В этом столетии было разработано несколько таблиц состава пищевых продуктов, чтобы предоставить информацию о самых разнообразных продуктах, способствуя улучшению рациона питания и в целом для более здорового населения с меньшим риском для здоровья. Информация об овощах в настоящее время является достаточно полной, чтобы использовать их характеристики для улучшения рациона питания, хотя во многих странах из-за социально-экономических ограничений таблицы состава пищевых продуктов используются недостаточно или вообще не используются.
Brassicaceae — это крупное семейство растений, обычно используемых во всем мире, включая представителей, которые во многих ситуациях считаются малоценными для пищи.
Все капустные культуры содержат большое количество витамина С. Савойская капуста, капуста и брокколи характеризуются высоким содержанием провитамина А (β-каротина). В этих овощах гораздо больше белка, чем в крахмалистых овощах.
Самой ценной из всех капустных культур по содержанию белка, витаминов и минеральных веществ являются брокколи, брюссельская и листовая капусты.
Капуста содержит 3-метилцистеинсульфоксид, соединение, известное как «фактор анемии капусты». Крупный рогатый скот и овцы часто отравляются при зимнем кормлении рапсом, капустой, брюссельской капустой и корнями и верхушками брюквы. Это же соединение, как было показано, снижает уровень холестерина в крови у экспериментальных животных.
Общие компоненты
Высокое содержание воды и низкое содержание жиров и углеводов являются важными характеристиками, отвечающими за низкую калорийность, характерную для этих продуктов. При сравнении овощей Brassica с другими овощами с высоким содержанием воды уровни клетчатки и белка относительно высоки. Уровни белка в брюссельской капусте и листовой капусте высоки, каждая из которых составляет более 4% свежей съедобной части. Капуста также является хорошим источником минералов, в частности, калия и кальция, последнего много в капусте и брокколи. Эти две капусты вместе с брюссельской капустой также содержат большое количество витаминов, особенно двух каротиноидных антиоксидантов и витамина С.
Листовая и брюссельская капуста имеют самое высокое содержание аминокислот, за ними следует брокколи. Особое внимание следует уделить девяти незаменимым аминокислотам, от которых строго зависят животные и человек. Среди них метионин обеспечивает поступление серы в клетки животных и участвует в синтезе цистеина и других компонентов серы, выполняя основные функции для клеточного метаболизма (биосинтез белка, каталитическая активность, процессы детоксикации и т.д .) (Gakire et al., 1999). Из двух серосодержащих аминокислот, метионина и цистеина, первая является общей для всех форм B. oleracea формы, в то время как цистеин был обнаружен только в белокочанной и краснокочанной капусте, а также в листовой капусте, содержание которого более чем в два раза превышает количество, присутствующее в двух других разновидностях.
Другой крупной группой культур рода Brassica являются виды масличных культур (B. napus, B. rapa и B. juncea), широко известные как рапс. Семена этих трех видов содержат от 40 до 50% масла, которое первоначально использовалось для освещения и смазки, а теперь, после рафинирования, в основном для пищевых целей. Жирнокислотный состав растительных масел влияет на их химические, физические и питательные свойства (Rudloff and Wehling, 1998). Содержание одной из основных жирных кислот в семенах масличных культур, эруковой кислоты (С22:1), частично ответственной за антипитательные свойства рапсового масла, было снижено селекционным процессом с 45% до менее одного процента в так называемом «двойном низкоуровневом» сорте рапса (с низким содержанием эруковой кислоты и глюкозинолатов). В жирнокислотном составе этих сортов выше (55-65% и может быть до 80%) олеиновой кислоты (С18:1) и ниже (20-23% и даже до 3%) линолевой кислоты (С18:2), в то время как содержание линоленовой кислоты (C18:3) выше (8-12%), чем в подсолнечном, оливковом или маковом масле, и аналогично соевому (8%) (Krzymanski, 1998; Rudloff and Велинг, 1998).
Качество масла можно повысить с помощью новых методов, включающих слияние белков/пептидов, богатых незаменимыми аминокислотами, ферментами или терапевтическими /фармацевтическими белками с олеозинами (структурными белками, тесно связанными с масляным телом, природной органеллой хранения масла в семенах растений) (van Rooijen et al., 1998). После отжима масла остаточный рапсовый шрот составляет 52-58% от исходной массы семян. Содержание белка в шроте от 38 до 46% (уровни у B. juncea немного выше (45,9%), чем у B. napus и B. rapa (44,6 и 43,1% соответственно)) (Newkirk et al., 1997), в то время как уровни аминокислот лизина, метионина, цистеина, треонина и триптофана выгодно отличались от других масляных шротов и злаков (Krzymanski, 1998). Содержание белка в семенах B. napus и Б. juncea могут быть увеличены азотными и серными удобрениями (Trivedi and Sharma, 1997; Wang et al., 1997; Aulakh et al., 1995). Содержание клетчатки (11%) в семенах, в основном локализованных в шелухе и составляющих от 27 до 30% рапсового жмыха, выше, чем в семенах сои (7%). Блюда из B. juncea содержал меньше (27%) общего количества пищевых волокон, чем B. napus и B. rapa (29,5 и 29,7% соответственно) (Newkirk et al., 1997). Использование этих высококачественных продуктов более или менее сокращается из-за обработки масла на маслобойне, но процедура водной ферментативной экстракции была дополнительно усовершенствована, чтобы обеспечить более оптимальное использование различных высококачественных продуктов из масличного рапса, в результате чего получается процесс биоочистки «зеленая химия» (Bagger et al., 1998).
Еще одним важным аспектом химического состава семян рапса является содержание хлорофилла в семенах. Наличие всего лишь 2% зеленых семян приводит к снижению качества урожая (Morissette et al., 1998). Так, семена B. rapa и B. napus подвергались селекционным программам и генетической трансформации с целью снижения содержания хлорофилла, семенной оболочки и уровней полифенолов, что привело к уменьшению посторонних привкусов и запахов и увеличению срока хранения масла (Morissette et al., 1998).
Другие виды, такие как индийский (B. juncea) и эфиопская (B. carinata) горчица с зарегистрированным уровнем эруковой кислоты от 0 до 50% от общего содержания жирных кислот может использоваться в качестве семян масличных культур для человека и в промышленных целях в средиземноморских или полузасушливых условиях из-за их устойчивости к засухе, разрушению стручков и широкому спектру болезней и вредителей (Velasco et al., 1998; Getinet et al., 1996).
