении кислорода из среды [2]. Можно предположить, что для  активного действия СБК необходимы реакции, зависящие от присутствия кислорода.

Таблица 1

Влияние сорбиновой кислоты на энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы и риса

Более эффективное ингибирующее действие СБК отмечено после прорастания и начала ростовых процессов корней и листьев проростков, сохраняя в определенной степени специфичное действие в отношении  разных культур (табл. 2).

Таблица 2

Влияние сорбиновой кислоты на рост органов 10-дневных проростков пшеницы и риса

Особенно активно проявляется  тормозящее действие  СБК   на гетеротрофные корни практически  одинаково как у пшеницы, так и риса, которое  составило при  концентрации СБК  100 и 200 мг/л соответственно у пшеницы  56,7%  и  74,4% и  у риса  46,7% и 78,3%. А вот листья  обеих культур оказались более устойчивы к этим концентрациям.   Рост листьев пшеницы снизился  только  в концентрации 200 мг/л на 37,9%, тогда как  у риса в этих концентрациях  тормозящее действие  практически не наблюдалось. Однако концентрация  СБК   400 мг/л оказалась токсичной для всех органов проростков  пшеницы и риса,  рост полностью отсутствовал, а проклюнувшиеся зачаточные корешки отмирали. Такой характер чувствительности  прорастающих семян и роста  органов проростков, особенно корней, можно объяснить особенностями  прорастания семян. Известно, что первоначальное проклевывание прорастающих  семян обусловлено увеличением сформированного зародыша не за счет  новообразования в осевых органах, а за счет гидролитических процессов в эндосперме и возрастающего  осмотического давления в клетках зародыша, которые насыщаются водой с образованием и увеличением вакуолей, растягивающих эластичные клеточные стенки зародышевых корешков.

Дальнейший рост корня связан с активацией метаболических процессов и новообразованием клеток и клеточных структур с участием ферментов  и  конечно  КоА.  А так как СБК является антагонистом КоА – это обеспечивает её активное ингибирующее действие, которое позволяет сделать вывод, что антиметаболическое действие СБК проявляется в активно метаболизирующих клетках.

Специфический характер  действия СБК как антагониста  КоА четко проявился    на процессах  синтеза  хлорофилла и дыхания проростков пшеницы и риса.

Известно, что КоА принимает непосредственное участие в синтезе хлорофилла, превращая низкомолекулярные соединения ацетата, гликокола или глутамата с образованием  в биохимическом цикле  предшественника  хлорофилла аминолевулиновой кислоты, скорость образования которой лимитирует весь процесс синтеза хлорофилла [1]. В связи с этим  наблюдается сходство характера действия СБК на образование хлорофилла при зеленении листьев пшеницы и риса  в течение суток на свету с характером  действия на ростовые процессы этих культур.

Влияние СБК на синтез хлорофилла по характеру действия был совершенно аналогичным как в листьях пшеницы, так и в листьях риса. В низкой концентрации порядка 50 мг/л  наблюдалось заметное стимулирование образования хлорофилла в листьях пшеницы и риса на 25,0%  и 20,6%  соответственно, что  можно объяснить  ответной реакцией на биохимический стресс. Более высокие концентрации 100 и  200 мл/л уже вызвали заметное торможение синтеза хлорофилла обеими  концентрациями в листьях пшеницы  (12,5%), тогда как у риса торможение в этих концентрациях  было  незначительно, в пределах ошибки опыта (2% и 5%). А вот при максимальной концентрации порядка 400 мг/л синтез хлорофилла в листьях пшеницы и риса  подавлялся полностью  (табл. 3).

Таким образом, СБК как ингибитор КоА  через образование трудно метаболизируемого сорбил-КоА  исключает  КоА из метаболических процессов, связанных с синтезом предшественника хлорофилла.

Таблица 3

      Влияние сорбиновой кислоты на образование хлорофилла в зеленеющих листьях  проростков пшеницы и риса

Это согласуется с влиянием  СБК и  на процесс дыхания, которое  имеет совершенно одинаковый характер действия, что может указывать на сходство в этих процессах механизма действия СБК. Как известно, КоА участвует в первичных реакциях запуска окислительного процесса пировиноградной кислоты в аэробной  фазе дыхания (цикл Кребса), а СБК образует с ним трудно метаболизируемый комплекс  сорбил-КоА [11].  Логично возникает вопрос, как будет влиять СБК на процесс дыхания растений с различными биологическими свойствами пшеницы и риса, отличающихся устойчивостью к кислородной гипоксии. Рис обладает высокой устойчивостью к кислородному голоданию не только прорастающих семян, но и его проростков [13].

Действие СБК на интенсивность дыхания оказалось зависимым не только от её концентрации, но и от биологических особенностей тестируемых культур (табл. 4).

