Новые подходы обеспечения эффективности растительных антиоксидантов для спортивного питания в условиях пандемии COVID-19

Введение . Тяжелый острый респираторный синдром – коронавирус-2 (SARS-CoV-2), возникший в конце декабря 2019 года на территории КНР и впоследствии распространившийся по всей планете, стал причиной пандемии COVID-19 с плохо изученным патогенезом [11].

Согласно недавним исследованиям, важным фактором, отягчающим негативные последствия, вызванные инфекцией SARS-CoV-2 (так называемый постковидный синдром) у некоторых пациентов, является оксидатив-ный стресс [7]. Патогенез заболевания может быть результатом каскада апоптоза, индуцированного окислительным стрессом, что, как следствие, приводит к увеличению активных форм кислорода (АФК) и / или снижению антиоксидантной активности. Нарушение внутриклеточного окислительно-восстановитель- ного гомеостаза определяет необратимые окислительные модификации липидов, белков или ДНК [10]. В этой связи в особую группу риска попадают спортсмены и люди с высоким уровнем физической активности.

Интенсивные физические нагрузки провоцируют повышение потребления кислорода in vivo , что приводит к образованию АФК [13]. Свободные радикалы вырабатываются во время аэробного метаболизма клеток и играют ключевую роль в качестве регуляторных сигнальных посредников. Нарушение баланса между образованием АФК и адекватными триггерами антиоксидантной защиты обусловливает процесс окислительного стресса в организме человека [4–6]. Изменение окислительно-восстановительного гомеостаза в клетках является одним из ключевых событий, связанных с возможным инфицированием рес-

Рис.1. Оценка биодоступности и биоактивности БАВ, БАД и ФПИ с использованием метода переваривания in vitro

Fig.1. Bioavailability and bioactivity of BAS, BAA and FFI ( in vitro digestion model)

пираторными вирусами различной этиологии, в том числе коронавирус-2 (SARS-CoV-2), обусловливающими воспалительные процессы и последующее повреждение тканей [15, 17].

Многие авторы указывают но то, что укрепление иммунной системы путем включения природных антиоксидантов, витаминов и минеральных веществ в рацион питания играет важную роль в борьбе с COVID-19, так как позволяет уменьшить интенсивность воспалений и окислительный стресс [14, 17, 21].

Включение в рационы питания растительных полифенолов с целью усиления иммунного отклика в организме человека на агрессивные факторы внешней и внутренней среды привлекает все больший интерес для индустрии биологически активных добавок (БАД) и функциональных пищевых ингредиентов (ФПИ).

Вместе с тем для этих биологически активных веществ (БАВ) остро встает вопрос необходимости обеспечения высокого уровня их биодоступности и биоактивности, о чем свидетельствуют результаты исследований, опубликованных нами ранее [1–3, 18, 19].

Многочисленные исследования, проводимые учеными разных стран, при общей оценке эффективности БАД или ФПИ доказывают необходимость оценки уровня биодоступности и биоактивности этих веществ после процесса пищеварения [5, 8, 9, 18]. Термины биодоступность и биоактивность БАВ, согласно подходу, предложенному M.J. Rodríguez-Roque [22], характеризуются количеством БАВ, которое выдерживает процесс пищеварения, и, таким образом, биоак- тивный компонент становится доступным для абсорбции, а также способен сохранять свои биоактивные свойства после процесса пищеварения (рис. 1).

Изучение биодоступности и биоактивности представляет большой интерес для предварительной оценки (на стадии доклинических исследований) функциональных свойств и эффективности как отдельных БАВ, так и ФПИ и БАД на их основе.

Целевая доставка биоактивных веществ в соответствующие отделы организма человека может быть обеспечена при использовании методов инкапсуляции. В этом случае биоактивное соединение представляет собой ядро, окруженное материалом стенки. При выборе материалов для инкапсуляции предпочтение отдается природным биополимерам, в том числе белкам и полисахаридам.

Целью настоящего исследования стало изучение возможности использования технологий инкапсуляции природных полифенолов для повышения их биодоступности и биоактивности с целью обеспечения эффективности в системах организма людей с высокими физическими нагрузками.