Вторичные метаболиты растений: глюкозинолаты
Возникновение и распространение
При рассмотрении вторичных метаболитов крестоцветных не может быть никаких сомнений в том, что глюкозинолаты, класс серосодержащих глюкозидов, безусловно, являются наиболее важными. Хотя известно более 100 таких соединений, только около 15-16 встречаются в значительных количествах у крестоцветных, а внутри любого конкретного вида их количество обычно намного меньше. Глюкозинолаты в некоторой степени присутствуют в семенах, корнях, стеблях, листьях и цветках всех видов Brassica , в которых они сосуществуют с ферментом, называемым мирозиназой (тиоглюкозидглюкогидролаза, E.C. 3.2.3.1.), который контролирует их расщепление до ряда физиологически активных соединений.
Наличие высоких уровней таких соединений в рапсовом шроте, побочном продукте производства рапсового масла, делало шрот непригодным для использования в качестве корма во многих странах, что, в тоже время стимулирует международные исследовательские программы, направленные на снижение уровня этих соединений.
Импульс для дальнейших исследований был получен, когда было показано, что соединения серы, полученные из глюкозинолатов, частично ответственны за вкус овощей Brassica, и что отбор сортов для целей селекции на основе глюкозинолатных критериев может дать средства для определения этого важного свойства. Исследования получили дополнительный стимул, когда исследования показали, что глюкозинолаты тесно связаны с предотвращением поражения растений насекомыми и грибами, а в последнее время они могут играть важную роль в контроле биологических процессов, связанных с инициированием и прогрессированием канцерогенных процессов в организме человека.
Химия
В целом глюкозинолаты соответствуют базовой структуре, показанной на рис. (Fenwick et al., 1983a). Структурное разнообразие этой большой группы соединений почти полностью обусловлено различными заместителями, возможными в положении R боковой цепи, хотя сообщалось о некоторых исключениях (Sorensen, 1990), в частности этерификации глюкозного (β-D-глюкоза) фрагмента синапиновой, кофейной или яблочной кислотами.
Заместитель R может представлять собой алкильную или алкенильную боковую цепь, которая сама может содержать замещающие гидроксильные группы или серу в различных степенях окисления. Альтернативно заместитель R может представлять собой ароматическую или гетероароматическую группу, возможные гидроксильные или метоксизаместители еще больше усложняют картину. Эта вариабельность боковой цепи при R обусловлена биосинтетическими путями, участвующими в образовании глюкозинолата, и вследствие этих вариаций возможно большое количество продуктов распада.
Структуры и названия глюкозинолатов, наиболее часто встречающихся в капусте (особенно в B. oleracea, B. rapa и у амфидиплоидного B. napus) (Бьерг и Соренсен, 1987):
- Алифатические глюкозинолаты:
- где R соответствует CH2=CH-CH2— — 2-пропенил- или аллилглюкозинолат (синигрин);
- где R соответствует CH2=CH-CH2-CH2— — бут-3-енилглюкозинолат (глюконапин);
- где R соответствует CH2=CH-CH2-CH2-CH2— — пент-4-енилглюкозинолат (глюкобрассиканапин);
- где R соответствует CH2=CH-CH(OH)-CH2— — 2-гидроксибут-3-енилглюкозинолат (прогоитрин);
- где R соответствует CH2=CH-CH2-CH(OH)-CH2— — 3-гидроксипент-4-енилглюкозинолат (глюконаполеиферин);
- где R соответствует CH2-SO-CH2-CH2-CH2— — 3-метилсульфинилпропилглюкозинолат (гюкоиберин);
- где R соответствует CH2-SO-CH2-CH2-CH2-CH2— — 4-метилсульфинилбутилглюкозинолат (глюкорафанин);
- Ароматические глюкозинолаты:
- 2-фенетилглюкозинолат (глюконастуртиин);
- Индольные глюкозинолаты:
- индол-3-илметилглюкозинолат, R1=R4=H (глюкобрассицин);
- 1-метоксииндол-3-илметилглюкозинолат, R1=OCH3, R4=H (неоглюкобрассицин);
- 4-гидроксииндол-3-илметилглюкозинолат, R1=H, R4=OH (4-гидроксиглюкобрассицин);
- 4-метоксииндол-3-илметилглюкозинолат, R1=H, R4=OCH3 (4-метоксиглюкобрассицин).
В дополнение к этим основным соединениям обнаруживают еще 15-16 глюкозинолатов, но они обычно присутствуют только в незначительных количествах (< 10 мкмоль/100 г свежего веса).
Биосинтез, деградация и расщепление
Хотя биосинтез глюкозинолатов и другой группы природных токсикантов, цианогенных гликозидов, проходит одни и те же начальные стадии (Halkier et al. , 1991; Koch et al., 1992; Larsen 1981), ферментные системы, задействованные в них, различны, и редко сообщалось, что эти два класса соединений встречаются вместе, и только глюкозинолаты встречаются в культурах рода Капусты. Сходство между глюкозинолатами и боковыми цепями некоторых аминокислот было ранним признаком того, что глюкозинолаты могут быть получены из природных аминокислот (Ettlinger and Kjaer, 1968), подтверждая более ранние наблюдения (Kutacek et al., 1962) о том, что триптофан превращается в индол-3-ил-метилглюкозинолат и что бензилглюкозинолат был биосинтезирован из фенилаланина (Underhill et al., 1962).
Первая стадия биосинтеза глюкозинолатов (рис.) включает модификацию аминокислоты (или ее производного) с образованием промежуточного соединения альдоксима (Rosa et al., 1997). Такими аминокислотами могут быть обычные белковые аминокислоты, такие как валин и изолейцин (образующие изопропил- и втор-бутилглюкозинолаты), фенилаланин и тирозин (бензил- и гидроксибензилглюкозинолаты) или триптофан, предшественник индол-3-илметилглюкозинолата. Альтернативно, удлинение цепи аминокислот, таких как метионин, может сопровождаться окислением группы серы с образованием сульфоксидов или сульфонов. Введение атома серы в альдоксим с образованием тиогидроксамовой кислоты сопровождается гликозилированием и сульфатированием (см. Rosa et al., 1997). Ни на одну из этих последних реакций конъюгации не влияет структура боковой цепи (GrootWassink et al., 1987, 1990, 1994). Дальнейшие модификации боковых цепей могут происходить после образования глюкозинолатного скелета.