Таблица 4

Влияние сорбиновой кислоты на интенсивность дыхания проростков пшеницы и риса

Общим для обеих культур является то, что СБК в низкой концентрации действовала на поглощение кислорода при дыхании так же биполярно, как и в синтезе хлорофилла, слабо стимулируя процесс в низкой концентрации (50 мг/л), и подавляла при  высоких (100-200 мг/л). Причем подавление поглощения кислорода проростками пшеницы было значительно выше по сравнению с рисом. Если у проростков  пшеницы  торможение при 100 и 200 мг/л  составляло 46,% и 91,0% соответственно, то торможение у риса было отмечено только в концентрации 200 мг/л и составляло  всего 33,6%. То есть чувствительность риса к антиметаболическому действию СБК значительно ниже, чем пшеницы. Вероятно, это связано с особенностями отношения  риса к кислородному дыханию. Из данных таблицы 4 видим, что в контроле  у пшеницы поглощение кислорода при дыхании значительно  интенсивнее, чем у риса, и составило 26,7 мкл О2 на  грамм сырого веса/час, тогда как у риса оно составило всего 12,8 мкл/г/час. Эта биологическая особенность может быть объяснением повышенной устойчивости риса к действию СБК.

Это согласуется и с литературными данными [13], в которых показано, что в условиях строгого исключения кислорода в клетках растений риса сохраняется интактная ультраструктура, что обеспечивает синтез белков  и даже довольно активный рост надземной части проростков. У них наряду с активацией ферментов при кислородной недостаточности  индуцируются события на генном уровне, приводящие к  de novo  синтезу ферментов, катализирующих реакции энергосбережения клетки. В этом, по-видимому, и заключается один из главных «секретов» биохимической адаптации растений риса, способных, в отличие от других видов, длительно обходиться без кислорода.

Кроме того, у риса оксидаза гликолевой кислоты  обладает высокой активностью в листьях и стеблях и весьма слабой у корней, тогда как у сухопутных растений, в том числе и пшеницы, её активность слабая или отсутствует вообще.  Считается, что оксидаза гликолевой кислоты специфична для риса [8]. Поэтому листья риса наиболее устойчивы  к гипоксии  и действию СБК.

Заключение

Таким образом, СБК в зависимости от концентрации оказывает антиростовое и антиметаболическое  действие на высшие растения. В пределах 100 и 200 мг/л оказывает тормозящее действие на энергию прорастания и всхожесть семян, рост  корней и листьев, синтез хлорофилла и дыхание проростков пшеницы и риса. Причем СБК   действует дифференцированно,  проявляя более высокую активность на процессы пшеницы, чем риса, а в  концентрации 50 мг/л  заметно стимулирует синтез хлорофилла и дыхания у обеих культур, тогда как в концентрации 400 мг/л  проявляет токсичность и  полностью подавляет все процессы обеих культур. Повышенная резистентность проростков риса к действию СБК обусловлена особенностями его биологических свойств, которые характеризуются высокой устойчивостью к кислородной гипоксии, синтезом de novo ферментов, катализирующих реакции энергосбережения клетки и высокой активностью оксидазы  гликолевой кислоты.

Результаты  наших  исследований о воздействии СБК на высшие растения и литературные  данные  о широком  спектре механизма  её антибиотического действия  привели к мысли связать это с тем, что СБК  является широко используемым  консервантом в пищевой промышленности (консервант Е200).  В предписаниях к её применению она характеризуется как безопасное органическое  соединение при допустимой  пороговой норме 25 мг/кг массы здорового человека [5].  Результаты наших экспериментов  показали, что 400 мг/л  СБК  проявляют токсичность  и полностью подавляют как ростовые,  так и метаболическое процессы у высших растений. Учитывая весьма  широкое применение СБК для консервирования продуктов питания: в производстве напитков, в кондитерском и пекарском деле, в составе мясных и колбасных изделий, сыров, икры, молочных продуктов  и др.,  возникает опасение, что  она при определенных обстоятельствах может поступать в организм человека в количествах, превышающих допустимую  пороговую  норму, и наносить вред здоровью. И факты вредного действия на животный организм, в том числе и человека, описаны  в научной литературе.

Так, отмечены  при употреблении СБК (Е200)    аллергические реакции у человека, кроме того, вред  ее заключается в разрушении цианокобаламина (витамина В12) в человеческом организме, что может провоцировать   гибель нервных клеток и  привести к различным неврологическим расстройствам [5]. Оказалось, что  окислительный стресс, вызванный  при кормлении мышей едой с высоким уровнем доз сорбиновой кислоты, индуцировал у них гепатому в печени, что было связано с образованием труднометаболизируемого  сорбил-КоА и истощением в печени восстановленного глутатиона [14; 16]. Кормление мышей с добавлением 15% СБК к весу пищи индуцировало  пероксисомные  Н2О2,   генерирующие ферменты, вызываюшие  повреждение печени [15].  Поэтому  мы предлагаем  учитывать это при использовании СБК в качестве консерванта пищевых продуктов, которые часто и в значительных количествах употребляются человеком, чтобы не  превысить  допустимый  пороговый уровень и не  нанести вред здоровью.

Библиографическая ссылка