Влияние ультразвука при экстракции Fucus vesiculosus на кинетику деградации фукоидана и его свойства

Введение. Перспективным источником для выделения фукоидана является Fucus vesiculosus L. – широко распространенный вид бурых водорослей. В последние годы активно изучается возможность применения фукоидана в медицине и фармации. Метод извлечения полисахаридов существенно влияет на их характеристики и функции. Для повышения эффективности экстракции широко исследуется возможность использования ультразвука (УЗ).

Цель. Изучение влияния времени низкочастотной УЗ-экстракции бурых водорослей F. vesiculosus на кинетику деградации фукоидана и его свойства.

Материалы и методы. В качестве сырья использовали свежемороженые бурые водоросли F. vesiculosus. УЗ-экстракцию проводили с помощью ультразвуковой установки УЗТА-0,4/22-ОМ с частотой колебаний 22 кГц и при температуре 25 °С. Экстракт получали при температуре 60 °С методом динамической мацерации. Гомогенность и молекулярную массу фукоидана анализировали методом высокоэффективной эксклюзионной хроматографии (ВЭЭХ). ИК-фурье-спектры фукоидана получали на спектрометре VERTEX 70. Количественное определение фукозы и сульфатов выполнено ВЭЖХ и спектрофотометрическим методом соответственно. Антиоксидантную активность (АОА) фукоидана оценивали с использованием теста железовосстанавливающей антиоксидантной способности (FRAP). Математическую и статистическую обработку результатов выполняли в соответствии с требованиями Государственной фармакопеи (ГФ) РФ XV издания с помощью программного обеспечения MO Excel 2007.

Результаты и обсуждение. Рассчитанная скорость деградации фукоидана составила 19,5 %/ч. Константа скорости реакции и период полураспада, рассчитанные по модели второго порядка (R² > 0,97), составили 5,8 · 10^–6 моль/(г · мин) и 110 мин. УЗ-деградация фукоидана происходила преимущественно за счет случайного разрыва цепи (R² > 0,98). Методом ИК-фурье-спектрометрии установлено, что предварительные структуры фукоидана без УЗ-обработки и после экстракции с УЗ-обработкой не были изменены. Анализ антиоксидантной активности показал, что фукоидан после УЗ-экстракции, несмотря на снижение молекулярной массы, демонстрировал значительную антиоксидантную активность in vitro.

Заключение. Впервые показано изменение структурных и антиоксидантных свойств фукоидана, вызванное низкочастотной УЗ-обработкой при экстракции. УЗ-экстракция фукоидана приводит к снижению средней молекулярной массы и деградации фукоидана без значительного разрушения сульфатных групп. В целом это исследование показывает, что низкочастотная ультразвуковая экстракция, которая является мягким, экологичным методом, осуществляемым за короткий промежуток времени, может быть эффективно использована для экстракции фукоидана без критического изменения молекулярной массы и антиоксидантной активности.

1. Усов А. И., Билан М. И. Фукоиданы – сульфатированные полисахариды бурых водорослей. Успехи химии. 2009;78(8):846–862. DOI: 10.1070/RC2009v078n08ABEH004063.

2. Lomartire S., Gonçalves A. M. M. Algal phycocolloids: bioactivities and pharmaceutical applications. Marine Drugs. 2023;21(7):384. DOI: 10.3390/md21070384.

3. George A., Shrivastav P. S. Fucoidan, a brown seaweed polysaccharide in nanodrug delivery. Drug Delivery and Translational Research. 2023;13:2427–2446. DOI: 10.1007/s13346-023-01329-4.

4. Супрунчук В. Е., Денисова Е. В. Фукоидан как компонент при разработке таргентных систем доставки лекарственных веществ. Молекулярная медицина. 2019;17(5):23–29. DOI 10.29296/24999490-2019-05-03.

5. Flórez-Fernández N., Balboa E. M., Domínguez H. Extraction and purification of fucoidan from marine sources. Encyclopedia of Marine Biotechnology. 2020;2:1093–1125. DOI: 10.1002/9781119143802.ch44.

6. Zayed A., Ulber R. Fucoidans: Downstream processes and recent applications. Marine Drugs. 2020;18:170. DOI: 10.3390/md18030170.

7. Gomez L. P., Alvarez C., Zhao M., Tiwari U., Curtin J., Garcia-Vaquero M., Tiwari B. K. Innovative processing strategies and technologies to obtain hydrocolloids from macroalgae for food applications. Carbohydrate Polymers. 2020;248:116784. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.116784.

8. Облучинская Е. Д., Минина С. А. Совершенствование способа получения экстракта из шрота фукусовых водорослей. Химико-Фармацевтический Журнал. 2004;38(6):36–39. DOI: 10.30906/0023-1134-2004-38-6-36-39.

9. Hmelkov A. B., Zvyagintseva T. N., Shevchenko N. M., Rasin A. B., Ermakova S. P. Ultrasound-assisted extraction of polysaccharides from brown alga Fucus evanescens. Structure and biological activity of the new fucoidan fractions. Journal of Applied Phycology. 2018;30:2039–2046. DOI: 10.1007/s10811-017-1342-9.