Глюкозинолаты встречаются в растении в сочетании с ферментом, называемым мирозиназой, который опосредует гидролитическое расщепление глюкозинолатов. Мирозиназа (более правильно описываемая как тиоглюкозидглюкогидролаза EC3.2.3.1.) была обнаружена в семенах, листьях, стеблях и корнях и находится внутри мирозиновых клеток и, таким образом, отделена от глюкозинолатов (Thangstad et al., 1990). Предполагается, что мирозиновые клетки образуются на ранней стадии развития листа, после чего новые клетки не образуются (Рокок и др., 1987). Ткани молодых растений обычно проявляют более высокую мирозиназную активность. Только когда растительные клетки разрушаются физическими средствами или когда в растении происходит автолиз, фермент вступает в контакт с глюкозинолатами субстрата, что приводит к быстрому превращению в ряд различных соединений. Именно эти соединения распада, а не глюкозинолаты как таковые , ответственны за многочисленные и разнообразные физиологические свойства, связанные с этим классом соединений.
Измельчение масличных культур (B. napus, B. rapa, B. juncea) для извлечения масла приводит к получению муки из семян с интактными глюкозинолатами и ферментами, а введение такого материала в корма для животных приводило к расщеплению глюкозинолатов in vivo на ряд продуктов, вредных для здоровья животных.
Точно так же нарезка или измельчение растительного материала Brassica приводит к немедленной потере глюкозинолатов, что создает проблемы для химика-аналитика.
Природа продуктов распада, опосредованных мирозиназой, определяется рядом факторов, наиболее важным из которых является структура боковой цепи R. Другие факторы включают рН и/или присутствие определенных кофакторов, таких как железосодержащие соединения (MacLeod and Rossiter, 1987; Uda et al., 1986; Bones et al., 1994).
При рН 5-7 алифатические боковые цепи имеют тенденцию к образованию изотиоцианатов, тогда как при более кислых значениях рН образуются нитрилы, а не изотиоцианаты. Поскольку изотиоцианаты играют более важную органолептическую, биологическую и защитную роль в отношении растений, очевидно, что значение рН, при котором происходит гидролиз, имеет большое значение. Глюкозинолаты с алифатической боковой цепью, замещенной у углерода 2 гидроксильной группой, образуют нестабильные изотиоцианаты, которые спонтанно циклизуются с образованием оксазолидин-2-тионов, соединений с необратимой зобогенной или антитиреоидной активностью. Соединения с индольными или замещенными индольными боковыми цепями также продуцируют нестабильные изотиоцианаты, которые, в свою очередь, приводят к образованию соответствующего индол-3-карбинола (который может далее реагировать с образованием дииндолилметана ) и тиоцианат-иона (Searle et al., 1984). В кислых условиях предпочтительнее образование нитрилов, и во время автолиза нитрилы имеют тенденцию образовываться даже при неблагоприятных значениях pH, вероятно, из-за ингибирующего действия двухвалентного железа на образование изотиоцианатов (Uda et al., 1986). Точно так же, когда боковая цепь R имеет концевую ненасыщенную группу, присутствие двухвалентного железа вместе с эпитиоспецифическим белком приводит к образованию эписульфидов (MacLeod, Rossiter, 1985; Petroski, Kwolek, 1985).
Анализ
Отбор проб материала для последующего выделения и анализа сопряжен с проблемами и должен быть оставлен для квалифицированного аналитика. Уровни глюкозинолатов могут сильно различаться даже в пределах одного растения и могут зависеть от ряда факторов. Приготовление экстрактов должно осуществляться таким образом, чтобы потери глюкозинолатов из-за активности мирозиназы были незначительными. Обычно это означает тщательную сушку вымораживанием или замораживание растительного материала в жидком азоте с последующей экстракцией глюкозинолатов с использованием кипящего водного раствора метанола.
Выбор подходящего аналитического метода сложен и может определяться потребностью в количественной или качественной информации, скоростью, точностью или комбинацией любого из этих факторов. Потребность в экспресс-методах и точных количественных методах регулирования уровня глюкозинолатов в масличном рапсе побудила Европейскую комиссию и национальные правительства поддержать их разработку, в результате чего в настоящее время доступно несколько таких методов для удовлетворения потребностей аналитиков в других областях. исследование глюкозинолатов.
Описаны методы анализа общего содержания глюкозинолатов, основанные на стехиометрическом высвобождении глюкозы и бисульфата мирозиназой (McGregor et al., 1983; Heaney, Fenwick, 1993). Как и в случае с методами количественного определения отдельных глюкозинолатов, получение фермента в чистом виде является необходимым предварительным условием. Такие методы хорошо проработаны для семян рапса и многих других крестоцветных, но возможное присутствие эфиров глюкозы (например) синапиновой кислоты делает методы, основанные на глюкозе, непригодными для некоторых применений (Sorensen, 1990). Более того, методы, основанные на высвобождении глюкозы или бисульфатов, не дают информации о природе и уровнях отдельных глюкозинолатов. Эта информация имеет жизненно важное значение для изучения биологических и физиологических эффектов глюкозинолатов и производных соединений.
Разработке методов, дающих количественную информацию о каждом компоненте глюкозинолата, препятствовала нехватка соединений, подходящих для использования в качестве внутренних стандартов и эталонных маркеров, получение которых из природных источников требовало больших затрат времени и средств. Раннее использование методов газовой хроматографии (ГХ) для разделения и количественного определения глюкозинолатов было ограничено невозможностью точного количественного определения соединений с индольными боковыми цепями. Повсеместное распространение этих соединений было оценено только с развитием методов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Используя ВЭЖХ в обращенной фазе вместе с агентами, образующими ионные пары, экстракты глюкозинолатов можно было анализировать без дополнительных ферментативных стадий (Helboe et al., 1980; Betz and Page, 1990). Однако более поздние методы ВЭЖХ включали адсорбцию глюкозинолатов на небольшие колонки анионообменного материала и промывку водой с последующей обработкой ферментом сульфатазой (Spinks et al., 1984). Этот подход позволил получить высокоспецифичный метод, в котором все глюкозинолаты, присутствующие в посевах семейства крестоцветных, можно было разделить с хорошим разделением исходного уровня, и он был принят в качестве официального метода Европейской комиссии (EC, 1990).