Материалы и методы. В рамках настоящего исследования в качестве БАВ были выбраны полифенолы рутин и таксифолин, как наиболее изученные растительные антиоксиданты, перспективные для использования в качестве функциональных пищевых ингредиентов при производстве специализированных пищевых продуктов для спортивного питания. Для данных соединений установлен обширный перечень фармакологических эффектов,

а)                                                    б)

Рис. 2. Пространственная структура молекул рутина (а) и таксифолина (б) [12] Fig. 2. The spatial structure of rutin (а) and taxifolin (б) molecules

определяющих возможность их использования в качестве БАД или функциональных пищевых ингредиентов для борьбы с оксидатив-ным стрессом.

Молекулярная структура соединений представлена на рис. 2.

В качестве вспомогательных веществ для инкапсуляции использовали:

Технологии и условия инкапсуляции

Инкапсуляцию полифенолов в βCD проводили при соотношении компонентов 3:1 по молярной массе. Навески соответствующих количеств таксифолина или рутина растворяли в установленном количестве растворителя (40%-ный водно-этанольный раствор), вносили соответствующее количество βCD и вымешивали при скорости 200 об/мин в течение 3 ч при температуре 40 °С.

Инкапсуляцию методом комплексной коацервации проводили путем внесения так-сифолина или рутина в установленном количестве в предварительно подготовленный водный раствор желатина (2 мас. %/об) в условиях механического перемешивания при скорости 500 об/мин в течение 15 мин. Затем в полученную суспензию был внесен водный раствор пектина (2 мас. %/об.) и созданы условия для коацервации путем изменения значения рН с применением 0,5н раствора HCl.

Методы исследования. Полученные в ходе инкапсуляции суспензии таксифолина и рутина оценивали в сопоставлении с исход- ным видом по следующим показателям при использовании описанных методов:

Общая антиоксида н тная (антиради-кальная) активность определялась методом DPPH (%) по модификац и и [23]. Использовали метанольный раствор D PPH 60 мкМ, 1 мл которого смешивали с 1 мл исследуемого раствора, инкубировали в темноте в течение 30 м ин. Поглощение измеряли спектрофотометрически при 515 нм.

АОА рассчитывали п о формуле

1 - ( D - D ,) АОА = ij

D c

х 100,

где Di – оптическая плотность исследуемого раствора; Dj – оптическая плотность контрол ь ного раствора DPPH с метанолом; Dc – оптическая плотность рас т вора DPPH.

Эффективность инк а псуляции о п ределяли как отношение БАВ, и н капсулиро в анных к количеству БАВ, оставшемуся на поверхности кап с ул.

Эффективность инкапсуляции в % рассчи т ывали по формуле

Xl-XO

ЭИ (%) = ×100, (2) %2

где Х1 – общее содержан и е БАВ (после процедуры разрушения капс у л), мг; Х0 – содержа н ие БАВ, определенное на поверхности кап с ул, мг; Х2 – количество БАВ, д о бавленное при инкапсуляции, мг.

Потенциальная биодоступность и биоактивность – на основе определения индекса биодоступности (И_Б Д ) и б иоактивности (И_БА) по м етодике [12, 16, 22].

Использование моделирования процесса переваривания in vitro проходило последовательно в две фазы:

В полученном фильтрате определяется количество БАВ и АОА (DPPH, %).

Индекс биодоступности (И БД , %) рассчитывали по формуле

И БД = ^{К кон} × 100,                    (3)

Кисх где Ккон – концентрация БАВ после процесса переваривания in vitro; Кисх – концентрация БАВ в исследуемом растворе до процесса переваривания.

Индекс биоактивности (И БА , %) рассчитывали по формуле

И  = ^{АОА кон} × 100,

^БА    АОА исх

где АОАкон – АОА (DPPH, %) БАВ после процесса переваривания in vitro; АОАисх – АОА (DPPH, %) БАВ в исследуемом растворе до процесса переваривания.

Результаты исследования и их обсуждение. Оценка эффективности инкапсуляции полифенолов показала, что использование βCD наиболее целесообразно для инкапсуляции таксифолина, значение эффективности инкапсуляции составило 76,4 %. Для рутина такой подход к инкапсуляции показал эффективность лишь 54,6 %, что, вероятно, объясняется более крупными размерами молекулы рутина и несоответствием ее размерам полости βCD. Инкапсуляция как таксифолина, так и рутина методом комплексной коацервации показала более высокие значения эффективности инкапсуляции: для таксифолина – 79,3 %, для рутина – 71,7 %.