10. Jayawardena T. U., Nagahawatta D. P., Fernando I. P. S., Kim Y.-T., Kim J.-S., Kim W.-S., Lee J. S., Jeon Y.-J. A Review on fucoidan structure, extraction techniques, and its role as an immunomodulatory agent. Marine Drugs. 2022;20(12):755. DOI: 10.3390/md20120755.

11. Guo X., Ye X., Sun Y., Wu D., Wu N., Hu Y., Chen S. Ultrasound effects on the degradation kinetics, structure, and antioxidant activity of sea cucumber fucoidan. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2014;62(5):1088–1095. DOI: 10.1021/jf404717y.

12. Елапов А. А., Кузнецов Н. Н., Марахова А. И. Применение ультразвука в экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, применяемого или перспективного для применения в медицине (обзор). Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021;10(4):96–116. DOI: 10.33380/2305-2066-2021-10-4-96-116.

13. Белокуров С. С., Флисюк Е. В., Смехова И. Е. Выбор метода экстрагирования для получения извлечений из семян пажитника сенного с высоким содержанием биологически активных веществ. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2019;8(3):35–39. DOI: 10.33380/2305-2066-2019-8-3-35-39.

14. Kaleta A., Frolova N., Orlova A., Soboleva A., Osmolovskaya N., Flisyuk E., Pozharitskaya O., Frolov A., Shikov A. The effects of selected extraction methods and natural deep eutectic solvents on the recovery of active principles from Aralia elata var. mandshurica (Rupr. & Maxim.) J. Wen: A non-targeted metabolomics approach. Pharmaceuticals. 2024;17(3):355. DOI: 10.3390/ph17030355.

15. Obluchinskaya E. D., Pozharitskaya O. N., Shikov A. N. In Vitro anti-inflammatory activities of fucoidans from five species of brown seaweeds. Marine Drugs. 2022;20(10):606. DOI: 10.3390/md20100606.

16. Ayrapetyan O. N., Obluchinskaya E. D., Zhurishkina E. V., Skorik Yu. A., Lebedev D. V., Kulminskaya A. A., Lapina I. M. Antibacterial properties of fucoidans from the brown algae Fucus vesiculosus L. of the Barents sea. Biology. 2021;10(1):67. DOI: 10.3390/biology10010067.

17. Jo B. W., Choi S.-K. Degradation of fucoidans from Sargassum fulvellum and their biological activities. Carbohydrate Polymers. 2014;111:822–829. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.05.049.

18. Гаврилова А. С., Манаенков О. В., Филатова А. Е. Исследование влияния ультразвукового воздействия на микрокристаллическую целлюлозу. Вестник ТвГТУ. 2015;27(1):60–66.

19. Zayed A., El-Aasr M., Ibrahim A.-R. S., Ulber R. Fucoidan characterization: Determination of purity and physicochemical and chemical properties. Marine Drugs. 2020;18(11):571. DOI: 10.3390/md18110571.

20. Yan J.-K., Wang Y.-Y., Ma H.-L., Wang Z.-B. Ultrasonic effects on the degradation kinetics, preliminary characterization and antioxidant activities of polysaccharides from Phellinus linteus mycelia. Ultrasonics Sonochemistry. 2016;29:251–257. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2015.10.005.

21. Wu T., Zivanovic S., Hayes D. G., Weiss J. Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: underlying mechanism and effect of process parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(13):5112–5119. DOI: 10.1021/jf073136q.

22. Pu Y., Zou Q., Hou D., Zhang Y., Chen S. Molecular weight kinetics and chain scission models for dextran polymers during ultrasonic degradation. Carbohydrate Polymers. 2017;156:71–76. DOI: 10.1016/j.carbpol.2016.09.017.

23. Yin J.-Y., Ma L.-Y., Siu K.-C., Wu J.-Y. Effects of ultrasonication on the conformational, microstructural, and antioxidant properties of konjac glucomannan. Applied Sciences. 2019;9(3):461. DOI: 10.3390/app9030461.

24. Zhang L., Ye X., Ding T., Sun X., Xu Y., Liu D. Ultrasound effects on the degradation kinetics, structure and rheological properties of apple pectin. Ultrasonics Sonochemistry. 2013;20(1):222–231. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2012.07.021.

25. Czechowska-Biskup R., Rokita B., Lotfy S., Ulanski P., Rosiak J. M. Degradation of chitosan and starch by 360-kHz ultrasound. Carbohydrate Polymers. 2005;60(2):175−184. DOI: 10.1016/j.carbpol.2004.12.001.

26. Flórez-Fernández N., López-García M., González-Muñoz M. J., López Vilariño J. M., Domínguez H. Ultrasound-assisted extraction of fucoidan from Sargassum muticum. Journal of Applied Phycology. 2017;29:1553–1561. DOI: 10.1007/s10811-016-1043-9.

27. Wang P., Cheng C., Ma Y., Jia M. Degradation behavior of polyphenols in model aqueous extraction system based on mechanical and sonochemical effects induced by ultrasound. Separation and Purification Technology. 2020;247:116967. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.116967.