Методы масс-спектрометрии (МС) предоставили много полезной информации, и в отсутствие подходящих эталонных соединений МС в сочетании с ГХ или ВЭЖХ позволяет идентифицировать отдельные пики. Совсем недавно использование капиллярного электрофореза послужило основой для быстрых и недорогих методов с хорошим разделением как глюкозинолатов, так и десульфоглюкозинолатов (Feldl et al., 1994; Michaelsen et al., 1992).
Уровни глюкозинолатов в Brassica
Важность глюкозинолатов в рационе как людей, так и животных побудила к проведению большого количества исследований, в результате которых было получено множество данных, показывающих большие различия в уровнях как между различными частями растения, так и внутри них, что имеет особое значение в промышленности по производству масличного рапса и горчицы. Независимо от генетического происхождения, хотя и в небольших количествах могут присутствовать несколько глюкозинолатов, обычно только три или четыре присутствуют в относительно высоких концентрациях. Есть много других факторов, влияющих на уровень глюкозинолатов. Хотя тип и количество глюкозинолатов различаются в зависимости от анализируемой части растения, большинство сообщаемых значений для овощей Brassica относятся к растениям, которые были собраны в оптимальное время для продажи на рынке, и относятся к той части, которая обычно потребляется.
Ранние методы анализа не позволяли дифференцировать различные индолилглюкозинолаты, которые оценивали путем измерения высвобожденного тиоцианата и регистрировали как общее количество индолглюкозинолатов.
В капусте и брюссельской капусте уровни глюкозинолатов, о которых сообщают американские исследователи, как правило, намного ниже, чем те, которые были обнаружены в исследованиях в Великобритании. Причины этого неясны, но могут быть связаны с различиями в генетической базе материала или, возможно, с влиянием места, вегетационного периода или времени отбора проб.
Основными глюкозинолатами белокочанной и савойской капусты являются проп-2-енил- и 3-метилсульфинилглюкозинолаты вместе с индолилглюкозинолатом, глюкобрассицином. Эти три соединения также являются основными компонентами брюссельской капусты в дополнение к бут-3-енил- и 2-гидроксибут-3-енилглюкозинолатам, спектр которых аналогичен спектру капусты. В сортах краснокочанной капусты основным компонентом является 4-метилсульфинилбутилглюкозинолат. Помимо глюкобрассицина, основными компонентами брокколи являются 4-метилсульфинилбутилглюкозинолат и 3-метилсульфинилпропилглюкозинолат (содержится в пурпурных кочанах). Содержание глюкозинолатов в цветной капусте было как количественно, так и качественно аналогично таковому в кочанной капусте, хотя было обнаружено, что некоторые сорта содержат высокие уровни 4-метилсульфинилбутилглюкозинолата. Соединения, упомянутые выше представляют собой основные компоненты, в дополнение к которым в незначительных количествах могут присутствовать несколько других глюкозинолатов.
В дополнение к этим основным культурам сообщалось о содержании глюкозинолатов в ряде коммерчески менее важных крестоцветных. Сообщалось, что основными глюкозинолатами брюквы являются 2-гидроксибут-3-енил-, 2-фенетил- и 4-метоксииндол-3-ил глюкозинолаты. Кольраби содержала 4-метилтиобутил-3-метилтиопропил- и 2-фенетилглюкозинолаты. Основными компонентами брюквы были гидроксибут-3-енил- и 4-метилтиобутилглюкозинолаты. Китайская капуста содержала до 465 мкмоль общих глюкозинолатов на 100 г сырого веса (Bajaj et al. , 1991).
Сообщалось также об уровнях глюкозинолатов в семенах и вегетативных частях диких видов Brassica (Mithen et al., 1987; Horn and Vaughan, 1983).
Структура и количество глюкозинолатов в растениях Brassica подвержены широкой генетической изменчивости и другим факторам, включая стадию развития растения, среду выращивания, методы выращивания, вредителей и болезни, и т. д. могут еще больше усложнить картину (Rosa et al., 1997). Ясно, что такая изменчивость влияет на биологические свойства растения и имеет важное значение для отбора проб материала для анализа.
Содержание глюкозинолатов в значительной степени зависит от части растения, и было обнаружено, что уровни в стеблях и черешках ниже, чем уровни в корнях и черешках, кочанах капусты, брокколи, цветной, брюквы и савойской капусты. Хотя корни, как правило, имеют более высокие уровни, чем другие части, исключения включают капусту, у которой уровни корней были ниже, чем в листовой пластинке (Sang et al. , 1984). При изучении содержания глюкозинолатов в различных частях капусты было обнаружено, что в камбиальной коре стебля содержится примерно в два раза больше, чем в сердцевине или листьях (VanEtten et al., 1979). Эффект «разбавления» из-за быстрого расширения листьев постулируется для объяснения более низких уровней глюкозинолатов в более зрелых наружных листьях кочанов капусты по сравнению с материалом внутренней сердцевины (Pocock et al., 1987). Аналогичная разница была отмечена между внутренней и внешней частями «пуговиц» брюссельской капусты.
Несмотря на различия в уровнях между различными частями растения, образцы глюкозинолатов определенных частей растения использовались для характеристики различных сортов. Сообщалось, что дикие популяции Brassica имеют более высокое содержание глюкозинолатов, чем культурные сорта, и анализ глюкозинолатов подтверждает гипотезу мультифилетического происхождения культивируемых форм Brassica oleracea от ряда диких видов, в то время как дикие популяции B. rapa имели очень сходное содержание глюкозинолатов (Mithen et al., 1987). Однако в то время как глюкозинолатный профиль семян использовался для прогнозирования глюкозинолатного состава кочанов капусты, попытки использовать уровни глюкозинолатов в проростках для прогнозирования содержания глюкозинолатов в семенах новых сортов масличного рапса оказались менее успешными (Tookey et al., 1980).
Различия в уровнях глюкозинолатов в семенах разных сортов рапса, в то время как уровни в листве остаются одинаковыми, указывает на то, что уровни контролируются различными генетическими и физиологическими механизмами (Inglis et al., 1992). Генетическая регуляция боковой цепи алифатических глюкозинолатов была предметом нескольких исследований (Magrath et al., 1994; Mithen et al., 1995; Parkin et al., 1994).