Для определения эффективности выбранных технологий инкапсуляции проводили оценку их влияния на биологическую (антиоксидантную) активность таксифолина и рутина. Исследования показали, что процесс инкапсуляции снижает значения антиоксидантной активности БАВ, определяемые химическим методом (методом DPPH, %) (рис. 3). Значения показателя общей АОА (DPPH, %) такси-фолина, инкапсулированного в βCD, снизились на 18,1 % по отношению к исходному образцу, для рутина – на 14,2 %. Это может быть объяснено экранировкой части OH-групп полифенолов при формировании конъюгатов с βCD и коацерватов в системе «желатин – пектин». В результате экранирования функциональных OH-групп полифенолов они не приняли участия в реализации антиоксидантного эффекта при использовании метода DPPH. Это подтверждают и исследования, проведенные нами ранее [3, 18, 19].

При использовании технологии комплексной коацервации значения антиоксидантной активности БАВ снизились более чем на 50 % по отношению к антиоксидантной активности исходных веществ: для таксифолина – на 55,3 %, для рутина – на 52,0 %. Такое снижение АОА для полифенолов, инкапсулиро-

Рис. 3. АОА (DPPH, %) водных растворов (0,01 %) исходных и инкапсулированных полифенолов

Fig. 3. The AOA (DPPH, %) of original and encapsulated polyphenols in water solution (0.01%)

ванных методом коацервации, могут быть обусловлены тем, что комплексная защитная оболочка из желатина и пектина при коацервации полностью покрывает биологически активное вещество, не позволяя ему вступать в реакцию с DPPH-реактивом. АОА полученных коацерватов, вероятно, сформирована за счет неинкапсулированных БАВ, оставшихся на поверхности комплексов.

На следующем этапе исследований была определена потенциальная биодоступность исходных полифенолов и их инкапсулированных комплексов с использованием модели переваривания in vitro. Результаты определения индексов биодоступности и биоактивности представлены на рис. 4.

Рассматривая процессы инкапсуляции с точки зрения их влияния на биологические эффекты образующихся комплексов, большинство исследователей доказывают, что технологии инкапсуляции способствуют сохранности полифенолов в процессе пищеварения, обеспечивая более эффективную их доставку в организм человека [2, 20, 24, 25]. Согласно данным литературы снижение антиоксидантной активности в результате in vitro

а)

б)

Рис. 4. Потенциальная биодоступность и биоактивность водных растворов (0,01%) исходных и инкапсулированных полифенолов (а – И БД ; б – И БА )

Fig. 4. Potential bioavailability and bioactivity of original and encapsulated polyphenols (а – И БД ; б – И БА ) in water solution (0.01%)

переваривания в первую очередь зависит от класса фенольного соединения, его устойчивости к воздействию рН, ферментов и склонности к структурным превращениям, которые приводят к образованию метаболитов с различными химическими свойствами и, как правило, с более низкой биоактивностью [2, 20, 25].

Проведенные исследования показали, что после процедуры переваривания in vitro потенциальная биодоступность и биоактивность (выраженные соответствующими индексами) исходных форм полифенолов снижаются значительно. Вместе с тем использование технологий инкапсуляции позволяет в значительной степени обеспечить как сохранность количества БАВ, так и их антиоксидантных свойств. Наибольшую же эффективность с точки зрения сохранения потенциальной биодоступности и биоактивности показала технология коацервации, которая позволила обеспечить значения И_Б Д и И_БА для полифенолов в диапазоне 70–83 %, а значит, предотвратить процессы окислительной деградации БАВ при пищеварении, снизить уровень их атакуемо-сти ферментами.

Заключение. Таким образом, представленные материалы и исследования продемонстрировали эффективность и целесообразность использования технологий инкапсуляции полифенолов для увеличения их биодоступности, биоактивности и возможности более эффективной доставки БАВ в системы организма человека.

Это, в свою очередь, позволяет дать высокую прогностическую оценку эффективности полученных комплексов в регулировании окислительно-восстановительного гомеостаза в клетках организма спортсмена и снижении негативных последствий, вызванных инфекцией SARS-CoV-2.

Вместе с тем для полновесной оценки эффективности инкапсулированных комплексов полифенолов требуется проведение исследований по расширенной номенклатуре показателей, в том числе клинических испытаний.

Статья выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук МК-3690.2021.5.