Окружающая среда важна для определения содержания глюкозинолатов. Тип почвы, температура, дневной свет и вода являются определяющими факторами, поэтому следует ожидать сезонных эффектов. В соответствии с этим, капуста, выращиваемая в осенне- зимний период, по-видимому, имеет более низкое содержание глюкозинолатов, предположительно, из-за более коротких дней, более низких температур и большего количества осадков (Rosa and Heaney, 1996). От года к году наблюдались колебания уровня глюкозинолатов сортов нескольких видов Brassica, и в контролируемых условиях отдельные уровни глюкозинолатов в молодых растениях капусты заметно менялись в течение одного дня (Rosa and Rodrigues, 1998).
Было показано, что некоторые методы выращивания влияют на уровни глюкозинолатов. Было обнаружено, что увеличение плотности растений увеличивает уровни глюкозинолатов и других соединений серы, хотя это может быть связано с меньшим размером кочана, что соответствует меньшему расширению листьев и уменьшенному эффекту «разбавления», как описано выше. Аналогичный результат с брюссельской капустой был приписан стрессовым условиям, которые, как известно, способствуют повышению уровня низкомолекулярных предшественников аромата (Rosa et al., 1997). Существует мало доказательств того, что ввод пестицидов или гербицидов существенно влияет на уровни глюкозинолатов.
Тип почвы, по-видимому, влияет на содержание глюкозинолатов в некоторых крестоцветных, при этом органические почвы повышают уровень брюквы и репы, вероятно, из-за более высокого уровня серы. Сера была признана важным питательным веществом для оптимального роста и развития растений, особенно для группы растений с высоким потреблением серы — семейства Brassicaceae.
Дефицит обычно приводит к снижению урожайности и качества, а дисбаланс S:N, вызванный недостаточным S, является причиной колебаний пулов как ионов, так и аминокислот (Hawkesford, 1999). Хотя накопленные запасы сульфата, обычно находящиеся в вакуоли, могут быть ремобилизованы (Hawkesford, 1999), исследования растений пшеницы показали, что при низких запасах S может происходить небольшая ремобилизация S (Blakekalff et al., 1999 ).
Было высказано предположение, что глюкозинолаты служат резерваторами S (Schnug, 1990), но пока неизвестно, достаточно ли вклада S от глюкозинолатов, чтобы противостоять эффекту голодания серой, поскольку концентрация в вегетативных тканях составляет менее 8% от общего содержания серы (Fieldsend, Milford, 1994) и снижается при распускании листа (Porter et al., 1991).
Эксперименты с масличным рапсом показали, что применение серы имеет основополагающее значение для повышения эффективности использования азота. Когда сера не применялась, одно только азотное удобрение приводило к полной гибели стручков ярового масличного рапса, показывая, что метаболизм азота нарушается при избытке азота над серой (Lassere et al., 1999). Эти авторы также предполагают, что наилучшее значение отношения N:S было равно 6, в то время как при значении отношения 15 сера, переносимая в семена, резко уменьшалась. С другой стороны, при избытке сульфата его поглощение подавляется клеточной регуляцией (Hawkesford, 1999).
Хотя ранние исследования указывали на отрицательную корреляцию между уровнями азота в почве и уровнями глюкозинолатов в растении, более поздние работы предположили, что повышенные уровни глюкозинолатов, вероятно, возникают при достаточном снабжении серой (Zhao et al., 1993). Почвенные микроэлементы важны для определения содержания глюкозинолатов в капусте. Низкий уровень бора приводит к увеличению количества глюкозинолатов, в то время как цинк оказывает положительный эффект.
Послеуборочная обработка влияет на содержание глюкозинолатов, и, в частности, любой процесс, связанный с потерей клеточной целостности, приведет к индуцированному мирозиназой расщеплению глюкозинолатов. Эти процессы явно включают нарезку или шинковку, как при приготовлении салата из капусты. Мирозиназная активность возрастает при температуре до 60 °С, и для денатурации необходим нагрев до 100°С (Bjorkman and Lonnerdal, 1973). Таким образом, недостаточное бланширование перед замораживанием приведет к потере глюкозинолатов при разморозке. Правильно бланшированный материал хорошо хранится при температуре ниже 18 °C, но длительное хранение свежего материала при низких температурах приводит к снижению уровня глюкозинолатов. Приготовление овощей Brassica в воде снижает содержание глюкозинолата частично из-за воздействия тепла и вследствие вымывания в воду для приготовления пищи.
Биологические эффекты
Хотя интерес к роли глюкозинолатов в качестве предшественников вкуса вызвал множество ранних исследований, основная направленность исследований глюкозинолатов была связана с негативным эффектом, который эти соединения и их производные оказывали на животных, рацион которых включал рапсовую муку с высоким содержанием глюкозинолатов. Разработка аналитической методологии вместе с выделением ряда встречающихся в природе глюкозинолатов явилась важной предпосылкой для таких исследований и облегчила исследования в других областях, наиболее важными из которых являются влияние глюкозинолатов на вредителей и болезни растений и роль этих веществ в профилактике рака.
Вкус овощей Brassica сложный, и хотя глюкозинолаты сами по себе мало влияют на вкус, несомненно, что продукты их гидролитического распада играют важную роль вместе с другими серосодержащими соединениями. Изотиоцианаты, полученные из глюкозинолатов, обладают важными вкусовыми характеристиками, которые были описаны как острые, едкие, подобные чесноку и хрену (Fenwick et al. , 1983b). Другие описания включают слезотечение и горечь, поэтому, возможно, удивительно, что правильный баланс этих свойств способствует ценному общему вкусу овощей Brassica. Фактически, когда содержание изотиоцианатов низкое, получается однородный продукт без запаха. Однако чрезмерная горечь нежелательна и может возникнуть в результате распада 2-гидроксибут-3-енилглюкозинолата на гойтроген 5-винилоксазолидин-2-тион (гоитрин). Показатель горечи брюссельской капусты хорошо коррелирует с содержанием гоитрина, и тщательный отбор селекционных линий может привести к получению сортов с пониженным уровнем этого соединения (Fenwick et al., 1983b).
Экстракция масла из семян рапса с высоким содержанием глюкозинолатов приводит к получению муки из семян, которая содержит все исходные глюкозинолаты (некоторые из которых могут быть частично расщеплены) и большую часть исходной мирозиназной активности, факторы, которые могут быть важными при определении приемлемости рациона животных в который он был включен. Однако более важными являются другие физиологические последствия рационов, содержащих рапсовую муку с высоким содержанием глюкозинолатов, проблемы, которые в конечном итоге привели к развитию сортов рапса с очень низким содержанием глюкозинолатов.
Сравнение многочисленных исследований питательной ценности рапсовой муки осложнялось многими переменными, не в последнюю очередь видом, полом и возрастом изучаемых животных (Mawson et al., 1993, 1994a, 1994b; Bell 1993). Уровни питательных веществ и калорийность рационов часто недостаточно описаны, а условия обработки семян рапса были различными. Тем не менее, испытания кормления, сравнивающие использование корма с высоким или низким содержанием глюкозинолатов, показывают, что проблемы, возникающие в результате включения корма с высоким содержанием глюкозинолата, приводят к снижению потребления корма, увеличению щитовидной железы, снижению уровня циркулирующих тиреоидных гормонов, аномалиям печени и почек и снижению роста и репродуктивной функции. Исследования показали, что некоторые из этих проблем можно отнести непосредственно к глюкозинолатам или продукты их распада, некоторые из которых являются зобогенными. Антитиреоидные эффекты оксазолидинтионов и нитрилов необратимы и были продемонстрированы на экспериментальных животных, свиньях и домашней птице. Жвачные животные поражаются меньше, возможно, из-за микробного распада соединений-предшественников в кишечнике. Увеличение печени у крыс, получавших диету на основе Brassica, уменьшается при удалении глюкозинолатов.
Было обнаружено, что глюкозинолаты и продукты их распада оказывают сильное влияние на восприимчивость семейства Brassicaceae к нападениям насекомых, клещей, микроорганизмов, вирусов и грибковых патогенов (см. Rosa et al ., 1997).
Хотя соединения, производные глюкозинолатов, считаются частью защитного механизма растений от общих потребителей, включая млекопитающих, птиц, насекомых, бактерий и грибов, их эффективность в качестве защиты от всех неадаптированных потребителей не является абсолютной, и они также стимулируют питание и откладывание яиц у адаптированных насекомых (см. Rosa et al., 1997). Их биологическая активность зависит от природы боковой цепи, концентрации глюкозинолата и типа насекомого.
Было высказано предположение, что крестоцветные вмешиваются в популяции грибков, бактерий и нематод, и это свойство связано с характером и уровнем глюкозинолатов. Противогрибковая и антибактериальная активность глюкозинолатов и продуктов их распада, особенно изотиоцианатов, была рассмотрена Rosa et al. (1997). Изотиоцианаты, такие как аллил- и п-гидроксибензилизотиоцианаты, по-видимому, обеспечивают хороший контроль над инфекциями растений, вызванными определенными типами микроорганизмов, грибков и растительных вирусов, но конкретное участие глюкозинолатов в устойчивости растений к болезням требует дальнейшего уточнения.
Болезни, передающиеся через почву, и популяции нематод могут быть уменьшены путем внесения изменений в зеленую ткань некоторых видов Brassica или некоторых производных глюкозинолатов, особенно аллил- и 2-фенилэтилизотиоцианатов (см. Rosa and Rodrigues, в печати; Pinto et al., 1998; Kirkegaard et al., 1998; Potter et al., 1998). Для достижения лучшего фумигантного эффекта почвы необходимо использовать культуры Brassica с высокой концентрацией фунгицидных летучих соединений, особенно с высоким содержанием аллилизотиоцианата, который, как сообщается, столь же токсичен для грибов, как и имеющийся в продаже метилизотиоцианат (Lewis and Papavizas, 19). 71; Vaughn и др., 1993; Mayton и др., 1996)1Можно предположить, что устоявшееся мнение применения горчицы в качестве сидерата против проволочника, связано с инсектицидным действием содержащихся в растениях глюкозинолатов. Прим. UniversityAgro.ru..
В последнее десятилетие возрос интерес к потенциальному использованию Brassicaceae в качестве биогербицидов из-за выделения летучих аллелохимических веществ (Brown, Morra, 1995; Vaughn, Boydston, 1997).
Эпидемиологические данные привели к рекомендации, что для ограничения риска развития рака люди должны ежедневно съедать несколько порций фруктов и овощей, в частности, Brassica (Verhoeven et al., 1996). Хорошо известны преимущества увеличения потребления пищевых волокон, а недавние исследования предоставили убедительные доказательства того, что Brassicas в целом и глюкозинолаты в частности играют дополнительную роль в профилактике рака, благодаря изменению эндогенных процессов детоксикации (см. Rosa et a. 1997). Основы этой важной области исследований были заложены Уоттенбергом и его коллегами, которые в одном из первых исследований показали повышенную активность бензо(а)пирена у крыс, которых кормили рационами, содержащими овощи Brassica (Wattenberg, 1993). Эти исследователи предложили классификацию антиканцерогенов, включающую соединения, которые действуют либо путем предотвращения образования канцерогенов из их предшественников, либо путем блокирования действия канцерогена и подавляющие агенты, которые предотвращают прогрессирование инициированных клеток до полностью трансформированных клеток. Метаболическая детоксикация канцерогенов была описана как трехступенчатый процесс, который может включать активацию канцерогена путем окисления (фаза I) с последующей конъюгацией в более полярное состояние (фаза II), что облегчает окончательное выведение и, наконец, транспорт из клетки (фаза III). Было показано, что диета из культур рода Капуста усиливает окислительный метаболизм (фаза I) фенацетина и антипирина у людей, а затем способствует конъюгации глюкуронида (фаза II) парацетамола (Johnson et al., 1995).
Была разработана методика скрининга растительных экстрактов и чистых соединений на их способность индуцировать ферменты фазы II (Prochaska et al., 1992). Тест измеряет повышенную активность хинонредуктазы (фермента, который координированно индуцируется с другими ферментами фазы II) в клетках гепатомы мышей, а использование планшетов для микротитрования позволяет проводить скрининг большого количества растительных экстрактов. Было обнаружено, что растения Brassica и в основном брокколи являются эффективными индукторами, и, в частности, сульфорафан, сульфинилсодержащий изотиоцианат, был идентифицирован как основной индуктор активности хинонредуктазы и глутатион-S-трансферазы в клетках мышей (Zhang et al., 1992, 1994). Были получены гибриды брокколи с более высокими уровнями исходного глюкозинолата (4-метилсульфинилбутил) (Faulkner et al., 1998). Последующие исследования показали, что другие экстракты капусты являются эффективными индукторами в этом анализе (Tawfiq et al., 1994), а также рацион человека, включая брюссельскую капусту (Nijhoff et al., 1995). Снижение заболеваемости, множественности и частоты опухолей молочных желез у крыс подтверждает благотворное влияние экстрактов брокколи в рационе (Fahey et al., 1997).
Было обнаружено, что производные глюкозинолата индольные соединения (особенно индол-3-карбинол) являются очень мощными индукторами печеночных и кишечных ферментов у крыс (см. Rosa et al., 1997). Многочисленные исследования продемонстрировали ингибирующее действие соединений индола на образование опухолей у животных , зараженных различными канцерогенами (см. Rosa et al., 1997). Однако, несмотря на очевидные преимущества, обеспечиваемые диетическими индольными соединениями, кажется, что время ¬важно. Индол-3-карбинол, введенный радужной форели после заражения афлатоксином В1, фактически усилил канцерогенез по сравнению ¬с индол-3-карбинолом, введенным до или во время воздействия канцерогена. Точно так же включение индол-3-карбинола в рацион из пшеничных отрубей, содержащих холестерин и жир, усиливало канцерогенный эффект диметилгидразина ¬, что указывает на возможное синергетическое действие пищевых компонентов.
Индольные соединения, полученные из глюкозинолатов (особенно индол-3-карбинол), оказались очень мощными индукторами печеночных и кишечных ферментов у крыс (см. Rosa et al., 1997). Многочисленные исследования продемонстрировали ингибирующее действие индольных соединений на образование опухолей у животных, подвергшихся воздействию различных канцерогенов (см. Rosa et al., 1997). Однако, несмотря на очевидную пользу, которую приносят диетические индольные соединения, оказывается, что время их приема имеет большое значение. Индол-3-карбинол, введенный радужной форели после воздействия афлатоксина B1, фактически усилил канцерогенез по сравнению с индол-3-карбинолом, введенным до или во время воздействия канцерогена. Аналогичным образом, включение индол-3-карбинола в диету из пшеничных отрубей, содержащую холестерин и сало, усилило опухолегенный эффект диметилгидразина, что указывает на возможное синергическое действие компонентов диеты.
В рационе человека культуры роды Капуста входят в свежем, приготовленном виде или используют в качестве приправы (Brassica или Sinapis, горчица и хрен), исходя из их органолептических свойств. Изотиоцианаты ответственны за «жгучий» вкус капусты и были описаны как острые, слезоточивые, едкие, похожие на чеснок, похожие на хрен и горькие (Fenwick et al., 1983b). Таким образом, растительный состав и концентрация глюкозинолатов, возможно, наряду с другими соединениями, ответственны за органолептические свойства этой группы растений и за их потенциальные эффекты.
Побурение большинства продуктов Brassica является серьезной проблемой, особенно после измельчения. Было показано, что аллилизотиоцианат тесно связан с подавлением индукции ферментов, ответственных за эту проблему, а также за синтез этилена самим ранением (Nagata 1996).
Другие соединения
Флавоноиды
Растительные флавоноиды, помимо важности таксономических и филогенетических маркеров, которые помогают прояснить систематические и эволюционные проблемы (Aguinagalde, 1988; Aguinagalde et al., 1992; Aguinagalde and Gomez-Campo, 1984), также являются частью диеты человека и считаются положительно влияющими на здоровье (Bridle and Timberlake, 1997). Эпидемиологические исследования показали корреляцию между потреблением большого количества фруктов и овощей, содержащих флавоноиды, и снижением риска ишемической болезни сердца (Nielsen et al., 1997).
Флавоноиды являются частью химического состава Brassicaceae, и в общей сложности 21 из них был идентифицирован у 14 видов Crambe (Aguina galde and Gomez-Campo, 1984), в то время как группа из 19 этих соединений, некоторые из которых ацилированы, обнаружена у 14 видов Crambe. B. nigra, B. oleracea и B. rapa (Aguinagalde, 1988). Также сообщалось о присутствии флавоноидов в нескольких других диких видов (B. incana, B. rupestris, B. montana, B. drepanensis, B. bourgeaui, B. alboglabra, B. macrocarpa и B. cretica). (Aguinagalde и др., 1992) и для других видов Brassica, Erucastrum и Diplotaxis (Sanchez-Yelamo, 1992, 1994). В свою очередь, брокколи считается хорошим источником антиканцерогенных кемпферола и кверцетина со средним содержанием 2,5 и 1,8 мг на 100 г сырого веса соответственно (Nielsen et al., 1997). Поскольку эти два соединения, по-видимому, имеют различный метаболизм в микросомах человека, необходимы дальнейшие исследования для выяснения этого процесса.
Антоцианы представляют собой группу флавоноидов, которые в последнее время вновь привлекли внимание к экстракции природных пигментов из-за общественного беспокойства по поводу безопасности синтетических красителей. В Brassica oleracea выделено более 15 антоцианов и четыре полностью охарактеризованы (Idaka, 1987, 1988, цит. по Bridle, Timberlake, 1997). Они основаны на Cy 3,5-диглюкозиде и Cy 3-диглюкозид-5-глюкозиде, ацилированном в положении 3 феруловой, п-кумаровой и синаповой кислотами. В рамках этой ботанической группы краснокочанная капуста использовалась в коммерческих целях как один из основных источников пищевых красителей антоцианов (Bridle and Timberlake, 1997).
Флавоноиды также играют роль во взаимодействиях с растением-хозяином, как это наблюдалось на примере бабочки монарха (Danaus plexippus) (Baur et al., 1998). Краснокочанная капуста стимулировала яйцекладку бабочки больше, чем другие виды Brassica.
Флавоноидный состав может быть изменен факторами окружающей среды, такими как сильное УФ-излучение (290-320 нм), как было показано на рапсе (B. napus ) (Гринберг и др., 1996).
S-метилцистеин сульфоксид (SMCSO)
Другой класс сероорганических соединений представляет собой небелковый α-аминокислотный (+)-S-метил-L-цистеинсульфоксид (SMCSO) и его ферментативный побочный ¬продукт, метилметантиосульфинат (MMTSO). В 1956 г. двумя независимыми исследовательскими группами (Synge and Wood, 1956; Morris and Thompson, 1956) было обнаружено, что SMCSO встречается в природе у Brassica. После разрушения растительной ткани SMCSO гидролизуется цистинлиазой (EC 4.4.1.8) , ферментом с поведением, аналогичным ферменту, присутствующему в чесноке (аллииназа- EC 4.4.1.4), с образованием пирувата, аммиака и, похоже, аллилтиосульфината. Marks и др. (1992) показали в естественных условиях ферментативное образование метилметантиосульфината, а также диметилтрисульфида из SMCSO. Получение первого соединения позже было подтверждено Nakamura et al. (1996), которые сообщают о заметном влиянии pH на образование.
SMCSO можно обнаружить в концентрациях от 1 до 2% в расчете на сухой вес со значительными межсезонными колебаниями (Mae et al., 1971; Whittle et al., 1976; Maw, 1982; Griffiths and Macfarlane Smith, 1989). По данным последних авторов, существенных различий между уровнями SMCSO в листьях и стеблях рапса кормового (B. napus) не обнаружено. Было обнаружено, что брюссельская капуста имеет самые высокие уровни (68,0 мг/100 г свежего веса) по сравнению с брокколи, капустой и цветной капустой, которые имеют 19,1, 18,5 и 14,3 мг/100 г сырого веса соответственно (Marks et al., 1992).
Помимо участия в аромате и вкусе этих овощей, SMCSO, по-видимому, способен ингибировать канцерогенез (Marks et al., 1992). В чесноке это соединение проявило более слабый андиабетический эффект (Sheela et al., 1995; Kumari and Augusti, 1995). В кормовой Brassica метаболиты, метанэтиол и диметилдисульфид, обычно образуются в результате руминальной ферментации и участвуют в снижении потребления пищи и в механизмах окисления, денатурации и осаждения гемоглобина, с разрушением эритроцитов и образованием телец Гейнца (Prache, 1994; Helclova, 1996). Кроме увеличения количества телец Гейнца, у овец, получавших рацион с добавлением диметилдисульфида, не наблюдалось других значительных эффектов, и, напротив, было отмечено снижение депрессии потребления корма, вызванной аллилцианидом, продуктом распада синигрина (Duncan and Milne, 1993).
Фитины
Фитиновая кислота, мио-инозитол 1,2,3,4,5,6-гексакис-дигидрофосфат является основным фитиновым соединением, но также встречается в виде моно-, ди-, три-, тетра- и пентафосфатов инозитола. Содержание фитиновой кислоты в цельных семенах рапса составляет от 2,0 до 4,0 %, в то время как в обезжиренной муке оно немного выше (2,0-5,0 %) и еще выше в белковых концентратах (5,0 и 7,5%) (Томпсон, 1990). Уменьшение содержания фитиновой кислоты в семенах может быть достигнуто набуханием в течение 24 часов и прорастанием за счет повышения уровня и активности фермента фитазы (миоинозитол-гексафосфатфосфогидролазы, EC 3.1.3.8.) (Mahajan and Dua, 1997). В рапсовом шроте он находится в свободной форме или связан с белками и полимерами, вызывающими снижение усвояемости белков (Bjergegaard et al., 1998). Он считается антипитательным соединением из-за его способности связывать двухвалентные катионы, а также из-за низкой биодоступности фосфора, присутствующего в соединении (Rickard and Thompson, 1997). Смешанная соль фитиновой кислоты и катионов образуется, когда несколько катионов объединяются в одну и ту же молекулу фитиновой кислоты. Присутствие более чем одного катиона может синергетически увеличивать осаждение фитатных солей, как это наблюдалось in vitro с Zn2+ и Ca2+ или Zn2+ и Cu2+.
Согласно Rickard and Thompson (1997), высокие дозы фитиновой кислоты могут переноситься людьми, которые потребляют избыточное количество калорий и питательных веществ, получая таким образом пользу от ее гипогликемического, гиполипидемического и противоракового действия.
Ингибиторы протеиназы также обнаружены в Brassicaceae, хотя и в меньших количествах, чем в других семействах (Poaceae, Fabaceae и Solanaceae). Однако Нильсен и соавт. (1996) сообщили, что уровни ингибиторов трипсина в семенах рапса аналогичны таковым в горохе.
Ароматические эфиры холина представляют собой группу соединений, принадлежащих к пулу танинов, т.е. родственных галловой кислоте. Синапин является преобладающим соединением в семенах рапса и отвечает за неприятный вкус мяса быков (Fenwick et al., 1983a).
Фенолы упоминаются как второстепенные антипитательные соединения крестоцветных (Mahajan and Dua, 1997). Уровни в семенах рапса (Brassica rapa подвид campestris var. oleifera) составляли менее 1%, снижаясь за счет впитывания семян и прорастания. Например, производные коричной кислоты, связанные с фракцией пищевых волокон в семенах B. napus составляли от 390 до 1190 нмоль/г, достигая 2000 нмоль/г в богатой белком муке (Anderson et al., 1998). Уровни в шелухе семян рапса составляли от 850 до 1270 нмоль/г, а во фракции липопротеинов – от 160 до 1240 нмоль/г. Дальнейший анализ выявил присутствие различных производных синапоила, таких как, например, синапоиловые эфиры холина, малата и углеводов (Anderson et al., 1998).
Несколько видов Brassica характеризуются относительно толстым эпикутикулярным воском, состав которого различается как между видами, так и между разновидностями и генотипами одного и того же вида (Shepherd et al., 1995). Эти авторы сообщили, что морфология и состав воска зависят от условий окружающей среды в дополнение к роли распознавания растений-хозяев для определенных насекомых и устойчивости к засухе и болезням.
Литература
Biology of Brassica Coenospecies. Cesar Gomez-Campo. Departamento de Biologia Vegetal Universidad Politecnica de Madrid. Ciudad Universitaria. Madrid, Spain. 1999
